Jakiekolwiek własności fizyczne danej cząstki elementarnej nie są jej immanentnymi ,wewnętrznymi własnościami, lecz wynikają z oddziaływania z innymi w danym, konkretnym układzie fizycznym.
Elektron swobodny, w układach makroskopowych, zachowuje się inaczej niż wtedy, gdy znajduje się w przestrzeni mikro ,w której występuje potencjał pola zadany np. funkcją
V(r) = - a/r
Pierwszy przypadek, mamy w synchrofazotronach czyli akceleratorach naładowanych cząstek, gdzie występuje efekt tzw. promieniowania synchrotronowego.
Ładunek elektryczny[np. elektron] rotujący w polu magnetycznym jednorodnym pod wpływem siły Lorentza ,jest w układzie nieinercjalnym [czyli posiada przyspieszenie] i emituje promieniowanie elektromagnetyczne zwane promieniowaniem synchrotronowym.
Widmo tego promieniowania jest widmem ciągłym- zbiór emitowanych częstotliwości jest zbiorem ciągłym. W związku z czym kwantowa natura tego promieniowania występuje tylko w aktach absorpcji tego promieniowania przez substancje.
Promieniowanie synchrotronowe jest skutkiem zachowania się klasycznego, relatywistycznego elektronu.
Pełna teoria tego efektu jest klasyczna, nie kwantowa , relatywistycznie –w sensie lorentzowskim- niezmiennicza i można ją znaleźc w każdym podręczniku elektrodynamiki klasycznej[polecam pozycje 1,2].
I nie ma racji pewien bloger, pisząc o elektronie rotującym w synchrotronie:
“, a on jak głupi drgając oscylacyjnie, wysyła "pociski" energii w postaci fotonów i to zupełnie tak samo jak w warunkach naturalnych w atomie!”
Utrata energii pola ExB przez elektron w synchrotronie, nie odbywa się kwantowo, lecz w sposób ciągły.
Jest to efekt czysto relatywistyczny, lecz nie kwantowy.
Czyli jego mechanizm nie jest identyczny z aktami emisji promieniowania elektromagnetycznego przez układ fizyczny zwany atomem.
Bowiem absolutnie inna sytuacja fizyczna powstaje ,gdy elektron jest układzie fizycznym zwanym atomem jakiegoś pierwiastka.
Atom, jest jamą potencjału elektrycznego jądra o szerokości rzędu 10E(-10) [m],zmieniającym się według funkcji [w przybliżeniu]:
V( r) = -a/r
Gdzie a – wartośc stała.
W takiej mikroprzestrzeni decydująca rolę w zachowaniu się elektronu ,odgrywają fale de Brogliea [fale prawdopodobieństwa] związane z elektronem i podlegające równaniu falowemu Schroedingera.
Fale elektronowe “psi” doznają odbicia od ścian” jamy potencjału jądra i interferując ze sobą, tworzą fale stojące “psi”.
Fale elektronowe w atomie są więc falami stojącymi, podobnie jak fale mechaniczne powstające na strunie umocowanej na swych dwóch końcach.
Pisałem o tym bardziej szczegółowo w tekście:
W atomie , elektrony nie krążą wokół jądra niby planety wokół Słońca, nie są kulkami, które wirują wokół osi własnej niby małe bączki, atom oscyluje falami prawdopodobieństwa. Dokładnie pisząc: oscyluje faza fali “psi”
Ponieważ falo-cząstka, jaką jest elektron, tworzy w atomie fale stojące, stąd wynika zjawisko:
Skwantowania wszystkich własności elektronu w atomie.
Kwantowanie nie jest pomysłem “ad hoc” , nie ma charakteru “zakazów” lub “ postulatów” ,lecz wynika logicznie i matematycznie ze struktury fali stojącej “psi” elektronu w jamie potencjału jądra.
To niezmiernie doniosłe odkrycie nie było dokonaniem Nielsa Bohra, ani Ernesta Rutherforda ,lecz dziełem Luisa de Broglie oraz Erwina Schroedingera [mechanika falowa] i prawie równolegle Wernera Heisenberga [macierzowa mechanika kwantowa].
Analizy matematyczne rozwiązań równania falowego Schroedingera dla elektronu ,gdy jego hamilitonian jest
H = E(k) - V( r)
można znaleźc w każdym podręczniku mechaniki kwantowej [polecam pozycję 3].
Wnioski z tych analiz w elementarnym ujęciu.
1.W atomie ,elektron przebywa tylko w takich odległościach od jądra ,które spełniają zależnośc :
r(1) : r(2) : r(3) :.... = 1^2 : 2^2 : 3^2 :....
Tym samym w atomie elektrony znajdują się na dozwolonych poziomach energetycznych ,których odległości od jądra spełniają powyższy związek matematyczny.
Elektron przebywający na danym ,dozwolonym poziomie posiada określoną stałą energię i określony stały moment pędu [orbitalnego].
Te dwie wielkości są również skwantowane, jako skutek falowej natury elektronu.
2. Energia elektronu w atomie spełnia warunek:
E(1) : E(2) : E(3) : ....= 1/1^2 : ½^2 : 1/3^2 : ...
Czyli tworzy widmo nie ciągłe, lecz liniowe, skwantowane
3.Zaś orbitalny moment pędu:
L(1) : L(2) : L(3) :...= 1 : 2 : 3 : ...
Czyli jest też skwantowany.
Ponieważ elektron przebywający na dozwolonym poziomie energetycznym, ma określone i stałe wartości wielkości takich jak energia i moment pędu , więc atom jako układ emituje [lub absorbuje] promieniowanie jedynie, przy przejściach elektronu z jednego poziomu dozwolonego, na inny- również dozwolony.
Promieniowanie to, ma jednak charakter nieciągły, kwantowy pod postacią jednego kwantu o energii równej różnicy energii zmienianych poziomów energetycznych.
E(kwantu) = A[1/n^2 - 1/k^2]
Gdzie
- stała fizyczna.
****************************************************************
Uwaga.
Przymiotnik “określony/a “ trzeba traktowac zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga ,czyli zawsze istnieje niepewnośc w wyznaczeniu danej własności kwantowej elektronu. Mamy do czynienia z swoistym “rozmyciem” wartości położenia, energii, oraz pędu [momentu pędu] elektronu w atomie.
***************************************************************
Wobec powyższego, kto snuje analogie pomiędzy emisją promieniowania synchrotronowego przez rotujący elektron w makroskopowym układzie fizycznym, a emisją promieniowania przez elektron w mikro-jamie potencjału elektrycznego, ten nie tylko ignoruje stwierdzone doświadczalnie fakty zaprzeczające tej analogii ,ale świadomie usiłuje zlikwidowac radykalną odmiennośc fizyki kwantowej od fizyki klasycznej.
Elektron w atomie, to nie rotujący elektron wokół jądra .
Model Rutherforda-Bohra dla atomu wodoru wyznaczał przybliżone wartości odległości poziomów dozwolonych], lecz stojąca fala prawdopodobieństwa ,spełniająca równanie Schroedingera ,którego rozwiązania szczegółowe są zależne od czterech liczb kwantowych elektronu: głównej, orbitalnej, magnetycznej i spinowej ,pozwala wyznaczyc odległości poziomów dozwolonych w atomach dowolnych pierwiastków z dokładnością rzędu 10E(-7) !
Gdyby elektron znajdujący się w atomie pierwiastka, emitował promieniowanie w analogii do efektu synchrotronowego w akceleratorach określonego typu, to każdy atom byłby układem zanikającym w krótkim czasie [spadek elektronu na jądro, na skutek malejącej energii w aktach emisji promieniowania ExB].
Tymczasem elektron w atomie ma inne własności od elektronu swobodnego w układach makroskopowych i dzięki temu klawiatura -z której w tej chwili korzystam realizując tę notatkę- nie znika ,gdyż atomy - które ją tworzą jako składniki - są bardzo trwałymi układami i tracą energię tylko przy przejściach elektronów z pewnych poziomów [orbit] na inne, a nie podczas przebywania elektronu na danym poziomie.
Wspomniany na początku bloger z niepokojem pytał się:
“Nikt tego elektronu o zmianie środowiska nie informował, skąd elektron to wie”?
Pytanie głęboko filozoficzne.
Fizyka wieku XX –tego sugeruje niedwuznacznie, że własności cząstek elementarnych są wynikiem historii tych cząstek, oraz ich relacji z “tłem”, czyli z środowiskiem zewnętrznym .
Elektron w atomie ma inne własności, od tych jakie objawia w synchrotronie, przy czym nie musi o tym “wiedziec”.
Wie za niego fizyka klasyczna [elektrodynamika Maxwella], i to dostatecznie poprawnie, gdyż wiadomo ,że zbudowane według jej praw synchrotrony działają, oraz mechanika kwantowa [QM] która wyjaśnia, że nie ma już żadnych tajemnic w widmach promieniowań atomów , przed jakimi stanęła fizyka klasyczna, gdy skromny nauczyciel fizyki gimnazjalnej Balmer odkrył zagadkowy wzór.
Literatura
[1]J.D.Jackson,Elektrodynamika klasyczna,PWN,Warszawa,1981
[2] David J. Griffiths, Podstawy elektrodynamiki, PWN, Warszawa, 2005
[3] E.H.Wichmann,Fizyka kwantowa,PWN,Warszawa,1998,s.339-358
