| Источник

Голицынский кирпич и квантовая механика

Говоря о форме тел, мы, как правило, предполагаем, что у них есть также и размеры. Однако это не всегда верно: у бильярдного шара есть и форма и размеры, но о размерах облака говорить уже трудно, хотя форма его обычно не вызывает сомнений. Самое неожиданное следствие новой модели атома состоит в том, что атом не имеет геометрических размеров.

Мы вынуждены принять это следствие для того, чтобы объяснить наблюдаемые свойства тел, например разнообразие геометрических форм кристаллов. Нас не должно это особенно удивлять — ведь и дома построены из кирпичей, но нам не кажется странным, что кирпичи — это не дом в миниатюре, а просто, например, голицынские кирпичи. У тел, окружающих нас, есть цвет, запах, есть размеры, но атомы, из которых построены эти тела, не обладают ни одним из этих качеств. У них осталось только одно неизменное свойство — масса. А неизменной формы нет. Неизменны лишь законы квантовой механики, которые управляют этой формой.

Но почему атом, у которого даже нет размеров, почему он так устойчив? Нас не должно удивлять и это: в конце концов, Земля не стоит на трех китах, однако уже миллионы лет, повиснув в пустоте, сохраняет свою орбиту неизменной. Секрет ее устойчивости — в движении. И в неизменности динамических законов, которые этим движением управляют.

В этом же причина устойчивости атомов, хотя законы, управляющие движением электронов, совсем не похожи на законы небесной механики. Атомы различных элементов разнятся между собой массой и зарядом ядра. Но по какому признаку различить два атома одного и того же элемента? Для арбузов такой вопрос неактуален: никто никогда не видел двух совершенно одинаковых арбузов. Отличить один Голицынский кирпич от другого уже много сложнее, и только в том случае, если кирпичи битые, задача немного упрощается.

С атомами — самыми маленькими кирпичами в природе — дело обстоит точно так же. Если их массы и заряды ядер равны, то различаться атомы могут только формой электронного облака — других свойств у них просто нет; два атома можно различить лишь в том случае, если один из них возбужден. Все невозбужденные атомы одного и того же элемента неразличимы между собой, как кирпичи из одной формы. Роль такой формы для атомов играют динамические законы квантовой механики, неизменные и одинаковые для всех атомов.

Портреты атома отражают наш нынешний уровень знаний о нем. Это и есть тот современный образ атома, который заменил собой модели Демокрита, Томсона и Бора. Конечно, и эти «портреты» не следует понимать слишком буквально: это отнюдь не «фотографии атомов», подобные фотографиям колеблющейся струны. Ни простыми, ни сложными приборами мы не можем прямо измерить распределение электронной плотности внутри атома, потому что это неизбежно разрушит его (даже арбуз, чтобы изучить его свойства, необходимо предварительно разрезать).

И все же у нас есть много оснований, чтобы верить этой картине: с ее помощью мы можем последовательно объяснить все опыты, которые привели нас к этому образу. Теперь нас не должно удивлять, что альфа-частицы в опытах Резерфорда беспрепятственно пролетали сквозь миллиарды атомов, как через пустоту. Теперь нам должен быть понятен и механизм появления спектральных линий: просто атом скачком изменяет форму распределения электронного облака, излучая квант энергии.

Мы должны теперь понять и смещение частоты спектральных линий в электрическом поле (эффект Штарка) и в магнитном поле (эффект Зеемана): электронное облако заряжено, и его различные формы под воздействием полей немного изменяются, а вместе с ними изменяется и энергия кванта, который необходимо затратить, чтобы перейти от одной формы к другой, и частота спектральной линии, которая этому кванту соответствует.

Можно и дальше на основе новой модели атома продолжать анализ многочисленных опытов атомной физики. Но сейчас нам важно понять другое: а почему мы уверены, что этот образ атома соответствует истине?


Комментарии: (0)

Оставить комментарий

Представьтесь, пожалуйста