Электрон в атоме.

Отсутствие наглядной модели микрообъекта отнюдь не исключает возможности использования условных образов, вполне пригодных для представления микрообъекта в тех или иных условиях. В качестве примера рассмотрим электрон в атоме.

Напомним, что состояние электрона в атоме описывается набором квантовых чисел: n, l, m, σ. Данное состояние характеризуется определенной энергией, которая в частном случае атома водорода, зависит только от числа n, а в более общем случае – от чисел n и l. Электрон в атоме пространственно делокализован – его координаты имеют неопределенность порядка размеров атома. Обычно при рассмотрении электрона в атоме вводят представление о так называемом электронном облаке, которое можно интерпретировать в данном случае как условный образ электрона. Форма и эффективные размеры электронного облака зависят от квантовых чисел n, l, m и, следовательно, меняются от одного состояния электрона в атоме к другому.

Чтобы описать размеры и форму электронного облака, вводят некоторую функцию

unlm (r, θ, φ) = vnl (r) Zlm (θ, φ),

где r, θ, φ – сферические координаты электрона. Функцию unlm интерпретируют следующим образом: unlm (r, θ, φ) dV есть вероятность обнаружить в элементе объема dV вблизи точки (r, θ, φ) электрон, находящийся в состоянии с квантовыми числами n, l, m. Иначе говоря, unlm (r, θ, φ) имеет смысл соответствующей плотности вероятности обнаружения электрона. Напомним, что dV = r2drdΩ, где dΩ = sin θdθdφ – элемент телесного угла. Функция

wnl (r) dr = vnl (r) r2 dr

есть, таким образом, вероятность обнаружить электрон с квантовыми числами n, l на расстояниях от ядра, попадающих в интервал значений от r до r + dr.

При l=0 (так называемый s-электрон) имеем сферическое электронное облако. При l=1 (р-электрон) имеем электронное облако либо в виде своеобразного веретена, либо в виде тороида, что зависит от квантового числа m. Итак, чтобы представить себе электрон в атоме, можно пользоваться в качестве условных образов моделями шара, веретена, тороида и т.д.

основное состояние атома водорода характеризуется сферическим электронным облаком. Теория показывает, что в этом случае

wnl (r) = 4 r2 / r13 exp (- 2r / r1).

Характеризующий эффективный радиус облака параметр r1 определяется соотношением r1 = h2 / me2 ; в теории Бора он выступал как радиус пе5рвой орбиты.

В заключение заметим, что при квантовых переходах в атоме происходит не только изменение энергии, но и также «перестройка» электронных облаков – изменение их размеров и формы.

Микрообъект и окружающий его мир

. Как уже отмечалось, одно из наиболее специфических свойств микрообъекта есть наличие в его поведении элементов случайности, вследствие чего квантовая механика оказывается принципиально статистической теорией, оперирующей с вероятностями. Однако в чем же заключается причина наличия элементов случайности в поведении микрообъекта?

Ответ на поставленный вопрос таков: случайность в микроявлениях объясняется, образно говоря, тем, что микрообъект взаимодействует со всем окружающим его миром. Специфика квантовой механики такова, что ни один объект в ней не может, строго говоря, считаться полностью изолированным, полностью независимым от окружения. Как отмечал Мякишев, «причина статистического характера квантовой механики та же, что и в классической статистической механике, – наличие большого числа связей, влияющих на движение объекта. Частица, рассматриваемая в квантовой механике как свободная, в действительности свободна только от воздействий динамического характера. Но она находится под действием случайных сил, вызывающих квантовые флуктуации ее поведения, отражаемые соотношением неопределенностей.»

Какова природа случайных воздействий на микрообъект? В квантовой теории поля она проявляется в явном виде – как взаимодействие микрообъекта с вакуумом (вакуум не есть пустота, он «заполнен» виртуальными зарядами). Можно сказать, что микрообъект взаимодействует с окружающим его миром через виртуальные микрообъекты.

В этом свете представляется совершенно естественной отмечавшаяся выше интерпретация корпускулярно-волнового дуализма как потенциальной способности микрообъекта проявлять те или иные свои свойства в зависимости от внешних условий, т.е. в зависимости от окружающей микрообъект обстановки. Это подразумевает органическую связь микрообъекта с окружающим его миром – ведь сама сущность микрообъекта реализуется в том или ином виде в зависимости от конкретных условий, конкретной обстановки.

Обнаруживаемая квантовой механикой невозможность безграничной детализации объектов и явлений в конечном счете так же должна быть объяснена взаимодействием микрообъекта с окружающим миром. Это означает, что на определенной стадии исследования физические объекты уже нельзя рассматривать изолировано. Как уже говорилось ранее, «во время взаимодействия электрона с фотонами нет, строго говоря, ни электрона, ни фотонов, а есть нечто целое, которое и следует рассматривать как единое целое – без уточнения деталей».