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

31856. Методы определения подвижности носителей заряда 2.25 MB
  Методы определения подвижности носителей заряда Методы определения времени жизни Заключение Введение. Такие параметры как концентрация подвижность время жизни носителей заряда дают необходимый минимальный объем сведений о свойствах полупроводниковых материалов характеризуют электрофизические свойства полупроводникового материала и во многом определяют возможности его использования для изготовления полупроводниковых приборов. Метод измерения концентрации и подвижности носителей заряда с помощью эффекта Холла получил очень широкое...
31858. ТВОРЧЕСКИЙ ПРОЕКТ «ТОРТ-КВИЛЛИНГ» 1.57 MB
  Что же такое квиллинг Название техники пришло к нам из английского языка quilling от слова quill птичье перо. Поэтому квиллинг называют бумажной филигранью. Бумага особенно высшего сорта которая использовалась для квиллинга стоила очень дорого.
31859. Расчет требуемой пропускной способности канала связи к двум смежным узлам провайдеров Интернет 54.5 KB
  Однако все острее стоит проблема доступа к сети Интернет поскольку ее быстрое расширение уже сильно отразилось на телекоммуникационных системах. Очевидно что скоро возникнет необходимость альтернативного доступа к сети помимо ТФОП. Выполнить расчет количества линий коммутируемого доступа от ТФОП к модемному пулу.
31860. Нетрадиционные формы урока на примере урока английского языка 171.5 KB
  В настоящее время проблема преподавания иностранного языка в школе является актуальной. Перед преподавателями иностранного языка стоит задача сформировать личность которая будет способна участвовать в межкультурной коммуникации. Поэтому необходимо иметь представление о социокультурных особенностях страны изучаемого языка. Изучение культуры и языка несет в себе не только общеобразовательные идеи но и одновременно обеспечивает развитие личности поддерживает мотивацию обучаемых.
31861. Программа маркетинг-микс на примере ОАО «Брестмаш» 2.65 MB
  Сбытовая политика стратегия формирования и развития каналов товародвижения организация филиалов оптовых и розничных магазинов сети посредников по сбыту выпускаемой продукции складской сети и др. Создание упаковки это часть планирования продукции в ходе которой фирма изучает разрабатывает и производит свою упаковку включающую саму тару в которую помещается продукция этикетку и вкладыши. Выделим ключевые факторы создания упаковок: Дизайн упаковки должен воздействовать на образ который фирма ищет для своей продукции. Цвет форма...
31862. Ввод текстовых данных, чисел, формул. Автозаполнение данных. Управление рабочей книгой 122.5 KB
  Управление рабочей книгой Задача 1 Составим таблицу доходов и расходов некоторого предприятия с июля по декабрь шаблон которой приведен ниже: Введите в ячейку А1 текст который будет заголовком будущей таблицы Отчет о доходах и расходах Заголовок таблицы разместите по центру столбцов G. Введите в ячейки А3 А5 А16 текст из шаблона. Итог: В третьей строке в ячейках с B3 по G3 введите названия месяцев с июля по декабрь используя инструмент автозаполнения. Для этого введите в ячейку B3 текст июль.
31863. Документооборот. Вопросы с ответами 40 KB
  Где размещаются в выходном документе постоянные реквизиты. Постоянные реквизиты размещаются в заголовочной части либо в начале отчета слева. Как выделяются во входных документах реквизиты переносимые на машинный носитель. Реквизиты переносимые на машинный носитель по возможности размещают в одной зоне и обводят утолщенными линиями.
31864. ВЕРСИЯ ИНТЕРФЕЙСА С ОПТРОННОЙ РАЗВЯЗКОЙ 57 KB
  Какими бы параметрами ни обладал оптрон в нем всегда используется оптический принцип передачи сигналов без всякой гальванической связи. Для передачи излучения от источника к приемнику используются различные технологии описание которых выходит за рамки данной главы. Особенности этих технологий определяют основные характеристики оптрона обеспечивая в частности необходимый компромисс между степенью изоляции коэффициентом передачи и быстродействием. имеет напряжение изоляции 1500 В полосу пропускания 300 кГц и коэффициент передачи тока...