Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Психологи предлагают наблюдателю смотреть через глазок в деформированную комнату, построенную криво, со скошенными стенами и потолком, но раскрашенную так, чтобы создать перспективу и скрыть искажения. Нормальный наблюдатель считает в рамках известной ему модели, что он видит обычную неискаженную комнату. Затем, когда обычные люди входят в комнату в разных ее углах, он придерживается своей модели и утверждает, что эти люди — гиганты и карлики (фиг. 172).

Фиг.172.

От латинского слова «quantum», обозначающего «сколько» или «как много». Это слово вообще обозначает часть, долю или разделенную порцию. В физике оно обозначает строго определенную порцию: «ровно столько, сколько получается по формуле».

Эта идея произвела настоящую революцию сначала в атомной физике, затем во всех основных областях физики и химии и, наконец, в философии науки. Однако это слишком длинная история, чтобы ее можно было рассказать здесь как следует. Потребовалось бы длительное обсуждение экспериментальных доказательств с использованием серьезного математического анализа. Потребовалось бы детальное рассмотрение волн; это включало бы математическое рассмотрение вероятностных распределений; и тогда аргументы привели бы вас к принятию нового взгляда на природу в атомных масштабах: с одной стороны, строгие «полицейские» правила квантовых ограничений, а с другой стороны, «система свободного предпринимательства», вероятностное поведение в атомном мире, рядом с которым ньютоновский детерминизм выглядит подобным рабству. Здесь мы лишь упомянем некоторые результаты. Мы даже не можем определенно адресовать вас к другим книгам. В элементарных книгах сообщается некоторая информация и констатируются правила. Фундаментальные книги настолько уснащены математикой, что к ним, по-видимому, требуются еще новые разъяснения.

Для этого нужно использовать законы Ньютона, из которых следует равномерное распределение энергии по всем степеням свободы, а также геометрию волн. Тогда расчеты + алгебра + геометрия после утомительной работы непреложно приведут к результату, противоречащему опыту. Схема рассуждений такова: представим себе волну, образующую систему стоячих волн, когда она зигзагами двигается внутри печки. Лишь некоторые длины волн могут подойти для того, чтобы образовать стационарную систему в ящике-печке, причем лучше, нежели длинные, для этого подойдут более короткие волны, еще лучше — волны очень короткой длины и т. д. При равномерном распределении энергии по степеням свободы каждая стоячая волна получает равную долю энергии излучения, и поэтому…

См. гл. 27 и 30 . Удельная теплоемкость — это относительная величина. Она показывает, сколько требуется тепла, чтобы нагреть образец вещества, в сравнении с количеством тепла, необходимым для такого же нагревания такой же массы воды. Численно — это количество тепла в килокалориях, необходимое для увеличения температуры 1 кг вещества на 1 °C. Квантовое ограничение должно сказываться при очень низких температурах: среднее количество тепла, приходящееся на каждую степень свободы одного атома, очень мало. Энергия атома, обладающего квантом некоторого повторяющегося движения, будет при этом много больше средней, поэтому очень малое количество атомов будет иметь такие кванты. Этот тип движения практически должен отсутствовать , что приводит к неожиданно малой удельной теплоемкости.

В реальных экспериментах электроны распределены по скоростям от определенного максимума до нуля; ясно, что скорость электронов, выбитых из глубины пластинки, меньше, поскольку они должны преодолевать сопротивление, проходя мимо других атомов.

A. S. Eddingtоn , The Nature of the Physical World, Cambridge Univ. Press, 1928). В этой книге дано превосходное обсуждение с полезными аналогиями теории «копилки» в сравнении с теорией «крупной ставки» (в фотоэффекте).

Эти эксперименты были выполнены П. Н. Лебедевым в конце прошлого века. — Прим. перев .

Т. е. электроны должны были бы, теряя энергию, падать на ядра. — Прим. ред.

Этот выбор не представляется очевидным или однозначным. Как в свое время Кеплер, Бор искал простое правило, которое могло бы описать факты . Кеплер начал с круговых орбит, Бор — с классической физики.

В русской литературе его чаще называют «принципом Паули». — Прим. перев.

Это отталкивание — совсем не очевидное следствие. С точки зрения классической физики можно предполагать, что при этом легкие электроны сбиты с пути, а положительно заряженные ядра отталкиваются. Современный физик указал бы на принцип Паули: при столкновении электроны одного атома избегают контакта с электронами другого, предоставляя возможность ядрам отталкиваться. Как бы то ни было, при сближении атомов на достаточно малые расстояния они отталкиваются.

Здесь снова для одного и того же вида излучения хороший излучатель является хорошим поглотителем.

Измерения спектроскопистов дали величину К / с (где с — скорость света) с относительной неопределенностью, меньшей 1/1 000 000. Вычисленная Бором величина согласуется с экспериментом в пределах 0,1 %.

Атомный номер вольфрама, который обычно используется в качестве мишени в рентгеновских трубках, равен 74; поэтому множитель Z 2увеличивает частоту в 74 2, т. е. 5500 раз, и уменьшает в 5500 раз длину волны по сравнению с излучением водорода, у которого Z = 1. В результате спектр линий сдвигается из видимой области (~ 5000 А° для зеленого света) в область проникающего рентгеновского излучения (~ 1 А°).

Подставьте в формулу для энергии Е электрона на орбите с квантовым числом n значения n = 1 и n = . Чтобы найти энергию ионизации, найдите разность полученных величин. Проделайте это, используя измеренные значения е, e / m и т. д. и Z = 1 для водорода. Если использовать единицы СИ, ответ получится в джоулях. Вспомните, что для перехода к электронвольтам нужно поделить результат на 1,60∙10 -19дж/эв.

Об их работе см. превосходный популярный рассказ Карла К. Дарроу в журнале «Scientific American»; май 1948 г., том 178, № 5.

Фактически для электронов мы не можем сделать пару щелей, но для той же цели могут служить два слоя атомов в кристалле; можно также воспользоваться описанной выше схемой с заряженной проволокой.