История лазера. Научное издание
Шрифт:
Спин электрона
Окончательная модификация старой квантовой теории с последующими объяснениями экспериментальных наблюдений была обеспечена в ноябре 1925 г. Г. Уленбеком (1900-1988) и С. А. Гоудсмитом (1902-1978), которые открыли, что электрон вращается вокруг своего центра подобно Земле и подобен маленькому элементарному магниту. Величину, характеризующую это вращение электрона, называют его спином, а характеризующую его магнитные свойства его магнитным моментом. Уленбек и Гоудсмит нашли, что спин электрона в соответствующих единицах имеет значение h/4. В то время им было по 20 лет, и их открытие было следствием скрупулезных изучений атомных спектров.
Георг Уленбек родился РІ Батавии (теперь Джакарта) РІ семье голландского военного Рё некоторое время оставался РІ Голландской РРЅРґРёРё (теперь Рндонезия). Поэтому молодой Георг поступил РІ начальную школу РЅР° Суматре. Р’ 1907 Рі. его семья переехала РІ Нидерланды Рё поселилась РІ Гааге. Р’ 1919 Рі. Уленбек поступил РІ Лейденский университет для изучения физики Рё математики Сѓ Пауля Рренфеста, Сѓ голландского физика Хайке Камерлинг Оннеса (18531926) (первооткрывателя РІ области РЅРёР·РєРёС… температур, впервые получившего жидкий гелий Рё открывшего явление сверхпроводимости, Р·Р° что был РІ 1913 Рі. награжден Нобелевской премией), Рё Сѓ X. Лоренца. Между 1922 Рё 1925 РіРі. РѕРЅ посещал Р РёРј, РіРґРµ был частным учителем молодого сына голландского посла. Р’Рѕ время этих посещений РѕРЅ выучил итальянский язык, стал РґСЂСѓРіРѕРј Р. Ферми (1901-1954) Рё глубоко изучал историю. РљРѕРіРґР° РѕРЅ оставлял Р РёРј для возвращения РІ Нидерланды, серьезно раздумывал РЅРµ оставить ли физику ради истории. РћРЅ обсуждал эту проблему СЃРѕ СЃРІРѕРёРј дядей, который был известным лингвистом, экспертом РІ области языков американских индейцев, Рё профессором Лейденского университета. Его РґСЏРґРµ эта идея показалась привлекательной, РЅРѕ РѕРЅ полагал, что лучше сначала получить докторскую степень РїРѕ физике, поскольку Уленбек уже достаточно далеко продвинулся РІ этой области. Рренфест также согласился СЃ этим, РЅРѕ считал, что РѕРЅ должен познакомиться СЃ тем, что РІ это время происходило РІ физике. Поэтому РѕРЅ РІР·СЏР» Уленбека Рє себе РЅР° работу, СЃ тем, чтобы РѕРЅ научился РѕС‚ Гоудсмита тому, что Паули называл спектрозоологией, С‚.Рµ. изучением спектров.
Самуэль Абрагам Гоудсмит родился РІ Гааге РІ семье преуспевающего купца Рё СЃ 11 лет РїСЂРѕСЏРІРёР» интерес Рє физике, читая РєРЅРёРіРё. Его особенно потрясало то, как спектроскопия показывает, что звезды состоят РёР· тех же элементов, какие имеются РЅР° Земле. Р’ университете РѕРЅ учился Сѓ Рренфеста, проявляя скорее интуитивный, чем аналитический СЃРїРѕСЃРѕР± мышления.
Уленбек позднее РіРѕРІРѕСЂРёР»: РЎСЌРј РЅРёРєРѕРіРґР° РЅРµ был СЏСЃРЅРѕ мыслящим человеком, РЅРѕ обладал замечательным талантом взять беспорядочные данные Рё дать РёРј правильное направление. РћРЅ был волшебником РІ области криптограмм. Р. Раби добавлял: РћРЅ размышлял как детектив. РћРЅ Рё есть детектив. Гоудсмит действительно РєРѕРіРґР°-то проработал девять месяцев детективом.
Р’ 1920 Рі. Рренфест рекомендовал Гоудсмиту посетить Пашена РІ Тюбингене, который РїСЂРѕРІРѕРґРёР» СЃРІРѕРё исследования РїРѕ спектроскопии. РќР° следующий РіРѕРґ, летом, РѕРЅ СЃРЅРѕРІР° был РІ Тюбингене, Рё Пашен ввел его РІ спектроскопические методики. Р’СЃРєРѕСЂРµ РѕРЅ стал очень способным РІ обращении СЃ квантовыми числами Рё объяснениями наблюдаемых спектров. Р’ начале 1925 Рі. РѕРЅ опубликовал работу, РІ которой показал, что можно упростить применение принципа Паули, используя получисленные квантовые числа Ланде, Рё что РѕРґРЅРѕ РёР· этих чисел всегда имело значение +1/2 или 1/2. Р’ это время Рренфест РїРѕРїСЂРѕСЃРёР» Уленбека Рё Гоудсмита работать вместе; Гоудсмиту, чтобы РѕРЅ РѕР±СЉСЏСЃРЅРёР» Уленбеку магические вычисления СЃ квантовыми числами, Р° Уленбеку, чтобы РѕРЅ обучил Гоудсмита некоторой физике Рё показал ему, что РѕРЅР° состоит РЅРµ только РёР· манипуляций СЃ квантовыми числами.
В августе 1925 г. эти два человека стали близкими друзьями, сохранив эту близость на всю жизнь. Они стали регулярно встречаться в Гааге и в одной из встреч в конце лета Гоудсмит рассказывал Уленбеку о принципе Паули, используя получисленные квантовые числа Ланде. Уленбек сразу же понял, что все электроны ведут себя так, как если бы они кроме вращения вокруг атомного ядра также вращались сами по себе (спин). В сентябре теория была завершена, и эти два исследователя показали, что эта концепция также объясняет нормальный и аномальный эффект Зеемана.
Американский физик венгерского происхождения Р . РљСЂРѕРЅРёРі (19041995), который путешествовал РїРѕ Рталии Рё также был РґСЂСѓРіРѕРј Ферми, уже сформировал такую же идею относительно СЃРїРёРЅР°. РљСЂРѕРЅРёРі имел несчастье спросить мнение Паули, Рё Паули убедил его, что его гипотеза лишена любых оснований Рё высмеял идею, РіРѕРІРѕСЂСЏ, что РѕРЅР° конечно, очень СѓРјРЅР°, РЅРѕ, разумеется, РЅРµ имеет ничего, что делало Р±С‹ ее достоверной. Р’ результате РљСЂРѕРЅРёРі отказался РѕС‚ нее. РљРѕРіРґР° Уленбек Рё Гоудсмит узнали Рѕ критике Паули, которая представлялась справедливой, РѕРЅРё хотели забрать СЃРІРѕСЋ статью, уже посланную для публикации, РЅРѕ Рренфест сказал РёРј, что поскольку РѕРЅРё молоды, то РјРѕРіСѓС‚ позволить себе совершить ошибку. РћРґРЅРѕ РёР· возражений, например, заключалось РІ том, что если для размера электрона использовать формулу X. Лоренца, то для получения вращательного углового момента нужно приписать столь быстрое вращение, РїСЂРё котором скорость внешней поверхности электрона превышает скорость света. Работа РЅРµ была отозвана Рё опубликована, Р° критика Паули осталась безосновательной.
После великого открытия СЃРїРёРЅР° Уленбек РІ 1927 Рі. эмигрировал РІ РЎРЁРђ, РІ университет Мичигана. Р’ середине 1930-С… РіРі. вернулся РІ Нидерланды, РіРґРµ стал приемником Крамерса РІ университете Утрехта. Р’ 1939 Рі. РѕРЅ возвратился РІ Мичиганский университет. РЎ 1960 Рі. работал РІ Рокфеллеровском институте РІ РќСЊСЋ-Йорке, был иностранным членом Ртальянской Академии.
Гоудсмит также эмигрировал РІ 1932 Рі. РІ РЎРЁРђ РІ Мичиганский университет. Р’ течение Второй РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹ РѕРЅ работал СЃ радарами, Р° позднее возглавил очень секретную РјРёСЃСЃРёСЋ РїРѕРґ кодовым именем Алкос. Рта РјРёСЃСЃРёСЏ следовала Р·Р° наступающими войсками СЃРѕСЋР·РЅРёРєРѕРІ РІ Европе, Р° РІ некоторых случаях Рё опережала РёС…, чтобы узнать уровень работ РїРѕ созданию немцами атомной Р±РѕРјР±С‹. Было установлено, что немецкие ученые РЅРµ достигли больших успехов РІ этой области, Рё Гитлер РЅРµ РјРѕРі иметь этого оружия РґРѕ конца РІРѕР№РЅС‹. Гоудсмит написал РѕР± этой РјРёСЃСЃРёРё РєРЅРёРіСѓ РњРёСЃСЃРёСЏ Алкос.
Р’ заключение РјС‹ можем видеть, что полное развитие квантовой механики РІ течение СЂСЏРґР° лет дало адекватную трактовку поведения атомов Рё молекул. Для нас, однако, то, что было описано, достаточно, чтобы понять главные факты. РњС‹ можем представить себе атомы Рё молекулы РІ РІРёРґРµ сложных систем, которые РјРѕРіСѓС‚ находиться РІ нескольких энергетических состояниях. Р’ простейшей системе, атоме, эти энергетические состояния образуются его электронами. Разность энергии между орбитами электронов соответствует фотонам, испускаемым РІ РІРёРґРёРјРѕРј Рё ультрафиолетовом диапазонах спектра. Однако энергия, соответствующая данной орбите, может изменяться Р·Р° счет возмущения, вызываемого разными причинами. РРјРё РјРѕРіСѓС‚ быть взаимодействия магнитного момента электрона (РёР·-Р·Р° СЃРїРёРЅР°) СЃ магнитными моментами, получающимися РїСЂРё РёС… вращении РІРѕРєСЂСѓРі ядер, или СЃ магнитным моментом самого СЏРґСЂР°, или РїРѕРґ действием внешних магнитных полей (эффект Зеемана), или электрических полей (эффект Штарка). Р’ результате этих взаимодействий энергетический уровень невозмущенной орбиты расщепляется РЅР° несколько подуровней, которые слегка различаются РїРѕ энергии. Переходы, которые РјРѕРіСѓС‚ быть между этими РїРѕРґСѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, соответствуют С‚.РЅ. тонкой или сверхтонкой структуре, Рё длины волн, соответствующие этим переходам, лежат РІ инфракрасном или радиочастотном диапазоне спектра.
Молекулы более сложные системы, состоящие РёР· атомов. РљСЂРѕРјРµ электронных уровней, РѕРЅРё РјРѕРіСѓС‚ иметь Рё РґСЂСѓРіРёРµ энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё РІ результате вращательных движений, Р° также РёР·-Р·Р° того, что атомы, входящие РІ РёС… состав, РјРѕРіСѓС‚ колебаться относительно своего положения равновесия. Согласно квантовой механике, энергии, соответствующие этим вращательным Рё колебательным движениям, также квантованы. Таким образом, получается, что любая электронная конфигурация обладает набором энергетических уровней, которые можно назвать вращательно-колебательными. Рнергии, которые соответствуют скачкам между этими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё РІ определенной электронной конфигурации, очень малы, Рё РёРј соответствуют длины волн инфракрасного Рё микроволнового диапазонов.