16.4. Квантовая механика
16.4.1. Становление квантовой механики
В начале XX столетия были обнаружены две, казалось бы, не связанные между собой группы явлений, свидетельствующих, по мнению ученых того времени, о неприменимости классической механики Ньютона и классической теории электромагнитного поля - классической электродинамики - к процессам взаимодействия света с веществом и к процессам, происходящим в атоме. Первая группа явлений была связана с установлением на опыте двойственной природы света (дуализм света), вторая - с невозможностью объяснить на основе «классических» представлений устойчивое состояние атома, а также спектральные закономерности, открытые при изучении испускания света веществом. При этом рассматривалась только планетарная модель атома, разработанная Резерфордом. Установление связи между этими группами явлений и попытки объяснить их на основе новой теории и привели, в конечном счете, к открытию законов квантовой механики.
Впервые квантовые представления были введены в физику в 1900 г. в работе М.Планка, посвященной теории теплового излучения. Существовавшая в то время теория теплового излучения, построенная на основе классической электродинамики и статистической физики, приводила к бессмысленному результату, состоящему в том, что тепловое (термодинамическое) равновесие между излучением и веществом не может быть достигнуто, т.к. вся энергия рано или поздно должна перейти в излучение. Планк разрешил это противоречие и получил результаты, прекрасно согласующиеся с опытом, на основе новой смелой гипотезы. В противоположность классической теории излучения, рассматривающей испускание электромагнитных волн как непрерывный процесс, Планк предположил, что свет испускается определенными порциями энергии - квантами, и что величина энергии такого кванта зависит от частоты света v и равна:
£ = Av,
От этой работы Планка можно проследить две взаимосвязанные линии развития, завершившиеся окончательной формулировкой квантовой механики в 1927 г. Первая начинается с работы Эйнштейна 1905 г,, в которой была дана теория фотоэффекта - вырывания светом электронов из вещества. В развитие идеи Планка Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается порциями - квантами излучения, но и распространение света происходит такими квантами, т,е. свет состоит из отдельных порций - световых квантов, которые позднее были названы фотонами. Энергия фотона Е связана с частотой колебаний волны v соотношением Планка. На основании этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта, которые противоречили существующей тогда так называемой классической теории света. Американским
физиком А.Комптоном в 1922 г. было экспериментально доказано, что свет наряду с волновыми обладает и корпускулярными свойствами.
Вторая линия развития начинается с работы Эйнштейна 1907 г., посвященной теории теплоемкости твердых тел. Электромагнитное излучение представляющее собой набор электромагнитных волн различных частот, эквивалентно набору осцилляторов - колебательных систем. Излучение или поглощение волн эквивалентно возбуждению или затуханию соответствующих осцилляторов. Но осциллятор может иметь только определенный квантованный набор уровней энергий. Разность соседних уровней энергий должна равняться hv. Твердое тело эквивалентно набору конкретных осцилляторов.
Эти две линии послужили Н.Бору основой для приложения идеи квантования энергии к теории строения атома.
16.4.2. Атомистика и квантовая механика
Попытки решения проблемы структуры мира и структуры вещества были предприняты в глубокой древности, но до нас сведения о них почти не дошли. И хотя традиционно первые попытки создания атомизма мы относим к Древней Греции, на самом деле они были осуществлены за многие тысячелетия до этого.
Атомистические представления в древнем мире коррелировались с представлениями об эфире, но если эфиру приписывались лишь общие абстрактные свойства, то атомам приписывались уже некоторые конкретные характеристики, свойственные телам.
Эмпедокл из Агригента на Сицилии (490-430 гг. до н.э.) попытался объяснить окружающий мир на основе обобщенной теоретической системы. Очень важным было представление Эмпедокла о том, что из четырех тогда известных элементов -«земли» (твердь), «воды» (жидкость), «воздуха» (газ) и «огня» (энергия) образуются мельчайшие «осколки». Эти «осколки» можно соединять и таким образом получать различные вещества. Эмпедоклом выдвинуты идеи о «порах», «симметрии», «избирательном сродстве» - теоретические модели предполагаемого строения различных «осколков», отражающие их способность к соединению. Фактически Эмпедокл впервые ввел представления об энергии, растворенной повсеместно. Это представление было впоследствии использовано авторами идеи «теплорода» -особой жидкости, присутствие которой обеспечивает наличие температуры у тел. Древнегреческий философ Анаксогор (500-428 до н.э.) развил положения Эмпедокла и выдвинул учение о гомеомериях - «семенах вещей», которые он мыслил бесконечными по качеству и количеству. Каждый из элементов также состоит из бесконечного количества более мелких частиц.
Для развития естественнонаучных знаний была особенно важна конкретизация представлений о существовании необычайно малых частицах веществ. Это сделали Левкипп и Демокрит, сформулировав понятие об атомах. Их учение подняло представление о строении материи на новую ступень развития.
Левкипп (ок. 500-440 до н.э.) и Демокрит (ок. 460-370 до н.э.) создали атомистическое учение, опираясь на взгляды своих предшественников. По их мнению,
