Текст книги "Курс истории физики"

Автор книги: Кудрявцев Степанович

сообщить о нарушении

Текущая страница: 42 (всего у книги 48 страниц)

Глава седьмая. Возникновение квантовой механики

Трудности теории Бора

Процесс революционного преобразования физики, начало которого привлекло внимание В. И. Ленина и существенно повлияло на развитие советской физики, во второй половине 20-х годов завершился созданием новой научной системы, резко противоречащей привычным формам описания физических явлений. Этой системой была квантовая механика, становление которой приходится на 1925– 1930 гг.

Теория Бора с самого начала вызывала многие вопросы, остававшиеся без ответа. Эти вопросы были поставлены Резерфордом еще при обсуждении рукописи первой статьи. Мы приводили высказывание Резерфорда о трудностях, возникших в связи с идеями Бора; как понимать сочетание идей Бора и классической механики, в которой нет места для квантовых скачков, и откуда электрон знает, на какую орбиту ему следует перескакивать.

Бор назвал эти замечания Резерфорда дальновидными. Резерфорд со всей ясностью показал противоречивость недетерминированных квантовых условий и квантовых скачков и строго детерминированных законов движения электрона по атомным орбитам. Однако успехи теории Бора в объяснении спектров заставили забыть об этом противоречии. Тем не менее сразу было видно, что первоначальной теории многого недостает. Это особенно ясно было видно на примере эффекта Зеемана.

В 1896 г. голландский физик Питер Зееман (1865—1943) произвел опыт, который пытался осуществить еще фа-радей. Пламя натриевой горелки он помещал между полюсами электромагнита и наблюдал в спектроскоп ее спектр. По оси электромагнита был просверлен канал, так что явление можно было наблюдать не только перпендикулярно силовым линиям поля (поперечный эффект), но и вдоль поля (продольный эффект). При наблюдении поперек поля, кроме линии с частотой колебаний v0, равной частоте колебаний в отсутствие поля, наблюдались две линии с частотами , ν 1 = ν 0 + Λν и ν 2 = ν 0 + Λν. Все три линии линейно поляризованы. Несмещенная линия соответствует колебаниям вдоль силовых линий (π – компонент), смещенные – колебаниям, перпендикулярным силовым линиям (δ – компоненты). При наблюдении вдоль поля несмещенная компонента отсутствует, смещенные линии поляризованы по кругу в противоположных направлениях.

Лоренц в 1897 г. дал простую теорию эффекта, исходя из представлений, что в атомах электроны совершают круговые движения с циклической частотой w0. В магнитном поле на них действует сила Лоренца и частота обращения изменяется на величину Λω, равную приближенно:

Λω = (±e/2mc) H

Лармор (1857-1942) в 1899 г. интерпретировал действие магнитного поля как действие поля тяжести на волчок. Волчок прецессирует вокруг направления силы тяжести с угловой частотой Асо. Точно так же вращающиеся электроны в атоме прецессируют вокруг силовых линий магнитного поля с круговой частотой Λω = (±e/2mc) Н (прецессия Лармора). Объяснение Лармора —Лоренца явилось выдающимся достижением электронной теории, и в 1902 г. Зееман и Лоренц были удостоены Нобелевской премии за открытие и объяснение эффекта Зеемана.

А. Зоммерфельд, развивая теорию Бора, ввел идею пространственного квантования. Движение электрона по орбите определяется радиальным и азимутальным квантовыми числами или главным квантовым числом п, определяющим энергию электрона, и побочным квантовым числом k, определяющим форму орбиты. Положение орбиты в пространстве определяется третьим магнитным квантовым числом т. Введение этого числа и квантование направлений оси по отношению к магнитному полю позволяет дать объяснение эффекта Зеемана. Однако это объяснение в известном смысле было хуже объяснения, данного Лоренцем. Оно ничего не говорило о поляризации линий. Вообще теория спектров, по Бору и Зоммерфельду, говорила лишь о частотах линий и не могла объяснить их интенсивность и поляризацию. Чтобы теория могла что-то сказать об этом, Бор ввел принцип соответствия.

Согласно этому принципу «существует далеко идущее соответствие» между квантовым и классическим описанием излучения. В квантовом описании линии спектра излучения обусловлены переходами из одного состояния в другое, в классическом эти линии определяются разложением движения электрона в ряд фурье. При этом, как указывает Н. Бор, «частота излучения, испускаемого при переходе между стационарными состояниями, характеризуемыми числами п' и п", большими по сравнению с их разностью, совпадает с частотой одной из компонент излучения, которую можно ожидать при избранном движении электрона в стационарном состоянии на основании обычных представлений». Далее Бор пишет: «Задаваясь вопросом о более глубоком значении найденного соответствия, мы вправе, естественно, ожидать, что соответствие не ограничивается совпадением частот спектральных линий, вычисленных тем и другим методом, но простирается и на их интенсивности. Такое ожидание равносильно гому, что вероятность определенного перехода между двумя стационарными состояниями связана известным образом с амплитудой, соответствующей гармонической компоненте».

Применение принципа соответствия позволило определить и поляризацию в нормальном эффекте Зеемана. Квантовый переход, соответствующий изменению магнитного квантового числа на ± 1, дает круговую поляризацию в плоскости, перпендикулярной к силовым линиям. Квантовый переход Am = 0 соответствует линейной поляризации, параллельной силовым линиям.

Но нормальный эффект Зеемана представляет скорее исключение, чем норму. На опыте встречается более сложный эффект: расчленение на несколько компонентов (мультиплетов). Мультиплетами оказываются и линии спектров элементов. Аномальный эффект и мультиплетная структура спектров не укладывались в рамки обычной теории Бора.

С вопросом о сложной структуре линий был тесно связан вопрос о магнитных свойствах атома. Еще Д. С. Рождественский в своем докладе 15 декабря 1919 г. предполагал, что дублеты и триплеты спектральных линий обусловлены действием магнитных сил, вызванных движением электронов. «Магнитная задача должна лежать в основе задачи об атомах», – говорил Рождественский.

О.Штерн (1888-1969) и В. Герлах (род. в 1889 г.) в 1921 г. пропустили молекулярный пучок через неоднородное магнитное поле и неопровержимо доказали наличие у атомов магнитного момента. Но детали опыта (расщепление пучка на два) опять не укладывались в теорию Бора—Зоммерфельда.

В том же, 1921 г. А.Ланде (1888-1975) дал формальную схему описания мультиплетов с помощью векторной модели и ввел связанный с квантовыми числами k и s множитель Ланде1. Он также получил «двойной магнетизм»: отношение между магнитным и вращательным моментом атомного остова (т. е. ядра и всех электронов, кроме оптического) оказалось вдвое больше того, который следует из теории Бора – Зоммерфельда. Противоречия с теорией Бора в ее первоначальном варианте накапливались на каждом шагу, и квантовое описание спектроскопических фактов все более и более усложнялось.

Особенно тягостное положение создалось в теории света. Эйнштейн в своей классической работе 1917 г. о световых квантах сделал дальнейший шаг в сторону корпускулярной теории света. Он предположил, что атом излучает, «выстреливая» квант света в том или ином направлении (игольчатое излучение). При этом квант света обладает всеми свойствами материальной частицы: энергией Е = hv, массой

Эта идея нашла блестящее подтверждение в открытии, сделанном американским физиком Артуром Комптоном (и, по-видимому, П. Дебаем). В 1922 г. Комптон (1892-1962), изучая рассеяние рентгеновских лучей веществом, содержащим слабо связанные электроны (графитом), установил, что частота (длина волны) рассеянных рентгеновских лучей изменяется в зависимости от угла рассеяния. С увеличением угла рассеяния она уменьшается (длина волны увеличивается), излучение становится более «мягким». В 1927 г. Комптону была присуждена Нобелевская премия за открытие этого эффекта.

В 1923 г. А. Комптон и независимо от него П. Дебай дали теорию «эффекта Комптона». Теория была основана на идее Эйнштейна: квант света сталкивается с электроном по закону упругого удара. Применяя законы сохранения энергии и импульса, Комптон и Дебай получили формулу для изменения длины волны рассеянного излучения:

(комптоновская длина волны). Дебай написал эту формулу в несколько измененном виде. Это простое и наглядное объяснение эффекта в сильной степени способствовало укреплению представления о кванте света как частице, для которой Комптоном был предложен термин «фотон», ставший общеупотребительным.

К 1924 г. в науке о свете создалось тягостное положение, которое очень наглядно охарактеризовал О. Д. Хвольсон в своем докладе на IV съезде физиков в Ленинграде. Разделив мелом доску на две части А и В, он вписал на одной стороне факты, объясняемые волновой теорией света, на другой – факты, объясняемые квантовой теорией. «Ни волновая, ни квантовая теории, – говорил в связи с этим принимавший участие в съезде Эренфест, – не в состоянии охватить все области световых явлений». Всеобъемлющей теории света, как это констатировал Хвольсон, не было Однако эффект Комптона и опыт А ф. Иоффе и Н. И.Добронравова, о котором было сообщено на съезде, как будто перевешивали чашу весов в пользу квантовой теории. Эренфест в своем докладе рассказал о попытке построить квантовую теорию дифракционной решетки.

В 1924 г. Бор совместно с Г. Крамерсом и Дж. Слэтером написал статью «Квантовая теория излучения», опубликованную в 1924 г.

В поисках выхода из тяжелого положения авторы предложили даже отказаться от требования применения закона сохранения энергии к отдельным актам излучения и поглощения света атомом. Закон сохранения энергии должен выполняться лишь статистически, в среднем. Они ввели представление о виртуальном поле, индуцирующем квантовые переходы, и, полностью сохраняя волновые представления, пытались построить теорию квантовых эффектов. Однако гипотеза Бора, Крамерса и Слэтера была опровергнута экспериментами, в которых доказывалось, что каждый акт взаимодействия света с веществом подчиняется закону сохранения энергии. Выход, таким образом, Бором и его сотрудниками еще не был найден.

Рис. 76. Явление Комптона по снимку Комптона и Симона

Идеи де Бройля

В 1923 г. в докладах Парижской Академии наук были опубликованы три статьи французского физика Луи де Бройля: «Волны и кванты», «Кванты света, дифракция и интерференция», «Кванты, кинетическая теория газов и принцип ферма», в которых выдвигалась совершенно новая идея, переносящая дуализм в теории света на сами частицы материи.

Де Бройль рассматривает некоторый волновой процесс, связанный с телом, движущимся со скоростью v = βс. Эта волна обладает частотой, определяемой соотношением Е = hν = m(с)², и движется в направлении движения тела со скоростью u = c/β «Мы будем рассматривать ее лишь как фиктивную волну, связанную с перемещением движущегося тела». Де Бройль показывает далее, что для электрона, движущегося по замкнутой траектории с постоянной скоростью, меньшей скорости света, траектория будет устойчива, если на ней укладывается целое число таких волн Условие это совпадает с квантовым условием Бора: mvR = nh/2π. Скорость частицы v = βс является скоростью группы волн, обладающих частотами, мало отличающимися друг от друга и соответствующими частоте m(с)2/h Эта волна, которую де Бройль называл «волной фазы», пилотирует движение частицы, несущей энергию mс2, сама же фазовая волна энергии не несет. Гипотеза де Бройля позволяет «осуществить синтез волнового движения и квантов». Де Бройль утверждает наличие в природе волновых явлений и для частиц вещества. Он пишет: «Дифракционные явления обнаруживаются в потоке электронов, проходящих сквозь достаточно малые отверстия. Быть может, экспериментальное подтверждение наших идей следует искать в этом направлении».

Де Бройль указывает, что его новая механика относится к прежней механике, классической и релятивистской, «так же как волновая оптика относится к геометрической». Он пишет, что предложенный им синтез «представляется логическим венцом совместного развития динамики и оптики со времени XVII в.

25 ноября 1924 г. де Бройль защитил диссертацию «Исследования по теории квантов». Это время некоторые авторы считают началом возникновения идей волновой механики. Де Бройль впоследствии возражал, указывая, что он открыл волновую механику еще в 1923 г., «поскольку в своей диссертации лишь развил идеи, содержащиеся в моих статьях, написанных в сентябре – октябре 1923 г.». За открытие волновой природы электронов де Бройль был удостоен в 1929 г. Нобелевской премии.

Но тогда эти статьи не вызвали сразу широкого отклика. Содержащееся в них указание на дифракцию электронов прошло мимо экспериментаторов. Дифракция электронов была открыта через 5 лет после появления статей де Бройля вне всякой связи с ними и до известной степени случайно. Но на идеи де Бройля обратили внимание теоретики – Эйнштейн и Шредингер, с успехом развившие их в своих работах.

В своей статье «Кванты, кинетическая теория газов и принцип ферма» де Бройль, опираясь на исследования, проводимые в 1911—1913 гг. Планком, Нернстом, а также Саккуром и Тетроде, разрабатывает статистику газов и световых квантов. Саккур и Тетроде, начав в 1911—1912 гг. применение идей квантовой теории к газам, предложили считать элементарный фазовый объем газа равным h3. Планк подхватил эту идею и связал ее с теоремой Нернста, квантовый характер которой установил впервые он. Теперь де Бройль, используя свое представление о волнах материи, выводит закон распределения Максвелла для газов и формулу Планка для квантов света.

Возникновение квантовой статистики

2 июля 1924 г. индийский физик Шатьендранат Бозе (1894—1974) направил из Дакки (ныне столица Бангладеш) в немецкий журнал «Zeitschrift fur Physik» статью «Закон Планка и гипотеза световых квантов». Используя представление Эйнштейна о квантах как частицах, обладающих импульсом hv/c, гипотезу Саккура – Тетроде (эти имена ни де Бройль, ни Бозе не упоминают) и величину элементарного фазового объема, Бозе вводит новый метод статистического подсчета распределения объектов (в данном случае световых квантов) по состояниям. Бозе подсчитывает распределение не самих квантов, которые неразличимы, а ячеек, не содержащих ни одного кванта, содержащих один, два и т. д. квантов. Число таких распределений выражается формулой:

ячеек, p1 – число ячеек, содержащих один квант, р2 – число ячеек, содержащих два кванта, и т.д.

Статья Бозе заинтересовала Эйнштейна, и он сопроводил ее публикацию своим примечанием, помещенным в конце статьи: «Вывод формулы Планка, предложенный Бозе, является, по моему мнению, большим достижением. Использованный им метод дает также квантовую теорию идеального газа, которую я изложу в другом месте».

Эренфест рассказывал своим друзьям, что, начав читать статью Бозе, он отнесся к ней весьма неодобрительно. Но, прочитав в конце примечание Эйнштейна, он сказал себе: «Пауль, ты чего-то не понял». Эйнштейн же выполнил свое обещание и опубликовал в 1924—1925 гг. ряд статей по квантовой теории идеального одноатомного газа. Вклад, внесенный Эйнштейном в развитие статистики Бозе, оказался столь существенным, что ныне эту статистику называют статистикой Бозе – Эйнштейна. Из этих статей видно, с каким трудом пробивали дорогу новые идеи. Эйнштейн указывал, что «Эренфест и другие коллеги порицают теорию излучения Бозе и мою теорию идеального газа», и отвечал на критику, уточняя и развивая новую теорию. Пря этом Эйнштейн, который еще в 1909 г. рассматривал интерференционные флюктуации светового поля, вводит представление о таких флюктуациях и в теорию газа, считая, что «здесь речь идет не только о простой аналогии».

«Каким образом материальной частице или системе материальных частиц можно сопоставить (скалярное) волновое поле, – пишет Эйнштейн, – показал в своей работе Л. де Бройль, заслуживающей всякого внимания». При этом Эйнштейн ссылается на докторскую диссертацию де Бройля.

Эйнштейн был первым из крупных физиков, который поддержал идеи де Бройля и широко использовал их в своих исследованиях по квантовой статистике идеального одноатомного газа.

По-иному отнеслись к теории де Бройля Бор и его сотрудники по «копенгагенской школе». Бор, Гейзенберг, Паули искали выхода на путях построения математических схем, лишенных наглядности, но зато точно описывающих наблюдаемые факты. Такая математическая схема найдена была в 1925 г. Гейзенбергом. При этом Гейзенберг, как он отмечал в аннотации к статье «О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений», основывался «исключительно на соотношениях между принципиально наблюдаемыми величинами». В статье, представленной в редакцию «Zeitschrift fur Physik» 29 июня 1925 г., Гейзенберг предлагал «отказаться от всякой надежды на наблюдение до сих пор не наблюдаемых величин (таких, как положения, период обращения электрона)» и пытался «построить квантовотеоретическую механику, более или менее аналогичную классической механике, в которой встречались бы только соотношения между наблюдаемыми величинами».

Нельзя не отметить, что этот призыв Гейзенберга отказаться от «до сих пор не наблюдаемых величин» напоминает призыв Маха и Оствальда «отказаться от не наблюдаемых» атомов и электронов. Гейзенберг еще не сознавал, что речь идет не об отказе от понятия «не наблюдаемые» положения и скорости электрона, а об уточнении самого понятия «наблюдение» в применении к микромиру. Гейзенберг не знал также, что предуюженная им в статье математическая схема описания квантово-теоретических величин есть матричная алгебра. На это указал учитель Гейзенберга М. Борн, который вместе с П. Иорданом 27 сентября 1925 г. представил «Zeitschrift fur Physik» статью о матричной теории гармонического осциллятора.

В октябре того же года В. Паули разработал по новой теории проблему атома водорода. 26 ноября 1925 г. Борн и Иордан представили в «Zeitschrift fur Physik» «общую математическую теорию квантовой механики». В том же, 1925 г. П.Дирак выступил со своей схемой новой механики, развив особую символическую алгебру состояний и наблюдаемых величин. При этом существенно, что Дирак, ознакомившись со статьей Гейзенберга еще до ее публикации (Гейзенберг прислал ему препринт), обратил внимание не на методологическую установку Гейзенберга, а на нарушение гтинципа коммутативности для произведения величин, входящих в описание атомной системы. «Это в самом деле было более важно,– вспоминал позднее Дирак,– чем мысль Гейзенберга о построении теории на основе величин, тесно связанных с результатами экспериментов. Поэтому я,– продолжал Дирак, – сосредоточил свое внимание на мысли о некоммутативности, стремясь понять, как следует изменить обычную динамику, которой до сего времени люди пользовались, чтобы включить эту идею в теорию... Гамильтонова форма динамики оказалась как раз наиболее подходящей формой для включения некоммутативности, и не столь уж трудной задачей было найти способ сочетать эти мысли».

Открытие спина

В 1925 г. в физику было введено новое фундаментальное понятие спина. Это понятие было введено Уленбеком и Гаудсмитом, работавшими летом 1925 г. у Эренфеста в Лейдене. К этому времени В. Паули опубликовал свою работу, содержащую формулировку принципа запрета, носящего его имя. Паули показал, что квантовое состояние электрона характеризуется четырьмя (а не тремя) кващрвыми числами и что в этом состоянии может быть только один электрон. Статья Паули, содержащая формулировку его принципа, была опубликована в «Zeitschrift fur Physik» весной 1925 г. Еще ранее, в декабрьской книжке журнала «Die Naturwissenschaften» Паули указал, что для характерна тики состояния электрона необходимо четыре квантовых числа: главное квантовое число n, азимутальное квантовое число l и два магнитных числа m1 и m2. Гаудсмит рассказал Уленбеку об этой работе Паули. Узнав это, Уленбек высказал такую мысль, что электрон обладает еще одной степенью свободы, которая соответствует вращению электрона (спину).

«После его замечания о спине,– писал Гаудсмит, – мы сразу увидели, что полностью выясняется, почему ms всегда равно +1/2 или —1/2. Далее мы увидели, что все случаи расщепления Зеемана могут быть объяснены, если приписать электрону магнитный момент, равный одному целому магнетону Бора. Кроме того, стало ясно, что спин находится в полном соответствии с нашим новым толкованием спектра водорода».

Эренфест немедленно отправил статью Уленбека и Гаудсмита в «Die Naturwissenschaften». Она появилась в 13-м номере журнала за 1925 г. Улен-бек после консультации с Лоренцем выяснил, что скорость вращения электрона на экваторе для требуемого гипотезой момента должна быть больше скорости света, и потребовал возвращения статьи, но было уже поздно.

Паули очень неодобрительно встретил статью Уленбека и Гаудсмита. Еще ранее он отнесся отрицательно к аналогичной идее, высказанной Кронигом.

Бор и Гейзенберг, наоборот, проявили большой интерес к новой гипотезе, а после того как Томас вычислил на основе гипотезы спина значение дублетного расщепления, Паули снял свои возражения.

Таким образом, 1925 г. оказался годом рождения квантовой механики Гейзенберга и Дирака, годом рождения новой квантовой статистики Бозе – Эйнштейна, годом рождения принципа Паули и гипотезы спина.

Вольфганг Паули, один из активных деятелей современной физики, родился в Швейцарии 25 апреля 1900 г.

Он окончил Мюнхенский университет и, еще будучи студентом, написал статью-монографию «Теория относительности», опубликованную в Математической энциклопедии в 1921 г.

Рис. 77. Н. Бор и В. Паули

Успех публикации побудил издать ее отдельной книгой, вышедшей с предисловием А. Зоммерфельда в том же, 1921 г. Русский перевод ее вышел в 1947 г.

По окончании университета Паули работал в Геттингене (1921—1922), Копенгагене (1922—1923), Гамбурге и с 1927 г. в Цюрихе, в Высшем техническом училище (политехникуме). Открытие принципа Паули дало ключ к объяснению периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева и вместе с открытием спина послужило основой новой формы квантовой статистики для частиц, обладающих полуцелым спином. Эта статистика была создана Э. ферми, сообщившим о ней в короткой заметке 6 февраля 1926 г. и в статье «О квантовании идеального газа», опубликованной 26 марта 1926 г. Статья Дирака была представлена Лондонскому Королевскому обществу 26 августа того же года. Таким образом, 1926 г. был годом создания статистики ферми – Дирака.

Открытие принципа Паули было удостоено в 1945 г. Нобелевской премии.

В 1931 г. Паули предложил гипотезу новой частицы, названной по предложению ферми «нейтрино».

Умер Паули 16 декабря 1958 г.