Розділ «3.5 Квантова механіка»

Підсумуємо деякі наші міркуванням про світлові кванти-фотони.

Усі факти, викладені в цьому розділі, є, здавалося б, переконливим доказом справедливості квантових (корпускулярних) уявлень про природу світла. Однак не слід забувати, що є не менш вагомі аргументи на користь того, що світло є хвильовим процесом (інтерференція, дифракція світла). Так що ж таке світло?

У. Брегг, один з тих, хто вперше здійснив дифракцію рентгенівських променів на кристалі, писав: "Невже ми повинні вважати, що світло складається з корпускул у понеділок, вівторок і середу, поки ми проводимо досліди з фотоефектом і ефектом Комптона, і уявляти собі його у вигляді хвиль у четвер, п'ятницю і суботу, коли ми працюємо з явищами дифракції й інтерференції?" Це питання можна перефразувати так: що таке світло — неперервні електромагнітні хвилі, які випромінює джерело, чи потік дискретних фотонів? Необхідність вдаватися в різних ситуаціях до різних, вза-ємовиключних понять видається штучною.

Такі подвійні властивості світла, однак, є тільки одним із проявів корпускулярно-хвильового дуалізму. Світло одночасно має властивості і хвилі, і частинки. Просто в різних експериментальних ситуаціях ми фіксуємо або хвильові, або корпускулярні властивості світла. У прояві тих чи інших властивостей є певна закономірність.

Щодо коротких хвиль (хвиль великих частот), то більш чітко виявляються його корпускулярні властивості: із цим пов'язане існування червоної межі фотоефекту й фотохімічних реакцій; хвильові властивості короткохвильового випромінювання виражені слабо — дифракцію рентгенівських променів удалася виявити тільки після того, коли як дифракційні ґрати було використано природний кристал. Для довгохвильового випромінювання квантові властивості виражені слабо, а основну роль відіграють його хвильові властивості. Саме в цій частині спектра спостерігаються явища інтерференції і дифракції.

Зараз ми не будемо детально обговорювати ситуацію, пов'язану з неоднозначністю властивостей світла — з його корпускулярно-хвильовим дуалізмом, і відкладемо обговорення цього питання в більш узагальненому вигляді.

3.5.3 Планетарний атом

Експериментальне підтвердження гіпотези про планетарний атом не лише не вирішило, а, навпаки, загострило основне питання: адже електродинаміка стверджує, що така система існувати не може; електрон, що обертається за її законами, неминуче впаде на ядро. Потрібно було робити вибір: або електродинаміка, або планетарний атом. Щоб вийти із цього скрутного становища, потрібний був Нільс Бор.

При вирішенні цієї здавалося б нерозв'язної проблеми Бор вчинив так, як Олександр Македонський з Гордієвим вузлом: він не розплутував його, а розрубав мечем.

Значення робіт Резерфорда, які підтвердили справедливість планетарної моделі атома, дуже влучно охарактеризував Н. Бор: "Вирішальним моментом в атомній моделі Резерфорда було те, що вона з усією ясністю показала: стійкість атомів не можна пояснити на основі класичної фізики, і квантовий постулат — це єдино можливий вихід з гострої дилеми. Саме ця гострота невідповідності змусила мене абсолютно повірити в правильність квантового постулату".

Бор відразу ж став прихильником планетарної моделі. Утім, через багато років, у 1922 році, він скаже Гейзенбергу: "Я ніколи не сприймав планетарну систему буквально...".

Ключем до вирішення проблеми атомної стійкості були прості закони, що визначають спектр випромінювання елементів.

У1913 році Н. Бор сформулював свої знамениті постулати.

1-ий постулат — про стаціонарні стани. В атомі існують орбіти, рухаючись по яких електрон не випромінює.

2-ий постулат - про квантові стрибки. Електрон випромінює світло, тільки переходячи з однієї стаціонарної орбіти на іншу, тобто дискретними порціями. Коли електрон знаходиться на орбіті з щонайнижчою енергією, йому нікуди переходити (якщо він не одержує енергію ззовні). Так було пояснено стійкість атомів.

Бор переосмислив формулу Ейнштейна для фотоефекту, припустивши, .що частоту випромінюваного світла визначає співвідношення:

Але як визначити умову, що визначає стаціонарну орбіту? У будь-якого кругового руху, крім радіуса орбіти й швидкості руху по ній, є ще одна характеристика — момент кількості руху І, або орбітальний момент. Він дорівнює добутку маси на швидкість і на радіус орбіти, тобто:

де n — ціле число: n - 1,2,3 ...

Ця умова дозволяє виділити стаціонарні орбіти (єдино можливі в атомі) з нескінченної кількості всіх, які тільки можна уявити. А оскільки в цьому виділенні основну роль відіграє квант дії h, то такий підхід називається квантуванням.

Незважаючи на незвичайність постулатів Бора, його теорія швидко набула визнання/тому що дозволяла групувати розрізнені раніше атомні явища навколо незрозумілої, але простої моделі.