Физика для всех. Электроны - Китайгородский А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Прошло еще немного времени И ВЫЯСНИЛОСЬ, ЧТО COO-ственный вращательный момент — спин — является свойством, присущим не только электрону, но и всем элементарным частицам.
Мы уже говорили, что название «спин» свидетельствует о естественной тяге к наглядности. Поскольку момент импульса вошел в физику как характеристика вращающегося твердого тела, то, выяснив, что для спасения закона сохранения элементарным частицам надо приписать некое значение момента импульса, многие физики тут же прибегли к наглядной картине вращения частицы около своей оси. Это наивное представление не выдерживает критики: говорить о вращении элементарной частицы около своей оси можно не с большим правом, чем рассуждать о вращении около своей оси математической точки.
Сторонники наглядности сумели из неких косвенных соображений оценить размер электрона, точнее — установить, что если это понятие и применимо к электрону, то размер электрона должен быть меньше определенной величины. Величина спина известна — мы приведем ее значение через несколько строк. Полагая, что электрон имеет форму, можно вычислить, с какой скоростью вращаются «точки его. поверхности». Оказывается, эта скорость больше скорости света. Упорство привело бы к необходимости расстаться с теорией относительности.
Пожалуй, наиболее убийственным доводом против наглядности является то, что нейтрон, который не несет на себе электрического заряда, обладает спином. Почему же этот довод является решающим? Судите сами.
Если частицу можно было бы представлять в виде заряженной сферы, то ее вращение около оси давало бы нечто вроде амперова тока. Но раз^ уж нейтральная частица обладает, моментом импульса, а также и магнитным моментом (об этих свойствах нейтрона мы скажем несколько слов в четвертой книге), об аналогии с амперовым током не может быть и речи.
104
Конечно, не стоит становиться в позу пророка и говорить, что никогда не удастся объяснить спин и маг-нитныи~момент элементарных частиц, исходя из какого-то более общего, пока что не открытого закона (частично эта задача решается теорией замечательного английского физика Поля Дирака; но о ней мы не можем дать читателю даже общее представление — уж слишком она абстрактна). Однако сегодня мы должны считать «стрелочки», изображающие момент импульса ш магнитный момент частицы, первичными (не сводящимися к чему-либо более простому) понятиями.
Лет пятьдесят назад большинство физиков держалось точки зрения Эйнштейна, который писал: «Всякая физическая теория должна быть такой, чтобы ее, помимо всяких расчетов, можно было проиллюстрировать с помощью простейших образов». Увы, мнение великого человека оказалось неверным. И уже много лет физики спокойно оперируют теориями, в которых фигурируют измеряемые величины, которым мы не можем сопоставить зрительного образа.
У электрона и других элементарных частиц нет «полюсов». В ряде случаев мы уверенно говорим об этих частицах как точечных, соглашаемся с тем, что понятие формы к элементарным частицам неприменимо, и, тем не менее, мы вынуждены приписать частицам, два векторных свойства — момент импульса (спин) и магнитный момент. Эти два вектора всегда лежат вдоль одной линии. Иногда они параллельны, а в других случаях антипараллельны.
Опыт показывает, что общие формулы для проекций момента импульса и магнитного момента, которые мы привели на стр. 100, справедливы и для собственных моментов. Все эксперименты, как спектральные, так и по расщеплению пучков атомов в неоднородном магнитном поле, безупречно истолковываются, если для электрона числу т в формуле для проекции момента импульса разрешить принимать два значения: ±V2. Что же касается формулы для проекции магнитного момента, то здесь число т может принимать два значения: ±1. ' ¦ "
„ Ih
Спин электрона имеет численное значение -у^Г и
может располагаться лишь в двух направлениях —
105
вД°^ь поля и против поля': Что же касается магнитного момеНТа электрона, то ой, следуя за спином, также мо~ жет иметь ллпіь две ориентации в поле, а численное его аначение равно одному магнетону Бора.
їїерейдем теперь к объяснению результатов опытов" с а*омньши пучками. Докажем, как легко разъясняются с помощью понятия спина все особенности расцепления атомных пучков.
Действительно, как понять, что пучки атомов гелия и бериллия не расщепляются? Вот как. Орбитальные момент У электронов этих атомов отсутствует по т°й причине, что они относятся к «сорту» s. Что же касается сплнов электронов, то они емотрят в противоположные стороны. Вообще-то говоря, это утверж-ден^е ниоткуда не. вытекает, хотя интуитивно пред-стайляется вполне естественным. Принцип, по которому паРа электронов в атоме устраивается так, чтобы на-пР^вления #х спинов были противоположны, носит на-ЗВ?ише принципа Вольфганга Паули (1900—1958).
Как много гипотез!.. Да, не мало. Но все они вместе образуЮт ^тройное здание квантовой физики, из ко-Т0Рой вытечет столь много следствий, что ни малей-ше^о сомнения в справедливости того, что электрону наДо приписать спин, что значение спинового числа на^;о положить равным 1/2 и что едины пары* электро-но^ надо подчинить принципу Паули, ни тени сомне-Нйц на этот счет не остается ни у одного физика. Су^ма этвх гипотез отражает структуру мцкро-
