Новые публикации: "Частота излучения фотона совпадает со средней частотой излучения электрона в переходе." >>> | ||
Шидловский Александр Игнатьевичкандидат технических наукATOM ВОДОРОДА – САМЫЙ ПРОСТОЙ ИЗ АТОМОВПродолжение теории Нильса Бора На этом сайте
продолжена теория атома водорода Бора, но не на языке квантовой механики,
а на основе классической физики. Раздел
1. Излучательный переход электрона в атоме Раздел 2. Переходы электрона с потерей орбитального Раздел
3. Угловые моменты электрона Раздел 4. Переходы электрона с ростом орбитального Раздел 5. Частота излучения фотона совпадает со средней ВведениеОчерк развития
микрофизики 1. АТОМНО – МОЛЕКУЛЯРНАЯ ТЕОРИЯ Согласно атомно-молекулярной теории все тела состоят из атомов. Более двух сотен лет ее развивали Бойль, Дантон, Лавуазье, Ломоносов, Гей-Люссак, Авогадро, Джоуль, Клаузиус, Максвелл, Лошмидт, Больцман, Гельмгольц и другие выдающиеся ученые … . Все это время атомы оставались ненаблюдаемыми величинами. Свойства атомов изучались не в прямых, а в косвенных измерениях. Это измерения, результат которых определяют на основании прямых измерений других величин, но связанных с изучаемой величиной известной зависимостью. В 1908 - 1910 годах после работ Эйнштейна, Смолуховского, Перрена, Резерфорда и других атомы перешли в разряд практически наблюдаемых величин, т.к. часть их характеристик стала наблюдаться в прямых измерениях, а характеристики, полученные в косвенных измерениях, прошли огромную научную и прикладную апробацию. 2. ATOM РЕЗЕРФОРДА За начало развития микрофизики примем 1910 год, когда Резерфорд начал работу по определению размера и заряда ядра. Резерфорд обобщил результаты группы своих сотрудников и предложил ядерную модель строения атома, в которой он достаточно точно оценил размер и заряд ядра. Определяя размер и заряд ядра, Резерфорд использовал косвенные измерения. В их основе лежало измерение отклонения альфа частиц при их прохождении через тонкие металлические листочки. Результаты анализа отклонения альфа частиц с применением методики косвенных измерений были апробированы много раз в других исследованиях, т.е. результаты Резерфорда по косвенному определению размера и заряда ядра прошли массовую научную и прикладную апробацию. Таким образом, примерно за три года исследований Резерфорд сделал ядро атома практически наблюдаемой величиной в отношении его размера и заряда, как если бы эти величины были определены в прямых измерениях. 3. ATOM БОРА – ЗОММЕРФЕЛЬДА 1. По теории атома водорода Бора, созданной в основном в 1913-1915 годах при использовании ядерной модели Резерфорда, электрон в атоме водорода вращается вокруг ядра по круговым стационарным орбитам. Каждая такая орбита характеризуется точными значениями радиуса , скорости , орбитального момента вращающегося по ней электрона. При этом
ħ – постоянная Планка, n – номер круговой стационарной орбиты или энергетического состояния, а также главное квантовое число. Величины , , не прошли массовой научной и прикладной апробации, поэтому они отнесены к ненаблюдаемым величинам. Энергия электрона на n-ой круговой стационарной орбите определяется выражением
е – заряд электрона, , эВ – радиус и энергия электрона на первой, круговой стационарной орбите. Энергия стационарного состояния электрона и длина волны λ излучения фотона, вычисляемые в теории Бора, определяются в прямых измерениях, поэтому они отнесены к наблюдаемым величинам. 2. Зоммерфельд продолжил в 1916 – 1918 годах теорию Бора. Он рассмотрел эллиптические стационарные орбиты электрона. Используя координаты в плоскости орбиты: радиус вектор r и азимутальный угол φ, Зоммерфельд получил квантовые числа и . Их сумма равна главному квантовому числу n теории Бора. Возможные значения азимутального квантового числа Зоммерфельда определяются для стационарных орбит условием
Зоммерфельд уточнил выражение орбитального момента электрона для стационарных эллиптических (и круговых) орбит
Полуоси стационарных эллиптических орбит (большая и малая ), скорость электрона и его орбитальный момент вычисляются посредством косвенных измерений. Эти величины не прошли массовой апробации, поэтому они отнесены к ненаблюдаемым величинам. Энергия стационарного состояния электрона и длина волны λ излучения фотона, вычисляемые уточненной теорией Зоммерфельда, определяются в прямых измерениях и относятся к наблюдаемым величинам. 4. РАБОТЫ ЛАНДЕ. КРИЗИС В МИКРОФИЗИКЕ В 1919 – 1924 годах исследования в атомной физике сместились к изучению тонкой структуры спектральных линий и эффекта Зеемана. В эти исследования большой вклад внес Ланде наряду с Зоммерфельдом и другими учеными. В 1919 году Ланде перенес в теорию атома векторное описание моментов импульса по аналогии с классической механикой. Было принято, что вектор момента атомного остова складывается с моментом импульса внешнего электрона. Это даёт вектор полного момента импульса атома. Но векторная модель встретилась с серьезной трудностью. В результате анализа экспериментальных данных спектроскопии Ланде и другие исследователи пришли к выводу: вопреки векторной модели для энергетических s уровней орбитальное квантовое число составляет не единицу, как это было в векторной модели, a ноль; т.е для p уровней , для d уровней и т.д. Связь орбитального квантового числа , с азимутальным квантовым числом Зоммерфельда дается соотношением
В 1923 году «полностью эмпирически» [4.1], за два года до возникновения квантовой механики Ланде находит выражение для углового (орбитального) момента электрона
Определение величины проводится в прямых измерениях, что позволяет отнести ее к наблюдаемым величинам. Расхождение в значениях пар величин , теории Бора – Зоммерфельда и , Ланде отмечено историком квантовой физики Джеммером: «Старая квантовая теория так и не смогла разрешить это противоречие» [4.2]. Примерно с 1920 года в атомной физике начинает утрачиваться представление о строении даже простейшего атома водорода. Считается, что к этому времени старая квантовая теория «...представляла собой ...скопление гипотез, принципов, теорем и вычислительных рецептов...» Под старой квантовой теорией понимаются результаты, полученные в атомной физике до 1925 года, когда начала развиваться квантовая механика [4.3]. В целом, такое состояние было названо кризисом в физике. 4.1) Биденхарн Л., Лаук Дж. Угловой момент в квантовой физике. Т. 2. М.: Мир, 1984. С. 317. 4.2) Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. М.: Наука, 1985. С. 134. 4.3) Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. М.: Наука, 1985. С. 196. 5. ПОСТРОЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ НА ОСНОВЕ НАБЛЮДАЕМЫХ ВЕЛИЧИН 1. К 1925 году состояние микрофизики было сложным, в частности, из-за расхождения теории атома водорода Бора – Зоммерфельда с экспериментальными данными, полученными при изучении тонкой структуры спектральных линий и эффекта Зеемана. Каждую теоретическую задачу микрофизики надо было решать на языке классической физики, а затем решения переводить на квантовый язык, придерживаясь принципа соответствия Бора. Такой перевод часто был делом догадки и интуиции. В истории развития физики кризисы в понимании природы происходили многократно. Преодолевались они медленным, «распутыванием» неясных мест и привлечением новых экспериментальных данных. В этом процессе участвовали наблюдаемые и ненаблюдаемые величины. 2. Зимой 1925 года 23-летний Гейзенберг начал работать в Институте Бора в Копенгагене. «С большой пользой для себя я постоянно следил за тем, как Бор развивал физическое толкование формул; я же предпочитал использовать формальный математический принцип ...» и здесь же Гейзенберг продолжает: «... я, презирая всякие наглядные картины, использовал свою формальную точку зрения на поставленную им проблему...» [5.1]. Отметим здесь следующее. Предпочтение «формального математического принципа» и «презрение ко всяким наглядным картинам» характеризует Гейзенберга скорее как математика, чем физика. Летом 1925 года Гейзенберг обобщил дискуссии с Бором и изложил свои мысли о новой, квантовой механике. Бор заинтересовался этой работой «... и уже не имел возражений против «радикального отказа от наглядных картин...» [5.2]. Бор так писал об этом в 1925 году: «В теории Гейзенберга делается попытка ..., чтобы на каждой стадии вычислений входили только величины, доступные непосредственному наблюдению» [5.3], т.е. в основу квантовой механики включаются только наблюдаемые величины. В сложной обстановке, сложившейся в атомной физике к 1925 году, Гейзенберг посчитал рациональным при построении квантовой механики стать на формальную точку зрения. Он включил в теорию только наблюдаемые величины, стараясь избежать ошибок, обусловленных наглядными, но возможно нереальными моделями. 3. Это не бесспорно. Более 300 лет Физика в своем развитии включала в теорию ненаблюдаемые величины, которые экспериментальной проверкой «сортировались» на наблюдаемые и ложные. Теория, пополнившись найденными наблюдаемыми величинами, вводила в свой объем новые ненаблюдаемые величины. Процесс «сортировки» практикой повторялся. Таким образом, теория развивалась методом проб и ошибок. Гейзенберг, включив в квантовую механику только наблюдаемые величины, сумел зафиксировать существующее состояние микрофизики, но заложил основание квантовой теории с пониженным потенциалом развития. 4. В связи с «обеднением» материала для построения квантовой механики (из-за отказа от ненаблюдаемых величин) Гейзенберг, по-видимому, вынужден был использовать мощный математический аппарат, основу которого составляли матрицы. Гейзенберг не был специалистом матричного исчисления, также как и его прежний руководитель, Борн, который обратился к математикам: Иордану, Винеру, Гильберту. Они с его помощью завершили матричный вариант квантовой механики, оказавшийся настолько сложным, что не мог адекватно восприниматься большинством физиков. В качестве наблюдаемых в квантовой механике Гейзенберг использовал энергию стационарного состояния , частоту, интенсивность излучения спектральных линий, угловой момент электрона Ланде. При этом как бы отпала необходимость рассматривать противоречие старой квантовой теории, поскольку в квантовую механику вошла пара величин и , а ненаблюдаемая пара и оказалась вне рассмотрения. Таким образом, на начальном этапе микрофизики Гейзенберг свернул с трехсотлетнего пути развития физики, где в теории сосуществовали как наблюдаемые, так и ненаблюдаемые величины. Шредингер в 1926 году развил волновой вариант квантовой механики, который основывался на тех же наблюдаемых величинах, что и матричный вариант. Используя только наблюдаемые величины, Шредингер продолжил движение Гейзенберга, отличное от обычного пути физики. В том же 1926 году Дирак закрепил это направление Гейзенберга, создав теорию представлений, из которой матричная и волновая механика следовали как некоторые виды абстрактной алгебры. 5. В соответствии с принципом своего построения квантовая механика не описывает движение частицы в пространстве и во времени. В отличие от классической механики, где можно указать одновременно значения механических величин: импульса, момента импульса, координат, энергии частицы, в квантовой механике можно указать лишь средние величин и вероятности их появления значения [5.4]. Таким образом, в
квантовой механике движение описывается статистически. «Это вполне соответствует тому, что квантовая механика
есть по существу теория статистическая...» 6. Квантовая механика завершила свое принципиальное формирование примерно к 1929 году. В дальнейшем плодотворно развивались её практические приложения в атомной технике, химии, физике твердого тела, электронике, оптике, и в других отраслях, что обусловлено способностью квантовой механики, указать средние значения величин и вероятность их появления. 7. Квантовая механика позволяет многое рассчитать в области микрофизических процессов, однако с ее помощью трудно понять само физическое явление. Приведем высказывание нобелевского лауреата за 1965 год Фейнмана: «…мне кажется, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает. ... Если сможете, не мучайте себя вопросом: Но как же так может быть? Ибо в противном случае вы зайдете в тупик, из которого еще никто не выбирался» [5.7]. Приведем взгляд профессора Мухина. Когда он знакомился с квантовой механикой, то был поражен, услышав слова профессора: «...понять квантовую механику невозможно, к ней можно только привыкнуть» [5.8]. Эту «непонятность» иллюстрирует Ферми, нобелевский лауреат за 1938 год. Он был на семинаре, где обсуждалась его теория бета-распада. «Я уже не могу уследить за высоконаучными теориями учеников Оппенгеймера. На их семинаре я был подавлен своей неспособностью, понять их», - говорит Ферми близкому другу Сегре, - «Утешила меня только последняя фраза: «В этом и состоит фермиевская теория бета-распада» [5.9]. Читатель сам ощутит эту «непонятность» квантовой механики, например, из описания прохождения фотонов через поляризаторы: «... каждый фотон, хотя и является неделимым квантом излучения, тем не менее, проходя между призмами Николя, должен все же «каким-то образом» расщепляться на две компоненты, которые затем вновь соединяются второй призмой Николя» [5.10]. Здесь, видимо, квантовая механика соприкасается с такими сторонами микрофизики, которые не описываются существующей теорией. 5.1) Нильс Бор. Жизнь и творчество. Сб. Статей. Составитель Франкфурт У.И. М.: Наука, 1967. С. 6. 5.2) Нильс Бор. Жизнь и творчество. Сб. Статей. Составитель Франкфурт У.И. М.: Наука, 1967. С. 9-10. 5.3) Нильс Бор. Избранные научные труды. Т. 2. М.: Наука, 1971. С. 22. 5.4)
Соколов А.А., Тернов
И. М., Жуковский В. Ч. Квантовая
механика. 5.5) Шпольский Э. В. Атомная физика. Т. 2. М.: Наука, 1984. С. 60-61. 5.6) Блохинцев Д. И. Основы квантовой механики. М.: Наука, 1983. С. 12-13. 5.7) Фейнман Р. Характер физических законов. М.: Наука, 1987. С. 117. 5.8) Мухин К. Занимательная ядерная физика. М.: Атомиздат. 1969. С. 75. 5.9) Сегре Э. Энрико Ферми. Физик. М.: Мир, 1973. С. 178-179. 5.10) Липкин Г. Квантовая механика. Перевод с англ. М.: Мир, 1977. С. 38. 1. В своей основополагающей работе Бор пишет в 1913 году: «Динамическое равновесие системы в стационарных состояниях можно рассматривать с помощью обычной механики, тогда как переход системы из одного стационарного состояния в другое нельзя трактовать на этой основе» [6.1]. Таким образом, по мысли Бора, процесс перехода электрона между стационарными орбитами (состояниями) нельзя рассматривать на основе механики. 2. Примерно в начале 1924 года Дирак … «впервые узнал о боровских орбитах», и он активно изучал их: «Большая проблема состояла в том, каким образом различные боровские орбиты в атоме взаимодействуют друг с другом. … Однако, эта работа оказалась по существу бесплодной и ни к чему не привела. Внезапный перелом произошел в 1925 году, когда Гейзенберг ввел свою матричную механику … . Мне в то время потребовалось много усилий, для того чтобы отказаться от боровских орбит» [6.2]. Можно видеть, что Дирак первоначально глубоко изучал «боровские орбиты» и, кроме того, пытался рассмотреть их «взаимодействие друг с другом», т.е. рассмотреть переход электрона между стационарными орбитами. Однако, после введения Гейзенбергом абстрактного, матричного подхода к теории атома Дирак «отказался от боровских орбит», хотя до того он был «их сильным приверженцем». 3. Вскоре после работы Гейзенберга появилась работа Шредингера, где он предпочел нейтральную математическую форму: «Не стоит даже упоминать насколько приятнее будет нам представление, что энергия при квантовом переходе переходит из одной формы колебаний в другую, чем представление о прыгающих электронах » [6.3]. Таким образом, мысль Бора о неприменимости «обычной механики» к рассмотрению перехода электрона между стационарными орбитами была закреплена последующими работами Гейзенберга, Шредингера, а затем и Дирака. 4. Это положение сохраняется в квантовой теории: «Теория Бора была наглядна в том, что касалось стационарных состояний … . Зато основной для физики атома процесс излучения … был лишен такой наглядности. Что означает скачок электрона с одной дозволенной орбиты на другую, … как представить течение этого процесса во времени? Электронным скачкам было трудно подыскать какую-либо аналогию в классической физике» [6.4]. Таким образом, возможность построения классической картины перехода электрона между стационарными орбитами (состояниями) остаётся не исследованной. 5. Отсутствие таких исследований, а также исторический опыт включения в теорию ненаблюдаемых величин обусловили нашу попытку продолжить теорию атома водорода Бора - Зоммерфельда («параллельно» квантомеханическому подходу) с того состояния, когда она была оставлена авторами примерно к 1925 году. Наша попытка возвращает микрофизику на обычный путь развития физики, где в теории сосуществуют как наблюдаемые, так и ненаблюдаемые величины. Особенность нашего подхода заключается в том, что мы предположили для атома водорода: 5.1. Переход электрона происходит по спирально уменьшающимся эллиптическим (или круговым) орбитам согласно обычной механике. 5.2. В переходе электрон постепенно теряет энергию с интенсивностью согласно электродинамике, испуская излучение фотона. Эта наглядная модель дала возможность применить для описания перехода электрона сравнительно простой аппарат классической физики. В нашей работе в качестве актуального направления теории атома водорода рассмотрен процесс излучательного перехода электрона между стационарными орбитами. Здесь использованы те же ненаблюдаемые величины, что и в теории Бора - Зоммерфельда: радиусы и полуоси стационарных орбит, орбитальный момент электрона Зоммерфельда. Эти ненаблюдаемые величины в случае научной и прикладной апробации могут стать практически наблюдаемыми, как это было с «ненаблюдаемыми» атомами в атомно-молекулярной теории и определением размера и заряда ядра Резерфордом. Реализуя попытку продолжить теорию атома водорода Бора - Зоммерфельда, нами опубликованы пять частей работы (пять Книг). В первой части рассмотрены переходы электрона 2p1s, 3d2p, 4f 3d, ... между соседними круговыми стационарными орбитами. Эти и другие переходы показаны на Рисунке 1.6.1. Здесь в переходе орбитальный момент электрона уменьшается [6.5]. По оси ординат слева дана энергия Е электрона в электрон-вольт (эВ). По оси ординат справа дано «относительное» значение энергии электрона:
По оси абсцисс (показана сверху) приведены значения азимутального квантового числа Зоммерфельда и орбитального квантового числа Ланде.
Рисунок 1.6.1. Упрощенная схема энергетических уровней и излучательных переходов электрона в атоме водорода. Эллиптические и круговые орбиты электрона показаны иллюстративно, ядро дано в виде точки. Большие полуоси эллиптических орбит условно даны одного размера. Во второй книге рассмотрены переходы электрона 4d2p, 5d2p, 6d2p между эллиптическими стационарными орбитами и второй круговой стационарной орбитой [6.6]. Эти переходы обусловливают образование линий серии Бальмера. В переходе орбитальный момент электрона также уменьшается. В третьей книге рассмотрены угловые моменты электрона: орбитальный, полный и спиновый. Показана связь этих моментов с орбитальным моментом электрона Зоммерфельда [6.7]. В четвертой книге рассмотрены переходы электрона 3s2p, 4s2p, 5s2p , ... между эллиптическими стационарными орбитами и второй круговой стационарной орбитой, обусловливающие образование линий серии Бальмера. Здесь в переходе орбитальный момент электрона увеличивается. Сопоставлены классический и квантомеханический подходы к образованию спектральной линии [6.8]. В пятой книге для линий серии Лаймана и Бальмера определена средняя частота излучения энергии электроном в течение перехода. Эта средняя частота оказалась равной частоте излучения фотона данного перехода. Определена величина действие в форме Лагранжа, Мопертюи и Гамильтона для движения электрона по стационарным орбитам.
В целом, в нашей работе на основе классической физики рассматриваются задачи, постановка которых обычно невозможна в квантовой механике из-за ее специфической «замкнутости», что обусловлено, видимо фактором отсутствия ненаблюдаемых величин. «... Заключив себя в рамки квантовой механики, мы построили себе дом без окон и дверей, что ...не очень понятно, дом это или тюрьма», – таково мнение нобелевского лауреата по физике за 1978 г. Салама А. [6.9]. В работе используется система СГС (гауссова система единиц), поскольку для области квантовой физики система единиц СИ достаточно «... неудобна» [6.10]. В ряде работ отмечается целесообразность использования системы единиц СГС в этой области. Мы благодарим за критический просмотр содержания первой, второй и третьей части нашей работы к.ф.-м.н. Егорова O.K., ., к.ф.-м.н. Дитлова В.А., д.ф.-м.н. Преснякова Л.П., которые дали стимулирующие рецензии и отзыв. Данное Введение может привлечь внимание работающих в области атомной физики, исследователей, студентов, а также заинтересованных читателей. 6.1) Нильс Бор. Избранные научные труды. Т. 1. М.: Наука, 1970. С. 90; аналогичные представления С. 1 95, 250. 6.2) Поль Дирак. Собрание научных трудов. Т.4. М.: Физматлит, 2005. С. 679-680. 6.3) Шредингер Э. Квантование как задача о собственных значениях. Первое сообщение. Ann. d. Phys., 1926, Bd. 79, 4, s. 375. 6.4) Л.С. Полак. Сб. статей: 50 лет квантовой механики. М.: Наука, 1979. С. 58. 6.5) Шидловский А.И. Атом водорода - самый простой из атомов. Минск: ВЭВЭР, 1997. С. 47-127. 6.6) Шидловский А.И. Атом водорода - самый простой из атомов. Часть вторая. М.: УРСС, 1998. С. 13-78. 6.7) Шидловский А.И. Атом водорода - самый простой из атомов. Часть третья. М.: Вестник, 2000. С. 13-63. 6.8) Шидловский А.И. Атом водорода - самый простой из атомов. Часть четвертая. M. BИCMA, 2002. С. 17-77. 6.9) Салам А. Успехи физических наук. 1969. Т. 99. В. 4. С. 573 6.10) Шпольский Э.В. Атомная физика. Т. 1. М.: Наука, 1984. С. 9. Подробнее с материалом можно ознакомится в разделах данного сайта, полностью материал изложен в опубликованных книгах. Автор с признательностью примет замечания и предложения по адресу: 127576, Москва, ул. Череповецкая, д. 14, кв. 168, по телефону: 8(499) 200-94-28, по эл. почте: E-mail:Shidlowsky@gmail.com Шидловскому Александру Игнатьевичу. По вопросу приобретения опубликованных книг можно обратиться по указанному здесь адресу. | ||
| ||
Использование материалов сайта допускается только с письменного разрешения автора. Copyright © 1997 - 2015 Шидловский А.И.
| ||