Ну что, друзья, всем привет.
Перед тем, как мы начнём, ловите ссылки на видео и аудиоверсии подкаста! Остальных по традиции жду ниже!
Раз уж нас Звездануло обсуждать физику частиц, то пора бы и про квантовые числа поговорить. Тем более, что я обещал.
Это будет первый выпуск из двух. В нём мы обсудим более простые квантовые числа, которые присущи электронам и другим плюс-минус простым структурам. С ними, скорее всего, вы знакомы ещё со школы. А вот во втором выпуске поговорим про сложные вещи, типа цвета, истинности и так далее. Они уже присущи кваркам, адронам и глюонам всяким, о которых в школе нам наверняка не рассказывали.
Итак, есть квантовые числа, которые описывают положение частицы в привычном нам пространстве, а есть те, которые описывают внутреннее состояние частицы, какое-то её собственное вращение. Со вращения и начнём.
Помните, на химии мы все расписывали модели разных атомов? Там были квадратики, в которые мы вписывали стрелочки. Каждая стрелочка обозначала электрон. И в один квадратик можно было вписать только две стрелочки и только в разных направлениях. Это, кстати, запрет Паули, запомните.
И мы говорили про орбитали, про вращение и всё такое. Так вот. Фактически, атом похож на звёздную систему. Собственно, эта история сейчас так и называется-планетарная модель атома. В общем, спин-это, грубо говоря, суточное вращение планеты. То есть, для макроскопических объектов мы реально смотрим, в какой момент вращения система становится неотличима от исходной точки. Есть нулевой спин. Это симметричная хрень, как ни крути. Точка. Скаляр. Есть спин равный единице. В этом случае предмет, нужно повернуть на 360 градусов, чтоб он вернулся в исходное положение. Представьте себе...ну что угодно... Ну, пускай, вилку какую-нибудь. Повернули ее на 360, то есть сделали полный круг и она лежит, как лежала. Для спина равного двум повернуть нужно только на 180. Это уже какая-нибудь зубочистка обоюдоострая. Полоборота и она лежит так же, как было. Хокинг приводил в пример игральную карту с картинками. А вот с полуцелым спином интереснее. Для спина равного 1/2 система должна пройти два полных оборота. Мне нравится пример с лентой Мебиуса.
Если вы не знаете, что это такое-обязательно остановитесь и погуглите (и видосик, видосик посмотрите!). У этой ленты только одна сторона. Так вышло. Так вот, для того, чтобы на ленте Мёбиуса вернуться в исходную точку, нужно пройти два круга. Примерно так работает полуцелый спин. Если смотреть на уровень элементарных частиц - то тут момент импульса квантовой природы. А квантовый мир - это пока для нас такие дебри... (до сих пор, конечно, дебри, но у нас уже есть второй квантовый экскурс) Ладно, помните фермионы из прошлого выпуска? У них ещё спин полуцелый. А Паули, который уже успел нам что-то там запретить в этом? В общем, он сказал, что в одной системе не может быть двух и более фермионов в одинаковом квантовом состоянии. То есть, они должны отличаться. Сейчас сильно грузить вас остальными квантовыми числами не буду, просто скажу, что на одной орбитали электроны имеют одинаковые главные, магнитные и орбитальные квантовые числа. Остаётся только одно-спиновое. Значит, оно и должно быть разным. И этот запрет действует только для фермионов. Бозоны живут как хотят. То есть, вы можете на одном энергетическом уровне получить мульен фотонов, но нельзя туда впихнуть столько же электронов. Ладно. Помните, я сравнивал спин с сутками? Условно говоря, различают правый спин и левый. Правый-это вращение по направлению движения, а левый - против. Я уже говорил в подкасте, что Венера крутится в обратную от других планет сторону. Вот она в таком случае как раз имеет левый спин. А все остальные планеты-правый. И если бы наша Солнечная система была атомом - то вполне можно было бы поместить Венеру на одной орбите с другой планетой.
Отлично, вроде объяснил и запрет Паули и спин в принципе. Кстати, не видел нигде такой формулировки, но смею предположить, что полуцелый спин значит, что частица может стать частью чего-то составного, как блок Лего, а целое значение спина значит, что это самобытная частица, которую с чем-нибудь соединить уже нельзя. (UPD: Господи, Роман, ты сдулся, повторяешься же, ну)
Пошли дальше. К пространственным числам относятся главное, орбитальное и магнитное квантовые числа. N, l и m соответственно.
Начнем с главного - n. Оно показывает возможное количество энергии для частицы. В случаях с атомами, оно показывает количество уровней энергии. Из этого числа можно понять, сколько электронов может быть на этом энергетическом уровне. Формула простая. Количество электронов равно 2n^2. То есть, для атома с одним энергоуровнем - два электрона, с двумя - 8 и так далее. Если помните квадратики в школе и все эти s-p-d-f подуровни, но не понимаете, что там творится-сейчас объясню. На первом уровне может болтаться не больше двух электронов. Это атомы водорода и гелия. И там есть только один подуровень - s.
С каждым следующим уровнем добавляется подуровень. Для второго энергетического уровня появляется p-подуровень. Для третьего-к s и p добавляется d подуровень. И это все как пирамидка, то есть, предыдущие слои не меняются. в любом случае сначала заполняется одинокая клеточка первого уровня, и потом по порядку.
А чтобы понять, сколько электронов можно впихнуть в последний подуровень каждого уровня, нужно посчитать, сколько будет 4n-2. Для первого уровня получится 2, для второго-6, для третьего-10 и так далее.
Ладно, погнали дальше.
Орбитальное число L показывает, по какой траектории можно будет искать электрон. Давайте будем честными и признаемся, что на самом деле вот эти красивые орбитали, которые мы с учебников срисовывали -это не конкретная трасса для электронов, а только поле вероятности.
По факту, в любой момент измерения электрон может быть в любой точке объёма внутри этих орбиталей. Так вот, орбитальное число показывает, какую именно форму примет орбиталь. Ещё говорят про количество узловых поверхностей, но я попробую объяснить проще. Представьте себе шар. Никаких в нем перехлестов нет. Эта простейшая форма называется s-орбиталь. Если попробовать её перекрутить-получится восьмерка. Это как раз та самая одна узловая поверхность и уже другая форма- p-орбиталь.
Не шар, а эдакий снеговик из двух шаров. Скрутим ещё раз, только важно поменять плоскость. Не заморачивайтесь, просто представьте, как сделать из этой восьмёрки что-то похожее на четырёхлистный клевер. Грубо говоря, крутим восьмёрку по вертикали и получаем красивую четырёхлепестковую фиговину. Узлов уже два. Это d-орбиталь. Есть ещё f и g-орбитали. Дальше может и есть, но вроде не нужны пока.
Что там ещё у нас из простых чисел осталось? Магнитное квантовое число. M. Оно показывает, как можно вертеть наши орбитали по пространственным осям. Значения принимает от -L до L. А количество значений, то есть 2L+одно нулевое как раз показывает, сколькими способами можно расположить орбиталь в пространстве. И если говорить проще-то оно показывает, сколько квадратиков рисовать для каждой орбитали. Обычно целое, но в некоторых случаях считают не только от L, но ещё и от спина и от их суммы. Странная фигня, но иногда магнитное квантовое число может быть полуцелым.
Бывает.
Ладно, с простыми квантовыми числами разобрались.
Они работают в случае с электронами.
Но для кварков и некоторых адронов начинается веселуха. И о ней мы поговорим в другой раз. Я правда боюсь перегружать вас.
Так что отдыхайте, скоро вся эта квантовая история закончится и мы передохнём на чём-то более лайтовом.
С вами был Роман Юдаев.
Услышимся в следующем выпуске.