Квантовые постулаты Бора

Квантовые постулаты Бора. Выход из крайне затруднительного положения в теории атома был найден в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором на пути дальнейшего развития квантовых представлений о процессах в природе. Эйнштейн оценивал проделанную Бором работу как высшую музыкальность в области мысли, всегда его поражавшую. Основываясь на разрозненных опытных фактах. Бор с помощью гениальной интуиции правильно предугадал существо дела. Последовательной теории атома Бор, однако, не дал. Он в виде постулатов сформулировал основные положения новой теории.

Причем и законы классической физики не отвергались им безоговорочно. Новые постулаты скорее налагали лишь некоторые ограничения на допускаемые классической физикой движения. Успех теории Бора был тем не менее поразительным, и всем ученым стало ясно, что Бор нашел правильный путь развития теории. Этот путь привел впоследствии к созданию стройной теории движения микрочастиц-квантовой механики.

Первый постулат Бора гласит атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия в стационарном состоянии атом не излучает. Этот постулат противоречит классической механике, согласно которой энергия движущихся электронов может быть любой. Противоречит он и электродинамике Максвелла, так как допускает возможность ускоренного движения электронов без излучения электромагнитных волн. Согласно второму постулату Бора излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний При поглощении света атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией.

Второй постулат также противоречит электродинамике Максвелла, так как согласно этому постулату частота излучения света свидетельствует не об особенностях движения электрона, а лишь об изменении энергии атома. Свои постулаты Бор применил для построения теории простейшей атомной системы-атома водорода.

Основная задача состояла в нахождении частот электромагнитных волн, излучаемых водородом. Эти частоты можно найти на основе второго постулата, если располагать правилом определения стационарных значений энергии атома. Это правило так называемое правило квантования Бору опять-таки пришлось постулировать.

Используя законы механики Ньютона и правило квантования, отмирающее возможные стационарное состояния, Бор смог вычислить Допустимые радиусы орбит электрона и энергии стационарных состояний. Минимальный радиус орбиты определяет размеры атома. Второй постулат Бора позволяет вычислить по известным значениям энергий стационарных состояний частоты излучений атома водорода. Теория Бора приводит к количественному согласию с экспериментом для значений этих частот.

Все частоты излучений атома водорода составляют ряд серий, каждая из которых образуется при переходах атома в одно из энергетических состояний со всех верхних энергетических состояний состояний с большей энергией. Поглощение света - процесс, обратный излучению. Атом, поглощая свет, переходит из низших энергетических состояний в высшие. При этом он поглощает излучение той же самой частоты, которую излучает, переходя из высших энергетических состояний в низшие. На рисунке 168, б стрелками изображены переходы атома из одних состояний в другие с поглощением света.

На основе двух постулатов и правила квантования Бор определил радиус атома водорода и энергии стационарных состояний атома. Это позволило вычислить частоты излучаемых и поглощаемых атомом электромагнитных волн. Квантовая механика Наибольший успех теория Бора имела применительно к атому водорода, .для которого оказалось возможным построить количественную теорию спектра. Однако построить количественную теорию для следующего за водородом атома гелия на основе боровских представлений не удалось.

Относительно атома гелия и более сложных атомов теория Бора позволяла делать лишь качественные хотя и очень важные заключения. Теория Бора является половинчатой, внутренне противоречивой. С одной стороны, при построении теории атома водорода использовались обычные законы механики Ньютона и давно известный закон Кулона, а с другой - вводились квантовые постулаты, никак не связанные с механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла.

Введение в физику квантовых представлений требовало радикальной перестройки как механики, так и электродинамики. Эта перестройка была осуществлена в начале второй четверти нашего века, когда были созданы новые физические теории квантовая механика и квантовая электродинамика. Постулаты Бора оказались совершенно правильными. Но они выступали уже не как постулаты, а как следствия основных принципов этих теорий. Правило же квантования Бора, как выяснилось, применимо далеко не всегда.

Представление об определенных орбитах, по которым движется электрон в атоме Бора, оказалось весьма условным. На самом деле движение электрона в атоме имеет очень мало общего с движением планет по орбитам. Если бы атом водорода в наинизшем энергетическом состоянии можно было бы сфотографировать с большой выдержкой, то мы увидели бы облако с переменной плотностью. Большую часть времени электрон проводит на определенном расстоянии от ядра. В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответить на любой вопрос, относящийся к строению и свойствам электронных оболочек атомов.

Но количественная теория оказывается весьма сложной, и мы ее касаться не будем. С качественным описанием электронных оболочек атомов вы знакомились в курсе химии. Лазеры В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного вынужденного излучения света атомами. Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света.

Замечательной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией. На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия. Еще в 1940 г. советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны 1,27 см. За разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была в 1959 г. присуждена Ленинская премия.

В 1963 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии.

В 1960 г. в CШA был создан первый лазер - квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра. Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света 1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения около 10 5 рад. На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км. 2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно.

Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений. 3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком интервале спектра кратковременно в течение промежутка времени продолжительностью порядка 10 13 с у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7-103 Вт см2, причем суммарно по всему спектру.

На узкий же интервал 10 6 см ширина спектральной линии лазера приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт см2. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома. В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество ее энергия поглощается. За счет поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. переходит в высшее энергетическое состояние.

Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа. Атомы возбуждаются за счет поглощения света. Но двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. Каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний.

В газовых лазерах этого типа рабочим веществом является газ. Атомы рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом. Применяются и полупроводниковые лазеры непрерывного действия. Они созданы впервые в нашей стране. В них энергия для излучения заимствуется от электрического тока. Созданы очень мощные газодинамические лазеры непрерывного действия на сотни киловатт. В этих лазерах перенаселенность верхних энергетических уровней создается при расширении и адиабатном охлаждении сверхзвуковых газовых потоков, нагретых до нескольких тысяч кельвин.

Элементарные частицы Когда греческий философ Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами слово атом, напомним, означает неделимый, то ему, вероятно, все представлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, растения, животные построены из неделимых, неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире это простая перестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными.

Но в конце XIX века было открыто сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX веке, были открыты протон и нейтрон - частицы, входящие в состав атомного ядра. Поначалу на все эти частицы смотрели точь-в-точь, как Демокрит смотрел на атомы их считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания. Ситуация привлекательной ясности длилась недолго. Все оказалось намного сложнее как выяснилось, неизменных частиц нет совсем.

В самом слове элементарная заключается двоякий смысл. С одной стороны, элементарный - это само собой разумеющийся, простейший. С другой стороны, под элементарным понимается нечто фундаментальное, лежащее в основе вещей именно в этом смысле сейчас и называют субатомные частицы элементарными. Считать известные сейчас элементарные частицы подобными неизменным атомам Демокрита мешает следующий простой факт. Ни одна из частиц не бессмертна.

Большинство частиц, называемых сейчас элементарными, не могут прожить более двух миллионных долей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне. Свободный нейтрон нейтрон, находящийся вне атомного ядра живет в среднем 15 мин. Лишь фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в целом мире нейтрино лишено электрического заряда и его масса покоя, по-видимому, равна нулю. Но у электронов и протонов имеются опаснейшие собратья - позитроны и антипротоны, при столкновении с которыми происходит взаимное уничтожение этих частиц и образование новых.

Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10 8 с. Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и поглотиться бумагой. Лишь нейтрино почти бессмертны из-за того, что они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гибнут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко.

Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения - главный факт их существования. Превращения элементарных частиц ученые наблюдали при столкновениях частиц высоких энергий. Представления о неизменности элементарных частиц оказались несостоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась. Элементарные частицы уже далее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам. Вот что заставляет так думать. Пусть у нас возникло естественное желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо других субэлементарных частиц.

Что нужно сделать для того, чтобы попытаться расчленить электрон? Можно придумать только один способ. Это тот же способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что находится внутри пластмассовой игрушки сильный удар. По современным представлениям элементарные частицы - это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Однако неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура.

В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас элементарными, полностью оправдывают это название. Основание для сомнений простое этих частиц очень много. Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сейчас составляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждому очередному триумфу начала примешиваться доля беспокойства. Триумфы стали следовать буквально друг за другом. Была открыта группа так называемых странных частиц К-ме-зонов и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов.

В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных очарованными. Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с временем жизни порядка 10 22-10 23 с. Эти частицы были названы резо-нансами, и их число перевалило за двести. Вот тогда-то в 1964 г. М. Гелл-Манноном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных ядерных взаимодействиях-адроны, построены из более фундаментальных или первичных частиц - кварков.

Кварки имеют дробный электрический заряд. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков. В настоящее время в реальности кварков никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они не обнаружены и, вероятно, не будут обнаружены никогда. Существование кварков доказывают опыты по рассеянию электронов очень высокой энергии на протонах и нейтронах. Число различных кварков равно шести. Кварки, насколько сейчас известно, лишены внутренней структуры и в этом смысле могут считаться истинно элементарными.

Легкие частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называются лептонами. Их тоже шесть, как и кварков электрон, три сорта нейтрино и еще две частицы - мюон и тау-лептон с массами, значительно большими массы электрона. Существование двойника электрона - позитрона - было предсказано теоретически английским физиком П. Дираком в 1931 г. Одновременно Дирак предсказал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны исчезнуть, породив фотоны большой энергии.

Может протекать и обратный процесс - рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона достаточно большой энергии его масса должна быть больше суммы масс покоя рождающихся частиц с ядром. Спустя два года позитрон был обнаружен с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле. Направление искривления трека частицы указывало знак ее заряда. По радиусу кривизны и энергии частицы было определено отношение ее заряда к массе.

Оно оказалось по модулю таким же, как и у электрона. На рисунке 190 вы видите первую фотографию, доказавшую существование позитрона. Частица двигалась снизу вверх и, пройдя свинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии. Из-за этого кривизна траектории увеличилась. Процесс рождения пары электрон - позитрон у-квантом в свинцовой пластинке виден на фотографии, приведенной на рисунке 191. В камере Вильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет характерный след в виде двурогой вилки.

Энергия покоя - самый грандиозный и концентрированный резервуар энергии во Вселенной. И только при аннигиляции она полностью высвобождается, превращаясь в другие виды энергии. Поэтому антивещество - самый совершенный источник энергии, самое калорийное горючее. В состоянии ли будет человечество когда-либо это горючее использовать, трудно сейчас сказать. Обнаружены сравнительно недавно антипротон и -антинейтрон. Электрический заряд антипротона отрицателен.

Сейчас хорошо известно, что рождение пар частица - античастица и их аннигиляция не составляют монополии электронов и позитронов. Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка - из позитронов, образуют антивещество. В 1969 г. в нашей стране был впервые получен антигелий. Заключение Открытие сложного строения атома - важнейший этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные спектры, были открыты новые законы движения микрочастиц-законы квантовой механики. Элементарные частицы-это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя.

Элементарные частицы не остаются неизменными. Все элементарные частицы способны превращаться друг в друга, и эти взаимные превращения - главный факт их существования. ольшинство элементарных частиц нестабильны и самопроизвольно превращаются с течением времени в другие частицы сключение составляют фотон, электрон, протон и нейтрино.

Все частицы имеют двойников - античастицы. Например, по отношению к электрону античастицей является позитрон. Частица и античастица имеют одинаковые массы, а их заряды противоположны по знаку. При столкновении частицы с античастицей они исчезают аннигилируют, превращаясь в другие частицы. Аннигиляция позитрона и электрона сопровождается рождением двух или трех гамма-квантов. Происхождение жизни на Земле Введение Происхождение жизни на Земле явилось третьим значительным этапом в ряду происхождения нашей вселенной и происхождения Земли. Существовало масса теорий и гипотез о возникновении жизни на Земле. Среди них миф о творческом акте сотворения мира Богом, описанный в Библии, гипотезы Аристотеля, Эпикура и Демокрита.

Исследования Луи Пастера в 19-м веке окончательно подтвердили ошибочность представлений происхождения жизни как о спонтанном самозарождении. Правда, они не дали окончательных выводов о происхождении жизни. И только 3 мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества ученый А. И. Опарин с новой точки зрения рассмотрел проблему возникновения жизни.

Его доклад О возникновении жизни стал исходной точкой нового взгляда на вечную проблему нашего появления на Земле. Необходимо подчеркнуть, что независимо от Опарина к таким же выводам пришел английский ученый Дж. Холдейн. Общим во взглядах Опарина и Холдейна было объяснение возникновения жизни в результате химической эволюции. Оба они подчеркивали огромную роль первичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался первичный бульон.