Основы квантовой механики - Блохинцев Д.И.
Скачать (прямая ссылка):
Эти свойства обусловлены двумя обстоятельствами. Во-первых, каждый сорт сложных частиц образуется из вполне определенных элементарных частиц (например, атом водорода образуется из одного протона и одного электрона; ядро урана 238 из 92 протонов н 146 нейтронов и т. д.). Во-вторых, внутренние состояния сложных частиц прерывны: для каждой сложной частицы существует своя последовательность вполне определенных возможных состояний, каждое из которых отделено от другого скачкообразными изменениями. Благодаря этому далеко не всякое воздействие может перевести сложную систему, например, из состояния с наименьшей энергией, так называемого нормального состояния, в соседнее — «возбужденное».
Если энергия внешнего воздействия недостаточна для того, чтобы вызвать переход системы из нормального состояния в возбужденное, то по прекращении внешнего воздействия система окажется в том же состоянии, в каком она была до применения этого воздействия (в «нормальном» состоянии). В силу этого атомные системы, подвергаясь какому-либо внешнему воздействию, остаются в широких пределах такими же, какими они были до воздействия, или переходят в новые, вполне определенные состояния. Именно такая скачкообразность в изменении состояния сложных атомных систем была той физической (правда, в явном виде неизвестной) причиной, которая приводила химиков к представлению о неделимости атомов, а физикам позволяла рассматривать атомы в кинетической теории как неизменные материальные точки. Эти неизменность и неделимость соблюдаются лишь до той поры, пока внешние воздействия не достигнут той степени интенсивности, при которой
) Фотоны и нейтрино имеют массу покоя ти — 0. Поэтому они при всех Hepi иях являются релятивистскими частицами и не могут изучаться методами реля!ивистской квантовой механики. Подробнее о границах применимости «ванювой механики см. § 141.
24
основы квантовой теории
[ГЛ. I
окажутся возможными переходы сложной частицы в соседние энергетические состояния.
Благодаря тождественности признаков элементарных частиц и прерывности состояний сложных, частицы микромира не имеют индивидуального «лица». На характерных признаках электрона или атома водорода не отражаются происходившие с ними события.
В отличие от этого на макроскопической системе обычно в той или иной мере запечатлена ее история с тем большей полнотой, чем сложней система.
Прерывность состояний, свойственная микросистемам, доказывается опытным путем. Франк и Герц (1913—1916) пропускали
поток электронов, т. е. электрический ток, через пары ртути. Оказалось, что протекающий ток в зависимости от энергии электронов имеет максимумы и минимумы, изображенные на рис. 2.
Первоначально, пока энергия электронов не превосходит 4,9 эв, пучок электронов проходит через пары ртути, не теряя энергии (на самом деле при столкновении электрона с атомом ртути, как с целым, происходит некоторый обмен энергией; однако ввиду того, что масса атома ртути во много раз превышает массу электрона и удар происходит упруго, этим обменом энергий можно пренебречь), и поэтому ток растет с ростом напряжения. Но как только достигается энергия в 4,9 эв, ток падает благодаря тому, что электроны начинают терять энергию при столкновении с атомами ртути, изменяя их внутреннее состояние.
Этим и доказывается прерывность возможных значений внутренней энергии атома ртути: энергия состояния атома ртути, ближайшего к нормальному, превышает его энергию на 4,9 эв.
Штерну и Герлаху удалось показать, что и вращательный импульс (момент количества движения) атомов имеет подобно энергии также только некоторые дискретные значения. Штерн и Герлах (1921) измеряли магнитный момент атомов. Этот магнитный момент обусловлен внутриатомными токами, и так как последние вызываются движением электронов, то между магнитным моментом атома и вращательным импульсом существует связь, которая будет нами рассмотрена в §§ 53 и 64. Сущность опытов Штерна и Герлаха заключалась в том, что они пропускали узкий пучок атомов в неоднородном магнитном поле. Если атом имеет магнитный момент ЭГО,
Рис. 2. Результаты классического опыта Франка и Герца.
АТОМИЗМ
25
то в магнитном поле напряженности 3€ он получит потенциальную энергию, равную
U = — $01= — ЭЛ 3€cos а,
где а — угол между направлением магнитного поля и направлением магнитного момента атома. Сила, действующая на атом со стороны неоднородного поля (если оно меняется по направлению оси OZ), равна
F =
0U w дЭ€
-- ЭЛ —— cos а.
а? дг
Градиент поля был направлен перпендикулярно к пучку атомов, и следовательно, сила F вызывала отклонения атомов от первоначального направления движения.
Если бы были возможны все ориентации магнитного момента атома (т. е. любые а), как это следует из классических представлений, то сила F принимала бы все значения от — Д° + ^ . Различные
атомы отклонялись бы различно, и при попадании пучка на экран мы получили бы размытое изображение щели, ограничивающей пучок. На самом деле получается два резких изображения щели (рис. 3).
Этот результат опыта показывает, что возможны лишь две дискретные ориентации
