Атомный ящик

Вооружившись понятием потенциала, можно более точно описать атомы. Начнем с простейшего из всех – атома водорода. Он состоит всего из двух частиц – электрона и протона. Протон почти в 2000 раз тяжелее электрона, так что мы можем предположить, что он почти ничего не делает и просто покоится на месте, создавая потенциал, удерживающий электрон.

Протон обладает положительным электрическим зарядом, а электрон – равным ему отрицательным зарядом. Кстати, причина, по которой электрические заряды протона и электрона в точности равны и противоположны друг другу, – это одна из величайших загадок физики. Вероятно, есть очень веская причина, которая связана с некоей пока еще не открытой теорией субатомных частиц, но на момент написания этой книги никто не может сказать этого с уверенностью.

Рис. 6.8. Потенциальная яма Кулона вокруг протона. Яма глубже всего там, где находится сам протон

Что мы действительно знаем, так это то, что противоположные заряды притягиваются и протон перетягивает электрон к себе, поэтому, с точки зрения доквантовой физики, он может притянуть к себе электроны на сколь угодно малое расстояние. Насколько оно мало, зависит от конкретной природы протона: он твердый шарик или какое‑ то облако? Но этот вопрос не имеет физического смысла, потому что, как мы уже видели, существует минимальный энергетический уровень, на котором может находиться электрон и который определяется (грубо говоря) квантовой волной самой большой длины, которая способна поместиться в потенциал, созданный протоном. Этот созданный протоном потенциал мы изобразили на рис. 6.8. Глубокая «яма» функционирует так же, как уже известная нам прямоугольная потенциальная яма, только ее форма уже не столь проста. Она носит название потенциала Кулона, потому что подчиняется закону, описывающему взаимодействие двух электрических зарядов, который впервые вывел Шарль Огюстен де Кулон в 1783 году.

Проблема, однако, остается той же самой: мы должны выяснить, какие квантовые волны могут соответствовать этому потенциалу, что и определит разрешенные энергетические уровни атома водорода. Будучи бесхитростными, мы могли бы сказать, что это делается посредством «решения волнового уравнения Шрёдингера для потенциальной ямы Кулона», что служит способом применения правила перевода циферблатов. Детали этого процесса чисто технические, даже для таких простых объектов, как атом водорода. К счастью, мы не узнаем здесь почти ничего нового по сравнению с тем, что уже усвоили, так что перейдем прямо к ответу. Рис. 6.9 показывает некоторые получающиеся стоячие волны для электрона в атоме водорода. Это картина распределения вероятностей нахождения электрона в какой‑ либо точке. В более светлых областях такая вероятность выше. Конечно, реальный атом водорода трехмерный, и эти рисунки соответствуют разрезам в центре атома. Рисунок слева вверху – это волновая функция основного состояния, показывающая, что электрон в этом случае обычно находится на расстоянии примерно 1 × 10–10 м от протона. Энергия стоячих волн нарастает от левого верхнего к правому нижнему рисунку. Масштаб тоже изменяется в восемь раз от левого верхнего к правому нижнему рисунку, так что светлая область, покрывающая большую часть левого верхнего рисунка, имеет примерно тот же размер, что и маленькие яркие точки в центре двух правых рисунков. Это значит, что электрон, скорее всего, будет располагаться дальше от протона, когда он находится на более высоких энергетических уровнях (а следовательно, слабее с ним связан). Ясно, что эти волны совсем не синусоиды, то есть не соотносятся с состояниями определенного импульса. Но, как мы изо всех сил стараемся подчеркнуть, они соответствуют состояниям определенной энергии.

Рис. 6.9. Четыре квантовые волны с самой низкой энергией, описывающие электрон в атоме водорода. В светлых областях электрон может находиться с наибольшей вероятностью. Протон в центре. Рисунки вверху справа и внизу слева увеличены в 4 раза по сравнению с первым, а рисунок внизу справа – в 8 раз. Первый рисунок соответствует размеру примерно 3 × 10–10 м в диаметре

Отчетливая форма стоячих волн появляется благодаря форме ямы, однако некоторые детали следует обсудить более подробно. Самая очевидная особенность воронки вокруг протона заключается в ее сферической симметричности, то есть со всех сторон она выглядит одинаково. Чтобы представить это, возьмите баскетбольный мяч без каких‑ либо отметок на нем: это идеальная сфера, которая выглядит одинаково, как ее ни вращай. Возможно, мы можем думать об электроне внутри атома водорода как о запертом внутри микроскопического баскетбольного мяча? Это определенно более удачно, чем говорить о том, что электрон попался в квадратную яму, но, как ни удивительно, тут есть некое сходство. Рис. 6.10 показывает слева две стоячие волны с самой низкой энергией, которые могут возникнуть внутри баскетбольного мяча. Мы снова разрезали мяч, и давление воздуха внутри него повышается от черного к белому. Справа даны две возможные стоячие волны электрона в атоме водорода.

Рис. 6.10. Две простейшие стоячие звуковые волны внутри баскетбольного мяча (слева) в сравнении с соответствующими электронными волнами в атоме водорода (справа). Они очень похожи. Верхний рисунок атома водорода – это увеличенное изображение центральной части левой нижней картинки с рис. 6.9

Рисунки не идентичны, но очень похожи. И снова не будет столь уж глупо предположить, что электрон внутри атома водорода находится внутри чего‑ то, похожего на микроскопический баскетбольный мяч. Этот рисунок демонстрирует волновое поведение квантовых частиц, и мы надеемся, что он до некоторой степени срывает покровы таинственности с данного предмета: понимание поведения электрона в атоме водорода не более сложно, чем понимание того, как колеблется воздух внутри баскетбольного мяча.

Прежде чем оставить в покое атом водорода, мы хотели бы еще немного поговорить о потенциале, создаваемом протоном, и о том, как электрон перепрыгивает с более высокого энергетического уровня на более низкий, испуская при этом фотон.

Мы избежали разговоров о том, как взаимодействуют друг с другом протон и электрон, введя идею потенциала. Это упрощение позволило понять квантование энергии запертых частиц. Но если мы всерьез хотим понять, что происходит, нужно попытаться объяснить механизм «запирания» частиц. Когда частица движется в рассматриваемом нами ящике, можно представить непроницаемую стенку, предположительно состоящую из атомов, так что частица не может пройти сквозь нее из‑ за взаимодействия с этими атомами. Правильное понимание «непроницаемости» приходит через понимание того, как частицы взаимодействуют друг с другом. Мы говорили, что протон в атоме водорода создает потенциал, в котором движется электрон, и этот потенциал захватывает электрон аналогично тому, как частица удерживается в ящике. Это приводит к более глубокой проблеме, потому что электрон, очевидно, взаимодействует с протоном, и именно это предопределяет «запирание» электрона.

В главе 10 мы увидим, что же необходимо добавить к уже сформулированным квантовым правилам. Эти добавки будут касаться взаимодействия частиц. Пока наши правила очень просты: частицы двигаются, перенося с собой воображаемые часы, стрелки которых переводятся назад точно определенным образом в зависимости от расстояния, на которое перемещаются частицы. Все прыжки частиц разрешены, так что частица может переместиться из точки А в точку В по бесконечному количеству различных траекторий. Каждая траектория приносит в точку В собственный квантовый циферблат, и мы должны сложить их все, чтобы получился единый общий циферблат, который позволит нам определить вероятность нахождения частицы в точке В. Добавление взаимодействий в эту картину оказывается на удивление простым делом. Мы дополняем правила перемещения частиц новым правилом, которое гласит, что частица может испускать или поглощать другую частицу. Если до взаимодействия была одна частица, то после него их может оказаться две; если до взаимодействия частиц было две, после него может остаться только одна. Конечно, если мы собираемся вырабатывать математические формулы для этого, мы обязаны уточнить, какие именно частицы будут сливаться или распадаться и что произойдет после взаимодействия с теми циферблатами, которые несет с собой каждая частица. Это станет темой главы 10, но предпосылки очевидны и так. Если есть правило, по которому электрон в ходе взаимодействия испускает фотон, то существует вероятность того, что электрон в атоме водорода может испустить фотон, потерять энергию и опуститься на более низкий энергетический уровень. Он может также поглотить фотон, приобрести энергию и подняться на более высокий энергетический уровень.

Существование спектральных линий подтверждает, что именно так все и происходит, но далеко не с равной вероятностью, а именно: электрон может испускать фотон и лишаться энергии в любое время, но единственный способ получения энергии и перехода на более высокий энергетический уровень заключается в существовании фотона (или какого‑ то иного источника энергии), который мог бы с ним столкнуться. В газообразном водороде таких фотонов обычно мало, а расстояние между ними велико. Атом в возбужденном состоянии имеет гораздо больше шансов на испускание фотона, чем на его поглощение. Общий эффект состоит в том, что атомы водорода стремятся выходить из возбужденного состояния (релаксировать), под чем мы понимаем победу испускания над поглощением. Со временем атом возвращается к основному состоянию n = 1. Это правило не может быть общим, поскольку можно постоянно возбуждать атомы, обеспечив контролируемую подкачку энергии. На этом основана технология лазера, ныне используемая повсеместно. Главная идея лазера состоит в закачивании энергии в атомы, приводящем к их возбуждению, и сборе фотонов, испускаемых при потере электронами энергии. Эти фотоны очень полезны для чтения данных высокой четкости, записанных на поверхности CD или DVD: влияние квантовой механики на нашу жизнь весьма многообразно.

В этой главе мы сумели объяснить происхождение спектральных линий, используя простую идею квантованных энергетических уровней. Кажется, нам удалось выработать правильный взгляд на атомы. Но все же кое‑ что не совсем так. Не хватает последнего кусочка головоломки, без которого невозможно объяснить структуру более тяжелых атомов, чем водород. Если говорить более прозаично, нам также не удастся объяснить, почему мы, собственно, не проваливаемся сквозь землю, что создает проблемы для нашей замечательной теории природы. Объяснение, которое мы ищем, кроется в работах австрийского физика Вольфганга Паули.