Текст книги "История лазера. Научное издание"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 27 (всего у книги 52 страниц)

Принцип исключения^[3]

Несмотря на свои очевидные успехи, в 1924 г. старая квантовая теория, которая в течение нескольких предшествующих лет, казалось, дает методы и принципы, способные помочь, по крайней мере, представить основы атомной феноменологии, столкнулась с трудностями. В этот момент Вольфанг Паули (19001958), отвечая на трудности теории, нашел отправную точку для введения нового и таинственного принципа.

Паули родился в Вене в семье врача, который стал профессором биохимии в Венском университете. Паули получил докторскую степень в университете Мюнхена под руководством Зоммерфельда, и после этого был ассистентом Борна в Гёттенгене в 19211922 гг. Желая встретиться с Бором, он по своей инициативе отправился в Копенгаген, где был с октября 1922 г. по сентябрь 1923 г., а затем переехал в Гамбург, где оставался до 1928 г., когда принял кафедру в Политехникуме Цюриха. За исключением военных лет, которые он провел в США, в �нституте перспективных исследований в Принстоне, он до своей смерти в 1958 г. оставался в Цюрихе.

Паули был РєСЂСѓРїРЅРѕР№, интересной Рё жизнелюбивой личностью. РљРѕРіРґР° РѕРЅ появлялся РЅР° людях его звучный Рё РёРЅРѕРіРґР° сардонический смех оживлял любое собрание. РћРЅ всегда появлялся СЃ новыми идеями. Паули начал СЃРІРѕСЋ научную карьеру РІ 21 РіРѕРґ, написав РєРЅРёРіСѓ Рѕ теории относительности Рйнштейна, которая РґРѕ СЃРёС… РїРѕСЂ остается лучшей РїРѕ этому предмету. Его вклад РІ квантовую теорию неоценим. РџРѕРґРѕР±РЅРѕ РґСЂСѓРіРёРј теоретикам РѕРЅ РЅРµ имел дела СЃ экспериментальными , приборами. Говорили, что РѕРЅ обладает мистической силой. Однажды РІ лаборатории профессора Франка РІ Гёттингене вышла РёР· строя, без какой Р±С‹ то РЅРё было причины, сложная установка для изучения атомных явлений. Р�зумленный Франк написал РѕР± этом факте Паули РІ Цюрих. Через некоторое время РѕРЅ получил ответ РІ конверте СЃ датской маркой. Паули писал, что РѕРЅ РЅР° поезде ехал Рє Бору, Рё РІ тот момент, РєРѕРіРґР° РІ лаборатории Франка случилась эта неприятность, его поезд останавливался РЅР° несколько РјРёРЅСѓС‚ РЅР° вокзале Гёттингена.

Как говорили РјРЅРѕРіРёРµ люди, Паули был совестью физики. РћРЅ хотел, чтобы люди понимали вещи РґРѕ конца, Рё высказывали РёС… правильным образом. РћРЅ РЅРёРєРѕРіРґР° РЅРµ уставал отвечать РЅР° РІРѕРїСЂРѕСЃС‹ Рё объяснять проблему любому, кто РїСЂРёС…РѕРґРёР» Рє нему СЃ вопросами. РќРѕ ему РЅРµ составляло труда выразить СЃРІРѕРµ неудовольствие, РєРѕРіРґР° РѕРЅ полагал, что слышит что-то неправильное. РћРЅ РЅРµ был хорошим лектором, поскольку РЅРµ был способен оценить, насколько восприимчива аудитория. Однажды студент осмелился прервать его Рё сказать: Р’С‹ говорите нам, что заключение тривиально, РЅРѕ СЏ РЅРµ РјРѕРіСѓ понять этого. РўРѕРіРґР° Паули сделал то, что РѕРЅ часто делал, РєРѕРіРґР° РѕРЅ обдумывал что-РЅРёР±СѓРґСЊ РІРѕ время лекции: ушел РёР· комнаты. Через несколько РјРёРЅСѓС‚ РѕРЅ вернулся Рё сказал: Рто тривиально Рё продолжал лекцию. Однажды его ассистент, специалист РІ области ядерной физики, Виктор Вайскопф (19082002) опубликовал статью, РІ которой содержалась ошибка, Рё Паули, утешая его, сказал: РќРµ принимайте это слишком близко Рє сердцу, РјРЅРѕРіРёРµ люди публикуют работы СЃ ошибками; СЏ РЅРёРєРѕРіРґР°! Как-то Вайскопф показал Паули только что опубликованную статью РїРѕ интересующему Паули РІРѕРїСЂРѕСЃСѓ. РћРЅ сказал: Да, СЏ тоже думал РѕР± этом, РЅРѕ СЏ рад, что РѕРЅ это сделал, так что РјРЅРµ теперь РЅРµ нужно делать это самому.

Р’ период времени, относящегося Рє нашей истории, РєРѕРіРґР° Паули был Сѓ Бора Рё стал интересоваться эффектом Зеемана, РѕРґРёРЅ РёР· коллег Паули сопровождал его РІ прогулке РїРѕ улицам Копенгагена. РћРЅ сказал Паули: Р’С‹ выглядите очень несчастным, Рё Паули ответил: Как же можно быть счастливым, РєРѕРіРґР° думаешь РѕР± аномальном эффекте Зеемана? Однако его размышления дали РІ 1924 Рі. важные плоды. Паули отказался РѕС‚ механического взгляда РЅР° атом Рё сосредоточил СЃРІРѕРµ внимание РЅР° квантовых числах, которые представляют состояния электронов. РћРЅ провозгласил, основываясь РЅР° долгом изучении эффекта Зеемана, что каждый электрон характеризуется набором квантовых чисел, Рё что РІ атоме позволено быть РЅРµ более чем РґРІСѓРј электронам СЃ РѕРґРЅРёРј Рё тем же числом. Попросту РіРѕРІРѕСЂСЏ, это означает, что РЅРµ более РґРІСѓС… электронов РјРѕРіСѓС‚ находиться РЅР° определенной орбите атома. Ртот принцип был назван Паули принципом исключения. Сразу же это правило позволило приписать электроны Рє различным энергетическим СѓСЂРѕРІРЅСЏРј Рё обосновать построение таблицы Менделеева. Ртот принцип позднее был продемонстрирован, используя квантовую механику, Рё Паули был награжден Нобелевской премией РїРѕ физике РІ 1945 Рі.

Спин электрона

Окончательная модификация старой квантовой теории СЃ последующими объяснениями экспериментальных наблюдений была обеспечена РІ РЅРѕСЏР±СЂРµ 1925 Рі. Р“. Уленбеком (1900-1988) Рё РЎ. Рђ. Гоудсмитом (1902-1978), которые открыли, что электрон вращается РІРѕРєСЂСѓРі своего центра РїРѕРґРѕР±РЅРѕ Земле Рё подобен маленькому элементарному магниту. Величину, характеризующую это вращение электрона, называют его СЃРїРёРЅРѕРј, Р° характеризующую его магнитные свойства его магнитным моментом. Уленбек Рё Гоудсмит нашли, что СЃРїРёРЅ электрона РІ соответствующих единицах имеет значение h/4π. Р’ то время РёРј было РїРѕ 20 лет, Рё РёС… открытие было следствием скрупулезных изучений атомных спектров.

Георг Уленбек родился РІ Батавии (теперь Джакарта) РІ семье голландского военного Рё некоторое время оставался РІ Голландской Р�РЅРґРёРё (теперь Р�ндонезия). Поэтому молодой Георг поступил РІ начальную школу РЅР° Суматре. Р’ 1907 Рі. его семья переехала РІ Нидерланды Рё поселилась РІ Гааге. Р’ 1919 Рі. Уленбек поступил РІ Лейденский университет для изучения физики Рё математики Сѓ Пауля Рренфеста, Сѓ голландского физика Хайке Камерлинг Оннеса (18531926) (первооткрывателя РІ области РЅРёР·РєРёС… температур, впервые получившего жидкий гелий Рё открывшего явление сверхпроводимости, Р·Р° что был РІ 1913 Рі. награжден Нобелевской премией), Рё Сѓ X. Лоренца. Между 1922 Рё 1925 РіРі. РѕРЅ посещал Р РёРј, РіРґРµ был частным учителем молодого сына голландского посла. Р’Рѕ время этих посещений РѕРЅ выучил итальянский язык, стал РґСЂСѓРіРѕРј Р. Ферми (1901-1954) Рё глубоко изучал историю. РљРѕРіРґР° РѕРЅ оставлял Р РёРј для возвращения РІ Нидерланды, серьезно раздумывал РЅРµ оставить ли физику ради истории. РћРЅ обсуждал эту проблему СЃРѕ СЃРІРѕРёРј дядей, который был известным лингвистом, экспертом РІ области языков американских индейцев, Рё профессором Лейденского университета. Его РґСЏРґРµ эта идея показалась привлекательной, РЅРѕ РѕРЅ полагал, что лучше сначала получить докторскую степень РїРѕ физике, поскольку Уленбек уже достаточно далеко продвинулся РІ этой области. Рренфест также согласился СЃ этим, РЅРѕ считал, что РѕРЅ должен познакомиться СЃ тем, что РІ это время происходило РІ физике. Поэтому РѕРЅ РІР·СЏР» Уленбека Рє себе РЅР° работу, СЃ тем, чтобы РѕРЅ научился РѕС‚ Гоудсмита тому, что Паули называл спектрозоологией, С‚.Рµ. изучением спектров.

Самуэль Абрагам Гоудсмит родился РІ Гааге РІ семье преуспевающего купца Рё СЃ 11 лет РїСЂРѕСЏРІРёР» интерес Рє физике, читая РєРЅРёРіРё. Его особенно потрясало то, как спектроскопия показывает, что звезды состоят РёР· тех же элементов, какие имеются РЅР° Земле. Р’ университете РѕРЅ учился Сѓ Рренфеста, проявляя скорее интуитивный, чем аналитический СЃРїРѕСЃРѕР± мышления.

Уленбек позднее говорил: Сэм никогда не был ясно мыслящим человеком, но обладал замечательным талантом взять беспорядочные данные и дать им правильное направление. Он был волшебником в области криптограмм. �. Раби добавлял: Он размышлял как детектив. Он и есть детектив. Гоудсмит действительно когда-то проработал девять месяцев детективом.

Р’ 1920 Рі. Рренфест рекомендовал Гоудсмиту посетить Пашена РІ Тюбингене, который РїСЂРѕРІРѕРґРёР» СЃРІРѕРё исследования РїРѕ спектроскопии. РќР° следующий РіРѕРґ, летом, РѕРЅ СЃРЅРѕРІР° был РІ Тюбингене, Рё Пашен ввел его РІ спектроскопические методики. Р’СЃРєРѕСЂРµ РѕРЅ стал очень способным РІ обращении СЃ квантовыми числами Рё объяснениями наблюдаемых спектров. Р’ начале 1925 Рі. РѕРЅ опубликовал работу, РІ которой показал, что можно упростить применение принципа Паули, используя получисленные квантовые числа Ланде, Рё что РѕРґРЅРѕ РёР· этих чисел всегда имело значение +1/2 или 1/2. Р’ это время Рренфест РїРѕРїСЂРѕСЃРёР» Уленбека Рё Гоудсмита работать вместе; Гоудсмиту, чтобы РѕРЅ РѕР±СЉСЏСЃРЅРёР» Уленбеку магические вычисления СЃ квантовыми числами, Р° Уленбеку, чтобы РѕРЅ обучил Гоудсмита некоторой физике Рё показал ему, что РѕРЅР° состоит РЅРµ только РёР· манипуляций СЃ квантовыми числами.

В августе 1925 г. эти два человека стали близкими друзьями, сохранив эту близость на всю жизнь. Они стали регулярно встречаться в Гааге и в одной из встреч в конце лета Гоудсмит рассказывал Уленбеку о принципе Паули, используя получисленные квантовые числа Ланде. Уленбек сразу же понял, что все электроны ведут себя так, как если бы они кроме вращения вокруг атомного ядра также вращались сами по себе (спин). В сентябре теория была завершена, и эти два исследователя показали, что эта концепция также объясняет нормальный и аномальный эффект Зеемана.

Американский физик венгерского происхождения Р . РљСЂРѕРЅРёРі (19041995), который путешествовал РїРѕ Р�талии Рё также был РґСЂСѓРіРѕРј Ферми, уже сформировал такую же идею относительно СЃРїРёРЅР°. РљСЂРѕРЅРёРі имел несчастье спросить мнение Паули, Рё Паули убедил его, что его гипотеза лишена любых оснований Рё высмеял идею, РіРѕРІРѕСЂСЏ, что РѕРЅР° конечно, очень СѓРјРЅР°, РЅРѕ, разумеется, РЅРµ имеет ничего, что делало Р±С‹ ее достоверной. Р’ результате РљСЂРѕРЅРёРі отказался РѕС‚ нее. РљРѕРіРґР° Уленбек Рё Гоудсмит узнали Рѕ критике Паули, которая представлялась справедливой, РѕРЅРё хотели забрать СЃРІРѕСЋ статью, уже посланную для публикации, РЅРѕ Рренфест сказал РёРј, что поскольку РѕРЅРё молоды, то РјРѕРіСѓС‚ позволить себе совершить ошибку. РћРґРЅРѕ РёР· возражений, например, заключалось РІ том, что если для размера электрона использовать формулу X. Лоренца, то для получения вращательного углового момента нужно приписать столь быстрое вращение, РїСЂРё котором скорость внешней поверхности электрона превышает скорость света. Работа РЅРµ была отозвана Рё опубликована, Р° критика Паули осталась безосновательной.

После великого открытия спина Уленбек в 1927 г. эмигрировал в США, в университет Мичигана. В середине 1930-х гг. вернулся в Нидерланды, где стал приемником Крамерса в университете Утрехта. В 1939 г. он возвратился в Мичиганский университет. С 1960 г. работал в Рокфеллеровском институте в Нью-Йорке, был иностранным членом �тальянской Академии.

Гоудсмит также эмигрировал РІ 1932 Рі. РІ РЎРЁРђ РІ Мичиганский университет. Р’ течение Второй РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹ РѕРЅ работал СЃ радарами, Р° позднее возглавил очень секретную РјРёСЃСЃРёСЋ РїРѕРґ кодовым именем Алкос. Рта РјРёСЃСЃРёСЏ следовала Р·Р° наступающими войсками СЃРѕСЋР·РЅРёРєРѕРІ РІ Европе, Р° РІ некоторых случаях Рё опережала РёС…, чтобы узнать уровень работ РїРѕ созданию немцами атомной Р±РѕРјР±С‹. Было установлено, что немецкие ученые РЅРµ достигли больших успехов РІ этой области, Рё Гитлер РЅРµ РјРѕРі иметь этого оружия РґРѕ конца РІРѕР№РЅС‹. Гоудсмит написал РѕР± этой РјРёСЃСЃРёРё РєРЅРёРіСѓ РњРёСЃСЃРёСЏ Алкос.

В заключение мы можем видеть, что полное развитие квантовой механики в течение ряда лет дало адекватную трактовку поведения атомов и молекул. Для нас, однако, то, что было описано, достаточно, чтобы понять главные факты. Мы можем представить себе атомы и молекулы в виде сложных систем, которые могут находиться в нескольких энергетических состояниях. В простейшей системе, атоме, эти энергетические состояния образуются его электронами. Разность энергии между орбитами электронов соответствует фотонам, испускаемым в видимом и ультрафиолетовом диапазонах спектра. Однако энергия, соответствующая данной орбите, может изменяться за счет возмущения, вызываемого разными причинами. �ми могут быть взаимодействия магнитного момента электрона (из-за спина) с магнитными моментами, получающимися при их вращении вокруг ядер, или с магнитным моментом самого ядра, или под действием внешних магнитных полей (эффект Зеемана), или электрических полей (эффект Штарка). В результате этих взаимодействий энергетический уровень невозмущенной орбиты расщепляется на несколько подуровней, которые слегка различаются по энергии. Переходы, которые могут быть между этими подуровнями, соответствуют т.н. тонкой или сверхтонкой структуре, и длины волн, соответствующие этим переходам, лежат в инфракрасном или радиочастотном диапазоне спектра.

Молекулы более сложные системы, состоящие РёР· атомов. РљСЂРѕРјРµ электронных уровней, РѕРЅРё РјРѕРіСѓС‚ иметь Рё РґСЂСѓРіРёРµ энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё РІ результате вращательных движений, Р° также РёР·-Р·Р° того, что атомы, входящие РІ РёС… состав, РјРѕРіСѓС‚ колебаться относительно своего положения равновесия. Согласно квантовой механике, энергии, соответствующие этим вращательным Рё колебательным движениям, также квантованы. Таким образом, получается, что любая электронная конфигурация обладает набором энергетических уровней, которые можно назвать вращательно-колебательными. Рнергии, которые соответствуют скачкам между этими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё РІ определенной электронной конфигурации, очень малы, Рё РёРј соответствуют длины волн инфракрасного Рё микроволнового диапазонов.

Р�так, РІ спектре любой субстанции РІСЃРµ линии РІ РІРёРґРёРјРѕРј Рё ультрафиолетовом диапазоне, РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј, получаются РёР·-Р·Р° электронных переходов, РІ то время как линии РІ инфракрасном Рё микроволновом диапазонах получаются РёР·-Р·Р° вращательно-колебательных уровней, или между РїРѕРґСѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё тонкой Рё сверхтонкой структуры, или между РїРѕРґСѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, которые получаются РІ результате эффектов Зеемана Рё Штарка. Рто правило РЅРµ совсем строгое, поскольку энергии, соответствующие высоко возбужденным электронным СѓСЂРѕРІРЅСЏРј (СѓСЂРѕРІРЅРё электронов, лежащим далеко РѕС‚ СЏРґСЂР°, которые часто называют ридберговскими), мало отличаются, Рё переходам между РЅРёРјРё соответствуют волны инфракрасного Рё микроволнового диапазонов. РњС‹ РЅРµ будем рассматривать этот случай.