Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
фотонами. Решающий аргумент в пользу их существования был получен из
статьи Комптона 1922 г., сообщающей о рассеянии рентгеновских лучей на
электронах. Рассматривалась реакция у + е -> у + е, где у обозначает
фотон. Экспериментально наблюдаемая кинематика оказалась очень близка к
тому, что предполагалось при рассеянии безмассовой частицы на электроне.
Большая проблема состояла в том, что свет был давно известен по своим
волноподобным свойствам. Как можно было совместить с ними частицеподобные
свойства? Это была великая загадка дуальности волны и частицы. Это
досаждало всем, кто задумывался об этом, в частности, Эйнштейну.
Ранняя спектроскопия
Антикам также было известно и то, что все знакомые источники света -
солнце, огонь, нагретое вещество любого рода - испускают и смешивают
цвета света, или, как мы сейчас можем сказать, смешивают частоты. Радуга
является известным случаем, когда спектр разворачивается под действием
естественных причин. С помощью ньютоновских призм можно научиться
расщеплять эти цветовые смеси на составляю-
Ранняя спектроскопия
63
щие, независимо от источника света. Можно говорить о спектре излучения,
испускаемого источником, об интенсивности как функции частоты. Мы не
будем сейчас ограничиваться излучением черного тела, а рассмотрим более
подробно источники излучения. Спектр любого излучения будет зависеть от
природы излучающего материала и от условий, в которых материал находится,
нагрет он или нет. В общем, охлажденное вещество почти совсем не
излучает. Интенсивность излучения растет с температурой. Но образец
вещества можно стимулировать к излучению и другими способами: например,
помещая в электрическую дугу, бомбардируя быстрыми частицами и т. д.
Наблюдаемый спектр будет неизбежно развертываться по частоте в
непрерывность, но при этом для определенных конкретных значений частот
будут наблюдаться пики интенсивности. Из-за этого спектральные данные
часто представлены в виде карт, а пики интенсивности называют линиями.
Открытие и начало изучения спектральных линий восходит к началу XIX века.
Реально, в зависимости от обстоятельств, на непрерывный спектр могут
накладываться как темные, так и яркие линии. Яркие линии представляют
увеличение эмиссии при определенном значении частот. Темные линии
означают усиление поглощения, которое происходит во внутренних слоях
материала. В любом случае, линии спектра для различных видов атомов и
молекул тоже являются различными. Действительно, новый набор линий, ранее
не известных на Земле, был сначала открыт в солнечном спектре и только
потом идентифицирован с гелием, впоследствии открытым на Земле.
Ранний интерес к спектроскопии был, в основном, определен его ролью в
химической идентификации и открытии. Но некоторым казалось, что линии
должны сообщать о том, что происходит внутри атомов и они должны играть
важную роль в понимании структуры атома. Подавляющей точкой зрения в XIX
столетии было убеждение, что линии соответствуют различным частотам
колебаний зарядов внутри атома. В соответствии с классическим
электромагнетизмом, колеблющиеся заряды должны поглощать и излучать
электромагнитные волны. В связи с этим считалось, что каждый атом
излучает на всех характеристических частотах. Спектроскописты стали
рассматривать данные в чисто эмпирическом духе, надеясь на то, не найдут
ли они какую-либо регулярность в частотах линий; например, хотели
убедиться, что частоты линий являются простыми гармониками относительно
фундаментальной характеристической частоты определенных частей атома. Но
эта идея не выжила.
То, что можно действительно отнести к пророческому открытию, было сделано
Иоганном Бальмером (1825-98) в возрасте около 60 лет, учителем
швейцарской школы для девочек. Этот человек никогда до этого не
опубликовал ни одной статьи по физике, и его интересы целиком лежали в
области архитектуры. Как и другие до него, он думал, что
64
Глава 3
спектр атома водорода будет наилучшим местом для изучения регулярностей.
Он взял данные из работы Ангстрема, который открыл четыре линии в видимой
части спектра водорода и измерил их длину волны Л с приличной точностью.
Бальмер смог получить эти данные с помощью замечательно простой формулы:
С учетом подгоночной константы спереди, формула работала для всех четырех
линий. В последующей статье, в которой использовались новые результаты
для других линий, Бальмер смог получить замечательно совпадение для
линий, соответствующих т, меняющимся до т = 14.
Другие в это время пытались изучать спектры многоэлектронных атомов,
изобретая различные формулы с очень скромным успехом. Но в начале 1900
годов появилась идея, оказавшаяся очень полезной. Она подсказала, что эту
формулу можно рассматривать как соотношение, в котором линии частот
представлены как разности очень простых выражений. Эта идея была
высказана Ритцем и теперь известна как комбинационное правило Ритца.
Действительно, рассмотрим вместо частоты обратную длину волны, что
