С. Трейман - Этот странный квантовый мир (1129358), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

Различные области имеют свои различные методологии и концепции. Никто из них не страдает от нехватки интеллектуальных и практических проблем внутри своей области. Но как мы уже знаем, наука едина. На глубоком уровне различные области являются частью общей науки об атомах, где царят квантовые явления. Глубже проявляется фантастический мир субатомных частиц, а еще дальше — мир космоса.

Квантовая механика впервые привлекла к себе человеческое внимание в первые годы двадцатого столетия. Это не означало скачок вверх до полного развития. В это время истоки квантовой механики занимали очень скромное место на научной сцене; а именно, они находились в физике излучения черного тела.

Проблема излучения черного тела связана с частотным спектром электромагнитного излучения, которое заполняет любой объем, окруженный материальными стенками и находится с ними в термодинамическом равновесии. Этот вопрос кажется ужасно частным. Однако десятилетием раньше, на основе элегантных термодинамнческих рассуждений, было показано, что интенсивность излучения как функция частоты, должна иметь фундаментальный характер.

Она может зависеть от частоты и температуры, но не от формы сосуда или, более строго, типа материала, из которого изготовлены стенки. Отсюда следует глубокий вывод. Экспериментальные измерения различных частей частотного спектра были проведены в конце столетия. Вызовом теоретикам было описание формы кривой. Этого успеха добился Макс Планк, немецкий физик, в !900 г. Более подробно научную сторону этого дела мы рассмотрим позднее, сейчас же коротко остановимся на этом событии.

Однажды Планк, познакомившись с последними экспериментальными результатами по спектру черного тела, уселся за работу, и, как нам известно, не более чем за один вечер получил эмпирическую формулу, которая очень хорошо соответствовала спектральным данным. Это не был просто случай грубой подгонки, он руководствовался некоторыми идеями, которые были высказаны в его же более ранней работе с соавторами. Тем не менее, эта формула была исключительно эмпирической. Несколько последующих месяцев он пытался получить эту формулу в рамках классической теории того времени. Для этого требовались статмеханические сообра- Истоки 21 жения.

Но классическая статистическая механика еще только развивалась, и Планк не захотел, или не смог следовать по наиболее простому пути, доступному для него. Если бы он использовал этот путь (отмеченный чуть раньше лордом Рэлеем), он пришел бы к катастрофическому разногласию с экспериментальными данными. Действительно, он следовал более сложному подходу, который в основе был классическим, за исключением нескольких пустяков, которые мы опишем позднее.

Получилась эмпирическая формула Планка для излучения черного тела! Из мало~о получилась квантовая революция. По этому поводу не возникло никаких волнений на улицах. Только очень малая часть физиков обратила свое внимание на это достижение. Среди них лишь немногие поняли, что произошло что-то новое, но и они были далеки от понимания того, что означает это новое.

Решающий шаг в 1905 г. сделал Альберт Эйнштейн. Это был для него удивительный год, в котором он представил свою работу по специальной теории относительности. Эйнштейн понял из открытия Планка изумительную гипотезу: электромагнитное излучение частоты Г может существовать только в виде дискретных порций энергии, квантов, и что энергия каждой такой порции пропорциональна частоте; энергия равна ЬГ, где постоянная пропорциональности 6 является новым параметром природы, который возник из формулы Планка для излучения черного тела. Эти кванты Эйнштейна обладают свойствами частиц, называемыми фотонами.

Однако свет — не что иное, как форма электромагнитного излучения; одним из достижений науки девятнадцатого столетия является открытие того факта, что свет обладает волновыми свойствами. Именно кванты Эйнштейна породили знаменитую загадку, связанную с дуализмом волна-частица, которая присутствовала в физике в течение двух следующих десятилетий, Квантовые идеи вскоре были перенесены с излучения на массивную материю. Фактически для этого случая работа Планка подсказала некоторый вид квантования энергии, но в первоначальном виде это были не очень ясные подсказки. После этих событий в 1907 г.

Эйнштейн построил простую квантовую модель теплоемкости материальных тел. Теплоемкость является параметром, характеризующим изменение температуры данного материального тела, когда оно поглощает определенное количество тепла. Эйнштейн рассуждал следующим образом. В материальных телах, конечно, могут существовать звуковые волны в некотором интервале частот Г. Для них можно использовать ту же гипотезу квантования, что и для электромагнтного излучения; а именно, предположим, что энергия звуковых волн частоты Г может существовать только в виде порций энергии 67.

Эйнштейн хотел удовлетвориться одной характерной частотой. Но в других работах вскоре было сделано обобщение для целого интервала частот. Модель обеспечивала качественно успешное понимание определенных аномалий, отклонений от предсказаний клас- 22 Глава 1 сической теории, которые к этому времени уже были известны из опыта. Интерес исследователей к квантовому развитию стал расти.

В 1913 году молодой датский физик Нильс Бор обратился к исследованию устройства атома. Как можно развивать квантовые идеи применительно к этому объекту? В качестве исходной структуры атома он взял модель, предложенную парой лет ранее великим экспериментатором Эрнестом Резерфордом. В этой модели атом представлял уменьшенную копию солнечной системы:маленькое заряженное ядро в центре (аналог Солнца) и значительно более легкие, отрицательно заряженные электроны (планеты), вращающиеся вокруг ядра.

Резерфорд пришел к ~акой модели атома после знаменитого эксперимента, во время которого он вместе с Гейгером и Марсденом бомбардировал тонкую металлическую фольгу быстрыми гл-частицами и увидел, что, как ни странно, о-частицы изредка рассеиваются на очень большие углы. Столкновения с атомными электронами, которые очень малы по массе, не могут привести к большим отклонениям быстрых, тяжелых гг-частиц.

Но это могут сделать тяжелые, с сильно сконцентрированным положительным зарядом атомные ядра. Исходя из этих представлений, Резерфорд нашел ожидаемое распределение по углам рассеяния, рассчитав его на основе ньютоновских уравнений движения для классических частиц, взаимодействующих по закону Кулона.

Результаты хорошо согласовывались с экспериментом и подтвердили гипотезу Резерфорда о строении атома. Но атом Резерфорда содержал большую загадку. В качестве иллюстрации представим простейший атом водорода. Он имеет один электрон, вращающийся вокруг протонного ядра. Электрон, на который действует кулоновская сила ядра, находится в состоянии ускоренного движения. В соответствии с классической теорией электромагнетизма ускоренный заряд должен постоянно испускать электромагнитное излучение и терять при этом энергию.

Предположим на одно мгновение, что эти потери энергии можно игнорировать. Тогда, классически, электрон будет двигаться по эллиптической орбите с меняющейся частотой, которая, помимо прочего, зависит от энергии электрона. Электрон излучает с частотой такого орбитального движения. Но существует бесконечно много возможных орбит, как и в случае объектов (планет, комет, астероидов, космических кораблей), движущихся вокруг Солнца. Если взять макроскопическое число атомов водорода, было бы удивительно, если бы в различных атомах элсктроны не двигались по целому набору различных орбит.

Тогда на основе этой картины мы могли бы ожидать непрерывный спектр излучения. Фактически, однако, атом излучает вполне определенные дискретные частоты, характерный набор которых отличает один вид атомов от другого (о характеристических частотах говорят как о «линиях», поскольку они изображаются линиями на спектроскопических снимках). Тем более эта проблема является серьезной для атома Резерфорда, поскольку реально никак нельзя игнорировать факт потери Истоки 23 энергии электроном при излучении. Вместо устойчивого движения по эллиптической траектории влек~ран должен неизбежно падать на ядро по спиральной траектории.

При этом частота его орбиты и, соответственно, частота излучения будет все время уменьшаться, пока будет меняться размер орбиты. На опыте ничего такого не происходит ни в спектроскопии, ни в химии, вообще нигде. Убежденные атомисты долгое время боролись с этим противоречием, пытаясь найти пути, как стабилизировать атом от излучательного коллапса, а также как из непрерывного спектра получить дискретный набор линий.

Теперь мы можем представить в виде последовательных шагов те действия Бора, с помощью которых он решил загадку: Шаг 1: Игнорируем в данный момент излучение и будем рассматривать электронные орбиты с точки зрения классической динамики, как это обсуждалось выше. Бор ограничился круговыми орбитами. Шаг 2: Потребуем выполнения «квантовых условий», которые придумал Бор, чтобы определить, какие орбиты разрешены «квантовомеханически». Все другие орбиты запрешены.

Следствием этого является то, что возможны только определенные значения энергии. Вместо целой области непрерывных возможных значений энергии появляется дискретный набор: энергия квантоаана. Шаг 3: Допустим, что электрон не излучает, когда он движется по одной из разрешенных орбит. Но когда электрон находится на возбужденном уровне с энергией Е и «собирается» прыгнуть на более низкий уровень с энергией Е', он испускает фотон частоты г', определяемой из условия ау =- Š— Е'.

Характеристики

Список файлов книги