Мікростан однієї мікрочастинки - Студопедія
Серед мікрочастинок є складові (атоми, молекули, атомні ядра) та елементарні. З класичної точки зору вони не повинні мати будь-які інші характеристики, крім енергії, імпульсу, маси і заряду. Але це не так.
За сучасними даними, в електроні немає більш «дрібних» складових частин, так що з класичної точки зору електрон – точковий об'єкт та характеристики типу власного моменту у нього не повинно бути. Але вже давно з'ясувалося, що багато властивостей атомів і особливо їх поведінка в магнітному полі неможливо пояснити, якщо вважати, що електрон не має жодних специфічних внутрішніх характеристик.
Першим, хто це зрозумів, був Паулі. У 1924 році він показав, що для пояснення різних властивостей атомів необхідно припустити, що електрон має двозначну внутрішню характеристику, яка не має класичного аналога. У класичній фізиці у «точкового» електрона власний момент повинен дорівнювати 0, а у «протяжного» електрона з радіусомr »10 -13 см величина моменту, здатна пояснити експеримент, відповідала б лінійній швидкості на поверхні обертового електрона, що набагато перевищує швидкість світлас.
Дж. Улленбек і З. Гаудсміт (1925г.) висловили сміливу гіпотезу, за якою електрон має власний момент, але мають суто квантову природу. Вони його назвали спиною.
Поняття спина, величина якого визначається постійною планкою, властиве всім мікрочастинкам. Воно є для них настільки ж фундаментальним, як і поняття маси та заряду, і його слід сприймати як вихідну, внутрішньо властиву їм якість.
Для дослідження спина електрона та його проекцій потрібно навчитися їх «виділяти» в чистому вигляді. Вирішальну роль грає тообставина, що електрон – заряджена мікрочастинка, отже з його спином нерозривно пов'язаний свій магнітний момент.
Принциповий досвід такого типу вперше було поставлено О.Штерном та В. Герлахом у 1921 році. Вони пропускали потік «однакових» електронів через дуже неоднорідне магнітне поле. Проекції спина електрона – це характеристики спінових мікростанів, які лише за розмірністю збігаються із проекціями моменту. Точнішими характеристиками спінових станів є спінові квантові числа, рівні ±.
Наявність у мікрочастинок специфічної характеристики –спина, що залежить від постійної Планки, показує, що електрони та інші елементарні або складові мікрооб'єкти – це особливі «квантові» частинки, або мікрочастинки, властивості яких неможливо описати в рамках класичного погляду на природу , Тож невеликими поправками до класичної фізики вже не обійтися. Необхідно перейти до якісно іншого, некласичного опису природи.
Справа в тому, що в класичній фізиці до опису властивостей світла успішно застосовувалися обидві моделі – корпускулярна та хвильова. Деякі властивості світла простіше описуються в корпускулярній моделі, тоді як інші хвильової моделі. З теорії електромагнетизму Максвелла випливало, що світло та інші електромагнітні випромінювання здатні переносити будь-які частки енергії, імпульсу та моменту. Якби це було так, ми не могли б спостерігати віддалені зірки, оскільки щільність переноситься енергії світла повинна зменшуватися пропорційно квадрату відстані. Той факт, що зірки все ж таки спостерігаються, служить прямою вказівкою на те, що енергія світла не завжди залежить від інтенсивності хвилі і тому з відстанню не зменшується.
У класичній фізиці електромагнітне випромінювання є у виглядісукупності незалежних гармонійних хвиль чи нормальних мод із певними значеннями w і k. Перевіркою того, що подібний опис є адекватним фізичному об'єкту, є той факт, що для електромагнітних хвиль будь-якого частотного діапазону спостерігаються явища інтерференції та дифракції.
Досліди з пропускання фотонів вздовж осі досить вузької щілини показують, що після щілини вони реєструються в межах області, що перевищує розмір щілини, хоча це не вкладається в рамки моделі хвиль. Сукупність послідовно зареєстрованих фотонів повністю відтворює картину, відповідну дифракції електромагнітного випромінювання з частотою w і хвильовим числом k, як і раніше, кожен фотон реєструється лише один раз і притому локально, тобто. в одній точці простору. З цього можна зробити щонайменше три важливі висновки.
1. Локальність реєстрації свідчить про те, що до фотону в момент реєстрації все-таки можна застосувати модель частки.
2. Спостережуваний ефект дзвонового розподілу числа попадань однакових фотонів у різні ділянки щілини слід приписати неконтрольованому впливу щілини на кожен фотон, яке і викликає зміну його початкового стану.
3. Ознаками хвилі, тобто. здатністю до дифракції слід наділити стан фотона до щілини.
Таким чином, фотон – це матеріальний об'єкт мікросвіту. Якщо виходити з ідеї єдності природи, то аналогічний опис має бути ефективним і щодо будь-яких інших мікрооб'єктів – електронів, протонів, нейтронів тощо. Кожному з них, крім відомих із класичної фізики характеристик - енергії e, імпульсу р, моменту s - необхідно зіставити і характеристики іншого типу, що мають сенс характеристик його стану,враховують наявність неконтрольованого впливу макроскопічного оточення. Для вільної мікрочастинки з ненульовою масою такими характеристиками є частота хвильове число (або довжина хвилі де Бройля) lБр і спінові квантові числа.
Після відкриття Планка було встановлено, що у фізичній реальності присутні дві сторони -характеристики самого мікрооб'єкта, що збігаються для вільних об'єктів з аналогічними характеристиками, що використовуються в класичній фізиці, та характеристики стану мікрооб'єкта, що враховують неконтрольований вплив макроскопічного оточення мікрооб'єкта.
Якщо мікрочастинка змушена здійснювати обмежений рух, її стан нагадує стоячу хвилю. Довжини хвиль і хвильові числа стоячих хвиль, що описують мікростани, залежать від дискретних індексів, які в цьому випадку називають квантовими числами. В результаті фізичні характеристики мікрооб'єкта, виражені через характеристики стану, також є дискретними, або квантованими. До них відносяться енергія, а також імпульс чи момент. Тим самим, дискретність значень фізичних величин, що спостерігається на досвіді, виникає невипадково. Вона відбиває фундаментальну роль з іншого боку фізичної реальності – стану микрообъекта. Квантові числа – це ті самі характеристики стану, яких у цих завданнях залежать фундаментальні характеристики микрообъектов.
Зрештою, всі численні характеристики, що вивчаються у фізиці ядра і елементарних частинок – це квантові числа, що характеризують ці внутрішні стани мікрооб'єктів.
Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком: