67551

СОСТОЯНИЯ МИКРОСИСТЕМ. ПОСТУЛАТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Лекция

Физика

Всякая физическая теория изучает определенный класс физических систем. Одно из основных понятий любой физической теории понятие состояния физической системы которое задается переменными состояния. а Если заданы переменные состояния в некоторый фиксированный момент времени то мы имеем максимально...

Русский

2014-09-12

136 KB

4 чел.


л е к ц и я  1

ВВЕДЕНИЕ

Квантовая механика родилась не на голом месте, а возникла в недрах классической физики. Последняя оказалась неспособной объяснить широкий круг физических явлений. Два ее основных составных элемента ньютонова механика и максвеллова электродинамика пришли в несоответствие друг с другом. Выявились особенности поведения объектов на микроскопическом уровне, не свойственные макроскопическим объектам.

Корпускулярно-волновой дуализм

В классической физике всякий процесс есть либо движение частицы, либо распространение волны. В микромире ситуация иная.

(а) В XIX в. распространение света считали волновым процессом (интерференция, дифракция, поляризация) и развитие этой точки зрения увенчалось построением электромагнитной теории света (Максвелл).

Однако, эта теория вместе с классической статистической физикой (прежде всего, с теоремой о равномерном распределении энергии по степеням свободы) для спектральной интенсивности излучения черного тела давала формулу Рэлея-Джинса

 

.

Она противоречила опыту (см. рис. 1) и приводила к “ультрафиолетовой” катастрофе.

Рис. 1

Для полной плотности энергии излучения формула Рэлея - Джинса дает:

 !

В 1900 году М. Планк, пытаясь объяснить излучение черного тела, предположил, что энергия излучения испускается и поглощается веществом отдельными порциями - квантами. Энергия кванта света есть

 e = iw,     i h 1,0510-34Джс

Величина i есть постоянная  Планка (раньше вместо нее использовалась h = 2pi). В 1905 году А. Эйнштейн объяснил законы фотоэффекта (в частности, существование красной границы), предположив, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется отдельными квантами.  Их корпускулярные и волновые характеристики связаны соотношениями

e  =  iw,    p = ik   

-длина волны.

Встал кардинальный вопрос: свет - волны или частицы? Возникла концепция корпускулярно-волнового дуализма.

(б) В 1924 г. Л. де Бройль предположил, что у всех микрообъектов, считавшихся ранее частицами (например, у электронов) должны быть не только корпускулярные характеристики и p, но и волновые характеристики , k, . Они связаны теми же соотношениями:

, k,         ().

Корпускулярные характеристики выявляются, скажем, при детектировании частиц (появилось ли пятно на фотопластинке или нет, счетчик щелкнул или нет). Волновую природу электронов выявили экспериментально в 1927 году Дэвисон и Джермер, обнаружившие дифракцию электронов на кристалле.

Таким образом, все микрообъекты ведут себя в одном круге явлений как частицы, а в другом - как волны. Это и есть корпускулярно-волновой дуализм, не известный классической физике.

ДИСКРЕТНОСТЬ значений физических величин

Классическая физика не могла объяснить основные атомные явления. В 1911 г. Э. Резерфорд установил планетарную модель атома. Но с классической точки зрения:  (а) атомы Резерфорда неустойчивы; (б) атомы одного элемента не должны быть тождественными; (в) спектры атомов  должны быть непрерывными. Это резко противоречило опыту.

В 1913 г. Н. Бор для “объяснения” свойств атомов предположил, что электроны могут двигаться не по любым орбитам, а лишь по избранным. Энергия электрона, в отличие от классической физики, может принимать лишь ряд дискретных значений. Эта гипотеза нашла прямое подтверждение в опытах Франка-Герца по неупругому рассеянию пучка электронов на атомарной ртути.

Рассмотрим другой пример дискретности, необходимый для дальнейшего. У электрона есть собственный магнитный момент , равный магнетону Бора:

.

В классической физике его направление может быть произвольным, и проекция вектора на внешнее магнитное поле может принимать любое значение от -m и +m. Опыты Штерна-Герлаха показали, что эта проекция может принимать лишь два значения: -и +.

Итак, в физике накопилось много экспериментальных данных, которые не объяснялись классической физикой. Нужна была новая теория. Ей стала КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА, которая была создана в 1925 г. и окончательно завершена в 1927 г.

СОСТОЯНИЯ МИКРОСИСТЕМ

ПОСТУЛАТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Всякая физическая теория изучает определенный класс физических систем. Физическая система описывается характерными масштабами, скоростями и взаимодействиями. (Нерелятивистская) квантовая механика изучает системы малых масштабов (R  10-8 м), с малыми скоростями (v << с) и с частицами, подверженными, главным образом, электромагнитному взаимодействию. Задание системы подразумевает, что заданы ее частицы, в частности их внутренние характеристики (массы, заряды и т.п.), и законы взаимодействия между частицами.

Одно из основных понятий любой физической теории – понятие состояния физической системы, которое задается переменными состояния. Здесь есть два аспекта  «статический» и «динамический».

(а) Если заданы переменные состояния в некоторый фиксированный момент времени, то мы имеем максимально возможную информацию о данной системе в этот момент времени. В частности, можем найти значения всех физических величин (энергии, импульса, координат и т. д.) по крайней мере, их вероятностные распределения. Последняя оговорка очень существенна, ибо в квантовой механике мы обычно можем судить только о вероятностях распределения значений физических величин.

(б) Если заданы переменные состояния в некоторый момент времени t0 , то можно найти переменные состояния этой системы и в произвольный момент времени t , а значит, получить максимально возможную информацию о системе в этот момент t . Это есть принцип причинности в его конструктивной формулировке.

В классической механике состояние системы из N частиц без связей задается набором 3N координат и 3N компонентов импульсов (скоростей) – всего 6N величинами, которые можно считать координатами точки фазового пространства.

В квантовой механике так задавать состояния нельзя, хотя бы потому, что соотношение неопределенностей запрещает координатам и импульсам иметь одновременно строго определенные значения. Рассмотрим примеры. Состоянию частицы с определенным импульсом p=ik сопоставляется плоская монохроматическая волна волна де Бройля:

 A(r, t) = A0ei(kr  wt)      .

Здесь импульс определен, но про координату ничего сказать нельзя частицу с равными вероятностями можно обнаружить гдеугодно. В квантовой механике допустимы и состояния, которые описываются не монохроматическими волнами:

 A(r, t) = ò dkf0(k)ei(kr-wt).

В таких состояниях не имеют определенных значений ни координаты частицы, ни ее импульс.

Рассмотренный пример подводит нас к одному из самых фундаментальных положений квантовой механики - принципу суперпозиции. Немонохроматическая волна описывает суперпозицию состояний частицы с определенными значениями импульса (каждая гармоника). При измерении импульса мы получим не какое-то его усредненное значение, а одно из тех, которые входят в гармоники. В этом принципиальное отличие от классического принципа суперпозиции.

Рассмотрим еще один пример, обратившись к опыту Штерна-Герлаха.

У электрона есть состояние, в котором проекция магнитного момента m на внешнее поле H H равна      равна   (при ее измерении всегда получается  ). У него есть  состояние и с проекцией +. Но есть и бесконечно много других состояний - суперпозиций двух указанных. Что для них характерно? Если будем в таком состоянии измерять проекцию , то получим либо +, либо , и ничего более, причем эти значения будем получать с определенными вероятностями, которые определяются состоянием. В классической физике мы получили бы какое-то значение проекции, промежуточное между  и +.

Перейдем к описанию состояний в квантовой механике. Итогом огромной работы теоретиков и обобщения большого числа опытных данных явилась формулировка следующего утверждения.

Постулат. Состояниям квантовомеханической системы сопоставляются векторы гильбертова пространства Н.          

Эти векторы будем обозначать как U...ñ, и они иногда называются кет-векторами. Так как гильбертово пространство линейно (см. ниже), то векторы можно складывать и умножать на комплексные числа. Какой это имеет смысл? Он заложен в следующем постулате.

Постулат.  Если состояние  является суперпозицией состояний 1 и 2, то для соответствующих им векторов 

  = с11 + с22, с1, с2С.

Примечание. Потом мы увидим, что с1 и с2 имеют вероятностный смысл. Пусть  1 состояние электрона с проекцией , а  2  с проекцией +, и пусть мы измеряем значение этой проекции. Тогда с вероятностью   |с1|2 будем получать проекцию , а с вероятностью |с2|2 проекцию +. Поэтому должно быть

|с1|2 + |с2|2 = 1.

В пространстве векторов можно ввести не только операции умножения на числа и сложения, но и скалярное произведение любых двух векторов   и , которое будем обозначать как . Свойства:

(а) линейность по второму аргументу

 с1+с2 = с1 +с2;

(б) эрмитовость  

 

  = *;

(в) положительная определенность

   :     = 0   = 0.

Определение.  Линейное бесконечномерное пространство, в котором введено скалярное произведение, называется гильбертовым пространством.

На самом деле в определение нужно включить еще требование полноты пространства (всякая последовательность Коши, или фундаментальная последовательность, сходится к некоторому вектору из H), но это требование является математическим, и в физике оно обычно не нужно.

Символы  также можно рассматривать как векторы некоторого пространства, которое называется сопряженным исходному. Величины  именуются совекторами, или бра-векторами. Их можно складывать между собой, как и векторы, но нельзя сложить вектор с совектором.   

Заметим, что из линейности скалярного произведения по второму аргументу и из его эрмитовости следует антилинейность по первому аргументу:

 c = c* .

Используется и другое обозначение – векторы без угловых скобок:

   .

 c = c;    d = d*().

Положительная определенность скалярного произведения позволяет ввести неотрицательное число  = , называемое нормой вектора  (аналог обычной длины). Оно будет использоваться ниже.

Насколько однозначно определен вектор , сопоставляемый данному физическому состоянию ? Для ответа заметим, что суперпозиция состояния с собой не приводит к новому состоянию. Обобщаем это.

РЕЗЮМЕ

Постулат I.  Состояния квантовой системы задаются векторами   Н.  Векторы  и с  с любым с  С отвечают одному и тому же состоянию. Суперпозиции  состояний отвечает линейная комбинация векторов.

Итак, вектор состояния можно умножать на произвольное комплексное число. Произвол уменьшится, если потребовать, чтобы векторы состояний были нормированными: U=1. Но полностью произвол не
устраняется: вектор еще может быть умножен на произвольный фазовый множ
итель:

    = e ,        U = U.

Этот произвол устранить уже не удается. Практически фазу  мы выбираем из соображения удобства.

FILENAME lecture01.doc

-  PAGE 1 - 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

44729. Verbals 51.31 KB
  They do this with n efficiency pproching one hundred per cent s compred with mximum of bout one per cent of other lsers. Semiconductor lsers re sure to open up gret prospects for solving vrious scientific nd technicl problems. Clcultions nd experiments show tht lredy superhrd substnces dimonds rubies nd so on nd hrd lloys cn be worked profitbly by ruby lsers for exmple.
44730. Modals + Perfect Infinitives. Subjunctive Mood. Conditional Sentences 56.05 KB
  By closer observtion of the spectrum however we find tht the spectrum is crossed by n immense number of fine drk lines mounting to mny thousnds. When we investigte the drk lines in the spectrum of the Sun we find tht these correspond line by line to the spectr emitted in the lbortory by vrious elements iron clcium hydrogen etc. From this it follows tht the light from the Sun must hve gone through clouds of these toms somewhere nd in respect to such substnces s iron or clcium or most other elements this must hve hppened on the Sun...
44731. Emphatic Inversion 47 KB
  To get even one report from computer requires the prior ppliction of gret del of intensive skilled humn lbour. Given below re some fundmentls concerning computer opertions. Computers perform with gret speed nd ccurcy mny opertions tht up to now hve trditionlly been done only by humn lbour.
44732. Elliptic Sentences 33.81 KB
  It ws believed on theoreticl grounds tht gs should be nonconducting in the bsence of rdition provided tht the potentil grdient cross it ws not so high tht sprking could tke plce. Curiously enough experiments undertken to test this hypothesis showed tht smple of ir in closed vessel lwys exhibited smll electricl conductivity in spite of every precution to eliminte rdition nd prevent lekge long the insultors. Tht these explntions were not sufficient to ccount for the observed phenomen ws shown by the experiments of some scientists who in...
44733. Word Order in the Simple Sentence. Types of Questions. The Noun: the Category of Number. The Use of Articles. Present, Past, Future Simple (Active Voice) 56 KB
  Mn is lso the cretor of the innumerble spiritul tresures of mnkind: the wonderful works of rt literture nd science. The mchine system mde it possible to include science in production on lrge scle. We live in the epoch when science becomes direct productive force of society. spred of informtion of knowledge of science поширення інформації знань науки 12.
44734. Past Participle, Simple Tenses (Passive Voice); Pronouns: demonstrative, personal and possessive 37.5 KB
  Potentil nd Kinetic Energy The cpcity of body to perform work is clled its energy. This energy is designted potentil if it is due to the position of the body. Energy in this form is designted s kinetic. t this point the body possesses no potentil energy t ll for its distnce bove the ground is zero but it does hve kinetic energy becuse of its motion.
44735. Present Participle. Continuous Tenses (Active, Passive). Quantifiers: some, any, no, much, many, little, a little, few, a few 82 KB
  Prctice reding the following wordcombintions: Tken into ccount for exmple in order to in fct in the lnguge of science in everydy life connected with the ide of time stte of rest stte of motion from motion to rest in scientific sense of the word the force is pplied to result in no work the mount of performed work the product of the force by the distnce the bility to work different kinds of energy ll moving bodies to drive the wterwheels of turbines. TEXT 3 FORCE WORK ENERGY ND POWER In the lnguge of science few words...
44736. Perfect Tenses (Active, Passive). Numerals. Cleft sentences: it is (was)…that (who) 66.5 KB
  In our scientific ge there is generl belief tht ll science s it grows to perfection becomes mthemticl in its ides. It is generlly true tht in the development of lgebr three stges hve been pssed successively: verbl bbrevited nd symbolic. Verbl lgebr is chrcterized by the complete bsence of ny symbols except of course tht the words themselves re used in their symbolic sense.
44737. Роль мультимедиа в повышении эффективности процесса обучения экономике 136.5 KB
  Практические аспекты использования мультимедиа в процессе обучения экономике. Особенности проведения медиа-урока: доходы и расходы семьи. Сравнительный анализ традиционного и нетрадиционного (с использованием мультимедиа) урока...