Жозе Фаус - Наука. Величайшие теории: выпуск 3: Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?

Представим некоторые формулы, описывающие атом водорода. Энергия стационарного состояния в модели Бора определяется выражением

где n – главное квантовое число, R – постоянная Ридберга. Бор получил выражение

где m – масса электрона, е – его электрический заряд, h– редуцированная постоянная Планка.

В расширенной модели Зоммерфельда использовалось второе квантовое число, которое мы обозначили буквой l, принимающее значения от 1 до n. С помощью релятивистских поправок Зоммерфельд определил, что энергия стационарного состояния определяется как

где α – постоянная тонкой структуры. Большее значение поправки, соответствующее квантовым числам n = 1 и l = 0, равняется 1 + α²/4 и равно 1,000013…, то есть примерно одной стотысячной.

Спустя несколько недель после того, как Зоммерфельд допустил Гейзенберга на свои семинары, он предложил новому студенту задачу, которую не мог решить сам. В 1895 году голландский физик Питер Зееман (1865-1943) обнаружил, что в присутствии магнитного поля некоторые спектральные линии утраиваются. Появление дополнительных линий не зависело от анализируемого вещества и определялось магнитным полем. Этот эффект можно было объяснить с помощью законов классической физики, однако ученых интересовала его интерпретация в рамках обобщенной модели атома, предложенной Зоммерфельдом. Электрон, движущийся по замкнутой орбите, эквивалентен электрическому току в катушке, который, в свою очередь, порождает магнитное поле. Это магнитное поле взаимодействует с внешним магнитным полем, при этом энергия их взаимодействия зависит от угла между ними. Зоммерфельд предположил, что этот угол также описывается квантовыми законами и может принимать только дискретные значения, определяемые неким квантовым числом. Это число Зоммерфельд назвал магнитным числом и обозначил его буквой m. Таким образом, в магнитном поле энергия стационарного состояния зависела от трех квантовых чисел: n, l, m. Далее Зоммерфельд попытался рассчитать частоты перехода на основе разности энергий и сравнить их с наблюдаемыми линиями спектра.

Его метод был корректным, однако переставал работать, когда наблюдались другие удвоенные линии, положение которых определялось не только магнитным полем, но и исходным спектром. Это явление получило название аномального эффекта Зеемана. Его объяснение Зоммерфельд и поручил Гейзенбергу. В случае классического эффекта Зеемана достаточно было описать каждое стационарное состояние с помощью трех квантовых чисел (n,l, m), рассмотрев геометрию орбит электронов. Зоммерфельд перешел к рассмотрению четвертого квантового числа, которое назвал внутренним, и попытался представить спектральные термы в виде частного целых чисел так, чтобы их разность соответствовала результатам наблюдений. После нескольких безуспешных попыток он передал задачу Гейзенбергу, который начал обучение всего несколько недель назад. Для решения проблемы юноше требовалось изучить совершенно новую в то время квантовую теорию, а также основы физики.

Катушка, по которой течет электрический ток, ведет себя как магнитный диполь, то есть аналогично стрелке компаса. На рисунке изображена прямоугольная катушка (впрочем, ее форма не имеет значения). Введем вектор →A, перпендикулярный плоскости катушки, длина которого будет равна площади катушки. Если через катушку течет ток силой l, дипольный момент катушки определяется как вектор →μ=l→A. Энергия взаимодействия с магнитным полем B равна скалярному произведению – →μ• →B, то есть μBcosα, где α – угол между векторами →μ и →B. Теперь рассмотрим электрон, который движется по круговой орбите радиуса r со скоростью T=2πr/v. Момент импульса электрона на орбите будет задаваться вектором →l = m→v•→r, перпендикулярным плоскости орбиты. Движение заряженного электрона по орбите будет эквивалентно электрическому току l=-е/Т в круговой катушке радиуса r. Магнитный момент будет обозначаться вектором, перпендикулярным плоскости катушки. Чтобы вычислить модуль этого вектора, нужно умножить силу тока l на площадь катушки πr² . Результат будет пропорционален моменту импульса электрона и может быть записан так:

В декабре Гейзенбергу удалось получить схему, описывавшую результаты экспериментов. Однако радость Зоммерфельда померкла сразу же, едва тот увидел, что Гейзенберг применил внутренние квантовые числа с полуцелыми значениями (иными словами, нечетные числа, разделенные на 2, то есть 1/2, 3/2, 5/2 и т.д.). Профессор сказал: единственное, что достоверно известно в квантовой теории, – это то, что квантовые числа могут принимать только целые значения. Однако он оценил, насколько точно модель Гейзенберга описывала результаты экспериментов, и начал длительное обсуждение допустимости полуцелых квантовых чисел. Саркастичный Паули заметил, что после полуцелых чисел настанет черед четвертей, затем восьмых частей и так далее. Спустя несколько месяцев Зоммерфельд получил письмо от своего старого помощника Альфреда Ланде, который сообщал, что аномальный эффект Зеемана можно объяснить с помощью полуцелых квантовых чисел. Зоммерфельд ответил, что, по его мнению, результаты Ланде требуют доработки, и добавил: «Ваше новое представление прекрасно согласуется с тем, что обнаружил, но не опубликовал один из моих студентов (первокурсник)». И Гейзенберг, и Ланде умели играть с числами. Они не знали, какой физический смысл могут иметь полуцелые квантовые числа, однако предложенная ими концепция позволяла обнаружить некий порядок в наблюдаемых линиях спектра. Позже было установлено, что полуцелые квантовые числа связаны с одним из свойств электрона – спином.

Модель Гейзенберга сегодня вызывает лишь исторический интерес, но мы вкратце опишем ее, чтобы вы могли оценить интуицию ученого. Валентными называются электроны атома, которые меньше привязаны к нему. К примеру, атомы щелочных металлов имеют всего один валентный электрон, атомы щелочноземельных металлов – два валентных электрона и так далее. Эти электроны вращаются вокруг остального атома (атомного ядра и прочих электронов), который Гейзенберг называл каркасом атома. Электрон, движущийся по орбите, обладает моментом импульса, значения которого, согласно модели Бора, кратны постоянной Планка. Гейзенберг рассмотрел энергию взаимодействия между магнитным полем валентного электрона, магнитным моментом каркаса атома и внешним магнитным полем. Он увидел, что энергии стационарных состояний можно вычислить в случае, если момент импульса делится между валентным электроном и каркасом атома, вследствие чего возникает полуцелое квантовое число. Эта гипотеза позволяла объяснить аномальный эффект Зеемана. Чем вызвано подобное явление, Гейзенберг никак не объяснял.