СЕЛФ

40

С.Б. Каравашкин и О.Н. Каравашкина

Введение

Как известно, постулат о существовании устойчивых стационарных состояний осцилляторов является необходимой предпосылкой для вывода правильной формулы излучения абсолютно черного тела. "Нильсу Бору (1913 г.) принадлежит заслуга отчетливой формулировки этого положения и обобщения его на любые атомные системы" [1, с. 293].

С введением постулата квантования подавляющее большинство ученых приняло точку зрения, что тем самым "с полной ясностью была показана неприменимость классической физики к внутриатомным движениям" [1, с. 295].

Вместе с тем, сам Нильс Бор в своей базовой статье [2] при решении задачи об излучении электрона в атоме оперирует вполне конкретными понятиями классической механики - такими, как траектория электрона, точечное материальное тело и т.д. Утверждение же, что "недостаточность классической электродинамики для объяснения свойств атома на основе модели резерфордовского типа ясно проявляется при рассмотрении простейшей системы, состоящей из положительно заряженного ядра очень малого размера и электрона, движущегося по замкнутой орбите вокруг ядра" [3, с. 86] основано на том, что самому Бору, как и всем последующим поколениям ученых, не удалось преодолеть парадокс устойчивости орбиты электронов в атоме и строго дискретного излучения электроном энергии при переходе с одной орбиты на другую. "Согласно электромагнитной теории света можно бы ожидать, что подобно тому, как радиоволны свидетельствуют об электрических колебаниях, происходящих в установках радиостанции, частоты отдельных линий характеристического спектра элементов сообщают сведения о движении электронов в атоме. Но для осмысления этих сведений механика не дает достаточных оснований; вследствие упомянутых возможностей изменения механического состояния движения мы не в состоянии понять появление резких спектральных линий" [2, с. 64].

Вместе с тем, чисто формальное постулирование квантовой природы излучения не сняло феноменологической проблемы описания процессов в атоме, но только позволило на определенном этапе произвести расчеты частот излучения атомных систем, хорошо согласующееся с данными эксперимента. При этом утверждение, что квантовая теория "не только объяснила (с привлечением теории относительности) все тонкости в строении атома водорода, но и успешно применяется также и для описания многоэлектронных атомов, молекул, рассеяния частиц и т.д." [4, с. 81] существенно неточно. Ведь квантовая теория не объясняет феноменологию квантования, как и теория Бора, которая критикуется в рамках квантовой теории как непоследовательная. Более того, выдвинутые в рамках квантовой теории гипотезы о волновой природе частицы и корпускулах света - фотонах сами не выдерживают элементарной научной критики.

Возьмем в качестве анализа хотя бы вид волновой функции свободной частицы. "Естественно считать, что свободной частице, которая движется равномерно и прямолинейно и имеет при этом постоянный импульс р и энергию Е, соответствует также плоская монохроматическая волна. Волновую функцию , описывающую такую волну, мы запишем в несколько более общем, по сравнению с выражением для плоской световой волны, комплексном виде

здесь р - импульс частицы, направленный не по оси ОХ, а в произвольном направлении, r₀  - расстояние поверхности равной фазы от начала координат …, а - амплитуда волны" [4, с. 38].

На основе аналогичной записи волновой функции (только без фазы запаздывания) Э. Ферми [5, с. 21] вывел уравнение Шредингера в виде

и в дальнейшем в той же лекции 2 рассмотрел различные модели, в том числе и для свободной частицы. Но ведь понятие монохроматичности не относится к какой-то выделенной точке пространства в конкретный момент времени. "Монохроматичный свет - световое излучение одной определенной частоты … Всякое ограниченное во времени излучение охватывает некоторый интервал частот" [6, с. 325]. Таким образом, при представлении частицы монохроматичной волной, ее протяженность (или вероятность нахождения) должна определяться далеко не квантовыми размерами. Если же предположить квантовые размеры частицы ( 10 ^-19 м), то спектр ее волновой функции должен быть очень широк. А следовательно, уравнение Шредингера будет иметь принципиально иной вид.

Опять-таки, если предположить, что частица определяется волновой функцией в виде цуга волн, то возникает проблема со стабильностью данной частицы во времени. Действительно, "на первых порах развития квантовой механики была сделана заманчивая попытка разрешить противоречие волны-частицы, рассматривая частицы как волновые пакеты … Сколь ни привлекательной может оказаться эта простая идея, при ближнем рассмотрении она оказывается совершенно неправильной. Решающее возражение заключается в следующем. Те благоприятные свойства пакета …, - именно его устойчивость и движение как целого с групповой скоростью, не дают полной картины свойств пакета. Они нами на самом деле были получены лишь в качестве первого приближения, так как при рассмотрении движения пакета мы воспользовались приближенным соотношением между v и k:

отбросив все последующие члены разложения. Если же провести вычисление точно, то получается несколько иной результат, а именно, оказывается, что хотя максимум пакета перемещается со скоростью dv/dk, равной для волн де Бройля v, самый пакет при движении в диспергирующей среде не сохраняет своей формы и размеров, но постепенно расширяется - расплывается … Довольно громоздкие вычисления, которые мы здесь не приводим, показывают, что если образовать из волн де Бройля пакет, имеющий в момент t=0 форму гауссовой кривой вероятности …, то протяжение пакета удваивается через промежуток времени, выражаемый формулой

где m - масса частицы, h - постоянная Планка, b - полуширина пакета. Для частицы с массой m = 1 г, занимающей протяжение 2 мм (b=0,1 см), соответствующий пакет удваивается через 6*10 ¹⁷ лет . Но для частицы с массой электрона (m = 0,9*10 ^-27 г ) при b 10 ^-12 см, t 1,6*10 ^-26 с, т.е. пакет, соответствующий электрону, расплывался бы мгновенно, что, конечно, противоречит элементарнейшим наблюдениям" [1, с. 462- 465].

Вероятностное истолкование волн де Бройля тоже не решает возникшей проблемы, поскольку в этом случае вероятностьобнаружить электрон в некоторой области пространства через    t 1,6*10 ^-26 с будет уменьшаться вдвое, что также не соответствует элементарнейшим наблюдениям. Проще говоря, при таком резком изменении во времени вероятности обнаружения частицы в пространстве, невозможно было бы рассчитать ни один бетатрон или электронный микроскоп, не говоря уже о том, что размер электрона, указанный Шпольским, может быть значительно меньшим, и тогда неопределенность обнаружения электрона в ограниченной области пространства не позволила бы нам даже фиксировать его траекторию в пузырьковой камере. Если же истолковывать   в (1) как вероятность обнаружения частицы в некоторой области, то из этого непосредственно будет следовать, что частица с периодической вероятностью может быть обнаружена в бесконечной области пространства, что также противоречит результатам наблюдений.

Наконец, если предполагать, что плотность вероятности может быть сопоставлена только с некоторым ансамблем электронов, то в этом случае мы не имели бы права применять данную концепцию к атомным структурам и тем более к атому водорода, в котором вокруг ядра вращается только один электрон.

Таким образом мы видим, что чисто формальное постулирование квантования энергии не проясняет феноменологию процессов в атомных структурах, но только создаёт целый спектр дополнительных неразрешимых противоречий.

Поэтому в предлагаемой статье мы снова возвращаемся к классической постановке задачи о движении электрона в поле ядра атома и без введения принципа квантования попробуем установить причины, которые способствуют стабилизации орбиты электрона. При этом мы покажем, что в действительности устойчивость орбит вполне объяснима в рамках феноменологии классической физики при учете факторов, на которые до сих пор исследователи явно недостаточно обращали внимание. Развивая исследование, нам несложно будет показать, что выявленные факторы определяют не только стабильность атомных структур, но и формирование специфических структур макротел - таких, как галактики.