Квантовая механика
Лектор Л. Максимов
Название “световые волны” давно уже не кажется грамотному человеку странным, хотя наш глаз не различает абсолютно никаких волн в световых лучах. Мы видим только, что трава зеленая, небо над нами голубое, а облака, бегущие по нему, белые.
Но волновая природа света подтверждена таким количеством убедительнейших фактов, что сомневаться в ней не приходится. Основным доказательством ее являются дифракционные кольца.
Если поставить на пути световых лучей ширму с очень маленьким отверстием (диаметром около микрона), то на экране за ширмой можно отчетливо различить чередующиеся темные и светлые кольца. Они получились вследствие дифракции — огибания лучами света встречных препятствий. Точно доказано, что только волны могут вызывать явление дифракции. Поэтому приходится признать, что есть много общего в таких отдаленных вещах, как ослепительный блеск солнца и медленно расходящиеся по спокойной глади пруда волны.
И свет и волны на воде характеризуются одними и теми же величинами, только величины эти измеряются разными числами. Расстояние между двумя соседними гребнями волн —это длина волны. На воде она измеряется метрами, а у видимого света колеблется от четырех до семи стотысячных долей сантиметра. Скорость движения гребня волны по поверхности воды исчисляется всего-навсего несколькими метрами в секунду. Лучи же света несутся в пустоте с колоссальной скоростью, выше которой в природе не существует, — 300 тысяч километров в секунду.
Все эти цифры и факты были проверены сотни и тысячи раз десятками ученых разных стран. Казалось, не может быть больше сомнений в справедливости волновой природы света, как вдруг…
Это самое “вдруг” в науке встречается довольно часто.
…Как вдруг почти одновременно несколько открытий в огромной степени поколебали стройное здание волновой теории.
Одним из наиболее сильных подземных толчков, от которого это сооружение покачнулось и дело угрожающие трещины, было открытие фотоэффекта. Само явление фотоэффекта просто, но вот объяснение его составило сложнейшую задачу.
Когда лучи света попадают на поверхность металла, то из нее начинают вырываться электроны. Казалось, в этом нет ничего особенного. Ведь любая волна (и световая в том числе) несет с собой определенную энергию. “Ударяясь” о поверхность металла, она отдает эту энергию его электронам, “раскачивает” их и даже “вырывает” из общей массы металла, подобно тому, как в бурю волны разрушают прибрежные скалы. Действительно, пока ничего необычного нет. Необычное начиналось дальше. Представьте себе, что буря на море разыгралась на на шутку. С грозным ревом обрушиваются могучие волны на берег, дробя скалы и высоко в небо взметая тучи брызг и осколки камня. Удары волн все крепнут, и все выше взлетают в небо кусочки гранита, все с большей силой и скоростью разлетаясь вокруг…
А опыты говорят, что как бы ни “бушевали” световые волны, как бы ни увеличивалась интенсивность освещения, “осколки” металла— электроны — “взлетали” на прежнюю высоту, вылетали с прежней скоростью.
Было от чего растеряться… Что же это? Выходит, световые волны не волны… А что же они тогда?
Дело обстояло так, словно не волны, а тысячи мельчайших пуль вгрызались в поверхность металла, “вырывая” из нее электроны. И чем больше пуль ударялось в металл, тем больше вылетало электронов. Но скорость их отнюдь не менялась, ведь сила удара каждой отдельной пули оставалась прежней!
Выходит, что свет — это не непрерывная волна, а поток мельчайших частиц, несущих с собой порции энергии. Но как же тогда дифракция, интерференция и десятки других доказательств волновой природы света? От этого голова может пойти кругом!
Именно здесь мы подошли к тому самому месту, где классическая “прямая” переходит в “ломаную” квантовой механики. Единая природа света в явлениях дифракций и фотоэффекта проявляет себя по-разному.
Свег — это и волны и поток частиц — смотря по обстоятельствам.
Пока мы изучаем поведение света в макромире — мире больших масштабов,— он ведет себя как волна; но в явлениях микромира, в явлениях атомных масштабов свет — это поток мельчайших частиц, квантов света, фотонов. Оба эти проявления природы света ничуть не противоречат и не мешают друг другу. Они попросту никогда не сталкиваются друг с другом. Там, где свет ведет себя как поток частиц, в нем нет ничего волнового. А там, где свет — это волны, и следа не найдешь каких-нибудь частиц. Совсем как в примере с нашей прямой: для невооруженного глаза она прямая без всякого намека на изломы, а под микроскопом— явная ломаная, ничего общего не имеющая с прямой.
КВАНТЫ ВЕЩЕСТВА И ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Прерывистое строение вещества уже давно не вызывало сомнений у ученых. С развитием науки менялись лишь кванты вещества. Когда-то наименьшими возможными частицами считались молекулы. Позднее ученые познакомились с атомами и даже так и назвали их — неделимые (по-гречески, «атомос» — неделимое). Сегодня на смену прочному и незыблемому атому пришли десятки элементарных частиц: электроны, протоны, нейтроны, мезоны, гипероны и другие.
Познакомиться поближе с их обширным семейством не так-то просто, — частиц много. Все они на сегодняшний день кажутся нам элементарными, а завтра…
Возможно, что завтра будет открыто их сложное строение и квантами будут считаться какие-то другие частицы.
Но что же сегодня мы принимаем за квант вещества? Что представляет собой, к примеру, электрон?
Когда заходит о нем речь, мы обычно говорим: электрон «вращается» вокруг ядра; в электронной лампе «поток» электронов «летит» к аноду, «бомбардирует» его; нагревание металлов при пропускании электрического тока является результатом «ударов» электронов об атомы и т. д.
На что же похожи эти электроны, которые «летят», «вращаются» и «бомбардируют», «поток» которых может наносить «удары»? Как же их можно себе представить? Воображение быстро приходит на помощь: это должен быть какой-то шарик, крупинка, частица. Вот именно — частица! Лучшего слова не придумаешь!
Этот вывод физики доказали со всей неопровержимостью и строгостью. Они даже измерили и взвесили электрон. Больше того, они придумали прибор, при помощи которого полетом отдельного электрона можно любоваться почти с таким же удобством, как и полетом праздничных ракет. Этот чудесный прибор — камера Вильсона, в которой электрон оставляет за собой туманный след, подобный белым лентам, тянущимся за пролетающим высоко в небе самолетом. След можно рассмотреть, можно сфотографировать.
Одновременно ученые установили, что электрон всегда и везде обладает одним и тем же отрицательным электрическим зарядом. Замечательно, что заряда, меньше заряда электрона, обнаружить не удалось. Выходит, электрон не только квант вещества, но и квант отрицательного электричества!
На основании тысячи убедительных фактов, накопленных наукой, можно твердо заявить, что электрон — это движущаяся электрически заряженная частица, имеющая вполне определенную, измеренную массу и определенный и измеренный отрицательный заряд.
Это кажется непреложным и неоспоримым!
ЭЛЕКТРОН —ЭТО ЧАСТИЦА ИЛИ ВОЛНА!
После всего сказанного несколькими строчками выше заголовок нового раздела кажется неумной и неуместной шуткой.
Но не спешите с выводами, не забывайте, что мы с вами находимся в необыкновенном, почти волшебном мире, где «прямые» переходят в «ломаные», а «черное» превращается в «белое».
Изучая свойства электронов, ученые миллионами бросали их в космическую пустоту откачанных стеклянных баллонов, топили в волнах магнитных и электрических полей, мощной лавиной устремляли на неприступные твердыни антикатодов рентгеновских трубок. Электроны держались стойко. Сквозь десятки и сотни испытаний прошли они не дрогнув, не потеряв своего лица, в любых бедах оставались самими собою — частицами.
Но изощренный ум ученых поставил на их пути еще одно невиданное препятствие — тончайшую золотую пластинку, толщиной всего в десятитысячную долю миллиметра. И вот тогда-то совершенно неожиданно сплоченные ряды электронов, закаленные многочисленными жестокими испытаниями, заколебались…
Для того чтобы понять, что же смогло привести в смятение столь испытанных бойцов, нужно представить себе, какая преграда стояла на их пути.
Во многих твердых веществах атомы разбросаны не как попало, а аккуратно уложены в строго определенном порядке. Они образуют так называемую кристаллическую решетку вещества. Эта решетка состоит из совершенно одинаковых ячеек, в каждой из которых атомы расположены в виде определенной геометрической фигуры: куба, призмы или параллелепипеда. Ячейка кристаллической решетки золота представляет собою куб, в каждой из восьми вершин которого находятся атомы. По одному атому «сидит» еще в середине каждой из граней куба.
Из таких ячеек и сложен любой кусок золота.
Если на тонкую золотую пластинку направить пучок рентгеновских лучей, которые представляют собой такие же электромагнитные волны, как и свет (только их длина в тысячу раз меньше), то на светящемся экране, расположенном за пластинкой, можно увидеть темные и светлые кольца — точную копию дифракционных колец света, проходящего через маленькое отверстие. Это дифракция рентгеновских лучей.
Что же произойдет, если на золотую пластинку направить не пучок рентгеновских лучей, а пучок электрзнов? Электроны — частицы значительно меньшие, чем атомы. Влетев в золотую пластинку, они должны вести себя примерно так, как дробинки, которыми выстрелили в кучу старинных пушечных ядер. Беспорядочно отскакивая от атома к атому, электроны рассыплются по всем ячейкам решетки. Часть из них отразится обратно, часть затеряется между атомами, однако остальным удастся прорваться сквозь тончайший золотой листочек и вылететь из него. Но пройдет через листочек уже не узкий пучок частиц, а целый веер электронов, при многочисленных столкновениях изменивших направление своего полета. На экране мы должны увидеть не яркую светящуюся точку, а широкое расплывчатое пятно, светлее в центре, тускловатое по краям.
Вы, наверное, уже привыкли к чудесам микромира и ожидаете обнаружить на экране что-нибудь другое. И все же то, что вы увидите, поразит вас. Ничего похожего на расплывчатое пятно! Есть яркое пятнышко в центре, а вокруг… вокруг те же дифракционные кольца, что и у рентгеновских лучей!
«Постойте! — возмутитесь вы. — Ведь только что мы неопровержимо установили: электроны — это частицы, взвешенные и измеренные десятки раз. Кольца же—это явление при дифракции, а дифрагировать могут только волны. При чем здесь электроны? Здесь что-то не так!»
Именно так! Поднесите к кольцам на экране магнит, и они послушно поползут именно туда, куда должны отклониться отрицательно заряженные электроны.
Дифракция электронов! Дико и непонятно! И все-таки она существует! Больше того, по размерам колец можно высчитать длину волн, вызвавших явление дифракции, — длину волны электрона! Для него можно высчитать амплитуду, частоту и другие характеристики, связанные с волновым движением.
Поведение электрона в микромире будет описываться теми же математическими уравнениями, что и для волн.
Когда ученые обнаружили дифракцию электронов, ими овладели еще более дерзкие идеи: если могут дифрагировать электроны, то почему бы не дифрагировать и другим мельчайшим частицам вещества — атомам и молекулам?
И действительно. Частицы, в тысячи раз более тяжелые, чем электроны, тоже могут давать дифракционные кольца. Пронизывая вещества.
Атомы и молекулы ведут себя как волны. И все же они остаются самими собой — частицами!
Только что продифрагировавшие молекулы водорода можно собрать в сосуд и обнаружить в нем самый обыкновенный газ, подчиняющийся всем обычным законам.
Таковы чудеса микромира, в котором «прямые» оказываются «ломаными».