Квантовая физика как новый этап познания природы

 

Простая и наглядная планетарная  модель атома имеет прямое экспериментальное  обоснование. Она кажется совершенно -необходимой для объяснения опытов по рассеиванию ос-частиц. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны  частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время (порядка 10~8 с) должен упасть на ядро. Атом должен прекратить свое существование.

 

В действительности ничего подобного  не происходит. Атомы устойчивы и  в невозбужденном состоянии могут  существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.

 

Не согласующийся с опытом вывод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излучение—это результат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физики неприменимы.

 

Резерфорд создал планетарную  модель атома: электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Эта модель проста, обоснована экспериментально, но не позволяет объяснить устойчивость атомов.

 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.