1612725063-eb24d9660fd97b365f78091f0a818088 (828996), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Еще большая маши на (беватрон) Калифорнийского университета с диаметром орбиты 160 футов разгоняет протоны до энергии 7 Бэв. В различ. ных лабораториях планируются и уже сооружаются также и еще более мощные ускорители„рассчитанные на энергии вплоть до 30 Бэв. С помощью машин бпнсанных выше конструкций удалось получить большое число различных частиц„которые наблюдаются в естественных космических лучах (гл.
П, 9 8). Позднее (гл. У11, $9) в связи с кратким обзором теории ядра мы расскажем также о ядерной реакции совершенно иного типа. Она называется делением и состоит в том, что ядро распадается на части примерно одинаковых размеров, На этом мы закончим этот небольшой обзор наших знаний о ядре и обратимся к изучению строения системы внешних электронов атома.
Таким образом, мы приступаем к рассмотрению областей, линейные размеры которых в несколько тысяч раз больше размеров ядер. Благодаря совместным усилиям теоретиков н экспериментаторов фундаментальные законы, характерные для этих масштабов, достаточно хорошо выяснены во всех своих существенных чертах. Но осмыслить этн законы удалось лишь ценой отказа от классических воззрений — воззрений, к которым человеческий ум столь приучен повседневным опытом, сложившимся из наблюдения макроскопическнх явлений, что понадобился глубокий и болезненный пересмотр основных представлений классической физики.
7 м. вое ВОЛНЫ вЂ” ЧАСТИЦЫ ф 1. Волновая теорая света. Интерреренцая а ди(рра яция Все те представления о строеннн вещества, к которым мы прншлн в предыдущих главах, держатся на возможности доказать существование быстро движущихся частиц прямым опытом, на возможности даже непосредственно «увндеть» этн частицы, регнстрнруя нх треки„как это делается, скажем, в камере Вильсона.
Из таких экспериментов однозначно и недвусмысленно следует, что вещество состоит нз мельчайших частиц — корпускул. Таперь же мы должны рассмогреть другие эксперименты, которые столь же убедительно свидетельствуют в пользу того, что молекулярный нлн электронный пучок представляет собой не что иное, как распространяющуюся волну. Но прежде чем перейтн к делу, напомним вкратце, что известно о волновом двнженнн вообще. Прн этом в качестве конкретного примера мы разберем явление оптнческой днфракцнн. В восемнадцатом столетии фнзнкн почтя единодуШно прндержнвалнсь ньютоновской корпускулярной теорин (примерно 1680 г.), согласно которой свет состоят нз комбинаций очень маленьких частнц, вылетающих нз источника света.
Волновая же теория Гюйгенса (1690 г.) насчнтывала лишь нескольких сторонников (в нх числе был н великий математик Леонард Эйлер). Однако положение вещей в корне изменилось к началу девятнадцатого века, когда благодаря открытию Юнга выясннлось, что прн определенных условиях два световых луча могут взаимно ослаблять друг друга — явление, совершенно необъяснимое с точки зрения корпускулярной теория. Дальнейшне нсследовання Юнга н Френеля неопровержимо подтверднлн волновую концепцию Гюйгенса, нбо явление интерференция нельзя объясннть иначе как с помощью волновой теории. Опишем кратко иятерферемционкый опыт Юнга (фнг.
27). Источник монохроматнческого света Я освещает параллельным (благодаря линзе Ь) пучком две щелн в диафрагме В. Прн этом на экране 3 за диафрагмой возникает эквнднстантная система светлых н темных полос (ореолов). Объяснить это явле- р 1. Волновая таврия свата. Ингврфврвнция а дифраяция 99 ние можно следующим образом. Из двух щелей диафрагмы исходят две сферические волны, которые «когерентны», т. е. способны к взаимной интерференции. Зтн волин накладываются одна на другую и усиливают друг друга в том случае, если их гребки совпадают.
Если же гребни одной волны попадают на впадины другой, то волны «сглаживают» одна другую н, следовательно, происходит взаимоуничтожение волн. Стало быть, можно прямо указать те места экрана, где освещенность будет наибольшей — они соответствуют таким точкам, разность расстояний которых от отверстий диафрагмы составляет в точности целое число длин волн. Из фиг. 27 ясно, что эта разность Ф яг. 27.
Лифракпяя яа двух баяако расположенных щелях. двервквноиквв кнутике вревстввивет *своа евсееву вкввииствктнми Светкин к темник ковос равна с1 з1п Ф, где а — расстояние между отверстиями, а Ф угол отклонения, Поэтому на экране получится светлое поле там, где ссз1пф=п)в 1а (и=О, й1, ~2,...). темное поле там, где Из1пФ=(га+-2-~ Х ! Аналогичная дифракпнонная картина получается и при прохождении света через одну щель. Грубо говоря, это происходит вследствие взаимной интерференции между отдельно взятымн элементарньпяи волнамн Гюйгенса, исходящими нз различных точек щели. Однако в двух пунктах этотслучайсущественно отличается от предыдущего. Во-первых, как нетрудно убедиться, соотношение Из1пФ =л)в (и= ~ 1, +2, ...), где д — ширина щели, определяет теперь не светлые, а, наоборот, темные участки экрана.
Действительно, в совокупности элементарных волн, исходящих от щели в заданном этим равенством направлении, все возможные «фазы» колебаний представлены в точности одинаковое число раз, т. е. количество волн, падающих на экран «гребнем», равно количеству волн, падающих «впадиной». Ясно поэтому, что все волны погасят Гл. г У. Виллас — иесумяас друг друга. Бо-вторых, в предыдущем случае днфракцнонные максимумы были почти одинаково яркими, теперь же освещен. рость резко падает от максимума к максимуму, прнчем нанбольшая освещенность прнходнтся на среднйй макснмум, как это нзображено' на фнг. 28 волннстой крнвой справа. Йеобхо днмо особо подчеркнуть, что дифракционная картина располаается но мере уменьшения ширины щели, что можно легко усмотреть лнбо нз уравнения, определяющего мнннмум, либо непосредственно нз фнг. 28. Ф и г. 28.
дмфраичмл аа одной щели, двераиииоккаи картава сссговт иа реаиого максимума осаавгеивоств, отваеамогего углу лиераииив а ьо, и сеаокуввоств еиввлвставтими маисвмувма, ивгеискввость квгермк сгаво- витса аса весьма и меаьме ао мере увелмиевва угла лвераииив. Тот факт, что внд днфракцнонной картины существенно завнснт от длины волны света, обеспечивает возможность нспользовать ннтерференцнонные явления для нужд спектрального анализа (днфракцнонные решетки, эшелоны, т.
е. ступенчатые решетки, ннтерферометр Фабри — Перо, пластинка Люммера). Чтобы днфракцконная картина стала доступной наблюдению, необходимо, чтобы ширина щелк была соизмерима с длнной волны света. Поэтому еслн мы хотим наблюдать ннтерференцнонные явления в рентгеновскнх лучах, то нужно взять днфракцнонные решеткн с постоянной порядка велнчнны 1А.
=1О-а см. Как показал Лауэ (1912 г.), сама природа дает нам в рукн такие решеткн. Это — кристаллы, межатомные расстояння в которых как раз н обладают нужнйм порядком величины. И в самом деле, прохождение пучка рентгеновских лучей сквозь кристалл действительно сопровождается интерференцией. Это явленне, следуя Брэггу (1913 г.), можно истолковать как В Х Волновал творил свити Интвнфврвицин и дафроквиа 101 интерференцию между отдельнымн лучами, отравившимися от разлнлных плоскостей кристаллической решетки (фнг. 29).
Более торо, Комптону (!92б г.) н другнм исследователям удалось получить интерференцию рентгеновскнх лучей даже на искусственных решетках: охазалось, что это все-такн возможно прк скользящем падении лучей. Ф в г. лц Лвфрлкявв равтгововсквк лучей ва ирвстввкФ. сотлссло вреттт, огас отрсилмтсс от олессестеа стев. еталлачссаоа рейетса а асетоат аатерасрартан. Интерференция рентгеновских лучей является мощным орудием нсследовання структуры кристаллов. Для этой цели не нужны даже большие куски крнсталла — можно пользоваться кристаллическим порошком (Дебай — Шеррер, 1915 г.; Халл, рвнлмс у и„и,и.
л Видимый сивнтр нааснив виорел~и. т инфрииросныв 1-лучи лучи сои лучи лучи Радиоволны 1 1 3 "/О Фиг. 30'. Логарвфивческак искала длвв вола. ов елее мс еассс арелстеслсат своев ис сер Ь тле елаааас ллаам л 1 сн. 1917 г.). В этом случае ннтерференцнонные картины имеют внд колец, расположенных вокруг первоначального направления пучха. Крупицы порошка могут прн этом быть даже молекулярного размера. Более того, оказалось, что ннтерференцнонные картины, обусловленные днфракцкей на отдельных атомах молекул, ннконм образом не затушевываются хаотичностью молекулярного движения в газе нлн жидкости.
И здесь наблюдаются замкнутые ннтерференционные кольца, нз распределення интенсивности в которых можно вывестн определенные ааключення о межатомных расстояннях в молекулах (Дебай, 1929 г.). Однако мы не будем здесь углубляться в описание этих методов, позволяющих понять ряд конкретных оспбвннеи стей атомного строения вещества.
Приведем теперь шкалу длин волн различных типов излучения, подытоживающую наши современные знания в этой области. Шкала (фнг. 30) приведена в логарнфмнческом масштабе, так что нанесенные на ней цифры представляют собой показатели степени числа 10. За единицу принята Аэ 1 см. К широкой области волн, применяемых в радиосвязи, примыкает область инфракрасных излучений, которые воспринимаются нашими органами чувств как тепловые лучи. Далее идет сравнительно узкая полоса видимого света (от 7700 до 3900 А), затем — область ультрафиолетовых лучей и лучей Шумана, которая в свою очередь переходит в область рентгеновских лучей (от 10 до 0,05 А). Радиоактивное у-излучение охватывает области вплоть до 0,001 А. В космическом излучении наблюдаются у-лучи с чрезвычайно малой длиной волны (10-зА), которые оказываются за пределами нашей шкалы. ф 2.
Квамтээ света Несмотря на огромный успех классических представлений в истолковании явлений интерференции, эти представления оказались совершенно бессильными при попытках объяснить про цессы поглощения и излучения света. В этой области классическая электродинамика и классическая механика терпят полный провал. Чтобы продемонстрировать это, вспомним, например, тот экспериментальный факт, что излучение водородного атома имеет внд бесконечной последовательности резко выраженных спектральных -линий (гл. У, $ 1). В атоме водорода имеется лишь один вращающийся вокруг ядра электрон. По законам электродинамики такой электрон будет непрерывно излучать, а стало быть, терять энергию.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
