Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| Части атома
Ядро Электронное облако Протон Нейтрон РИС . 15. Атом состоит из электронов, обращающихся вокруг цен- трального ядра, которое, в свою очередь, состоит из положительно заряженных протонов (заряд каждого из них равен единице) и ней- тральных нейтронов (их заряд равен нулю) Возможно, первое и самое поразительное наблюдение, кото- рое можно было бы сделать в этом масштабе, состояло бы в том, что атом состоит преимущественно из пустого пространства*. Ядро — центр атома — примерно в 10 000 раз меньше по радиусу, чем орбиты электронов. Размер среднего ядра — примерно 10 –14 м (10 фемтометров). Ядро атома водорода еще примерно в 10 раз меньше. Ядро по сравнению с атомом так же мало, как Солнце по сравнению со всей Солнечной системой. Атом по большей ча- сти пуст. Объем ядра составляет всего лишь одну триллионную часть полного объема атома. Это совсем не то, что мы видим и чувствуем, когда стучимся в дверь или пьем прохладную жидкость через соломинку. Чув- ства подсказывают нам, что вещество непрерывно. Тем не менее на атомном уровне мы обнаруживаем, что вещество по большей части не содержит ничего «вещественного», просто наши чувства усредняют все, что имеет меньшие размеры; за счет этого веще- ство кажется нам твердым и непрерывным. На атомном уровне оно совсем не такое. Почти полная пустота — не единственное, что удивило бы нас при взгляде на вещество в атомном масштабе. В свое время * Там, конечно, есть электромагнитное поле, но практически нет вещества. — Прим. авт. ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ 113 мир физики был буквально потрясен тем, что на этих крошечных расстояниях нарушаются даже самые фундаментальные основы ньютоновой физики. Понять свойства электронов в атоме не- возможно без представления о двух вещах: волновой природе вещества и принципа неопределенности — ключевых элементах квантовой механики. Электроны в атоме вовсе не летают по про- стым кривым, описывающим конкретные орбиты, изображение которых мы так часто видим. Согласно квантовой механике ни- кто не в состоянии измерить одновременно положение и импульс частицы с бесконечной точностью, а без этого невозможно и про- следить точный путь частицы во времени. Принцип неопределен- ности, выдвинутый Вернером Гейзенбергом в 1926 г., утверж- дает, что точность, с которой измерены координаты частицы, ограничивает максимальную точность, с которой можно изме- рить ее импульс*. Если бы электроны двигались по классическим траекториям, мы могли бы в любой момент точно сказать, где находится данный конкретный электрон, а также с какой ско- ростью и в каком направлении он движется; следовательно, мы могли бы точно сказать, где он будет находиться в любой момент в будущем. Это, однако, противоречит принципу Гейзенберга. Квантовая механика учит нас, что электроны не занима- ют в атоме строго определенного положения, как следовало бы из классической картины мира. Вместо этого мы имеем распре- деление вероятностей, из которого следует, какие у нас шансы в данный момент обнаружить электрон в данном конкретном ме- сте; вероятности — это все, что у нас есть. Мы можем предсказать среднее положение электрона как функцию времени, но любое конкретное измерение подчиняется принципу неопределенности. Имейте в виду, что эти распределения не произвольны. У элек- тронов может быть далеко не любое распределение энергий или вероятностей. В классической теории не существует внятно- го способа описать орбиту электрона — ее можно описать только в терминах теории вероятностей. Тем не менее распределение ве- роятностей — вполне конкретная функция. В квантовой механике * Величина, на малых скоростях приблизительно равная произведению массы и скорости, а на релятивистских — отношению энергии к скорости света. — жүктеу/скачать 8,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|