Становление квантовой механики

Механика Ньютона и классическая электродинамика Максвелла оказались не способны объяснить процессы, происходящие со скоростями, близкими к скорости света, и ответить на вопросы, возникшие в результате исследования атома. Однако трудности в поисках ответов не останавливают, а, наоборот, стимулируют развитие науки, ибо, как сказал П. Капица: «Наука – это то, чего мы не знаем, а чего знаем – это технология».

Не сразу физики пришли к выводу о том, что парадоксы[1]обусловлены их стремлением описывать явления атомной действительности в терминах классической физики. Однако, убедившись в этом, они стали по-другому воспринимать экспериментальные данные и искать новые теоретические подходы.

В начале ХХ века зародилась новая теория – квантовая механика, которая стремительно заняла лидирующее положение в науке. По словам В. Гейзенберга, они «каким-то образом прониклись духом квантовой теории» и смогли четко и последовательно сформулировать ее в математическом виде (1).

Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомного ядра, изучить свойства элементарных частиц. А поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания всех макроскопических явлений, с которыми мы, люди, сталкиваемся повседневно.

Эти законы не так-то легко было открыть. Они были сформулированы лишь в 20-е годы прошлого века благодаря усилиям физиков разных стран: датчанина Нильса Бора, француза Луи де Бройля, австрийцев Эрвина Шредингера и Вольфганга Паули, немцев Макса Планка и Вернера Гейзенберга, англичанина Поля Дирака и др. И конечно, огромная заслуга в развитии новой науки принадлежит Альберту Эйнштейну. Эти люди первыми соприкоснулись с неведомой необычной реальностью мира атома.

Корпускулярно-волновой дуализм. В 1900 году немецкий физик М. Планк, исследуя тепловое излучение тел, пришел к выводу, что тепловое (термодинамическое) равновесие между излучением и веществом невозможно объяснить на основе теории теплового излучения, построенной по законам классической электродинамики и статистической физики. В соответствии с этими законами тепловое равновесие в принципе не может быть достигнуто, так как вся энергия должна перейти в излучение.

Планк разрешил это противоречие и получил результаты, прекрасно согласующиеся с опытом, предположив, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными порциями – квантами. (Квант – минимальная порция чего-либо.) Величина такого кванта энергии Е зависит от частоты света n (ню) и равна: E = hν, где h – постоянная Планка, называемая также квантом действия, h = 6,62 · 10^–27 эрг · с. Постоянная Планка устанавливает предел измерений всех физических параметров, она является фундаментальной величиной квантования. Вследствие чрезвычайно малой величины постоянной Планка квантование в макроскопических физических экспериментах остается незамеченным.

От этой работы Планка можно проследить две линии развития, завершившиеся к 1927 году окончательной формулировкой квантовой механики в двух ее формах. Обе эти линии начинаются с работ Эйнштейна: первая связана с теорией фотоэффекта, а вторая – с теорией теплоемкости твердых тел.

В 1905 году, занимаясь теорией фотоэффекта, Эйнштейн развил идею Планка, предположив, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, то есть дискретность присуща самому свету: свет состоит из отдельных порций – световых квантов, названных фотонами. Эйнштейн дал кванту следующее определение:

Это особая точка в пространстве, в которой локализована электромагнитная энергия, а электрический и магнитный векторы периодически и согласованно изменяют свою величину. Она окружена силовым полем, имеющим характер плоской волны (9).

На основании этой гипотезы Эйнштейн объяснил установленные на опыте закономерности фотоэффекта и в 1921 году получил Нобелевскую премию за выполненную работу.

В 1922 году американский физик А. Комптон экспериментально доказал, что свет наряду с волновыми свойствами, проявляющимися, например, в дифракции или интерференции, обладает и корпускулярными свойствами.

Направляя рентгеновское излучение на свободные электроны, Комптон обнаружил, что рассеяние света электронами происходит по законам упругого столкновения частиц – налетающего рентгеновского фотона и покоящегося электрона. В каждом акте столкновения соблюдаются характерные для частиц законы сохранения энергии и импульса, причем энергия и импульс фотона связаны между собой соотношением, справедливым в релятивистской механике для частицы с нулевой массой покоя E = hν. Уже в самой этой формуле содержится дуализм, не позволяющий выбрать какую-либо одну из двух концепций: энергия Е относится к частице, а частота n является характеристикой волны. Таким образом, было доказано экспериментально, что природа света корпускулярно-волновая. Возникло логическое противоречие: для объяснения одних явлений необходимо было считать, что свет имеет волновую природу, а для объяснения других – корпускулярную. По существу, разрешение этого противоречия и привело к созданию квантовой механики.

В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма, по которой не только фотоны, но и все «обыкновенные» частицы (протоны, нейтроны, электроны и т. д.) также обладают волновыми свойствами. Позднее гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально: на уровне атома материя имеет двойственный аспект; он проявляется как частицы и как волны. И проявление это зависит только от конкретной ситуации. Например, электроны обычно считаются частицами, однако, если направить узкий поток этих частиц в узкую щель, он дефрагирует точно так же, как луч света, то есть электроны в этой ситуации обнаруживают свойства волн (4). Волновые свойства не проявляются у макроскопических тел. Длины волн де Бройля для таких тел настолько малы, что обнаружение их волновых свойств оказывается весьма затруднительным.

Двойственность материи буквально ошарашила ученых и стала поразительным и непонятным свойством природы, создав многие квантовые парадоксы, лежащие в основе квантовой теории. Ведь волна, распространяющаяся на огромные расстояния, и частица, имеющая более или менее определенное местонахождение в пространстве, значительно отличаются друг от друга.

«Фундаментальные физические сущности микромира – частицы и волны – выявили невиданную ранее в опытах способность заявлять о себе лишь в момент их наблюдения, проявляясь или как волна, или как частица» (11).

Вторая линия развития является обобщением гипотезы Планка и начинается с работы Эйнштейна (1907), посвященной теории теплоемкости твердых тел, в которой была обоснована идея квантования энергии. Эйнштейн предположил, что испускание и поглощение электромагнитного излучения веществом происходят квантами с энергией hν. Теория Эйнштейна была уточнена П. Дебаем, М. Борном и Т. Карманом и сыграла выдающуюся роль в развитии теории твердых тел.

Квантовый эффект. В 1913 году Н. Бор, стремясь объяснить устойчивость атома в рамках модели Резерфорда, использовал идею квантования энергии применительно к теории строения атома. Он принял три постулата (12).

Первый постулат (постулат стационарных состояний): в атоме существует набор стационарных состояний (или уровней энергии), находясь в которых атом не испускает электромагнитных волн. Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым ускоренно движутся электроны, но излучения света при этом не происходит. В 1913–1914 годах существование уровней энергии в атомах было подтверждено опытами Франка – Герца.

Второй постулат (постулат квантования орбит): в стационарном состоянии атома электрон, движущийся по круговой орбите, имеет квантованные значения момента импульса, удовлетворяющие определенному условию.

Третий постулат (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один фотон. Излучение фотона происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. При обратном переходе происходит поглощение фотона.

Таким образом, Бор, используя квантовую постоянную h, отражающую дуализм света, показал, что эта величина определяет также и движение электронов в атоме, законы которого существенно отличаются от законов классической механики. Этот факт позднее был объяснен на основе универсальности корпускулярно-волнового дуализма.

Твердость материи оказалась результатом типичного квантового эффекта, обусловленного прежде всего волновой природой материи и не имеющего аналогов в макроскопическом мире. В чем суть квантового эффекта? Когда частица находится в ограниченном объеме пространства, она начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше скорость. С другой стороны, электрические силы стремятся как можно сильнее приблизить электрон к ядру. Электрон реагирует на это, также увеличивая свою скорость вращения, и чем сильнее притяжение ядра, тем выше скорость; она может достигать больше тысячи километров в секунду. Вследствие этого атом воспринимается как непроницаемая сфера, точно так же, как воспринимается вращающийся с большой частотой вращения пропеллер, который выглядит как диск. Очень сложно еще больше сжать атом, и поэтому материя кажется нам твердой.

Электроны в атоме размещаются на различных орбитах с тем, чтобы уравновесить притяжение ядра и свое противодействие этому. Причем электроны внутри атома могут существовать только на определенных атомных орбитах, имеющих определенный диаметр. Например, электрон атома водорода может находиться только на его первой, второй или третьей орбите, но не между ними. При нормальных условиях он всегда будет на нижней орбите, которая называется «стационарным состоянием» атома. Оттуда электрон, получив необходимое количество энергии, может перескочить на более высокие орбиты, и тогда говорят, что атом находится в «возбужденном состоянии», из которого он может вновь перейти в стационарное, испустив избыточное количество энергии в виде фотона, или кванта электромагнитного излучения.

Все атомы, обладающие одинаковым количеством электронов, характеризуются одинаковыми очертаниями электронных орбит и одинаковым расстоянием между ними. Поэтому такие атомы абсолютно идентичны. Например, приходя в возбужденное состояние, атомы кислорода, сталкиваясь в воздухе друг с другом, неизбежно возвращаются в одно и то же состояние. Именно волновая природа электронов обуславливает идентичность атомов одного химического элемента и их высокую механическую устойчивость.

Тем не менее орбиты электронов значительно отличаются от орбит планет Солнечной системы вследствие их волновой природы. Атом нельзя уподобить маленькой планетарной системе. Мы должны представить себе не частицы, вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны, распределенные по орбитам.

Однако успехи теории Бора, как и предыдущие успехи квантовой теории, были достигнуты за счет нарушения логической цельности: с одной стороны, использовалась механика Ньютона, с другой – привлекались чуждые ей искусственные правила квантования, к тому же противоречащие классической электродинамике.

Кроме того, теория Бора оказалась не в состоянии объяснить движение электронов в сложных атомах (даже в атоме гелия), возникновение связи между атомами, приводящей к образованию молекулы, не могла ответить на вопрос, как движется электрон при переходе с одного уровня энергии на другой.

Дальнейшая разработка вопросов теории атома привела ученых к убеждению, что движение электронов в атоме нельзя описывать в понятиях классической механики (как движение по определенной траектории, или орбите), что вопрос о движении электрона между уровнями несовместим с характером законов, определяющих поведение электронов в атоме, и что необходима новая теория, в которую входили бы только величины, относящиеся к начальному и конечному стационарным состояниям атома.

Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории с ясными физическими основами и стройным математическим аппаратом произошло после работы В. Гейзенберга (1927), в которой было сформулировано соотношение неопределенностей – важнейшее соотношение, освещающее физический смысл уравнений квантовой механики и ее связь с классической механикой (4).

Итак, ранее эксперименты Резерфорда обнаружили, что атомы не являются твердыми и неделимыми, а состоят из незаполненного пространства, в котором движутся очень маленькие частицы, а теперь квантовая теория утверждала, что эти частицы, из которых состоят атомы, обладают, подобно свету, двойной природой. Их можно рассматривать и как волны, и как частицы.

Это свойство материи и света очень необычно. Кажется совершенно невероятным, что что-то может одновременно быть частицей – величиной чрезвычайно малого объема – и волной, способной распространяться на большие расстояния. Это противоречие породило большую часть тех парадоксов, что легли в основу квантовой теории. Очевидное противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось совершенно непредвиденным образом, поставив под вопрос саму основу механистического мировоззрения – понятие реальности материи. И прежде всего полностью трансформировались представления о материи как о незыблемой тверди.

Date: 2015-08-15; view: 562; Нарушение авторских прав