Валентин Иванов - Размышления о природе вещей и идей

1/λ = R (1/n 0 2 – 1/n 2).

Здесь λ – длина волны линии излучения, R = 109677 см -1 – постоянная Ридберга для водорода, n 0 – основной уровень серии. Так, для серии Бальмера n 0 = 2, n = 2,3,…

Ещё немного подумав, можно догадаться, что, кроме равномерного и прямолинейного движения, в природе есть также резонансное циклическое движение, которое может совершаться без потерь энергии. Примером такого движения служит хорошо изученный математический маятник, отличающиймя от реального маятника отсутствием трения в точке подвески. В науке подобные объекты называются гармоническими осцилляторами. Их отличие от прочих объектов состоит в том, что маятник определённой длины L может колебаться не с любой частотой, а только с частотами, кратными основной резонансной частоте ω 2 = g/L, где g – ускорение свободного падения.

Теперь остался один шаг, чтобы догадаться, что электрон на орбите – тот же гармонический осциллятор, L – радиус его орбиты, только константу g следует заменить, поскольку его колебания обеспечиваются не силой гравитации, а кулоновской силой притяжения к ядру. Именно поэтому осцилляторы-электроны в оболочках атома не могут находиться на орбитах с произвольным радиусом.

В теории Бора можно выделить два основных компонента: общие утверждения (постулаты) о поведении атомных систем, сохраняющие своё значение и всесторонне проверенные, и конкретная модель строения атома, представляющая в наши дни лишь исторический интерес. Постулаты Бора содержат предположения о существовании стационарных состояний и об излучательных переходах между ними в соответствии с представлениями Планка о квантовании энергии вещества. Модельная теория атома Бора исходит из предположения о возможности описания движения электронов в атоме, находящемся в стационарном состоянии, на основе классической физики, на которое накладываются дополнительные квантовые условия (например, квантование углового момента электрона). Теория Бора сразу же позволила обосновать испускание и поглощение излучения в сериях спектра атомов водорода. Теория излучения атомов основывается на трёх постулатах Бора:

Первый постулатносит название постулата стационарных состояний, гласит: каждому из стационарных (квантовых) состояний, в котором находится атом, соответствует определенный уровень энергии Е . Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает.

Второй постулатносит название правила частот. Он гласит, что переход атома из одного квантового состояния, характеризующегося энергией E n в новое квантовое состояние, которое характеризуется энергией E m , происходит излучение или поглощение кванта энергии. Энергия кванта при этом определяется как разность энергий двух квантовых состояний: hν nm=E n—E m .

Третий постулат: Правило квантования. Он утверждает, что электрон, если атом находится в стационарном состоянии, движется по круговым орбитам, имеет дискретные квантовые значения момента импульса.

Набор числовых параметров, характеризующих состояние электрона в атоме называется квантовыми числами. К таковым относятся, например, радиус (или номер) орбиты электрона, ориентация спина, момент импульса. Нильс Бор впервые сформулировал, что переход электрона с одной стационарной орбиты на другую осуществляется спонтанно (случайным образом) и мгновенно, то есть у перехода нет истории. Помимо постулатов, Бор сформулировал ещё два принципа квантовой механики.

Принципом соответствияназывается утверждение о том, что поведение квантовомеханической системы стремится к классической физике в пределе больших квантовых чисел. Этот принцип ввёл Нильс Бор в 1923 году.

Принцип дополнительностипредставляет собой один из важнейших эвристических и методологических принципов в квантовой механике. Сформулирован Н. Бором в 1927 г. Согласно такому принципу, при полном описании квантово-механических явлений требуется применение двух дополнительных (взаимоисключающих) наборов классических понятий, совокупность которых позволяет получить исчерпывающую информацию о таких явлениях, как о целостных. Дополнительными в квантовой механике считаются энергетически-импульсная и пространственно-временная картины.

В 1921 1923 годах в ряде работ Бору впервые удалось дать на основе своей модели атома, спектроскопических данных и общих соображений о свойствах элементов объяснение периодической системы Менделеева, представив схему заполнения электронных орбит (оболочек, согласно современной терминологии). Однако было очевидно, что теория Бора в своей основе содержала внутреннее противоречие, поскольку она механически объединяла классические понятия и законы с квантовыми условиями. Кроме того, она была неполной, недостаточно универсальной, так как не могла быть использована для количественного объяснения всего многообразия явлений атомного мира. Новой теорией стала квантовая механика, которая была создана в 1925 1927 годах в работах Вернера Гейзенберга, Эрвина Шрёдингера, Макса Борна, Поля Дирака.

Таким образом, во втором десятилетии ХХ века в Европе сложились два крупных центра научных исследований: в области экспериментальных исследований атома – Кавендишская лаборатория Эрнеста Резерфорда в Англии и Копенгагенский институт теоретической физики Нильса Бора в Дании. У Бора стажировались многие крупные физики, создавшие математический аппарат квантовой механики – Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер, Макс Борн, Поль Дирак, Лев Ландау, Хендрик Крамерс, Оскар Клейн, Виктор Вайскопф, Леон Розенфельд, Джон Уилер, Феликс Блох, Оге Бор, Хендрик Казимир, Ёсио Нисина, Кристиан Меллер, Абрахам Пайс и другие.

В итоге плодотворной работы сложились две школы квантовой механики – Геттингенгская, возглавляемая Гейзенбергом и Копенгагенгская по руководством Бора. В основе геттингенгской школы лежит матричная механика Гейзенберга, основанная на понятии S-матрицы переходов квантовой системы из одного состояния в другое. Сам переход не имеет истории, то есть совершается мгновенно, а элементы матрицы описывают вероятность переходов. Математический аппарат геттингенгской (волновая механика) школы основывается на волновом уравнении Шрёдингера для комплексной ψ-функции, квадрат модуля которой представляет вероятность нахождения квантовой системы в заданном состоянии. Позднее Шрёдингер доказал эквивалентность обоих подходов в отношении экспериментально измеряемых величин.

Свойства квантовых объектов оказались весьма необычными. Например, определённые пары динамических переменных (например, координата-импульс, энергия-время) оказалось, в принципе, невозможно измерить одновременно с любой заданной точностью. Погрешность их измерения ограничивается соотношением неопределённости Гейзенберга Δx·Δp ≥ h/2 , где h – постоянная Планка. Это свойство объясняется тем, что в микромире понятие измерения носит принципиально иной характер, чем в макромире, поскольку в процессе измерения участвуют объекты с разными свойствами: квантовый объект (частица или атом) и классический макрообъект (измерительный прибор). Пояснить это можно так. Когда мы наблюдаем (измеряем) параметры полёта камня или самолёта, в процессе измерения участвуют измеряемый макрообъект, световой луч (поток фотонов) и человеческий глаз, в который этот луч принёс информацию о маркообъекте. Поскольку кинетическая энергия светового луча на огромное число порядков меньше энергии объекта, воздействие луча на движение объекта пренебрежимо мало. Здесь световой луч является частью измерительного прибора. Именно это обстоятельство позволяет проводить измерения с любой, наперёд заданной, точностью. Если же таким образом измерять координаты микрочастицы, точность измерения нельзя сделать выше, чем длина волны фотона. Чем выше желаемая точность измерения, тем большей частоты следует брать фотоны. Это значит, тем большей энергией они должны обладать. Поскольку кинетические энергии фотона и частицы одного порядка, это означает, что фотон с большей энергией так «ударит» по частице, что после измерения её координаты энергия и импульс частицы изменятся радикальным образом. Кроме того, Луи де Бройль показал, что любой частице с импульсом р можно сопоставить длину волны λ = h/p . Это означает, что координаты этой частицы-волны невозможно измерить с точностью, меньшей длины её волны. Такие свойства квантовых объектов получили название корпускулярно-волнового дуализма. Мгновенность переходов из одного квантового состояние в другое, вообще не позволяет делать какие-то предположения о скорости микрообъектов при таких переходах. Это означает, что в микромасштабах постулаты специальной теории относительности неприменимы.