Теоретическая физика 20 века - Смородинский Я.А.
Скачать (прямая ссылка):
этому
Переломные годы
явлению теоретическую интерпретацию. Еще в 1917 г. Эйнштейн [27]
предполагал, что квант света обладает не только энергией hv, но и
импульсом hv,c в направлении распространения, так что испускание и
поглощение излучения а.томом будет сопровождаться передачей импульса. Как
показал Эйнштейн, эта передача импульса обеспечивает максвелловское
распределение скоростей в газе, атомы которого находятся в равновесии с
излучением, подчиняющимся закону Планка. Чтобы объяснить сдвиг в длине
волны рассеянных рентгеновских лучей, Комптон и Дебай приписали
налетающему и рассеянному квантам импульсы hv/c и hv'/с соответственно;
векторная разность импульса передается электрону, а соответствующая
энергия отбирается от света. Для первоначально покоившегося электрона v'
поэтому будет меньше v, и, применяя релятивистскую механику, упомянутые
авторы получили хорошо известную формулу для изменения длины волны
A^ = ^sin2T9' <10>
причем б - угол рассеяния.
Эти результаты побудили Паули в 1923 г. [64] изучить тепловое равновесие
между газом свободных электронов и излучением абсолютно черного тела с
энергией, распределенной по закону Планка. Если считать, что обмен
импульсом между электронами и полем излучения совершается с помощью
классического механизма радиационного давления, то, как уже показали
Лоренц и Фоккер, не может поддерживаться ни спектральное распределение
энергии излучения, ни максвелловское распределение электронов по
скоростям. Паули смог показать, что эта трудность не возникает, если в
основу рассмотрения при разумных предположениях о вероятности процесса
положить элементарный механизм рассеяния, предложенный Комптоном и
Дебаем.
Упомянув лишь мимоходом работы Борна и Паули 116] о методах теории
возмущений в старой квантовой теории и Крамерса и Паули [48] о
квантовании молекулярных вращений, мы перейдем теперь к двум важным
работам Паули 1923 г. [63, 65], посвященным явлению, сыгравшему весьма
существенную роль в дальнейшем развитии атомной физики, а именно -
аномальному эффекту Зеемана. Мы уже говорили о попытках добиться
понимания оптических спектров атомов с числом электронов, большим
единицы, и об успехе, достигнутом для эле-
26
Р. Кропиг
ментов первого столбца периодической системы. Однако мы намеренно
умалчивали раньше о так называемой тонкой структуре. Действительно,
энергетические уровни, переходы между которыми определяют оптические
спектры щелочных металлов, далеко не полностью характеризуются главным и
азимутальным квантовыми числами п и /, но для / ^0 обнаруживают дублетную
структуру, требующую введения еще одного квантового числа.
В тот период было выдвинуто предположение, что замкнутые оболочки - остов
атомов щелочных металлов - каким-то образом имеют момент количества
движения з^/^ичто этот момент складывается векторно с орбитальным
моментом количества движения валентного электрона I, образуя
результирующий момент /~1± V2 , кроме случая /=0, когда /= У2 .
Предполагалось далее, что моменты количества движения / и s равномерно
пре-цессируют вокруг результирующего момента /, и принцип соответствия
немедленно приводил тогда к правилу отбора Д/=0, +1, подтверждаемому
спектроскопическими данными. Аналогично, в щелочноземельных металлах
остову приписывался момент, равный 0 или 1. Следовательно, при векторном
сложении его с моментом количества движения валентного электрона / должны
получаться синглентные и триплетные термы. Принцип соответствия в руках
Зоммерфельда и Гейзенберга 180] позволил предсказать примерную
интенсивность различных компонент тонкой структуры.
Область применения этих идей значительно расширилась в результате анализа
мультиплетов в более сложных спектрах, например в спектрах переходных
элементов первого длинного периода периодической системы. В частности, в
работах Бехера, Каталана, Лапорта и Расселла было установлено, что по
аналогии с уже известным объяснением спектров щелочных и щелочноземельных
металлов структуру мультиплетных термов можно объяснять результатом
сложения моментов количества движения L и S в полный момент J по правилу
/ = |L - ?|, |L-S| + 1, (11)
Величина мультиплетного расщепления позволяла заключить, что энергия
взаимодействия векторов L и S пропорциональна косинусу угла между ними.
После этого можно было сопоставить различным энергетическим уровням
определенной мульти-плетности числа L, А, /, учитывая при этом правила
отбора AL^O, ±1, Д/ -0, ±1. К этому же вопросу принадлежит и открытие
Лапортом нового эффекта - наличия двух типов уров-
Переломные годы
27
ней (четных и нечетных)^ так что при испускании или поглощении излучения
могут комбинироваться только уровни разных типов.
Изучение влияния магнитного поля на спектры показало, что во всех
случаях, когда наблюдается мультиплетная структура термов, эффект Зеемана
проявляется более сложным образом, чем нормальный, описываемый формулой
(6). Векторная модель для интерпретации мультиплетной структуры наводила
