ГЛАВА 5. ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ СРЕД

В основе макроскопической электродинамики Максвелла, как мы убедились в предыдущих главах, лежит описание электромагнитных процессов в средах, свойства которых задаются феноменологически с помощью соотношений

рассматриваемых как результат обобщения данных макроскопических опытов. Однако в конце XIX в., когда с открытием электрона стало ясно, что в состав атомов входят заряженные частицы, заряд которых кратен заряду электрона, возникла задача «объяснения» макроскопических параметров типа а на основе моделирования атомной структуры. С исчерпывающей полнотой эта задача была поставлена и в основном решена замечательным голландским физиком Г. А. Лоренцем (1853—1928).

§ 56. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ ЛОРЕНЦА

В главном своем труде «Теория электронов», говоря о недостаточности описания вещества с помощью коэффициентов Лоренц писал: «Если мы хотим понять, каким образом электрические и магнитные свойства зависят от температуры, плотности, химического строения или кристаллического состояния вещества, то мы не можем удовлетвориться простым введением для каждого вещества этих коэффициентов, значения которых должны определяться из опыта; мы будем принуждены обратиться к какой-нибудь гипотезе относительно механизма, лежащего в основе всех этих явлений».

С точки зрения Лоренца, фундаментальная роль в этом механизме должна отводиться «электронам», под которыми он понимал все заряженные частицы, входящие в состав атомов, т. е. отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ядра атомов. Для построения «электронной теории» в соответствии с намеченной программой Лоренц сформулировал в 1888 г. следующие исходные гипотезы:

1. Все вещество состоит из положительно и отрицательно заряженных электронов. Никаких других материальных объектов, кроме электронов, не существует.

2. Электроны находятся в электромагнитном эфире, состояние которого описывается электромагнитным полем, подчиняющимся уравнениям Максвелла в вакууме.

3. Электрон можно представить себе в виде заряда, распределенного с некоторой плотностью в очень малом объеме.

4. Движение электронов определяется действующей на них электромагнитной силой плотностью

5. Макроскопические поля суть средние по времени и пространству от микроскопических полей.

6. Эфир неподвижен в определенной инерциальной системе отсчета.

Не все из этих постулатов могут быть оправданы с современной точки зрения. Прежде всего следует отметить, что для описания структуры атомов уже нельзя использовать законы классической механики, их место должны занять новые закономерности — квантовые. В частности, помимо заряда необходимо учитывать и такие характеристики микрочастиц, как спин, магнитный момент и т. д. В основном квантовые эффекты проявляются при описании взаимодействия микрочастиц: наряду с известными электромагнитными силами существуют еще обменные силы, спин-орбитальные, спин-спиновые и др. Наконец, совершенно излишней является гипотеза Лоренца о неподвижном электромагнитном эфире, анализ которой дан в части курса, посвященной теории относительности.

Будучи ограниченными классическим описанием материи, мы не в силах исправить все недостатки схемы Лоренца, но для получения основных следствий электронной теории вполне достаточно следующих исходных постулатов:

1. Вещество имеет атомистическую структуру. Его электромагнитные свойства обусловлены легкими отрицательно заряженными электронами с зарядом и тяжелыми положительно заряженными ядрами с зарядами, кратными заряду электрона.

2. Эти элементарные заряды являются источниками микроскопического электромагнитного поля, которое вне зарядов подчиняется уравнениям Максвелла — Лоренца, т. е. уравнениям Максвелла в пустоте.

3. Модели атомов, молекул и самих электронов нельзя построить без допущения сил неэлектромагнитного происхождения, структура которых должна разумно постулироваться.

4. Макроскопические поля суть средние по пространству и времени от соответствующих микроскопических полей и

5. Наконец, забегая несколько вперед, следует потребовать, чтобы уравнения Максвелла — Лоренца для полей и

уравнения движения зарядов были ковариантны по отношению к преобразованиям Лоренца. В связи с этим введение неподвижного электромагнитного эфира оказывается излишним.