Основы квантовой механики

12

Частоты линий в спектре водорода определяются формулой

Эту закономерность для четырех линий в видимой области спектра (при n1 = 2, n2 = 3, 4, 5, 6) еще в 1885 году нашел Бальмер — учитель средней школы в Базеле. В его честь формула (2.3) была названа обобщенной формулой Бальмера.

Суть теории Бора для атома водорода состоит в следующем. Во-первых, атом описывается “планетарной” моделью Резерфорда. Во-вторых, движение электрона по орбите подчиняется классическому второму закону Ньютона. Поскольку сила, действующая на электрон, это кулоновская сила притяжения к положительно заряженному ядру, уравнение движения электрона имеет вид

где me — масса электрона, r — радиус круговой орбиты, v — скорость электрона на орбите, ε0 — электрическая постоянная в системе единиц СИ. Пока все соответствует классической механике. Если и дальше следовать логике классической физики, то, как уже отмечалось, мы придем к заключению, что движение электрона по орбите является неустойчивым из-за потери энергии на излучение. Чтобы обойти эту проблему, Бор принимает два предположения:

а) В планетарной модели возможны не все орбиты, а лишь некоторые “разрешенные орбиты”. Для них момент импульса электрона L = mevr имеет значения, кратные постоянной Планка :

Находясь на “разрешенных орбитах”, электрон не излучает, несмотря на то, что движется с ускорением.

б) Излучение происходит в результате “квантового скачка” (или “квантового перехода”) электрона с “высшей” орбиты на “низшую”. При этом электрон испускает один фотон. Если обозначить значения энергии электрона на высшей и низшей

орбитах через En и En , то частота испускаемого света ω определяется законом

2 1

сохранения энергии:

Поглощение света электроном происходит в результате квантового перехода с низшей разрешенной орбиты на высшую.

Двух уравнений (2.4) и (2.5) достаточно, чтобы вычислить значения энергии электрона на разрешенных орбитах и затем по формуле (2.6) найти спектр излучения атома водорода. Прежде всего, решая уравнения (2.4) и (2.5) относительно радиуса rn орбиты c номером n и скорости электрона vn на этой орбите (математические преобразования оставляем читателю в качестве упражнения), получаем

13

Энергия электрона на орбите радиуса r складывается из кинетической и потенциальной энергий, т. е.

Второй член есть потенциальная энергия электрона в кулоновском поле ядра, которое принимается за точечный заряд. Подставляя в (2.8) значения r = rn и v = vn, находим энергию электрона на разрешенной орбите с номером n:

Эта формула — главное достижение теории Бора. Вспоминая условие (2.6) и используя выражение (2.9), сразу же получаем обобщенную формулу Бальмера (2.3) для линий в спектре водорода, причем теперь для постоянной Ридберга имеем явное выражение

Постоянная Ридберга, вычисленная по этой формуле, оказывается удивительно близкой к экспериментальному значению (2.2).

Теория Бора сыграла важную роль в развитии квантовых идей. Во-первых, она дала качественное представление о механизме излучения света атомами. Излучение происходит не при движении электрона вокруг ядра, а при “квантовых переходах” электрона из одного разрешенного состояния в другое. Во-вторых, эта теория до некоторой степени объяснила устойчивость атома. Электрон в атоме водорода не падает на ядро потому, что его энергия не может стать меньше, чем минимальная возможная энергия (2.9):

Состояние атома с минимальной возможной энергией принято называть основным состоянием. В этом состоянии находится невозбужденный атом. Заметим, что в теории Бора величина

есть энергия ионизации атома водорода, находящегося в основном состоянии1. Экспериментальные измерения энергии ионизации дают результаты, близкие к значению (2.12). Наконец, радиус разрешенной орбиты с n = 1

1В дальнейшем будет часто использоваться внесистемная единица энергии — электронвольт (эВ). Напомним, что 1 эВ ≈ 1, 6 · 10−19 Дж.

15

Тем не менее, из гипотезы де-Бройля следовали предсказания новых и неожиданных эффектов. Как известно, наиболее важное свойство волн — их способность интерферировать, то есть усиливать или гасить друг друга при наложении, или, как обычно говорят в физике, при суперпозиции волн. Одним из проявлений интерференции является дифракция — огибание волнами препятствий. В то время уже наблюдалась дифракция рентгеновских лучей на кристаллах, которые представляют собой почти идеальные трехмерные дифракционные решетки. Если обычные частицы обладают волновыми свойствами, то должна наблюдаться и дифракция пучка таких частиц на кристаллической решетке. В опытах английских физиков Дэвиссона и Джермера (1927 г.) и Томсона (1928 г.) действительно была обнаружена дифракция электронов на кристаллах, причем длина волны, которую можно было определить из условий дифракционных максимумов, в точности соответствовала формуле де-Бройля λ = 2π /p.

2.3.Волновая функция свободной частицы

Мы теперь обсудим на интуитивном уровне некоторые следствия из гипотезы де-Бройля. Такое обсуждение необходимо для того, чтобы постулаты квантовой механики, которые будут сформулированы позже, казались более естественными. Начнем с замечания, что любая волна описывается некоторой функций (волновой функцией), зависящей от координат и времени. В обычных волнах (колебания поверхности жидкости, звук, электромагнитные волны и т.д.) смысл волновой функции очевиден. Более того, само значение волновой функции может быть непосредственно измерено приборами (например, смещение поверхности жидкости от равновесия или изменение давления в звуковой волне). Волновую функцию, описывающую волну де-Бройля, принято обозначать греческой буквой “пси”:

Ψ(r, t) ≡ Ψ(x, y, z, t).

Возникает естественный вопрос: какой физический смысл имеет Ψ и можно ли ее непосредственно измерить? Приведем простые соображения, показывающие, что сама волновая функция, описывающая волны де-Бройля, не может быть измерена в эксперименте (или, как принято говорить в квантовой механике, волновая функция не является “наблюдаемой” величиной). Представим себе свободно движущийся электрон и множество датчиков, помещенных в различных точках пространства. Допустим, что каждый датчик способен измерять Ψ в той точке, где он находится. Тогда, если в некоторый момент времени t волновая функция отлична от нуля в области пространства, где расположены датчики, каждый из датчиков измерит некоторое значение Ψ. Какие физические объекты зарегистрировали датчики? Вспомним, что в нашем примере волновая функция описывает движение одного электрона. Поэтому мы должны допустить, что каждый из сработавших датчиков зарегистрировал часть электрона. Эксперименты показывают, что электрон и другие микрочастицы всегда регистрируются целиком, т. е. в нашем примере всегда будет срабатывать только один датчик. Таким образом, предположение, что функция Ψ может быть измерена, противоречит эксперименту. Это обстоятельство является источником многих трудностей в привыкании к законам квантовой механики. Выяснилось, что непротиворечивую квантовую теорию микрочастиц, выводы которой соответствуют экспериментальным данным, удается построить, если допустить, что волновая функция может принимать комплексные значения,

16

т. е. в общем случае Ψ имеет действительную и мнимую части. Отметим, что появление комплексных чисел в квантовой механике не противоречит эксперименту, поскольку, как мы увидим, все наблюдаемые физические величины принимают только действительные значения.

Вернемся к формулам де-Бройля (2.15) и вспомним, что определенной частотой

и определенным волновым вектором характеризуется плоская гармоническая

ω k

волна. С другой стороны, постоянный импульс имеет свободная, т. е. не вза- p = k

имодействующая с окружением частица. Поэтому свободной частице естественно сопоставить плоскую гармоническую волну де-Бройля. Постулируем, что свободное движение частицы массы m с энергией E и импульсом p описывается волновой функцией

Амплитуда волны A может быть, в принципе, комплексным числом. Представляя ее в виде A = |A| eiα, можно записать выражение (2.16) в такой форме:

Итак, действительная и мнимая части волновой функции (2.16) описывают обычные плоские гармонические волны, сдвинутые по фазе на π/2, в то время как квадрат модуля |Ψ|2 ≡ Ψ Ψ не зависит ни от координат, ни от времени. Напомним еще раз, что волновая функция (2.16) соответствует свободной частице. “Угадать” с помощью гипотезы де-Бройля вид волновых функций для других случаев невозможно. Последовательный метод нахождения волновых функций будет сформулирован позже.

2.4.Дифракция микрочастиц. Суперпозиция состояний

Рассмотрим теперь простой мысленный опыт, который позволит нам установить одно важное свойство волновых функций. Представим себе, что пучок частиц (например, электронов) с одинаковой энергией и, следовательно, с одинаковым импульсом p падает на пластинку с двумя узкими щелями (см. Рис. 2.1.). Частицы регистрируются датчиками, расположенными в различных точках экрана.

Из курса оптики известно, что в случае, когда на пластинку падает монохроматический свет с частотой ω, на экране наблюдается характерное чередование максимумов и минимумов интенсивности из-за интерференции световых волн, попавших на экран от двух щелей. Согласно гипотезе де-Бройля, пучок микрочастиц в данной ситуации будет вести себя аналогичным образом, т. е. на экране получится такое же распределение частиц, зарегистрированных датчиками. Для наблюдения этого распределения в качестве экрана можно взять фотопластинку. Тогда каждое зерно фотопластинки будет играть роль датчика частиц. Итак, на экране должно получиться распределение частиц, показанное на Рис. 2.1. Как объяснить это, исходя из представления о волнах де-Бройля?

17

Будем рассуждать по аналогии с оптикой, где интенсивность света в каждой точке экрана пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля приходящей волны. При этом напряженность поля в данной точке находится как сумма напряженностей в волнах, пришедших от первой и второй щелей (принцип суперпозиции световых волн).

Чтобы получить аналогичную картину для микрочастиц, мы должны допустить, что для волн де-Бройля справедлив принцип суперпозиции, т. е. волновая функция Ψ(P, t) в точке P на экране есть сумма

где Ψ1 и Ψ2 соответствуют волнам де-Бройля, пришедшим в точку P от первой и второй щелей. Квадрат амплитуды суммарной волны Ψ и будет пропорционален числу частиц, попавших в окрестность точки P на экране. К

Рис. 2.1. сожалению, мы пока не знаем, как записать выражения для Ψ1 и Ψ2, так как от щелей

распространяются расходящиеся волны де-Бройля. Если, однако, экран расположен достаточно далеко от пластинки, то можно приближенно считать Ψ1 и Ψ2 плоскими волнами и воспользоваться формулой (2.16). Тогда

где r1 и r2 — расстояния от щелей до точки P . Строго говоря, амплитуды A1 и A2 отличаются друг от друга, так как в общем случае щели находятся на разных расстояниях от точки P . Впрочем, если точка P расположена недалеко от центра интерференционной картины, этим различием можно пренебречь. Именно так мы поступим и для простоты положим A1 ≈ A2 = a. Будем также считать, что амплитуда a — действительное число. Для вычисления квадрата амплитуды суммарной волны (2.19) мы используем прием, который в дальнейшем будет часто встречаться. Так как Ψ — комплексное число, его можно записать в виде Ψ = A eiϕ, где A

— амплитуда волны, которая нас интересует. Далее заметим, что

A2 = |Ψ|2 = Ψ Ψ,

где Ψ — величина, комплексно сопряженная Ψ; она получается из Ψ заменой i на −i. Используя (2.20) с A1 = A2 = a, пишем

A2 = a ei(k r1 − ωt) + a ei(k r2 − ωt) a e−i(k r1 − ωt) + a e−i(k r2 − ωt) .

где мы воспользовались известным из математики выражением для косинуса через

19

Рис. 2.2. Регистрация n частиц на экране при дифракции на двух щелях: а) n = 10, б) n = 100, в) n = 1000.

квантовых идей, отказывались признавать этот принцип. Однако дальнейшая история физики (прежде всего — эксперименты и технические достижения, основанные на квантовой механике) подтвердили справедливость принципа суперпозиции состояний.

2.5.Статистическая интерпретация волновой функции

Врассмотренном примере дифракции микрочастиц мы, следуя аналогии с оптикой, предположили, что квадрат амплитуды волновой функции |Ψ|2 = Ψ Ψ в любой точке экрана пропорционален интенсивности пучка частиц в этой точке. Интенсивность понимается здесь как число частиц, попадающих за единицу времени на экран в расчете на единицу площади. Однако, как уже отмечалось, нельзя считать, что сами частицы образованы из волн. Каждая частица всегда регистрируется как целое, а волна де-Бройля может расщепляться на несколько волн.

На первый взгляд естественно предположить, что волновые свойства характерны только для системы частиц и возникают из-за взаимодействия между ними. Однако эксперимент не подтверждает такую точку зрения. Например, интерференционные полосы на экране в ситуации, показанной на Рис. 2.1., возникают и тогда, когда частицы пропускаются через щели поодиночке. Поучительно проследить, как это происходит. На Рис. 2.2. изображены точки экрана, куда попадают частицы.

Из приведенных рисунков можно сделать два важных вывода. Во-первых, даже зная волновую функцию, невозможно предсказать, где в данных условиях окажется частица. Однако в тех точках, где |Ψ|2 больше, при многократном повторении опыта частицы регистрируются чаще. Основываясь на подобных аргументах, в 1926 году немецкий физик Макс Борн предложил статистическую интерпретацию волновой функции. Правильность такой интерпретации подтвердилась дальнейшим развитием квантовой механики. Для волновой функции, описывающей движение одной частицы, статистическая интерпретация гласит:

•Квадрат модуля волновой функции Ψ(r, t) равен вероятности обнаружения частицы в момент времени t в единичном объеме вблизи точки пространства с радиусом-вектором r.

20

Математически это утверждение можно выразить следующим образом. Обозначим через dV бесконечно малый объем около точки с координатами x, y, z (или с радиусом-вектором r ). Вероятность обнаружения частицы в этом объеме в момент времени t обозначим через dw(r, t). Тогда

Величину (r, t) = |Ψ(r, t)|2 часто называют плотностью вероятности, а саму волновую функцию Ψ(r, t) — амплитудой вероятности. Из формулы (2.24) следует важное условие, которому должна удовлетворять волновая функция. Пусть V — объем всей области, где может быть обнаружена частица. Суммируя вероятности (2.24) по всему объему, мы получим вероятность достоверного события. Поэтому

V

Это условие называется условием нормировки, а волновые функции, удовлетворяющие ему, называются нормированными волновыми функциями. Если интеграл от квадрата модуля волновой функции по всей области движения не равен единице, то |Ψ|2 лишь пропорциональна плотности вероятности. Впрочем, домножая волновую функцию на некоторую постоянную, ее можно нормировать так, чтобы условие (2.25) выполнялось.

Упражнения

2.1.Частица совершает одномерное движение вдоль оси x. Какой физический смысл имеет |Ψ(x, t)|2 ? Записать условие нормировки для волновой функции, если частица может быть обнаружена лишь на отрезке, координаты концов которого x1

иx2. Какую размерность имеет волновая функция Ψ(x, t) ?

2.2.Cвободная частица массы m с импульсом p находится внутри большого объема V . Проверить, что нормированная волновая функция частицы имеет вид

3.Квантовая механика одной частицы

До сих пор наше обсуждение квантовых свойств микрочастиц было основано на интуитивных соображениях, подкрепленных ссылками на экспериментальные данные. Перейдем теперь к систематическому построению аппарата квантовой механики. Логически последовательная квантовая механика была создана в 1925–26 годах в двух формах. Эрвин Шредингер разработал так называемую волновую механику, которая была обобщением идей де-Бройля. Основным математическим объектом в ней является волновая функция. Вернер Гайзенберг, Макс Борн и Паскуаль Иордан создали матричную механику, в которой волновая функция вообще не фигурировала, а основными величинами были динамические переменные.