Вот некоторые выдержки из моих моей работы.
..В официальной физике считается, что ещё одно характеристическое свойство у
электрона есть – это его собственный магнитный момент, или спин. И это – при
том, что до сих пор отсутствует вразумительная модель, которая поясняла бы: чем
же, физически, магнитный момент электрона обусловлен.
Исторически, Паули формально, без предложения какой-либо физической модели, ввёл
дополнительное квантовое число, характеризующее состояния атомарных электронов –
чтобы описать расщепление спектральных линий атомов на мультиплеты. Прочитав
статью Паули, Гаудсмит и Уленбек вспомнили про результат Штерна и Герлаха,
которые пропускали пучок атомов серебра (с одним внешним электроном) через
область с неоднородным магнитным полем – и пучок там расщеплялся на два.
Поскольку атомы электрически нейтральны, то казалось ясным, что расщепление
пучка было обусловлено воздействием на магнитные моменты атомов. Правда, для
этого магнитные моменты атомов должны были иметь лишь две ориентации: либо по
магнитному полю, либо против. Эту «пространственную селекцию» магнитных моментов
никто не мог объяснить. Так вот, Гаудсмит и Уленбек решили, что всё становится
гораздо понятнее, если вести речь не о магнитных моментах атомов, а о
собственных магнитных моментах атомарных электронов. Чем же обусловлен магнитный
момент у электрона? Гаудсмит и Уленбек полагали, что электрон имеет ненулевой
размер, и что электрический заряд распределён по объёму электрона. Значит, чтобы
у электрона был магнитный момент, электрон должен, мол, вращаться вокруг своей
оси. Такое вращение называется в английском языке словом «спин». Сами авторы
идеи о спине электрона сразу получили, что, для обеспечения требуемой величины
магнитного момента, угловая скорость вращения электрона должна быть столь
высока, что линейная скорость вращения на «экваторе» электрона во много раз
превысила бы скорость света. А у Лорентца, которого попросили прокомментировать
идею о спине электрона, всё получилось ещё хлеще: магнитная энергия вращающегося
электрона должна быть столь велика, что эквивалентная ей масса превысила бы
массу протона, а, при обычной массе электрона, его радиус должен превышать
радиус атома!
Но теоретикам так понравилась идея о магнитном моменте электрона, что они нашли
беспрецедентное оправдание своему бессилию построить здесь разумную физическую
модель. «Наши традиционные представления, - заявили они, - никуда не годные!
Природа устроена гораздо интереснее, чем мы думали!» Это по поводу спина
электрона Ландау выдал своё знаменитое изречение: «Сегодня мы можем постигать
даже то, чего не можем вообразить!» Идеология была такая: не нужно пытаться
представить себе наглядно, что такое спин – а нужно просто использовать это
красивое понятие, чтобы оно работало в теориях! На спин навесили ответственность
не только за спектральные дублеты атомов, но и за намагниченность
ферромагнетиков, за сверхпроводимость, сверхтекучесть, и за много чего ещё. Это
называется так: то, что понимали плохо, объясняли на основе того, чего не
понимали вовсе. И этим чрезвычайно обогатили официальную физическую картину
мира, ибо триумф концепции спина электрона был полный.
Но, как ни ликовали по этому поводу теоретики, никому не удалось на опыте
доказать, что свободный электрон спином действительно обладает. Например, никому
не удалось, в том же неоднородном магнитном поле, расщепить надвое пучок
электронов. Пучок атомов расщепить получается, а пучок электронов – нет. Не
странно ли: действия неоднородного магнитного поля на спины электронов
недостаточно, чтобы растащить эти электроны, но зато достаточно, чтобы растащить
атомы, массы которых на четыре порядка больше!
Добавлено спустя 8 минут 8 секунд:А вот еще.
Основополагающей концепцией квантовой механики является так называемый
«корпускулярно-волновой дуализм». Вначале его приписывали мельчайшим порциям
света (фотонам), а затем расширили на все частицы и даже поля (для полноты
картины). Поскольку это основополагающая идея – нужно было надежно подтвердить
опытом наличие корпускулярных и волновых свойств у частиц и у фотонов.
Волновые свойства у фотонов установили давно и весьма надежно. А вот показать,
что они обладают еще и корпускулярными свойствами, оказалось не так легко. Речь
пойдет о т. н. «эффекте Комптона». Квантовая теория вряд ли согласится с
представлением о фотоне, как о маленьком твердом шарике. Но, тем не менее,
дуализм требует возможности эффекта соударения такого «виртуального мячика»,
олицетворяющего одну из ипостасей фотона, с электроном. Рассчитать эффект
соударения упругих шариков на основании законов классической механики достаточно
просто. Виртуальный «фотон-шарик» имеет условный вес, определяемый его энергией.
В рентгеновском диапазоне этот «вес» невелик. Если он ударится об электрон,
сравнительно медленный и тяжелый, то он немного потеряет свою энергию (передав
часть ее электрону в виде импульса отдачи) и его частота уменьшится. Эта потеря
(и соответствующий сдвиг по частоте) будет зависеть еще и от угла соударения.
Это были рассуждения Комптона и их нужно было подтвердить опытом. Вот выдержка
об этих опытах из монографии А.А. Гришаева.
… Считается, что первым таким доказательством стал эффект Комптона. Этот эффект
заключается в рассеянии веществом рентгеновского излучения – с характерным
увеличением его длины волны. Классическая теория рассеяния света не смогла
объяснить этот феномен, и было принято объяснение Комптона [К1], основанное на
подходе квантовой теории.
Согласно этому объяснению, рентгеновский фотон неупруго соударяется со слабо
связанным атомарным электроном. При этом, как следует из законов сохранения
энергии и импульса, часть своей энергии (и импульса) фотон передаёт электрону,
выбивая его из атома и превращая в «электрон отдачи». В результате, как следует
из законов сохранения энергии-импульса, длина волны фотона увеличивается. Такой
подход согласуется с главными свойствами комптоновского сдвига длины волны: во-
первых, с его независимостью от атомного номера вещества рассеивателя и, во-
вторых, с его зависимостью лишь от угла, на который происходит рассеяние.
Однако, ради торжества подхода Комптона был проигнорирован ряд особенностей, с
которыми этот подход не согласуется. Следует иметь в виду, что комптоновский
сдвиг длины волны потому и заметен с помощью спектрометров, что в рассеянном на
любой угол излучении присутствует также несмещённая компонента – с той же самой
длиной волны, что и у падающего излучения. Если законы сохранения энергии-
импульса дают, при рассеянии фотона на ненулевой угол, ненулевой комптоновский
сдвиг длины волны, то неужели несмещённая компонента порождается с нарушением
этих законов? Теоретики пытаются убедить нас в том, что несмещённая компонента
порождается при таком соударении фотона с атомарным электроном, при котором
электрон не выбивается из атома, т.е. фотон соударяется, фактически, не с
электроном, а с атомом – а поскольку масса атома гораздо больше массы электрона,
то импульс отдачи у атома оказывается ничтожен. Тогда теоретикам следовало бы
объяснить, отчего фотон с энергией, которая на 3 порядка больше энергии связи
атомарного электрона, в одних случаях выбивает электрон из атома, а в других
случаях не выбивает – рассеиваясь при этом на один и тот же угол. Увы, разумного
объяснения этому нет. Далее, не удаётся наблюдать комптоновское рассеяние на
атомах сверхлёгких (в частности, водорода) и тяжёлых элементов – хотя свойства
слабо связанных электронов у всех элементов ничем принципиально не различаются.
Наконец, уничтожающим доводом против подхода Комптона является тот малоизвестный
факт, что в рассеянном на любой угол излучении присутствует, помимо
комптоновской и несмещённой компонент, ещё и компонента анти-комптоновская –
длина волны которой уменьшена на величину комптоновского сдвига [С6]. В теорию
Комптона совершенно не укладывалось наличие анти-комптоновской компоненты,
поэтому он в известных нам публикациях даже не упоминал про неё
Еще немного из статьи.
… был проведён целый ряд экспериментов [Ш3,Х1,К2], призванных подкрепить шаткие
представления Комптона и проиллюстрировать разлёт продуктов комптоновского
рассеяния – при котором рассеянный квант и «электрон отдачи» вылетают из атома
одновременно и разлетаются под «правильными» углами. В работе [Г5] дан
критический обзор подобных экспериментов, и показана их полная
бездоказательность. Их общим недостатком было отсутствие доказательств того, что
исследовалось именно комптоновское рассеяние – измерением комптоновских сдвигов
здесь никто себя не утруждал. Впрочем, в некоторых «подтверждающих» опытах
использовали в качестве первичного излучения гамма-кванты [Х1,К2], у которых
измерять комптоновские сдвиги было просто нечем [Г5]. Так, Крэйн, Гартнер и
Турин [К2] поместили мишень-рассеиватель в центре камеры Вильсона – для проверки
того, что направления вылета электрона отдачи и рассеянного фотона находятся в
согласии с законами сохранения энергии-импульса. В качестве первичного излучения
использовались жёсткие гамма-лучи – что делало весьма сомнительной саму
возможность комптоновского рассеяния. Электроны, которые, судя по их трекам,
вылетали из мишени вперёд, считались электронами отдачи – хотя они могли быть
электронами внутренней конверсии или фотоэлектронами, выбиваемыми вторичными
гамма-квантами. Поскольку гамма-квант не оставляет трека в камере Вильсона, то,
для подтверждения «правильного» направления полёта рассеянного гамма-кванта,
требовалось получить «правильные» фотографии. А именно: на них, помимо трека
«электрона отдачи», требовалось зафиксировать, в «правильном» сегменте камеры,
трек ещё одного электрона – якобы, выбитого рассеянным гамма-квантом. Мы говорим
«якобы», поскольку никаких гарантий того, что второй электрон выбивался гамма-
квантом, вылетавшим из мишени в центре камеры, быть не могло. При таком
положении дел, «правильная» пара треков могла получаться лишь в результате
маловероятного стечения случайных обстоятельств, на ничтожном проценте
фотографий – как это и было в действительности. Обработав только эти «удачные»
фотографии, авторы сделали неизбежный, при подобном высоконаучном подходе, вывод
о том, что «наблюдаемый угол полёта рассеянного фотона совпадает с вычисленным»
[Ш1].
Ссылки:
С6. Дж.Дж.Странатан. «Частицы» в современной физике. «Гос. изд-во технико-
теоретической литературы», М.-Л., 1949.
К1. A.H.Compton. A quantum theory of the scattering of X-rays by light elements.
Phys.Rev., 21, 5 (1923) 483.
К2. Crane, Gaerttner, Turin. Phys.Rev., 50 (1936) 302.
Ш1. Э.В.Шпольский. Атомная
физика. Т.1. «Наука», М., 1974.
Х1. R.Hofstadter, J.A.McIntyre. Phys.Rev., 78, 1 (1950) 24.
Г5. А.А.Гришаев. Рассеяние рентгеновских лучей: о чём свидетельствует анти-
комптоновская компонента.
А теперь поговорим о проверке гипотезы волновой природы элементарных частиц (в
частности – электрона). Корпускулярные свойства электрона – достаточно очевидны
и подтверждаются слишком уж большим числом опытов. А вот волновые свойства –
увы!
Не буду голословным. У А.А. Гришаева есть достаточно аргументированная статья (с
необходимыми ссылками) о ненадежности опытов по проверке «волновых» свойств
электрона. Но мое изложение не предполагает каких-то сложных формул и расчетов.
Поэтому приведу более популярное изложение этой темы. Речь идет о попытке
экспериментально подтвердить наличие волновых свойств у электрона.
.. Это ответственное задание, если верить историкам, было выполнено вполне
успешно: качественно и в срок. Первыми частицами, у которых усмотрели волновые
свойства, стали электроны. В «Фейнмановских лекциях» описан потрясающий опыт с
прохождением электронов сквозь две щели. Мол, если не мешать им пролетать им
сквозь две щели, то на сцинтилляционном экране за щелями получаются
интерференционные полосы. Перекроешь одну щель – полосы пропадают. Попытаешься
проследить, через какую щель пролетает электрон – полосы тоже пропадают… Очень
это всё впечатляет читателей; одна беда – никто никогда таких опытов не делал. У
электрона дебройлевская длина волны, понимаете, маленькая. Щелью для неё
является зазор между атомами. Ну, прикиньте: как, для электронов, можно сделать
экран всего с двумя щелями? Как можно перекрывать одну из них? Нанотехнологи,
одно слово!
Дэвиссон и Джермер делали совсем другое – вполне возможное. Они направляли
низковольтный пучок электронов ортогонально на полированный срез монокристалла
никеля (с никелем у них особенно здорово получилось), и исследовали угловое
распределение электронов, рассеиваемых кристаллом в обратную полусферу – за
вычетом центрального створа, затенённого электронной пушкой. Обнаружились пики
рассеяния, соответствовавшие брэгговской дифракции, т.е. резонансному отражению
волн от параллельных атомных плоскостей, наклонённых к поверхности среза –
причём, эти пики получались при подходящих энергиях пучка, т.е., теоретически,
при подходящих резонансных длинах волн. Казалось бы – вот они, волновые свойства
электронов, во всей своей красе! Но, прежде чем прыгать от восторга, давайте-ка
посмотрим: а, может, и здесь о чём-то умолчали? Не в первый раз же! Смотрим… и
видим… ну, полная жуть. Во-первых, авторы сказали не про все пики рассеяния,
которые наблюдались. Самым сильным был широкий пик зеркального рассеяния,
который наблюдался всегда – при любых энергиях пучка – и, значит, он не мог быть
порождением брэгговской дифракции. Да и под другими углами были «лишние» пики
рассеяния, которые никак не вписывались в концепцию этой дифракции. Далее: при
уменьшении скорости падающих электронов, казалось бы, должна уменьшаться глубина
их проникновения в кристалл, и, значит, должен уменьшаться эффективный
рассеивающий объём кристалла, т.е. должна уменьшаться резкость дифракционных
пучков. В действительности, всё происходит… наоборот! Ну, знаете, это уже совсем
не похоже на брэгговскую дифракцию! Терпение, осталось чуть-чуть: если нанести
на рассеивающую поверхность плёнку другого металла толщиной всего в два атомных
слоя, то прежняя картина рассеяния практически исчезает, заменяясь картиной для
этого другого металла. Какие же могут быть наклонные атомные плоскости при
толщине в два атомных слоя? Совершенно ясно, что Дэвиссон и Джермер имели дело с
поверхностным эффектом – и, конечно, не с брэгговской дифракцией, которая
является эффектом объёмным. Что же это за поверхностный эффект? Да вроде как
вторичная электронная эмиссия. При таком допущении здесь всё встаёт на свои
места. Правда, никакими волновыми свойствами электронов тут и не пахнет…
Но кто там кого спрашивал – пахнет тут волновыми свойствами, или нет? Волновые
свойства были востребованы – вот их и изобразили….