Вихман Э. Квантовая физика (1185110), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Каким образом такой «случайный» выбор всегда приводит к тому, что атомы данного сорта имеют одинаковые размеры? Почему, например, для атомов водорода не осуществляется непрерывное распределение возможных размеров? 50. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо понять, почему мы решили рассматривать нашу проблему в нерелятивистском приближении. Заметим, что если в число классических констант включить и скорость света, то из них можно образовать выражен~с, имеющее размерность длины: е>/тс'=2,8.10 " см. (50а) Эта величина носит название «классического радиуса электрона», и мы говорили о ней в и. 18.
Итак, если релятивизм в атоме действительно играет существенну!о роль, т. е, если электроны движутся со скоростью, близкой к скорости света, то размер атома должен быть порядка е>/тс». В действительности эта величина' на четыре порядка (10') меньше размеров атома, и поэтому кажется, что релятивистский подход не может дать нужного результата. Конечно, наши простые масштабные соображения из п.
49 не могут быть непосредственно перенесены на релятивистский случай. Но все же очевидно, что у нас нет принципа, который помог бы понять, почему реализуются лишь определенные орбиты, соответствующие наблюдаемым размерам атома. 51, Мы можем назвать нашу проблему «тайной потерянной константы».
Предположим, что эта тайна связана с рассмотренной выше и что в описании строения атома должна играть какую-то роль постоянная Планка. Она имеет размерность момента импульса, и мы можем сделать специальное предположение, что в природе осуществляются лишь такие решения уравнений движения, для которых полный момент'импульса атома является целым'кратным 6. Приняв этот принцип, мы освобождаемся от масштабных соображений, заключенных в формуле (49а).
Теперь момент импульса определен и его нельзя умножить на коэффициент !/. Это означает, что у нас имеются выделенные решения, и, таким образом, мы обладаем принципом, который позволяет определить размеры атома. В !9!3 г. Нильс Бор 'предложил теорию атома водорода, основанную на следующих соображениях '). В своей простейшей форме теория считает, что движение электрона в атоме водорода происходит по круговой орбите радиуса а, вокруг протона. Эта орбита определяется уравнением движения то»/а»=е»/а»» (51а) ) Войг й/. Оп 1ье Соп»!1!и!!оп о1 А!ого» апд Мо!есп1е».— Рп11.
Мая., !9!3, ». 26, р. 1. 45 И квантовым условием Бора л =таа,=й!2п, (5!Ь) Здесь о — скорость электрона, а л — его момент импульса, Квантовое условие означает, что момент импульса должен быть равен й!2п. Устранив о из написанных уравнений, получаем а„= !1'Я2л)'~пе'* 5,29 ° 10"' см, (5!с) что имеет верный порядок величины. Следует заметить, что размер атома имеет непосредственное отношение к вопросу о его энергии связи. Если расстояние от электрона до ядра известно, то можно оценить работу. необходимую для разделения атома на составные части. 52. Члтатель, вероятно, знает, что теория атома Бора позволила продвинуться гораздо дальше. Она дала количественное объяснение спектра атома водорода, и это было большим успехом новых идей.
Квантовые условия этой теории совершенно чужды классической физике. Кроме того, Бор предположил, что электрон, находясь в основном состоянии атома водорода, це излучает электромагнитной энергии. В противном случае, согласно классической электромагнитной теории, электрон должен был бы падать на ядро, двигаясь по спирали, и такое падение произошло бы за очень малое время (порядка 10 ' с).
Эту планетарную теорию атома нельзя считать серьезной теорией. Она просто неверна. Тот факт, что она приводит к очень хорошим результатам в случае атома водорода, к счастью (пли к несчастью), случаен. Зтот успех явился для Бора и других теоретиков мощным толчком к развитию квантовой теории атома, но сам Бор никогда не обманывался, он не считал, что атом подобен планетной системе.
Он рассматривал свою теорию как промежуточный этап в поисках более верной теории. И такая теория теперь существует. 53. Три рассмотренные проблемы — это три аспекта существования постоянной Планка. Последняя проблема с особенной ясностью показывает, что появление этой постоянной в ряду извсстных фундаментальных констант должно иметь далеко идущие последствия. Теперь можно надеяться, что мы способны понять не только такие проблемы, как размеры атома и его энергия связи, но и свойства молекул, и нам будет открыт путь к количественной атомной теории вещества в целом. Следует подчеркнуть, что во всех трех проблемах суи(ественным было то, что для разрешения трудностей необходимо было отказаться от классических законов макроскопнческой физики.
Таким образом, рассмотрение этих" проблель приводит к болыисму, нежели только открытие новой константьц — к открытию новых законов физики. После этих открытий развитие физики пошло быстрыми темпами. Стало ясно, что найден ключ к объяснению многих явленин микро- физики. Кульминацией теоретических исследований было появление двух равноценных математических теорий квантовой физики: матричной механики (созданной Вернером Гейзенбергом в 1925 г.) и 46 волновой механики (созданной Эрвином Шредингером в 1925 г.). Обе эти теории оказались полностью эквивалентными и представляют собой лишь различные формы теории, которую мы теперь называем квантовой механикой — общепринятой в настоящее время фундаментальной теорией микрофизикн.
54. Вероятно, у читателя возникли тревожные вопросы: можем ли мы считать, что квантовая механика есть окончательная истина? Что же тогда остается открыть в физике? Лвтор рад егце раз заверить читателя, что его опасения напрасны. Мы никогда не можем быть уверены в том, что данная теория представляет собой окончательное решение проблемы. И мы не знаем, «что еще осталось открыть». По-видимому, весьма многое, ибо мы все еще далеки от того, чтобы иметь единую теоршо всех явлений природы. Мы многое узнали, но еще больше осталось познать.
В этом одна из причин того интереса, который вызывает физика. Так что читатель может не беспокоиться, что родился слишком поздно, чтобы совершать открыгня в физике. Попытаемся ответить более точно на эти вопросы. Обшиг принципы квантовой механики «истинны» в том смысле, что нет экспериментальных данных, которые бы им противоречили, и существует огромное число успешных предсказаний, основанных на этих принципах.
Такая ситуация особенно характерна для квантовой электродинамики, которая является теоретической основой понимания свойств ато:юв, молекул, электромагнитного излучения и вещества в целом, по крайней мере на Земле. Мы уже говорили, что в классической физике никогда не было создано столь обшей теории. Теперь такая теория имеется, и весьма плодотворная. Это означает, в частности, что мы имеем основные принципы, в рамках которых можно обьяснить, например, такие явления, как сверхпроводимость и сверхтекучесть.
Однако до сих пор не удалось объяснить эти два явления количественно на базе основных принципов. Знание основных принципов -- это одно дело, а объяснение сложных явлений, в которых участвует много частиц,— совсем другое, Мы верим в наши основные принципы потому, что, опираясь на них, можно описать поведение простых систем, состоящих из сравнительно небольшого числа частиц (например, отдельные атомы илн простые молекулы). Существуют, однако, математические трудности, и по мере того, как увеличивается сложность физической ситуации, эти трудности быстро растут, н вместо количественных предсказаний мы оказываемся в состоянии лишь достичь общего качественного понимания явления.
Мы не ошибемся, сказав, что в физике всегда будут существовать трудности такого рода и для их преодоления всегда будут нужны свежие идеи, Возможно, что квантовая электродинамика является почти <закрытым> предметом с фундаментальной точки зрения, но она совершенно не завершена в том смысле, что из нее далеко еще не извлечены все возможные следствия. 55. С точки зрения физики начала века «стабильные и неделимые» атомы являлись элементарными частицами мира. Сегодня атомы по- теряли это исключительное положение; их свойства объяснила квантовая электродинамика с помощью более элементарных объектов.
То же самое можно сказать и о ядрах. Невозможно объяснить свойства ядер на основании некоторых простых принципов, но тем не менее мы твердо уверены, что ядра — сложные системы, образованнь!е из протонов и нейтронов. После того как стал ясен сложный характер атомов и ядер, число частиц, которые можно считать элементарными, резко уменьшилось. Но затем их число начало неуклонно возрастать, и сейчас их не меньше, чем было в начале века.
Место атомов заняли электроны, мюоны, нейтрино, протоны, нейтроны, гипероны, пионы, каоны и многие другие частицы. Мы уже объяснили, в каком смысле этн частицы являются элементарными. Сейчас еще не существует фундаментальной теории элементарных частиц, и мы не знаем, какую форму примет будущая теория.
Эта оСласть широко открыта для новых идей. Задачи 1. в) Рассмотрите и кратко опишите идеи и опыты, на основзяин которых можно определить атомные и молекулярные массы. б) В !8!5 г. В. Проут предположил, что все элементы »построены» из водорода, который является, таким образом, перва шой материей, из которой сделано все в мире. Что привело его к этой гипотезе и почему в Х!Х веке онв была отвергнута? 2.
Многие атомы (то 1»~ее, ядра атомов) испытывают спонтанный распад, при котором обычно происходит испускзние электрона или сг-чзстнцы (ядро атома гелия). В этом ззключзется явление радиоактивности, открытое Бсккерелем в !896 г. Скорость распада определяется статистическим законом, который предсказывает, что из А' атомов, существовавших в начальный момент времени (1=0), к моменту времени !останется )т'(г)аггее-хг атомов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
