“Квантова драбина” Вайскопфа
Перейдемо тепер до питання, як з точки зору квантової теорії пояснюється існування стабільних станів речовини і як у мікросвіті виникає чудова ієрархія, яку можна назвати “квантової сходами”.
Звернемо увагу, що існування у будь-якої системи стану з кінцевою найменшій можливій енергією забезпечує її стабільність і дозволяє уникнути багатьох парадоксів. Наприклад, якби рух електронів в атомі підпорядковувалося законам Ньютона і класичної електродинаміки, атом не міг би бути стійким. Згідно законам класичної електродинаміки, електрони, що рухаються по орбітах навколо ядра, будуть випромінювати електромагнітні хвилі і, отже, втрачати енергію. Оскільки швидкість обігу електронів навколо ядра буде зменшуватися, то кулоново тяжіння призведе до швидкого падіння електронів на ядро. З точки зору квантової теорії цього не відбувається, оскільки є стан з найменшим можливим значенням енергії електронів в атомі. В основному стані атом не може випромінювати, оскільки при випромінюванні він мав би перейти в стан з меншим значенням енергії, якого не існує. З тієї ж самої причини виявляється стійкою кристалічна структура макроскопічних твердих тіл: вона відповідає мінімуму повної енергії взаємодії атомів твердого тіла один з одним.
Дуже важливою характеристикою стабільної фізичної системи є величина (див. Рис. 6), яка характеризує енергію, необхідну для руйнування системи як цілого. Чудовою особливістю Природи виявляється можливість виділення принаймні чотирьох класів стабільних систем, які характеризуються різними по порядку величини енергіями і розмірами. Ці класи можна розуміти як різні ступені структурної організації матерії.
. Нульова або класична ступінь відповідає () і характеризує атом або молекулу як ціле. Справа в тому, що багато менше енергій, необхідних для збудження атомів. Тому у всіх експериментах, в яких передається речовині енергія виявляється в перерахунку на один атом або одну молекулу речовини, атоми і молекули проявляють себе як безструктурні об’єкти, подібні, у багатьох відношеннях, більярдний кулях. Наприклад, досвід показує, що при опроміненні розріджених газів повільними електронами (якраз з енергіями) розсіювання електронів на атомах газу відбувається пружно, тобто практично за законами механіки Ньютона. В даному випадку енергії електронів недостатньо для переходу атома з основного стану в збуджений, і, тим більше, для розщеплення атома. Фактично, дана щабель відповідає класичній фізиці. При таких енергіях хімічні речовини, які з певних комбінацій атомів і молекул, стабільні і мають добре відтворюваними від зразка до зразка властивостями.
. Атомна ступінь характеризується енергіями переходів і типовими розмірами. В експериментах з таким масштабом енергій (у перерахунку на один атом) атоми можуть існувати або в збуджених станах, або можливі переходи деяких або всіх електронів атомних оболонок в суцільну частину спектру. Останнє призводить до руйнування атома: він розвалюється на ядро і електрони. При такому масштабі енергій, однак, самі ядра знаходяться в основному стані, оскільки типові масштаби енергії збудження ядер. Таким чином, на атомній ступені внутрішні ступені свободи ядер ніяк себе не проявляють, і ядра поводяться як безструктурні об’єкти. Дана щабель відповідає уявленням про структуру атомів, сформованим в першій чверті XX століття і концептуально оформившимся в планетарної моделі атома, запропонованої Е. Резерфордом і Н. Бором. Послідовний опис всієї сукупності явищ, відповідних атомної ступені, виходить в рамках строгої теорії – квантової механіки, розробленої в 20-і рр. минулого століття.
. Ядерна ступінь характеризується енергіями переходів і типовими розмірами. При таких масштабах енергії (в перерахунку на одне ядро) ядра можуть переходити в порушені стану, взаємно перетворюватися або руйнуватися. Це відбувається, наприклад, при непружному розсіюванні електронів з енергією на ядрах. Частина енергії електрона може бути передана ядру, в результаті чого воно перейде в збуджений стан або розколеться, наприклад, на протони і нейтрони. На цьому ступені ядра, очевидно, вже не можуть розглядатися як безструктурні об’єкти. Зокрема, на цьому ступені більшість ядер схильні радіоактивного розпаду. Один з механізмів розпаду описується процесом, при якому протон в ядрі перетворюється в нейтрон з випусканням позитрона і антинейтрино:
Ця реакція називається бета-розпадом, і в ній з’являються дві частинки, і, які відсутні на попередньому щаблі, відповідної атомним явищам. Всі відомі явища ядерної фізики вдається пояснити на основі протон-нейтронної моделі ядра. Сили, що утримують протони і нейтрони в ядрі, називаються ядерними силами, а сили, відповідальні за процеси бета-розпаду – слабкою взаємодією.
. Суб’ядерними ступінь характеризується енергіями переходів і типовими розмірами -. При таких енергіях, які досягаються в сучасних прискорювачах елементарних частинок, а також в космічних променях (у природних умовах), вже складові елементи ядер – протони і нейтрони – не можна розглядати як елементарні частинки. Експерименти з розсіювання високоенергетичних пучків електронів на вільних протонах і нейтронах неспростовно доводять існування у протонів і нейтронів внутрішньої структури. Крім цього, на даному ступені спостерігається величезне число (більше трьохсот) нових частинок. Спостерігаються численні процеси народження і знищення частинок, при яких одні частинки перетворюються в інші.
Таким чином, за величиною характерних енергій переходів та просторового масштабу в природі чітко виділяються чотири ступені структурної організації матерії. На можливість такої класифікації вперше звернув увагу німецький фізик Віктор Вайскопф. Існування квантової сходи має глибокий фізичний зміст. Ступені свободи, активізовані на даному ступені, не проявляються на нижчих щаблях. Дійсно, повторю ще раз, що системи, ступеня свободи яких є визначальними на даному ступені, на нижчому щаблі, при характерних енергіях процесів, знаходяться у своїх основних станах. Тому об’єкт, що має внутрішню структуру з точки зору даної вищого ступеня, в дуже хорошому наближенні може розглядатися як безструктурний або навіть взагалі не проявлятися на будь нижчому щаблі. Таким чином, атом можна в дуже хорошому наближенні розглядати як безструктурну неподільну частку з погляду газової динаміки, ядро - при грубому аналізі атомних спектрів і т. д.
Через це кожна щабель сходів характеризується певним колом явищ, які можна вивчати більш-менш незалежно один від одного, і утворює окремий розділ фізики. Нульова ступінь сходів відповідає фізиці макроскопічних явищ, хімії. Перший ступінь вивчається атомної фізикою, друга – ядерною фізикою. Нарешті, третій ступінь квантової сходи вивчається в розділі, який називається фізикою елементарних частинок.
Нульова щабель у хорошому наближенні описується класичною фізикою, а три наступні – квантової теорією. Зрозуміло, віднесення кожного конкретного явища до тієї чи іншої ступені може бути зроблено тільки після виявлення його природи і механізму. Ця обставина ясно на прикладі задачі про рівноважному тепловому випромінюванні. У початковій постановці вона виглядала як класична термодинамічна завдання, проте в процесі її вирішення стало ясно, що механізм явища має квантову природу і формується на першій ступені квантової сходи.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)