1612725602-55c9642cb4a0a3db8d0217ff9639649c (828609), страница 8

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

Текст из файла (страница 8)

В условиях эксперимента атомы мишени практически все находятся в основных состояниях. Пока Т не превосходит разность Е1 — Ео между основным и первым возбужденным уровнями атома, атом не может поглотить энергию электрона, и все столкновения являются упругими. Но если Т ) Е1 — Ем оказываются возможными и неупругие столкновения, при которы» электрон теряет энергию, равную Е1 — Ео, а атом переходит в первое возбужденное состояние. Именно это явление и наблю- $!О. НРостРАнственное квАнтОВАние дается в эксперименте. При Г =» Ез — ЕВ можно наблюдать столкновения, сопровождаюшиеся переходами во второе возбужденное состояние, и т.

д. Следовательно, квантование энергетических уровней атомов надо рассматривать как экспериментальный факт. Это свойство не является присущим только атомам. Многочисленные опыты, в частности спектроскопические, показали, что квантование энергетических уровней имеет место в молекулах и в более сложных системах частиц. Мы имеем дело с самым общим свойством вещества, которое никак не может быть объяснено классической корпускулярной теорией. 5 10. Другие примеры квантования: пространственное квантование Другим экспериментально наблюдаемым типом квантования является «пространственное» квантование атомных систем.

Его наблюдают всякий раз, когда атом оказывается помещенным во внешнее поле, имеюшее некоторое выделенное направление; в этом случае ориентация атомной системы не произвольна, а ограничивается некоторыми дискретными значениями. Наиболее прямым доказательством существования этого типа квантования является опыт Штерна и Герлаха (1922 г.), е котором исследуется отклонение пучка парамагнитных атомов (или молекул) в неоднородном магнитном поле. Парамагнитиые атомы по предположению обладают постоянным.

магнитным моментом 1А и могут рассматриваться как маленькие элементарные волчки с моментом количества движения 1, пропорциональным 1А Ориентация 1А и 1 определяет ориентацию самого атома. В магнитном поле Уь" момент количества движения совершает прецессионное движение вокруг направления уь" (прецессия Лармора, см, задачу 3). Если поле К постоянно, то магнитная энергия — рЮ остается постоянной и не зависит от положения центра масс атома, так что последний совершает однородное прямолинейное движение.

Если же поле К не постоянно в пространстве, на центр масс атома действует сила 1» пгадмК так что атом испытывает некоторое отклонение в своем движении. Это наблюдается в опыте Штерна и Герлаха, схема которого приведена на рис. 5. Ввиду наличия прецессионного движения вокруг направления поля Ю составляющая ц, вдоль поля остается постоянной, а другие компоненты вектора 1» колеблются около нуля. Все происходит так, как если бы атом испытывал действие усредненной силы 1»,цгада,. В обычных условиях ГЛ ! ИСТОКИ КВАИТОВОИ ТЕОРИИ опыта эта средняя сила направлена вдоль оси Ог и равна — Пусть 2д есть расстояние, проходимое атомом в маг- б ба нитном поле, Т вЂ” кинетическая энергия атомов в первоначальном пучке; простой расчет показывает, что скорость каждого атома отклоняется от своего первоначального направления Ох на угол =)А,(дйе,/дг)(г))Т).

Таким образом, отклонение пропорционально составляющей вектора )а вдоль поля. Если бы атомы гг) Рис. 5. Опыт Штерна и Герлаха. а) Общая схема эксперимента: атомный пучок проходит между полюсами магнита, где действует неоднородное магнитное поле ЛЛ' (направленное на рисунке вертикально); удары атомов иаблюдаютси на экране Е. б) Поперечный разрез полюсов магнита; пунк- тиром указаны силовые линии магнитного поли. были ориентированы произвольно, то )г, принимала бы все значения от — р до +)г, а угол отклонения — все значения между крайними значениями. В этом случае на экране мы получили бы непрерывное пятно, вытянутое в направлении Ог. На самом же деле на экране наблюдается последовательность отдельных эквидистантных пятен; при изменении поля (и, следовательно (дйй',)дг)) изменяются только расстояния между пятнами, а общая картина остается неизменной, в частности число пятен )з постоянно.

Каждое пятно соответствует определенному значению рю Следовательно, мы делаем вывод, что значения )г, квантуются: всего возможно Х дискретных значений )х,. Очевидно, что и составляющая г, момента количества движения обладает тем же свойством, Можно выразить сомнение в справедливости подобной интерпретации опыта Штерна и Герлаха, ибо она основана иа определенной гипотезе относительно природы атомного пара- магнетизма — существования постоянного магнитного момента, пропорционального моменту количества движения. Мы не будем останавливаться здесь на опытных фактах и аргументах, оправдывающих эту гипотезу (гиромагнитный эффект, теория Ланже- 1 11 клАссическАя кОРпускуляРИАя теОРия зт вена парамагнитной восприимчивости и т. д.), отметим только, что последующее развитие квантовой механики полностью подтвердило ее.

Но даже если подвергнуть сомнению объяснение опыта, данное выше, тем не менее существование Х дискретных пятен на детектирующем экране нельзя понять, если не допустить, что некоторые величины, характеризующие внутренние движения в атоме, кваитуются. Действительно, если движение центра масс следует законам классической механики, то траектория атома полностью определяется его динамическим состоянием на входе в область, где действует магнитное поле. Появление ряда дискретных пятен на экране отражает тот факт, что атомы не находятся в одинаковых начальных состояниях, а статистически распределены по Х различным дискретным состояниям.

Иначе говоря, некоторые динамические переменные атома квантуются. Но поскольку атомы все практически находятся в основном состоянии (в противном случае они излучали бы), дело не может идти о квантовании энергии, Далее, наблюдаемый на экране эффект связан с направлением относительно магнитного поля, поэтому динамическая переменная, подверженная квантованию, должна зависеть от ориентации атома.

Помимо опыта Штерна и Герлаха, известно много других проявлений пространственного квантования. Отметим, в частности, так называемый эффект Зеемана (1896 г.), о котором нам еще придется говорить. Все эти явления имеют одно общее происхождение — квантование момента количества движения. Это будет показано в дальнейшем при изложении результатов квантовой механики. РаЗДЕЛ 111. ПРИНЦИП СООТВЕТСТВИЯ И СТАРАЯ КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ В 11.

Недостаточность классической корпускулярной теории ' Квантование некоторых физических величин — н это следуег особенно подчеркнуть — есть экспериментальный факт, совершенно несовместимый с классической корпускулярной теорией вещества. Так, энергия системы классических корпускул есть по самой сути своей величина, изменяющаяся непрерывно. Как бы мы ни меняли законы взаимодействия, как бы ни выбиралп динамические переменные, это основное положение нельзя изменитгк тот факт, что энергия системы частиц может принимать только ряд определенных дискретных значений, есть результат, выходящий за рамки классической механики. То же замечание можно сделать относительно любой квантованной величины. зв ГЛ,! ИСТОКИ КВАНТОВОИ ТЕОРИИ В соответствии с этим и изменение ео времени квантованной величины не может быть описано е строго классических понятиях, Рассмотрим пример атома, первоначально находящегося в первом возбужденном состоянии Е!, а затем испускающею фотон и переходящего в основное состояние.

Если, пользуясь языком классической теории, мы будем пытаться описать изменение энергии такого атома во времени, то придется сделать заключение, что в некоторый момент энергия скачкообразно изменяется от Е!' до Еь, поскольку всякое непрерывное изменение энергии запрещено. Однако нельзя предсказать, в какой именно момент времени произойдет этот скачкообразный переход. Действительно, если динамическое состояние атома остается строго неизменным в течение всего времени, предшествующего скачку, то нет никаких оснований утверждать, что скачок произойдет именно в данный, а не в любой последующий момент времени. Можно говорить только о вероятности (в единицу времени) того, что скачок вообще произойдет, Классическая физика, следовательно, неспособна адекватно описать такую ситуацию; само представление о скачке, происходящем в точно определенный момент времени, оказывается некорректным.

Мы не можем рассматривать энергию системы как вполне определенную функцию времени. Единственное, что можно определить— это вероятность того, что атом, первоначально находившийся в возбужденном состоянии, в некоторый заданный последующий момент времени окажется в основном состоянии.

Характеристики

Список файлов книги