От классических моделей атома к квантовой модели.

Открытиемикромира. В 1897 г. был обнаружен электрон, масса которого оказалась намного меньше массы атома. Открытие радио­активности показало, что атомы могут распадаться с выделением излучения и энергии. Под давлением этих фактов рухнула древняя идея о неделимости атома. Но если атом непрост, то какова его структура? Размышляя над этой проблемой, ученые стали предла­гать различные модели.

Атом как «булка с изюмом».Первая модель атома была построена английскими физиками В. Томсоном и Дж. Томсоном к 1903 г. Здесь положительный заряд равномерно заполнял всю сферу атома. Внутри ее пребывало мно­жество электронов с отрицательным зарядом, которые покоились или двигались вокруг центра. При устойчивом состоянии атома электроны располагались концентрическими слоями. Несмотря на наивность такой модели, представление о слоистом расположении электронов оказалось перспективным.

Планетарная модель атома.Японский физик Нагаока в 1904 г. пришел к выводу, что атом по своему строению напоминает Солнечную систему, где вокруг по­ложительного ядра вращается кольцо, состоящее из большого чис­ла электронов. Но признание такого движения делает атом неус­тойчивым, что противоречит очевидным фактам. Вот почему эта мо­дель сначала не привлекла должного внимания физиков. В 1909-1910 гг. в лаборатории английского физика Э. Резерфорда (1871-1937) провели опыты по рассеянию α-частиц (положи­тельно заряженные атомы гелия) тонким слоем вещества. Обна­ружились факты больших отклонений и даже отбрасываний назад α-частиц от неких центров с положительным электрическим заря­дом. Все это говорило о наличии положительного ядра атома. Резерфорд разработал новый вариант планетарной модели. В центре атома расположено ядро с размерами порядка 10-¹³ см. Вокруг него вращаются электроны, число которых таково, что общий заряд ато­ма равен нулю. И это число равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева.

Против планетарной модели были выдвинуты возражения. Со­гласно электродинамике вращающиеся электроны должны непре­рывно излучать электромагнитные волны, терять энергию и падать на ядро, что ведет атом к неустойчивости. Однако этого в природе не наблюдается. Кроме того, модель не могла объяснить вид эмпи­рически установленных атомных спектров.

Квантовая модель атома.В 1913 г. датский физик Н. Бор внес в плане­тарную модель принципиально новые идеи, выходящие за пределы классической физики. Они получили название постулатов Бора. Каждый электрон может совершать устойчивое движение по оп­ределенной орбите, не испуская и не поглощая электромагнитного излучения. Если электрон переходит с одной орбиты на другую, то он испускает или поглощает определенную порцию энергии, вели­чина которой кратна кванту hv. Такой переход не является посте­пенным и представляет собой квантовый скачок. При поглощении атомом излучения электрон переходит с внутренней, более близ­кой к ядру, орбиты на внешнюю, более далекую от ядра. При об­ратном переходе атом излучает фотоны с квантами энергии.

Факты подтверждают квантовую модель. Теория Бора удов­летворительно объяснила спектр водорода. Ее подтвердили опыты Франка и Герца по ионизации паров ртути ударами электронов. Если энергия последних была меньше некоторого критического значения, удары оказывались упругими. Когда энергия электронов достигала критического значения, удары становились неупругими, энергия полностью передавалась атомам ртути, они возбуждались и начинали излучать. Квантовая закономерность – стационарные состояния атома и квантовые скачки при переходах между ними – проявлялась здесь весьма явно.

Квантовая модель объясняет периодическую таблицу Менделе­ева. Квантовая теория Бора помогла представить строение слож­ных атомов. Любой атом представляет собой систему, образован­ную в результате последовательного присоединения электронов к ядру. Ядро имеет положительный заряд, равный Ze, где Z - поряд­ковый номер элемента в таблице Менделеева, е - заряд электро­на. При Z= 1 имеется атом водорода, а если Z=2, налицо атом ге­лия. Два электрона заполняют первую оболочку (К), следующие восемь электронов образуют Z-оболочку. М-оболочка также содер­жит восемь электронов. Затем следуют оболочки из 18-ти и 32-х электронов. Таким образом, то, что гениально угадал Менделеев, Бор объяснил теоретически, с помощью квантовых принципов. И все же теория Бора не объясняла того, откуда следуют определен­ные количества электронов в оболочках (2, 8, 16, 32). Этот пробел заполнил швейцарский физик В. Паули (1900-1958).

Принцип Паули, спин и квантовые числа. Исследуя факты раз­двоения спектров щелочных металлов, Паули в 1925 г. выдвинул гипотезу о том, что электрон на орбите может находиться в двух состояниях. Некоторые физики предложили связать их со спином (англ. spin - вращаться) как вращением электрона вокруг своей оси. Позднее выяснилось, что такого чисто механического движе­ния не существует, спин же характеризует две ориентации момен­та импульса и магнитного поля. Гипотеза Паули о двузначности электрона обрела ясный смысл, что подтвердили опыты Штерна и Герлаха. С этого времени спин стали выражать двумя квантовыми числами, а полное состояние электрона в атоме - четырьмя квантовыми числами. И здесь Паули предложил принцип, согласно ему в атоме не может быть двух или более электронов, для которых зна­чения всех четырех квантовых чисел одинаковы. Отсюда станови­лась понятной периодичность заполнения электронных оболочек. Если главное квантовое число (n), соответствующее порядковому номеру элемента периодической таблицы, равно единице, то воз­можны только два состояния электрона в атоме и оболочку К за­полняют два электрона. Для n = 2 число различных состояний рав­но восьми и оболочку Z заполняют восемь электронов и т. д. Перио­дическая система Менделеева получила полное теоретическое объ­яснение.

Принцип неопределенности.Квантовая механика стро­илась в двух формах и двумя разными методами. Де Бройль и Шредингер за основу взяли идею волнового процесса, которая во мно­гом соответствовала представлениям классической физики. Дру­гим путем пошел немецкий физик В. Гейзенберг (1901-1975). Тео­рию атома Бора он оценил как полуклассическую и решил ее раз­вить в строго неклассическом или чисто квантовом (дискретном) направлении. Такие элементы модели как: траектория движения электрона, электрон в виде точечноподобной частицы и т.п. долж­ны играть сугубо вспомогательную роль. За основу следует взять соотношения между величинами, которые непосредственно изме­ряются в опытах – частота излучения спектров, их интенсивность и т. п. «Ненаблюдаемые» же свойства в виде траектории движения элек­трона, скорости его движения и т.п. должны быть исключены из тео­рии. Немецкие физики М. Борн (1882-1970) и П. Иордан показа­ли, что идеям Гейзенберга соответствует математический аппарат в виде матричной алгебры. Как прямоугольная таблица со своими правилами матрица позволяет наилучшим образом выразить дис­кретный характер соотношений между величинами.

Основным элементом матричного формализма стала пара таких сопряженных величин как пространственная координата микрообъекта и его импульс. В 1927 г. в ряде мысленных экспериментов Гейзенберг оценил эту парную связку с точки зрения возможного измерения и получил соотношение неопределенностей: Δх·Δр=h, где Δх – неопределенность измерения координаты, Δр – неопределенность измерения импульса, h – постоянная Планка.

Не надо гнаться сразу за двумя зайцами. Принцип неопреде­ленности утверждает, что невозможно одновременно получить точную информацию о положении объекта и его импульсе. Или дру­гими словами, произведение неопределенностей в оценке положе­ния и импульса должно быть не больше постоянной Планка. Соотно­шение неопределенностей Гейзенберг объяснял тем, что микро­объекты обладают корпускулярными и волновыми свойствами, и этот дуализм не позволяет провести одновременные точные изме­рения. Кроме того, измерение микрообъекта с помощью других микрообъектов существенно изменяет свойства первого. Так, при изучении электрона частью экспериментальной установки высту­пают другие электроны или фотоны, и они оказывают сильное воз­действие на исследуемый электрон.

Роль ученого в микромире игнорировать нельзя. Эту мысль под­держал Бор. В микромире ученый не может наблюдать явления, не создавая при этом возмущения. Отсюда невозможно точное зна­ние поведения микрообъектов, здесь следует довольствоваться ве­роятностными предсказаниями. Принцип неопределенности вынуждает пересмотреть классическую версию объек­тивности, согласно которой объект исследования не зависит от эк­спериментального измерения (наблюдения). Состояние исследуе­мых микрочастиц существенно определяется тем, каким способом ученый наблюдает их. Этот способ включает не только приборы, но и теорию. «То, что мы наблюдаем, – это не сама природа, а при­рода, которая выступает в том виде, в каком она выявляется благо­даря нашему способу постановки вопросов» (Гейзенберг). Таким образом, экспериментатор-наблюдатель в некотором смысле созда­ет изучаемую реальность и этот вклад выражает принцип неопре­деленности.

Принцип дополнительности. Соотноше­ние неопределенностей Бор осмыслил в рамках более широкого принципа дополнительности. Он исходил из уже признанного корпускулярно-волнового дуализма. Здесь возможна ситуация взаимо­исключения, так как микрообъект не может в одно и то же время быть и частицей, ограниченной в малом объеме, и волной, распрос­траняющейся в большом объеме. Избежать противоречивого пред­ставления позволяет принцип неопределенности, который указы­вает границы применения волновой и корпускулярной картин. О частицах лучше говорить там, где налицо стационарные состояния. Там же, где речь идет об излучении атома, целесообразно пользо­ваться понятиями волновой механики типа «стоячая волна вокруг ядра». Они дают достаточно полную информацию об изменяющем­ся распределении зарядов в атоме. Волновая и корпускулярная кар­тины дополняют друг друга и в переходах ученого между ними пу­теводителем выступает принцип неопределенности.

Сначала измерять одного «зайца», затем другого. Принцип допол­нительности указывает на необходимость двух разных эксперимен­тальных установок. Если мы измеряем положение частицы с боль­шой точностью, то в это же время мы не можем получить точные сведения о ее импульсе. Стало быть, нужны два отдельных измере­ния, чтобы потом сложить их в общую картину. Пространственно-временное описание дает информацию о положении микрообъек­та, причинное же описание, связанное с другой приборной уста­новкой, приводит к точному знанию импульса. Дополняя друг дру­га, два данных измерения дают необходимую полноту.

Копенгагенская интерпретация или классическое понимание квантовой физики?Волновая механика и матрич­ная механика оказались математически эквивалентными форма­лизмами. Но вот их содержательное понимание оформилось в два полярных направления. Одно из них ориентировалось на мировоз­зренческую картину классической физики. Эйнштейн, де Бройль, Шредингер, Лоренц, М. Лауэ (Германия) и Д. Бом (США) выступили за то, чтобы сохранить в физике: а) идею объекта, полностью не зависящего от ученого; б) представление о непрерывных траекто­риях и волнах; в) лапласовский детерминизм с его гарантией точ­ного знания следствий. Де Бройль и Шредингер полагали, что во­лновая механика естественно вписывается в классическую физи­ку. Эйнштейн и другие доказывали ущербность и незавершенность квантовой теории.

Другое направление получило назва­ние «копенгагенской школы», так как лидером здесь был Бор, про­живавший в столице Дании – Копенгагене. Бор и его сторонники утверждали, что квантовая механика является завершенной и настоящей теорией. Здесь выявилось подлинное значение ученого как активного участника познания. Его влияние на исследуемый микрообъект через приборы и методы нельзя иг­норировать, что и зафиксировали принципы неопределенности и дополнительности. Объект микромира нельзя отделить от исследо­вателя, как это делалось в классической физике. И в то же время здесь нет и речи о каком-либо субъективном идеализме, ибо все естествоиспытатели признают, что «при­рода была до человека, но человек был до естествознания» (К. фон Вейцзеккер). По мнению Гейзенберга, квантовая теория учитывает особую специфичность микромира, ибо «в эксперимен­тах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повсед­невной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденции или возмож­ности, чем мир вещей и фактов».

Вероятностная парадигма. Копенгагенская школа доказала не­классический характер квантовой механики. Ключевым элементом в ней выступает волновая функция, которую Шредингер считал размазанным зарядом электрона. Но в 1926г. Борн предложил ве­роятностное толкование этой функции. По его мнению, волновая функция не представляет собой никакого физического объекта или явления и имеет лишь статистический смысл, заключающийся в том, что она выражает плотность вероятности пребывания микро­объекта в данном месте пространства. Такая трактовка получила широкое признание и стала почти общепринятой. Итак, квантовая механика в сути своей оказалась неклассической.

Индетерминизм. Копенгагенская школа признала статистичность сущностью квантовой теории. Бор и Гейзенберг говорили об индетерминизме микропроцессов в том смысле, что классическая причинность в них не действует. Лапласовский детерминизм утвер­дил динамические законы, где состояние отдельного тела (вещи, частицы) из настоящего времени строго и однозначно определяет его будущие состояния. Таких идеализированных законов в мик­ромире не оказалось. Даже один отдельный микрообъект пребыва­ет в таких состояниях, которые выражаются волновой функцией со статистическим смыслом. Этот вероятностный характер выте­кает из корпускулярно-волнового дуализма и соотношения неоп­ределенностей. Функция ψ определяет вероятность того, как проявит себя микрообъект при взаимодействии с приборной ус­тановкой.

Детерминизм или тоска по классической физике. Против инде­терминизма выступили «классицисты». Все они демонстрировали прочность старых мировоззренческих убеждений. По мнению Планка, познание закономерности природы невозможно без при­нципа причинности. Если множество микрообъектов подчиняется статистическим законам, то поведение одной или двух частиц до­лжно происходить по динамическим причинным законам. До них современная квантовая механика еще не дошла. В таком же духе высказывается Эйнштейн, полагая, что природа, как и Бог, не иг­рает в кости, если в наличии имеется малое количество частиц. Бом предложил существование «скрытых параметров», обнаружение которых вернет будущей физике детерминизм. Все попытки построения такой теории оказались безрезультатными.

Победа индетерминизма или вероятностно-статистического подхода.В ходе бурных дискуссий о природе квантовой механики победила копенгагенская школа. Бор и его сторонники убедили физическое сообщество в том, что неклассичность квантовой тео­рии, сконцентрированная в статистическом индетерминизме, обус­ловлена корпускулярно-волновым дуализмом, соотношением неоп­ределенности и взаимодействием исследуемых объектов с прибо­рами.

Принцип соответствиякак единство новых гипотез со старыми теориями. Бор указал на связь квантовой механики с классической физикой. Первая теория является более общей и фундаментальной, ибо учитывает тонкие явления, соразмерные постоянной Планка. Для макроявлений ве­личина h становится несущественной (равной нулю) и квантовая механи­ка переходит в классическую физику как в свою предельную и час­тную форму. Принцип соответствия определил своеобразное раз­деление: если квантовая теория описывает поведение микрообъек­та, то классическая физика представляет модель эксперименталь­ной макроустановки. Здесь проявляется принцип дополнительности.