Квантовые свойства материи

Квантовая теория способствовала появлению новых представлений о внутренних свойствах микрообъектов, заменяющих классические представления в физике. Внутренние свойства рассматриваются здесь как вполне конкретная возможность, проявление которой зависит в такой же степени от системы, с которой объект взаимодействует.

Квантовые свойства электрона

Квантовые свойства электронов отличаются от свойств, которые описывает классическая теория, не только скрытыми возможностями, но и невозможностью точного предсказания проявления этих возможностей.

В качестве примера можно рассмотреть процесс, в котором электрон, первоначально описываемый волновой функцией как широкий волновой пакет, взаимодействует с установкой, используемой для измерения его положения. Волновая функция после взаимодействия разбивается на независимые пакеты с фазовыми соотношениями между ними. При этом каждый из пакетов имеет свой размер.

Электрон может находиться только в одном из этих пакетов, а волновая функция гарантирует только вероятность того, что электрон находится именно в данном пакете. Исходя из этого, формируется вывод: хотя состояние системы определяет общий характер проявления корпускулярных свойств электрона до взаимодействия, но точные значения занимаемого им положения определяется не полностью.

Вместо этого будет существовать определенная область, определяемая изначальным расплыванием волнового пакета. Внутри данной области будут беспорядочно флуктуировать фактические положения электронов, если опыт повторяется многократно.

В данном опыте начальные условия воспроизводятся с точностью, которая допускается квантовой природой материи (в пределах устанавливаемой соотношением неопределенностей точности). Интерпретация свойств электрона свое математическое отражение находит в неполном определении волновой функции. До взаимодействия электрона и измерительного прибора волновая функция определяет два типа вероятности:

• вероятность данного положения;
• вероятность импульса.

Но волновая функция сама по себе не сообщает нам, какая из этих двух несовместимых вероятностных функций реализуется. Ответ на этот вопрос можно получить только после выяснения, с какой измерительной установкой взаимодействовал электрон.

Таким образом, волновая функция действительно позволяет наиболее полно описать электрон. Это описание становится возможным с помощью переменных, принадлежащих непосредственно электрону. Но такое описание не позволяет определить, в какой форме (как частица или волна) проявляется электрон. Поэтому интерпретация импульса и положения осуществляется на основании определенных возможностей, скрытых в электроне и проявляющихся более полно только при взаимодействии с соответствующими измерительными приборами.

Опыт Франка – Герца

Для проведения опыта к катоду и сетке электровакуумной трубки, наполненной парами, прикладывается разность потенциалов. Эта разность способствует ускорению электронов. К сетке и аноду прикладывается замедляющая разность потенциалов. Ускоренные в одной области электроны испытывают во второй области соударения с атомами.

Если после соударения энергии электронов будет достаточно для преодоления замедляющего потенциала во второй области, то они попадают на анод. Таким образом, показания гальванометра будут зависеть от потери электронами энергии в момент удара.

В опыте наблюдается монотонный рост тока с увеличением ускоряющего напряжения вплоть до 4,9 В. Это указывает на то, что при таких значениях, соударения электронов с атомами будут не упругими. Энергия электронов, таким образом, будет достаточной для возбуждения атомов. При кратных значениях энергии электроны начинают испытывать многократные неупругие столкновения.

Согласно опыту, с увеличением ускоряющего потенциала до 4,86 В, анодный ток также возрастает монотонно, а его значение проходит через свой максимум (4,86 В), далее происходит его резкое уменьшение и снова – возрастание.

Опыт Франка — Герца продемонстрировал не непрерывность спектра поглощаемой атомом энергии, а его дискретность. Минимальная порция, которую способен проглотить атом, составляет 4,9 эВ.

Рисунок 1. Опыт Франка — Герца. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Энергия ионизации

Энергия ионизации является разновидностью энергии связи и называется первым ионизационным потенциалом. Такая энергия представляет собой наименьшую порцию энергии, которая требуется для удаления электронов от свободного атома в его основном (низшем энергетическом) состоянии.

Энергия ионизации представляет одну из главных характеристик атома, от которой в значительной мере зависимы прочность и природа создаваемых атомом химических связей. От энергии ионизации атома также в значительной мере зависят восстановительные свойства простых веществ.

Для многоэлектронных атомов также существуют понятия второго, третьего и других ионизационных потенциалов. Эти потенциалы представляют энергию удаления электрона от его свободных (невозбужденных) катионов с зарядами +1, +2 и др.

Энергия ионизации всегда имеет эндоэнергетическое значение (поскольку, чтобы оторвать электрон от атома, потребуется определенная энергия, самопроизвольно это не может произойти).

На энергию ионизации атома максимальное воздействие оказывают такие факторы:

• эффективный заряд ядра, представляющий функцию числа электронов в атоме, экранирующих ядро (они расположены на более глубоко лежащих внутренних орбиталях);
• степень проникающей способности этого электрона;
• межэлектронное отталкивание среди валентных (наружных) электронов.

На энергию ионизации воздействуют и менее значимые факторы, например, квантово-механическое обменное взаимодействие, зарядовая и спиновая корреляция и др.