Рис. 114. Вернер Гейзенберг
Почти в одно время с де Бройлем молодой немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901–1976) (рис. 114) предположил: к квантовым процессам вообще неприменимы многие положения классической механики хотя бы по той причине, что при исследовании микромира невозможно само понятие «измерение» в том смысле, в каком оно понимается в макромире. Одним из основных понятий физики является скорость, т. е. расстояние, на которое тело переместилось за единицу времени. Но как мы можем узнать, что оно переместилось и тем более насколько оно переместилось? Очень просто: мы видим или каким-то образом определяем его месторасположение в один момент времени, а затем – через определённый промежуток времени. Но для того чтобы что-то увидеть, надо, чтобы от этого «чего-то» отразился фотон или электрон, который попадёт в наш глаз или в любой другой регистрирующий прибор. Но если отражение таких частиц практически не повлияет на обычный, пусть и очень маленький предмет, такой как бактерия или даже молекула, то на движении электрона он скажется весьма значительно, и тот изменит свою скорость. Получается, что мы не можем определить местонахождение электрона, не изменив при этом его скорости. В результате Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости, согласно которому, невозможно одновременно точно измерить положение частицы и её скорость. Чем точнее мы измеряем координату частицы, тем большую ошибку допускаем в определении её скорости, и наоборот.
В отличие от классической физики, где требуется максимально абстрагироваться от самого факта измерения или наблюдения и предполагается, что само проведение эксперимента никак не сказывается на свойствах изучаемого объекта, в квантовой механике дело обстоит совершенно иначе. Сам факт измерения изменяет свойства объекта, и избавиться от этого невозможно. В квантовых исследованиях мы всегда наблюдаем не сам объект, а результат его взаимодействия с измеряющим прибором. Соответственно, разные приборы дают разные результаты. Это происходит не потому, что эти приборы неисправны или недостаточно точны, а потому, что они измеряют различные свойства объекта. Если мы хотим исследовать свойства электрона как частицы, то он ведёт себя как частица. Если же мы хотим изучать его волновые свойства, то он будет вести себя как волна. В этом и заключается предложенный Бором принцип дополнительности:
объекты микромира ведут себя и как волны, и как частицы, причём одно описание не исключает, а дополняет другое.
На самом деле электроны и фотоны не являются ни волнами, ни частицами, а представляют собой нечто иное, не имеющее аналогов в макромире. Это «иное» иногда похоже на знакомые нам морские волны, а иногда – на обычные физические тела.
Теперь вы убедились в том, что квантовая физика действительно в какой-то степени странная наука. Многие серьёзные учёные в течение долгого времени отказывались верить в квантово-волновой дуализм. Множество экспериментов, проводимых с целью «установить истинную природу» квантовых частиц и доказать, что они являются «на самом деле» частицами или, наоборот, волной, потерпели полную неудачу. Как ни удивительны законы микромира, они являются объективными законами Природы, и их приходится признавать.
Проверьте свои знания
1. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?
2. Почему в макромире не учитывают квантовых законов?
3. В чём заключается принцип неопределённости Гейзенберга?
Задания
Чему равна энергия кванта электромагнитного излучения с длиной волны, составляющей 300 нм, если учесть, что излучение распространяется со скоростью света, а постоянную Планка принять равной 10-34 Дж с?
§ 45 Современные представления о строении атома
Строение ядра.
Термин «атом» сохранился в современной науке, несмотря на то что уже давно стало понятно, что эта частица не является собственно «атомом», т. е. «неделимым». В настоящее время известно, что атом состоит из ядра и окружающей его электронной оболочки, которую также называют электронным облаком. Ядро обладает положительным электрическим зарядом, а электроны – отрицательным, поэтому они удерживаются около атомного ядра за счёт силы электростатического притяжения. В то же время между электронами действует сила электрического отталкивания. Совокупность этих взаимодействий определяет устойчивость атома. Положительный электрический заряд ядра атома всегда равен по абсолютной величине сумме отрицательных зарядов электронов, окружающих ядро. Поэтому суммарный заряд атома равен нулю, т. е. атом является электрически нейтральным. Если под воздействием внешней энергии один или несколько электронов покидают атом, тот приобретает положительный заряд и становится положительно заряженным ионом.
Атомное ядро по размеру составляет менее одной стотысячной части всего атома, однако масса ядра примерно в 4000 раз больше, чем масса всех входящих в него электронов. Так как электронное облако не имеет резкой границы, размеры атомов определяют по расстоянию между их ядрами в молекулах. Радиус самого маленького атома (гелия) составляет тридцать две миллиардных миллиметра, а самого большого (цезия) – приблизительно в семь раз больше. Эти размеры в тысячи раз меньше, чем длина волны видимого света, поэтому атомы невозможно увидеть в обычный световой микроскоп. Отдельные атомы можно наблюдать только с помощью современных микроскопов, использующих квантовые эффекты. Для того чтобы получить представление о размере атомов, надо представить себе, что яблоко увеличилось до размеров Земли. Тогда размеры атомов будут равны размеру первоначального яблока.
Масса атома определяется главным образом массой его ядра, которое состоит из двух видов частиц, называемых нуклонами (от лат. nucleus – ядро), имеющих почти одинаковую массу. Нуклоны бывают двух видов: положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны.
Вид атома с определённым зарядом ядра называют химическим элементом. Атом каждого элемента отличается от других числом протонов в атомном ядре, которое соответствует его порядковому номеру в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева и числу электронов в электронной оболочке. Кроме того, число протонов определяет электрический заряд ядра, так как электрически нейтральные нейтроны не вносят в него вклада. Поэтому число протонов в ядре какого-либо атома называют его зарядовым числом. Самое простое строение имеет атом водорода. Он состоит всего из одного протона и одного электрона. Другие элементы обязательно имеют в составе своего ядра нейтроны. Так, ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов.
Масса ядра определяется суммой масс составляющих его протонов и нейтронов и называется атомной массой. Поскольку масса атомов очень мала, её неудобно измерять непосредственно в граммах. Поэтому в практических целях используют величину, называемую массовым числом, которая равна числу всех входящих в ядро нуклонов. Масса одного протона или нейтрона, таким образом, принимается за единицу.
Изотопы
Может показаться, что каждый химический элемент должен всегда иметь определённое зарядовое число и определённую атомную массу. Однако это утверждение верно только в отношении зарядового числа. Ещё в начале XX в. было обнаружено, что некоторые элементы, проявляющие одинаковые свойства в химических реакциях, состоят из атомов, имеющих различную атомную массу. Атомы одного и того же элемента, имеющие различную массу, были названы изотопами. Встречающиеся в природе элементы чаще всего являются смесью нескольких изотопов, один из которых является преобладающим. Атомы всех изотопов одного элемента имеют одинаковый заряд ядра и, соответственно, занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов. Различие между ними заключается в числе содержащихся в ядре нейтронов.
Ядро атома гелия чаще всего содержит два нейтрона, но встречаются изотопы, число нейтронов в ядре которых равно одному или трём. Кислород в природе может существовать в виде трёх изотопов с восемью, девятью или десятью нейтронами. При этом число протонов в ядре атома кислорода и, следовательно, его зарядовое число и атомный номер всегда равны восьми. Водород является первым элементом периодической системы элементов. Ядро его атома содержит всего один протон и чаще всего вообще не содержит нейтронов. Такой изотоп водорода называют протий. Однако в природном водороде содержится почти 0,02 % изотопа, называемого дейтерием и содержащего один нейтрон (рис. 115, А). Соответственно, атомная масса дейтерия равна двум.
