T.Redzhe "Etyudy o Vselennoi", Mir/NiT<< 3.1. Vvodnye zamechaniya | Oglavlenie | 3.3. Sootnoshenie neopredelennosti >>
3.2. Kvantovanie
Ponyatie "kvanta" lezhit v osnove vsei atomnoi fiziki, i ego ispol'zovanie okazalo na razvitie tehniki gorazdo bolee sil'noe vliyanie, chem teoriya otnositel'nosti. Po etoi prichine mne kazhetsya umestnym zatratit' nekotoroe vremya, chtoby poyasnit' prirodu kvantovoi mehaniki.
Mehanika
Prostranstvo (kantovskoe trehmernoe) zapolneno materiei, dvizhusheisya pod deistviem sil, vyzvannyh samoi zhe materiei. Cel' fiziki sostoit v vyyavlenii prirody etih sil i v tom, chtoby predstavit' ih v lakonichnom matematicheskom vide. "Ob'yasnit'" sily – znachit vyvesti dlya nih matematicheskoe vyrazhenie iz malogo chisla aksiom, prichem eti vyrazheniya dolzhny byt' dostatochno prostymi i primenimy k mnozhestvu raznoobraznyh yavlenii. Tak, obshaya teoriya otnositel'nosti ob'yasnyaet gravitacionnye sily, a uravneniya Maksvella ob'yasnyayut sily elektromagnitnye i prirodu sveta.
Zadacha mehaniki – matematicheski opisat' dvizheniya material'nyh tel, esli izvestny sily, deistvuyushie na eti tela. N'yuton otkryl zakon vsemirnogo tyagoteniya, no, chto eshe vazhnee, on takzhe vvel formalizm klassicheskoi mehaniki, i eto pozvolilo emu vychislit' s horoshei tochnost'yu orbity planet i ih vzaimodeistvie. K koncu devyatnadcatogo stoletiya ponyatie mehaniki preterpelo znachitel'nye izmeneniya po sravneniyu s ishodnym predstavleniem N'yutona; Lagranzh sformuliroval princip deistviya, Maksvell vyvel uravneniya elektromagnitnogo polya, ispol'zovav opredelennuyu analogiyu s mehanikoi sploshnyh sred.
Model' atoma Rezerforda
My uzhe obsuzhdali krizis, privedshii k sozdaniyu relyativistskoi mehaniki. Stol' zhe interesen i krizis, kotoryi privel k vozniknoveniyu ponyatiya "kvanta". Blagodarya opytam Tomsona k nachalu nashego veka stalo yasno, chto elektrony predstavlyayut soboi otricatel'no zaryazhennye chasticy, yavlyayushiesya sostavnoi chast'yu atoma. Elektricheskii tok yavlyaetsya ne chem inym, kak uporyadochennym dvizheniem elektronov vdol' metallicheskogo provoda; v etom smysle elektron – eto "kvant" elektrichestva.
Ishodya iz takoi informacii, Rezerford predlozhil planetarnuyu model' atoma. Soglasno etoi modeli, elektrony vrashayutsya, kak planety, vokrug central'nogo polozhitel'no zaryazhennogo yadra, kotoroe prityagivaet ih podobno Solncu. Napomnim, chto zaryady raznyh znakov prityagivayutsya, a odinakovyh – ottalkivayutsya. Takaya analogiya mezhdu atomom i Solnechnoi sistemoi srazu zhe zahvatila voobrazhenie bol'shinstva lyudei. Ona deistvitel'no ochen' polezna, poskol'ku pozvolyaet sozdat' zritel'nyi obraz atoma, a takzhe izbezhat' dlinnyh raz'yasnenii. Tem ne menee pol'zovat'sya analogiei mozhno tol'ko do opredelennogo predela. Elektrony vse strogo odinakovy i energichno ottalkivayutsya drug ot druga, poskol'ku spravedliv princip Pauli, zapreshayushii im zanimat' odno i to zhe sostoyanie. Ni odno iz etih svoistv ne imeet planetarnogo analoga.
Osnovnoi nedostatok modeli Rezerforda sleduet iz prirody elektricheskih zaryadov. Zaryad, na kotoryi ne deistvuyut sily, dvizhetsya ravnomerno i pryamolineino. Esli zhe na nego deistvuet magnitnoe pole ili prityazhenie kakogo-nibud' atomnogo yadra, to traektoriya zaryada budet iskrivlena; iz teorii Maksvella sleduet, chto takoi zaryad dolzhen ispuskat' elektromagnitnye volny i chto pri etom on poteryaet chast' svoei energii. Na samom dele edinstvennyi sposob proizvesti elektromagnitnye volny sostoit kak raz v tom, chtoby "potryasti" kakie-nibud' zaryady, chto ochen' prosto sdelat', esli rech' idet ob elektronah.
Itak, elektron vnutri atoma dolzhen izluchat', t.e. nepreryvno teryat' energiyu, tak chto v konce koncov on dolzhen budet upast' na yadro. Takim obrazom, atom Rezerforda okazyvaetsya nestabil'nym i dolzhen v svoem razvitii doiti do kollapsa, izluchiv pri etom vspyshku sveta, chto polnost'yu protivorechit nablyudaemomu faktu stabil'nosti veshestva. Eti trudnosti modeli stali osobenno yasny vo vremya Sol'veiskogo kongressa 1911 g. Kak pri chtenii trudov kongressa, tak i v lichnyh besedah s Rezerfordom datchanin Nil's Bor imel vozmozhnost' osoznat' nedostatki i dostoinstva takoi modeli. Po kakoi zhe prichine orbity elektronov okazyvayutsya stabil'nymi?
Model' Bora
Istorik nauki Toman Kun vosproizvel vo vseh podrobnostyah razlichnye etapy iznuritel'nogo truda Bora vplot' do 1913 g., v kotorom model' atoma vodoroda prinyala okonchatel'nyi vid. Bor ogranichilsya rassmotreniem atoma vodoroda, tak kak on ochen' prost (edinstvennyi elektron vrashaetsya vokrug odnogo protona) i poddaetsya matematicheskomu analizu, poskol'ku elektronnye orbity podchinyayutsya zakonam Keplera. Sushestvuet beskonechnoe chislo vozmozhnyh orbit, harakterizuemyh srednim rasstoyaniem ot yadra i splyushennost'yu, ili ekscentrisitetom.
Kakim zhe obrazom mozhno poluchit' empiricheskuyu informaciyu ob etih orbitah? Otvet na etot vopros daet spektroskopiya. Esli v steklyannoi trubke, napolnennoi razrezhennym gazom, vozbudit' elektricheskii razryad, to my vyzovem izluchenie sveta (etim ob'yasnyaetsya, naprimer, svechenie reklamnyh ognei). Razgovarivaya so spektroskopistom iz Kopengagena Hansenom, Bor ponyal, chto sushestvuyut ochen' prostye empiricheskie pravila, upravlyayushie izlucheniem svetovyh voln gazoobraznym vodorodom.
Svet i radiovolny imeyut odinakovuyu prirodu, no chastota sveta namnogo vyshe, chem u radiovoln (primerno v million raz). Atomy, okazyvaetsya, izluchayut svet vpolne opredelennoi chastoty, kak miniatyurnye radiostancii, prichem chastota eta zavisit ot vida atoma. V 1905 g. dlya ob'yasneniya fotoelektricheskogo effekta Einshtein predpolozhil, chto svetovoe izluchenie skoncentrirovano v "paketah" (kvantah sveta, ili fotonah), energiya kotoryh proporcional'na chastote, v sootvetstvii s sootnosheniem Planka.
Takim obrazom, atom mozhet izluchat' svet, teryaya energiyu diskretno, porciyami, proporcional'nymi chastote. V modeli Rezerforda padenie elektrona na yadro predstavlyalo nepreryvnyi process, napominayushii spiral', po kotoroi dvigalas' do konca svoih dnei stanciya "Skaileb". Bor zhe postuliroval (i eto byl ochen' smelyi shag), chto elektrony mogut nahodit'sya tol'ko na nekotoryh opredelennyh orbitah iz beskonechnogo chisla ih, predskazyvaemogo model'yu. Togda, pereskakivaya s odnoi orbity na druguyu, elektron teryaet vpolne opredelennoe kolichestvo energii, v tochnosti ravnoe predskazannomu empiricheskimi formulami dlya izlucheniya sveta.
Kvantovanie orbit
Tak Bor, opredeliv pravila dlya orbit, prishel k kvantovaniyu. Pravila Bora dlya atoma vodoroda vyglyadeli ochen' prosto. Trudnosti, voznikshie pri ih rasprostranenii na drugie atomy, potrebovali dlya svoego preodoleniya sozdaniya kvantovoi mehaniki. Osnovnoe utverzhdenie kvantovoi mehaniki, v sushnosti, sostoit v tom, chto elektron, kak i lyubaya drugaya material'naya chastica, zhivet eshe i vtoroi zhizn'yu – zhizn'yu volny (dualizm volna – chastica). Formula Planka opredelyaet svyaz' mezhdu energiei chasticy i ee chastotoi, esli chastica rassmatrivaetsya kak volna. Kvantovaya mehanika ustanavlivaet polnoe sootvetstvie mezhdu volnovymi svoistvami i svoistvami chasticy.
Obychno byvaet (ili byvalo) trudno predstavit' volnovuyu prirodu elektrona, kotoraya proyavlyaetsya, tol'ko kogda dlina volny okazyvaetsya bol'shoi v sravnenii s prepyatstviyami, vstrechayushimisya na ego puti. Eto kak raz i proishodit vnutri atoma, poetomu nevozmozhno prosledit' za dvizheniem elektrona, schitaya ego voobrazhaemym sharikom v miniatyurnoi solnechnoi sisteme. Skoree nuzhno podhodit' k atomu, kak k analogu zvukovogo rezonatora, kak k strannomu muzykal'nomu instrumentu, v kotorom vmesto zvukovyh voln my imeem volny elektronnye. Imenno takoe sravnenie daet vozmozhnost' ponyat' sut' kvantovaniya orbit. Trubka organa mozhet kolebat'sya tol'ko na opredelennoi chastote, zavisyashei ot formy i dliny trubki; to zhe proishodit v sluchae struny royalya. Teper' nuzhno govorit' ne ob elektronnyh orbitah, poteryavshih smysl, a, skoree, o razlichnyh "modah", t.e. vidah kolebanii. Menyaya modu, elektron izluchaet svetovuyu volnu s harakternoi chastotoi, zavisyashei ot konkretnogo perehoda.
Primenenie idei Bora pri rassmotrenii bolee slozhnyh atomov pozvolilo nadezhno obosnovat' periodicheskuyu sistemu Mendeleeva i vyyasnit' prirodu himicheskoi svyazi. Stol' zhe vazhnym okazalos' otkrytie togo, chto dualizm volna – chastica universalen i prisush vsyakoi materii. Neskol'ko zamechanii, vyskazannyh Einshteinom na etu temu, pozvolili Shredingeru vyvesti znamenitoe uravnenie, opisyvayushee dvizhenie etih voln materii.
Ostaetsya voprosom istorii, kakie zhe prichiny priveli Einshteina (da i Shredingera) v stan protivnikov novoi fiziki, podnyavsheisya iz pepla staroi, v chastnosti, imenno blagodarya im. Razumeetsya, i do sih por sushestvuyut somneniya otnositel'no pravil'noi interpretacii kvantovoi mehaniki. Bol'shinstvo fizikov priderzhivaetsya interpretacii tak nazyvaemoi Kopengagenskoi shkoly. Vse, vklyuchaya samogo Einshteina, priznali vyvody i formuly, kotorye sleduyut iz etoi interpretacii. Tem ne menee vplot' do svoei smerti v 1955 g. Einshtein schital kvantovuyu mehaniku nesovershennoi teoriei, neopredelennost' kotoroi predstavlyaet soboi ser'eznyi nedostatok, chastichno zakryvayushii ot nas istinu.
<< 3.1. Vvodnye zamechaniya | Oglavlenie | 3.3. Sootnoshenie neopredelennosti >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy
Publikacii so slovami: Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
