Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
84
3.7. Квантовый атом
Итак, мы подошли, пожалуй, к самому трудному в нашей книге — к некоторым понятиям квантовой механики. Рассказывая о частицах и их регистрации, без таких представлений не обойтись. С другой стороны, сколько-нибудь подробно, даже на качественном уровне, изложить принципы квантовой теории здесь невозможно.
Придется избрать путь «веры», либо обратиться к другим популярным и специальным книгам, посвященным этому вопросу.
Многое из того, что мы знаем в классической механике, становится неверным в микромире.
Но есть и привычные понятия, на которые можно ориентироваться. В первую очередь это законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда. Они опираются на общие свойства пространства и времени, не меняющиеся вплоть до самых малых из изученных областей.
Поведение электронов в атоме резко отличается от того, что могла бы предсказать классическая физика. Начнем с наиболее простой из атомных систем — атома водорода, состоящего из одного электрона и положительно заряженного ядра. Для этого ядра Резерфордом был придуман специальный термин — «протон», от греческого слова «протос» — первородный. Он родился после того, как в серии экспериментов (1919 г.) Резерфорд и его сотрудники расщепили атомное ядро. В результате они пришли к выводу, что протоны являются составнойчастъю ядер любого элемента (строение атомного ядра мы будем обсуждать в следующих главах).
Протон (обозначают его символом р) в 1836 раз тяжелее электрона, его масса составляет 1,6726- 10~г7 кг, а заряд равен +е, так что между двумя частицами действует сила электрического притяжения, а атом в целом электрически нейтрален. Сейчас установлено, что абсолютная величина зарядов электрона и протона совпадает вплоть до 20-го знака!
Рассмотрим сначала классическое описание этой системы, которая по своим характеристикам полностью соответствует задаче двух тел, разобранной в конце второй главы. При полной энергии —E0 < 0 (см. рис. 3) электрон не может отойти от ядра на расстояние, большее г2, и система является связанной. Чтобы ионизировать атом, находя-
2* 35
щийся в таком состоянии,— т. е. оторвать от него электрон, необходимо сообщить ему дополнительную энергию +E0. Устойчивая круговая орбита электрона осуществляется при г = г0. И все было бы хорошо, но законы классической электродинамики предсказывают, что электрон очень быстро потеряет свою энергию и свалится на протон. В природе же ничего подобного не происходит.
А что говорит квантовая механика? По сравнению с классической теорией она ограничивает значения различных физических величин. Так, полная энергия E атома водорода может принимать не любое отрицательное значение, а вполне определенный ряд величин, которые носят еазвание энергетических уровней атома:
En=-^эВ*), (17).
п — пробегает натуральный ряд чисел: 1, 2, 3, . . Из формулы видно, что с ростом п расстояние межд уровнями уменьшается и при достаточно большом п они сливаются в непрерывный спектр. (При этом система уже не находится в связанном состоянии, так как E = 0.)
Состояние сп= 1,E = —13,6 эВ, когда атом водорода находится на самом нижнем энергетическом уровне, носит название основного состояния. В случае, когда атом получает извне некоторое количество энергии, например, попадает в электромагнитное поле, становится возможным переход электрона на один из более высоких уровней. Тогда говорят о возбужденном состоянии атома. Возвращение его в основное состояние происходит за время —Ю-8 с и сопровождается излучением электромагнитных волн.
И вот мы пришли к понятию квант, давшего имя ноіюй теории. Излучение, которое испускается или поглощается атомом при переходах между его состояниями с энергией
*) Придется привыкнуть к новой единице измерения анергии в мире элементарных частиц, которая называется электрон-вольтом (эВ). Один электрон-вольт равен энергии, приобретаемой частицей с зарядом є при прохождении ею разности потенциалов в один вольт.
Теперь несколько соотношений:
1 эВ = 1,6•1O-12 эрг = 1,6•1O-18 Дж, 1 кэВ = 103 эВ = 1,6.10-ы Дж, 1 МэВ = 10е эВ = 1,6.1O-13 Дж, 1ГэВ = 10s эВ = 1,6.10-и Дж,
36
f
E1 и Eh, имеет строго определенную частоту v и энергию hv = Ei — Еь (Ji — постоянная Планка, равная 6,6 х XlO-34 Дж-с или 4,1 •1O-16 эВ-с). Оно называется квантом элекгромагнитного излучения или фотоном *).
Квант, который может излучить атом водорода при переходе из состояния с E = 0 в основное состояние, имеет энергию 13,6 эВ и лежит далеко за границей види-
Рис. 8. Положение электрона в атоме водорода (основное состояние). По оси ординат отложена вероятность нахождения электрона на расстоянии г от ядра.
мого света. При переходе между возбужденными уровнями энергия фотона (в эВ)
AV = IS1B(^-JL).
где п — квантовое число нижнего, am — верхнего уровня. Например, для п = 2 и т = 4 квант hv = 2,55 эВ соответствует границе между зеленым и синим цветом. Согласно квантовой механике атом излучает лишь в момент перехода, и это снимает вопрос о непрерывном излучении и падении электрона на ядро.