19019

Место квантовой механики в современной физической науке. Основные экспе-риментальные факты, лежащие в основе квантовой механики

Лекция

Физика

Лекция 1. Место квантовой механики в современной физической науке. Основные экспериментальные факты лежащие в основе квантовой механики В современной науке квантовая механика занимает важнейшее место поскольку формирует основные идеи современного подхода к описа

Русский

2013-07-11

318 KB

15 чел.

Лекция 1. Место квантовой механики в современной физической науке. Основные экспериментальные факты, лежащие в основе квантовой механики

В современной науке квантовая механика занимает важнейшее место, поскольку формирует основные идеи современного подхода к описанию микромира и дает язык такого описания, который является единственно возможным для целого ряда разделов физики, химии, биологии.. Так, не существует неквантовой теории твердого тела, неквантовой теории ядра, неквантовой теории элементарных частиц и т.д. Квантовая химия, современная биофизика возникли только после создания квантовой механики. Поэтому курс квантовой механики занимает особое место среди различных разделов физики, входящих в программу обучения физиков, как теоретиков, так и экспериментаторов. А для студентов-физиков, работа которых будет связана с конденсированным состоянием вещества, ядерной физикой, физикой элементарных частиц, а также для специалистов в области ядерной энергетики этот курс представляет собой основное «орудие труда».

После этого небольшого вступления перечислим основные экспериментальные факты, которые противоречат классической физике, и интерпретация которых и привела к созданию квантовой механики. Эти экспериментальные факты можно назвать лежащими в основании квантовой механики.

1. Устойчивость атомов

Рассмотрим движение электрона в атоме водорода с классической точки зрения. Как известно из классической механики, полная энергия электрона на круговой орбите есть

 

где  - радиус орбиты,  - элементарный заряд. Из классической электродинамики Максвелла следует, что движение заряженной частицы с ускорением приводит к излучению электромагнитных волн (это можно увидеть, например, из формулы для интенсивности дипольного излучения). А поскольку движение электрона по замкнутой траектории есть движение с ускорением, электрон должен излучать электромагнитные волны, то есть терять энергию на излучение. Радиус орбиты будет уменьшаться

 

Можно написать элементарные формулы, дающие оценку скорости потерь энергии электрона и времени «падения» его на ядро. Потеря энергии в единицу времени (с точностью до числового коэффициента) есть

 

где  - скорость света,  - ускорение электрона, которое определяет интенсивность дипольного излучения.  - приведенная масса протона и электрона, практически совпадающая с массой электрона.

Таким образом, мы приходим к уравнению:

 

где см - классический «радиус электрона». Интегрируя, получаем

 

Мы считаем, что  см, при . Из этой формулы находим время , когда :

 

Следовательно, электрон «упадет» на ядро, и атом перестанет существовать через промежуток времени сек.

2. Спектр излучения атомов

Экспериментально наблюдаемый спектр излучения атомов состоит из дискретных линий, то есть атомы имеют дискретный спектр энергий, отвечающих состояниям финитного движения. Если бы электрон двигался так, как это описано в предыдущем пункте, спектр его излучения был бы непрерывным.

3. Опыты Франка и Герца

При неупругих столкновениях электронов с атомами энергия электронов меняется дискретными порциями.

4. Опыты Штерна и Герлаха

Магнитный момент и, следовательно, механический момент атома принимает дискретный значения. Таким образом, эти свойства атомов не описываются классической механикой и электродинамикой.

5. Дифракция электронов на кристаллах (Девисон, Джермер, Томсон).

Подобная дифракция рентгеновского излучения на кристаллической решётке (которая прекрасно наблюдается в современном эксперименте) свидетельствует о наличии у электрона волновых свойств и об отсутствии движения по траектории.

6. Дифракция квантовой частицы на двух щелях

Во времена знаменитых дискуссий Бора с Эйнштейном подобную схему называли «мысленным экспериментом». Сейчас такие дифракционные опыты делаются не только с электронами или нейтронами, но и с такими составными квантовыми объектами, как атомы или молекулы.

1. Наблюдается дифракционная картина с чередующимися максимумами и минимумами, аналогичная дифракции электромагнитной волны на экране со щелями.

2. Эта картина не сводится к наложению результатов, которые получаются, если поочередно закрывать каждую из щелей.

3. Пропуская частицы по одной, мы получаем от каждого атома только одну точку на экране.

4. Атом попадает в какую-то точку, но мы заранее не знаем, в какую. Совокупность этих точек дает наблюдаемую дифракционную картину, то есть мы имеем дело с ансамблем измерений.

Выводы из опытов по дифракции.

1. С движением частицы связан волновой процесс. У квантовой частицы есть волновые свойства.

2. Это противоречит классической картине движения по траектории. Как может повлиять на движение частицы та щель, которая расположена «рядом» и через которую эта частица не пролетала?

3. От одной частицы получается не слабое подобие общей дифракционной картины, а только точка на экране. Следовательно, волновой процесс, связанный с движением квантовой частицы, не является классической волной.

4. Для каждой частицы можно указать только вероятность попадания в ту или иную точку экрана, то есть вероятность рассеяния на тот или иной угол.

Перечислим теперь ряд теоретических подходов, которые лежали в основе квантовой механики, или стали ее составными частями, и их авторов.

1900 г. - Макс Планк, квантование энергии,  (или ) - постоянная Планка, имеющая размерность действия:

 

Нобелевская премия 1918 г.

1905 г. - Альберт Эйнштейн, понятие кванта света - фотона, теория фотоэффекта, Нобелевская премия 1921 г.

1913 г. - Нильс Бор, квантование уровней энергии в атоме, Нобелевская премия 1922 г.

1923 - 24 г. - Луи де Бройль, корпускулярно-волновой дуализм де Бройля, Нобелевская премия 1929 г.

1924 г.- Бор, Крамерс, Слэттер, понятие волны вероятности.

1924 - 25 г. - Вольфганг Паули, принцип запрета Пуаули, Нобелевская премия 1945 г.

1925,1927 г. - Вернер Гейзенберг, матричная формулировка квантовой механики, соотношение неопределённостей, Нобелевская премия 1932 г.

1926 г. - Эрвин Шредингер, волновая функция и волновое уравнение Шредингера, Нобелевская премия (совместно в Полем Дираком) 1933 г.

1926 г. - Макс Борн, вероятностная интерпретация квантовой механики, Нобелевская премия 1954 г.

1927 г. - V Сольвеевский конгресс в Брюсселе, копенгагенская интерпретация.

Согласно современным представлениям, классическая механика перестает работать, когда характерный масштаб действия для системы сравним с постоянной Планка. Оценим действие для атомных масштабов.

  (*)

где  - характерные для системы скорость, размер, время.

Оценим действие электрона в атоме. Характерные значения атомных величин таковы:

масса электрона  г

размер атома водорода в основном состоянии  см

период обращения электрона  сек

Тогда

 

то есть величина действия атомного масштаба порядка постоянной Планка. Это сугубо квантовая область. Классические законы работают, как правило, в области явлений, для которых характерные значения действия существенно больше постоянной Планка. Нерелятивистская квантовая механика - это «теория микромира», то есть явлений атомного масштаба. Из формулы (*) следует, что при увеличении размеров системы (при сохранении характерной скорости) действие растет, и система становится классической.

В заключение отметим, что квантовая механика работает и в ряде макроскопических явлений, таких, например, как ферромагнетизм, сверхпроводимость, конденсация Бозе - Эйнштейна и т.д.

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1299. Анализ финансового состояния предприятия 97.5 KB
  Анализ финансового состояния начинается с общей оценки структуры средств хозяйствующего субъекта и источников их формирования, изменения ее на конец года в сравнении с началом по данным баланса. Для этого используются приемы структурно-динамического анализа.
1300. Расчет соединений трансформатора 601 KB
  Проверить, будет ли термически устойчив трансформатор тока, установленный в цепи с периодической составляющей тока. Определить усилие, с которым две одинаковые плоские катушки притягиваются друг к другу.
1301. Муниципальное бюджетное учреждение здравоохранения городского округа Тольятти Городская больница №2 имени В.В. Баныкина 89.5 KB
  В кардиологическом отделении имеются палаты интенсивной терапии на 6 коек со своим штатом. Родильный дом располагает своим отделением анестезиологии и реанимации на 3 койки и отделением детской реанимации на 6 коек.
1302. 30-квартирний житловий будинок 59.5 KB
  Проект на тему 30-квартирний житловий будинок виконаний згідно завдання, виданого кафедрою Архітектура будівель і містобудування, і з урахуванням вимог модульної координації роз-мірів у будинку, санітарних і протипожежних норм, а також враховані норми проектування за видами будинків і вимоги ЕБКД і СПДБ.
1303. Психологічні основи прийняття управлінських рішень керівниками освітніх організацій 83 KB
  Зміст і головні етапи прийняття управлінських рішень керівниками освітніх організацій. Чинники, які впливають на процес прийняття управлінських рішень керівниками освітніх організацій. Вимоги до прийняття управлінських рішень керівниками освітніх організацій. Колегіальний підхід до прийняття управлінських рішень керівниками освітніх організацій.
1304. Роль доврачебной помощи при несчастных случаях. Организация работ при возникновении ЧС 72 KB
  Оказание ПМП в очагах ЧС. Опыт и проблемы ликвидации ЧС системой ГО. Единая государственная система предупреждения и ликвидации ЧС. Основные мероприятия по защите населения в ЧС мирного и военного времени.
1305. Сенсорне сприйняття при дегустації 70 KB
  Диференціальний поріг та поріг насичення. Сутність та застосування методів парних, двопарних, трикутних порівнянь еталонів. Дегустація, експерт, споживацькі дослідження, сприятливість. Поясніть явища антагонізм, синергізм, маскування відчуттів.
1306. Динамика вырубки лесного массива 65.5 KB
  Анализ количественных закономерностей входящего потока. Плотность распределения ежегодный вырубки лесного массива. Данные для исследования были получены по официальной отчётности вырубки, направляемой в министерство промышленности.
1307. Теория материаловедение 118 KB
  Основные группы радиоматериалов. Требования, которые должны удовлетворять радиоматериалы. Классификация диэлектрических материалов. Структура звена полимера (молекулярные, элементарные звенья). Агрегатные и фазовые состояния полимеров. Физические (релаксационные состояния полимеров).