Естествознание

Тем не менее в замечательных  опытах С. И. Вавилова было установлено, что человеческий глаз, этот тончайший  из “приборов”, способен реагировать  на различие освещен-ностей,   измеряемое  единичными квантами.

Ученые были вынуждены ввести представление  о свете как о потоке частиц. Может показаться, что это возврат  к корпускулярной теории Ньютона. Однако нельзя забывать, что интерференция  и дифракция света вполне определенно говорят о наличии у света волновых свойств. Свет обладает своеобразным дуализмом (двойственностью) свойств. При распространении света проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) — корпускулярные. Все это,конечно,странно и непривычно. Мы не в состоянии представить себе наглядно, как же это может быть. Но тем не менее это факт. Мы лишены возможности представлять себе наглядно в полной мере процессы в микромире, так как они совершенно отличны от тех макроскопических явлений, которые люди наблюдали на протяжении миллионов лет и основные законы которых были сформулированы к концу XIX века.

С течением времени двойственность свойств была открыта у электронов и других элементарных частиц. Электрон, в частности, наряду с корпускулярными свойствами обладает также и волновыми. Наблюдается дифракция и интерференция электронов.

Эти необычные свойства микрообъектов  описываются с помощью квантовой  механики — современной теории движения микрочастиц. Механика Ньютона оказывается здесь в большинстве случаев неприменимой. Но изучение квантовой механики выходит за рамки школьного курса физики.

Фотон—элементарная частица, лишенная массы покоя и электрического заряда, но обладающая энергией и импульсом. Это квант электромагнитного поля, которое осуществляет взаимодействие между заряженными частицами. Поглощение и излучение электромагнитной энергии отдельными порциями — проявление корпускулярных свойств электромагнитного поля.

Корпускулярно-волновой   дуализм  — общее свойство материи, проявляющееся на микроскопическом уровне.

Атомная физика

Английский физик Эрнест Резерфорд  исследовал рассеяние а-частиц десять тысяч раз меньшее по разме-веществом  и открыл в 1911 г. атомное ядро - массивное  образование.

Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Простейший атом — атом водорода — представляет собой положительно заряженный шар радиусом около 10~8 см, внутри которого находится электрон. У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок играют электроны.

Однако модель атома Томсона  оказалась в полном противоречии с опытами по исследованию распределения  положительного заряда в атоме. Эти  опыты, произведенные впервые Э. Резерфордом, сыграли решающую роль в понимании строения  атома.

Из опытов Резерфорда непосредственно  вытекает планетарная модель атома. В центре расположено положительно заряженное атомное ядро, в котором  сосредоточена почти вся масса  атома. В целом атом нейтрален. Поэтому  число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, что покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил со стороны ядра.

В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро атома  водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и  массу, примерно в 1836,1 раза большую массы электрона. Это ядро было названо протоном и стало рассматриваться как элементарная частица. Размер атома — это радиус орбиты его электрона.

Простая и наглядная планетарная  модель атома имеет прямое экспериментальное  обоснование. Она кажется совершенно -необходимой для объяснения опытов по рассеиванию ос-частиц. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны  частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время (порядка 10~8 с) должен упасть на ядро. Атом должен прекратить свое существование.

В действительности ничего подобного  не происходит. Атомы устойчивы и  в невозбужденном состоянии могут  существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.

Не согласующийся с опытом вывод  о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излучение—это результат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физики неприменимы.

Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Эта модель проста, обоснована экспериментально, но не позволяет объяснить устойчивость атомов.

Квантовые постулаты Бора

Выход из крайне затруднительного положения в теории атома был найден в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором на пути дальнейшего развития квантовых представлений о процессах в природе.

Эйнштейн оценивал проделанную  Бором работу “как высшую музыкальность  в области мысли”, всегда его  поражавшую. Основываясь на разрозненных опытных фактах. Бор с помощью гениальной интуиции правильно предугадал существо дела.

Последовательной теории атома  Бор, однако, не дал. Он в виде постулатов сформулировал основные положения  новой теории. Причем и законы классической физики не отвергались им безоговорочно. Новые постулаты скорее налагали лишь некоторые ограничения на допускаемые классической физикой движения.

Успех теории Бора был тем не менее  поразительным, и всем ученым стало  ясно, что Бор нашел правильный путь развития теории. Этот путь привел впоследствии к созданию стройной теории движения микрочастиц—квантовой механики.

Первый постулат Бора гласит:

атомная система может находиться только в особых стационарных, или  квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия     ; в стационарном состоянии атом не излучает.

Этот постулат противоречит классической механике, согласно которой энергия  движущихся электронов может быть любой. Противоречит он и электродинамике  Максвелла, так как допускает возможность ускоренного движения электронов без излучения электромагнитных волн.

Согласно второму постулату Бора излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией  в стационарное состояние с меньшей энергией  Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний:

При поглощении света атом переходит  из стационарного состояния с  меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией.

Второй постулат также противоречит электродинамике Максвелла, так как согласно этому постулату частота излучения света свидетельствует не об особенностях движения электрона, а лишь об изменении энергии атома.

Свои постулаты Бор применил для построения теории простейшей атомной  системы—атома водорода. Основная задача состояла в нахождении частот электромагнитных волн, излучаемых водородом. Эти частоты можно найти на основе второго постулата, если располагать правилом определения стационарных значений энергии атома. Это правило (так называемое правило квантования) Бору опять-таки пришлось постулировать.

Используя законы механики Ньютона  и правило квантования, отмирающее возможные стационарное состояния, Бор смог вычислить Допустимые радиусы  орбит электрона и энергии  стационарных состояний. Минимальный  радиус орбиты определяет размеры атома.

Второй постулат Бора позволяет  вычислить по известным значениям  энергий стационарных состояний  частоты излучений атома водорода. Теория Бора приводит к количественному  согласию с экспериментом для  значений этих частот. Все частоты излучений атома водорода составляют ряд серий, каждая из которых образуется при переходах атома в одно из энергетических состояний со всех верхних энергетических состояний (состояний с большей энергией).

Поглощение света — процесс, обратный излучению. Атом, поглощая свет, переходит из низших энергетических состояний в высшие. При этом он поглощает излучение той же самой частоты, которую излучает, переходя из высших энергетических состояний в низшие. На рисунке 168, б стрелками изображены переходы атома из одних состояний в другие с поглощением света.

На основе двух постулатов и правила  квантования Бор определил радиус атома водорода и энергии стационарных состояний атома. Это позволило  вычислить частоты излучаемых и  поглощаемых атомом электромагнитных волн.

Квантовая механика

Наибольший успех теория Бора имела  применительно к атому водорода, .для которого оказалось возможным  построить количественную теорию спектра.

Однако построить количественную теорию для следующего за водородом  атома гелия на основе боровских представлений не удалось. Относительно атома гелия и более сложных атомов теория Бора позволяла делать лишь качественные (хотя и очень важные) заключения.

Теория Бора является половинчатой, внутренне противоречивой. С одной  стороны, при построении теории атома водорода использовались обычные законы механики Ньютона и давно известный закон Кулона, а с другой — вводились квантовые постулаты, никак не связанные с механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла. Введение в физику квантовых представлений требовало радикальной перестройки как механики, так и электродинамики. Эта перестройка была осуществлена в начале второй четверти нашего века, когда были созданы новые физические теории: квантовая механика и квантовая электродинамика.

Постулаты Бора оказались совершенно правильными. Но они выступали уже не как постулаты, а как следствия основных принципов этих теорий. Правило же квантования Бора, как выяснилось, применимо далеко не всегда.

Представление об определенных орбитах, по которым движется электрон в атоме Бора, оказалось весьма условным. На самом деле движение электрона в атоме имеет очень мало общего с движением планет по орбитам. Если бы атом водорода в наинизшем энергетическом состоянии можно было бы сфотографировать с большой выдержкой, то мы увидели бы облако с переменной плотностью. Большую часть времени электрон проводит на определенном расстоянии от ядра.

В настоящее время с помощью  квантовой механики можно ответить на любой вопрос, относящийся к  строению и свойствам электронных  оболочек атомов. Но количественная теория оказывается весьма сложной, и мы ее касаться не будем. С качественным описанием электронных оболочек атомов вы знакомились в курсе химии.

Лазеры

В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность  так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

На языке квантовой теории вынужденное  излучение означает переход атома  из высшего энергетического состояния  в низшее, но не самопроизвольно, как  при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия.

Еще в 1940 г. советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность  использования явления вынужденного излучения для усиления   электромагнитных   волн. В 1954 г. советские ученые Н. Г. Басов  и А. М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны      ==1,27 см. За разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была в 1959 г. присуждена   Ленинская   премия. В 1963 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии.

В 1960 г. в CШA был создан первый лазер  — квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра.

Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:

1. Лазеры способны создавать  пучки света с очень малым  углом расхождения (около 10~5 рад). На Луне такой пучок, испущенный  с Земли, дает пятно диаметром  3 км.

2. Свет лазера обладает исключительной  монохроматичностью. В отличие от  обычных источников света, атомы  которых излучают свет независимо  друг от друга, в лазерах  атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает  нерегулярных изменений.

3. Лазеры  являются  самыми мощными  источниками света. В узком  интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени  продолжительностью порядка 10~13 с) у некоторых типов лазеров  достигается мощность излучения  1017 Вт/см2, в то время как мощность  излучения Солнца равна только 7-103 Вт/см2, причем суммарно по всему спектру. На узкий же интервал     =10~6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома. В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество ее энергия поглощается. За счет поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. переходит в высшее энергетическое состояние.