double arrow

Э. Шрёдингер

Картина мира Галилея, И. Ньютона и Дж. Максвелла определяется посредством понятия непрерывности, непрекращающегося течения, в соответствии с древним принципом: природа не знает скачков. В классической физике все свойства непрерывны, но что это означает?

Вот как объяснял смысл понятия непрерывность В. Вайскопф. Не существует двух классических систем, которые были бы действительно одинаковы. Например, планетарные системы звёзд, мы знаем, их – миллиарды, но не найдётся и двух из них, совершенно одинаковых. В одной из них Солнце будет немного больше, в другой немного больше будут планеты, будут различными их орбиты. Почему? В классической физике имеется неограниченное число вариантов. Поведение объектов зависит от начальных условий, которые могут принимать непрерывный ряд значений (Вайскопф 1977: 46).

С помощью концепции непрерывности, неограниченности свойств не могли объяснить явление излучения нагретых тел, которое вовсе не принадлежит к центральным разделам атомной физики. Любой кусок вещества, будучи нагрет, начинает светиться и при повышении Т становится красным (излучение волнами), затем белым (излучение более короткой волны). Цвет почти не зависит от вещества и для чёрного тела определяется исключительно Т. Поэтому излучение, производимое таким чёрным телом при высокой Т, является интересным объектом для исследования.

Если излучение непрерывно и энергия излучается в виде волн всех частот (длин волн), а разных частот бесконечно много, то энергия должна излучаться бесконечно. Но в опыте так не бывает, ни одна звезда, ни одно нагретое тело не излучают бесконечно. Это противоречие называется ультрафиолетовой катастрофой или проблемой излучения абсолютно чёрного тела (Гейзенберг 1989: 9).

В 1895 г. этой проблемой стал заниматься М. Планк. В 1900 г. он вывел формулу, в которой зависимость объёмной плотности излучения абсолютно чёрного тела от частоты излучения носила спектральный характер, что означало квантовый характер излучения, “уход в микромир”.

¨ Тепловая энергия излучается не непрерывно, а в виде отдельных вспышек, дискретными порциями или квантами. Излучение ограничено, так как излучается не волна (непрерывность), а порция, квант.

¨ Энергия одного кванта не может быть меньше h=6,62·10-27 (энергия кванта равна длине волны, умноженной на постоянную Планка – h).

Планк на первый план выдвинул не проблему излучения макроскопического тела, а проблему излучающего атома. Его формула затрагивает самые основы описания природы. Мысль о том, что энергия может испускаться и поглощаться лишь дискретными квантами энергии, была столь новой, что выходила за традиционные рамки физики (Гейзенберг 1989: 9-10).

В течение 5 лет физики, занятые открытиями рентгеновских лучей, радия, радиоактивности и электрона, не замечали открытия Планка, а сам Планк напрасно пытался примирить новую гипотезу со старыми представлениями об излучении. В 1905 г. А. Эйнштейн с помощью гипотезы Планка решил две проблемы: проблему удельной теплоёмкости твёрдых тел и проблему фотоэффекта (выбивание из металла электронов под действием света).

Опыты показали: энергия испускаемых электронов зависит не от интенсивности света (как говорила волновая теория), а только от цвета, от частоты, или длины волны света. Эйнштейн предположил: свет состоит из световых квантов, корпускул, тогда как на основе работ Максвелла и опытов Герца свет объясняется как распространение электромагнитных волн. Возникает проблема корпускулярно-волнового дуализма: что же такое свет – волна или корпускулы? Может ли свет быть и тем и другим? Но результаты Эйнштейна были большим шагом вперёд на пути развития новой теории, так как они обнаружили постоянную действия Планка в разных областях, не связанных с проблемой теплового излучения (Гейзенберг 1989: 11).

Но если излучает атом, то, что такое атом? Тогда существовала модель атома-пудинга Дж.Дж.Томсона: в положительно заряженном “Пр” атома есть отрицательные вкрапления – изюминки-электроны.

В 1911 г. Э. Резерфорд исследовал природу вылетающих из радиоактивных веществ α(альфа)-частиц (тогда ещё не знали, что это были ядра Не) и изучал их спектр. Эти частицы использовались в качестве высокоскоростных снарядов субатомного размера для исследования внутреннего строения атома. Резерфорд подвергал атомы золотой фольги обстрелу α-частицами, определяя по их траекториям после столкновения, как устроен атом. На основе модели атома Томсона невозможно было объяснить, почему некоторые частицы отскакивали от фольги и не фиксировались на экране (это было похоже на отскакивание снаряда от папиросной бумаги).

На основании наблюдений прохождения α-частиц через вещество Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, атом состоит из ядра[26], положительно заряженного и содержащего почти всю массу атома, и электронов, которые движутся вокруг ядра на большом расстоянии, подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. После появления планетарной модели было обнаружено: от количества электронов зависят химические свойства атомов. Химическая связь объясняется взаимодействием между внешними электронами соседних атомов. Но модель не объясняла:

· что придаёт веществу твёрдость? как атомы, состоящие из почти пустого Пр, образуют “твёрдую материю”?

· почему электроны не падают на ядро, и не наступает коллапса материи? законы механики и электричества предсказывали, что электроны должны терять энергию, двигаться по спирали к центру атома и падать на ядро;

· одну из самых характерных черт атома – его удивительную устойчивость, механическую стабильность; планетная система после столкновения с другой подобной системой никогда не возвратится в своё исходное состояние, атом же С остаётся атомом С и после того, как он, вступив во взаимодействие с другими атомами, образовал химическое соединение; в воздухе атомы миллионы раз в секунду сталкиваются, но после столкновения приобретают прежнюю форму (Данин 1967; Липсон 1972: 183-184; Гейзенберг 1989: 11; Хокинг 1990: 57; Капра 1994: 57-61).

Объяснение этой необычной устойчивости было дано в 1913 г. Н. Бором путём применения квантовой гипотезы Планка к модели атома Резерфорда. Если атом может изменять свою энергию только прерывисто, то и существует атом лишь в дискретных стационарных состояниях, низшее из которых есть нормальное состояние атома. После любого взаимодействия (нагрели, ударили фотоном) атом скачком выходит из стационарности и излучает. Прекратили воздействие, атом возвращается в нормальное состояние.

По квантовой теории атома Н. Бора (постулатыБора):

ē электрон не может спуститься ниже первой орбиты;

ē переходит с орбиты на орбиту скачками;

ē при этом атом излучает (при переходе с высокой орбиты на низкую) или поглощает энергию, изменения энергии дискретны.

Теория Бора качественно объяснила химические свойства атомов, их линейные спектры. Существование дискретных стационарных состояний было подтверждено и опытами. Теория Бора открыла новую область исследований. Большое количество экспериментального материала, полученного спектроскопией, стало источником информации при изучении квантовых законов.

Но оставались вопросы: свет – частицы или волна? атом Н объяснили, но как объяснить более сложные атомы? как ведёт себя электрон в атоме? Частота орбитального движения электронов в атоме не является также и частотой испускаемого излучения, разве это не означает: нет орбитального движения? Можно видеть движение электронов в камере Вильсона, некоторые из них были выбиты из атома, почему внутри атома они не двигаются таким же образом? Всё отчётливее стали понимать: попытка описать атомные процессы в понятиях обычной физики приводит к противоречиям.

В 1924 г. Л. де Бройль выдвинул гипотезу о волнах материи и попытался распространить корпускулярно-волновой дуализм на “элементарные” частицы, в частности на электроны. Он показал, что движению электрона может соответствовать волна материи, как движению кванта света соответствует волна. Через 3 г. подтвердилось экспериментально: дифракция электрона на кристалле никеля, прохождение электрона сразу через две щели – волновая картина, но в камере Вильсона и в фотоэффекте электрон проявляет себя как частица. По Бройлю ядро атома окружают стационарные волны, вне атома электрон проявляется как частица.

В 1926 г. Э. Шрёдингер, развивая идеи Бройля о волнах материи, сформулировал в виде волнового уравнения закон, согласно которому волны материи распространяются под действием электромагнитного силового поля. В соответствии с этим представлением стационарные состояния атомной оболочки можно было уподобить стоячим волнам какой-либо системы, например, колеблющейся струны, причём величины, ранее рассматривавшиеся как энергии стационарных состояний, здесь оказывались частотами стоячих волн. Методика Шрёдингера позволяла осуществить ряд вычислений, которые в квантовой механике были бы чрезвычайно сложными. В том же году М. Борн на основе волновой механики вывел формулу расчёта электронных оболочек атомов и метод решения квантовомеханических задач (Гейзенберг 1989: 11-13; Фолта, Новы 1987: 254-255).

Математический формализм Шрёдингера дал верные значения энергии для атомов Н, Не, тяжёлых атомов, и он попытался совсем отказаться от представлений о квантах, скачках, заменяя электроны в атоме 3-хмерными волнами материи. Гейзенберг, Бор были против того, что дискретность не является подлинной чертой реальности, и Бор послал приглашение Шрёдингеру приехать в Копенгаген.

Осенью 1926 г. начинаются знаменитые дискуссии между Н. Бором (Б) и Э. Шрёдингером (Ш). Бор пытался убедить Шрёдингера в достоинствах дискретной интерпретации в долгих спорах, часто продолжавшихся целыми днями. В. Гейзенберг восстановил по памяти эту дискуссию в работе Часть и целое (Гейзенберг 1989: 198-203).

Ш. Идея квантовых скачков ведёт к бессмыслице. Почему в стационарном состоянии электрон не должен ничего излучать? Что это за переход электрона с орбиты на орбиту, постепенный или внезапный? Как движется электрон во Вр скачка? Почему при этом не испускается непрерывный спектр, как того требовала бы теория электромагнитных явлений? И какими законами определяется движение электрона при скачке?

Б. Вы совершенно правы, но это ещё не доказывает, что квантовых скачков не существует. Это доказывает только, что мы не можем их себе представить. Квантовые процессы не могут быть предметом непосредственного опыта, мы не можем сообразовывать наши понятия.

Ш. Оставим философам спор относительно образования понятий, мне хотелось бы знать: что происходит в атоме? Если в атоме есть электроны, т. е. частицы, то они должны и как-то двигаться. Как они ведут себя в стационарном состоянии или при переходе из одного состояния в другое? Стоит изменить образ: нет частиц, есть электронные волны материи, и всё начинает выглядеть иначе. Излучение света становится таким же понятным, как испускание радиоволн антенной, противоречия исчезают.

Б. Противоречия не исчезают, они отодвигаются в другую область. Решающим для вывода закона излучения Планка является то, что энергия атома принимает дискретные значения и иногда энергия атома изменяется прерывисто.

Ш. Почему нельзя надеяться, что теория волн материи приведёт к другому объяснению формулы Планка?

Б. На это надеяться нельзя. Уже 25 лет известно, что означает формула Планка. Мы непосредственно наблюдаем дискретность, скачкообразность атомных явлений на экране (сцинтиляции), в камере Вильсона. Вспышка света на экране появляется внезапно, и электрон пролетает через камеру Вильсона внезапно.

Физическое истолкование квантовой механики составляло и главную тему бесед Н. Бора и В. Гейзенберга. Окончательное решение пришло с двух сторон: Гейзенбергом и Бором были сформулированы принципы неопределённости и дополнительности.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: