Квантовая физика как новый этап изучения природы

Содержание I. Введение II. Возникновение квантовой теории III. Световые кванты IV. Атомная физика V. Квантовые потулаты Бора VI. Квантовая механика VII. Лазеры VIII. Элементарные частицы IX. Заключение X. Литература I. Введение Величайшая революция в физике совпала с началом XX века. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распре¬деления энергии в спектрах теплово¬го излучения (электромагнитного из¬лучения нагретого тела) оказались несостоятельными.

Многократно про¬веренные законы электромагнетизма Максвелла неожиданно “забасто¬вали”, когда их попытались приме¬нить к проблеме излучения ве¬ществом коротких электромагнитных волн. И это тем более удивительно, что эти законы превосходно опи¬сывают излучение радиоволн антен¬ной и что в свое время само сущест¬вование электромагнитных волн бы¬ло предсказано на основе этих за¬конов.

II.

Возникновение квантовой теории

Согласно класси¬ческой теории тепловое равновесие между веществом и из... Однако повседневный опыт показывает, что ничего подоб¬ного в действите... После открытия Планка начала развиваться новая, самая современ¬ная и г... Развитие ее не за¬вершено и по сей день. Но этот успех был получен ценой отказа от законов классической физики ...

Световые кванты

Законы фотоэффекта просты по форме. Интенсивность света, по Эйн¬штейну, пропорциональна числу квантов (пор... В современной физике фотон рас¬сматривается как одна их элемен¬тарных ... И. Ученые были вынуждены ввести представление о свете как о потоке частиц.

Атомная физика Английский физик Эрнест Резерфорд исследовал рассеяние а-частиц десять тысяч раз меньшее по разме-веществом и открыл в 1911 г. атомное ядро - массивное образование. Не сразу ученые пришли к правильным представле¬ниям о строении атома. Первая модель атома была предложена ан¬глийским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон.

По мысли Томсона, положительный за¬ряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с по¬стоянной плотностью. Простейший атом — атом водорода — представ¬ляет собой положительно заряжен¬ный шар радиусом около 10~8 см, внутри которого находится электрон. У более сложных атомов в положи¬тельно заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изю¬минок играют электроны. Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с опытами по исследованию распре¬деления положительного заряда в атоме.

Эти опыты, произведенные впервые Э. Резерфордом, сыграли решающую роль в понимании строе¬ния атома. Из опытов Резерфорда непосредственно вытекает планетарная модель атома. В центре расположено положительно заряженное атомное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса ато¬ма. В целом атом нейтрален. Поэто¬му число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядко¬вому номеру элемента в периодиче¬ской системе.

Ясно, что покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются во¬круг Солнца. Такой характер дви¬жения электронов определяется дей¬ствием кулоновских сил со стороны ядра. В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один элек¬трон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза большую массы электрона. Это ядро было на¬звано протоном и стало рассматри¬ваться как элементарная частица.

Размер атома — это радиус орбиты его электрона. Простая и наглядная планетар¬ная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она кажется совершенно -необходимой для объяснения опытов по рассеива¬нию ос-частиц. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт су¬ществования атома, его устойчи¬вость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся заряд по законам элек¬тродинамики Максвелла должен из¬лучать электромагнитные волны частотой, равной частоте его обра¬щения вокруг ядра. Излучение со¬провождается потерей энергии.

Те¬ряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях ат¬мосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Мак¬свелла, электрон за ничтожно малое время (порядка 10~8 с) должен упасть на ядро. Атом должен пре¬кратить свое существование.

В действительности ничего подоб¬ного не происходит. Атомы устой¬чивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая элек¬тромагнитные волны. Не согласующийся с опытом вы¬вод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излу¬чение—это результат применения законов классической физики к яв¬лениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы класси¬ческой физики неприменимы.

Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращают¬ся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Эта модель проста, обоснована экспериментально, но не позволяет объяснить устойчивость атомов. V. КВАНТОВЫЕ ПОСТУЛАТЫ БОРА. Выход из крайне затруднитель¬ного положения в теории атома был найден в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором на пути дальней¬шего развития квантовых представ¬лений о процессах в природе. Эйнштейн оценивал проделанную Бором работу “как высшую музы¬кальность в области мысли”, всегда его поражавшую.

Основываясь на разрозненных опытных фактах. Бор с помощью гениальной интуиции пра¬вильно предугадал существо дела. Последователь¬ной теории атома Бор, однако, не дал. Он в виде постулатов сфор¬мулировал основные положения но¬вой теории. Причем и законы клас¬сической физики не отвергались им безоговорочно. Новые постулаты скорее налагали лишь некоторые ограничения на допускаемые клас¬сической физикой движения. Успех теории Бора был тем не менее поразительным, и всем ученым стало ясно, что Бор нашел правиль¬ный путь развития теории.

Этот путь привел впоследствии к созданию стройной теории движения микро¬частиц—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 состоя¬нии атом не излучает. Этот постулат противоречит клас¬сической механике, согласно которой энергия движущихся электронов мо¬жет 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 пе¬реходе атома из стационарного со¬стояния с большей энергией в ста¬ционарное состояние с меньшей энер¬гией Энергия излученного фото¬на равна разности энергий стацио¬нарных состояний: При поглощении света атом пере¬ходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией.

Второй постулат также противо¬речит электродинамике Максвелла, так как согласно этому постулату частота излучения света свидетель¬ствует 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 нахож¬дении частот электромагнитных волн, излучаемых водородом. Эти частоты можно найти на основе второго постулата, если располагать прави¬лом определения стационарных зна¬чений энергии атома.

Это правило (так называемое правило квантова¬ния) Бору опять-таки пришлось по¬стулировать. Используя законы механики Ньюто¬на и правило квантования, отми¬рающее возможные стационарное состояния, Бор смог вычислить До¬пустимые радиусы орбит электрона и энергии стационарных состояний. Минимальный радиус орбиты опре¬деляет размеры атома. Второй постулат Бора позволяет вычислить по известным значениям энергий стационарных состояний частоты излучений атома водорода.

Теория Бора приводит к количест¬венному согласию с экспериментом для значений этих частот. Все час¬тоты излучений атома водорода со¬ставляют ряд серий, каждая из которых образуется при переходах атома в одно из энергетических со¬стояний со всех верхних энергети¬ческих состояний (состояний с боль¬шей энергией). Поглощение света — процесс, обратный излуче¬нию. Атом, поглощая свет, пере¬ходит 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 стрел¬ками изображены переходы атома из одних состояний в другие с погло¬щением света. На основе двух постулатов и пра¬вила квантования Бор определил ра¬диус атома водорода и энергии ста¬ционарных состояний атома. Это позволило вычислить частоты из¬лучаемых и поглощаемых атомом электромагнитных волн. VI. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА Наибольший успех теория Бора имела применительно к атому водо¬рода, .для которого оказалось воз¬можным построить количественную теорию спектра. Однако построить количествен¬ную теорию для следующего за во¬дородом атома гелия на основе боровских представлений не удалось.

Относительно атома гелия и более сложных атомов теория Бора по¬зволяла делать лишь качественные (хотя и очень важные) заключе¬ния. Теория Бора является половинчатой, внутренне противоречивой. С одной стороны, при построении теории атома водо¬рода использовались обычные за¬коны механики Ньютона и давно известный закон Кулона, а с дру¬гой — вводились квантовые посту¬латы, никак не связанные с меха¬никой Ньютона и электродинамикой Максвелла.

Введение

Введение в физику кван¬товых представлений требовало ра¬дикальной перестройки как механи¬ки, так и электродинамики. Эта пере¬стройка была осуществлена в начале второй четверти нашего века, когда были созданы новые физические тео¬рии: квантовая механика и кван¬товая электродинамика. Постулаты Бора оказались совер¬шенно правильными.

Но они вы¬ступали уже не как постулаты, а как следствия основных принципов этих теорий. Правило же квантова¬ния Бора, как выяснилось, приме¬нимо далеко не всегда. Представление об определенных орбитах, по которым движется элек¬трон в атоме Бора, оказалось весьма условным. На самом деле движение электрона в атоме имеет очень мало общего с движением планет по ор¬битам. Если бы атом водорода в наинизшем энергетическом состоя¬нии можно было бы сфотографиро¬вать 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 ка¬чественным описанием электронных оболочек атомов вы знакомились в курсе химии.

VII. ЛАЗЕРЫ В 1917 г. Эйнштейн предсказал воз¬можность так называемого индуци¬рованного (вынужденного) излуче¬ния света атомами. Под индуци¬рованным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возник¬шая при индуцированном излучении световая волна не отличается от вол¬ны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией. На языке квантовой теории вы¬нужденное излучение означает пере¬ход атома из высшего энергетиче¬ского состояния в низшее, но не само¬произвольно, как при обычном излу¬чении, а под влиянием внешнего воз¬действия.

Еще в 1940 г. советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для уси¬ления электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н. Г. Ба¬сов и А. М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцирован¬ного излучения для создания микро¬волнового генератора радиоволн с длиной волны ==1,27 см. За раз¬работку 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. Про¬хоров 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 исклю¬чительной монохроматичностью.

В отличие от обычных источников све¬та, атомы которых излучают свет не¬зависимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений. 3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В уз¬ком интервале спектра кратковре¬менно (в течение промежутка време¬ни продолжительностью порядка 10~13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт/см2, в то время как мощ¬ность излучения Солнца равна толь¬ко 7-103 Вт/см2, причем суммарно по всему спектру.

На узкий же интер¬вал =10~6 см (ширина спектраль¬ной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. На¬пряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

В обычных условиях большинство ато¬мов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низ¬ких температурах вещества не све¬тятся. При прохождении электромаг¬нитной волны сквозь вещество ее энергия поглощается. За счет по¬глощенной энергии волны часть ато¬мов возбуждается, т. е. переходит в высшее энергетическое состояние. Сущест¬вуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа.

Атомы возбуждают¬ся за счет поглощения света. Но двух уровней энергии для ра¬боты лазера недостаточно. Каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет боль¬ше числа невозбужденных. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает индуцированные пере¬ходы с верхнего уровня на нижний. В газовых лазерах этого типа рабочим веществом является газ. Атомы рабочего вещества возбуж¬даются электрическим разрядом. Применяются и полупроводнико¬вые лазеры непрерывного действия.

Они созданы впервые в нашей стра¬не. В них энергия для излучения заимствуется от электрического тока. Созданы очень мощные газоди¬намические лазеры непрерывного действия на сотни киловатт. В этих лазерах “перенаселенность” верхних энергетических уровней создается при расширении и адиабатном ох¬лаждении сверхзвуковых газовых по¬токов, нагретых до нескольких тысяч кельвин. VIII. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ Когда греческий философ Демок¬рит назвал простейшие нерасчлени¬мые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает “недели¬мый”), то ему, вероятно, все пред¬ставлялось в принципе не очень сложным.

Различные предметы, рас¬тения, животные построены из неде¬лимых, неизменных частиц. Превра¬щения, наблюдаемые в мире,— это простая перестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются не¬изменными. Но в конце XIX века было откры¬то 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 атом¬ного ядра. Поначалу на все эти частицы смотрели точь-в-точь, как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, ос¬новными кирпичиками мироздания.

Ситуация привле¬кательной ясности длилась недолго. Все оказалось намного сложнее: как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом слове элемен¬тарная заключается двоякий смысл. С одной стороны, элементарный — это само собой разумеющийся, прос¬тейший. С другой стороны, под эле¬ментарным понимается нечто фун¬даментальное, лежащее в основе вещей (именно в этом смысле сей¬час и называют субатомные частицы элементарными). Считать известные сейчас эле¬ментарные частицы подобными не¬изменным атомам Демокрита ме¬шает следующий простой факт. Ни одна из частиц не бессмертна.

Боль¬шинство частиц, называемых сей¬час элементарными, не могут про¬жить более двух миллионных до¬лей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне.

Сво¬бодный нейтрон (нейтрон, находя¬щийся вне атомного ядра) живет в среднем 15 мин. Лишь фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неиз¬менность, если бы каждая из них была одна в целом мире (нейтрино лишено электрического заряда и его масса покоя, по-видимому, рав¬на нулю). Но у электронов и протонов име¬ются опаснейшие собратья — позит¬роны и антипротоны, при столкно¬вении с которыми происходит взаим¬ное уничтожение этих частиц и об¬разование новых. Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10~8 с. Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и погло¬титься бумагой.

Лишь нейтрино почти бессмертны из-за того, что они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гиб¬нут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко. Все элементарные частицы пре¬вращаются друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их существования. Превращения элементарных час¬тиц ученые наблюдали при столкно¬вениях частиц высоких энергий.

Представления о неизменности элементарных частиц оказались не¬состоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась. Элементарные частицы уже да¬лее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам. Вот что заставляет так думать. Пусть у нас возникло естествен¬ное 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 спо¬соб. Это тот же способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что находится внутри пласт¬массовой игрушки,— сильный удар. По современным представ¬лениям элементарные частицы — это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя.

Однако неделимость эле¬ментарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя струк¬тура. В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас эле¬ментарными, полностью оправды¬вают это название.

Основание для сомнений простое: этих частиц очень много. Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сей¬час составляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждому очередному триумфу нача¬ла примешиваться доля беспокой¬ства. Триумфы стали следовать буквально друг за другом. Была открыта группа так назы¬ваемых “странных” частиц: К-ме-зонов и гиперонов с массами, пре¬вышающими массу нуклонов. В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных “очарованны¬ми”. Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с време¬нем жизни порядка 10~22—10~23 с. Эти частицы были названы резо-нансами, и их число перевалило за двести.