Атомная физика

физика (далее А) раздел физики, в котором изучают строение и состояние А возникла в конце 19 — начале 20 вв. В 10-х гг. 20 в. было установлено, что состоит из ядра и электронов, связанных электрическими силами. На первом этапе своего развития А охватывала также вопросы, связанные со строением ядра. В 30-х гг. выяснилось, что природа взаимодействий, имеющих место в ядре, иная, чем во внешней оболочке и в 40-х гг. ядернаяА выделилась в самостоятельную область науки. В 50-х гг. от нее отпочковаласьА элементарных частиц, илиА высоких энергий.

Предыстория физики: учение об в 17—19 вв. Мысль о существовании как неделимых частиц материи возникла еще в древности; идеи атомизма впервые были высказаны древнегреческими мыслителями Демокритом и Эпикуром. В 17 в. они были возрождены французским философом П. Гассенди и английским химиком Р. Бойлем.

Представления об господствовавшие в 17—18 вв., были малоопределенными. считались абсолютно неделимыми и неизменными твердыми частицами, различные виды которых отличаются друг от друга по размеру и форме. Сочетания в том или ином порядке образуют различные тела, движения обусловливают все явления, происходящие в веществе. И. Ньютон, М. В. Ломоносов и некоторые другие ученые полагали, что могут сцепляться в более сложные частицы — "корпускулы". Однако не приписывали определенных и физических свойств. еще носила абстрактный, натурфилософский характер.

В конце 18 — начале 19 вв. в результате быстрого развития химии была создана основа для количественной разработки учения. Английский ученый Дж. Дальтон впервые (1803) стал рассматривать как мельчайшую частицу элемента, отличающуюся от других элементов своей массой. По Дальтону, основной характеристикой является масса. соединения представляют собой совокупность "составных содержащих определенные (характерные для данного сложного вещества) числа каждого элемента. Все реакции являются лишь перегруппировками в новые сложные частицы. Исходя из этих положений, Дальтон сформулировал свой закон кратных отношений (см. Кратных отношений закон). Исследования итальянских ученых А. Авогадро (1811) и, в особенности, С. Канниццаро (1858) провели четкую грань между и молекулой. В 19 в. наряду с свойствами были изучены их оптические свойства. Было установлено, что каждый элемент обладает характерным оптическим спектром; был открыт спектральный анализ (немецкие физики Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, 1860).

Т. о., предстал как качественно своеобразная частица вещества, характеризуемая строго определенными физическими и свойствами. Но свойства считались извечными и необъяснимыми. Полагали, что число видов ( элементов) случайно и что между ними не существует никакой связи. Однако постепенно выяснилось, что существуют группы элементов, обладающих одинаковыми свойствами — одинаковой максимальной валентностью, и сходными законами изменения (при переходе от одной группы к другой) физических свойств — температуры плавления, сжимаемости и др. В 1869 Д. И. открыл периодическую систему элементов. Он показал, что с увеличением массы элементов их и физические свойства периодически повторяются (рис. 1 и 2).

Периодическая система доказала существование связи между различными видами Напрашивался вывод, что имеет сложное строение, изменяющееся с массой. Проблема раскрытия структуры стала важнейшей в химии и в физике (подробнее см. Атомизм).

Возникновение физики. Важнейшими событиями в науке, от которых берет начало А, были открытия электрона и радиоактивности. При исследовании прохождения электрического тока через сильно разреженные газы были открыты лучи, испускаемые катодом разрядной трубки (катодные лучи) и обладающие свойством отклоняться в поперечном электрическом и полях. Выяснилось, что эти лучи состоят из быстро летящих отрицательно заряженных частиц, названных электронами. В 1897 английский физик Дж. Дж. Томсон измерил отношение заряда е этих частиц к их массе m. Было также обнаружено, что металлы при сильном нагревании или освещении светом короткой длины волны испускают электроны (см. Термоэлектронная эмиссия, фотоэлектронная эмиссия). Из этого было сделано заключение, что электроны входят в состав любых Отсюда далее следовало, что нейтральные должны также содержать и положительно заряженные частицы. Положительно заряженные — ионы — были действительно обнаружены при исследовании электрических разрядов в разреженных газах. Представление об как о системе заряженных частиц объясняло, согласно теории голландскогоА Х. Лоренца, саму возможность излучения света (электромагнитных волн): электромагнитное излучение возникает при колебаниях внутриатомных зарядов; это получило подтверждение при исследовании действия поля на спектры (см. Зеемана явление). Выяснилось, что отношение заряда внутриатомных электронов к их массе е/m, найденное Лоренцом в его теории явления Зеемана, в точности равно значению е/m для свободных электронов, полученному в опытах Томсона. Теория электронов и ее экспериментальное подтверждение дали бесспорное доказательство сложности
Представление о неделимости и непревращаемости было окончательно опровергнуто работами французских ученых М. Склодовской-Кюри и П. Кюри. В результате изучения радиоактивности было установлено (Ф. Содди), что испытывают превращения двух типов. Испустив a-частицу (ион с положительным зарядом 2e), радиоактивного элемента превращается в другого элемента, расположенного в периодической системе на 2 клетки левее, например — в Испустив b-частицу (электрон) с отрицательным зарядом -е, радиоактивного элемента превращается в элемента, расположенного на 1 клетку правее, например — в Масса образовавшегося в результате таких превращений, оказывалась иногда отличной от веса того элемента, в клетку которого он попадал. Отсюда следовало существование разновидностей одного и того же элемента с различными массами; эти разновидности в дальнейшем получили название изотопов (т. е. занимающих одно и то же место в таблице Итак, представления об абсолютной тождественности всех данного элемента оказались неверными.

Результаты исследования свойств электрона и радиоактивности позволили строить конкретные модели В модели, предложенной Томсоном в 1903, представлялся в виде положительно заряженной сферы, в которую вкраплены незначительные по размеру (по сравнению с отрицательные электроны (рис. 3).

Они удерживаются в благодаря тому, что силы притяжения их распределенным положительным зарядом уравновешиваются силами их взаимного отталкивания. Томсоновская модель давала известное объяснение возможности испускания, рассеяния и поглощения света При смещении электронов из положения равновесия возникает "упругая" сила, стремящаяся восстановить равновесие; эта сила пропорциональна смещению электрона из равновесного положения и, следовательно, дипольному моменту Под действием электрических сил падающей электромагнитной волны электроны в колеблются с той же частотой, что и электрическая напряженность в световой волне; колеблющиеся электроны, в свою очередь, испускают свет той же частоты. Так происходит рассеяние электромагнитных волн вещества. По степени ослабления светового пучка в толще вещества можно узнать общее число рассеивающих электронов, а зная число в единице объема, можно определить число электронов в каждом
Создание Резерфордом планетарной модели Модель Томсона оказалась неудовлетворительной. На ее основе не удалось объяснить совершенно неожиданный результат опытов английскогоА Э. Резерфорда и его сотрудников Х. Гейгера и Э. Марсдена по рассеянию a-частиц В этих опытах быстрые a-частицы были применены для прямого зондирования Проходя через вещество, a-частицы сталкиваются с При каждом столкновении a-частица, пролетая через электрическое поле изменяет направление движения — испытывает рассеяние. В подавляющем большинстве актов рассеяния отклонения a-частиц (углы рассеяния) были очень малы. Поэтому при прохождении пучка a-частиц через тонкий слой вещества происходило лишь небольшое размытие пучка. Однако очень малая доля a-частиц отклонялась на углы более 90°. Этот результат нельзя было объяснить на основе модели Томсона, т.к. электрическое поле в "сплошном" недостаточно сильно, чтобы отклонить быструю и массивную a-частицу на большой угол. Чтобы объяснить результаты опытов по рассеянию a-частиц, Резерфорд предложил принципиально новую модель напоминающую по строению Солнечную систему и получившую название планетарной. Она имеет следующий вид. В центре находится положительно заряженное ядро, размеры которого (~10^-12см) очень малы по сравнению с размерами (~10^-8 см), а масса почти равна массе Вокруг ядра движутся электроны, подобно планетам вокруг Солнца; число электронов в незаряженном (нейтральном) таково, что их суммарный отрицательный заряд компенсирует (нейтрализует) положительный заряд ядра. Электроны должны двигаться вокруг ядра, в противном случае они упали бы на него под действием сил притяжения. Различие между и планетной системой состоит в том, что в последней действуют силы тяготения, а в — электрические (кулоновские) силы. Вблизи ядра, которое можно рассматривать как точечный положительный заряд, существует очень сильное электрическое поле. Поэтому, пролетая вблизи ядра, положительно заряженные a-частицы (ядра испытывают сильное отклонение (см. рис. 4). В дальнейшем было выяснено (Г. Мозли), что заряд ядра возрастает от одного элемента к другому на элементарную единицу заряда, равную заряду электрона (но с положительным знаком). Численно заряд ядра выраженный в единицах элементарного заряда е, равен порядковому номеру соответствующего элемента в периодической системе.

Для проверки планетарной модели Резерфорд и его сотрудник Ч. Дарвин подсчитали угловое распределение a-частиц, рассеянных точечным ядром — центром кулоновских сил. Полученный результат был проверен опытным путем — измерением числа a-частиц, рассеянных под разными углами. Результаты опыта в точности совпали с теоретическими расчетами, блестяще подтвердив тем самым планетарную модель Резерфорда.

Однако планетарная модель натолкнулась на принципиальные трудности. Согласно классической электродинамике, заряженная частица, движущаяся с ускорением, непрерывно излучает электромагнитную энергию. Поэтому электроны, двигаясь вокруг ядра, т. е. ускоренно, должны были бы непрерывно терять энергию на излучение. Но при этом они за ничтожную долю секунды потеряли бы всю свою кинетическую энергию и упали бы на ядро. Другая трудность, связанная также с излучением, состояла в следующем: если принять (в соответствии с классической электродинамикой), что частота излучаемого электроном света равна частоте колебаний электрона в (т. е. числу оборотов, совершаемых им по своей орбите в одну секунду) или имеет кратное ей значение, то излучаемый свет по мере приближения электрона к ядру должен был бы непрерывно изменять свою частоту, и спектр излучаемого им света должен быть сплошным. Но это противоречит опыту. излучает световые волны вполне определенных частот, типичных для данного элемента, и характеризуется спектром, состоящим из отдельных спектральных линий — линейчатым спектром. В линейчатых спектрах элементов был экспериментально установлен ряд закономерностей, первая из которых была открыта швейцарским ученым И. Бальмером (1885) в спектре Наиболее общая закономерность — комбинационный принцип — была найдена австрийским ученым В. Ритцем (1908). Этот принцип можно сформулировать следующим образом: для каждого элемента можно найти последовательность чисел T₁, T₂, T₃,... — т. н. спектральных термов, таких, что частота v каждой спектральной линии данного элемента выражается в виде разности двух термов: v = T_k - T_i. Для терм T_n = R/n², где n — целое число, принимающее значение n = 1, 2, 3,..., a R — т. н. постоянная Ридберга (см. Ридберга постоянная).

Т. о., в рамках модели Резерфорда не могли быть объяснены устойчивость по отношению к излучению и линейчатые спектры его излучения. На ее основе не могли быть объяснены и законы теплового излучения, и законы фотоэлектрических явлений, которые возникают при взаимодействии излучения с веществом. Эти законы оказалось возможным объяснить, исходя из совершенно новых — квантовых— представлений, впервые введенных немецким физиком М. Планком (1900). Для вывода закона распределения энергии в спектре теплового излучения — излучения нагретых тел — Планк предположил, что вещества испускают электромагнитную энергию (свет) в виде отдельных порций — квантов света, энергия которых пропорциональна v (частоте излучения): E = hv, где h — постоянная, характерная для квантовой теории и получившая название Планка постоянной. В 1905 А. Эйнштейн дал квантовое объяснение фотоэлектрических явлений, согласно которому энергия кванта hv идет на вырывание электрона из металла —работа выхода Р — и на сообщение ему кинетическую энергии Т_кин; hv = Р + T_кин. При этом Эйнштейн ввел понятие о квантах света как особого рода частицах; эти частицы впоследствии получили название фотонов.

Противоречия модели Резерфорда оказалось возможным разрешить, лишь отказавшись от ряда привычных представлений классической физики. Важнейший шаг в построении теории был сделан датским физиком Н. Бором (1913).

Постулаты Бора и модель Бора. В основу квантовой теории Бор положил 2 постулата, характеризующих те свойства которые не укладывались в рамки классической физики. Эти постулаты Бора могут быть сформулированы следующим образом:

1. Существование стационарных состояний. не излучает и является устойчивым лишь в некоторых стационарных (неизменных во времени) состояниях, соответствующих дискретному (прерывному) ряду "дозволенных" значений энергии E₁, E₂, E₃, E₄,... Любое изменение энергии связано с квантовым (скачкообразным) переходом из одного стационарного состояния в другое.

2. Условие частот излучения (квантовых переходов с излучением). При переходе из одного стационарного состояния с энергией E_i в другое с энергией E_k испускает или поглощает свет определенной частоты v в виде кванта излучения (фотона) hv, согласно соотношению hv = E_i - E_k. При испускании переходит из состояния с большей энергией E_i в состояние с меньшей энергией E_k, при поглощении, наоборот, из состояния с меньшей энергией E_k в состояние с большей энергией E_i.

Постулаты Бора сразу позволяют понять физический смысл комбинационного принципа Ритца (см. выше); сравнение соотношений hv = E_i - E_k и v = T_k - T_i показывает, что спектральные термы соответствуют стационарным состояниям, и энергия последних должна равняться (с точностью до постоянного слагаемого) E_i = - hT_i, E_k =- hT_k.

При испускании или поглощении света изменяется энергия это изменение равно энергии испущенного или поглощенного фотона, т. е. имеет место закон сохранения энергии. Линейчатый спектр является результатом дискретности возможных значений его энергии.

Для определения дозволенных значений энергии — квантования его энергии — и для нахождения характеристик соответствующих стационарных состояний Бор применил классическую (ньютоновскую) механику. "Если мы желаем вообще составить наглядное представление о стационарных состояниях, у нас нет других средств, по крайней мере сейчас, кроме обычной механики", — писал Бор в 1913 ("Три статьи о спектрах и строении М.—Л., 1923, с. 22). Для простейшего — состоящего из ядра с зарядом +е (протона) и электрона с зарядом -e, Бор рассмотрел движение электрона вокруг ядра по круговым орбитам. Сравнивая энергию Е со спектральными термами T_n = R/n² для найденными с большой точностью из частот его спектральных линий, он получил возможные значения энергии E_n = -hT_n = -hR/n²(где n = 1, 2, 3,...). Они соответствуют круговым орбитам радиуса а_n = а₀n², где a₀ = 0,53·10^-8 см — боровский радиус — радиус наименьшей круговой орбиты (при n = 1). Бор вычислил частоты обращения v электрона вокруг ядра по круговым орбитам в зависимости от энергии электрона. Оказалось, что частоты излучаемого света не совпадают с частотами обращения v_n, как этого требует классическая электродинамика, а пропорциональны, согласно соотношению hv = E_i - E_k, разности энергий электрона на двух возможных орбитах.

Для нахождения связи частоты обращения электрона по орбите и частоты излучения Бор сделал предположение, что результаты квантовой и классической теорий должны совпадать при малых частотах излучения (для больших длин волн; такое совпадение имеет место для теплового излучения, законы которого были выведены Планком). Он приравнял для больших n частоту перехода v = (E_n+1 - E_n)/h частоте обращения v_n по орбите с данным n и вычислил значение постоянной Ридберга R, которое с большой точностью совпало со значением R, найденным из опыта, что подтвердило боровское предположение. Бору удалось также не только объяснить спектр но и убедительно показать, что некоторые спектральные линии, которые приписывались принадлежат Предположение Бора о том, что результаты квантовой и классической теорий должны совпадать в предельном случае малых частот излучения, представляло первоначальную форму т. н. принципа соответствия. В дальнейшем Бор успешно применил его для нахождения интенсивностей линий спектра. Как показало развитие современной физики, принцип соответствия оказался весьма общим (см. Соответствия принцип).

В теории Бора квантование энергии, т. е. нахождение ее возможных значений, оказалось частным случаем общего метода нахождения "дозволенных" орбит. Согласно квантовой теории, такими орбитами являются только те, для которых момент количества движения электрона в равен целому кратному h/2p. Каждой дозволенной орбите соответствует определенное возможное значение энергии (см. Атом).

Основные положения квантовой теории — 2 постулата Бора — были всесторонне подтверждены экспериментально. Особенно наглядное подтверждение дали опыты немецких физиков Дж. Франка и Г. Герца (1913—16). Суть этих опытов такова. Поток электронов, энергией которых можно управлять, попадает в сосуд, содержащий пары Электронам сообщается энергия, которая постепенно повышается. По мере увеличения энергии электронов ток в гальванометре, включенном в электрическую цепь, увеличивается; когда же энергия электронов оказывается равной определенным значениям (4,9; 6,7; 10,4 эв), ток резко падает (рис. 5). Одновременно можно обнаружить, что пары испускают ультрафиолетовые лучи определенной частоты.

Изложенные факты допускают только одно истолкование. Пока энергия электронов меньше 4,9 эв, электроны при столкновении с не теряют энергии — столкновения имеют упругий характер. Когда же энергия оказывается равной определенному значению, именно 4,9 эв, электроны передают свою энергию которые затем испускают ее в виде квантов ультрафиолетового света. Расчет показывает, что энергия этих фотонов равна как раз той энергии, которую теряют электроны. Эти опыты доказали, что внутренняя энергия может иметь только определенные дискретные значения, что поглощает энергию извне и испускает ее сразу целыми квантами и что, наконец, частота испускаемого света соответствует теряемой энергии.

Дальнейшее развитие А показало справедливость постулатов Бора не только для но и для других микроскопических систем — для молекул и для ядер. Эти постулаты следует рассматривать как твердо установленные опытные квантовые законы. Они составляют ту часть теории Бора, которая не только сохранилась при дальнейшем развитии квантовой теории, но и получила свое обоснование. Иначе обстоит дело с моделью Бора, основанной на рассмотрении движения электронов в по законам классической механики при наложении дополнительных условий квантования. Такой подход позволил получить целый ряд важных результатов, но был непоследовательным: квантовые постулаты были присоединены к законам классической механики искусственно. Последовательной теорией явилась созданная в 20-х гг. 20 в. квантовая механика. Ее создание было подготовлено дальнейшим развитием модельных представлений теории Бора, в ходе которого выяснились ее сильные и слабые стороны.

Развитие модельной теории Бора. Весьма важным результатом теории Бора было объяснение спектра Дальнейший шаг в развитии теории спектров был сделан немецким физиком А. Зоммерфельдом. Разработав более детально правила квантования, исходя из более сложной картины движения электронов в (по эллиптическим орбитам) и учитывая экранирование внешнего (т. н. валентного) электрона в поле ядра и внутренних электронов, он сумел дать объяснение ряда закономерностей спектров щелочных металлов.

Теория Бора пролила свет и на структуру т. н. характеристических спектров рентгеновского излучения. Рентгеновские спектры так же, как и их оптические спектры, имеют дискретную линейчатую структуру, характерную для данного элемента (отсюда и название). Исследуя характеристические рентгеновские спектры различных элементов, английский физик Г. Мозли открыл следующую закономерность: квадратные корни из частот испускаемых линий равномерно возрастают от элемента к элементу по всей периодической системе пропорционально номеру элемента. Интересно то обстоятельство, что закон Мозли полностью подтвердил правоту нарушившего в некоторых случаях принцип размещения элементов в таблице по возрастающему весу и поставившего некоторые более тяжелые элементы впереди более легких.

На основе теории Бора удалось дать объяснение и периодичности свойств В сложном образуются электронные оболочки, которые последовательно заполняются, начиная от самой внутренней, определенными числами электронов (физическая причина образования оболочек стала ясна только на основании принципа Паули, см. ниже). Структура внешних электронных оболочек периодически повторяется, что обусловливает периодическая повторяемость и многих физических свойств элементов, расположенных в одной и той же группе периодической системы. На основе же теории Бора немецким химиком В. Косселем были объяснены (1916) взаимодействия в т. н. гетерополярных молекулах.

Однако далеко не все вопросы теории удалось объяснить на основе модельных представлений теории Бора. Она не справлялась со многими задачами теории спектров, позволяла получать лишь правильные значения частот спектральных линий и интенсивности же этих линий оставались необъясненными; Бору для объяснения интенсивностей пришлось применить принцип соответствия.

При переходе к объяснению движений электронов в более сложных, чем модельная теория Бора оказалась в тупике. Уже в котором вокруг ядра движутся 2 электрона, не поддавался теоретической интерпретации на ее основе. Трудности при этом не исчерпывались количественными расхождениями с опытом. Теория оказалась бессильной и в решении такой проблемы, как соединение в молекулу. Почему 2 нейтральных соединяются в молекулу Как вообще объяснить природу валентности? Что связывает твердого тела? Эти вопросы оставались без ответа. В рамках боровской модели нельзя было найти подхода к их решению.

Квантовомеханическая теория Ограниченность боровской модели коренилась в ограниченности классических представлений о движении микрочастиц. Стало ясно, что для дальнейшего развития теории необходимо критически пересмотреть основные представления о движении и взаимодействии микрочастиц. Неудовлетворительность модели, основанной на классической механике с добавлением условий квантования, отчетливо понимал и сам Бор, взгляды которого оказали большое влияние на дальнейшее развитие А Началом нового этапа развития А послужила идея, высказанная французским физиком Л. де Бройлем (1924) о двойственной природе движения микрообъектов, в частности электрона (см. Волны де Бройля). Эта идея стала исходным пунктом квантовой механики, созданной в 1925—26 трудами В. Гейзенберга и М. Борна ( Э. Шредингера (Австрия) и П. Дирака (Англия), и разработанной на ее основе современной квантовомеханической теории
Представления квантовой механики о движении электрона (вообще микрочастицы) коренным образом отличаются от классических. Согласно квантовой механике, электрон не движется по траектории (орбите), подобно твердому шарику; движению электрона присущи также и некоторые особенности, характерные для распространения волн. С одной стороны, электрон всегда действует (например, при столкновениях) как единое целое, как частица, обладающая неделимым зарядом и массой; в то же время электроны с определенной энергией и импульсом распространяются подобно плоской волне, обладающей определенной частотой (и определенной длиной волны). Энергия электрона Е как частицы связана с частотой v электронной волны соотношением: E=hv, а его импульс р — с длиной волны l соотношением: р = h/l.

Устойчивые движения электрона в как показал Шредингер (1926), в некотором отношении аналогичны стоячим волнам, амплитуды которых в разных точках различны. При этом в как в колебательной системе, возможны лишь некоторые "избранные" движения с определенными значениями энергии, момента количества движения и проекции момента электрона в Каждое стационарное состояние описывается при помощи некоторой волновой функции, являющейся решением волнового уравнения особого типа — уравнения Шредингера; волновой функции соответствует "электронное облако", характеризующее (в среднем) распределение плотности электронного заряда в (см. Атом, там же на рис. 3 показаны проекции "электронных облаков" В 20—30-х гг. были разработаны приближенные методы расчета распределения плотности электронного заряда в сложных в частности метод Томаса — (1926, 1928). Эта величина и связанное с ней значение т. н. атомного фактора важны при исследовании электронных столкновений с а также рассеяния ими рентгеновских лучей.

На основе квантовой механики удалось путем решения уравнения Шредингера правильно рассчитать энергии электронов в сложных Приближенные методы таких расчетов были разработаны в 1928 Д. Хартри (Англия) и в 1930 В. А. Фоком (СССР). Исследования спектров полностью подтвердили квантовомеханическую теорию При этом выяснилось, что состояние электрона в существенно зависит от его спина — собственного механического момента количества движения. Было дано объяснение действия внешних электрических и полей на (см. Штарка явление, Зеемана явление). Важный общий принцип, связанный со спином электрона, был открыт швейцарским физиком В. Паули (1925) (см. Паули принцип), согласно этому принципу, в каждом электронном состоянии в может находиться только один электрон; если данное состояние уже занято каким-либо электроном, то последующий электрон, входя в состав вынужден занимать другое состояние. На основе принципа Паули были окончательно установлены числа заполнения электронных оболочек в сложных определяющие периодичность свойств элементов. Исходя из квантовой механики, немецкие физики В. Гейтлер и Ф. Лондон (1927) дали теорию т. н. гомеополярной связи двух одинаковых (например, в молекуле ₂), не объяснимой в рамках боровской модели
Важными применениями квантовой механики в 30-х гг. ив дальнейшем были исследования связанных входящих в состав молекулы или Состояния являющегося частью молекулы, существенно отличаются от состояний свободного Существенные изменения претерпевает также в под действием внутрикристаллического поля, теория которого была впервые разработана Х. Бете (1929). Исследуя эти изменения, можно установить характер взаимодействия с его окружением. Крупнейшим экспериментальным достижением в этой области А было открытие Е. К. Завойским в 1944 электронного парамагнитного резонанса, давшего возможность изучать различные связи с окружающей средой.

Современная А. Основными разделами современной А являются теория (оптическая) спектроскопия, рентгеновская спектроскопия, радиоспектроскопия (она исследует также и вращательные уровни молекул),А и ионных столкновений. Различные разделы спектроскопии охватывают разные диапазоны частот излучения и, соответственно, разные диапазоны энергий квантов. В то время как рентгеновская спектроскопия изучает излучения с энергиями квантов до сотен тыс. эв, радиоспектроскопия имеет дело с очень малыми квантами — вплоть до квантов менее 10^-6 эв.

Важнейшая задача А — детальное определение всех характеристик состояний Речь идет об определении возможных значений энергии — его уровней энергии, значений моментов количества движения и других величин, характеризующих состояния Исследуются тонкая и сверхтонкая структуры уровней энергии (см. Атомные спектры), изменения уровней энергии под действием электрических и полей — как внешних, макроскопических, так и внутренних, микроскопических. Большое значение имеет такая характеристика состояний как время жизни электрона на уровне энергии. Наконец, большое внимание уделяется механизму возбуждения спектров.

Области явлений, исследуемых разными разделами А, перекрываются. Рентгеновская спектроскопия измерением испускания и поглощения рентгеновских лучей позволяет определить главным образом энергии связи внутренних электронов с ядром (энергии ионизации), распределение электрического поля внутри Оптическая спектроскопия изучает совокупности спектральных линий, испускаемых определяет характеристики уровней энергии интенсивности спектральных линий и связанные с ними времена жизни в возбужденных состояниях, тонкую структуру уровней энергии, их смещение и расщепление в электрическом и полях. Радиоспектроскопия детально исследует ширину и форму спектральных линий, их сверхтонкую структуру, сдвиг и расщепление в поле, вообще внутриатомные процессы, вызываемые очень слабыми взаимодействиями и влияниями среды.

Анализ результатов столкновений быстрых электронов и ионов с дает возможность получить сведения о распределении плотности электронного заряда ("электронного облака") внутри об энергиях возбуждения энергиях ионизации.

Результаты детального исследования строения находят самые широкие применения не только во многих разделах физики, но и в химии, астрофизике и других областях науки. На основании изучения уширения и сдвига спектральных линий можно судить о местных (локальных) полях в среде (жидкости, обусловливающих эти изменения, и о состоянии этой среды (температуре, плотности и др.). Знание распределения плотности электронного заряда в и ее изменений при внешних взаимодействиях позволяет предсказать тип связей, которые может образовывать поведение иона в решетке. Сведения о структуре и характеристиках уровней энергии и ионов чрезвычайно важны для устройств квантовой электроники. Поведение и ионов при столкновениях — их ионизация, возбуждение, перезарядка — существенно для физики плазмы. Знание детальной структуры уровней энергии особенно многократно ионизованных, важно для астрофизики.

Таким образом, А тесно связана с другими разделами физики и другими науками о природе. Представления об выработанные А, имеют и важное мировоззренческое значение. "Устойчивость" объясняет устойчивость различных видов вещества, непревратимость элементов в естественных условиях, например при обычных на Земле температурах и давлениях. "Пластичность" же изменение его свойств и состояний при изменении внешних условий, в которых он существует, объясняет возможность образования более сложных систем, качественно своеобразных, их способность приобретать различные формы внутренней организации. Так находит разрешение то противоречие между идеей о неизменных и качественным многообразием веществ, которое существовало и в древности, и в новое время и служило основанием для критики атомизма.

Лит.: Бор Н., Три статьи о спектрах и строении пер. с нем., М.—П., 1923; Борн М., СовременнаяА, пер. с нем., М., 1965; Бройль Л., Революция в физике, пер. с франц., М., 1963; Шпольский Э. В., А, 5 изд., т. 1, М., 1963.

М. А. Ельяшевич. Р. Я. Штейнман.

		Новости 21.11.2024 13:26:04

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.