Основные идеи квантовой механики
РЕФЕРАТ
по курсу Естествознание
по теме: Основные идеи квантовой механики
СОДЕРЖАНИЕ
1. Предпосылки возникновения квантовой теории
2. Современная интерпретация квантовой теории
ВВЕДЕНИЕ
В свое время теория относительности изменила классическое представление об объективности. Но она оставила неизменной другую принципиально важную отличительную особенность классической физики – претензию на «полное» описание природы. Издавна считалось, что существует т.н. «формула Вселенной», включающая в себя полное описание природы. В этом смысле теория относительности была продолжением классической физики. Первой физической теорией, действительно порвавшей с прошлым, и частично описавшей такую формулу стала квантовая механика, которой удалось связать воедино, казалось бы, противоречащие друг другу выводы. Своим рождением квантовая механика обязана стремлению физиков описать взаимодействие между веществом и излучением. Попытки описать свойства элементарных частиц с помощью средств классической физики были безуспешными, поэтому были разработаны специальные методы, составляющие содержание квантовой механики. В основу квантовой механики легла «планетарная модель» атома Бора. Квантовая механика (другие названия: волновая механика, матричная механика) составляет раздел теоретической физики, описывающий квантовые законы движения.
1. ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ
Квантовая механика начала зарождаться в 1901 г., когда Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым этим телом излучением. Он намеревался осуществить для взаимодействия вещества со светом такую же программу, какую Больцман осуществил для взаимодействия вещества с веществом, а именно: построить кинетическую модель необратимых процессов, приводящих к равновесию. Планк обнаружил, что достичь согласия с экспериментальными результатами в условиях теплового равновесия можно, лишь приняв гипотезу о том, что обмен энергией между веществом и излучением происходит только дискретными порциями, пропорциональными новой универсальной постоянной. Эта универсальная постоянная h (постоянная Планка), служит мерой для дискретных порций энергии, впоследствии названных Эйнштейном квантами.
Согласно расчетам Планка, энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения:
Е=hv (1.1)
Е – энергия кванта;
h = 6,625·10-34 Дж∙с – постоянная Планка;
v – частота излучения.
Принятые Планком допущения оставались непонятными некоторое время, так как противоречили классической физике. Открытие дискретности, или квантованности энергии оставалось вне связи с другими физическими явлениями до тех пор, пока Эйнштейн не предложил первую общую интерпретацию постоянной Планка.
В 1905 г. Эйнштейн воспользовался квантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта – испускания электронов поверхностью металла, на которую падает ультрафиолетовое излучение. Попутно Эйнштейн отметил кажущийся парадокс: свет, о котором на протяжении долгого времени было известно, что он распространяется как непрерывные волны, при поглощении и излучении проявляет дискретные свойства. Объяснить новые экспериментальные результаты традиционными волновыми свойствами света было трудно. Эйнштейн использовал открытие Планка для формулировки радикально нового понятия – «копускулярно-волновой дуализм». Другими словами, свет может быть и волной, и частицей и обе «ипостаси» света связаны между собой постоянной Планка. Постоянная Планка позволяет переходить от частоты (v) и длины волны (λ) к таким механическим величинам, как энергия (Е) и импульс (р). Соотношения между v и λ, а также между е и р очень просты (е = hv, р = h/λ, в то же время р=mV, где m – масса, а V – скорость частицы), и оба содержат постоянную Планка h. Эти данные впоследствии были использованы де Бройлем (см. 1.2).
В 1913 г. Бор распространил квантовую теорию на атом и представил частоты волн, испускаемых атомами, возбужденными в пламени или в электрическом разряде. Бор предположил, что электроны могут находиться только на определенных дискретных орбитах, соответствующих различным энергетическим уровням, и что «перескок» электрона с одной орбиты на другую, с меньшей энергией, сопровождается испусканием фотона, энергия которого равна разности энергий двух орбит. Таким образом, модель атома Бора установила связь между различными линиями спектров, характерными для испускающего излучение вещества, и атомной структурой.
Несмотря на первоначальный успех, модель атома Бора вскоре потребовала модификаций, чтобы избавиться от расхождений между теорией и экспериментом. Кроме того, квантовая теория на той стадии ещё не давала систематической процедуры решения многих квантовых задач. Однако стало ясно, что классическая физика не способна объяснить некоторые факты, ставившие под сомнение изначальные теории строения атома Томпсона и Резерфорда. Первая модель строения атома Томпсона представляла собой т.н. модель «сливового пудинга», согласно которой атом представлял собой положительно заряженную сферу, в которую вкраплены электроны. Резерфорд предложил другую, «ядерную модель». Согласно ей атом состоит из очень плотного и тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного облаком легких отрицательно заряженных электронов. Недостатком этих теорий было то, что согласно теории электромагнитного поля:
· электрон должен непрерывно излучать энергию;
· двигаться не по окружности, а по спирали;
· из-за потери энергии электрон должен упасть на ядро.
Новая существенная особенность квантовой теории проявилась в 1924 г., когда де Бройль выдвинул радикальную гипотезу о волновом характере материи: если электромагнитные волны, например свет, иногда ведут себя как частицы (что показал Эйнштейн), то частицы, например электрон при определенных обстоятельствах, могут вести себя как волны. Через двадцать лет после Эйнштейна, де Бройль обобщил дуализм волна-частица со света на материю. Это открытие послужило исходным пунктом современной формулировки квантовой механики. Таким образом, в микромире стерлась граница между классическими частицами и классическими волнами. В формулировке де Бройля частота, соответствующая частице, связана с её энергией, как в случае фотона (частицы света), но предложенное де Бройлем математическое выражение было эквивалентным соотношением между длиной волны, массой частицы и её скоростью (импульсом): Соотношение де Бройля:
(1.2)
λ – длина волны;
h – постоянная Планка;
m – масса частицы;
V – скорость частицы.
Существование электронных волн было экспериментально доказано в 1927 г. Дэвиссоном и Джермером в США и Томсоном в Англии. В свою очередь это открытие привело к созданию в 1933 г. Руской электронного микроскопа. Под впечатлением от комментариев Эйнштейна по поводу идей де Бройля Шредингер предпринял попытку применить волновое описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не связанной с неадекватной моделью атома Бора. Он намеревался сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая накопила немало примеров математического описания волн. Первая попытка, предпринятая им в 1925 г., закончилась неудачей. Скорости электронов в теории Шрёдингера были близки к скорости света, что требовало включения в неё специальной теории относительности Эйнштейна и учета предсказываемого ею значительного увеличения массы электрона при очень больших скоростях. Следующую попытку Шрёдингер предпринял в 1926 г. Скорости электронов на этот раз были выбраны им настолько малыми, что необходимость в привлечении теории относительности отпадала сама собой. Вторая попытка увенчалась выводом волнового уравнения Шредингера, дающего математическое описание материи в терминах волновой функции. Шрёдингер назвал свою теорию волновой механикой. Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными наблюдениями и оказали глубокое влияние на последующее развитие квантовой теории.
Волновая функция Шредингера (пси-функция) является основным понятием квантовой механики (приведена в упрощенном виде):
(1.3)
Через нее выражается распределение вероятностей осуществления определенных исходов опыта при заданной начальной стадии. Иными словами, квантовая механика оперирует только вероятностями. В частности, она не может сказать, в какую точку экрана попадет электрон, она может лишь определить вероятность, с какой электрон может оказаться в точке. В настоящее время волновая функция лежит в основе квантово-механического описания микросистем, подобно уравнениям Гамильтона в классической механике. В 1925 г. Гейзенберг, Борн и Иордан опубликовали другой вариант квантовой теории, получивший название матричной механики, которая описывала квантовые явления с помощью таблиц наблюдаемых величин. Шредингер показал, что волновая механика и матричная механика математически эквивалентны. Известные ныне под общим названием квантовой механики, эти две теории дали долгожданную общую основу описания квантовых явлений. Многие физики отдавали предпочтение волновой механике, поскольку её математический аппарат был им более знаком, а её понятия казались более «физическими»; операции же над матрицами – более громоздкими. Вскоре после того, как Гейзенберг и Шрёдингер разработали теорию квантовую механику, Дирак предложил более общую теорию, в которой элементы специальной теории относительности Эйнштейна сочетались с волновым уравнением. Уравнение Дирака применимо к частицам, движущимся с произвольными скоростями.
Страницы: 1, 2
