А.Н. Матвеев - Атомная физика (1120551), страница 108

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 108)

Отсюда следует, что уровни 2гЯг и 2гРп должны точно совпадать. 6днако уже в 3О-х годах у Релятивистские эффекты в атомной физике спектроскописгов закрались сомнения в справедливости этого утверждения, которые удалось проверить лишь в 1947 г. Оказалось, что эти уровни не совпадают и в формулу (72.43) необходимо ввести поправку. Анализ этого вопроса привел к исследованию физических свойств вакуума. Состояния с отрицательной зиергней.

Как уже было отмечено, уравнение Дирака допускает решения с отрицательной полной энергией. Интерпретация таких состояний встречает трудности. Если бы существовал электрон с отрицательной энергией, то он ускорялся бы в направлении, противоположном направлению действующей силы. Трудность с отрицательной энергией была преодолена в 1930 г. Дираком с помощью теории дырок. Дирак предположил, что все уровни с отрицательной энергией заполнены электронами, причем, согласно принципу Паули, па каждом уровне находится по одному электрону. Между электронами с отрицательной энергией и электронами с положительной энергией имеется энергетический интервал 2т с' (рис.

146). Концентрация электронов, находящихся в состоянии с отрицательной энергией, бесконечно велика. Переходы электронов из одного состояния с отрицательной энергией в другое запрещены принципом Паули, поскольку все состояния заполнены. Предполагается, что с электронами в состояниях с отрицательной энергией не связаны какие-либо экспериментальные гравитационные эффекты. Однако переходы электронов между состояниями с положительной и отрицательной энергией возможны.

Если электрону в состоянии с отрицателыюй энергией сообщается энергия, болыпая чем 2т с', то электрон переходит в состояйие с положительной энергией и ведет себя как обычный электрон. Место же, которое он занимал, находясь в состоянии с отрицательной энергией, остается свободным.

Иначе говоря, в состояниях с отрицательной энергией появляется дырка. Эта дырка, т. е, отсутствие отрицательно заряженного электрона, ведет себя как частица с положительным зарядом и массой, по абсолютным значениям равными заряду и массе электрона. Таким образом, переход электрона из состояния с отрицательной энергией в состояние с положительной энергией сопровождается рождением двух частиц: обычного электрона и положительно заряженной частицы с массой электрона. Энергию электрону па уровне отрицательной энергии можно сообщить, например, с помощью энергичных у-квантов.

Таким образом, теория дырок предсказывает порождение пар частиц. В моменг создания теории дырок в 1930 г. зто предсказание рассматривалось как аргумент против теории, поскольку никаких положительно заряженных частиц с массой электрона известно не было. Однако в !933 г. процесс рождения пар частиц был открыт. Положительно заряженная частица с массой, равной массе электрона, получила название пози- трона. Уровень с отрицательной энергией долго оставаться пустым не может. На этот уровень может совершить переход электрон из состояния с положительной энергией. В результате этого перехода исчезнут как электрон, так и дырка, т.е. исчезнут как электрон, так и позитрон.

Разность энергий при этом выделится в виде энергии двух у-квантов. Таким образом, происходит аннигиляция пары электрон— 400 14. Релятивистские эффекты е атомной физике позитрон с излучением у-квантов. Процесс аннигиляции также наблюдается экспериментально. Существование элек~рона и пози- трона является частным случаем более общей закономерности, по которой каждой частице соответствует ее античастица. Античастица порождается в паре со своей частицей и аннигилирует с ней. Позитрон представляет античастицу для электрона. Друг.ие элементарные частицы также имеют свои античастицы. Все предсказания теории относительно существования античастиц блестяще подтверждены экспериментами. Были открыты антипротоны, антинейтроны и т.д.

Таким образом, анализ состояний с отрицательной энергией позволил предсказать существование целого класса античастиц. Это было одним из триумфов релятивистской кван~оной теории. 73. Физические свойства вакуума Описывается экспериментальное наблтодевие лэмбоеското сдвига уровней энергии в атоме водорода в его простейтпая теоретическая ннэ ерпрстапня.

Опыты Лэмба и Ризерфорда. Теория Дирака хорошо объясняет тонкую структуру атомных спектров как результат проявления спиновых и релятивистских эффектов. В соответствии с формулой !72.43) уровни энергии атома водорода зависят от главного квантового числа и и квантового числа 7'. Поэтому два различных состояния с одинаковыми и и 7' должны обладать одинаковой энергией. В частности, состояния 2з5пз и 2'Рты должны обладать одинаковой энергией, причем их совпадение должно быть точным. Уже в 1934 г.

спектроскописты высказывали сомнение в правильности этого теоретического заключения. Однако точность измерения, которая была достигнута в то время, не позволила дать на этот вопрос определенного ответа. Такая возможность представилась (1947) в результате применения ралиоспектроскопических методов Лэмбу и Ризерфорду. В своем методе Лэмб и Ризерфорд воспользовались тем, что уровень 2т5п, является метастабильным, а уровень 2'Р„,-нестабильным. В самом деле, переход из состояния 2т5„ в состояние 1т5ьд запрещен правилом отбора ЛЬ= Л! = + 1,поскольку при этом переходе должно быть А! = = О. Переход же из состояния 2'Р,, в состояние 1'5„, разрешен, поскольку при этом переходе Л! = — 1. В мета- стабильном состоянии атом находится дольше, чем в нестабильном, примерно в 1Ов раз, при этом переход из метастабильного состояния совершается с испусканием двух фотонов.

Что же касается разрешенного перехода, то он относительно перехода из метастабильного состояния совершается практически мпювенно. Это обстоятельство и использовали Лэмб и Ризерфорд в своих опытах (рис. 147). Пучок атомов водорода в основном состоянии 1т5эг, получается в вольфрамовой печи в результате диссоциации молекулярного водорода при высокой температуре. Если на мишень М попадают атомы в невозбужденном состоянии, то они не обладают энергией возбуждения, которую могли бы передать электронам мишени. В результате электроны из металла не вырываются и никакого тока в цепи с гальванометром Р не наблюдается. Однако часть атомов пучка можно возбудить.

Для этого пучок атомов водорода пересекается пучком электронов П. 1 73. Физические свойства вакуума 4(У! В результате столкновения электронов пучка с атомами водорода последние возбуждаются. Те атомы, которые возбуждаются до состояния 2'Рн., практически мгновенно переходят в основное состояние и на мишень попадают в основном состоянии. Те же атомы„которые возбуждаются до метастабильного состояния 228... попадают на мишень в метастабйльном (возбужденном) состоянии. В условиях эксперимента Лэмба и Ризерфорда примерно один атом из 10а атомов пучка возбуждался до метастабильного состояния 2'8„2.

При попадании на мишень возбужденный атом отдает свою энергию возбуждения, вырывая электроны из мишени. В результате в цепи с гальванометром возникает ток. По силе тока можно судить о количестве атомов в метастабильном состоянии„ попадающих на мишень. На своем пути пучок атомов пересекает область ( ) с переменным электромагнитным полем. Если уровни 2~8222 и 2'Рьз не совпаДают, то, попадая в область изменяющегося электромагнитного ноля, частота которого равна частоте излучения, соответствующей разности энергий между состояниями 225„, и 2 Р„,, атомы должны совершать пезреходы между этими состояниями: 2 Яг — 2'Р„,.

Из состояния 2'Рг,г атом практически мгновенно переходит дальше в состояние !'Бггг И пОпадаЕт на мишень в основном состоянии. Таким образом, если частота электромагнитного поля в области. которую пересекает пучок, равна частоте излучения, соответствующей разности энергий между уровнями 2'5„2 и 2'Р„,„го должно наблюдаться резкое уменьшение силы тока. По резонансной частоте можно определить разность энергий уровней 2'5„, и 2'Р„.

ю 147 Схема опыта Лэмба н Риэерфорда э,гг 148 Расгпеппенин уровней 20 „и 2р, в атоме водорода Аналогично может быть определено и относительное положение других уровней. Своими опытами Лэмб и РизерфоРД Доказали, что УРовни 2'Яггг и 2'Р„, не совпадают между собой, как это йредсказывается теорией Дирака. Разность между этими уровнями по частотам равна 1058 МГц. Взаимное расположение уровней 2'бган 2 Рг 2 и 2'Р„,, полученное в опытах Лэмба и Ризерфорда, показано на рис.

148. Таким образом, между релятивистской теорией и экспериментом имеется расхождение. Количесгвеино оно очень мало: ведь расстояние между уровнями 22Р,Ф и 2'Р„, является тонкой структурой, а расстояние между уровнЯми 2 8222 и 2'Рг а пРимеРно в Десять раз меньше этого расстояния. Анализ этого расхождения показал, что сдвиг энергетических уровней электронов в а~омах, обнаруженный 402 14 Релятивистские эффекты в атомной физике в опытах Лэмба и Ризерфорда, обусловлен взаимодействием электрона с флуктуациями вакуума. Следовательно, вакуум нельзя рассматривать как нечто, где ничего нет. В действительности вакуум обладает определенными физическими свойствами, которые, в частности, проявляются в опытах Лэмба и Ризерфорда.

Физические свойства вакуума. В лэмбовском сдвиге уровней атомных электронов проявляются физические свойства электромагнитного вакуума. Физические свойства вакуума обусловливаются виртуальным порождением и поглощением фотонов и всех других частиц. Поэтому говорят не только об электромагнитном вакууме, но и о вакууме других частиц. В частности, выше шла речь о состояниях с отрицательной энергией и позитронах. Фон электронов в состояниях с отрицательной энергией есть электронно-позитронный вакуум. Имеется также вакуум и других частиц.

Характеристики

Список файлов книги