Квантовая физика и строение материи

В.А. Фок

§ 1. ФИЗИКА АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНАЯ И ФИЗИКА ЯДЕРНАЯ (МАЛЫЕ И БОЛЬШИЕ ЭНЕРГИИ)

Для понимания свойств вещества, вытекающих из его атомномолекулярного строения, необходимо знание законов, определяющих свойства отдельных атомов и молекул. Атомы и молекулы представляют собой системы, составленные из тяжелых ядер с положительным зарядом и легких электронов, заряженных отрицательно Строение атомов и молекул и взаимодействие их между собой и с излучением не может быть, однако, объяснено на основе законов классической физики. Самый факт устойчивости атомных систем и характер испускаемого ими света (спектральные линии) несовместим с классической механикой и электродинамикой и требует иных основ для своего объяснения Эти новые основы были действительно найдены в 20 х и 30-х годах нашего века Законы, определяющие свойства атомов и молекул, формулированы в виде стройной теории, которая носит название квантовой механики.

Квантовая механика хорошо объясняет явления в той области физики, которую можно характеризовать как область малых энергий (Мы имеем в виду ту энергию, которая приходится, во время реакций, на одну частицу) Примем за единицу энергии один электроновольт, т е энергию, приобретаемую электроном при пробеге разности потенциалов в 1 вольт в ускоряющем электрическом поле Тогда характерная для атомно молекулярной области энергия на одну частицу (например, энергия вырывания одного или нескольких электронов из атома) будет выражаться числом порядка от единицы до нескольких десятков или сотен При таких энергиях можно рассматривать ядра атомов, а также электроны, как неизменные образования Число входящих в систему частиц каждого сорта будет тогда неизменным

Но в настоящее время изучаются также явления, в которых энергия реакции (в расчете на одну частицу) в миллионы или даже в миллиарды и в сотни миллиардов раз больше, чем в атом-

но-молекулярной области Мы имеем в виду ядерную физику При столь высоких энергиях в ходе реакций могут создаваться новые частицы, а также могут распадаться или превращаться в излучение такие частицы, которые при менее энергичных воздействиях могли считаться неизменными. Чтобы судить о порядке величины энергий, при которых могут создаваться новые частицы, можно выразить в электроновольтах энергию покоя W₀ = m₀ с² данной частицы; для электрона эта величина будет около полумиллиона, а для протона—около одного миллиарда электроновольт.

Таким образом, атомно-молекулярная область характеризуется малыми энергиями, а область ядерных реакций — большими энергиями.

Физика малых энергий имеет под собой, как мы уже говорили, прочную теоретическую основу — квантовую механику, принципы которой в настоящее время можно считать окончательно выясненными. Математический аппарат квантовой механики проверен на множестве конкретных приложений Физика больших энергий требует, прежде всего, обобщения квантовой механики частиц на релятивистскую область и сближения ее с квантовой теорией поля, передающего взаимодействие между частицами Это сделано до сих пор лишь отчасти, и, хотя в этой области получены многие важные результаты, квантовая теория поля и элементарных частиц далека от своего завершения Даже принципы классификации элементарных частиц еще не вполне ясны Физика больших энергий находится в настоящее время в состоянии бурного развития

Говоря в этой работе о квантовой физике, мы будем иметь в виду главным образом физику малых энергий и ее теоретическую основу—нерелятивистскую квантовую механику. Уже эта ограниченная область содержит так много нового, не только в том, что касается фактов, но и в самой постановке задачи описания физических явлений, что понимание ее значительно расширяет круг наших привычных представлений и требует соответствующих философских обобщений.