2.4. «КВАНТОВАЯ ЛЕСТНИЦА» ВАЙСКОПФА

Перейдем теперь к вопросу, как с точки зрения квантовой теории объясняется существование стабильных состояний вещества и как в микромире возникает замечательная иерархия, которую можно назвать «квантовой лестницей».

Обратим внимание, что существование у любой системы состояния с конечной наименьшей возможной энергией обеспечивает ее стабильность и позволяет избежать многих парадоксов. Например, если бы движение электронов в атоме подчинялось законам Ньютона и классической электродинамики, атом не мог бы быть устойчивым. Согласно законам классической электродинамики, электроны, движущиеся по орбитам вокруг ядра, будут излучать электромагнитные волны и, следовательно, терять энергию. Поскольку скорость обращения электронов вокруг ядра будет уменьшаться, то кулоново притяжение приведет к быстрому падению электронов на ядро. С точки зрения квантовой теории этого не происходит, поскольку имеется состояние с наименьшим возможным значением энергии  электронов в атоме. В основном состоянии атом не может излучать, поскольку при излучении он должен был бы перейти в состояние с меньшим значением энергии, которого не существует. По той же самой причине оказывается устойчивой кристаллическая структура макроскопических твердых тел: она соответствует минимуму полной энергии взаимодействия атомов твердого тела друг с другом.

Очень важной характеристикой стабильной физической системы является величина  (см. рис. 6), которая характеризует энергию, необходимую для разрушения системы как целого. Замечательной особенностью Природы оказывается возможность выделения по крайней мере четырех классов стабильных систем, которые характеризуются различными по порядку величины энергиями  и размерами. Эти классы можно понимать как различные ступени структурной организации материи. 

. Нулевая или классическая ступень соответствует  () и характеризует атом или молекулу как целое. Дело в том, что  много меньше энергий, необходимых для возбуждения атомов. Поэтому во всех экспериментах, в которых передаваемая веществу энергия оказывается  в пересчете на один атом или одну молекулу вещества, атомы и молекулы проявляют себя как бесструктурные объекты, подобные, во многих отношениях, биллиардным шарам. Например, опыт показывает, что при облучении разреженных газов медленными электронами (как раз с энергиями ) рассеяние электронов на атомах газа происходит упруго, т.е. практически по законам механики Ньютона. В данном случае энергии электронов недостаточно для перехода атома из основного состояния в возбужденное, и, тем более, для расщепления атома. Фактически, данная ступень соответствует классической физике. При таких энергиях химические вещества, состоящие из определенных комбинаций атомов и молекул, стабильны и обладают хорошо воспроизводимыми от образца к образцу свойствами.

. Атомная ступень характеризуется энергиями переходов  и типичными размерами . В экспериментах с таким масштабом энергий (в пересчете на один атом) атомы могут существовать либо в возбужденных состояниях, либо возможны переходы некоторых или всех электронов атомных оболочек в сплошную часть спектра. Последнее приводит к разрушению атома: он разваливается на ядро и электроны. При таком масштабе энергий, однако, сами ядра находятся в основном состоянии, поскольку типичные масштабы энергии возбуждения ядер . Таким образом, на атомной ступени внутренние степени свободы ядер никак себя не проявляют, и ядра ведут себя как бесструктурные объекты. Данная ступень соответствует представлениям о структуре атомов, сложившимся в первой четверти XX века и концептуально оформившимся в планетарной модели атома, предложенной Э. Резерфордом и Н. Бором. Последовательное описание всей совокупности явлений, соответствующих атомной ступени, получается в рамках строгой теории – квантовой механики, разработанной в 20-е гг. прошлого века.

. Ядерная ступень характеризуется энергиями переходов  и типичными размерами . При таких масштабах энергии (в пересчете на одно ядро) ядра могут переходить в возбужденные состояния, взаимно превращаться или разрушаться. Это происходит, например, при неупругом рассеянии электронов с энергией  на ядрах. Часть энергии электрона может быть передана ядру, в результате чего оно перейдет в возбужденное состояние или расколется, например, на протоны и нейтроны. На этой ступени ядра, очевидно, уже не могут рассматриваться как бесструктурные объекты. В частности, на этой ступени большинство ядер подвержены радиоактивному распаду. Один из механизмов распада описывается процессом, при котором протон в ядре превращается в нейтрон с испусканием позитрона и антинейтрино:

                                                    

Эта реакция называется бета-распадом, и в ней появляются две частицы,  и , которые отсутствуют на предыдущей ступени, соответствующей атомным явлениям. Все известные явления ядерной физики удается объяснить на основе протон-нейтронной модели ядра. Силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, называются ядерными силами, а силы, ответственные за процессы бета-распада – слабым взаимодействием.

. Субъядерная ступень характеризуется энергиями переходов и типичными размерами . При таких энергиях, которые достигаются в современных ускорителях элементарных частиц, а также в космических лучах (в естественных условиях), уже составные элементы ядер – протоны и нейтроны – нельзя рассматривать как элементарные частицы. Эксперименты по рассеянию высокоэнергетических пучков электронов на свободных протонах и нейтронах неопровержимо доказывают существование у протонов и нейтронов внутренней структуры. Помимо этого, на данной ступени наблюдается огромное число (более трехсот) новых частиц. Наблюдаются многочисленные процессы рождения и уничтожения частиц, при которых одни частицы превращаются в другие.

Таким образом, по величине характерных энергий переходов и пространственному масштабу в природе четко выделяются четыре ступени структурной организации материи. На возможность такой классификации впервые обратил внимание немецкий физик Виктор Вайскопф. Существование квантовой лестницы имеет глубокий физический смысл. Степени свободы, активизированные на данной ступени, не проявляются на более низких ступенях. Действительно, повторю еще раз, что системы, степени свободы которых являются определяющими на данной ступени, на более низкой ступени, при характерных энергиях процессов , находятся в своих основных состояниях. Поэтому объект, имеющий внутреннюю структуру с точки зрения данной высшей ступени, в очень хорошем приближении может рассматриваться как бесструктурный или даже вообще не проявляться на любой низшей ступени. Таким образом, атом можно в очень хорошем приближении рассматривать как бесструктурную неделимую частицу с точки зрения газовой динамики, ядро – при грубом анализе атомных спектров и т.д.

В силу этого каждая ступень лестницы характеризуется определенным кругом явлений, которые можно изучать более или менее независимо друг от друга, и образует отдельный раздел физики. Нулевая ступень лестницы соответствует физике макроскопических явлений, химии. Первая ступень изучается атомной физикой, вторая – ядерной физикой. Наконец, третья ступень квантовой лестницы изучается в разделе, который называется физикой элементарных частиц.

Нулевая ступень в хорошем приближении описывается классической физикой, а три следующие – квантовой теорией. Разумеется, отнесение каждого конкретного явления к той или иной ступени может быть сделано только после выявления его природы и механизма. Это обстоятельство ясно на примере задачи о равновесном тепловом излучении. В первоначальной постановке она выглядела как классическая термодинамическая задача, однако в процессе ее решения стало ясно, что механизм явления имеет квантовую природу и формируется на первой ступени квантовой лестницы.