Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
атомов подтвердило справедливость (5.50). Из формулы видно, что тонкую
структуру легче наблюдать у водородоподобных атомов, чем у водорода, так
как во второй член входит Z4. На рис. 54 изображена тонкая структура
уровней иона гелия Не+ с главными квантовыми числами 3 и 4. Если бы не
было тонкой структуры, то между уровнями сп = 4ип = 3 наблюдался бы один
переход с испусканием фотонов с А ^ 468,6 нм. Из-за спин-орбитального
расщепления вместо одного возникает много переходов; те из них, которые
не запрещены правилами отбора (§ 33), обозначены на рисунке стрелками.
Видно, что спектр Не+
132
Глава 5
вблизи А = 468,6 нм состоит из многих линий; линии, соответствующие
обозначены на рисунке жирными стрел-
самым интенсивным переходам ками.
Л/2
^5/2; /б/2
II ? Рз/2> ^3/2
/ ^3
2
Рз/2> d?J/2
II со
5l/2; Pl/2
Рис. 54. Тонкая структура линии с А = 468,6 нм в спектре
иона
Не+.
В заключение отметим, что, кроме тонкой структуры, в спектре водорода,
так же как и в спектрах многих других атомов, наблюдается также
сверхтонкая структура; она возникает из-за взаимодействия магнитных
моментов электронов со слабыми магнитными полями ядер и формулой (5.50)
не описывается. Формула (5.50) не описывает также наблюдающегося на опыте
очень слабого расщепления уровней с одинаковыми j у водородоподобных
атомов (Лэмб и Ризерфорд, 1948 г.). Это расщепление объясняется
взаимодействием электрона с флуктуациями электромагнитного поля. Подобно
осциллятору электромагнитное поле в вакууме обладает некоторой нулевой
энергией и поэтому всегда отлично от нуля. Взаимодействие электрона с
этим "нулевым" полем зависит от пространственного распределения электрона
и является причиной лэмбовского расщепления уровней. Теория этого эффекта
хорошо разработана в квантовой электродинамике и находится в превосходном
согласии с опытом.
§ 28. Строение атома по Бору
Построение основ квантовой механики, давшей ключ к пониманию явлений
микромира, происходило в 20-е годы нашего столетия и сопровождалось
отказом от привычных представлений классической физики. Наибольший вклад
в создание новой физики внес Нильс Бор, впервые определивший, в чем
состоят новые черты, отличающие микромир от макромира; его по праву
называют отцом новой физики. Бору удалось выяснить особенности, которым
должна удовлетворять еще не построенная к тому времени волновая механика;
эти особенности были сформу-
§28. Строение атома по Бору
133
лированы Бором в виде нескольких положений или, как часто говорят,
постулатов. Создатели квантовой механики, Шредингер и Гейзенберг, строили
теорию так, чтобы постулаты Бора получались в ней естественным образом.
Первоначально Бор представлял себе атом как систему, состоящую из
атомного ядра и электронов, вращающихся вокруг него по круговым или
эллиптическим орбитам подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца.
Согласно классической электродинамике такое вращение, как и всякое
ускоренное движение, должно сопровождаться излучением. Потери энергии на
излучение должны приводить к постепенному уменьшению вращательной энергии
электрона и к его постепенному падению на ядро, чего на самом деле не
происходит. Бор постулировал, что предоставленные сами себе атомы не
излучают и находятся, таким образом, в стационарных (не меняющихся со
временем) состояниях. Излучение или поглощение энергии происходит при
переходе атома из одного стационарного состояния в другое (все атомные
состояния, кроме состояния, обладающего наименьшей энергией, строго
говоря, вполне стационарными не являются, поскольку атомы самопроизвольно
переходят из них в состояния с меньшей энергией). Частота света,
излучаемого атомами, связана с разностью энергий атома в стационарных
состояниях соотношением Нио = Е2 - Е\, где Е2 - энергия атома в
начальном, а Е\ - в конечном состояниях. Мы уже выяснили, что эти
утверждения Бора являются верными.
Бор предложил также правило, позволяющее отбирать из множества
допускаемых классической механикой орбит "правильные", осуществляющиеся
на опыте орбиты. Он высказал утверждение, что м о -гут существовать
только такие орбиты, на которых момент импульса равен целому числу
постоянных Планка Н. Мы знаем теперь, что утверждение о квантовании
момента импульса является правильным, а представления об орбитах -
неверными.
Мы видим, что Бор правильно предугадал важнейшие черты современной
квантовой механики. Недостатком боровских представлений является их
непоследовательность. На классическую физику накладывались дополнительные
требования, которые не только не следуют из основных уравнений механики и
электродинамики, но иногда прямо им противоречат (например, утверждение о
том, что движущийся по круговой орбите электрон не излучает или что
частота излучаемого света не равна частоте его обращения вокруг ядра). В
то же время классические уравнения механики и электродинамики оставлялись
и замены им не предлагалось. Бор прекрасно понимал непоследовательность
