7. 1. Зарождение квантовых представлений в физике

В конце XIX века казалось, что физическая картина мира в основном создана. Успехи ньютоновской механики и максвелловской электродинамики были столь грандиозны, что решение оставшихся проблем считалось "делом техники" и ближайшего будущего. Среди этих проблем был и на первый взгляд частный вопрос о спектрах излучения нагретых тел. Никто не предполагал, что именно это "небольшое облачко" на ясном небе классической физики в конце концов приведет к "буре" в умах людей, которая закончится формированием совершенно нового взгляда на материальный мир.
В чем же заключалась проблема спектров теплового излучения? Многочисленными экспериментальными наблюдениями было установлено, что все нагретые тела излучают электромагнитные волны (в том числе, свет), причем в спектре rn этого излучения имеется ярко выраженный максимум. На рис. 7.1 сплошной линией показано типичное распределение энергии излучения в спектре нагретого тела. В то же время все попытки объяснить такую особенность излучения на основе классических представлений заканчивались неудачей. В частности, если считать, что энергия электромагнитных волн, излучаемых нагретым телом, определяется квадратом их амплитуды (как это имеет место и для маятника, и для колеблющейся пружинки), то в условиях термодинамического равновесия средняя энергия, приходящаяся на любое (!) такое колебание, оказывается равной kT, где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Можно показать, что число устойчивых электромагнитных колебаний, излучаемых нагретым телом в малом частотном диапазоне около произвольной частоты n пропорционально n2. Значит распределение энергии в спектре излучения нагретого тела должно описываться функцией ~n2kT (закон Рэлея-Джинса), которая неограниченно возрастает при n ® Ґ (штриховая линия на рис. 7.1). Отсюда, в частности, следует, что энергия излучения любого тела при любой температуре (определяемая площадью под кривой rn), должна быть бесконечной (!). Этот противоречащий экспериментам факт назвали "ультрафиолетовой катастрофой", так как несоответствие теории и эксперимента проявляется в коротковолновой, "ультрафиолетовой" области спектра.
Чтобы как-то объяснить реальное уменьшение вклада высокочастотных колебаний, М. Планк в 1900 г. выдвинул смелую идею о том, что нагретое тело излучает электромагнитные волны

Рис. 7.1. Излучение нагретого тела

"порциями" (квантами). Энергия Е каждой такой "порции" определяется не амплитудой волны, а ее частотой (!): Е = hn, где h = 6,62Ч 10-34 ДжЧс - постоянная, которую в дальнейшем назвали постоянной Планка. В этом случае средняя энергия излучения не остается постоянной, а уменьшается с ростом частоты. Проведенный Планком расчет спектра rn привел к удивительному согласию с экспериментом. Однако большой радости это не принесло даже самому Планку, так как в основе расчета лежало очень искусственное предположение. В 1931 г. он говорил, что гипотеза Е = hn - это был "акт отчаяния". В то же время, по мнению А. Эйнштейна, "несовершенство расчета первоначально не было замечено, и это было необыкновенной удачей для развития физики", так как в противном случае от гипотезы Планка немедленно отказались бы.
Именно А. Эйнштейн первым подхватил идею Планка, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются квантами, но и поглощаются квантами, что позволило ему объяснить (в 1905 г.) загадочные в то время особенности фотоэффекта. Когда же экспериментально было продемонстрировано, что и процесс распространения света имеет квантовый характер (опыты В.Боте, Г. Гейгера, А. Комптона), стало ясно, что электромагнитное поле имеет двойственную корпускулярно-волновую природу: в одних экспериментах (дифракция, интерференция, поляризация и др.) оно ведет себя как электромагнитная волна, в других (излучение нагретых тел, фотоэффект и др.) - как поток "частиц" (квантов), которые назвали фотонами. Такое представление о природе материальных объектов получило название корпускулярно-волновой дуализм.
Квантовая гипотеза Планка легла в основу созданной в 1913 г. Н. Бором новой теории атома, которая еще дальше отходила от ясных представлений классической физики. В частности, Бор предположил, что:
1) электроны в атоме находятся на вполне определенных дискретных орбитах с энергиями Еn, (n = 1, 2 ...), не излучая при этом электромагнитных волн (хотя с точки зрения классической электродинамики любая ускоренно движущаяся заряженная частица должна это делать);
2) при мгновенном (!) переходе с орбиты Еm на орбиту Еn испускается (при n > m) или поглощается (при n < m) квант света hn с энергией, равной разности энергий электрона на соответствующих орбитах hn = Еm - En (рис. 7.2). И в этом случае, несмотря на "чудовищное" несоответствие постулатов Бора законам классической физики, согласие выводов новой атомной теории с результатами экспериментов было поразительное.

Рис. 7.2. Модель атома Бора

Еще одна "революционная" гипотеза была выдвинута в 1924 г. Л. де Бройлем. "В оптике, - писал он, - в течение столетий слишком пренебрегали корпускулярным способом рассмотрения по сравнению с волновым; не делалась ли в теории вещества обратная ошибка?" В соответствии с гипотезой де Бройля движение частицы, имеющей импульс p = mv и энергию Е, связано с некоторым волновым процессом, длина которого l = h / p, а частота n= Е / h, где h - постоянная Планка. В 1928 году эксперименты Дэвиссона и Джермера подтвердили "сумасшедшую" идею де Бройля в опытах по "дифракции" и "интерференции" электронов.
Чтобы познакомиться с основными результатами этих важнейших в истории физики экспериментов, не вдаваясь в технические детали, рассмотрим прохождение параллельного пучка электронов через две достаточно узкие, близко расположенные друг к другу щели (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Опыт Девиссона и Джермера

Самих электронов мы, конечно, не видим. Сказать что-то об их движении можем, например, измеряя каким-либо детектором количество электронов, проходящих через различные точки пространства в плоскости, перпендикулярной первоначальному направлению движения электронов. Оказывается, что если оставить открытой только одну щель I, то распределение плотности потока электронов имеет гладкую форму (штриховая линия 1 на рис. 7.3). Ширина этого распределения превышает размер щели I, что свидетельствует об отклонении электронов от прямолинейной (классической) "траектории". Аналогичный результат получится, если открыть только щель II. Однако, при открывании обеих щелей картина резко меняется: распределение плотности потока электронов становится "изрезанным", напоминая интерференционную картину, создаваемую двумя когерентными световыми пучками. Разница заключается в том, что в опыте с детектором электронов последний "чувствует" дискретный характер попадания в него каждого отдельного электрона. Таким образом, эксперименты Дэвиссона и Джермера наглядно показали, что корпускулярно-волновой дуализм характерен не только для электромагнитного поля, но и для вещества.
Используя эту концепцию, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, М. Борн и П. Иордан в 1925 - 1926 г.г. разработали новый подход к описанию движения микрочастиц в атоме - квантовую механику, в основе которой лежат совершенно иные, чем в классической физике, способы описания состояний и динамики их изменений.

7. 2. Особенности неклассического подхода к описанию динамики микрочастиц

Первоначально возникли две отличающиеся по форме квантовые теории. В одной из них - волновой механике Шредингера - состояние микрочастицы описывается не положением и скоростью в какой-то момент времени (как в механике Ньютона), а непрерывной комплексной функцией координат и времени Y (r, t), которую называют "пси-функцией". Физический смысл этой функции состоит в том, что квадрат ее модуля пY(r, t)Ѕ2 в каждый момент времени определяет вероятность нахождения микрочастицы вблизи точки пространства с радиус-вектором r (рис. 7.4). Таким образом, в волновой механике с самого начала отказались от наглядного описания движения частиц с помощью траекторий. Более того, волновая механика является не динамической теорией, позволяющей однозначно предсказать положение и скорость микрочастицы в любой момент времени, а статистической теорией, определяющей вероятности, с которыми наблюдаемые величины имеют те или иные значения.
Динамика микрообъектов описывается в волновой механике с помощью так называемого уравнения Шредингера, которое представляет собой дифференциальное уравнение 2-го порядка в частных производных для Y- функции и имеет такое же значение, какое в классической механике имело уравнение F = ma.

Рис. 7.4. Физический смысл Y-функции.
dP - вероятность обнаружить микрочастицу в малом объеме dV.

В другой квантовой теории - квантовой механике Гейзенберга, Борна и Иордана - состояние микрообъекта описывается упорядоченным набором комплексных чисел (комплексным вектором), а той или иной динамической характеристике (координата, импульс, момент импульса и др.) соответствуют операторы, воздействующие на этот вектор. Математически такие операторы описываются матрицами, поэтому другое название этой теории - матричная механика. Эта механика полностью эквивалентна волновой механике Шредингера, хотя обе теории используют разный математический формализм.
Отличие квантовых, а также релятивистских подходов от классических представлений было настолько велико, что XX в. стал прочно ассоциироваться с новым этапом в естествознании, который сейчас называют неклассическим. Отметим некоторые наиболее важные особенности этого этапа.
1. Если в классическом естествознании статистические закономерности относились к поведению больших ансамблей идентичных объектов, в то время как динамика отдельных объектов оставалась строго детерминированной, то в неклассическом естествознании вероятностный подход "спускается" на уровень индивидуальных объектов. О том, насколько сложным и "болезненным" был переход к неклассическим идеям в этом вопросе, свидетельствуют высказывания самих отцов квантовой теории. Эйнштейн незадолго до своей смерти писал: "Если статистическая квантовая теория не претендует на полное описание индивидуальной системы (и ее поведение во времени), то попытки найти это полное описание где-то еще, провидимому, неизбежны… С учетом этого приходится признать, что указанная схема в принципе не может служить базисом теоретической физики". Луи де Бройль также считал, что "јвозможно, в один прекрасный день окажется, что квантовая теория дает нам лишь статистическое определение аспектов лежащей за ним физической реальности, которую она не в состоянии описать полностью". Однако, впоследствии выяснилось, что индивидуально - статистический подход к поведению микрообъектов является единственно возможным и отражает непосредственную "ненаблюдаемость" их движения.
2. Если для классического объекта в принципе можно измерить все его динамические параметры, то для микрообъектов этого в общем случае сделать нельзя. В методологическом отношении данное обстоятельство привело к формулировке принципа дополнительности Бора, который в настоящее время имеет общекультурное значение. Согласно этому принципу, получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координата микрочастицы и ее скорость. С физической точки зрения принцип дополнительности часто объясняют (следуя Бору) влиянием "измерительного прибора" (который всегда является макроскопическим объектом) на состояние микрообъекта. При точном измерении одной из дополнительных величин с помощью соответствующего прибора другая величина в результате взаимодействия микрообъекта с прибором претерпевает неконтролируемые изменения. Можно, однако, показать, что даже в отсутствие измерительного прибора дополнительные величины не могут одновременно иметь абсолютно точные значения.
Частным случаем принципа дополнительности является принцип неопределенности Гейзенберга, одна из эквивалентных формулировок которого заключается в следующем: произведение неопределенности координаты микрочастицы Dх и неопределенности соответствующей проекции ее импульса D не превышает значения постоянной Планка h.
3. Отказ от классических традиций произошел также в том, что в науку стали вводиться величины (например, Y - функция), сами по себе не являющиеся непосредственно измеряемыми. В дальнейшем эта тенденция стала преобладающей.

7. 3. Квантовая природа агрегатных состояний макроскопических объектов

Квантовая механика явилась мощным инструментом теоретического исследования электрических, оптических и других свойств реальных макроскопических объектов. В соответствии с квантово-механическими представлениями электроны в атомах могут находиться на вполне определенных "орбитах", соответствующих различным значениям потенциальной энергии взаимодействия этих электронов с положительно заряженными ядрами. При этом речь по-прежнему идет не о классических орбитах, представляющих собой замкнутые траектории в пространстве, а о "размазанных облаках вероятности" нахождения электронов, которые описываются квадратом модуля Y - функции. Так как потенциальная энергия свободного, т.е. находящегося на большом расстоянии от ядра электрона считается равной нулю, то потенциальная энергия связанных с ядром электронов является отрицательной (напомним, что потенциальная энергия численно равна работе по перемещению заряда, в данном случае отрицательного, из данной точки пространства в бесконечность). Эти возможные значения энергии En, (n = 1, 2, ...) электронов в атоме можно отложить на вертикальной оси, как показано на рис.7.5,а. Следует отметить, что на самом деле каждой энергии Еn соответствует не одно, а несколько возможных состояний, отличающихся конфигурацией Y - функций. Только "ближайшее" к ядру состояние с минимальной энергией Е1 является одиночным, ему соответствует сферически симметричная Y-функция. Уже следующему состоянию с энергией Е2 соответствуют две различные Y-функции: одна - сферически-симметричная, а модуль другой имеет вид "бублика" и т.д.
Эти возможные состояния заполняются электронами весьма своеобразно. Оказывается, что электроны помимо массы и электрического заряда обладают еще одной физической характеристикой - спином, который можно было бы представить себе как "вращение" электрона вокруг собственной оси, если бы такое представление не было столь вызывающе противоречащим предположению о "точечной" структуре электрона. Тем не менее спин имеет размеренность момента импульса - кг (м/с) м = Дж Ч с, а его численное значение для электрона равно h/2, где h - постоянная Планка. В связи с этим электроны относятся к элементарным частицам с "полуцелым" спином или фермионам (так как квантово-статистические закономерности их поведения описываются функцией распределения Ферми-Дирака, в отличие от бозонов - частиц с "целым" спином, подчиняющихся квантовой статистике Бозе-Эйнштейна). Для фермионов справедлив фундаментальный принцип Паули, в соответствии с которым в одном квантовом состоянии не может находиться более двух частиц с противоположными направлениями спинов. Поэтому если атом содержит несколько электронов, то они распределяются по разным энергетическим уровням, последовательно заполняя возможные состояния, начиная с "нижнего", ближайшего к ядру. Например, на нижнем энергетическом уровне Е1 могут находиться только два электрона, спины которых противоположны, на следующем уровне - с энергией Е2 - восемь электронов и т.д. Как известно, именно такое заполнение электронных оболочек обусловливает химические свойства атомов и их расположение в таблице Менделеева.

Рис.7.5. Образование энергетических зон в кристалле

Таким образом, можно сказать, что химические, электрические, оптические и другие свойства атомов являются следствием, с одной стороны, дискретной структуры электронных оболочек и, с другой стороны, принципа Паули, определяющего "правила" заполнения этих оболочек электронами.
Рассмотренная квантовая структура атомов хорошо объясняет свойства соответствующих газов. При сближении атомов и молекул, когда вещество переходит в конденсированное состояние (жидкое, твердое), поведение электронов уже нельзя описать дискретными энергетическими состояниями. Весьма полезным в этом случае оказывается представление об энергетических зонах, которые лучше всего понять на примере атомных кристаллов.
Если атомы, обладающие дискретным энергетическим спектром (т.е. дискретными электронными "орбитами"), располагаются на определенных расстояниях друг от друга, образуя кристаллическую решетку, то "глубокие" электронные "орбиты", находящиеся ближе всего к ядру, как правило, не пересекаются, а находящиеся на них электроны остаются "привязанными" каждый к соответствующему ядру. В то же время более удаленные от ядра "орбиты" начинают пересекать друг друга, так что находящиеся на этих "орбитах" электроны становятся "общими" для всех ядер, для всего кристалла в целом. При этом на энергетической диаграмме вместо одного дискретного уровня появляется целая зона возможных значений энергии (см. рис. 7.5,б). Чем сильнее пересекаются дискретные уровни атомов, образующих кристалл, тем шире энергетическая зона. И если для низколежащих уровней получающиеся "разрешенные" зоны энергий оказываются разделенными "запрещенными" зонами, то для удаленных от ядра уровней соответствующие зоны могут начать перекрываться, образуя сплошной энергетический спектр.
Как дискретные "орбиты" отдельных атомов, так и энергетические зоны в кристалле - это только возможные состояния электронов. Заполнение этих состояний осуществляется в соответствии с принципом Паули, так что часть зон может оказаться заполненной полностью, часть - частично, а часть остаться вообще без электронов. Свойства кристалла определяются тем, как заполнена электронами последняя из непустых энергетических зон. Если она заполнена полностью и отделена от следующей за ней пустой зоны достаточно широким (і2 эВ) энергетическим промежутком (запрещенной зоной), то такой кристалл ведет себя как хороший изолятор, не пропускающий электрический ток. Если же запрещенная зона достаточно узкая (Ј 2 эВ), то кристалл становится полупроводником, электрическая проводимость которого сильно зависит от температуры. Наконец, если последняя непустая зона заполнена частично, то кристалл является хорошим проводником электрического тока.

Вопросы для самопроверки:
1. С решением какой физической проблемы связано появление квантовой концепции?
2. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?
3. Какие постулаты были положены Н.Бором в основу его теории атома?
4. Какой физический смысл имеет введенная Э.Шредингером Y-функция микрочастицы?
5. Что такое принцип неопределенности Гейзенберга?
6. С какими квантовыми принципами связаны основные свойства вещества?