Формирование квантовой физики. Специфика ее законов и принципов. Формирование квантовой физики

Формирование квантовой физики. Специфика ее законов и принципов — Мегаобучалка

Квантовая механика и квантовая физика в основном сформировались в первые два десятилетия XX в. усилиями М. Планка, А. Эйнштейна, Н. Бора, Л. де Бройля, В. Гейзенберга, Э. Шрёдингера и других ученых. Динамическое, однозначное, с указанием точной траектории описание движения классической механикой отрицается здесь вероятностно-статистической картиной взаимодействий. Непрерывность обмена энергией в макромире заменяется строгой порционностью излучений в мире элементарных частиц. В квантовой физике качественно изменились представления о структуре, простоте и сложности микрочастиц, о роли приборов в их познании и т.д.

До конца XIX в. мельчайшей структурной единицей материи считались атомы химических элементов. Открытие Д.И. Менделеевым в 1869 г. периодического закона подтолкнуло ученых к выводу о существовании более мелких частиц, свойства которых обусловливают свойства атомов, в том числе и периодический закон их взаимосвязи. В 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл электрон — первую элементарную частицу. В 1932 г. после открытия нейтрона картина строения вещества казалась в общих чертах окончательно выясненной. Известных к тому времени частиц (протона, нейтрона и электрона) полностью хватало для того, чтобы объяснить строение и свойства всех веществ. Протоны и нейтроны, взаимодействуя друг с другом посредством особых ядерных сил (радиус действия 10-13 см), образуют атомные ядра, внешнюю оболочку атомов составляют электроны, притягивающиеся к ядру дальнодействующими кулоновскими силами (одно из проявлений электромагнитного взаимодействия).

Открытие нового структурного уровня строения материи и квантовых законов движения электронов заложило основы физики твердого тела. Были поняты строение металлов, диэлектриков, полупроводников, их термодинамические, электрические и магнитные свойства. Открылись пути целенаправленного поиска новых материалов с необходимыми свойствами, пути создания новых производств, новых технологий. Большие успехи были достигнуты в результате применения квантовой механики к ядерным явлениям. Квантовая механика и ядерная физика объяснили, что источником колоссальной энергии звезд являются ядерные реакции синтеза, протекающие при звездных температурах в десятки и сотни миллионов градусов.

Плодотворным оказалось применение квантовой механики к физическим полям. Была построена квантовая теория электромагнитного поля - квантовая электродинамика, объяснившая много новых явлений. Свое место в ряду элементарных частиц занял фотон - частица электромагнитного поля, не имеющая массы покоя. Синтез квантовой механики и специальной теории относительности привел к предсказанию античастиц. Оказалось, что у каждой частицы должен быть как бы свой «двойник» — другая частица с той же массой, но с противоположным электрическим или каким-либо другим зарядом. Английский физик П.А. Дирак, основатель релятивистской квантовой теории поля, предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон—позитрон и обратно. Позитрон — античастица электрона — экспериментально был открыт в 1934 г.

Замечательным подтверждением незыблемости закона сохранения энергии и предсказательной силы теоретической мысли явилось открытие нейтрино. Экспериментально было установлено, что при радиоактивном β-распаде из атомного ядра испускаются электроны (или позитроны), обладающие различной энергией. Чтобы согласовать этот факт с законом сохранения энергии, швейцарский физик-теоретик В. Паули предположил, что одновременно с электроном (или позитроном) ядро испускает еще какую-то электрически нейтральную частицу, которая и уносит недостающую часть энергии. Она и была названа «нейтрино». Эта частица вылетает из ядра вместе с позитроном, а в случае испускания электрона из ядра вылетает «антинейтрино».

Важно, что в составе атомного ядра имеются только протоны и нейтроны. В атомном ядре нет ни электронов и позитронов, ни нейтрино и антинейтрино. Эти частицы и античастицы рождаются, возникают в самом процессе превращения нейтрона в протон и обратно. Этот процесс можно сравнить с испусканием фотонов электромагнитного поля при переходе атомов из одного электронного состояния в другое.

В классической физике вплоть до второй половины XIX в. под материей обычно понималось вещество. Электродинамикой Максвелла положено основание физическому учению о поле как особой форме материи. Но вещество и поле рассматривались отделенными друг от друга. Квантовая механика впервые позволила установить связь вещества и поля. Экспериментальное открытие в 1927 г. диффракции электронов доказало, что микрочастицы вещества и поля имеют двуединую природу - одновременно и корпускулярную, дискретную, и волновую, непрерывную.

В квантовой механике корпускулярные и волновые понятия теряют свою «классическую» независимость. Движение микрообъектов лишь приближенно может трактоваться в одних случаях как движение «классических» частиц, а в других случаях как распространение «классических» волн. Поэтому при описании явлений атомного масштаба нельзя отвлекаться от тех физических условий, в которых они наблюдаются. Квантовым величинам присущ характер относительности к средствам наблюдения, что и делает их отличными от классических величин, которые безотносительны к средствам наблюдения. Понятие и термин «относительность к средствам наблюдения» ввел впервые наш соотечественник академик В.А. Фок.

Из основных положений квантовой механики вытекает «соотношение неопределенностей», установленное В. Гейзенбергом: Δр·Δq > ħ, где p — импульс частицы, q — ее координаты, ħ - постоянная Планка, Δp — неопределенность в определении импульса, Δq— неопределенность в определении координаты. При точном определении импульса Δρ = 0, a Δq = ∞, т.е. координата становится неопределенной. И наоборот.

Для объяснения соотношения неопределенностей Н. Бор выдвинул «принцип дополнительности», противопоставив его принципу причинности. При использовании прибора, позволяющего точно измерить координаты частиц, импульс может быть любым и, следовательно, причинная связь отсутствует. Применяя приборы другого класса, можно точно измерить импульс, а координаты становятся произвольными. В этом случае процесс, по Н. Бору, совершается якобы вне пространства и времени, т.е. следует говорить либо о причинности, либо о пространстве и времени, но не о том и другом вместе.

В. Гейзенберг выдвинул принцип «неконтролируемого взаимодействия» частицы с прибором. Неопределенность в значении импульса и координаты, якобы, обусловлена тем, что взаимодействие частицы и прибора может быть познано лишь до некоторого предела, за которым принципиально невозможно познать объективные процессы микромира.

Борьбу против индетерминизма в квантовой физике, против отрицания объективных причинных, закономерных связей в микромире вели П. Ланжевен, М. Лауэ, Л. де Бройль, М. Планк, А. Эйнштейн, советские физики С.И. Вавилов, В.А. Фок, Д.И. Блохинцев и другие. Они показывают, что соотношение неопределенностей свидетельствует лишь об ограниченной возможности применения понятий классической механики при описании «расплывшихся», одновременно дискретных и волновых объектов, какими являются электроны и другие микрочастицы.

Как видим, следует различать собственные положения квантовой физики и естествознания вообще (в данном случае соотношение неопределенностей) и их философско-мировоззренческие трактовки, которые могут сильно отличаться друг от друга. И только в результате тщательного анализа можно установить, какая из этих трактовок в наибольшей мере соответствует самому естествознанию, самой объективной природе.

megaobuchalka.ru

9.3. Возникновение и развитие квантовой физики

9.3.1. Гипотеза квантов

Истоки квантовой физики можно найти в исследованиях процессов излучения тел. Еще в 1809 г. П. Прево сделал вывод, что каждое тело излучает независимо от окружающей среды. Развитие спектроскопии в XIX в. привело к тому, что при изучении спектров излучения начинают обращать внимание и на спектры поглощения. При этом выясняется, что между излучением и поглощением тела существует простая связь: в спектрах поглощения отсутствуют или ослабляются те участки спектра, которые испускаются данным телом. Этот закон получил объяснение только в квантовой теории.

Г. Кирхгоф в 1860 г. сформулировал новый закон, который гласит, что для излучения одной и той же длины волны при одной и той же температуре отношение испускательной и поглощательной способностей для всех тел одинаково. Другими словами, если ЕλТ и АλТ— соответственно испускательная и поглощательная способности тела, зависящие от длины волны λ и температуры Т- то

где φ(λ, Т) — некоторая универсальная функция λ и Т, одинаковая для всех тел.

Кирхгоф ввел понятие абсолютно черного тела как тела, поглощающего все падающие на него лучи. Для такого тела, очевидно, АλТ = 1; тогда универсальная функция φ(λ, Т) равна испускательной способности абсолютно черного тела. Сам Кирхгоф не определил вид функции φ(λ, Т), а лишь отметил некоторые ее свойства.

При определении вида универсальной функции φ(λ, Т) естественно было предположить, что можно воспользоваться теоретическими соображениями, прежде всего основными законами термодинамики. Л. Больцман показал, что полная энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры. Однако задача конкретного определения вида функции Кирхгофа оказалась весьма трудной, и исследования в этом направлении, основанные на термодинамике и оптике, не привели к успеху.

Опыт давал картину, не объяснимую с точки зрения классических представлений: при термодинамическом равновесии между колеблющимися атомами вещества и электромагнитным излучением почти вся энергия сосредоточена в колеблющихся атомах и лишь ничтожная часть ее приходится на долю излучения, тогда как согласно классической теории практически вся энергия должна была бы перейти к электромагнитному полю.

В 80-е гг. XIX в. эмпирические исследования закономерностей распределения спектральных линий и изучение функции φ(λ, Т) стали более интенсивными и систематическими. Была усовершенствована экспериментальная аппаратура. Для энергии излучения абсолютно черного тела В. Вином в 1896 г., Дж. Рэлеем и Дж. Джинсом в 1900 г. были предложены две различные формулы. Как показали экспериментальные результаты, формула Вина асимптотически верна в области коротких волн и дает резкие расхождения с опытом в области длинных волн, а формула Рэлея — Джинса асимптотически верна для длинных волн, но не применима для коротких.

В 1900 г. на заседании Берлинского физического общества М. Планк предложил новую формулу для распределения энергии в спектре серного тела. Эта формула давала полное соответствие с опытом, но ее физический смысл был не вполне понятен. Дополнительный анализ показал, что она имеет смысл только в том случае, если опустить, что излучение энергии происходит не непрерывно, а пределенными порциями — квантами (ε). Более того, ε не является любой величиной, а именно, ε = hν, где h — определенная константа, a v — частота света. Это вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии или действия, дискретного, квантового характера излучения, что не укладывалось в рамки представлений классической физики.

Формулировка гипотезы квантов энергии была началом новой эры в развитии теоретической физики. С большим успехом эту гипотезу начали применять для объяснения других явлений, которые не поддаваясь описанию на основе представлений классической физики.

Существенно новым шагом в развитии квантовой гипотезы было ведение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г. Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта. В целом ряде исследований были получены подтверждения истинности этой идеи. В 1909 г. Эйнштейн, продолжая исследования законов излучения, показывает, что свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Становилось все более очевидно, что корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя объяснить с позиций классической физики. В 1912 г. А. Пуанкаре окончательно доказал несовместимость формулы Планка и классической механики. Требовались новые понятия, новые представления и новый научный язык, для того чтобы физики могли осмыслить эти необычные явления. Все это появилось позже — вместе с созданием и развитием квантовой механики.

studfiles.net

Формирование квантовой механики и физики

Квантовая механика и квантовая физика в основном сформировались в первые два десятилетия XX в. усилиями М. Планка, А. Эйнштейна, Н. Бора, Л. де Бройля, В, Гейзенберга, Э. Шрёдингера и других ученых. Динамическое, однозначное, с указанием точной траектории описание движения классической механикой отрицается здесь вероятностно-статистической картиной взаимодействий. Непрерывность обмена энергией в макромире заменяется строгой порционностыо излучений в мире элементарных частиц. В квантовой физике качественно изменились представления о структуре, простоте и сложности микрочастиц, о роли приборов в их познании и т.д.

До конца XIX в. мельчайшей структурной единицей материи считались атомы химических элементов. Открытие Д. И. Менделеевым в 1869 г. периодического закона подтолкнуло ученых к выводу о существовании более мелких частиц, свойства которых обусловливают свойства атомов, в том числе и периодический закон их взаимосвязи. В 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл электрон — первую элементарную частицу. В 1932 г. после открытия нейтрона картина строения вещества казалась в общих чертах окончательно выясненной. Известных к тому времени частиц (протона, нейтрона и электрона) полностью хватало для того, чтобы объяснить строение и свойства всех веществ. Протоны и нейтроны, взаимодействуя друг с другом посредством особых ядерных сил (радиус действия 10"13 см), образуют атомные ядра, внешнюю оболочку атомов составляют электроны, притягивающиеся к ядру дальнодействующими кулоновскими силами (одно из проявлений электромагнитного взаимодействия).

Плодотворным оказалось применение квантовой механики к физическим полям. Была построена квантовая теория электромагнитного поля — квантовая электродинамика, объяснившая много новых явлений. Свое место в ряду элементарных частиц занял фотон — частица электромагнитного поля, не имеющая массы покоя. Синтез квантовой механики и специальной теории относительности привел к предсказанию античастиц. Оказалось, что у каждой частицы должен быть как бы свой «двойник» — другая частица с той же массой, но с противоположным электрическим или каким-либо другим зарядом. Английский физик П. А. Дирак, основатель релятивистской квантовой теории поля, предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон—позитрон и обратно. Позитрон — античастица электрона — экспериментально был открыт в 1934 г.

Замечательным подтверждением незыблемости закона сохранения энергии и предсказательной силы теоретической мысли явилось открытие нейтрино. Экспериментально было установлено, что при радиоактивном р-распаде из атомного ядра испускаются электроны (или позитроны), обладающие различной энергией. Чтобы согласовать этот факт с законом сохранения энергии, швейцарский физик-теоретик В. Паули предположил, что одновременно с электроном (или позитроном) ядро испускает еще какую-то электрически нейтральную частицу, которая и уносит недостающую часть энергии. Она и была названа «нейтрино».

В классической физике вплоть до второй половины XIX в. под материей обычно понималось вещество. Электродинамикой Максвелла положено основание физическому учению о поле как особой форме материи. Но вещество и поле рассматривались отделенными друг от друга. Квантовая механика впервые позволила установить связь вещества и поля. Экспериментальное открытие в 1927 г. диффракции электронов доказало, что микрочастицы вещества и поля имеют двуединую природу — одновременно и корпускулярную, дискретную, и волновую, непрерывную.

Квантовым величинам присущ характер относительности к средствам наблюдения, что и делает их отличными от классических величин, которые безотносительны к средствам наблюдения. Понятие и термин «относительность к средствам наблюдения» ввел впервые наш соотечественник академик В. А. Фок.

Из основных положений квантовой механики вытекает «соотношение неопределенностей», установленное В. Гейзенбергом.

Борьбу против индетерминизма в квантовой физике, против отрицания объективных причинных, закономерных связей в микромире вели П. Ланжевен, М. Лауэ, Л. де Бройль, М. Планк, А. Эйнштейн, советские физики С. И. Вавилов, В. А. Фок, Д. И. Блохинцев и другие. Они показывают, что соотношение неопределенностей свидетельствует лишь об ограниченной возможности применения понятий классической механики при описании «расплывшихся», одновременно дискретных и волновых объектов, какими являются электроны и другие микрочастицы.

Следует различать собственные положения квантовой физики и естествознания вообще (в данном случае соотношение неопределенностей) и их философско-мировоззренческие трактовки, которые могут сильно отличаться друг от друга. И только в результате тщательного анализа можно установить, какая из этих трактовок в наибольшей мере соответствует самому естествознанию, самой объективной природе.

Классическое описание, основанное на законах Ньютона и электродинамике Максвелла, приближенно отражает закономерности реальных явлений, применимо при определенных ограничениях и являет частные случаи более общих законов Природы.

Современный подход к построению единой теории основывается на двух фундаментальных устоях:

• теории относительности

• квантовой механики.

Внутренняя цветовая симметрия, проявляющаяся в законах сохранения, лежит в основе динамической теории взаимодействия кварков, открытых в 1979 г.: полевая форма материи возникает только при высоких энергиях взаимодействующих частиц (теория цветовых сил).

Но и эти фундаментальные теории не дают универсальных законов. Поэтому в настоящее время формулируются только принципы подхода к установлению всеобщих законов Природы.

Анализируя роль принципов инвариантности, Ю. Вигнер использовал теорию групп и выделил ряд этапов в познании Природы:

— в хаосе замечается ряд фактических эмпирических закономерностей;

— при выделении свойств природных явлений и их анализе выводятся математические формулировки законов Природы;

— синтез законов выстраивает ряд принципов, позволяющих перейти к новым утверждениям, предсказывающим иные физические явления и процессы;

— анализируются сами принципы и границы (условия) их выполнения.

Для описания поведения микрочастиц в 20-е годы нашего столетия началась разработка квантовой теории. Впервые на такую необходимость указал В. Гейзенберг в 1927 г., когда сформулировал принцип, ограничивший возможности классического описания поведения микрочастиц.

Принцип неопределенностей (Гейзенберг)

В классической механике можно определить положение и импульс движущейся точки на ее траектории в любой последовательный момент времени, если известны силы, действующие на нее.

Микрочастица, обладая и волновыми свойствами, является как бы протяженным объектом и не может одновременно иметь определенную координату и импульс, то есть нельзя утверждать, что микрочастица занимает определенное положение, и обладает определенным импульсом. Это особенность поведения микрочастицы. Иными словами, невозможно предсказать поведение каждого атома (как состоящего из этих частиц), а можно вычислить лишь среднее значение экспериментально наблюдаемых величин.

Этот принцип является фундаментальным, определяющим границы применимости классических представлений при описании свойств микромира.

Принцип дополнительности (Бор)

Характеризует двойственность свойств Природы, противоречивость которых только кажущаяся, а неопределенность ограничена лишь возможностями измерительных приборов или методов подхода фактически эти параметры лишь дополняют друг друга. Как-то: дуализм и неопределимость параметров элементарных частиц в физике; целостность и делимость живой природы в биологии; преемственность даже отвергнутых концепций в науке и т. д.

На сегодняшний день формирование квантовой и иных универсальных теорий не завершено, поэтому укажем лишь основные, отправные ее принципы.

Принцип эквивалентности (Эйнштейна)

Поле сил инерции оказывает на все физические процессы такое же влияние, как и поле тяготения подобной структуры. Таким образом определяется равенство ускорения всех тел в одном и том же гравитационном поле, то есть эффекты тяготения и инерции до известной степени эквивалентности.

Принцип относительности (Эйнштейна)

Этот принцип справедлив и в оптике, и электродинамике, и других разделах физики и звучит так: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, равномерно прямолинейно движущейся, или законы физики имеют одинаковую форму во всех инерционных системах отсчета.Все системы отсчета были признаны равнозначными, и принцип относительности стал универсальным.

Принцип запрета (Паули)

В данном квантовом состоянии, может, находится только один электрон. Это логически вытекает из модели атома, предложенной Бором: вокруг ядра электроны находятся на кольцевых орбитах, а положение орбиты зависит от энергетического состояния электрона. На одном кольце может быть не более двух электронов с противо спинами, то есть с таким зарядовым числом они взаимодействуют с окружающим магнитным полем.

Этот принцип позволил не только обосновать периодическую систему элементов, но и объяснить насыщаемость электронных оболочек, свойства пара- и диамагнетиков, квантовую химию и др.; построить современную теорию элементарных частиц и квантовую теорию поля. А на базе квантовой механики затем создали целый ряд современных технологий.

Принцип соответствия

Электроны в атомах движутся по законам, отличным от законов классической механики и электродинамики, но в предельном случае они идентичны.

Вариационный принцип

Устанавливает связь между свойствами пространства-времени и законами сохранения.

Принцип инвариантности

Смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов.Здесь речь о переносах начала координат и начале отсчета времени.

Принцип суперпозиции

Этот принцип фиксирует независимость полей взаимодействия при их наложении.Так, если в данную точку приходят две волны одинаковой частоты, то результирующее поле равно их геометрической сумме.

Принцип положительной обратной связи

Неравномерность и неустойчивость, возникающая в открытой системе, вследствие взаимодействия системы со средой со временем не ликвидируется, а наоборот, усиливается.Это приводит, в конечном счете, к разрушению прежних симметрии и, как следствие, к возникновению новой структуры.

Принцип корреляций (Кювье)

Ни одна часть организма (системы) не может меняться без соответствующего изменения других частей.

Подтверждение основных принципов является главной задачей экспериментальных и теоретических исследований в области элементарных частиц. Порядок в их многообразии стал наводиться после открытия новых данных и новых типов симметрии, а также математического анализа на основе теории групп.

Элементарные частицы — основа мироздания, но путь от частных теорий до всеобщей еще достаточно протяжен.

Из классических теорий наиболее близки к фундаментальным описывающие законы сохранения Ньютона, Майера, Джоуля, Гельмгольца, Фарадея, Пастера.

Однако законы сохранения, к примеру электрического заряда, носят совсем иную природу, чем законы сохранения энергии, импульса или момента импульса. Так, закон сохранения энергии есть прямое следствие "однородности" времени (законы Природы не меняются со временем). Из однородности пространства (независимость законов Природы относительно переноса начала координат) следует закон сохранения импульса. Наконец, из однородности пространства (повороты системы отсчета) следует закон сохранения момента импульса.

При обобщении экспериментальных данных было установлено, что, кроме закона сохранения электрического заряда, можно ввести законы сохранения для новых квантовых чисел. В первую очередь они должны проявиться в реакциях взаимодействующих частиц.

Общие законы Природы должны описываться уравнениями, справедливыми во всех системах координат — принцип общей ковариантности, то есть эти уравнения не меняют своей формы со сменой системы координат (если даже одна движется с ускорением по отношению к другой).

Наиболее фундаментальной областью исследований является область, связанная со структурой материи и выяснения законов взаимодействия составляющих ее частиц.

biofile.ru

Формирование квантовой физики. Специфика ее законов и принципов

ТОП 10:

infopedia.su

Открытое образование - Квантовая физика

13 недель
3 зачётных единицы

Что такое физика и зачем она нужна? Некоторые люди никогда не задаются таким вопросом. Некоторые считают, что физика нужна исключительно для создания различных «девайсов», например холодильников или мобильных телефонов. И они в чем-то правы, ведь сказал же Оскар Уайльд, что «Комфорт – это единственное, что может нам дать цивилизация».

Для нас физика – это умение видеть и понимать окружающий мир, возможность творить то, о чем раньше даже и мечтать было сложно. Мы считаем, что для дальнейшего прогресса человечества необходимы ученые-физики, инженеры-физики и просто образованные люди. Мы готовы делиться нашими знаниями.

О курсе

В курсе рассматриваются постановка и результаты основных экспериментов, а также значимость некоторых фундаментальных теоретических работ, которые привели к созданию квантовой физики. Обсуждаются открытие фотоэффекта, опыты Комптона, Резерфорда, Штерна-Герлаха и других. Излагаются ключевые аспекты квантовой механики: принцип суперпозиции, принцип неопределенностей Гейзенберга; дается представление об операторном методе. Подробно рассматриваются структура энергетических уровней электрона в атоме, поведение атома во внешнем электромагнитном поле, структура периодической системы химических элементов Менделеева. Приводятся современные представления о строении ядра, ядерных реакциях и классификации элементарных частиц.

Формат

Курс рассчитан на 13 недель, из которых 11 учебных и 2 экзаменационных. Учебные недели включают лекции, физические демонстрации и семинары с разбором задач. Основные формулы и тезисы лекций представлены в виде кратких конспектов. Каждая учебная неделя содержит тест и 4 задачи для самостоятельного решения. Экзаменационная неделя включает тест и 5 задач. В конце курса у слушателя есть возможность решить дополнительную контрольную работу из трёх задач повышенной сложности с ограничением по времени.

Информационные ресурсы

Литература:

Ципенюк Ю.М. Квантовая микро- и макрофизика. М.: Физматкнига, 2006.
Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение в квантовую физику. М.: Наука, 1988.
Крылов И.П. Основы квантовой физики и строение вещества: учебное пособие. М.: МФТИ, 1989.
Белонучкин В.Е., Заикин Д.А., Ципенюк Ю.М. Основы физики. Т.II / под ред. Ю.М. Ципенюка. М.: Физматлит, 2006.
Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.5. Ч.I.Ч.II. М.: Наука, 1989.
Карлов Н.В., Кириченко Н.А. Начальные главы квантовой механики. М.: Физматлит, 2006.
Капитонов И.М. Введение в физику ядра и частиц. М.: УРСС, 2004.
Фаддеев М.А., Чупрунов Е.В. Лекции по атомной физике. М.: Физматлит, 2008.
Казаков Д.И. Хиггсовский бозон открыт: что дальше? // УФН, 2014 Т. 184. С.1004–1016

Программа курса

Лекция 1. Корпускулярные свойства электромагнитных волн. Основные экспериментальные результаты по внешнему фотоэффекту. Гипотезы Планка и Эйнштейна относительно энергии квантов света (фотонов). Уравнение Эйнштейна и объяснение фотоэффекта. Импульс фотона. Эксперимент Комптона по рассеянию рентгеновских лучей на лёгких ядрах, формула для изменения длины волны квантов при рассеянии на свободных электронах, комптоновская длина волны.

Лекция 2. Волновые свойства частиц. Соотношение неопределеннстей Гипотеза де Бройля о волновых свойствах материальных частиц – корпускулярно-волновой дуализм. Опыты Девиссона–Джермера и Томсона по дифракции электронов. Длина волны де Бройля нерелятивистской частицы. Критерий квантовости системы. Соотношения неопределенностей (координата-импульс; энергия время). Волновая функция свободной частицы (волна де Бройля). Вероятностная интерпретация волновой функции, выдвинутая Борном.

Лекция 3. Формализм квантовой механики. Потенциальные барьеры. Понятие об операторах. Операторы координаты, импульса, потенциальной и кинетической энергии системы, гамильтониан. Собственные функции и собственные значения. Уравнение Шредингера. Свойства волновой функции стационарных задач: непрерывность, конечность, однозначность, непрерывность производной. Закон сохранения вероятности, вектор плотности потока вероятности (без вывода). Рассеяние частиц на потенциальной ступеньке конечной высоты, прохождение частицы над ямами и барьерами конечной ширины – эффект Рамзауэра. Прохождение частицы через прямоугольный потенциальный барьер конечной ширины (туннельный эффект), вывод формулы для прозрачности барьера произвольной формы.

Лекция 4. Потенциальные ямы. Квазиклассическое приближение. Оциллятор. Состояния частицы в одномерной симметричной потенциальной яме. Уровни энергии одномерного гармонического осциллятора (без вывода). Оператор момента импульса. Квантование проекции момента и квадрата момента импульса. Движение в центральном поле, центробежная энергия, радиальное квантовое число, кратность вырождения. s-состояния в трёхмерной сферически симметричной яме конечной глубины, условие существования связанных состояний в такой яме.

Лекция 5. Водородоподобные атомы. Колебательные и вращательные спектры молекул. Закономерности оптических спектров атомов (комбинационный принцип Ритца), формулы серий. Модели атома Томсона и Резерфорда. Постулаты Бора, боровский радиус, энергия атома водорода. Движение в кулоновом поле. Спектр атома водорода, главное квантовое число, кратность вырождения. Качественный характер поведения радиальной и угловой частей волновой функции. Волновая функция основного состояния. Водородоподобные атомы: влияние заряда ядра (на примере иона гелия) и его массы (изотопический сдвиг), мезоатомы. Характеристическое рентгеновское излучение (закон Мозли). Вращательные спектры плоского и пространственного ротаторов (двухатомная молекула). Вращательные и колебательные уровни молекул, энергетический масштаб соответствующих возбуждений (иерархия молекулярных спектров).

Лекция 6. Магнитный момент. Спин. Тонкая и сверхтонкая структура атома водорода Магнитный орбитальный момент электронов, гиромагнитное отношение, g-фактор, магнетон Бора. Опыт Штерна—Герлаха. Гипотеза Уленбека и Гаудсмита о спине электрона, спиновый g-фактор. Опыт Эйнштейна—де Гааза. Векторная модель сложения спинового и орбитального моментов электрона, полный момент, фактор Ланде. Тонкая и сверхтонкая структура атома водорода.

Лекция 7. Тождественность частиц. Обменное взаимодействие. Сложные атомы Тождественность частиц, симметрия волновой функции относительно перестановки частиц, бозоны и фермионы, принцип Паули. Сложные атомы. Самосогласованное поле. Электронная конфигурация атома. Атомные термы, спектроскопическая запись состояния атома. Правила Хунда. Качественное объяснение возникновения обменной энергии и правил Хунда на примере возбужденного состояния 1s2s атома гелия и образования молекулы водорода.

Лекция 8. Атом в магнитном поле. Эффект Зеемана. Излучение, правила отбора. ЭПР и ЯМР Эффект Зеемана для случаев слабого и сильного магнитных полей на примере 3P–3S-переходов. Понятие спина (спиральности) фотона, полный момент и четность Классификация фотонов по полному моменту и чётности (E- и M-фотоны), отношение вероятностей излучения фотонов различной мультипольности. Вероятность дипольного излучения. Ядерный и электронный магнитный резонанс (квантовомеханическая трактовка). Строгие и нестрогие правила отбора при поглощении и испускании фотонов атомами (на примере эффекта Зеемана и ЯМР).

Лекция 9. Ядерные модели Эксперименты Резерфорда и Гейгера по рассеянию α-частиц в газах. Открытие нейтрона Чадвиком. Экспериментальная зависимость удельной энергии связи ядра от массового числа A. Свойства ядерных сил: радиус действия, глубина потенциала, насыщение ядерных сил, спиновая зависимость. Природа ядерных сил, обменный характер ядерных сил, переносчики взаимодействия. Модель жидкой заряженной капли. Формула Вайцзеккера для энергии связи ядра. Оболочечная модель и магические числа в осцилляторном потенциале. Одночастичные и коллективные возбуждённые состояния ядра.

Лекция 10. Радиоактивность. Альфа, бета, гамма Радиоактивность. Закон радиоактивного распада, константа распада, период полураспада, среднее время жизни, вековое уравнение. Альфа-распад, закон Гейгера–Нэттола и его вывод (формула Гамова). Бета-распад, энергетический спектр бета-распада, гипотеза нейтрино и его опытное обнаружение, внутренняя конверсия электронов, K-захват. Гамма-излучение, изомерия ядер. Спонтанное деление ядер, механизм формирования барьера деления — зависимость кулоновской и поверхностной энергии от деформации, параметр делимости, энергия, выделяемая при делении ядер, предел стабильности ядер относительно деления.

Лекция 11. Ядерные реакции. Оценка сечений Ядерные реакции: экзотермические и эндотермические реакции, порог реакции, сечение реакции (полное и парциальные сечения), каналы реакции, ширины каналов. Составное ядро. Нерезонансная теория — классическое сечение, поправки на волновой характер частиц, коэффициент проникновения частицы в прямоугольную яму, закон Бете (на примере проникновения частицы в прямоугольную яму). Резонансные реакции — формула Брейта–Вигнера. Деление ядер под действием нейтронов, мгновенные и запаздывающие нейтроны, цепная реакция деления. Роль запаздывающих нейтронов в работе ядерного реактора. Схема реактора на тепловых нейтронах.

Лекция 12. Фундаментальные взаимодействия и частицы. Элементарные частицы Фундаментальные взаимодействия и фундаментальные частицы (лептоны, кварки и переносчики взаимодействий). Законы сохранения и внутренние квантовые числа. Кварковая структура адронов — мезоны, барионы и резонансы. Квантовая хромодинамика, асимптотическая свобода. Гипотеза конфайнмента кварков и глюонов, кварковый потенциал. Оценка адронных сечений при высоких энергиях на основе кварковой структуры. Открытие W- и Z- бозонов, t-кварка. Несохранение чётности при бета-распаде, опыт Ву.

Лекция 13. Законы излучения АЧТ Подсчет числа состояний поля в заданном объеме; фазовый объём, приходящийся на одно квантовое состояние, плотность состояний. Формула Рэлея—Джинса и ультрафиолетовая катастрофа, формула Вина. Распределение Планка. Закон смещения Вина. Равновесное излучение, как идеальный газ фотонов. Законы Кирхгофа и Стефана–Больцмана. Лекция

14. Спонтанное и вынужденное излучение. Двухуровневая квантовая система в поле равновесного излучения, принцип детального равновесия, спонтанные и индуцированные переходы, соотношения Эйнштейна и его вывод распределения Планка. Прохождение излучения через среду, условие усиления (инверсная заселённость уровней). Принцип работы лазера и его устройство.

openedu.ru

9.3. Возникновение и развитие квантовой физики

9.3.1. Гипотеза квантов

где φ(λ, Т) — некоторая универсальная функция λ и Т, одинаковая для всех тел.

studfiles.net

48. Формирование квантовой физики. Концепции современного естествознания. Шпаргалки

48. Формирование квантовой физики

В основе квантовой физики лежат идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме. Квантованными называются физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, а выражение таких величин через квантовые числа называется квантованием . Идея квантования относится к концу XIX – началу XX вв. и связана с рядом открытий в физике и получением ряда экспериментальных данных. Большое значение для появления и развития квантовой физики имело открытие электрона, который обладал сверхмалым отрицательным зарядом. Для выражения заряда электрона пришлось применить способ, названный квантованием. Математическое выражение силы заряда через квантование для электрона выглядит как q = ±n · e.

Толчком для развития квантовых представлений о мире явились и противоречия в существующей электромагнитной теории, которые привели к испугавшим научный мир расчетам и разговорам об ультрафиолетовой катастрофе. Суть сводилась к тому, что рассчитанная энергия теплового излучения на всех частотах равнялась бесконечности, а такого не могло быть, исходя из закона сохранения энергии, и говорило неверной теории либо близкой космической катастрофе.

Планк предложил новую теорию, предполагавшую, что электромагнитное излучение испускается отдельными порциями (квантами), величина которых пропорциональна частоте излучения, поэтому энергия может принимать лишь дискретные значения, равные целому числу квантов энергии. В рамках этой теории закон сохранения энергии соблюдался, а сама гипотеза Планка легла в основу квантовой физики.

Экспериментально квантовую теорию подтверждало явление фотоэффекта (выбивание электронов из вещества под действием света), для которого были выявлены следующие закономерности: независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света и зависимость от частоты световой волны; наличие для каждого вещества минимальной частоты, при которой фотоэффект возможен («красной» границы фотоэффекта). Объяснить их электромагнитной теорией было невозможно. Эйнштейн предположил, что свет представляет собой поток световых частиц – квантов, которые позже были названы фотонами. Таким образом, в основе света лежит как волновая, так и корпускулярная природа.

librolife.ru