Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №2
Шрифт:
– Для состояний с различными l принята система буквенных обозначений:
l = 0 1 2 3 4 … s р d f g…
– m — магнитное квантовое число, характеризующее проекцию орбитального момента количества движения электрона на выбранную ось, причем m = -1, -1+1, -1+2…, 1–1, 1.
При заданных числах n, 1, и m среднее распределение электронного заряда задается формой электронного облака. На рисунке показана зависимость распределения от углов электронной плотности в электронном облаке атома водорода для состояний с l = 3 (f —
Источники:
Энциклопедия «Физика микромира», М., 1980, статья "Атом".
S.Brandt, H.D.Dahmen «Mechanika kwantowa w obrazach», Warszawa, 1989, стр.151, 209–211.
ВОПРОС № 33: Меня интересует вопрос: распределение электронов вокруг ядра и как определяются траектории электронов?
ОТВЕТ: Вся трудность в описании электронов в атоме состоит в том, что для них не существует понятия траектории. Было бы совершенно неправильно представлять себе, что электроны крутятся вокруг ядра по каким-то определенным траекториям. Гораздо точнее представлять себе, что электрон в атоме — это специфическое возбуждение «электронной материи», которое может устойчиво существовать в поле ядра. Аналог из повседневной жизни — колеблющаяся струна, в ней тоже живет вполне определенное колебание. Поскольку трехмерное пространство гораздо «богаче» одномерной струны, неудивительно, что типов электронных конфигураций в атоме намного больше. Что касается распределений электронов в поле ядра, то они получается из решения уравнений для электронов и их явный вид можно найти в любой серьезной книге по квантовой механике.
Иванов И.П.
• ВОПРОС № 34: Почему человек не падает с велосипеда?
ОТВЕТ: Начнем с того, что обыкновенное колесо катится само по себе достаточно устойчиво: при наклоне в какую-либо сторону оно не падает под действием силы тяжести, а поворачивает в сторону наклона и едет по дуге. Этот эффект называется гироскопическим.
Подробнее в книге: Кл. Э.Суорц «Необыкновенная физика обыкновенных явлений», том 1, М., Наука, 1986, глава 8.
Существует много гипотез, объясняющих устойчивость движения системы гонщик-велосипед. Остановимся на некоторых из них.
Гипотеза 1. Гипотеза предполагает обеспечение устойчивости движения только за счет принудительного перемещения центра масс системы путем изменения положения тела гонщика относительно точек опоры колес. Типичными примерами, подтверждающими эту гипотезу, служат езда на велосипеде, с заклиненной рулевой колонкой или цирковой трюк езды на велосипеде по жесткому прямолинейному профилю под куполом цирка с применением поперечно-расположенного шеста, гантелей и других массивных вспомогательных средств.
Наиболее достоверно подтверждают данную гипотезу приемы обеспечения устойчивости при движении велосипеда в узкой колее разбитой дороги или при попадании колес велосипеда во время гонки в желоб трамвайного рельса. При этом система выходит из равновесия и отклоняется от вертикальной плоскости. Для возвращения системы в равновесие и обеспечения устойчивости движения гонщик выполняет маневр, состоящий в том, что он преднамеренно отталкивается от велосипеда в сторону, противоположную первоначальному отклонению, перенося центр масс в плоскость, в которой расположена точка опоры.
Гипотеза 2. Эта гипотеза предлагает обратное действие, т. е. изменение положения
Аналогов подобного действия в практике повседневной жизни встречается немало. Например, для обеспечения устойчивости карандаша, вертикально стоящего на кончике пальца, достаточно сместить точку его опоры. Обеспечение устойчивости такого вертикально стоящего стержня является полной аналогией сюрпляса, когда за счет разворота переднего колеса гонщику удается находить для него такое положение на полотне трека, что центр масс системы остается в вертикальной плоскости, проходящей через точки контакта переднего и заднего колес с поверхностью трека.
Гипотеза 3. Эта гипотеза связана с особенностью конструктивного решения узла передней вилки велосипеда и диаметром переднего колеса. Практические испытания различных конструкций показали, что из всего их многообразия можно выделить такие решения, которые определяют устойчивость направленного движения системы гонщик-велосипед. Принципиально важным для конструкции рамы велосипеда является угол наклона оси рулевой колонки и изгиб передней вилки.
Устойчивость системы достигается почти во всех случаях, за исключением тех, когда совпадают точка пересечения оси рулевой колонки с поверхностью дороги (точка А) и точка пересечения плоскости дороги и вертикали, проходящей через ось переднего колеса (точка В), или точка В находится спереди точки А по направлению езды велосипеда.
Езда без рук на таком велосипеде невозможна, а нормальная управляемая рулем езда крайне затруднительна. Минимальное внешнее воздействие выводит систему из равновесия, и быстро нарастающий дестабилизирующий момент приводит к падению.
Гипотеза 4. Устойчивость системы обеспечивается гироскопическим эффектом. Первое правило при обучении езде на велосипеде гласит: поддерживай скорость движения и поворачивай руль в сторону падения. Этот эффект наблюдается при езде на велосипеде, когда руки убраны с руля, особенно это становится очевидным при спуске по извилистой дороге, когда для входа в очередной вираж достаточно наклонить корпус в сторону центра кривизны виража — и велосипед будет двигаться по криволинейной траектории, соответствующей скорости движения и наклону велосипеда.
Обобщая, можно сказать, что если под понятием «устойчивость движения» иметь в виду способность системы гонщик-велосипед сохранять заданную форму движения, то рассматриваемая система неустойчива в статике, а ее абсолютно прямолинейное движение невозможно. Траектории движения точек опоры (точек контакта колес с поверхностью дороги) колеблются относительно некоторой прямой линии, выбранной в качестве основного направления движения системы. Хорошо подтверждают это положение безуспешные попытки езды с заклиненной рулевой колонкой, хотя, казалось бы, именно при заклиненной колонке велосипед должен двигаться прямолинейно.
Источник: В.П.Любовицкий «Гоночные велосипеды», Л., Машиностроение, 1989, глава 8.
• ВОПРОС № 35: Что такое принцип неопределенности?
ОТВЕТ: В отличие от классической механики, где состояние частицы (или материальной точки) задается его положением х и импульсом р, квантовая механика описывает частицу с помощью, так называемой волновой функции (х). Нельзя сказать, что частица находится в такой-то точке х, она находится как бы везде, где не равна нулю волновая функция ?(х). Там, где ?(х) больше, там больше и вероятность обнаружить частицу. Скорость же частицы связана со скоростью изменения ?(х) в пространстве. Типичная волновая функция частицы ?(х) показана на рисунке справа: частица находится в центре, ее импульс обратно пропорционален длине волны ?,