2 Основы квантовой физики. Основы квантовой физики
3.3. Основные идеи и принципы квантовой физики
В 1900 г. немецкий физик М. Планк своими исследованиями продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями – квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Теория М. Планка не нуждалась в концепции эфира и преодолевала противоречия и трудности электродинамики Дж. Максвелла (2.3). Эксперименты М. Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Понятно, что такой вывод был несовместим с представлениями классической физики. Теория М. Планка положила начало новой квантовой физике, которая описывает процессы, протекающие в микромире.
Опираясь на идеи М. Планка, А. Эйнштейн предложил фотонную теорию света, согласно которой свет есть поток движущихся квантов. Квантовая теория света (или фотонная теория) рассматривает свет как волну с прерывистой структурой. Свет есть поток неделимых световых квантов – фотонов. Гипотеза А. Эйнштейна позволила объяснить явление фотоэффекта – выбивания электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Стало ясно, что электрон выбивается фотоном лишь в том случае, если энергия фотона достаточна для преодоления силы взаимодействия электронов с атомным ядром. В 1922 г. за создание квантовой теории света А. Эйнштейн получил Нобелевскую премию.
Объяснение фотоэффекта опиралось, помимо квантовой гипотезы М. Планка, также на новые представления о строении атома. В 1911 г. английский физик Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома. Эта модель представляла атом как положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Возникающая при движении электронов по орбитам сила уравновешивается притяжением между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Общий заряд атома равен нулю, поскольку заряды ядра и электронов равны друг другу. Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, а масса электронов ничтожно мала. С помощью планетарной модели атома было объяснено явление отклонения альфа-частиц при прохождении через атом. Поскольку размеры атома велики по сравнению с размерами электронов и ядра, постольку альфа-частица без препятствий проходит через него. Отклонение наблюдается тогда, когда альфа-частица проходит близко от ядра, в этом случае электрическое отталкивание вызывает ее резкое отклонение от первоначального пути.
В 1913 г. датский физик Н. Бор предложил более совершенную модель атома, дополнив идеи Э. Резерфорда новыми гипотезами. Постулаты Н. Бора звучали следующим образом.
1. Постулат стационарных состояний. Электрон совершает в атоме устойчивые орбитальные движения по стационарным орбитам, не испуская и не поглощая энергии.
2. Правило частот. Электрон способен переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом испуская или поглощая энергию. Поскольку энергии орбит дискретны и постоянны, то при переходе с одной из них на другую всегда испускается или поглощается определенная порция энергии.
Первый постулат позволил ответить на вопрос: почему электроны при движении по круговым орбитам вокруг ядра не падают на него, т. е. почему атом остается устойчивым образованием? Второй постулат объяснил прерывность спектра излучения электрона. Квантовые постулаты Н. Бора означали отказ от классических физических представлений, которые до этого времени считались абсолютно истинными.
Теория Н. Бора, несмотря на быстрое признание, все же не давала ответов на многие вопросы. В частности, ученым не удавалось точно описать многоэлектронные атомы. Выяснилось, что это связано с волновой природой электронов, представлять которые в виде твердых частиц, движущихся по определенным орбитам, ошибочно. В действительности состояния электрона могут меняться. Н. Бор предположил, что микрочастицы не являются ни волной, ни корпускулой. При одном типе измерительных приборов они ведут себя как непрерывное поле, при другом – как дискретные материальные частицы. Выяснилось, что представление о точных орбитах движения электронов также ошибочно. Вследствие своей волновой природы электроны скорее «размазаны» по атому, причем весьма неравномерно. В определенных точках плотность их заряда достигает максимума. Кривая, связывающая точки максимальной плотности заряда электрона, и представляет собой его «орбиту».
В 1920-1930-е гг. В. Гейзенберг и Л. де Бройль заложили основы новой теории – квантовой механики. В 1924 г. в работе «Свет и материя» Л. де Бройль высказал гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому все микрообъекты могут вести себя и как волны, и как частицы. На основе уже установленной дуальной (корпускулярной и волновой) природы света он высказал идею о волновых свойствах любых материальных частиц. Так, например, электрон ведет себя как частица, когда движется в электромагнитном поле, и как волна, когда проходит сквозь кристалл. Эта идея получила названиекор-пускулярно-волнового дуализма. Принцип корпускулярно волнового дуализма устанавливает единство дискретности и непрерывности материи.
В 1926 г. Э. Шредингер на основе идей Л. де Бройля построил волновую механику. По его мнению, квантовые процессы – это волновые процессы, поэтому классический образ материальной точки, занимающей определенное место в пространстве, адекватен только макропроцессам и совершенно неверен для микромира. В микромире частица существует одновременно и как волна, и как корпускула. В квантовой механике электрон можно представить как волну, длина которой зависит от ее скорости. Уравнение Э. Шре-дингера описывает движение микрочастиц в силовых полях и учитывает их волновые свойства.
На основе этих представлений в 1927 г. был сформулирован принцип дополнительности, согласно которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимно дополняют друг друга, и только в единстве дают полное описание. При точном измерении одной из дополнительных величин другая претерпевает неконтролируемое изменение. Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего. Утверждение корпускулярно-волнового дуализма стало основой квантовой физики.
В 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг пришел к выводу о невозможности одновременного точного измерения координаты частицы и ее импульса, зависящего от скорости, эти величины мы можем определить только с определенной степенью вероятности. В классической физике предполагается, что координаты движущегося объекта можно определить с абсолютной точностью. Квантовая механика существенно ограничивает эту возможность. Свои идеи В. Гейзенберг изложил в работе «Физика атомного ядра».
Вывод В. Гейзенберга получил название принципа соотношения неопределенностей, который лежит в основе физической интерпретации квантовой механики. Суть его в следующем: невозможно одновременно иметь точные значения разных физических характеристик микрочастицы – координаты и импульса. Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной, существуют принципиальные ограничения на измерение физических величин, характеризующих поведение микрообьектов. Таким образом, заключил В. Гейзенберг, реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет. «Квантовая теория уже не допускает вполне обьективного описания природы», – писал он. Измерительный прибор влияет на результаты измерения, т. е. в научном эксперименте влияние человека оказывается неустранимым. В ситуации эксперимента мы сталкиваемся с субьект-обьектным единством измерительного прибора и изучаемой реальности. Важно отметить, что это обстоятельство не связано с несовершенством измерительных приборов, а является следствием обьективных, корпускулярно-волновых свойств микро-обьектов. Как утверждал физик М. Борн, волны и частицы – это только «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.
Два фундаментальных принципа квантовой физики – принцип соотношения неопределенностей и принцип дополнительности – указывают на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей. Законы квантовой физики – статистические. Как пишет В. Гейзен-берг, «в экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов». В дальнейшем квантовая теория стала базой для ядерной физики, а в 1928 г. П. Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.
studfiles.net
2 Основы квантовой физики
1.КВАНТОВО-ОПТИЧЕСКИЕЯВЛЕНИЯ
1.1.Гипотеза Планка. Фотоны
Ксередине XIX в. были хорошо изучены оптические (волновые) свойства излучения: интерференция, дифракция и т. д. (эти вопросы рассматриваются
вразделе «Оптика» курса общей физики). Однако к концу XIX в. были обнаружены явления, явно противоречащие волновым представлениям о природе излучения. Чтобы разрешить противоречия, Макс Планк в 1900 г. высказал гипотезу о том, что излучение поглощается и испускается (а позже было признано, что и распространяется) порциями (квантами, корпускулами), т. е. особыми частицами (эти частицы позже были названы фотонами), энергия, масса и импульс которых неразрывно связаны с их волновыми характеристиками:
W | h hc mc2 ; | (1.1) | ||
ф |
|
|
|
|
|
|
|
| |
| p | h | k . | (1.2) |
|
| |||
|
|
|
| |
Таким образом, оказалось, что излучение – это поток частиц (корпускул, квантов) – фотонов, которым при этом присущи и волновые свойства.
Свойства фотонов как частиц достаточно необычны. Так, фотоны не имеют массы покоя, движутся только со скоростью света, имеют энергию, импульс, спин, релятивистскую массу, но вместе с тем могут интерферировать. Кроме того, фотоны могут поглощаться частицами вещества, при этом исчезая, а их энергия, импульс, момент импульса переходят к поглотившим их частицам.
Исторически сложилось так, что раньше обратили внимание на волновые свойства фотонов, однако в этом разделе рассмотрим те явления, где проявляются квантовые (корпускулярные, дискретные) свойства излучения (фотоэффект, коротковолновое обрывание тормозных рентгеновских спектров, эффект Комптона, тепловое излучение) и объяснение которых возможно только в рамках квантовых представлений о природе излучения.
Несмотря на необычность ряда свойств фотонов эти частицы, безусловно, подчиняются фундаментальным законам природы: законам сохранения энергии, импульса, момента импульса, распределению Гиббса.
Гипотеза Планка и понимание природы излучения были первым шагом к возникновению отдельного раздела знаний: квантовой физики.
studfiles.net
Основные законы квантовой физики | Студенческая жизнь
Квантовая физика — наиболее обсуждаемый и скандальный раздел науки. По сути, это одно из самых эффективных и точных открытий теоретической области знания. Законы квантовой физики, будучи примененными для расчета эксперимента, показывают ничтожные отклонения результатов — порядка миллионных долей процента. На каком же утверждении основана квантовая физика?
Все большое состоит из малого
Физика микромира, изучающая поведение атомов и процессы, происходящие при их взаимодействии, предусматривает механическую модель. То есть, атом условно можно представить в категориях, понятных каждому человеку. Законы квантовой физики, напротив, представляют атом в виде элементарной частицы, имеющей свойства материальной точки и волны излучения одновременно.
Основная теория, на которой базируется квантовая физика, гласит:
Энергия в любом виде поглощается или выделяется только отдельными порциями. Они, в свою очередь, могут состоять только из целого числа условных объектов, названных квантами. Энергия одного кванта определяется как произведение частоты на некий коэффициент пропорциональности.
Этот коэффициент, позже названный «постоянная Планка», был впервые введен Максом Планком и прозвучал в его докладе 14 декабря 1900 года. Именно этот день стал датой рождения теории квантов и положил начало процессу, который зародил законы квантовой физики.
Начальное понимание принципов квантовой физики, а именно — основного правила двойственности свойств любого объекта (корпускулярно — волновой дуализм) привело к открытию фотонов. Пытаясь объяснить механику фотоэффекта различных материалов, Альберт Энштейн выдвинул теорию, что свет состоит из отдельных квантов. Формулы, описывающие энергию, импульс и массу фотонов — относятся к базовым законам, описывающим квантовую природу не только света, но и любого другого высокочастотного излучения.
Теория, которая с трудом поддается пониманию
Отдельные части квантовой физики, к примеру, свет и волновые теории, связанные с ним, могут быть более-менее описаны понятиями из физики механических объектов. Да, свет имеет импульс, оказывает давление — это подтверждают эксперименты. Передача энергии с помощью света окружает нас каждый день, солнце отдает в пространство огромное количество тепла. Наличие у света массы было доказано последним.
С появлением чутких измерительных приборов и методов создания нужных условий удалось не только доказать, что воздействие света увеличивает массу объекта, но и получить реальные доказательства переноса физических элементов (частичек красителя) с помощью луча лазера из одной колбы в другую. Ученые не преминули тут же громко объявить, что законы квантовой физики позволяют объяснить фантастическое явление телепортации.
Относительно понятна работа еще одного явления. Законы квантовой физики, описывающие явление фотоэффекта, то есть излучение квантов под воздействием другого источника энергии, являются одними из базовых понятий. Если кратко, четыре закона фотоэффекта могут описать происходящее вокруг — явление, когда в темной комнате ничего не видно, кроме некоторых объектов. Или почему очень яркий свет приводит к «слиянию» разных цветов. А также то, по какой причине одни вещества хорошо отражают свет, а другие — нет.
Эффективность и спорность
Квантовая физика гласит, что любое физическое тело может быть описано как волна и материальный объект одновременно. И совершенно все равно — кирпич это или атом. И здесь возникают постоянные споры, различные концепции и модели, позволяющие лучше применить главный закон и принцип квантовой физики — корпускулярно-волновой дуализм. А главное, помочь понять всем, как именно проходят те или иные процессы, приводя их к общепринятым понятиям классической физики или механики.
«Законы» квантовой физики — видео
life-students.ru
Основные понятия квантовой физики (К.Ю. Богданов)
Корпускулярно-волновой дуализм даёт возможность заменить движущуюся частицу эквивалентной волной. Сделав такую замену, мы лишаем частицу корпускулярных свойств, а значит, не можем определить её положение. Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм не позволяет одновременно и точно измерить положение частицы и её импульс. Однако в этом случае погрешности одновременного определения положения частицы (Dx) вдоль оси х и проекции её импульса (Dp) вдоль той же оси оказываются связанными между собой с помощью соотношения
, (1)
которое называют соотношением или принципом неопределённости Гейзенберга в честь немецкого физика В.К. Гейзенберга, который в 1927 году впервые вывел это соотношение. Согласно соотношению неопределённости произведение погрешностей в измерении положения и импульса частицы по порядку величины всегда больше постоянной Планка. Из (1) следует, что невозможно точно указать одновременно координаты частицы и ее импульс. При этом, чем точнее определяют в опыте одну из этих характеристик частицы, тем менее точным будет значение другой. В результате, траектория движения такой частицы становится неопределённой.
Следует отметить, что соотношение неопределённости Гейзенберга не может быть объяснено несовершенством экспериментальной техники. Это соотношение - следствие корпускулярно-волнового дуализма, проявляющегося в микромире.
Корпускулярно-волновой дуализм накладывает определённые ограничения не только на погрешности в измерении координат и импульса частицы. Соотношение, аналогичное (1), существует также для погрешностей в измерении энергии (DE) системы и времени (Dt), в течение которого это измерение сделано:
.
Чуть более подробно о соотношении неопределённостей см. ЗДЕСЬ
Соотношение неопределённостей можно вывести, если описать дифракцию электрона с импульсом р на щели шириной Dх .
kaf-fiz-1586.narod.ru
