Квантовая механика- Наука ХХ века

Содержание

Введение  

І.1. Особенности становления квантовой механики и ее предмета.

 

І.2. Основные принципы квантово-механического описания.

І.2.1 Принцип наблюдаемости

І.2.2 О наглядности квантово-механических явлений

І.2.3 Соотношение неопределенностей

І.2.4 Принцип дополнительности Н. Бора

І.2.5 Туннельный эффект

І.2.6 Принцип суперпозиции 

ІІ. Чем  отличаются статистические закономерности в природе от динамических. Приведите  примеры. 
 

ІІІ. За какое выдающееся открытие два советских физика и один американский были удостоены в 1963 г. Нобелевской премии. Как оно связано с квантовой механикой. 

Заключение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

І. 1. Особенности становления  квантовой механики и ее предмета

    Квантовая механика – это физическая теория, устанавливающая способ описания и  законы движения на микроуровне. Ее появление совпало с началом века. В основе квантово – полевой картины мира (КПКМ) лежит новая физическая теория – квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов. Это была четвертая после механики, электродинамики и теории относительности фундаментальная физическая теория. Она является базой для развития современного естествознания. Ее разработка явилась величайшей революцией в познании мира. В основе квантовой механики лежат фундаментальные идеи о квантовании физических и величин и корпускулярно – волновом дуализме. Идея квантования сформировалась на основе ряда открытий в конце XІX – начале XX веков.

    В 1897г. был открыт электрон, его заряд оказался элементарным, т.е. самым наименьшим, существующим в природе в свободном состоянии. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд дискретен, равенство q = ± ne представляет формулу квантования электрического заряда.

    Во  второй половине XX в. в результате исследования теплового излучения было открыто ряд законов: Кирхгофа, Стефана – Больцмана, Вина.

    М. Планк в 1900 г. предположил следующую  теорию (Квантовая гипотеза Планка), что свет испускается неделимыми порциями энергии – квантами и  математически представил это в  виде формулы:

    Е = h v

    где V – частота света, а h – универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение. В атомную теорию вошли, таким образом, прерывистые физические величины, которые могут изменяться только скачками.

    Планк ввел в физику новые представления. Сам того не желая Планк совершил переворот в физике. Его гипотеза стала началом новой квантовой физики (старая получила название классической). Квантовая гипотеза с момента ее появления упорно пробивала себе дорогу в физических представлениях и мировоззрении физиков. В конце XІX в. в результате экспериментов были установлены три закона фотоэффекта – это явление вырывания электронов из вещества под действием света.

    Два из них – независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света, а зависимость ее только от частоты и наличия для каждого вещества красной границы фотоэффекта (минимальной частоты, при которой фотоэффект еще возможен) – не объяснялись на основе представлений ЭМКМИ.

    В 1905 году для решения этих трудностей молодой А. Эйнштейн не только принял квантовую гипотезу Планка, но и расширил ее, предположил, что свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается квантами

    Он  первым понял, дискретность – свойство света. Электромагнитное поле – поток квантов (фотонов) Эйнштейну удалось объяснить все экспериментальные данные, относящиеся к явлению фотоэффекта, испусканию веществом электронов под воздействием электромагнитного излучения.

    Электроны, поглощая фотоны, увеличивают свою энергию и в результате способны покинуть вещество. 

    В 1911 английский физик Э. Резерфорд  предположил модель атома: электроны  движутся по законам Максвелла вокруг значительно более массивного атомного ядра. Резерфорд изучал прохождение a - частиц через тонкую металлическую фольгу. Его модель атома позволяла объяснить результаты экспериментов, но она противоречива.

    В 1913 г. Н. Бор предположил, что электроны  находятся на стационарных орбитах  и не излучают энергию. Порция энергии  излучается лишь при переходе с одной стационарной орбиты на другую:

hv= Ен – Ек

где Ен и Ек – энергия электрона на его начальной и конечной орбитах.

    Существенно новый импульс квантово – механические представления получили благодаря, выдвинутой в 1924г. французским физиком Л. де Бройлем гипотезы, так называемого корпускулярно – волнового дуализма. Он утверждал, что частицы материи (а не только фотоны) обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Теория Бора позволила понять и объяснить атомные спектры и другой экспериментальный материал, накопленный в физике в конце XІX первой четверти XX вв. Это был несомненный успех. Последовательной теорией атомных и ядерных процессов стала квантовая механика, созданная в 1924-1927 гг.

    В квантовой механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по – разному. Законы квантовой механики - законы статистического характера. Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы. 

    На  базе квантовой механики невозможно описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать ее будущий путь. Волны вероятности говорят о вероятности встретить электрон в том или ином месте.

    Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы. Человек перешел на тот уровень исследования, где влияние оказывается неустранимым в ходе эксперимента и фиксируемым результатом является взаимодействие изучаемого объекта и измерительного прибора.

    На  основании квантовой механики объясняются  многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц – появились новые отрасли современной физики: квантовая оптика и квантовая теория твердого тела, квантовая электродинамика и многие другие.

    СОВРЕМЕННАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ

    Квантовая (волновая) механика пытается объяснять как корпускулярные, так и волновые свойства вещества. Волна любой природы полностью описывается её амплитудой и фазой, поэтому квантовая механика должна использовать именно такое описание. Функция волнового процесса представляет собой суперпозицию комплексных экспонент, взятых с определёнными весами (амплитудами). Отсюда описание системы (вообще любой, но актуально только микроразмерной) комплексной волновой функцией, амплитуда и фаза которой полностью определяют состояние такой системы. Это описание позволяет естественным образом описывать волновые явления, такие, как интерференцию элементарных частиц или дифракцию электронов на кристаллической решетке (в классической физике эти свойства присущи исключительно волнам, а состояние частицы характеризует значение ее координат и импульса в данный момент времени). Одно из отличий квантовой механики от обычной заключается в том, что вероятность обнаружить электрон в данном месте ещё не полностью определяет его состояние. Для описания состояния электрона используется комплексная вероятность. Волновая функция и есть значение этой комплексной вероятности. Плотность вероятности обнаружения электрона в данной точке равна квадрату модуля комплексной вероятности. Комплексность приводит к эффекту интерференции. Практически интерференция наблюдалась              для фотонов, электронов и некоторых атомов.                                           

    Другим  необычным свойством электронного «облака» является его неподатливость. Если со всех сторон начать сдавливать это облако, стремясь уменьшить его размеры, то оно станет оказывать всё большее и большее давление. Т.е. попытка ограничить размеры вероятного положения электрона приводит в пределе к бесконечному сопротивлению. Можно представить себе этот процесс, словно электрон начинает метаться по облаку, и чем меньше его размеры, тем сильнее он мечется, т.е. тем больше его кинетическая энергия. Однако такие представления в квантовой физике не могут быть чем-то большим, чем попыткой изобразить процесс. При экспериментах полной аналогии не наблюдается. Напрашивающийся вывод: квантовые частицы - не частицы и не волны, а нечто третье. Другими словами, если мы пытаемся насильно избавить электрон от неопределённости в координате (придать ему чисто корпускулярные свойства), то мы неизбежно увеличиваем неопределённость в импульсе электрона (т.е. стремимся сделать его чистой волной). Все вышесказанное было сформулировано в «принцип неопределенности Гейзенберга»: положение электрона в атоме неопределенно, невозможно одновременно точно определить и скорость электрона и его координаты в пространстве.

    · электрон может находиться на любом  расстояние от ядра;

    · вероятность его нахождения в  разных местах атома различна;

    · поэтому вводится понятия электронное облако, орбиталь, уровень, подуровень.

    Чем определеннее координата микрочастицы, тем менее определенным является импульс и наоборот. Гейзенберг установил, что произведение этих двух неопределённостей  никогда не бывает меньше конкретной величины -постоянной Планка.

    I. 2. Основные принципы  квантово – механического  описания 

    І.2.1 Принцип наблюдаемости 

    В любой науке данные наблюдений становятся понятными лишь тогда, когда есть теория. Все физические теории, которые  были известны ученым до создания квантовой механики, содержали исключительно понятия, прямо и непосредственно сопряженные с данными наблюдений.

    ВY = аn Y

Измерение имеет дело непосредственно с  аn, собственными значениями оператора В. Из трех физических конституентов.

В, Y и аn измеряется лишь последний. Все физические теории, которые были известны учеными до создания квантовой механики, содержали исключительно понятия прямо и непосредственно сопряженные с данными наблюдений.

      В квантовой механике появляются ранее неведомые физикам конструкты, волновая функция (Y)оператор (В), причем оба в принципе не могут быть зарегистрированы в эксперименте:

В и Y не наблюдаемы, лишь аn фиксируется в эксперименте.

      Квантово-механическая реальность открывается в эксперименте лишь одной своей гранью. Вопреки расхожему мнению реальность дана не только в эксперименте, но и в теории. Разумеется, остается в силе старое правило: подтверждением теории является ее согласие с данными наблюдений. В науке, в том числе физике, данные наблюдений никогда не фигурируют отдельно от теории, т.е. концептуальной интерпретации. Главная цель ученых состоит в том, чтобы добиться гармонии, резонанса теории и эксперимента. 

    І.2.2 О наглядности квантово-механических явлений 

    Все, что происходит с квантовыми объектами  до фиксации собственных значений аn того или иного оператора В, в эксперименте не фиксируется в непосредственном виде, а потому не дано в наглядной форме. Несостоятельна всякая попытка представления себе квантового объекта самого по себе, до его взаимодействия с макроусловиями его существования.

    Квантово-механические явления как таковые невозможно сфотографировать и представить их изображения, они не поддаются зарисовке. Это и не сгустки вещества, и не волны распределенные в реальном пространстве, и не материальные точки, движущиеся по траекториям.

    Все попытки представить себе квантовые  объекты и происходящие с ними процессы в наглядной, т.е. подвластной  чувствам форме игнорируют специфику  квантовой механики. Желающий уяснить  себе природу квантово- механических явлений должен записать волновую функцию Y и те уравнения, в которых она фигурирует, а затем подвергнуть полученные записи всестороннему анализу, при этом часто оказывается возможным изображение аналитических выражений в форме графических построений. Природа квантово-механических явлений такова, что она может быть представлена в аналитико-графическом виде, но не в форме изображения объектов в пространстве.

    Квантово-механические явления таковы, каковыми их описывают  уравнения квантовой механики, исходя из которых можно предсказать, причем вероятностным образом, результаты измерений. Эти уравнения не позволяют предсказать наличие у квантовых объектов, каких-то «скрытых» параметров, доступных наблюдениям, если не настоящим, то будущим. При правильном понимании квантовой механики вопрос о скрытых параметрах вообще не возникает, он инициируется теми, кто абсолютизирует концептуальную базу классической физики, в результате чего переносит ее в квантовую механику.