Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
•) В гл. 9 мы дадим теоретическое объяснение такой форме потенциала U (г)
77
в ядре, тогда как^ядерные силы действуют в противоположном направлении. Ядро существует, и, следовательно, ядерные силы преобладают.
39. Энергия связи ядер имеет порядок 8 МэВ на нуклон, поэтому можно ожидать, что различные превращения ядер требуют энергии порядка 1 МэВ. Действительно, энергии различных частиц и у-квантов, испускаемых ядрами, лежат в пределах примерно от 100 кэВ до 10 МэВ. Эти величины на 5—7 порядков отличаются от энергий, характерных для химических реакций, и это объясняет нам, почему химические процессы не затрагивают ядер. С точки зрения химии и атомной физики ядро представляет собой очень малую, жесткую, тяжелую и неделимую заряженную сферу.
При рассмотрении атома мы показали, что длина волны оптического у-кванта велика по сравнению с размерами атома. Аналогичная ситуация существует и в ядерной физике. Рассмотрим у-квант с энергией 1 МэВ. Эта величина типична для ядерных переходов. Соответствующая длина волны (X=l,2-10-10 см= = 1200 ферми)'велика по сравнению с размерами ядер.
Гравитационные и электромагнитные силы
40. Теперь мы объясним, почему, рассматривая атомы, молекулы и ядра, можно пренебречь гравитационными силами. Для отношения гравитационной и электромагнитной сил, действующих между двумя протонами, мы имеем следующее выражение:
MlG/г2 M2PG
8,М0-« (40а)
где (5=6,6720-10-8 дин-см2/г2 — гравитационная постоянная.
Это отношение чрезвычайно мало, и при наличии электромагнитного взаимодействия силами гравитации можно полностью пренебречь. Они имеют значение только в том случае, если остальные известные нам взаимодействия не играют роли. Примером может служить гравитационное взаимодействие между двумя (большими) электрически нейтральными телами, расстояние между которыми велико по сравнению с характерными атомными размерами.
Общая теория относительности Эйнштейна является чисто геометрической теорией гравитации. Это великолепная теория, обладающая внутренней согласованностью. Но, несмотря на многие попытки Эйнштейна и других физиков, до сих пор не удалось охватить этой теорией другие силы природы. Таким образом, явление гравитации занимает особое положение и отделено от взаимодействий, определяющих строение вещества на микроскопическом уровне. Кажется, что к микрофизике гравитация не имеет никакого отношения, поэтому мы исключаем ее из этой книги.
Читатель, возможно, заметил, что отношение (40а) представляет собой отношение гравитационной постоянной в естественных микроскопических единицах к постоянной тонкой структуры. В со-.
78
временной квантовой теории'нет места для столь малых параметров, как это отношение. Можно, однако, надеяться, что когда-нибудь будет найдено связующее звено между кажущимися в настоящее время разделенными явлениями гравитации и микрофизики. В настоящее же время у нас нет никаких догадок о том, как эта брешь может быть заполнена.
41. Оценим напряженность электростатического поля на расстоянии боровского радиуса а0 от протона. Поскольку величина ав имеет порядок 10-8 см, а электростатическая потенциальная энергия электрона в атоме водорода близка к 10 эВ, то искомая напряженность поля получается порядка 1011 В/м. Точное вычисление дает
?,тоы = 5,14.10“ В/м. (41а)
По сравнению с электростатическими полями, которые можно создать в лаборатории (порядка 107 В/м), поле (41а) весьма сильное. Отсюда следует, что внешние электрические поля не могут иметь большого влияния на атомы и молекулы, а тем более на ядра. Тем не менее такое влияние можно наблюдать: электрическое поле расщепляет спектральные линии атома на несколько близких по частоте линий. Это явление известно под названием эффекта Штарка.
Легко понять, почему электростатическое поле, действующее на электрон в атоме, велико по сравнению с макроскопическими полями, которые "удается получить в лаборатории. Из уравнений Максвелла следует важное свойство электростатического поля в вакууме: оно достигает своего максимального значения в некоторой точке у проводников. Но проводники состоят из атомов, и если напряженность поля у проводника достигнет напряженности атомного поля, проводник начнет разрушаться. Оценка (41а) является, таким образом, верхним пределом достижимой напряженности макроскопического поля. На практике электрический пробой наступает задолго до достижения этого верхнего предела.
42. Аналогичные рассуждения применимы к макроскопическому магнитостатическому полю. Поля, которые мы в состоянии получить в лаборатории, ограничены сверху условием, что их влияние на атомы не должно быть разрушительным. Магнитное поле, подобно электрическому, расщепляет спектральную линию на несколько компонент. Это явление известно как эффект Зеемана.
Чтобы получить верхний предел достижимой индукции магнитного поля, можно положить, что при этом пределе плотность энергии должна быть той же, что и у электрического поля порядка 1011 В/м. Это соответствует индукции магнитного поля порядка 107 Гс. Не очень трудно получить в лаборатории постоянное поле с индукцией, близкой к 0,5-106 Гс. Импульсные поля, действующие в течение очень коротких интервалов времени, могут достигать 10е Гс. Рассмотрение напряжений, возникающих в проводниках с током, создающим'поле, показывает, что постоянные поля, большие 107 Гс, недостижимы. Такие поля вызовут силы, превосходящие те силы, которые удерживают атомы в твердом теле.
