Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

Простая физика - 10. Дуализм волна - частица. Устройство атома водорода.

      Мы уже разобрались с идеологией соотношения неопределенностей Гайзенберга. Работающего не только в микрофизике, но и в макроскопических волновых процессах. Попытаемся теперь понять природу "раздвоения сознания" у физиков, воспринимающих микромир наполненным двуличными волнами-частицами. А затем перейдем к изучению конкретных конструкций микромира. Начав с устройства простейшего атома - водорода. Состоящего из двух электрически заряженных частиц - положительно заряженного протона и отрицательно заряженного электрона.
      В микромире, как мы слышали, частицы проявляют свойства волн, а волны - свойства частиц. Можем ли мы увидеть какой-нибудь аналог этих двойных свойств в окружающем нас Мире? Конечно, можем! Вспомним описанные здесь входящие в гавань морские волны. Они - волны. До тех пор, пока ветер не успокоится, море не затихнет и волны не исчезнут. Но они когда-то и возникли в до этого спокойном море! То есть, цуг пусть даже многих тысяч волн имеет конечную длину в пространстве. Почему бы нам не считать весь этот цуг волн очень большой частицей? Длиной во многие сотни километров.
     Когда мы слушаем радио, мы понимаем, что в наш радиоприемник приходят только радиоволны. И больше ничего. Но мозгами то мы воспринимаем частицы информации! Почему? Да потому, что разные частицы информации передаются нам разными цугами радиоволн. И каждый такой цуг несет нам свою частицу информации. Так почему бы нам не воспринимать каждый цуг радиоволн довольно большой частицей? Длиной в десятки и сотни метров.
     В двух приведенных выше примерах говорилось о бегущих волнах. Но мы знаем немало примеров и стоячих волн. Например, волны воды в коротких бассейнах. Или стоячие волны колеблющихся гитарных струн. Почему бы нам и такие волны не воспринимать как зажатые внешними границами и обладающие некой энергией частицами? А после такого введения почему бы не перейти к изучению структуры атома водорода?
      Кулоновская сила притяжения между зарядами противоположных знаков связывает протон и электрон в единый объект - атом водорода. Электрические заряды протона и электрона равны по величине. Поэтому атом водорода электрически нейтрален. Но протон в 1836 раз массивнее электрона. Поэтому можно спокойно считать, что в атоме водорода протон неподвижен, а движется только электрон. Но движется ли электрон? А может быть он по совместительству является стоячей волной наподобие колеблющейся гитарной струны?
     Ответить на этот вопрос стало возможным только после построения адекватной квантовой механики Гайзенбергом и Шредингером. Ответ оказался положительным. Действительно, электрон в основном состоянии атома водорода следует воспринимать как сферически симметричное облако, размазанное по объему атома. Облако без резкой внешней границы. Диаметром примерно одну десятую нанометра (одну стомиллионную сантиметра).
      Но где же искать в этом облаке электрон в его второй ипостаси - частицы? Решение уравнения Шредингера дает ответ на этот вопрос. Электрон можно обнаружить везде. Но вероятнее всего его обнаружить на расстоянии примерно в ао = 0,53 * 10 ^ (- 8) см (0,53 от стомиллионной части сантиметра) от протона.
Величину ао называют радиусом Бора. Электрон как частицу можно обнаружить и ближе к протону и дальше от него. Но с заметно меньшей вероятностью. Этот факт хорошо иллюстрирует приведенный ниже рисунок. На котором приведено распределение вероятностей обнаружение электрона в зависимости от расстояния от протона.

       Без каких-либо внешних воздействий атом водорода может существовать вечно. Но если он столкнется на достаточно большой скорости с каким-либо другим атомом или в него врежется достаточно энергичный фотон (квант света), то переданная атому водорода при таком взаимодействии энергия может привести к разрушению атома. То есть, к отрыву электрона от протона. Как хотя бы приближенно оценить энергию внешнего воздействия, необходимую для такого процесса?
     Для этого воспользуемся соотношением неопределенностей Гайзенберга в форме δp * δx ~ h. Где в качестве неопределенности координаты электрона используем радиус Бора и учтем, что постоянная Планка h ≈ 10 ^ (- 27) эрг*сек. Затем неопределенность импульса δp ≈ h / δx подставим выражение для кинетической энергии электрона: К = δp²/2m, где масса электрона m ≈ 10 ^ (- 27) грамм. Вычисление этой величины дает К ≈ 2 * 10 ^ (- 11) эрг. В кулоновом поле энергия связи электрона с протоном равна по абсолютной величине кинетической энергии электрона (теорема вириала). Поэтому приведенную выше оценку кинетической энергии электрона можно считать примерно равной энергии ионизации атома водорода. Так оно и есть с довольно малой погрешностью.
Tags: Физика на пальцах
Subscribe
promo moralg march 5, 2018 03:01 43
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 6 comments