Развитее квантовых представлений
В 1921 г. американский физик Клинтон Джозеф Дэвиссон, работавший тогда в Научно-исследовательском центре фирмы «Белл телефон», обнаружил интересное явление, которое наблюдалось при отражении электронов от поверхности никелевой пластинки. Результаты исследований показывали, что электроны рассеиваются под определенным углом. Это явление удалось объяснить лишь через несколько лет, когда идеи квантовой физики получили новое, более глубокое развитие.
В начале 20-х годов теоретики стали понимать, что квантовая теория, созданная в начале века, весьма ограниченна по своему смыслу и применению. Требовалось ее дальнейшее развитие на основе новых принципов. В 1923 г. французский физик Луи де Бройль в своей докторской диссертации «Исследования теории квантов» выдвинул идею о волновых свойствах материи, которая и легла в основу современной квантовой механики. Развив глубже представления Эйнштейна о двойственной природе света, он распространил их и на вещество, объединив формулу Планка (согласно которой энергия пропорциональна частоте излучения) с формулой Эйнштейна, связывающей энергию и массу (Е = mc2), получил соотношение, показывающее, что любой материальной частице определенной массы и скорости можно приписать соответствующую длину волны.
Луи де Бройль защитил докторскую диссертацию в ноябре 1924 г., изложив тем временем свои идеи в ряде статей. На следующий год молодой немецкий физик Вальтер Эльзассер высказал предположение, что теоретические разработки де Бройля могут быть доказаны при исследовании отражения электронов от кристалла. Но такой опыт был осуществлен Дэвиссоном еще в 1921 г. Американский ученый также следил за публикациями де Бройля, и в начале 1925 г. он приступил к исследованиям углового распределения рассеянных электронов. Наконец, 6 января 1927 г., Дэвиссон вместе с Лестером Джермером получил четкую картину рассеяния электронов, хорошо согласующуюся с теорией.
В то же самое время профессор Абердинского университета Джордж Паджет Томсон, сын известного Джозефа Джона Томсона, независимо от группы Дэвиссона открыл явление дифракции электронов. Лишь месяц спустя после своих американских коллег он также получил убедительные доказательства волнового характера этих частиц. Картины рассеяния электронов, полученные Дэвиссоном и Томсоном, были очень похожи на изображения, получаемые при дифракции рентгеновского излучения, причем эксперименты в этих двух исследованиях ставились по-разному. В то время как Дэвиссон изучал отражение медленных электронов от кристаллов никеля, Томсон исследовал прохождение быстрых электронов через металлическую фольгу. По дифракционным картинам можно было вычислить длину волны, соответствующую движущимся электронам.
Идеи Луи де Бройля раскрыли новые свойства вещества, о которых ранее даже и не подозревали ученые. В 1929 г., через шесть лет после первых публикаций, де Бройль получил Нобелевскую премию по физике за открытие волновой природы электронов.
Дэвиссон и Д.П. Томсон разделили в 1937 г. Нобелевскую премию по физике за экспериментальное открытие интерференционных явлений в кристаллах, облучаемых электронами. Наряду с большим теоретическим значением эти открытия представляли практическую ценность. Достаточно упомянуть электронную оптику, в частности электронный микроскоп, который является одним из основных приборов в современных биологических исследованиях.
Работы Луи де Бройля привлекли внимание австрийского физика-теоретика Эрвина Шрёдингера. В течение года (с конца 1925 до конца 1926 г.) он опубликовал несколько работ, в которых была развита теория, получившая название «волновая механика». Выводы Шрёдингера, и в особенности известное уравнение его имени, играют в изучении атомных процессов такую же фундаментальную роль, как законы Ньютона в классической механике.
Если провести аналогию между оптикой и механикой, то можно указать на следующее: классическая оптика принимает, что световые лучи распространяются прямолинейно, и только при исследовании некоторых явлений, таких, как дифракция или интерференция, обнаруживается волновая природа света; точно так же классическая механика, основанная на законах Ньютона, хорошо описывает явления макромира, но при исследовании микрообъектов проявляются уже волновые свойства материи. Кроме этой оптико-механической аналогии Шрёдингер установил связь между созданной им волновой механикой и матричной механикой, разработанной в тот же период Вернером Гейзенбергом, Максом Борном, Паскуалем Иорданом и Полем Дираком.
Молодой немецкий физик Вернер Гейзенберг в 1925 г., в возрасте всего лишь 24 лет, предложил так называемую матричную механику, в основу которой был положен очень удобный математический аппарат. Однако большую известность Гейзенбергу принес его знаменитый принцип неопределенности, сформулированный в 1927 г., когда ученый стал профессором теоретической физики Лейпцигского университета. Этот принцип, представляющий собой фундаментальное положение квантовой теории, гласит, что информация, которую мы можем получить относительно микрообъектов, ограничена самими методами наблюдения. Если мы решим, например, определить положение (координаты) частицы, то для этого нам придется облучить ее фотонами. Но вследствие взаимодействия с фотонами частица изменит свое положение, так что полученный результат будет «неточным». Принцип неопределенности Гейзенберга утверждал неприменимость законов классической механики в квантовой теории. В новой, волновой квантовой механике необходимы были иные понятия, нежели в классической механике. Так, в модели атома вместо электронных орбит (фигурирующих в классической модели атома Бора) были введены так называемые электронные облака, в пределах которых электрон находится с определенной степенью вероятности.
Дальнейшее развитие квантовая теория получила в исследованиях английского физика Поля Дирака. В 1928 г. он создал релятивистскую теорию движения электрона, применив в квантовой механике соотношения теории относительности. Дирак сумел объединить релятивистские представления с представлениями о квантах и спине (собственном моменте вращения микрочастицы). Из теории Дирака вытекал интересный вывод о возможности существования положительно заряженного «электрона» — и очень скоро, всего лишь через 4 года, был открыт позитрон.
Создателями квантовой механики были молодые талантливые исследователи. Они внесли в физику новые оригинальные идеи, так что их научная деятельность полностью отвечала критериям Нобелевского фонда. И не удивительно, что большинство из них довольно скоро стали лауреатами Нобелевской премии. В 1933 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Вернеру Гейзенбергу за создание квантовой механики и открытие в связи с этим аллотропных форм водорода, а также Эрвину Шрёдингеру и Полю Дираку — за создание новых плодотворных вариантов квантовой теории.
Когда Шрёдингер впервые опубликовал свое уравнение, немецкий физик Макс Борн дал статистическую интерпретацию входящей в него волновой функции, показав, что интенсивность шредингеровских воли следует рассматривать как меру вероятности того, что частица находится в определенном месте. Другая заслуга Борна состоит в том, что он вместе с П. Иорданом создал математический аппарат новой квантовой теории (матричной механики). За фундаментальный вклад в квантовую механику, а также за статистическую интерпретацию волновой функции Макс Борн в 1954 г. (много лет спустя после своих открытий!) стал лауреатом Нобелевской премии по физике, разделив ее с Вальтером Боте. Наряду с другими результатами Борна нельзя не упомянуть о разработанных им методах вычисления деформации электронных оболочек атома. Для Борна и его школы было характерно широкое использование квантовой механики в различных областях физики атома и твердого тела.
С теоретическим исследованием электронов в атоме связаны и работы известного швейцарского физика-теоретика Вольфганга Паули. В 1924 г. этот талантливый молодой ученый сформулировал один из важнейших принципов теоретической физики — так называемый принцип Паули. Это было время, когда еще господствовала старая квантовая теории, согласно которой электроны в атоме вращаются вокруг ядра по определенным траекториям. Принцип Паули утверждал, что на одной орбите не может одновременно находиться более двух электронов, да и то только в том случае, если их спины противоположно направлены. В современной формулировке этот принцип звучит так: две тождественные частицы не могут находиться в одном квантовом состоянии.