Техника - молодёжи 2001-04, страница 39

КВАНТОВАЯ

МЕХАНИКА

Леонид ШИПИЦИН, физик, г.Жуковский Московской обл.

ПОТЕРЯ

U]

LnJ

МИКРОЧАСТИЦАМИ

Для волновых процессов характерны два отличительных явления: ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ, то есть ослабление или усиление волн при наложении их друг на друга, и ДИФРАКЦИЯ, то есть огибание волной преграды. В случае видимого света интерференция и дифракция заметны невооруженным глазом: тут и игра цветов на поверхности мыльного пузыря, и радужная окраска нефтяных пленок на поверхности воды...

В 1924 г. знаменитый французский физик Луи де Бройль обнаружил, что волновые свойства присущи и движущимся микрочастицам, причем произведение длины волны такого волнового процесса на массу и скорость частицы равно постоянной Планка.

Этот волновой процесс и сейчас остается загадочным, его природа и смысл до сих пор не раскрыты. Согласно квантовой механике — теории процессов в микромире — формула де Бройля справедлива для частиц любой массы, от нейтрино до Солнца и крупнее, то есть от нуля до бесконечности; скорость частицы тоже может быть любой (с ограничением специальной теории относительности — не больше скорости света в вакууме, С = 3*10¹⁰ см/с). Но так ли обстоит дело с точки зрения эксперимента?

ЭЛЕКТРОН. Волновые свойства электрона в процессе дифракции подтверждены при его скоростях, почти достигающих С. А вот при снижении скорости до 10⁵ — 10⁶ см/с (что соответствует температуре 1 — 10 К) для электронов проводимости металлов возникает аномалия, объясненная через 46 лет после ее открытия как явление сверхпроводимости. Квантовой теорией сверхпроводимость (как и — позднее — высокотемпературная сверхпроводимость) предсказана не была.

Кроме того, экспериментально обнаружили, что в висмуте электроны проводимости при скорости 5*10⁵ см/с испытывают только зеркальное, а не дифракционное отражение от внутренней поверхности металла, а сопротивление пленки висмута при температуре

свойств

78 К (скорость электронов 5*10⁶ см/с и ниже) становится периодическим.

В спектрах атомов межзвездного водорода наблюдается квантовое число состояния (или энергетических уровней) п не более 700, что соответствует граничной скорости электрона в атоме 3 км/с. Далее атом ионизируется, хотя теоретически это должно происходить при п, равном бесконечности

Перечисленные эффекты свидетельствуют, что к электрону, движущемуся со скоростями 10⁵ — 10⁶ см/с, формулу де Бройля нужно применять осторожно. С другой стороны, прямых экспериментов по дифракции электронов такой энергии нет, и вопрос остается открытым для изучения.

МЮОН. Если для электрона максимальная скорость близка к световой, то для мюо-на, в 207 раз более тяжелого, ее можно ожидать в 200 раз меньшей. Кроме массы, мюон ничем не отличается от электрона и может заменить его в атоме, образуя мезоатом. Скорость движения мезона на первом энергетическом уровне мезоатома определяется по формуле V=aZC, где а — постоянная тонкой структуры, равная 1/137; Z — заряд ядра атома; С — скорость света. Если мюон, как и электрон, теряет волновые свойства, то образование мезоатомов с малым Z будет затруднено. Действительно, существует экспериментальный факт: мезоатомы с Z меньше 10 не регистрируются.

НЕЙТРОН. Дифракция нейтронов твердо установлена, но для ультрахолодных (ультрамедленных) наблюдается аномалия времени хранения, необъяснимая квантовой механикой. Кроме того, нейтроны со скоростями 3 — 7 м/с зеркально отражаются от кристаллической решетки. Интересно, что отношение минимальных скоростей, при которых еще возможна дифракция электронов и нейтронов, равно отношению их масс (порядка 2000).

ПРОТОН. Дифракция ядра атома водорода установлена точно, но в очень узком диапазоне скоростей (10^е см/с).

ГЕЛИЙ. Дифракция а-частиц (ядер атомов гелия) также твердо установлена в столь же узком диапазоне скоростей Однако в

...ОН ЕЛ ОДНУ ЛИШЬ ТРАВКУ?

Власти Австралии рекомендуют туристам не ездить на остров Флиндерс... в зеленой одежде. Дело в том, что остров буквально захватили гигантские кузнечики. Они уже сожрали на нем почти всю траву и кусты и, одурев от голода, бросаются на людей, одетых в зеленое. Предостережения, впрочем, не останавливают любителей острых ощущений, едущих на сей «остров ужасов» специально, чтобы заснять редкое зрелище — охоту насекомых на человека. Спрашивается — кто тут более безумен? □

АМЕРИКАНСКИЕ ХИЩНИКИ

На юго-западе Франции появился новый вид спорта — стрельба по амфибиям. Другого способа борьбы с гигантскими лягушками-быками (Grenouilles taureaux), завезенными местным коллекционером из Фло

риды и выпущенными на волю 20 лет назад, пока не найдено. Эксперты призывают к уничтожению их как единственному решению проблемы взрывоподобного увеличения популяции этих хищных американских земноводных, которые перемещаются к истокам рек Жиронда и Дордонь и угрожают проникнуть в северную Италию и Голландию. Эти лягушки имеют длину до 60 см, весят около 2 кг и в брачный период издают звуки, напоминающие бычий рев, за что и получили свое имя Они уже заполонили небольшие озера и карьеры в винодельческом районе Антр-де-Мер. Питаются лягушки-быки рыбой, более мелкими сородичами, птенцами уток, а по прожорливости с ними не сравнится даже щука. Следует отметить, что на родине — во Флориде — их популяция регулируется аллигаторами. Не завозить же в Европу крокодилов... П

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 4 2 0 0 1

37

своей (написанной в стихах) статье 1967 г. физик М.Честер утверждал, что жидкий гелий не дифрагирует, то есть при скорости частиц до 10 км/с (соответствующей температуре 2 К) гелий теряет свои волновые свойства, приобретая сверхтекучесть. Может быть, сверхтекучесть (как и сверхпроводимость) как раз и связаны с потерей частицами волновых свойств?

Ландау писал, что «фактически гелий-П теряет свойство сверхтекучести при достаточно больших скоростях движения, природа этого явления «критических скоростей» не ясна». Учитывая данные Честера, полагаю, что критическая скорость как раз и разделяет области существования и отсутствия волновых свойств у ядер атомов гелия.

ТЯЖЕЛЫЕ АТОМЫ. Пучок атомов должен отражаться от поверхности кристалла следующим образом: основная масса — зеркально, часть — в стороны, под углами, соответствующими длине волны де Бройля. Такая картина наблюдается для гелия, а вот с ростом массы ядер...

В 1931 г. выяснилось, что пучок атомов неона, аргона и паров металлов отражается лепестком, максимум интенсивности не соответствует зеркальному отражению, а дифракционных пучков нет совсем. Объяснить лепестковое рассеяние с помощью квантовой механики не удалось.

В 1971 г. установлено, что, отражаясь от поверхности платины, вольфрама, фтористого лития и других кристаллов, пучки атомов тяжелых металлов и инертных газов (кроме гелия) образуют двугорбое рассеяние, не похожее на дифракционное, а вместо зеркального максимума обнаружен минимум.

Таким образом, волновые свойства частиц экспериментально подтверждены только для электронов и частиц не тяжелее а-частицы, в разных скоростных диапазонах, не дающих систематической картины. Продолжение экспериментов в указанных здесь направлениях позволит выявить и уточнить пределы применимости квантовой механики и, возможно, — коренным образом изменить наши представления о процессах в микромире. ■

НЕПОДКУПНЫЕ ЛЕСНИКИ =3

В Индии слонов учат работать стражами лесов. 30 гигантов прошли спецподготовку в провинции Бенгкулу на острове Суматра. ^ Слонов обучили распознавать едва различимые в джунглях звуки работающих мото-пил, удары топоров, специфический треск падающих деревьев. Обладая повышенным О чутьем, лесники с хоботами не разбирая дороги, ломятся сквозь чащу и выходят на нелегальных порубщиков. Трубя, как поли-цейские сирены, слоны решительно атакуют ^ и гонят ошалевших злоумышленников прочь. По свидетельству дрессировщиков, такая атака обычно дает прекрасный ре- ^ж зультат. К тому же слонов невозможно подкупить. Но вот вопрос: что будет с нарушителями, если рассвирепевшие «лесники» 2 «превысят полномочия»? ■

Андрей САМОХИН SZ