Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Теория Бора-Крамерса-Слейтера ( теория БКС) была, возможно, последней попыткой понять взаимодействие материи и электромагнитного излучения на основе так называемой старой квантовой теории , в которой квантовые явления рассматриваются путем наложения квантовых ограничений на классически описываемые поведение. [1] [2] [3] [4] Он был разработан в 1924 году и основан на классическом волновом описании электромагнитного поля. Возможно, это была больше исследовательская программа, чем полноценная физическая теория, а развиваемые идеи не были проработаны количественно. [5] : 236

Один аспект, идея моделирования поведения атомов под падающим электромагнитным излучением с использованием «виртуальных осцилляторов» на частотах поглощения и излучения, а не на (различных) видимых частотах орбит Бора, в значительной степени подтолкнула Борна , Гейзенберга и Крамерса к изучению математики, которая сильно вдохновил последующее развитие матричной механики , первой формы современной квантовой механики . Провокационность теории также вызвала широкую дискуссию и возобновила внимание к трудностям, лежащим в основе старой квантовой теории. [6] Однако физически наиболее провокационный элемент теории, что импульс и энергия не обязательно должны сохраняться в каждом взаимодействии, а только в целом, статистически, вскоре оказался в противоречии с экспериментом.

Истоки [ править ]

Первоначальная идея теории БКС возникла с Slater , [7] , который предложил Бор и Крамерс следующих элементов теории излучения и поглощения излучения от атомов, которые будут разработаны во время его пребывания в Копенгагене:

  1. Излучение и поглощение электромагнитного излучения вещества реализуются в согласии с Эйнштейном «S фотоном концепцией;
  2. Фотон, испускаемый атомом, направляется классическим электромагнитным полем (сравните идеи де Бройля , опубликованным в сентябре 1923 г. [8] ), состоящим из сферических волн, что позволяет объяснить интерференцию ;
  3. Даже когда нет переходов, существует классическое поле, в которое вносят вклад все атомы; это поле содержит все частоты, на которых атом может излучать или поглощать фотон, причем вероятность такого излучения определяется амплитудой соответствующей фурье-компоненты поля; вероятностный аспект носит временный характер, и его следует исключить, когда внутренняя динамика атомов станет более известной;
  4. Классическое поле создается не реальными движениями электронов, а «движениями с частотами возможных линий излучения и поглощения » (которые называются « виртуальными осцилляторами», создающими поле, которое также называется «виртуальным»). .

Разработка с Бором и Крамерсом [ править ]

Похоже, что основное намерение Слейтера состояло в том, чтобы примирить две конфликтующие модели излучения, а именно. модели волн и частиц . Он, возможно, возлагал большие надежды на то, что его идея относительно осцилляторов, колеблющихся на разностях частот вращения электронов (а не на самих частотах вращения), может быть привлекательной для Бора, поскольку она решает проблему атомной модели последнего , даже если физический смысл этих осцилляторов был далеко не ясен. Тем не менее у Бора и Крамерса было два возражения против предложения Слейтера:

  1. Предположение о существовании фотонов. Несмотря на то, что гипотеза Эйнштейна о фотонах могла просто объяснить фотоэлектрический эффект , а также сохранение энергии в процессах девозбуждения атома с последующим возбуждением соседнего атома, Бор всегда отказывался признать реальность фотонов. его главный аргумент - проблема примирения существования фотонов с явлением интерференции ;
  2. Невозможность учесть сохранение энергии в процессе девозбуждения атома с последующим возбуждением соседнего. Эта невозможность вытекала из вероятностного предположения Слейтера, которое не предполагало какой-либо корреляции между процессами, происходящими в разных атомах.

По словам Макса Джаммера, это переориентировало теорию, «чтобы согласовать физическую картину непрерывного электромагнитного поля с физической картиной, но не о квантах света, как предполагал Слейтер, а о прерывистых квантовых переходах в атоме». [6] Бор и Крамерс надеялись избежать гипотезы фотонов на основе продолжающейся работы Крамерса по описанию «дисперсии» (в современных терминах неупругого рассеяния ) света с помощью классической теории взаимодействия излучения и иметь значение. Но отказавшись от концепции фотона, они вместо этого решили прямо согласиться с возможностью несохранения энергии и импульса.

Экспериментальные контрдоказательства [ править ]

В статье BKS эффект Комптона обсуждался как применение идеи « статистического сохранения энергии и импульса» в непрерывном процессе рассеяния излучения на образце свободных электронов, где «каждый из электронов вносит свой вклад через испускание когерентные вторичные вейвлеты ". Хотя Комптон уже дал привлекательный отчет о своем эксперименте на основе фотонной картины (включая сохранение энергии и импульса в отдельных процессах рассеяния), говорится в статье BKS, что «это кажется при нынешнем состоянии науки едва ли оправданным. отклонить формальную интерпретацию как рассматриваемую [т. е. более слабое предположение о статистическойсохранение] как неадекватное ". Это утверждение могло побудить физиков-экспериментаторов улучшить" нынешнее состояние науки "путем проверки гипотезы" статистического сохранения энергии и импульса ". В любом случае, уже через год теория BKS была опровергнута экспериментами. изучения корреляций между направлениями , в которые испускаемое излучение и отдачи электронов испускаются в отдельных процессах рассеяния. Такие эксперименты были независимо друг от друга в исполнении Боте и Гейгера , [9] [10] , а также Комптона и Саймона. [11] [12 ]Они предоставили экспериментальные доказательства, указывающие на направление сохранения энергии и импульса в отдельных процессах рассеяния (по крайней мере, было показано, что теория BKS не способна объяснить экспериментальные результаты). Более точные эксперименты, проведенные намного позже, также подтвердили эти результаты. [13] [14]

Как было предложено в письме Борна , [15] для Эйнштейна подтверждением сохранения энергии и импульса, вероятно , даже более важным , чем его фотонной гипотезы: «мнение Бора радиационных интересов меня очень много , но я не хочу , чтобы позволить себе быть. доведенный до отказа от строгой причинности, прежде чем было гораздо более сильное сопротивление против него, чем до сих пор. Я не могу смириться с мыслью, что электрон, подвергнутый воздействию луча, должен по своему собственному свободному решению выбрать момент и направление, в котором он хочет отскочить. Если так, то я лучше буду сапожником или даже служащим в игорном доме, чем физиком. Это правда, что мои попытки придать квантам ощутимую форму снова и снова терпели неудачу, но я не собираюсь еще надолго отказаться от надежды ».

Реакция Бора тоже не была связана в первую очередь с фотонной гипотезой. Согласно Гейзенбергу , [16] Бор заметил: «Даже если Эйнштейн посылает мне кабель, безвозвратное доказательство физического существования световых квантов теперь было найдено, сообщение не может связаться со мной, потому что он должен быть передан с помощью электромагнитных волн . " Для Бора урок, который следует извлечь из опровержения теории BKS, заключался не в том, что фотоны действительно существуют, а в том, что применимость классических пространственно-временных картинок для понимания явлений в квантовой области ограничена. Эта тема станет особенно важной через несколько лет в развитии понятия дополнительности . Согласно Гейзенбергу, статистическая интерпретация Борнатакже имеет свои корни в теории BKS. Следовательно, несмотря на свою неудачу, теория BKS все же внесла важный вклад в революционный переход от классической механики к квантовой механике .

Ссылки [ править ]

  1. ^ Бор, Нильс (1984). Возникновение квантовой механики (в основном 1924-1926 гг.) . Собрание сочинений Нильса Бора. 5 . Амстердам: Северная Голландия. п. 3-216. ISBN 978-0-444-86501-4. OCLC  225659653 .
  2. ^ J. Mehra и H. Rechenberg, Историческое развитие квантовой теории, Springer-Verlag, Нью-Йорк, и др., 1982, Vol. 1. Часть 2. С. 532-554.
  3. ^ Бор, N .; Крамерс, HA ; Слейтер, JC (1924). «LXXVI. Квантовая теория излучения». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . Informa UK Limited. 47 (281): 785–802. DOI : 10.1080 / 14786442408565262 . ISSN 1941-5982 . 
  4. ^ Бор, N .; Крамерс, HA; Слейтер, JC (1924). "Über die Quantentheorie der Strahlung". Zeitschrift für Physik (на немецком языке). ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 24 (1): 69–87. DOI : 10.1007 / bf01327235 . ISSN 1434-6001 . 
  5. ↑ Авраам Паис (1991). Времена Нильса Бора: в физике, философии и политике . Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-852049-2.
  6. ^ a b Макс Джаммер , Концептуальное развитие квантовой механики , 2e, 1989, стр.188
  7. ↑ Письма Дж. К. Слейтера, ноябрь, декабрь 1923 г., перепечатано в Ref. 1. С. 8, 9.
  8. ^ Л. де Бройль, Comptes Rendues 177 , 507-510 (1923).
  9. ^ Bothe, W .; Гейгер, Х. (1924). "Ein Weg zur Experimentellen Nachprüfung der Theorie von Bohr, Kramers und Slater". Zeitschrift für Physik (на немецком языке). ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 26 (1): 44–44. DOI : 10.1007 / bf01327309 . ISSN 1434-6001 . 
  10. ^ Bothe, W .; Гейгер, H .; Fränz, H .; Kallmann, H .; Варбург, Отто; Тода, Сигэру (1925). "Zuschriften und vorläufige Mitteilungen". Die Naturwissenschaften (на немецком языке). ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 13 (20): 440–443. DOI : 10.1007 / bf01558823 . ISSN 0028-1042 . 
  11. ↑ Комптон, AH (1 мая 1925 г.). «О механизме рассеяния рентгеновских лучей» . Труды Национальной академии наук . Труды Национальной академии наук. 11 (6): 303–306. DOI : 10.1073 / pnas.11.6.303 . ISSN 0027-8424 . 
  12. ^ Комптон, Артур Х .; Саймон, Альфред В. (1 августа 1925 г.). "Режиссер Кванта рассеянного рентгеновского излучения". Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 26 (3): 289–299. DOI : 10.1103 / Physrev.26.289 . ISSN 0031-899X . 
  13. ^ Хофштадтер, Роберт; Макинтайр, Джон А. (1 марта 1950 г.). «Одновременность в эффекте Комптона». Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 78 (1): 24–28. DOI : 10.1103 / Physrev.78.24 . ISSN 0031-899X . 
  14. ^ Кросс, Уильям G .; Рэмси, Норман Ф. (15 декабря 1950 г.). «Сохранение энергии и импульса в комптоновском рассеянии». Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 80 (6): 929–936. DOI : 10.1103 / Physrev.80.929 . ISSN 0031-899X . 
  15. ↑ Письмо от 29 апреля 1924 г. в: Письма Борна-Эйнштейна, Переписка между Альбертом Эйнштейном и Максом и Хедвигой, родившейся с 1916 по 1955 год, с комментариями Макса Борна, Уокера и компании, Нью-Йорк, 1971.
  16. ↑ Интервью с Мехрой, цитируется в Ref. 2, стр. 554