Аттосекунды: 1. Личная жизнь атомов

Под действием внешнего удара, например при поглощении света, электронная оболочка атома начинает колебаться. Для внешних, самых медленных электронов в атоме этот процесс разворачивается на масштабе в сотни аттосекунд. Изображение с сайта physics.aps.org

На микросекундном масштабе замирает движение макроскопических тел. На фемтосекундах останавливается движение отдельных атомов и остаются лишь электронные процессы в веществе. На более мелких промежутках времени — аттосекундах — замирает и оно. На этом масштабе времен мы оказываемся в удивительном мире, когда каждому атому уже безразлично, летит он сам по себе один-одинешенек или находится в тесном окружении атомов-соседей.

Сцена действий на аттосекундах — это отдельные атомы, а сюжетом является их внутренняя жизнь.

Для того чтобы оценить масштаб времен, на которых разворачивается электронная жизнь атома, начнем с простейшего случая — атома водорода. В рамках простейшей боровской модели строения атома можно оценить размер электронного облака (боровский радиус, a_B) и скорость электрона в атоме v₀. Точные формулы мы писать не будем, а просто приведем базовые числа:

a_B ≈ 0,5·10⁻¹⁰ м = 0,5 Å,       v₀ ≈ 0,01 c.

Поделив длину окружности с таким радиусом на скорость, получим простейшую оценку для периода «вращения» электрона вокруг ядра:

T0  =   2 π aB   ≈ 100 ас. v0

Слово «вращение» взято в кавычки для того, чтобы не было соблазна представлять себе, будто бы электрон реально, словно маленький шарик, летает в пространстве вокруг ядра. На самом деле он представляет собой размазанное электронное облако, в целом неподвижное, но обладающее некоторой кинетической энергией. Если же это облако сильно потревожить внешним воздействием, оно начнет колыхаться. Полученное время T₀ — это как раз типичный период этого колыхания.