Под знаком кванта.

Квантовая механика — это математическая схема, позволяющая вычислять физически измеримые характеристики атомных явлений. Если бы задача физики заключалась только в этом, то построение механики атома можно было бы считать законченным. Однако физика призвана дать нам нечто большее — рациональную картину мира. Выполнить столь обширную программу с одними формулами и числами нельзя — для этого необходимо найти образы и сформулировать понятия, им соответствующие. Особенно важно это для всех нефизиков, которые не знают и не понимают формул квантовой механики. Для них язык образов и понятий — единственный способ проникнуть в глубь атома. Со времен Демокрита мы продвинулись на этом пути довольно далеко и сейчас нарисовали себе более или менее удовлетворительную картину атома. Однако до совершенства ей не хватает нескольких штрихов.

ВОКРУГ КВАНТА Опыт Комптона

Представьте, что вы стоите перед зеркалом в зеленом свитере и вдруг замечаете, что ваше отражение в зеркале одето в красный свитер. Прежде всего вы, вероятно, протрете глаза, а если это не поможет, пойдете к врачу. Потому что «так не бывает». В самом деле, зеленые лучи — это волны, длина которых λ = 550 нм. Встретив на пути препятствие — зеркало, они отражаются, но при этом никак не могут изменить свою длину и стать, например, красными (λ = 650 нм). А Комптон наблюдал именно это явление: направив на мишень пучок рентгеновских лучей с длиной волны λ, он обнаружил, что длина волны λ' рассеянных лучей больше длины волны падающих, то есть рассеянные лучи действительно «краснее» первоначальных!

Чудо это можно понять, если вспомнить гипотезу Эйнштейна о квантах света, которую он предложил для объяснения явлений фотоэффекта. Следуя ему, вместо рентгеновских волн с длиной λ и частотой ν = с/λ нужно представлять себе поток частиц-квантов с энергией E = hv и импульсом p = hv/c. Сталкиваясь с электронами атомов мишени, они выбивают их оттуда (затратив энергию Р), разгоняют до скорости υ (дополнительно затратив энергию mυ²/2), а сами рассеиваются с меньшей энергией E' = hv' и меньшей частотой. В силу закона сохранения энергии

Если атом полностью поглотит квант света (Е'=0), то мы увидим обычное явление фотоэффекта, а уравнение Комптона превратится в уравнение Эйнштейна (мы его уже приводили) :

Оба эти опыта можно провести в камере Вильсона, проследить путь каждого выбитого электрона и тем самым наглядно представить процесс столкновения световых квантов с электронами.

Но в таком случае, что нам мешает увидеть себя в красном свитере? Оказывается, все те же квантовые законы, которые запрещают электрону поглощать произвольные порции энергии. Электрон на стационарной орбите в атоме может поглотить только такой квант, который либо перебросит его из одного стационарного состояния в другое (вспомните опыт Франка и Герца), либо выбросит его из атома (опыты Ленарда, Столетова, Милликена). Энергия «зеленых квантов» (2,5 эВ) слишком мала, чтобы вырвать электрон из атома (Р≈10 эВ). Поэтому они упруго (без потери энергии) отразятся от атомов зеркала и при этом нисколько не «покраснеют». Энергия рентгеновских волн (λ≈1 Å) примерно в 5—10 тысяч раз больше, и потому явления, которые с ними происходят, — иные. Например, они вовсе не отражаются от зеркала, а свободно через него проходят, срывая по пути электроны с его атомов.

Конечно, даже простой процесс отражения зеленого света от зеркала несколько сложнее, чем мы это сейчас представили. Но существует еще одна — главная — трудность: в нашей стройной картине, где вместо волн света сплошь одни только кванты света, нет места опытам Фридриха, Книппинга и Лауэ, которые открыли дифракцию рентгеновских лучей и тем самым доказали их волновую природу. Как примирить эти несовместимые представления: лучи — волны и лучи — кванты? Квантовая механика справилась и с этой задачей.

Дифракция электронов