Аттосекунды: 2. Самые внутренние электроны
Электронные процессы убыстряются вблизи ядра в тяжелых атомах. Если мы возьмем тяжелый многоэлектронный атом и залезем в самую его глубь, потревожим самые внутренние электроны, то мы сможем добраться до явлений, длящихся единицы или даже доли аттосекунды.
Для того чтобы понять, почему внутренние электроны живут такой активной жизнью, вспомним самые базовые факты про строение сложных атомов. В атомах есть электроны, которые держатся вблизи атомного ядра и образуют электронные оболочки. Чем больше заряд ядра, тем больше электронов оно может удержать рядом с собой. Периодическая система Менделеева — это графическое изображение того, как заполняются электронные оболочки с ростом заряда ядра.
Оболочки эти неравноправны. Если взять какой-то тяжелый атом, то у него будут и самые внутренние оболочки, спрятанные глубоко внутри атома, и внешние, которые простираются далеко и которые, собственно, образуют границы атома. Электроны на самых внутренних оболочках находятся намного ближе к ядру, чем внешние. Оценку для этого расстояния для ядра с зарядом Z можно получить из той же боровской модели атома:
| aZ ≈ | aB | . |
| Z |
Из-за того что внутренние электроны ближе к ядру, их средняя скорость выше, чем у внешних. В этом нет ничего удивительного: в Солнечной системе, например, далекие от Солнца планеты тоже движутся медленнее, чем близкие. Из боровской модели атома можно получить оценку этой скорости для внутренних, самых «быстрых» электронов:
| vZ ≈ Z v0. |
Или то же словами: скорость самых внутренних электронов растет пропорционально заряду ядра. Отсюда, кстати, следует важный вывод:
 |
самые внутренние электроны в тяжелом атоме движутся с околосветовыми скоростями. |
Ну и последний шаг — период «вращения» самых внутренних электронов в ядрах с зарядом Z:
| TZ = | 2 π aZ | = | T0 |
| vZ | Z 2 |
А поскольку заряд тяжелых атомов составляет несколько десятков элементарных зарядов, мы легко можем получить TZ порядка аттосекунды и даже меньше.
И напоследок — небольшое предостережение. Величина TZ характеризует обычно минимальный временной масштаб явлений с внутренними электронами. Это еще не значит, что абсолютно все эти явления будут протекать настолько быстро. Реальный процесс перестройки внутренних электронных оболочек обычно длится чуть дольше — ведь электронам, условно говоря, надо как-то «договориться друг с другом», кто куда перемещается. Ну а если при этом придется еще излучать фотон, то процесс может затянуться еще больше. Это наблюдение — характерный пример общей тенденции к замедлению коллективных процессов в сложных системах.
Новости науки: физика
