важнейшими этапами в процессе развития теоретических основ физики
микрочастиц.
Фундаментальный шаг в этом направлении был сделан Шредингером (1926). Он
предложил описывать движение микрочастиц (например, электронов) с помощью
волнового уравнения.
Уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера, по существу представляет собой
постулат нерелятивистской квантовой механики.
История открытия уравнения Шрёдингера в этом смысле весьма поучительна.
Титаны физики убедились в том, что электрон не занимает определённого
положения в атоме и не может двигаться там по какой-либо траектории.
Взамен этого они пока что усвоили довольно туманную идею о том, что при
движении в атоме электрон "расплывается". Эту расплывчатую идею Шрёдингеру
удалось выразить весьма точно на однозначном языке формул.
Уравнение Шрёдингера, как и всякий глубокий закон природы, нельзя вывести
строго из более простых законов. Его можно только угадать.
Шрёдингер впоследствии признался, что и сам не вполне понимает, как ему
удалось это сделать. Но после того, как уравнение угадано, надо ещё
научиться им пользоваться: надо знать, что означают все символы в уравнении
и какие явления в атоме они отображают. Всё последующее поколение физиков
тем и занимается до настоящего времени.
Таковы некоторые общие свойства волновых процессов, описываемых группой
волн получившее название соотношения неопределенности Гейзенберга . Пока
лишь укажем, что соотношение неопределенностей в квантовой теории является
проявлением корпускулярно-волнового дуализма. Согласно соотношению
неопределенностей всегда имеют место неточности или ошибки в теоретическом
предсказании координаты и импульса, причем всякая локализация частицы
связана с неизбежным размазыванием ее импульса. Очевидно, что это
обстоятельство делает невозможным предвычислить классическую траекторию
движения микрочастиц, т. е. квантовая теория вскрывает принципиально новые
свойства микрообъектов, не укладывающихся в рамки обычных классических
представлений движения материальных точек.
Первая интерпретация связи между корпускулой и волной была предложена
Шредингером. Согласно его гипотезе, частица должна представлять собой
образование из волн, причем плотность распределения такого сгустка волн в
пространстве равна .
Таким образом, по Шредингеру, волновая функция связана непосредственно
со структурой микрочастицы. Однако такая интерпретация волновой функции
оказалась несостоятельной.
Действительно, хотя теоретически всегда возможно с помощью суперпозиции
волн образовать волновой пакет с протяженностью в пространстве порядка
радиуса частицы (например, электрона), однако, фазовая скорость каждой
монохроматической волны,
образующей волновой пакет, различна. Благодаря этому волновой пакет с
течением времени начнет расплываться.
Корпускулярно-волновой дуализм, столь очевидный в эксперименте, создает
одну из самых трудных проблем физической интерпретации математического
формализма квантовой механики. Рассмотрим, например, волновую функцию,
которая описывает частицу, свободно движущуюся в пространстве. Традиционное
представление о частице, помимо прочего, предполагает, что она движется по
определенной траектории с определенным импульсом p. Волновой функции
приписывается длина волны де Бройля ? = h/p, но это характеристика такой
волны, которая бесконечна в пространстве, а потому не несет информации о
местонахождении частицы. Волновую функцию, локализующую частицу в
определенной области пространства протяженностью ?x, можно построить в виде
суперпозиции (пакета) волн с соответствующим набором импульсов, и если
искомый диапазон импульсов равен ?p, то довольно просто показать, что для
величин ?x и ?p должно выполняться соотношение
?x?p ? h/4?.
Этим соотношением, впервые полученным в 1927 Гейзенбергом, выражается
известный принцип неопределенности: чем точнее задана одна из двух
переменных x и p, тем меньше точность, с которой теория позволяет
определить другую.
Соотношение Гейзенберга могло бы рассматриваться просто как недостаток
теории, но, как показали Гейзенберг и Бор, оно соответствует глубокому и
ранее не замечавшемуся закону природы: даже в принципе ни один эксперимент
не позволит определить величины x и p реальной частицы точнее, чем это
допускает соотношение Гейзенберга. Гейзенберг и Бор разошлись в
интерпретации этого вывода. Гейзенберг рассматривал его как напоминание о
том, что все наши знания по своему происхождению – экспериментальные и что
эксперимент неизбежно вносит в исследуемую систему возмущение, а Бор
рассматривал его как ограничение точности, с которой само представление о
волне и частице применимо к миру атома.
БОЗОНЫ И ФЕРМИОНЫ.
Одним из принципиальных различий между частицами является различие между
бозонами и фермионами. Все частицы делятся на эти два основных класса.
Одинаковые бозоны могут налагаться друг на друга или перекрываться, а
одинаковые фермионы – нет. Наложение происходит (или не происходит) в
дискретных энергетических состояниях, на которые квантовая механика делит
природу. Эти состояния представляют собой как бы отдельные ячейки, в
которые можно помещать частицы. Так вот, в одну ячейку можно поместить
сколько угодно одинаковых бозонов, но только один фермион.
В качестве примера рассмотрим такие ячейки, или «состояния», для электрона,
вращающегося вокруг ядра атома. Электрон по законам квантовой механики не
может обращаться по любой эллиптической орбите, для него существует только
дискретный ряд разрешенных «состояний движения». Наборы таких состояний,
группируемые в соответствии с расстоянием от электрона до ядра, называются
орбиталями. В первой орбитали имеются два состояния с разными моментами
импульса и, следовательно, две разрешенные ячейки, а в более высоких
орбиталях – восемь и более ячеек.
Поскольку электрон относится к фермионам, в каждой ячейке может находиться
только один электрон. Отсюда вытекают очень важные следствия – вся химия,
поскольку химические свойства веществ определяются взаимодействиями между
соответствующими атомами. Если бы электроны были бозонами, то все электроны
атома могли бы занимать одну и ту же орбиталь, соответствующую минимальной
энергии. При этом свойства всего вещества во Вселенной были бы совершенно
другими, и в том виде, в котором мы ее знаем, Вселенная была бы невозможна.
Все лептоны – электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие им нейтрино –
являются фермионами. То же можно сказать о кварках. Таким образом, все
частицы, которые образуют «вещество», основной наполнитель Вселенной, а
также невидимые нейтрино, являются фермионами. Это весьма существенно:
фермионы не могут совмещаться, так что то же самое относится к предметам
материального мира.
В то же время все «калибровочные частицы», которыми обмениваются
взаимодействующие материальные частицы и которые создают поле сил являются
бозонами, что тоже очень важно. Так, например, много фотонов могут
находиться в одном состоянии, образуя магнитное поле вокруг магнита или
электрическое поле вокруг электрического заряда. Благодаря этому же
возможен лазер.
Спин. Различие между бозонами и фермионами связано с еще одной
характеристикой элементарных частиц – спином. Как это ни удивительно, но
все фундаментальные частицы имеют собственный момент импульса или, проще
говоря, вращаются вокруг своей оси. Момент импульса – характеристика
вращательного движения, так же как суммарный импульс – поступательного. В
любых взаимодействиях момент импульса и импульс сохраняются.
В микромире момент импульса квантуется, т.е. принимает дискретные значения.
В подходящих единицах измерения лептоны и кварки имеют спин, равный 1/2, а
калибровочные частицы – спин, равный 1 (кроме гравитона, который
экспериментально пока не наблюдался, а теоретически должен иметь спин,
равный 2). Поскольку лептоны и кварки – фермионы, а калибровочные частицы –
бозоны, можно предположить, что «фермионность» связана со спином 1/2, а
«бозонность» – со спином 1 (или 2). Действительно, и эксперимент, и теория
подтверждают, что если у частицы полуцелый спин, то она – фермион, а если
целый – то бозон
Спин электрона и принцип запрета Паули. В то время, когда формировались
идеи квантовой механики, для объяснения характеристик линейчатых спектров
атомов была выдвинута гипотеза спина электрона. Спектроскопия более
высокого разрешения показала, что многие линии представляют собой дублеты,
которые не удается объяснить, исходя из орбитального движения электронов.
Особенно показательный пример – дублет желтых линий натрия 589,0 и 589,6
нм, который четко разделяется даже простыми спектрометрическими приборами.
Для объяснения частого появления дублетов в линейчатых спектрах Дж.Уленбек
(1900–1988) и С.Гаудсмит (1902–1978) выдвинули в 1925 предположение, что
электрон имеет собственный момент импульса, или спин, т.е. его можно
представить себе вращающимся вокруг собственной оси одновременно с
вращением по орбите вокруг ядра, аналогично вращению Земли при ее движении
вокруг Солнца. Спин характеризуется еще одним квантовым числом, s.
Поскольку вектор спинового момента импульса имеет (2s + 1) различных
ориентаций, а наблюдаемая кратность энергетических уровней равна двум,
имеем (2s + 1) = 2, или s = 1/2. Проекции вектора s на некое выделенное
направление (направление внешнего магнитного поля) характеризуются спиновым
магнитным квантовым числом ms, которое может быть равно либо +1/2, либо
-1/2. Вращающийся вокруг собственной оси электрон подобен крошечному
магниту с магнитным моментом
[pic]
В конечном итоге получается 4 независимых квантовых числа, характеризующих
состояние электрона в атоме:
n – главное квантовое число;
l – орбитальное квантовое число;
ml – орбитальное магнитное квантовое число;
ms – спиновое магнитное квантовое число.
Хотя квантовая механика позволяет, если заданы квантовые числа, определить
энергию состояния и пространственное распределение электронной плотности
вероятностей (заменяющее орбиты в модели Бора), для фиксации числа
электронов в каждом состоянии требуются дальнейшие предположения.
В 1925 В.Паули (1900–1958) сформулировал «принцип запрета», который сразу
внес ясность в очень многие атомные явления. Он предложил простое правило:
в каждом отдельном квантовом состоянии может находиться только один
электрон. Это означает, что набор чисел, отвечающих данным n, l и ml,
зависит от n. Например, при n = 1 возможно лишь l = 0; следовательно, ml =
0 и единственное различие состояний связано с ms = +1/2 и -1/2. В таблице
приведены возможности, отвечающие различным n. Отметим, что в первой
«оболочке» (n = 1) имеются 2 электрона, в следующей оболочке (n = 2)
имеется 8 электронов, образующих две подоболочки, и т.д. Максимальное число
электронов в подоболочке равно 2(2l + 1), а максимальное число подоболочек
