Лекция 5 курса "Квантовая революция" (весна 2025)

Мы продолжаем разговор о первопроходцах квантовой революции. На прошлой лекции первым первопроходцем был назван Макс Планк. Он ввел в научный оборот фундаментальную константу - постоянную Планка. Но он в то время не верил в дискретность микромира, предполагая свет (излучение) непрерывным полем, а введенный им квант энергии считал математическим приемом, от которого потом можно будет отказаться. Но так же, как Колумб открыл Америку, думая, что приплыл в Индию, так и Планк приоткрыл завесу над микромиром, став революционером поневоле. Следующим первопроходцем квантовой революции нужно назвать Эйнштейна. Уже в 1905 году он понял, что причиной многих парадоксов нашего представления о микромире является фундаментальный разрыв дискретного состояния материи (атомная структура) и непрерывности излучения (поля). Его гипотеза световых квантов снимала этот разрыв и действительно делала весь микромир, включая материю и излучение, дискретным. Кроме световых квантов, Эйнштейн внес в физику микромира еще несколько важных вещей. Он нашел закон фотоэффекта, подтверждающий его гипотезу, он в 1909 году сформулировал понятие корпускулярно-волнового дуализма, он ввел понятия спонтанного и индуцированного излучения, на чем основано использование лазеров. Наконец, им введена статистика Бозе-Эйнштейна, о чем у нас будет речь впереди. Среди первопроходцев следующее место у Резерфорда. Резерфорд — один из немногих лауреатов Нобелевской премии, кто сделал свою самую известную работу после её получения. Совместно с Хансом Гейгером и Эрнстом Марсденом в 1909 году он провёл эксперимент, который продемонстрировал существование ядра в атоме. Резерфорд попросил Гейгера и Марсдена в этом эксперименте искать альфа-частицы с очень большими углами отклонения, что не ожидалось от модели атома Томсона в то время. Такие отклонения, хотя и редкие, были найдены, и вероятность отклонения оказалась гладкой, хотя и быстро убывающей функцией угла отклонения. Позднее Резерфорд признался, что, когда предложил своим ученикам провести эксперимент по рассеиванию альфа-частиц на бо́льшие углы, он сам не верил в положительный результат. Планета́рная моде́ль а́тома, или модель атома Резерфо́рда, — исторически важная модель строения атома, предложенная физиком Эрнестом Резерфордом (1871—1937) в классической статье, опубликованной в 1911 году на основании анализа и статистической обработки результатов экспериментов по рассеиванию альфа-частиц в тонкой золотой фольге, выполненных Гейгером и Марсденом в 1909 году. В этой модели Резерфорд описывает строение атома состоящим из крохотного положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого вращаются электроны, — подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с уточнениями, что движение электронов не может быть описано законами классической механики и имеет квантовомеханическое описание. Размеры атома: если ядро – вишенка, то атом – футбольное поле. Среди первопроходцев надо упомянуть Пауля Эренфеста. Эренфест жаловался Эйнштейну, что он сам не внес никакого вклада в создание квантовой механики, ограничиваясь лишь критикой и обсуждением результатов других. На самом деле, вклад Эренфеста очень значителен: он ввел адиабатические инварианты, то есть величины, которые сохраняют значение при малых (медленных) изменениях системы. Понятие «адиабатический» имеет два значения. Одно – это быстрое изменение, за которое система не успевает обменяться теплотой (энергией) с окружающей средой. Другое – наоборот, достаточно медленное, чтобы тело при изменяющихся внешних условиях успевало бы в каждый рассматриваемый момент прийти в состояние равновесия со средой. Эренфест сформулировал адиабатическую гипотезу, согласно которой при переходе от классического к квантовому рассмотрению адиабатические инварианты должны принимать дискретные значения, соответствующие правилам квантования квантовой механики («квантуются адиабатические инварианты»). "Значение адиабатической гипотезы в квантовой теории исключительно велико, поскольку она ведет к разъяснению и развитию формальных принципов определения стационарных состояний". (Н.Бор). Наконец, мы подошли к роли Нильса Бора. В 1912 году Бор подготовил так называемый Меморандум для Резерфорда. В нем была заложена идея будущей модели атома. Как и Никольсон, Бор исходил из представлений классической физики (законов Ньютона и электростатики), чтобы найти условия устойчивости для колец электронов, вращающихся вокруг положительного ядра, и определить размер и частоту этих вращений, налагая условия, чтобы кинетическая энергия или угловой момент (две близко связанные величины) были бы пропорциональны частоте, а коэффициент пропорциональности был бы целым числом постоянных Планка.