Как и все великие естественно-научные открытия, новое учение о свете
имело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение о
непрерывности природных процессов, которое было основательно поколеблено М.
Планком, Эйнштейн "отбросил" в гораздо более обширной области физических
явлений.
Представление о квантах электромагнитного поля — фотонах — один из
наиболее фундаментальных вкладов в разработку квантовой теории. Уже поэтому
А. Эйнштейн должен рассматриваться как один из величайших ее создателей.
Теория А. Эйнштейна, развивающая взгляды М. Планка, позволила Н. Бору
разработать модель атома.
3)Теория атома Н.Бора.
В1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования
при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных
спектров, устранив тем самым противоречия, которые возникали при
планетарной модели атома Э. Резерфорда. Модель атома, предложенная
Резерфордом в 1911 г., напоминала солнечную систему: в центре находится
атомное ядро, а вокруг него но своим орбитам движутся электроны. Ядро имеет
положительный заряд, а электроны — отрицательный. Вместо сил тяготения,
действующего в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы.
Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в
периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов
электронов — атом электрически нейтрален.
Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что
электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В
то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны
излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро
потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро.
Следующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона
должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы
свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только
определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми.
Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказалась
несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла.
Модель атома Н. Бора, разрешавшая эти противоречия, базировалась на
планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой
теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную
на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:
1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний
(говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит)
электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая;
2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в
другое атом излучает или поглощает порцию энергии.
Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных
состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной
энергии.
Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода,
состоящего из одного протона и одного электрона трудностями. Чем подробнее
теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их
орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с
экспериментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой
теории, эти расхождения главным образом были связаны с волновыми свойствами
электрона. Т.е., следует учитывать, что электрон не точка и не твердый
шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в
зависимости от его состояния. При этом детали внутренней структуры
электрона неизвестны.
Следовательно, точно описать структуру атома на основании представления
об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких
орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы
электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а
таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная
плотность заряда больше, а в других — меньше.
Теория Н.Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого
этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру
атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом
новых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что
классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты,
связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физике,
нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг
экспериментальных данных.
Со временем выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует
понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме, в принципе,
нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с
событиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей в
макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических
явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-
ненаблюдаемой суммой уравнений.
4)Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике.
Представления А. Эйнштейна о квантах света, послужившие в 1913 г.
отправным пунктом теории Н. Бора, через 10 лет снова оказали плодотворное
воздействие на развитие атомной физики. Они привели к идее о "волнах
материи" и тем самым заложили основу новой стадии развития квинтовой
теории.
В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики:
французский физик Л. де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи.
В своей работе "Свет и материя" он писал о необходимости использовать
волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением
А. Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи.
Л. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными,
присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже
макроскопическим телам.
В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение,
определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера.
Английский физик П. Дирак обобщил его.
Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем "дуализме" частицы и волны
позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства
материи и света в их единстве. Кванты света становились при этом особым
моментом всеобщего строения микромира.
Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-
реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-
математический облик и получили благодаря немецкому физику М. Борну
символическое значение как "волны вероятности".
Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтверждении. Наиболее
убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало
обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К.
Дэвисоном и Л. Джермером.
Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим. Любой
материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и
волновых свойств.
Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна,
разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность,
заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как
волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два
описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для
того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления.
Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении
неопределенностей, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом, и
принципе дополнительности Н. Бора.
В своей книге "Физика атомного ядра" В. Гейзенберг раскрывает содержание
соотношения неопределенностей. Он пишет, что никогда нельзя одновременно
точно знать оба параметра — координату и скорость. Никогда нельзя
одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении
она движется. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где
частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени,
что частицу после этого невозможно найти. И наоборот, при точном измерении
скорости нельзя определить место расположения частицы.
С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностей
представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужно
иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и, в принципе, не можем
построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру.
Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать
микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических
процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое
толкование.
Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением
неопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н.Бор дал
следующую формулировку "Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то
же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами
происходящего".
С теоретической точки зрения, микрообъекты, для которых существенным
является квант действия М. Планка, не могут, рассматриваться так же, как
объекты макромира, ведь для них планковская константа h из-за ее малой
величины не имеет, значения. В микромире корпускулярная и волновая картин
сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. Обе
"картины" законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому
корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть
комплементарными. Только при учете, обоих аспектов можно получить общую
картину микромира.
Согласно современным представлениям, структура элементарных частиц
описывается посредством непрерывно возникающих и снова распадающихся
"виртуальных" частиц. Например, мезон строится из виртуального нуклона и
антинуклона, которые в процессе аннигиляции (лат. annihilatio, букв,
уничтожение) непрерывно исчезают, а затем образуются снова.
Формальное привлечение виртуальных частиц означает, что внутреннюю
структуру элементарных частиц невозможно описать через другие частицы.
Удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц
пока нет. Многие ученые считают, что такую теорию можно создать только при
учете космологических обстоятельств. Большое значение имеет исследование
