Фейнмановские лекции по физике. 8. Квантовая механика I

Ответ складывается из двух эффектов: во-первых, из прин­ципа запрета; во-вторых, из того факта, что ядерные силы до­вольно чувствительны к направлению спина. Силы, действую­щие между нейтроном и протоном,—это силы притяжения; они чуть больше, когда спины параллельны, и чуть меньше, когда они направлены противоположно. Оказывается, что раз­личие между этими силами достаточно велико, чтобы дейтрон возникал лишь в том случае, когда спины нейтрона и протона параллельны, а когда спины противоположны, то притяжения не хватает на то, чтобы связать частицы воедино. Поскольку спины нейтрона и протона каждый равен ¹/₂и направлены они в одну сторону, то спин дейтрона равен единице. Мы знаем, однако, что двум протонам не разрешается сидеть друг на друге, если их спины параллельны. Если бы не было принципа запрета, два протона были бы связаны. Но раз они не могут существовать в одном месте и с одним и тем же направлением спина, ядра Не² не существует. Протоны с противоположными спинами могли бы сойтись, но тогда им не хватило бы энергии связи для обра­зования стабильного ядра, потому что ядерные силы при про­тивоположных спинах чересчур слабы, чтобы связать пару нуклонов. В том, что силы притяжения между нейтронами и протонами с противоположными спинами существуют, можно убедиться из опытов по рассеянию. Сходные же опыты по рас­сеянию двух протонов с параллельными спинами показывают, что и между ними существует притяжение. Итак, принцип запрета помогает нам понять, почему дейтерий может сущест­вовать, а Не² нет.

* Перестановка dS ₁ и dS ₂ в (2.11) приводит к другому событию, так что оба элемента поверхности обязаны пройтись по всей площади счет­чика. В (2.13) мы рассматриваем dS ₁ и dS ₂ как пару и включаем все, что может случиться. Если интегралы опять включают все, что случится, когда dS ₁ и dS ₂ поменяются местами, то все считается дважды.

Глава 3 СПИН ЕДИНИЦА

§ 1.Фильтровка ато­мов при помощи прибора Штерна — Герлаха

§ 2.Опыты с про­фильтрованными атомами

§ 3. Последовательно соединенные фильтры Штер­на — Герлаха

§ 4. Базисные состоя­ния

§ 5. Интерферирую­щие амплитуды

§ 6. Механика кван­товой механики

§ 7. Преобразование к другому базису

§ 8. Другие случаи

Повторить: гл. 35 (вып. 7) «Пара­магнетизм и маг­нитный резонанс»

§ 1. Фильтровка атомов при помощи прибора Штерна — Герлаха

В этой главе мы начнем изучать квантовую механику по-настоящему — в том смысле, что мы собираемся теперь описывать квантовомеханическое явление полностью с квантовомеханической точки зрения. Мы не будем искать объяснений в классической механике или пы­таться установить с ней связь. Мы хотим гово­рить на новом языке о чем-то новом. Частный случай, с которого мы начнем, это поведение квантованного момента количества движения для частицы со спином 1. Но мы не хотим упот­реблять такие слова, как «момент количества движения» или другие понятия классической механики, мы несколько отложим их обсужде­ние. Мы избрали этот частный случай лишь потому, что он достаточно прост, хотя и не самый простой из всех. Он достаточно сложен для то­го, чтобы служить образцом, который можно будет обобщить для описания всех квантовомеханических явлений. Стало быть, хотя мы будем иметь дело лишь с частным примером, все законы, которые мы упомянем, могут быть немедленно обобщены; мы так и сделаем, чтобы вам стали ясны общие черты квантовомеханического описания.

Начнем с явления расщепления пучка ато­мов на три отдельных пучка в опыте Штерна — Герлаха. Вы помните, что если имеется неод­нородное магнитное поле, созданное магнитом с острым полюсным наконечником, и если через прибор пропустить пучок частиц, то этот пучок может расщепиться на несколько пучков; их количество зависит от сорта атома и его состояния. Мы разберем случай, когда атом расщепляется на три пучка; такую частицу мы будем называть частицей со спином 1. Вы сможете потом сами разобрать случай пяти пучков, семи пучков, двух и т. д. Вам придется попросту все скопировать, но там, где у нас были три члена, у вас окажется пять, семь, два и т. д. Представьте себе прибор, схематически начерченный на фиг. 3.1.

Фиг. 3.1. В опыте Штерна—Герлаха атомы со спином 1 расщеп­ляются на три пучка.

Пучок атомов (или любых частиц) коллимирован (ограни­чен) какими-то прорезями и проходит сквозь неоднородное поле. Пусть пучок движется по оси y, а магнитное поле и его градиент направлены по оси z. Тогда, глядя со стороны, мы увидим, как пучок расщепляется по вертикали на три пучка. На выходном конце магнит можно поставить Небольшие счетчики, подсчи­тывающие скорость появления частиц в том или ином из трех пучков. Или можно перекрыть два пучка и пропускать только третий.

Предположим, что мы перекрыли два нижних пучка, а са­мый верхний пропустили, введя его во второй прибор Штерна — Герлаха такого же типа (фиг. 3.2).

Фиг. 3.2. Атомы одного из пучков посланы в другой такой же прибор.

Что произойдет? Во втором приборе уже не будет трех пучков; там останется только верх­ний пучок (мы предполагаем, что угол отклонения очень мал). Если считать второй прибор простым продолжением первого, то те атомы, которые в первый раз отклонялись вверх, продолжают отклоняться вверх и вторым магнитом.

Вы видите, что первый прибор создал пучок «очищенных» объектов — атомов, которые отклонились вверх в некотором неоднородном поле. Те атомы, которые входят в первоначаль­ный прибор Штерна — Герлаха, суть атомы трех «разновидно­стей», или три copтa выбирают разные траектории. Отфильтро­вывая одну-единственную разновидность, можно создать такой пучок, будущее поведение которого в приборе того же типа вполне определено и предсказуемо. Такой пучок мы назовем отфильтрованным, или поляризованным, в этом пучке все ато­мы находятся в определенном состоянии.

В дальнейшем будет удобнее рассматривать слегка видоизме­ненный прибор Штерна — Герлаха. На первый взгляд он вы­глядит сложнее, но на самом деле упрощает все рассуждения. Впрочем, раз мы будем делать только «мысленные эксперимен­ты», усложнение оборудования не будет стоить нам ни гроша, (Заметим, кстати, что никто никогда всех этих экспериментов точно таким образом не ставил, а мы тем не менее знаем, что в них произойдет. Мы это знаем из законов квантовой механики, которые, конечно, основаны на других сходных экспериментах. Эти другие эксперименты вначале труднее понять, и мы пред­почитаем описывать какие-то идеализированные, но мыслимые эксперименты.)

На фиг. 3.3, «изображен чертеж «усовершенствованного при­бора Штерна — Герлаха», которым мы и будем пользоваться.

Фиг. 3.3. Воображаемое видоизменение прибора Штерна — Герлаха (а) и пути атомов со спином 1 (б)

Он состоит из последовательности трех магнитов с сильным градиентом ноля. Первый (левый) — это обычный магнит Штерна — Герлаха. Он разделяет падающий пучок частиц со спином 1 на три отдельных пучка. Второй магнит имеет то же сечение, что и первый, но он вдвое длиннее и полярность его магнитного поля противоположна полю в первом магните. Второй магнит отталкивает атомные магнитики в обратную сторону и искривляет их пути снова к оси, как показано на траекториях, начерченных на фиг. 3.3, б. Третий магнит в точ­ности похож на первый; он сводит три пучка снова в одно место и выпускает их через выходное отверстие вдоль оси. Наконец, надо представить себе, что перед отверстием в А имеется какой-то механизм, который разгоняет атомы из состояния покоя, а после выходного отверстия в В имеется замедляющий меха­низм, который опять приводит атомы в В в состояние покоя. Это несущественно, но это все же будет означать, что в нашем анализе нам не придется заботиться об учете каких-либо эффектов движения, когда атомы выходят, и можно будет сосредоточиться на тех вопросах, которые связаны только со спином.

Все назначение «усовершенствованного» прибора в том и состоит, чтобы свести все частицы в одно и то же место, где они имели бы нулевую скорость.

Если мы хотим теперь провести опыт наподобие показанного на фиг. 3.2, то для начала нужно будет получить отфильтрован­ный пучок, вставив внутрь прибора пластинку, которая заго­родит два пучка (фиг. 3.4).

Фиг. 3.4. «Усовершенствованный» прибор Штерна—Герлаха в качестве фильтра.