Строение атома. Есть ли предел таблицы Менделеева?
мах электроны совершают круговые движения с циклической частотой w0. В
магнитном поле на них действует сила Лоренца и частота обращения изменяется
на величину (w, равную приближенно:
[pic]
Лармор (1857-1942) в 1899 г. интерпретировал действие магнитного поля как
действие поля тяжести на волчок. Волчок прецессирует вокруг направления
силы тяжести с угловой частотой (w. Точно так же вращающиеся электроны в
атоме прецессируют вокруг силовых линий магнитного поля с круговой частотой
[pic].
Зоммерфельд, развивая теорию Бора, ввел идею пространственного
квантования. Движение электрона по орбите определяется радиальным и
азимутальным квантовыми числами или главным квантовым числом п,
определяющим энергию электрона, и побочным квантовым числом k, определяющим
форму орбиты. Положение орбиты в пространстве определяется третьим
магнитным квантовым числом т. Введение этого числа и квантование
направлений оси по отношению к магнитному полю позволяет дать объяснение
эффекта Зеемана. Однако это объяснение в известном смысле было хуже
объяснения, данного Лоренцем. Оно ничего не говорило о поляризации линий.
Вообще теория спектров, по Бору и Зоммерфельду, говорила лишь о частотах
линий и не могла объяснить их интенсивность и поляризацию. Чтобы теория
могла что-то сказать об этом, Бор ввел принцип соответствия.
Согласно этому принципу «существует далеко идущее соответствие» между
квантовым и классическим описанием излучения. В квантовом описании линии
спектра излучения обусловлены переходами из одного состояния в другое, в
классическом эти линии определяются разложением движения электрона в ряд
Фурье. При этом, как указывает Н. Бор, «частота излучения, испускаемого при
переходе между стационарными состояниями, характеризуемыми числами п' и п",
большим по сравнению с их разностью, совпадает с частотой одной из
компонент излучения, которую можно ожидать при избранном движении электрона
в стационарном состоянии на основании обычных представлений. Далее Бор
пишет: «Задаваясь вопросом о более глубоком значении найденного
соответствия, мы вправе, естественно, ожидать, что соответствие не
ограничивается совпадением частот спектральных линий, вычисленных тем и
другим методом, но простирается и на их интенсивности. Такое ожидание
равносильно тому, что вероятность определенного перехода между двумя
стационарными состояниями связана известным образом с амплитудой,
соответствующей гармонической компоненте».
Применение принципа соответствия позволило определить и поляризацию в
нормальном эффекте Зеемана. Квантовый переход, соответствующий изменению
магнитного квантового числа на ± 1, дает круговую поляризацию в плоскости,
перпендикулярной к силовым линиям. Квантовый переход Am = 0 соответствует
линейной поляризации, параллельной силовым линиям.
Но нормальный эффект Зеемана представляет скорее исключение, чем норму.
На опыте встречается более сложный эффект: расчленение на несколько
компонентов (мультиплетов). Мультиплетами оказываются и линии спектров
элементов. Аномальный эффект и мультиплетная структура спектров не
укладывались в рамки обычной теории Бора.
С вопросом о сложной структуре линий был тесно связан вопрос о магнитных
свойствах атома. Еще Д. С. Рождественский в своем докладе 15 декабря 1919
г. предполагал, что дублеты п триплеты спектральных линий обусловлены
действием магнитных сил, вы званных движением электронов. «Магнитная задача
должна лежать в основе задачи об атомах»,—говорил Рождественский.
[pic]
О.Штерн (1888-1969) и В. Герлах (род. в 1889 г.) в 1921 г. пропустили
молекулярный пучок через неоднородное магнитное поле и неопровержимо
доказали наличие у атомов магнитного момента. Но детали опыта (расщепление
пучка на два) опять не укладывались в теорию Бора — Зоммерфельда.
В том же, 1921 г. А.Ланде (1888-1975) дал формальную схему описания
мультиплетов с помощью векторной модели и ввел связанный с квантовыми
числами k и s множитель Ланде. Он также получил «двойной магнетизм»:
отношение между магнитным и вращательным моментом атомного остова (т.е.
ядра и всех электронов, кроме оптического) оказалось вдвое больше того,
который следует из теории Бора — Зоммерфельда. Противоречия с теорией Бора
в ее первоначальном варианте накапливались на каждом шагу, и квантовое
описание спектроскопических фактов все более и более усложнялось.
Особенно тягостное положение создалось в теории света. Эйнштейн в своей
классической работе 1917 г. о световых квантах сделал дальнейший шаг в
сторону корпускулярной теории света. Он предположил, что атом излучает,
«выстреливая» квант света в том или ином направлении (игольчатое
излучение). При этом квант света обладает всеми свойствами материальной
частицы: энергией Е = hv, массой m.
Эта идея нашла блестящее подтверждение в открытии, сделанном американским
физиком Артуром Комптоном. В 1922 г. Комптон, изучая рассеяние
рентгеновских лучей веществом, содержащим слабо связанные электроны
(графитом), установил, что частота (длина волны) рассеянных рентгеновских
лучей изменяется в зависимости от угла рассеяния. С увеличением угла
рассеяния она уменьшается (длина волны увеличивается), излучение становится
более «мягким».
В 1923 г. А. Комптон и независимо от него П.Дебай дали теорию «эффекта
Комптона». Теория была основана на идее Эйнштейна: квант света сталкивается
с электроном по закону упругого удара. Применяя законы сохранения энергии и
импульса, Комптон и Дебай получили формулу для изменения длины волны
рассеянного излучения:
[pic]
Дебай написал эту формулу в несколько измененном виде. Это простое и
наглядное объяснение эффекта в сильной степени способствовало укреплению
представления о кванте света как частице, для которой Комптоном был
предложен термин «фотон», ставший общеупотребительным.
К 1924 г. в науке о свете создалось тягостное положение, которое очень
наглядно охарактеризовал О. Д. Хвольсон. Разделив мелом доску на две части
Л и В, он вписал на одной стороне факты, объясняемые волновой теорией
света, на другой— факты, объясняемые квантовой теорией. «Ни волновая, ни
квантовая теории,—говорил в связи с этим принимавший участие в съезде
Эренфест,—не в состоянии охватить все области световых явлений».
Всеобъемлющей теории света, как это констатировал Хвольсон, не было.
В поисках выхода из тяжелого положения авторы предложили даже отказаться
от требования применения закона сохранения энергии к отдельным актам
излучения и поглощения света атомом. Однако гипотеза Бора, Крамерса и
Слэтера была опровергнута экспериментами, в которых доказывалось, что
каждый акт взаимодействия света с веществом подчиняется закону сохранения
энергии.
Идеи де Бройля
В 1923 г. в докладах Парижской Академии наук были опубликованы три статьи
французского физика Луи де Бройля: «Волны и кванты», «Кванты света,
дифракция и интерференция». «Кванты, кинетическая теория газов и принцип
ферма», в которых выдвигалась совершенно новая идея, переносящая дуализм в
теории света на сами частицы материи.
Де Бройль рассматривает некоторый волновой процесс, связанный с телом.
движущимся со скоростью v = (с. Эта волна обладает частотой, определяемой
соотношением E= hv = mc2, и движется в направлении движения тела со
скоростью u=c(.
«Мы будем рассматривать ее лишь как фиктивную волну, связанную с
перемещением движущегося тела». Де Бройль показывает далее, что для
электрона, движущегося по замкнутой траектории с постоянной скоростью,
меньшей скорости света, траектория будет устойчива, если на ней
укладывается целое число таких волн. Условие это совпадает с квантовым
условием Бора. Скорость частицы v = ре является скоростью группы волн,
обладающих частотами, мало отличающимися друг от друга и соответствующими
частоте — Эта волна, которую де Бройль называл «волной фазы», пилотирует
движение частицы, несущей энергию те2, сама же фазовая волна энергии не
несет. Гипотеза де Бройля позволяет «осуществить синтез волнового движения
и квантов». Де Бройль утверждает наличие в природе волновых явлений и для
частиц вещества. Он пишет: «Дифракционные явления обнаруживаются в потоке
электронов, проходящих сквозь достаточно малые отверстия. Быть может,
экспериментальное подтверждение наших идей следует искать в этом
направлении ».
Де Бройль указывает, что его новая механика относится к прежней механике,
классической и релятивистской, «так же как волновая оптика относится к
геометрической». Он пишет, что предложенный им синтез «представляется
логическим венцом совместного развития динамики и оптики со времени XVII
в.».
Открытие спина
В 1925 г. в физику было введено новое фундаментальное понятие спина. Это
понятие было введено Уленбеком и Гаудсмитом, работавшими летом 1925 г. у
Эренфеста в Лейдене. К этому времени В. Паули опубликовал свою работу,
содержащую формулировку принципа запрета, носящего его имя. Паули показал,
что квантовое состояние электрона характеризуется четырьмя (а не тремя)
квантовыми числами и что в этом состоянии может быть
| |  скачать работу |
Строение атома. Есть ли предел таблицы Менделеева? |
