Квантовые состояния атома

Мир атомов полон неожиданностей. Пытаясь проникнуть во внутреннюю структуру атома, мы наблюдаем странные вещи, которые кажутся противоречивыми из-за своего существенного отличия от всего нашего повседневного опыта, относящегося к макромиру. По-видимому, они не отвечают нашим привычным представлениям о том, что такое частицы и как они должны себя вести. Мы понимаем, что надо найти нечто необычайное для того, чтобы объяснить те факты, которые мы видим вокруг себя.

В гл. IV мы подчеркивали серьезные противоречия, затрудняющие изучение структуры атома. С одной стороны, атом проявляет себя как маленькая планетная система из обращающихся по орбитам электронов; с другой стороны, мы видим его устойчивость и характерные свойства, совершенно чуждые планетным системам. В этой главе мы начнем с более подробного обзора необычных наблюдений над атомами и атомными частицами, а затем попытаемся выяснить новые закономерности, управляющие недрами атома. Но это не будет исторический обзор. К сожалению, в действительном развитии науки открытие редко делается тогда, когда оно было бы нам полезнее всего; оно приходит лишь после того, как успехи техники обеспечат создание аппаратуры, позволяющей проводить необходимые измерения. Здесь мы будем рассказывать о новых открытиях в таком порядке, который облегчит понимание их глубокого смысла. Мы обсудим три группы наблюдений, из которых каждое отражает странные и необычные черты атомного мира.

К первой группе относится обнаружение квантовых состояний атома, вторая связана с квантовой природой света, третья — с волновыми свойствами материальных частиц. Тогда мы будем подготовлены к пониманию существа новой квантовой механики, основанной на этих наблюдениях. Она служит фундаментом нашего понимания атомных явлений на данном этапе развития науки.

В 1913 г. Джемс Франк и Густав Герц произвели ряд опытов, в которых они пытались изменить планетарные орбиты электронов в атомах. Они рассуждали так. Атом, по-видимому, сопротивляется изменению электронных орбит. Попытаемся изменить эти орбиты силой и посмотрим, как и до какой степени атом сможет сопротивляться такому изменению. Можно ожидать, что планеты изменят свои орбиты, если какая-нибудь звезда пройдет близ нашей солнечной системы. Франк и Герц осуществили в микромире опыт, который соответствует такому катаклизму в солнечной системе. Приведем упрощенную схему их опыта. Возьмем сосуд, содержащий атомы газа, например газообразного натрия или водорода (рис. 22), и пропустим через него прямой пучок электронов.

Рис. 22. Общая схема опыта для измерения потерь энергии электронов при их столкновении с атомами. Электроны проходят через газ (пары натрия) в средней камере. Электроны покидают источник (пушку) с энергией, определяемой ускоряющим напряжением, приложенным к двум проволокам слева. Их энергия, остающаяся после столкновения, измеряется в камере справа.

Так как электроны оказывают друг на друга сильное действие, то следует ожидать, что электроны пучка, проходя близ атомов, будут влиять на орбитальные электроны и заставят их изменить свои орбиты, точно так же, как звезда, проходящая близ Земли, изменила бы ее орбиту.

Мы не можем непосредственно ни увидеть электронную орбиту, ни выяснить, изменилась ли она, но мы можем косвенным образом узнать, что именно произошло. Мы точно установили, что все электроны в пучке при вхождении в газ имеют одинаковую скорость. Любое изменение, которое электроны произведут в атомах, будет связано с изменением скорости электронов. Это предсказание следует из закона сохранения энергии. Для того чтобы изменить орбиту электрона в атоме, нужна энергия[32]; поэтому, если орбита изменяется электроном проходящего пучка, то этот электрон должен потерять некоторое количество энергии. Скорость связана с энергией, и следовательно, скорость электрона должна уменьшиться, что можно заметить после того, как пучок выйдет с другой стороны из сосуда с газом. То же самое должно происходить и при прохождении звезды близ нашей солнечной системы. При этом Земля должна была бы получить толчок, что привело бы к увеличению ее энергии и уменьшению энергии звезды.

Чего надо ожидать на основе планетарной модели атома? Должны были бы возникать всевозможные изменения орбит, малые и большие, в зависимости от того, насколько близко от атома прошел электрон. Следовало ожидать всевозможных потерь (а иногда и выигрыша) энергии, начиная с нулевых; в среднем эти потери должны были бы уменьшаться по мере разрежения газа, так как в нем должны происходить более редкие столкновения.

Наблюдения показали совершенно обратное. Скорость электронов в пучке вообще не менялась, если их начальная энергия была меньше некоторой минимальной величины. Однако последняя была достаточно большой: она более чем в 1000 раз превосходила тепловую энергию электронов при обычных температурах. Если же энергия электронов в пучке превышала этот минимум, то электроны или теряли некоторое определенное количество энергии, или совсем не теряли ее. Эта определенная величина — минимальная величина, а значит, характерная для атомов данного рода, из которых состоит газ; она не зависит ни от плотности газа, ни от каких-либо внешних обстоятельств. Что может означать этот странный результат? Он говорит нам, что энергию электрона в атоме нельзя изменить на произвольную величину. Она или совсем не меняется, или меняется только на определенную и очень большую величину. Здесь появляется понятие о кванте энергии. Атому можно сообщить только некоторые характерные кванты энергии — не больше, не меньше.

Это значит, что атом воспринимает только предопределенные порции энергии. Он не принимает маленьких частей этой порции, а только всю. Для атомов каждого сорта имеются свои определенные порции энергии, которые они могут воспринимать. Если атому предлагаются меньшие порции, он вообще не реагирует на них. Он реагирует (изменяет свое состояние) только тогда, когда предлагается как раз должная порция энергии.

Такое положение совершенно несвойственно планетной системе. Проходящая звезда может передать любую энергию земной орбите. Чем больше расстояние до проходящей звезды, тем меньше переданная энергия. Однако в свете современных данных об атоме результат нашего опыта вовсе не так уж поразителен. Он показывает, что атом обладает природной устойчивостью. Слабые столкновения не могут изменить его; для этого нужны большие количества энергии. Должно существовать нечто, обеспечивающее нормальное характеристическое состояние атома, и для преодоления этого «нечто» необходимо большое количество энергии. Не это ли обусловливает специфичность атомов данного сорта и всегда заставляет электроны возвращаться к конфигурации, характерной для таких атомов?

Перейдем теперь к более количественному способу рассмотрения. Что такое минимальная энергия, необходимая для изменения состояния атома? Сделаем отступление и расскажем, как выражают энергию в атомных проблемах. Энергия атомных частиц измеряется в единицах, называемых «электроновольтами» (эв). Такую энергию получает электрон, пройдя разность потенциалов, равную 1 в. Напряжение, или вольтаж, — это «давление» электричества в выводах штепсельной розетки. Например, в наших квартирах вольтаж, или «давление» в розетках, составляет 127 в, что и заставляет ток идти через лампы и электрические приборы. Если бы электроны могли свободно перемещаться между выводами розетки, то при 127 в (напряжении в нашей сети) они приобрели бы энергию, равную 127 эв. На самом деле в воздухе не могут существовать свободные электроны; если бы они появились, их тут же захватили бы молекулы воздуха. Следовательно, обычно в незамкнутых штепсельных выводах электроны не разгоняются, Однако если поместить выводы штепсельной розетки в область с очень низким давлением воздуха (мало молекул), то вокруг проводов мы увидим свечение, обусловленное электронами, разогнанными полем 127 в до энергии 127 эв.

Электроновольт — очень удобная единица энергии для наших задач. Например, в воздухе при обычной температуре молекулы движутся в разные стороны со средней кинетической энергией, равной 1/30 эв. Такова средняя энергия теплового движения, приходящаяся на один атом любого вида при комнатной температуре; того же порядка, например, и энергия беспорядочных тепловых колебаний, совершаемых атомами в металле, тех самых колебаний, которые приводят к плавлению металла при более высоких температурах, когда преодолеваются силы, удерживающие атомы около положений равновесия.

Вернемся к опытам Франка и Герца, в которых электронный пучок передает атомам свою энергию. Пороговая энергия для атома натрия, т. е. наименьшая энергия, которую он способен воспринять и прибавить к своей энергии, оказалась равной 2,1 эв; для атома водорода она равна 10 эв. Эти энергии значительно больше энергии теплового движения при комнатных температурах. Мы немедленно усматриваем в этом связь с тем фактом, что при комнатной температуре атомы газа сохраняют свою тождественность и не изменяются, несмотря на множество столкновений, которые они претерпевают. Энергия этих столкновений значительно меньше пороговой энергии, т. е. меньше минимального количества, или кванта, энергии, которое может воспринять атом. Поэтому опыты Франка и Герца в свою очередь показали удивительную устойчивость атома и дали ее количественное выражение. Атом остается неизменным и устойчивым до тех пор, пока энергия испытанного им столкновения остается меньше некоторой, вполне определенной пороговой энергии, причем этот порог имеет характерное значение для каждого элемента. Франк и Герц «измерили» устойчивость атома.

Результаты Франка и Герца позволяют сделать и дальнейшие выводы. Они дают нам не только минимальную величину энергии, которую может воспринять атом, но и целый ряд точно определенных ее значений, начиная с минимальных, которые способен воспринять атом. Атому можно сообщить только эти количества энергии, все промежуточные количества он отбрасывает. Например, атому водорода можно сообщить только такие количества энергии: 10, 12, 12,5 и 12,9 эв и ряд больших значений с уменьшающимися промежутками между ними. Атом натрия принимает только 2,1, 3,18, 3,6, 3,75 эв и т. д. (рис. 23).

Рис. 23. Энергии квантовых состояний водорода Н и натрия Na.

Каждая энергия отвечает определенному состоянию движения электрона в атоме. Следовательно, каждая линия представляет какое-то определенное избранное состояние, которое атому разрешено принимать. Все другие состояния, лежащие между ними, по-видимому, запрещены. Эти избранные состояния называются квантовыми состояниями. Состояние с наименьшей энергией называется основным состоянием, в котором атом находится в нормальных условиях; другие называются возбужденными состояниями. Пороговая энергия равна разности между первым возбужденным и основным состояниями.

Все рассказанные выше факты находятся в резком противоречии с тем, что мы можем ожидать от поведения планетарной модели. Почему энергия электрона в атоме должна квантоваться? Почему к энергии атома нельзя прибавить произвольную малую порцию энергии? Сравнивая энергию атома с банковским счетом, мы можем сказать, что банк разрешает вносить на счет и снимать с него только некоторые определенные суммы, чтобы держать величину вклада на одном из заранее предписанных уровней.

Рассмотрим теперь внимательнее различные квантовые состояния. Ряд разрешенных значений энергии атома обычно называют его «спектром». Два спектра на рис. 23 отражают весьма важное общее свойство квантовых состояний. Чем выше расположен уровень энергии относительно уровня основного состояния, тем меньше разность энергий между двумя соседними состояниями. Это свойство наблюдается во всех атомных системах; при больших энергиях возбуждения квантовые состояния становятся столь близкими, что почти сливаются. При таких энергиях квантовые эффекты исчезают. Тогда на атом действует произвольное количество энергии, как на обычную планетную систему. Возвращаясь к сравнению с банковским счетом, мы можем сказать, что странные правила, регулирующие банковский счет, не применяются к очень большим вкладам, потому что размеры дозволенных операций по вкладам становятся тем меньше, чем больше счет.

Этот чрезвычайно важный факт оказался гораздо более общим, чем он выглядит здесь. В настоящее время мы знаем, что при сообщении атому большой энергии он будет вести себя, как планетная система. Эти условия могут возникнуть при весьма высоких температурах, развивающихся при мощном электрическом разряде в газах. При этих условиях газ образует так называемую «плазму»[33] и атомы теряют свои характерные свойства. Плазма газообразного неона, имеющего по 10 электронов на атом, имеет те же свойства, что и плазма газообразного натрия с 11 электронами. В плазме нет избранных электронных орбит, ни один атом не ведет себя так же, как другой; характеристическое излучение отсутствует. В плазме царит хаос; это хаос очень высоких температур, и он редко встречается на Земле, если только он не создан в наших лабораториях. Однако мы находим плазму в космическом пространстве в виде газа, испущенного Солнцем и другими горячими звездами.

В плазме исчезают все черты упорядочения, т. е. черты, по которым мы отличаем один атом от другого. Порядок и дифференциация встречаются только у атомов, находящихся в нижних энергетических состояниях, далеких по энергетической шкале от плазмы. Только в этих состояниях мы обнаруживаем устойчивость, обусловливающую характерные формы и орбиты атомов и, следовательно, их характерные химические и физические свойства. При высоких энергиях все эти свойства исчезают. Однако следует помнить, что основные трудности возникают у нас при понимании характерных свойств атомов при низких энергиях. Хаотическое поведение атомов при высоких энергиях как раз совпадает с тем, которого следовало ожидать, исходя из планетарной модели атома. Именно так должны вести себя планетные системы, сталкиваясь с большими скоростями.