По ту сторону кванта - Пономарев Леонид Иванович

Начали строить — и оказалось, что без Химии обойтись не удаётся. Споткнулись уже на литии: вместо того чтобы расположить два электрона на первой оболочке, а третий — на второй, поместили все три его электрона на одну оболочку. Но в годы подъёма такие частные затруднения быстро преодолеваются.

Выход нашли почти тотчас же, как только обратились к периодической системе элементов Менделеева, которая и прежде не раз выручала и физиков и химиков. В самом деле, если химические свойства веществ зависят от электронов, которые окружают ядро, то периодичность химических свойств элементов прямо указывает на то, что электроны в атомах расположены не как попало, а группами — оболочками. Вполне логично было предположить, что число электронов в каждой из оболочек совпадает с длиной периодов таблицы Менделеева. Вольфганг Паули так и сделал.

Лишь после этого удалось создать образ не только атома водорода, но и более сложных атомов. В целом форма электронного облака в тяжёлых атомах не очень сильно отличается от наших рисунков. Но рассчитать её точно удалось лишь после работ английского учёного Дугласа Хартри и советского физика Владимира Александровича Фока. Это очень сложная задача, которая не всегда по плечу даже современным вычислительным машинам, а тем более нам сейчас.

Говоря о форме тел, мы, как правило, предполагаем, что у них есть также и размеры. Однако это не всегда верно: у бильярдного шара есть и форма и размеры, но о размерах облака говорить уже трудно, хотя форма его обычно не вызывает сомнений.

Самое неожиданное следствие новой модели атома состоит в том, что атом не имеет определённых геометрических размеров. Иными словами, границу атома можно отметить лишь условно — точно так же, как и очертания облака. Мы вынуждены принять это следствие новой модели атома, чтобы объяснить наблюдаемые свойства тел, например разнообразие геометрических форм кристаллов. Нас не должно это особенно удивлять — ведь и дома построены из кирпичей, но нам не кажется странным, что кирпичи — это не дом в миниатюре, а просто кирпичи. У тел, окружающих нас, есть цвет, запах, есть размеры, но атомы, из которых построены эти тела, не обладают ни одним из этих качеств. У них осталось только одно неизменное свойство — масса. А неизменной формы нет. Неизменны лишь законы квантовой механики, которые управляют этой формой.

Но почему атом, у которого даже нет размеров, так устойчив? Нас не должно удивлять и это: в конце концов Земля тоже не стоит на трёх китах, однако уже миллионы лет, повиснув в пустоте, сохраняет свою орбиту неизменной. Секрет её устойчивости — в движении и в неизменности динамических законов, которые этим движением управляют. В этом же причина устойчивости атомов, хотя законы, управляющие движением электронов, совсем не похожи на законы небесной механики.

(Справедливости ради следует заметить, что квантовая устойчивость значительно надёжнее, чем динамическая устойчивость классической механики: разрушенный атом восстанавливает свою структуру, но орбита Земли уже никогда не станет прежней, если однажды её нарушит внезапное вмешательство инородного космического тела.)

Атомы различных элементов разнятся между собой массой и зарядом ядра. Но по какому признаку различить два атома одного и того же элемента? Для арбузов такой вопрос неактуален: никто никогда не видел двух совершенно одинаковых арбузов. Отличить один кирпич от другого уже много сложнее, и только в том случае, если кирпичи битые, задача немного упрощается.

С атомами дело обстоит точно так же. Если их массы и заряды ядер равны, то различаться атомы могут только формой электронного облака — других свойств у них просто нет; два атома можно различить лишь в том случае, если один из них возбуждён. Все невозбуждённые атомы одного и того же элемента неразличимы между собой, как кирпичи из одной формы. Роль такой формы для атомов играют динамические законы квантовой механики, неизменные и одинаковые для всех атомов.

Портреты атома на рисунке отражают наш нынешний уровень знаний о нём. Это и есть тот современный образ атома, который заменил собой модели Демокрита, Томсона и Бора. Конечно, и теперешние «портреты» не следует понимать слишком буквально: это отнюдь не «фотографии атомов», подобные фотографиям колеблющейся струны. Ни простыми, ни сложными приборами мы не можем прямо измерить распределение электронной плотности внутри атома, потому что это неизбежно разрушит его (даже арбуз, чтобы проверить его качества необходимо предварительно разрезать). И всё же у нас есть много оснований верить найденной картине: с её помощью мы можем последовательно объяснить все опыты которые привели нас к нынешнему образу атома.

Теперь нас не должно удивлять, что α-частицы в опытах Резерфорда беспрепятственно пролетали сквозь миллиарды атомов, как через пустоту. Ведь, пронизывая кометные хвосты, Земля тоже никогда не отклоняется от своей орбиты. Понятен должен быть нам и механизм появления спектральных линий: просто атом скачком изменяет форму распределения электронного облака, излучая квант энергии. Мы должны теперь понять и расщепление частоты спектральных линий в электрическом поле (эффект Штарка) и в магнитном поле (эффект Зеемана): электронное облако заряжено, и его различные формы под воздействием полей немного изменяются, а вместе с ними изменяется и энергия кванта, которую необходимо затратить, чтобы перевести облако из одной формы в другую, и частота ν спектральной линии, которая этому кванту соответствует. Эти простые качественные рассуждения можно подтвердить строгими расчётами и доказать, что они совпадают с экспериментальными фактами.

Но сейчас нам важнее понять другое: а почему мы уверены, что созданный нами образ атома соответствует истине?

КВАНТОВАЯ ИСТИНА

Прежде всего, о какой истине пойдёт речь? И что понимают под истиной в квантовой механике? Если бы речь шла об арбузе, всё было бы просто. Например, мы бы сразу сказали, что знания одного только распределения плотности нам недостаточно — это ещё далеко не вся истина об арбузе. Лишь когда мы увидим, потрогаем, съедим его, наконец, мы сможем сказать, что он собой на самом деле представляет. Но даже такое, по мнению большинства людей, полное знание для учёных весьма предварительно. Они начнут рассматривать арбуз под микроскопом и скажут, что он состоит из клеток. Немного позже они заявят, что клетки построены из молекул, потом — что молекулы из атомов… Круг замкнулся. Чтобы узнать до конца арбуз, мы снова должны ответить на вопрос: «Что такое атом?»

В действительности, дело обстоит не так плохо: понятие «арбуз» сформировалось за много веков до появления всякой науки и не очень зависит от прошлых и будущих её достижений, поскольку опирается только на наши ощущения. Это понятие может измениться лишь в том случае, если вдруг у всех людей одновременно появится ещё одно — шестое чувство. Полагая это нереальным, мы с лёгким сердцем и говорим, что знаем об арбузе всю истину, если подвергли его испытанию своих пяти чувств. (Вспомните, как вы сами покупаете арбуз: сначала выбираете издали один из них, потом берёте его в руки, иногда подносите к уху, чтобы услышать лёгкий треск и, наконец, надрезав его, пробуете на вкус.)