Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе - Алексей Михайлович Семихатов
Между источником, откуда вылетали альфа-частицы, и экраном, на котором фиксировались их попадания, поместили тонкую золотую фольгу – толщиной в несколько сотен атомов. Пролетая сквозь нее, положительно заряженные альфа-частицы испытывали воздействие электрических зарядов, как-то распределенных среди этих атомов, и в результате должны были тем или иным образом отклоняться от своего первоначального направления.
Оказалось, что в большинстве своем они почти никак не отклоняются: проходят сквозь сотню атомных слоев практически как сквозь пустоту. Но иногда они отклоняются очень сильно, даже почти в противоположную сторону по сравнению с первоначальным направлением. А это означает, что положительный заряд, который только и способен их так повернуть, сконцентрирован почти точечно, в чрезвычайно малом объеме. Хотя сам Резерфорд не дал своему открытию такого названия, в результате было обнаружено атомное ядро.
Характерный размер атомного ядра, как довольно быстро стало ясно из опытов, в несколько десятков тысяч раз меньше, чем характерный размер атома. Я на всякий случай напомню, что в десять тысяч раз меньше в диаметре означает в триллион (миллион миллионов) раз меньше в объеме. Но там, в менее чем одной триллионной доле объема, сосредоточена почти вся масса атома: ядро в несколько тысяч раз массивнее («тяжелее») всех электронов. (Различие в характерных размерах добавляет еще одну сложность к попыткам каким-нибудь условным образом все-таки изобразить атом на рисунке: миллиметр, выбранный в качестве диаметра ядра, при умножении на 30 000 дает атом диаметром 30 м.)
Нелишне отметить, что, имея дело с явлениями, в принципе недоступными глазу, мы в данном случае оцениваем размер атомного ядра «на взгляд» альфа-частицы. Одни сверхмалые элементы становятся для нас инструментами исследования, почти буквально «прощупывания», других. Надо только не забывать, что и эти наши помощники разговаривают с нами не напрямую, а только через те следы, которые они оставляют, вылетев из области, где они взаимодействовали с предметом нашего интереса (именно поэтому ускоритель элементарных частиц не имеет смысла без адекватной системы детекторов).
Немедленно возникла проблема с пониманием происходящего. Стало ясно, что электроны не сидят сиднем в тесных объятиях с ядром, ведь тогда атом не оказался бы настолько больше ядра. А механика – та, в использовании которой мы за XVIII и XIX вв. натренировались на летящих предметах и планетах, – сообщает, что единственная возможность для электрона держаться на расстоянии от ядра состоит в том, чтобы вокруг ядра летать. Законы электричества вроде бы поддерживают эту идею, обеспечивая необходимое притяжение между положительными и отрицательными зарядами{5}. Но те же законы электричества сообщают и плохую новость: если электрический заряд движется по искривленной траектории, он непременно излучает энергию в виде электромагнитных волн. Взять эту энергию можно только из одного источника – энергии движения самого электрона. И вся она немедленно на это и расходуется. Через крохотные доли секунды электрон должен отдать почти всю энергию и оказаться «на ядре». Упасть. Атом, согласно всем правилам, известным около 1911 г., не должен существовать (а мир вокруг нас должен сколлапсировать внутрь себя).
А раз атомы все-таки существуют, значит, какие-то из известных правил должны оказаться неверными в применении к электронам и всему подобному. Те «старые» правила называются в совокупности классическими – классической механикой, или классическими законами физики, или классической физикой. В этом контексте прилагательное «классический» является антонимом «квантового». Наша вселенная на самом деле – квантовая: в ней действуют квантовые, а не классические законы. Правда, в огромном числе случаев, охватывающих почти весь наш ежедневный опыт, мир кажется классическим. Тем не менее ключевые составные элементы внутри окружающих вещей и нас самих – атомы, да собственно, и молекулы – существуют в силу квантовых правил и управляются квантовыми правилами.
В применении к атомам квантовые правила приводят к дискретным значениям энергии. Для простоты возьмем атом водорода: в этом простейшем атоме с одним электроном ядро, кстати, тоже простейшее – это просто один протон. (Вспоминая свое детское недоумение при первом знакомстве с задачей записать четырьмя буквами – «в четырех клеточках» – слова «сушеный виноград», я предлагаю записать шестью буквами слова «ядро атома водорода».) Да, ядро и электрон притягиваются друг к другу (без этого атомов уж точно не было бы, но детали того, что электрон при этом делает, не слишком ясны. На первый план поэтому выходит «экономное» описание в терминах энергии, часто позволяющее обходиться без больших подробностей. На языке энергии можно говорить о притяжении между положительным и отрицательным зарядами: когда заряды близки друг к другу, их энергия меньше, а когда они расходятся, энергия такой системы возрастает (это неудивительно, потому что для разнесения их на большее расстояние необходимо прикладывать усилия, которые и идут в прирост энергии). В квантовом мире понятие энергии взаимодействия в целом сохраняет свой смысл{6} и там вполне можно руководствоваться идеей «меньше энергия взаимодействия – значит ближе».
Электрон, живущий в атоме на постоянной основе, должен обладать постоянной (неизменной во времени) энергией; отдавать или получать энергию означало бы, что в атоме что-то меняется, а нас прежде всего интересует атом, с которым ничего не происходит. И тут оказывается, что по совокупности квантовых правил электрон не может оставаться вблизи ядра «почти никогда» – а именно, никогда за исключением случаев, когда он обладает некоторыми конкретными, строго определенными значениями энергии. Это дискретные значения энергии – они отделены друг от друга интервалами, подобно «засечкам», нанесенным на отрезок линии; засечек, которые вы наносите тонким карандашом, неизмеримо меньше, чем «всех точек на отрезке».
Это и есть дискретность, лежащая в основе строения атомов. Электрону удается не расставаться с ядром, только если он занял определенную «энергетическую ступеньку» – обзавелся фиксированным значением энергии. Как и любой набор дискретных данных, разрешенные значения энергии можно перечислить в виде списка. Первой в списке идет наименьшая энергия, которую вообще может иметь электрон в данном атоме, за ней следующая, несколько бо́льшая, и т. д.
На постоянной основе электрон живет на самой нижней энергетической ступеньке. А если электрон взбодрить – передать ему порцию энергии подходящей величины, используя для этого свет или, скажем, толчки со стороны соседей, – то он поднимется на несколько энергетических ступенек выше. Потом снова «спрыгнет вниз», а лишнюю энергию отдаст в виде света. Не надо только представлять себе электрон прыгающим куда-то в пространстве, он от этого максимально далек. Вся «энергетическая лестница» – конструкция воображаемая, способ сказать, что электрон может существовать в атоме только при дискретных значениях энергии. А впрочем, воображаемая она только в качестве лестницы. В сочетании с другой, уже упомянутой дискретностью – излучением света порциями – энергетическая лестница становится почти буквально видимой: электрон испускает порцию света (фотон) строго определенной энергии (разница между двумя ступеньками), а значит, строго определенной окажется и длина световой волны, т. е. цвет этого света. Наблюдая этот свет, мы делаем вывод о разнице между значениями энергии, разрешенными для электронов в этом атоме. Желтые лампы уличного освещения могут нравиться или не нравиться, но желтые они именно потому, что разница в энергии между подходящими ступеньками в атоме натрия соответствует желтому цвету.
Список энергетических ступенек – объективная штука, строго определенная и одна и та же для всех атомов одного вида, и проявляет она себя повсеместно при излучении и поглощении света. Расстояния между ступеньками на любой такой энергетической лестнице неодинаковые: чем выше, тем ступени ближе друг к другу. А для атомов разного вида ступени расположены на разной энергетической высоте, поэтому атом каждого вида обладает своим, уникальным «репертуаром энергетических прыжков», которые могут совершать живущие там электроны. Каждый прыжок сопровождается поглощением или испусканием света определенной длины волны, поэтому у каждого атома имеется своя «световая подпись» («цветовая подпись»?), которая характеризует только его и которая выдаст его на любом расстоянии, откуда до нас доходит свет. Похожая картина имеет место и для несложных молекул. Таким-то образом – благодаря квантовым правилам – мы узнаем химический состав далеких объектов в космосе, и не только.
«Ступенчатое существование» электронов в атомах в отношении энергии, а также наличие минимальных
