2015-02-27
596
Итак, в начале ХХ века физикам стало ясно, что, что атом не является неделимой частицей, кирпичиком мироздания. Возникла проблема внутреннего строения атома, появилось несколько моделей. Первая принадлежала У. Томсону(лордуКельвину), о котором уже было сказано ранее в Лекции 5. Атом представлялся в виде шарика, внутри которого былиравномерно распределены положительные и отрицательные заряды, уравновешивавшие друг друга, так что в целом атом был электронейтрален.
Модель У. Томсона просуществовала недолго: величайший экспериментатор ХХ века Эрнст Резерфорд (1871 -1937), впоследствии лауреат Нобелевской премии, отец ядерной физики, опытным путем выяснил, что вся масса атома сосредоточена в его центре, который заряжен положительно; он назвал этот центр ядром; окружение ядра было заряжено отрицательно. На основе этих экспериментальных данных Резерфорд предложил «планетарную» модель строения атома: подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца, вокруг положительно заряженного ядра вращаются отрицательно заряженные электроны. Модель была красива и эффектна, но она противоречила законам классической физики, согласно которым электроны должны были бы упасть на ядро.
Автором третьей модели стал датский физик Нильс Бор (1885-1962), впоследствии лауреат Нобелевской премии (1922), которого справедливо считают одним из создателей квантовой механики. Н. Бор принял за основу модель Резерфорда, основанную на результатах эксперимента, но при этом осуществил дерзкую смену парадигм. Он выдвинул постулаты, в основе которых лежало смелое утверждение: в микромире (мир объектов, по размеру меньших или равных размеру атома) не работают законы классической физики. Согласно первому постулату, когда электрон находится на постоянной, стационарной орбитали (так Резерфорд назвал траекторию движения электрона - по аналогии с орбитой - траекторией движения планеты), атом не излучает и не поглощает энергию. Излучение или поглощение энергии осуществляются при резких перескоках электрона с одной орбитали на другую (это второй постулат). По существу, постулаты Бора являются парадигмами квантовой механики - раздела физики, изучающего внутреннее строение атома, и ядерной физики, исследующей процессы внутри атомного ядра. Квантовая механика и ядерная физика описывает МИКРОМИР.
Боровская модель атома была впоследствии экспериментально подтверждена линейчатыми атомными спектрами, лежащими в основе мощного современного аналитического метода – спектрального анализа. Именно этим методом сначала на Солнце, а затем и в составе Земной атмосферы был открыт инертный газ гелий, новый химический элемент. Линейчатые атомные спектры получают при сжигании вещества и фотографировании пламени: оказалось, что каждый химический элемент дает индивидуальную, специфическую картинку, напоминающую штрих- код, причем каждая линия соответствует частоте перескока электрона с одной орбитали на другую, что подтверждало дискретность орбиталей электронов, т.е. атомную модель Н. Бора.
3. Основные принципы квантовой механики.
Следующей ступенью изучения микромира было открытие в 19 году французским физиком Луи де Бройлем (1892-1987),впоследствии лауреатом Нобелевской премии, принципа корпускулярно – волнового дуализма. Корпускула - латинское название любой частицы, дуализм - это двойственность. Следовательно, корпускулярно – волновой дуализм - это двойственность волны и частицы. Следует заметить, что за 20 лет до этого открытия мало кому тогда известный служащий патентного бюро в г. Берне Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию за объяснение фотоэффекта, открытого русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1839 - 1896). Фотоэффект - это явление выбивания электронов с поверхности металла пучком света. Еще в Х1Х веке Дж. Максвелл установил, что свет - это электромагнитная волна. Но согласно классической физике, волна не может выбивать электроны, она может только отразиться от поверхности металла. А. Эйнштейн предположил, что свет является не только электромагнитной волной, но и потоком частиц, которые Эйнштейн назвал фотонами. Энергия одного фотонаравна энергии одного кванта, существование которого доказал еще М. Планк. Л. де Бройльраспространил этот принцип на все частицы и волны, а именно: любую волну можно представить как поток частиц, и соответственно любому потоку частиц можно сопоставить волну.
Принцип Л. де Бройлябыл экспериментально подтвержден открытым вскоре явлением дифракции электронов. К тому времени (конец 20-тых годов ХХ века) уже было точно установлено, что электрон является частицей, и У. Томсон измерил его массу и заряд. Эффект дифракции характерен только для волн - это явление огибания волной препятствий. Таким образом, при определенных условиях электрон может вести себя как частица, тогда как при других условиях проявлять свойства волны. Это был один из блестящих триумфов недавно рожденной квантовой механики.
Принцип дополнительности Н. Бора: получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, ведет к неизбежной потере информации о других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координата микрочастицы и ее импульс, энергия частицы и соответствующий момент времени. Следуя Бору, с физической точки зрения принцип дополнительности объясняют влиянием физического прибора, являющегося макрообъектом, на состояние изучаемого микрообъекта.
Фундаментальным принципом квантовой механики является также принцип неопределенности, открытый немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901-1976), лауреатом Нобелевской премии: любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых ее координаты и импульс одновременно принимают вполне определенные, точные значения.
Двойственность волны и частицы математически выражена в виде волновой функции (Y - функция), предложенной австрийским физиком Эрвином Шредингером ( 1887 - 1961), лауреатом Нобелевской премии, при выведении им основного уравнения квантовой механики. Квадратволновой функции равен вероятности нахождения микрочастицы в данной точке.
Заметим, что в микромире нельзя точно предсказать результат эксперимента, а можно лишь рассчитать вероятность различных результатов опыта, т.е. в микромире все явления носят вероятностный характер, тогда как макромир построен на принципе лапласовского детерминизма, т.е. определенности
Таким образом, к концу 30-тых годов ХХ века здание квантовой механики было построено. Потребовалось на это менее 30 лет.
