Микросостояние одной микрочастицы

Среди микрочастиц есть составные (атомы, молекулы, атомные ядра) и элементарные. С классической точки зрения они не должны обладать какими-либо другими характеристиками, кроме энергии, импульса, массы и заряда. Но это не так.

По современным данным, в электроне нет более «мелких» составных частей, так что с классической точки зрения электрон – точечный объект и характеристики типа собственного момента у него быть не должно. Но уже о давно выяснилось, что многие свойства атомов и особенно их поведение в магнитном поле невозможно объяснить, если считать, что электрон не имеет никаких специфических внутренних характеристик.

Первым, кто это понял, был В. Паули. В 1924 году он показал, что для объяснения различных свойств атомов необходимо предположить, что электрон обладает двузначной внутренней характеристикой, не имеющей классического аналога. В классической физике у «точечного» электрона собственный момент должен быть равен 0, а у «протяженного» электрона с радиусом r»10^-13см величина момента, способная объяснить эксперимент, соответствовала бы линейной скорости на поверхности «вращающегося» электрона, намного превышающей скорость света с.

Дж. Улленбек и С. Гаудсмит (1925г.) высказали смелую гипотезу, согласно которой электрон обладает собственным моментом, но имеющим чисто квантовую природу. Они его назвали спином.

Понятие спина, величина которого определяется постоянной Планка, свойственно всем микрочастицам. Оно является для них столь же фундаментальным, как и понятия массы и заряда, и его следует воспринимать как исходное, внутренне присущее им качество.

Для исследования спина электрона и его проекций нужно, научиться их «выделять» в чистом виде. Решающую роль играет то обстоятельство, что электрон – заряженная микрочастица, так что с его спином неразрывно связан собственный магнитный момент.

Принципиальный опыт такого типа впервые был поставлен О.Штерном и В. Герлахом в 1921 году. Они пропускали поток «одинаковых» электронов через сильно неоднородное магнитное поле. Проекции спина электрона – это характеристики спиновых микросостояний, которые только по размерности совпадают с проекциями момента. Точнее характеристиками спиновых состояний являются спиновые квантовые числа, равные ±.

Наличие у микрочастиц специфической характеристики – спина, зависящего от постоянной Планку , показывает, что электроны и другие элементарные или составные микрообъекты – это особые «квантовые» частицы, или микрочастицы, свойства которых невозможно описать в рамках классического взгляда на природу, так что небольшими поправками к классической физике уже не обойтись. Необходимо перейти к качественно иному, неклассическому, описанию природы.

Дело в том, что в классической физике к описанию свойств света успешно применялись обе модели – корпускулярная и волновая. Некоторые свойства света проще описываются в корпускулярной модели, тогда как другие в волновой модели. Из теории электромагнетизма Максвелла следовало, что свет и другие электромагнитные излучения способны переносить любые доли энергии, импульса и момента. Если бы это было так, мы не могли бы наблюдать удаленные звезды, поскольку плотность переносимой энергии света должна убывать обратно пропорционально квадрату расстояния. Тот факт, что звезды все же наблюдаются, служит прямым указанием на то, что энергия света не всегда зависит от интенсивности волны и поэтому с расстоянием не убывает.

В классической физике электромагнитное излучение представляют в виде совокупности независимых гармонических волн или нормальных мод с определенными значениями w и k. Проверкой того, что подобное описание адекватно физическому объекту, является тот факт, что для электромагнитных волн любого частотного диапазона наблюдаются явления интерференции и дифракции.

Опыты по пропусканию фотонов вдоль оси достаточно узкой щели показывают, что после щели они регистрируются в пределах области, превышающей размер щели, хотя это не укладывается в рамки волновой модели. Совокупность последовательно зарегистрированных фотонов полностью воспроизводит картину, соответствующую дифракции электромагнитного излучения с частотой w и волновым числом k, несмотря на то, что каждый фотон регистрируется только один раз и притом локально, т.е. в одной точке пространства. Из этого можно сделать как минимум три важных заключения.

1. Локальность регистрации свидетельствует о том, что к фотону в момент регистрации все-таки можно применить модель частицы.

2. Наблюдаемый эффект колоколообразного распределения числа попаданий одинаковых фотонов в разные участки щели следует приписать неконтролируемому воздействию щели на каждый фотон, которое и вызывает изменение его первоначального состояния.

3. Признаками волны, т.е. способностью к дифракции, следует наделить состояние фотона до щели.

Таким образом, фотон – это материальный объект микромира. Если исходить из идеи единства природы, то аналогичное описание должно быть эффективно и в отношении любых других микрообъектов – электронов, протонов, нейтронов и т.п. Каждому из них, помимо известных из классической физики характеристик – энергии e, импульса р, момента s – необходимо сопоставить и характеристики другого типа, имеющие смысл характеристик его состояния, которые учитывают наличие неконтролируемого воздействия макроскопического окружения. Для свободной микрочастицы с ненулевой массой такими характеристиками являются частота , волновое число (или длина волны де Бройля) l_Бр и спиновые квантовые числа.

После открытия Планка было установлено, что в физической реальности присутствуют две стороны -характеристики самого микрообъекта, совпадающие для свободных объектов с аналогичными характеристиками, используемыми в классической физике, и характеристики состояния микрообъекта, учитывающие неконтролируемое влияние макроскопического окружения микрообъекта.

Если микрочастица вынуждена совершать ограниченное движение, то ее состояние напоминает стоячую волну. Длины волн и волновые числа стоячих волн, описывающих микросостояния, зависят от дискретных индексов, которые в этом случай принято называть квантовыми числами. В результате физические характеристики микрообъекта, выраженные через характеристики состояния, также оказываются дискретными, или квантованными. К ним относятся энергия, а также импульс или момент. Тем самым, наблюдаемая на опыте дискретность значений физических величин возникает неслучайно. Она отражает фундаментальную роль другой стороны физической реальности – состояния микрообъекта. Квантовые числа – это как раз те самые характеристики состояния, от которых в данных задачах зависят фундаментальные характеристики микрообъектов.

В конечном итоге все многочисленные характеристики, изучаемые в физике ядра и элементарных частиц– это квантовые числа, характеризующие эти внутренние состояния микрообъектов.