Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

7. Знаменитый Сольвеевский конгресс 1927 года собрал почти всех основателей квантовой механики. Семнадцать присутствующих ученых были удостоены Нобелевской премии! Первый ряд, слева направо: И. Ленгмюр, М. Планк, М. Кюри, Х. Лоренц, А. Эйнштейн, П. Ланжевен, Ш. Гюи, Ч. Вильсон и О. Ричардсон. Второй ряд: П. Дебай, М. Кнудсен, У. Брэгг, Х. Крамерс, П. Дирак, А. Комптон, Л. де Бройль, М. Борн, Н. Бор. Третий ряд: О. Пикар, Э. Анрио, П. Эренфест, Э. Герцен, Т. де Дондер, Э. Шрёдингер, Ж. Э. Вершафельт, В. Паули, В. Гейзенберг, Р. Фаулер, Л. Бриллюэн

Таким образом, в наномире нахождение электрона определяется законами вероятности. Расставленные нами отметки в совокупности напоминают облако, так же как капельки воды образуют в небе облака различной плотности. Такое «электронное облако» является более точным представлением об электроне, чем маленькая планета, вращающаяся вокруг ядра, как его изображал Резерфорд.

Что же определяет структуру электронных облаков? Существует ли уравнение, которое описывает квантовую механику так же, как классическую механику описывают законы Ньютона (см. главу 4, врезку «Ньютоновская механика»)? Да, такое уравнение существует. Оно было предложено в 1925 году австрийским физиком Эрвином Шрёдингером (1887–1961) и является основой атомной физики и теоретической химии.

Теория Шрёдингера обобщила предложенную годом ранее французом Луи де Бройлем (1892–1987) революционную идею, которая состояла в том, что с любой частицей, обладающей импульсом p , можно связать волну длиной λ = h / p . Таким образом, любая частица может проявлять как корпускулярное поведение, так и волновое, как это делает свет (см. главу 3, «Интерференция и когерентность»). Подобно предложенной Джеймсом Максвеллом (1831–1879) волновой теории света, где электрическое поле E ( x, y, z, t ) является функцией времени и трех пространственных координат, уравнение Шрёдингера описывает состояние частицы с помощью «волновой функции» ψ ( x, y, z, t ), квадрат модуля которой определяет плотность вероятности нахождения частицы в заданный момент времени t в точке ( x, y, z ). Этот подход был основан на аналогии с оптикой, где квадрат модуля электрического поля определяет вероятность нахождения фотона в данной точке. Различие же заключается в том, что электрическое поле является физически измеримым, например, по его действию на электрически заряженные объекты, тогда как введенная де Бройлем «волновая функция» ясного физического смысла не имела.

Дифракция электронов редко используется для изучения кристаллов, потому что электроны поглощаются материей куда сильнее, чем рентгеновские лучи (см. главу 9, «Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах»). Гораздо больший интерес в этом аспекте представляет собой еще одна элементарная частица – нейтрон! Если речь идет о наблюдении легких атомов или изучении атомных магнитных свойств, то дифракция нейтронов оказывается предпочтительнее рентгеновских лучей. Последняя позволяет составлять карты электронной плотности, в то время как поляризованные нейтроны дают возможность исследовать не все, а лишь электроны, находящиеся на внешних оболочках атома, – именно те, которые определяют его химические и магнитные свойства (см. главу 23, «Метаморфозы углерода»). Недостатком этого метода является то, что для производства нейтронов требуются дорогие и громоздкие ядерные реакторы (см. илл.), в то время как рентгеновской установкой легко оснастить даже скромную лабораторию.

Реактор в Институте Лауэ – Ланжевена в Гренобле. Нейтроны образуются в результате протекающих ядерных реакций (см. главу 13, илл. 3) и используются для спектрометрических исследований конденсированных сред. Активная зона реактора, помещенная в резервуар с тяжелой водой, погружена в бассейн, который поглощает испускаемое излучение. Голубоватый свет, освещающий бассейн, обусловлен эффектом Вавилова – Черенкова. Работа реактора управляется с помощью специальных стержней, поглощающих нейтроны, которые могут извлекаться в зависимости от количества оставшегося урана