Електрон, який переходить між двома атомними станами, не проходить ніякого проміжного простору. Ідея квантового стрибка вводить в оману і зазвичай неправильно розуміється.
По-перше, електрон - це квантовий об'єкт. Таким чином, він діє і як хвиля, і як частинка одночасно. Пов'язаний як частина атома електрон в основному веде себе як хвиля. Електрон поширюється у вигляді хмарних хвиль, званих «орбіталями». Якщо ви уважно «подивіться» на різні орбіталі атома (наприклад, атома водню), ви побачите, що всі вони перекриваються в просторі.
Тому, коли електрон переходить з одного атомного енергетичного рівня на інший енергетичний рівень, він нікуди не йде. Він просто змінює форму. Орбітальні форми з великою кількістю флуктуацій (з великою кількістю максимумів, мінімумів і вигинів форми) містять більше енергії. Іншими словами, коли електрон переходить на нижчий атомний енергетичний рівень, форма його хвилі змінюється, і в ній стає менше зломів. Але електрон нікуди не «скаче».
Хвильова поведінка електрону в атомі дуже схожа на поведінку класичних хвиль на гітарній струні. Коли ви смикаєте гітарну струну, ви збуджуєте в струні стоячі хвилі, які і створюють звук. Певна струна може випробовувати лише певні типи хвиль, тому що струна затиснута з обох кінців. Типи хвиль, допустимих для конкретної струни, називаються її «гармоніками».
Гармоніки струни залежать від довжини струни, натягнення і маси. Таким чином, конкретна гітарна струна (певної довжини, натягнення і маси) може відтворювати тільки певний тип звуку, який являє собою комбінацію її гармонік.
Якщо ви дуже уважно ставитеся до того, як ви копіюєте струну, ви можете створити хвилю на струні, яка в основному є нижньою, основною гармонікою (у якої дуже мало перегинів), або ви можете створити хвилю на струні, яка в основному є більш високою гармонікою (має безліч зломів). Це вимагає більше енергії і, отже, важче сильно збудити вищу гармоніку в гітарній струні.
Крім того, якщо ви правильно захистите струну, щоб сильно збудити хвилю більш високої гармонії в струні, ви навіть можете змусити струну перейти до гармоніки з більш низькою енергією. Хвиля на гітарній струні нікуди не йде, коли струна переходить зі стану з більш високою енергією в стан з більш низькою енергією. Хвиля просто змінює форму.
Так само дискретний набір електронних орбіталів, можливих у певному атомі, фактично є гармонікою атома. Електрон може перейти до форми хвилі з більш високою гармонікою, поглинаючи енергію і більше згинаючись, або перейти до форми хвилі з більш низькою гармонікою, випромінюючи енергію і менше згинаючись (розслабляючись).
Тут має бути ясно, що електрон, який переходить в атомі, не здійснює ніякого стрибка з одного місця в просторі в інше місце в просторі. Але вас все одно може турбувати, що електрон здійснює стрибок з одного енергетичного рівня на інший і, отже, обходить всі проміжні енергетичні стани.
Хоча мова йде про стрибок в енергетичних масштабах, а не про стрибок у просторі, такий стрибок все ж може здатися неприродним. Справа в тому, що електрон, переходячи в атомі, фактично не скаче з одного енергетичного рівня на інший енергетичний рівень, а здійснює плавний перехід.
Можна задатися питанням: «Хіба квантова теорія не говорить нам, що електрон в атомі може існувати тільки на певних, дискретних рівнях енергії?»
Взагалі-то, ні. Квантова теорія говорить нам, що електрон зі стаціонарною енергією може існувати тільки на певних, дискретних рівнях енергії. Ця відмінність дуже важлива.
Під «стаціонарною енергією» ми маємо на увазі, що енергія електрона залишається постійною протягом досить тривалого періоду часу. Орбіталі конкретного атома - не єдині дозволені стани, які може приймати електрон в атомі. Це єдині стабільні стани атома, а це означає, що коли електрон переходить у певний стан в атомі, він повинен перебувати в одному з орбітальних станів.
Коли електрон знаходиться в процесі переходу між стабільними станами, він сам по собі нестабільний і тому має менше обмежень на свою енергію. Насправді електрон, який переходить, не має навіть чітко визначеної енергії. Вроджена квантова невизначеність виникає в енергії електрону через його перехід.
Чим швидше електрон переходить, тим більш невизначена його енергія. Ця «вроджена квантова невизначеність» не є якоюсь метафізичною загадкою, а краще розуміється як хвиля, що поширюється за багатьма значеннями. Точно так само, як електрон може поширюватися у вигляді хвилі, яка поширюється на область простору, він також може поширюватися у вигляді хвилі, яка поширюється на область на шкалі енергії.
Якщо ви підрахуєте середню енергію («математичне очікування») розкиду енергій цього перехідного електрону, ви виявите, що середня енергія електрона не перескакує миттєво з одного енергетичного рівня на інший. Швидше, він в середньому плавно переходить з одного енергетичного рівня на інший рівень енергії протягом певного періоду часу.
Насправді ніякого «миттєвого квантового стрибка» не існує. Електрон не стрибає в просторі і не стрибає вгору за шкалою енергії. Фактично, термін «квантовий стрибок» майже повсюдно уникається вченими, оскільки він вводить в оману.
Якщо ви хочете отримати кращий мислений образ, ви можете уявити електрон швидко, але плавно ковзаючим за шкалою енергії від одного стійкого стану до іншого. Оскільки типовий перехід атомного електрона дуже швидкий (часто порядку наносекунд), людському сприйняттю він може здатися майже миттєвим, але насправді це не так.