Реферат: Ваша идея, конечна, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безум­на, чтобы оказаться верной

Ваша идея, конечна, безумна. Весь вопрос в том,

достаточно ли она безум­на, чтобы оказаться верной.

Н. Бор


Составной частью научной картины мира являются представления о строении материи. В истории филосо­фии и естествознания самыми плодотворными оказались идеи атомизма, уходящие своими корнями в античную философию. Поэтому сначала несколько слов об антич­ных атомистах и их предшественниках.

Самые древние мыслители заметили, что окружающий человека предметный мир природы, с одной стороны, подви­жен и изменчив, а с другой - при всех своих изменениях оста­ётся одним и тем же. Отсюда логично был сделан вывод: значит, в глубине, в основании вещей лежит некая неизмен­ная субстанция, из которой они образованы. По Фалесу (624 — 547 до н. э.), такой основой всех вещей является вода, из нее они возникли и в нее же превращаются в результате своей гибели. По Анаксимену (544-483 до н. э.), такой основой явля­ется воздух, по Гераклиту (544-483 до н. э.) - огонь, по Ксенофану (VI -V века до н. э.) – земля.

В V веке до н. э. древнегреческий мыслитель Левкипп (500-440 до н. э.) и глава школы атомистов Демокрит (460-370 до н. э.) заложили основы концепции атомизма. Позже она по­лучила некоторое развитие в трудах Эпикура (341-370 до н.э.) и древнего римлянина Лукреция Кара (99-55 до н. э.). Эта концепция разработана и выстроена логически строго с опорой на тонкие наблюдения. В ней за основу всего существующего берутся не стихии (воды, воздуха или огня), а мель­чайшие невидимые частицы, которые далее неделимы из-за непроницаемости (плотности). От античных атомистов и приш­ло к нам понятие атома. Слово это древнегреческого проис­хождения и в переводе на русский означает «неделимый». Античными учеными в качестве исходных посылок, кроме атомов, приняты еще два постулата - о существовании пусто­го пространства и о движении атомов как их изначальном свойстве.

Из этих трех посылок и выстраивается грандиозная кон­цепция античного атомизма, объясняющая вещи и процессы на Земле и в космосе. Отметим следующее: атомы, по Демокриту, имеют разнообразную фор­му, они различаются также положением и порядком соче­таний. Эпикур наделил атомы еще свойством тяжести. Атомы движутся в пустоте беспорядочно, иногда они сталкиваются и отскакивают друг от друга, но иногда сцепляются в разных сочетаниях и положениях, что означает образование вещей с разным качеством. Атомы вечны, а вещи, образованные из них, гибнут (разъединяются), но сами атомы остаются, они далее могут сцепляться в новых сочетаниях с образованием других вещей и т. д. Так возникают из атомов не только обыч­ные вещи, но и Земля, и звезды, и космические миры в бес­конечном пространстве.

Концепция атомизма была влиятельной в античной культуре. И даже средневековая церковь по-своему при­знавала ее, борясь с атомизмом на протяжении восьми столетий. В эпоху Возрождения античный атомизм по­лучает «второе дыхание». Однако подлинно триум­фальным было шествие концепции атомизма в естест­вознании Нового и Новейшего времени (с начала XVII до конца XIX века). Правда, в классической механике оперировали понятием материальной точки, лишенной размера, в которой сосредоточена вся масса тела. Фи­зики, однако, понимали, что это - абстракция идеали­зации, приспособленная к нуждам теоретической физи­ки. Реальным же (то есть физическим) кирпичиком, из которого построено все мироздание, являются атомы.

«Мне представляется, - отмечал И. Ньютон, - что Бог с самого начала сотворил вещество в виде твердых, весо­мых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры и такую форму и такие другие свойст­ва и создал их в таких относительных количествах, как ему нужно было для такой цели, для которой он их сотворил.

Эти первичные частицы абсолютно тверды: они неизме­римо более тверды, чем тела, которые из них состоят, на­столько тверды, что они никогда не изнашиваются, не раз­биваются вдребезги, так как нет такой силы, которая могла бы разделить на части то, что сам Бог создал нераздельным и Целым в первый день творения... они не изнашиваются».

В XIX веке концепция атомизма разрабатывается на почве естествознания и облекается в естественнонаучную форму. В начале XIX века для объяснения ранее открытых химических законов и законов идеального газа трудами английского ученого Дж. Дальтона, итальянского ученого А. Авогадро и шведского ученого Я. Берцелиуса закладывается представление об атомах как мельчайших частицах химических элементов. В середине XIX века проведено различие между атомом и молекулой. В то же время идея атомизма в термодинамике воплощается в форму молекулярно-кинетической теории.

«Даже когда Солнечная система распадется, на ее раз­валинах возникнут новые миры; атомы, из которых она состоит, останутся целыми и не изношенными». Это выс­казывание Д. Максвелла, относящееся ко второй половине XIX века, созвучно со словами Ньютона. В своей речи, произнесенной на съезде Британской ассоциации в Бредфорде, Максвелл отмечал: «При мысленном делении вещества, следовательно, мы должны в вооб­ражении дойти до атома, который, как буквально зна­чит это слово, не может быть разделен пополам, - таковa атомистическая картина Демокрита, Эпикура, Лукреция, я могу прибавить, и вашего лектора».

Когда мы говорим о веществе (чистом веществе), то тем самым указываем на то, что оно обладает однородными свойствами. При этом чистые вещества могут быть двух типов. Одни разлагаются после неко­торых воздействий. Другие — нет. Например, сравним железо, кислород, водород и окись железа, воду, перекись водорода.

Первые вещества — элементы, вторые — соедине­ния. Сегодня известно 92 стабильных элемента и мно­гие сотни тысяч чистых веществ, построенных из них. Существуют тысячи минералов, десятки тысяч неор­ганических и особенно органических соединений, неис­числимое количество сплавов.

Все разнообразие веществ возникает из сложного, но повторяющегося сочетания мельчайших составных частиц — атомов (как и все книги — суть набор не­скольких десятков символов, собранных огромным раз­нообразием способов).

Попытки создания систематики химических элемен­тов начались сразу после освоения наукой понятия об атомах. Однако только Д. И. Менделееву (1834-1907) удалось открыть периодический закон, позволивший не только систематизировать все известные на тот момент (1869) химические элементы, но и предсказать суще­ствование новых. В 1870 г. подобную систематику со­здал немецкий ученый Ю. Л. Майер (1814-1878).

Созданная систематика позволила предсказать свой­ства элементов с вероятными атомными весами 44, 68, 72. В 1875 г. был открыт галлий (атомный вес 69,7), в 1879-м — скандий (атомный вес 45,1), в 1886-м — гер­маний (атомный вес 72,6). В 1893 г. был открыт аргон, которому не было места в периодической системе эле­ментов. После обнаружения на Солнце (с помощью спек­трального анализа), а затем и на Земле гелия, открытия криптона, неона, ксенона стало ясно, что «благородные» (инертные) газы образуют новую группу периодической системы. Это еще раз подтвердило строгость периодичес­кого закона Менделеева.

В то же время Менделеев писал: «...Мы не понимаем причины периодического закона...». Он просто раскла­дывал пасьянс, основанный на известных свойствах хи­мических элементов и их соединений. И только после выяснения строения атомов был вскрыт физический смысл обнаруженных им закономерностей.

Атомы девяноста двух видов стабильны (до урана) и обладают различными свойствами. Одни из них образу­ют газы, другие — металлы. Одни способны легко обра­зовывать химические соединения, другие (инертные газы) почти никогда не дают соединений.

В то же время все атомы имеют примерно одинако­вый размер. Действительно, мы знаем, что в 1 см3 веще­ства содержится около 1023 молекул (атомов для одно­атомных веществ). Тогда на один атом приходится объем около 10 -23 см3 и размер атома (кубический корень из объема) близок 10 -8 см.

Но что мы знаем о внутреннем строении атома?

Из опыта известно, что любой предмет может обла­дать электрическим зарядом одного или другого вида. Мы называем эти два вида зарядов «положительными» или «отрицательными». В этих названиях не отражено ничего принципиального. Просто мы знаем, что одно­именные заряды отталкиваются, а разноименные притя­гиваются — это следует из эксперимента.

Эксперимент же показывает, что незаряженное тело просто содержит в себе равные количества положитель­ных и отрицательных зарядов. В этом состоит одно из величайших открытий физики.

Мы обнаруживаем, что заряды могут перемещаться в веществе. За проводимость металлов ответственны элек­троны. Еще в Древней Греции было замечено, что если потереть янтарь (греч. «electron») кусочком ткани, то он приобретает свойство притягивать шерстинки. Именно поэтому в 1891 г. для обозначения единицы минималь­ного количества электричества был введен термин «элек­трон».

Заметим, что когда мы трем поверхность янтаря или иного непроводящего материала (диэлектрика) шерстью, тканью, мы вовсе не «сдираем» электроны с электронных оболочек атомов. Мы просто снимаем поверхностные заряды («грязь»), экранирующие неодно­родный поверхностный заряд диэлектрика (его поляри­зацию).

В конце 90-х годов XIX века в результате исследо­ваний радиоактивного распада французскими учеными А. Беккерелем и супругами Марией и Пьером Кюри были получены данные, свидетельствующие о делимо­сти атомов. В 1897 году английский физик Дж. Томсон открыл электрон, измерил величину его электрическо­го заряда и массу. В настоящее время масса электрона определяется как 1/1840 часть от массы атома водорода.

В 1896 г. А. Беккерель открыл явление радиоактивности ура­на; среди частиц, образующихся при распаде урана, также ока­зались электроны.

Эти факты привели к мысли о том, что атом можно предста­вить как сложное образование, состоящее из электронов и области, несущей положительный заряд. Возник вопрос об относитель­ном расположении электронов и положительно заряженной остальной части атома. Для решения этого вопроса были примене­ны эксперименты по рассеянию электронов и α-частиц при про­хождении их через металлическую фольгу. Опыты показали, что рассеивание электронов очень невелико. На этом основании В. Томсон и Д. Д. Томсон в 1904 г. предложили модель строения атома. Атом представляет положительно заряженный шар, в ко­тором вкраплены отрицательно заряженные электроны. При про­хождении пучка электронов через атом искривление их траектории происходит за счет сил отталкивания, действующих со стороны атомных электронов.

В 1904 г. японский физик X. Нагаока предложил иную модель строения атома: атом имеет строение, напоминающее строение планеты Сатурн с ее кольцами спутников. X. Нагаока предполо­жил, что основная часть атома — положительно заряженный шар, вокруг которого по кольцевым орбитам вращаются электро­ны. X. Нагаока показал, что эта модель механически устойчива, но отметил, что согласно законам электродинамики электроны должны были бы излучать электромагнитные волны, теряя кине­тическую энергию и уменьшая свою скорость, пока не упадут на ядро.

Итак, к концу XIX в. стало известно, что вещество содержит в себе положительные и отрицательные заря­ды. Минимальная «порция» вещества — атом. Следова­тельно, и атом должен состоять из положительных и отрицательных зарядов, и, по существовавшим на тот момент представлениям, быть неделимым.

Решающий эксперимент по проверке модели Томсона был проделан в 1910 г. Э. Резерфордом (1871-1937), X. Гей­гером (1882-1945) и Р. Марсденом: α -частицы (ядра ге­лия, имеющие положительный заряд), возникающие при радиоактивном распаде, направляли на тонкую золотую фольгу и наблюдали, как изменится направление их движения после прохождения через металл. Если верна модель «желе», то α -частицы не должны отклоняться от первоначального направления. Если же электрический заряд по атому расположен неравномерно, то α -частицы должны были бы по-разному отклоняться неоднородностями электрического заряда.

Было обнаружено совершенно неожиданное явле­ние — некоторые α -частицы отклонялись от первона­чального направления настолько сильно, что почти воз­вращались к источнику.

В табл. 1 приведены результаты одного из экспери­ментов. Заметим, что все эти эксперименты проведены с помощью глаза — экспериментатор в темной, комна­те наблюдал вспышки на экране из вещества, светя­щегося при попадании на него α -частиц. (При адапта­ции к темноте человеческий глаз способен различать отдельные фотоны.) Представьте себе, насколько тру­доемок эксперимент, и обратите внимание, что ключе­выми для возникших на основании этих эксперимен­тов современных представлений об атомах являются события (отклонения на очень большие углы), возника­ющие крайне редко.


Таблица 1


Результаты одного из экспериментов по наблюдению рассеивания α -частиц золотой фольгой

Угол

отклонения частицы





15



38



45



60



75



105



120



135



150

Число наблюдений частицы


132000


7800


1435


477


211


70


52


43


33

% от общего числа наблюдений


92,87


5,5


1,0


0,3


0,1


0,03


0,025


0,02


0,015



Резерфорд следующим образом вспоминал свою пер­вую реакцию на эти результаты: «...Я помню... ко мне пришел очень взволнованный Гейгер и сказал: „Мы, кажется, получили несколько случаев рассеяния α -час­тиц назад ..."Это самое невероятное событие, которое было в моей жизни. Это почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в папиросную бумагу и он, отразившись, попал бы в вас. При анализе я понял, что такое рассеяние должно быть результатом однократного столкновения, и, произведя расчеты, уви­дел, что это никоим образом невозможно, если не пред­положить, что подавляющая часть массы атома скон­центрирована в крошечном ядре. Именно тогда у меня и зародилась идея об атоме с крошечным массивным цен­тром, в котором сосредоточен заряд».

Еще в 1887 г., за 10 лет до открытия электрона и почти за 30 лет до работ Резерфорда, выда­ющийся (в будущем) русский физик П. Н. Лебедев (1866-1912) в дневнике писал: «...Каждый атом всякого наше­го первичного элемента (Н, О, Ва...) представляет собой ионную Солнечную систему, то есть состоит из различ­ных атомопланет, вращающихся с разными скоростями вокруг центральной планеты или каким-либо другим образом двигающихся характерно периодически. Пери­оды движения весьма кратковременны...». Пример уди­вительной прозорливости ученого.

Стало ясно, что атом состоит не из смеси разбросан­ных по объему положительных и отрицательных час­тиц, но из массивного положительного заряда — ядра, окруженного отрицательно заряженными электрона­ми, значительно более легкими, чем ядро. Размер ядра, оцененный из этих экспериментов, составляет около 10 -13 см.

Как мы помним, размер атома около 10 -8 см. То есть размер ядра по крайней мере в 10 000 раз меньше раз­мера атома.

Основываясь на этих исследованиях, в 1911 г. Резер­форд предложил новую, «планетарную» модель, уподоб­лявшую атом Солнечной системе. В центре находится маленькое положительное ядро, содержащее почти всю массу атома, а вокруг ядра — электроны, число кото­рых равно положительному заряду ядра, выраженному в электронных зарядах.

Стала ясна структура атома, удалось определить чис­ло электронов в каждом атоме. Так, в водороде имеется один электрон и ядро с положительным зарядом, чис­ленно равным заряду электрона. В гелии — два электрона и соответствующим образом заряженное ядро. И так вплоть до урана с 92 электронами и ядром, несущим 92 единицы положительного заряда. То есть удалось каче­ственную разницу между атомами свести к количествен­ной. Можно расположить атомы в определенном поряд­ке в соответствии с их атомными номерами. Каждому номеру от 1 до 92 (кроме технеция — 43 и прометия — 61) соответствует элемент, обнаруженный в природе.

^ Существуют также и трансурановые элементы с атомными номерами больше 92. Они имеют малые вре­мена жизни и в природе при естественных условиях не встречаются.

Сведение качественных различий между атомами к количественным представляет собой огромный шаг впе­ред. Стала понятна структура периодического закона Менделеева, принципы систематизации атомов.

Однако каждое открытие ставит новые, более слож­ные вопросы. Действительно, почему бром с 35 элек­тронами — коричневая жидкость, легко образующая химические соединения; криптон с 36 электронами — бла­городный газ, практически не вступающий в химические соединения; рубидий с 37 электронами — металл, хими­чески очень активный? Почему один лишний электрон приводит к столь резкому изменению свойств элемента? На эти вопросы удалось получить ответ только после того, как была понята квантовая природа материи.

Есть и другие вопросы. Так, если мы принимаем пла­нетарную модель атома, то считая, что электроны враща­ются вокруг ядра, и зная размер атома (радиус орбиты электронов), мы можем оценить время оборота одного электрона вокруг ядра. Оно составляет около 10 -16 с. Правильность этой оценки легко проверить эксперимен­тально — частота света, испускаемого раскаленным водо­родом, составляет 10 16 Гц. Однако если электрон испус­кает свет, то есть теряет свою энергию, радиус его орбиты должен уменьшаться и в конце концов электрон должен упасть на ядро. Но этого не происходит.

Более того, раскаленный и холодный водород долж­ны были бы испускать свет одинаковым образом. Одна­ко холодный водород свет не испускает.

Известно, что каждый атом испускает (или поглоща­ет) свет вполне определенных частот, характерных толь­ко для данного атома. На этом основаны, в частности, методы спектрального анализа состава веществ.

Более того, атом газа сталкивается с другим атомом один раз за 10-12 с, то есть через каждые 10 000 оборо­тов электрона вокруг ядра. И при этом сохраняются и частота излучения, и размер атома... Представим себе, что Солнечная система или Земля столкнутся с подоб­ными себе объектами...

Отметим особо свойства атомных систем, которые не способна описать модель Резерфорда.

1) Устойчивость. Атомы сохраняют свои специфи­ческие свойства, несмотря на сильные столкновения и возмущения, которым они подвергаются.

2) Тождественность. Все атомы одного рода (с оди­наковым числом электронов) обладают тождественными свойствами. Они испускают и поглощают излучение с одними и теми же частотами, имеют равные размеры, свойства.

3) Воспроизводимость. Способность возвращаться в исходное состояние. Если форма атома была искажена и его электронные орбиты изменили свой вид в результате внешнего воздействия (высокого давления, соседства дру­гих атомов и т. п.), то после устранения причины иска­жения атом и электронные орбиты вновь приобретут ис­ходную форму.

Эти противоречия показывают, что планетарная мо­дель, так же как и ее предшественники, — только некое приближение к действительному строению атома. Опы­ты показывают, что атом как планетарная система не может обладать всеми перечисленными свойствами, а это значит, что данная модель приближенная. Нужен новый взгляд на природу атома.

Дотошные критики быстро увидели в модели Резерфорда один существенный изъян. Дело в том, что рассмотрение движения электрона вокруг ядра на основе классической физики ведет к парадоксальному выводу о невозможности су­ществования стабильных атомов. Согласно классической электродинамике электрон не может устойчиво вращаться по орбите, поскольку движущийся вокруг ядра электрон дол­жен излучать электромагнитные волны и, следовательно, те­рять энергию. Из-за потери энергии радиус его орбиты должен непрерывно уменьшаться, и за время примерно 10 8 секунды электрон должен упасть на ядро атома. А поскольку опыт по­казывает, что атомы не только существуют, но и необычайно устойчивы, то это значит, что законы классической физики неприменимы к движению электронов в атомах .

Итак, вновь противоречия. С одной стороны, атом в экс­перименте проявляет себя как миниатюрная «планетная» система из обращающихся по орбитам вокруг ядра элек­тронов. С другой стороны, мы обнаруживаем его устойчи­вость и иные свойства, чуждые планетным системам. Каковы же характеристики мира атомов, микромира? Это, во-первых, квантовые состояния атома. Во-вто­рых — квантовая природа излучения (поля). В-третьих — волновые свойства материальных частиц. Эти характери­стики служат фундаментом современных представлений о явлениях микромира.

В конце XIX в. одним из ключевых направлений ес­тествознания было изучение строения вещества. В то же время естествоиспытателей волновал вопрос и о том, каким образом излучает энергию нагре­тое тело. Ведь только по измеряемому излучению мы знаем о Вселенной. Это была еще одна проблема, не свя­занная с исследованием вещества: ее решали совершенно иными методами другие исследователи. Области иссле­дования — вещество и излучение (поле) — представ­лялись совершенно независимыми.

Для простоты рассуждений об испускании и погло­щении излучения нагретым объектом была придумана модель «абсолютно черного тела» — объекта, полностью поглощающего весь падающий на него поток излучения. Такой объект может иметь только черный цвет (коэффи­циент поглощения излучения равен 100%). Казалось, что такое тело должно излучать энергию по достаточно простому закону, предсказанному существовавшей к концу XIX в. теорией. Однако эксперимент, проведен­ный на модельных объектах, близких к абсолютно чер­ному телу (создать действительно абсолютно черное тело невозможно), показал, что это не так. Классическая те­ория предсказывала быстрый рост интенсивности излу­чения с уменьшением длины волны излучения, на экс­перименте же наблюдался максимум излучения при некоторой длине волны (рис. 1.2). Заметим, что с таким излучением каждый из нас сталкивается в жизни — если бы была верна класси­ческая теория, то при открывании дверцы духовки га­зовой плиты мы мгновенно попадали бы под поток чрез­вычайно опасных для жизни коротких волн жесткого ультрафиолетового излучения, гамма-квантов и рент­геновского излучения.

Это была катастрофа (по определению физиков нача­ла XX в.) классических представлений — ”ультрафио­летовая катастрофа”.

И вот в 1900 г. М. Планк (его настоящее имя Карл Эрнст Людвиг) выдвинул идею, что абсолютно черное тело излучает энергию не сплошным «потоком», а пор­циями. Этой мельчайшей порции Планк дал название квант (от лат. «quantum» — сколько, как много).




Рис. 1.2 «Ультрафиолетовая катастрофа». Зависимость спектральной, плотности энергии, от частоты, излуче­ния абсолютно черного тела, нагретого до 2000 К, в случаях использования

классической и квантовой теорий излучения


Для объяснения устойчивости атомов датский физик Нильс Бор воспользовался понятием кванта (то есть мельчайшей порции) энергии, введенным в 1900 году немецким физиком М. Планком. Планк показал, что тела излучают свет не не­прерывно, а мельчайшими энергетическими порциями, то есть квантами. Позже были открыты фотоны, которые и яв­ляются квантами электромагнитных волн в световом диапа­зоне. Квант энергии (и действия) обозначают латинской бук­вой h и называют постоянной Планка. Величина кванта энергии зависит от частоты колебаний световых волн v и рав­на: ε = hv. Для кругового движения электрона величина h при­водится путем ее деления на 2π : ћ =h/2π.

Кван­товая теория совершила революцию в физике, создав совершенно новые представления о веществе и энергии. ^ Действительно, то, что считалось ранее непрерывным, по новым представлениям стало дискретным. Это про­тиворечило всему обыденному опыту.

Однако было совершенно непонятно, дискретность излучения есть результат взаимодействия с дискретным веществом или свойство, присущее самому излучению. По этому поводу А. Эйнштейн писал: «Если пиво всегда продают в бутылках, содержащих пинту, то вовсе не следует, что пиво состоит из неделимых частей, равных пинте».

Он первым понял, что дискретность поглощения и испускания излучения — неотъемлемое свойство самого излучения. Через пять лет после появления понятия кванта Эйнштейн применил идею дискретности излуче­ния к объяснению явления фотоэффекта (появление электрического тока в вакууме вследствие выбивания электронов из металла под действием излучения). Имен­но за объяснение природы фотоэффекта в 1921 г. он был удостоен Нобелевской премии («...за успехи в теоре­тической физике, особенно за открытие законов фото­эффекта» ).

Н. Бор предположил, что из всех орбит, до­пускаемых ньютоновой механикой для движения электрона в электрическом поле атомного ядра, реально осуществляются не все, а только те орби­ты (названные основными), величина энергии которых кратна постоянной Планка h. Бор по­стулировал, что, находясь на основных орбитах, электрон не испускает квантов света, то есть не те­ряет энергии, поэтому атом существует устойчиво. Излучение электроном квантов света происходит лишь при переходе его с одной устойчивой (ос­новной) орбиты на другую, а именно, при переходе с одного энергетического уровня на другой, более низкий. Вскоре это предположение получило опыт­ное подтверждение. Таким образом, Нильс Бор су­щественно дополнил планетарную модель атома Резерфорда, поэтому с тех пор она называется мо­делью Резерфорда-Бора.

В основе квантовой теории строения атома, развитой Бором лежит идея объединения:

а) закономерностей линейчатого спектра атома водорода, вы­раженных в формуле Бальмера - Ридберга;

б) ядерной модели атома Резерфорда;

в) квантового характера излучения и поглощения света.

Для осуществления этой идеи Бор, сохраняя классический под­ход к описанию поведения электрона в атоме, выдвинул два посту­лата, которые стали основой новой, квантовой те­ории строения атома и позволили объяснить модель атома Резерфорда.

^ Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные квантовые состояния, не изме­няющиеся с течением времени без внешних воздействий. В этих состояниях атом не излучает электромагнитных волн. Каждому стационарному состоянию соответствует определенная энергия атома En. Стационарным состояниям атома соответствуют ста­ционарные орбиты, по которым движутся электроны. При движе­нии по стационарным орбитам электроны не излучают электро­магнитных волн.

^ Второй постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или по­глощается один фотон. Атом излучает (поглощает) один квант электромагнитной энергии, когда электрон переходит с орбиты с большим (меньшим) на орбиту с меньшим (большим) главным квантовым числом. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух его стационарных состояниях: hvmn = Em - En. Если Em > En, то происходит излучение фотона, если Em < En - поглощение фото­на. Частота Vmn, которая испускается (поглощается) атомом,

Em _ En

Vmn= h h .


Из правила частот Бора следует обращение спектральных ли­ний: атомы поглощают только те спектральные линии (частоты), которые они сами могут испускать. В квантовой механике правило частот Бора вытекает из тео­рии квантовых переходов атома из одного энергетического со­стояния в другое. Правило частот Бора явилось дальнейшим развитием идеи о квантовом характере излучения и поглощения света.

Так трудами М. Планка и Н. Бора делается первый (и потому еще несовершенный) набросок новой фи­зической дисциплины - квантовой механики.

Первый успех квантовой механики был достигнут це­ной нарушения логической цельности этой теории: с од­ной стороны, в ней использована ньютонова механика, а с другой - чуждые для классической физики искус­ственные правила квантования, к тому же противоре­чащие классической электродинамике. Да и сама теория Н. Бора оказалась ограниченной, поскольку объясняла устойчи-

вость только атома водорода, но не объясняла движения электронов в более сложных атомах, начи­ная с гелия. Иначе говоря, теория Н. Бора оказалась полуклассической, она не объясняла многих вопросов, например того, как электрон переходит с одного энер­гетического уровня на другой.

Позже, в 1913 г., Дж. Франк и Г. Герц провели ряд экспериментов, в которых они пытались изменить орби­ты электронов в атомах.

Как мы говорили ранее, эти орбиты очень устойчи­вы, и с помощью внешних воздействий (например, стол­кновений атомов) их изменить не удается. Для измене­ния орбиты надо использовать какие-то силы. Проведем аналогию с планетой: для изменения орбиты необходи­мо, чтобы мимо планеты прошло массивное тело (масш­таба самой планеты). Тогда за счет сил тяготения плане­та (либо все планеты) изменят свои орбиты.

В опытах Франца и Герца через разреженный газ проходил пучок электронов, играющий роль такого тела. Взаимодействие, которое приводило к возникновению сил, изменяющих орбиты электронов в атомах металла, известно нам как электромагнитное. (С пучком элект­ронов мы имеем дело каждый день: в телевизоре имеет­ся устройство, называемое «электронная пушка».)

Мы можем измерить скорость электронов в пучке до взаимодействия с атомами и после него и по изменению этой скорости сделать заключение о тех процессах, кото­рые произошли при взаимодействии пучка электронов с атомами. Это сделать достаточно просто, выявив зависи­мость тока, протекающего через трубку с газом (парами металла), от ускоряющей разности потенциалов.

Из обычных, классических, представлений следует, что электроны пучка должны изменять орбиты электро­нов атома, их энергия (скорость) должна уменьшаться, причем часть электронов должна просто всю свою энер­гию отдать атому. И этот эффект должен наблюдаться при любых энергиях пучка электронов. Поэтому зависи­мость тока от разности потенциалов должна быть моно­тонной.

Но эксперимент дал совершенно иной результат. На рис. 1.3 показана зависимость тока, протекающего че­рез трубку с парами ртути, от разности потенциалов. Вместо монотонной кривой — кривая с максимумами! Причем расстояние между максимумами не зависело ни от плотности пара (т. е. число атомов, с которыми пучок электронов взаимодействовал, не имело значения), ни от внешних воздействий (электрического и магнитного поля), но имело непосредственное отношение к оптичес­кому спектру металла, пары которого были в установ­ке. Оказалось, что это расстояние точно равно напряже­нию, необходимому для освобождения одного электрона с внешней электронной оболочки атома ртути (потенциа­лу ионизации), известному из оптических исследований. Результат более чем странный, не вписывавшийся в обычные представления о свойствах вещества, извест­ные к началу XX в. Оказалось, что энергию электрона в атоме нельзя изменить на произвольную величину. Она либо меняется порциями, либо не меняется совсем. При­чем эта порция достаточно велика. За эту работу Франк и Герц получили Нобелевскую премию 1925 г. Следова­тельно, и энергия частицы (а не только поля!) меняет­ся порциями — квантами.





рис. 1.3 Результаты эксперимента Франка-Герца. Зависимость тока, протекающего через трубку с парами ртути, от ускоряющей разности потен­циалов. Видно, что максимумы расположены через расстоя­ния, равные 4.9 В. Из исследований спектров излучения паров ртути следовало, что эти расстояния должны быть равны 4,84 В




Таким образом, мы видим, что в начале XX в. прин­ципиальным образом претерпели изменения представле­ния о материи: и о веществе, и о поле.

Но в одном они оставались неизменными: электро­магнитное излучение по своим свойствам считалось рез­ко отличающимся от электронов и других «частиц» ма­терии. Некоторое сближение наметилось, когда у излу­чения были обнаружены свойства, характерные для частиц — корпускулярные свойства. Однако волновые свойства считались присущими только электромагнит­ному полю.

В дальнейшем (к 1927 году) трудами немецких уче­ных-физиков В. Гейзенберга, М. Борна, П. Иордана австрийского физика Луи де Бройля, английского физика и математика П. Дирака квантовая механика формируется как последовательная теория с ясными физическими основами и стройным математическим аппаратом.

Если в классической физике электрон представлялся как мельчайшая крупица вещества, имеющая четкую траекторию движения, то в квантовой и волновой ме­ханике электрон трактуется как частица и в то же вре­мя волна, точнее, как сгусток электромагнитного поля. Поэтому в атоме электроны предстают как размытое облачко. Луи де Бройль распространил корпускулярно-волновой дуализм с электрона на все элементарные ча­стицы (1924). В волновой механике квант поля представляется как плоская волна, а множество плоских волн образу­ют поле.

Идеи де Бройля могли показаться безумными. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы обладают как кор­пускулярными, так и волновыми свойствами. В 1925 г. Эйнштейн писал другу о диссертации де Бройля: «Про­чтите ее! Хотя и кажется, что ее писал сумасшедший, написана она солидно...».

В одной из поздних работ де Бройль так излагает существо своей идеи: «Теория света страдала редкой болезнью раздвоения между волновой теорией, с одной стороны, и теорией фотонов — с другой. Чтобы испра­вить положение, следовало воспользоваться принципом «чем хуже, тем лучше» и перенести эту болезнь на здо­ровую доселе теорию вещества...».

На первый взгляд, гипотеза де Бройля (импульс тела mV связан с длиной волны λ , характеристикой излуче­ния, соответствующей состоянию этого тела, соотно­шением mVλ = ћ, здесь ћ — постоянная Планка, фунда­ментальная постоянная) опровергается повседневным опытом. В окружающих нас предметах и нас самих волновые свойства не проявляются (а волновые свойства определяются способностью волны огибать экран, эф­фектами дифракции и интерференции на объектах с размерами порядка длины волны).

Оценим длину волны де Бройля для электрона и пы­линки массой 0,001 г. Электрон имеет массу около 10 -27 г. Длина волны электрона (ускоренного разностью потенци­алов в несколько тысяч вольт, как в телевизоре), рассчи­танная по соотношению де Бройля, равна примерно 10 -9 м (1 нм). Мы можем наблюдать дифракцию электронов на периодических структурах и объектах такого размера, как кристаллическая решетка, атомные структуры. То есть, имеем возможность экспериментально проверить корпускулярно-волновой дуализм электрона (рис. 1.4). Для пылинки, имеющей такую же скорость, длина волны бу­дет в 10 23 раз меньше, чем для электрона (то есть она равна примерно 10 -32 м). Мы просто не имеем объектов, на которых может проявлять волновые свойства (дифракция, инте