Микромир: концепции современной физики

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

«Микромир: концепции современной  физики». 

План  работы:

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение. 

     Изучение  объектов микромира в нашей жизни, как раньше, так и в настоящее  время, играют не маловажную роль. С  давних пор людей интересовали вопросы, на которые они не могли дать адекватные ответы, например, самый маленький  объект на Земле до XIX в. считался атом, пока не началось более детальное и «смелое» исследование, которое доказало, что в состав атома входят намного меньшие по размерам частицы-электроны. Поэтому считаю изучение данной темы актуальной и в наше время, так как приборы совершенствуются и возможно когда-нибудь ученые докажут что есть объекты намного меньшие размеров электрона.

     Главной целью этой работы я считаю изучение природы микромира, расширения понятия  Микромир и применение явлений в  квантовой физике.

       Главной задачей является отслеживание путей открытия различных объектов и понятие их основных критериев, доказательств на которых основывались ученые, выдвигая гипотезы на всеобщее обсуждение.

     При написании контрольной работы изучены  труды :

     П.П. Горяев , Г. Идлис , А.А. Горелов , В.И. Лавриненко, В.П. Ратников. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Вопрос  № 1: «Изложите сущность квантово-механической концепции, описание микромира». 

    Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном  немецким физиком 

В. Гейзенбергом, и принцип дополнительности Н. Бора.

    Суть  соотношения неопределенностей  В. Гейзенберга заключается в  следующем. Ставится задача определить состояние движущейся частицы. Если бы можно было воспользоваться законами классической механики, то ситуация была бы простой. Но законы классической механики для микрочастиц применяться не могут: невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью установить место и величину движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. В своей книге «Физика атомного ядра» В. Гейзенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей. Он пишет: «Никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость». Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы.

    Соотношение неопределенностей есть выражение  невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка  дать четкую картину микрофизических  процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, неправленых на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при наблюдении отклонения лучей.

  Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

    Противоречия  корпускулярно-волновых свойств микрообъектов 

является  результатом неконтролируемого  взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам.

    Поэтому корпускулярная и волновая картины  должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете  обоих аспектов можно получить общую картину микромира. 
 
 
 
 
 
 

Вопрос  № 2: «Объясните взгляды  М. Планка, Луи Де Бройля,

    Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу  микромира». 

    Изучая  микрочастицы, ученые столкнулись с  парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые; так и корпускулярные свойства.

    Первый  шаг в этом направлении был  сделан немецким физиком М. Планком.

    Планк Макс Карл Эрнст Людвиг (23.04.1858 - 04.10.1947) - немецкий физик, член Берлинской АН (1894, непременный секретарь в 1912-38), Лондонского королевского общества (1926), иностранный член АН СССР (1926). Его именем названо научное общество Германии, учреждена медаль М.Планка. Родился в Киле в семье профессора гражданского права. Окончил Мюнхенский университет (1878), где в 1879 получил степень доктора философии и работал в 1880-85. В 1885-88 - профессор Кильского университета, 1889-28 - профессор Берлинского университета и директор Института теоретической физики.

    Работы  относятся к термодинамике, теории теплового излучения, теории относительности, квантовой теории, истории и методологии физики, философии науки. В 1900 выдвинул гипотезу квантов, предположив, что атомные осцилляторы излучают энергию дискретно и последняя пропорциональна частоте колебаний, и вывел закон распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Ввел фундаментальную постоянную (постоянная Планка) с размерностью действия. Гипотеза квантов стала основой квантовой теории и положила начало развитию практически всех областей современной физики.

    Планк одним из первых принял теорию относительности, вывел уравнения релятивистской динамики, получив выражения для  энергии и импульса электрона. В 1907 провел обобщение термодинамики  в рамках специальной теории относительности. Дал вывод законов химического равновесия в газах и разбавленных растворах (1887).

    Планк ввел в рассмотрение новую величину - квант действия, означающую, что  энергия колеблющимся осциллятором излучается только дискретно - квантами. По решению дополнительно возникающей проблемы распространения излучения Планк, не склонный к революционным шагам, занимает половинчатую позицию: испускание и поглощение излучения дискретно, а само излучение - непрерывно в соответствии с волновым характером распространения света и тепла. Только Эйнштейн в 1905 г. предложил порвать с классической оптикой и постулировать дискретность излучения в целом.

    В течение долгого времени ведущие  физики рассматривали гипотезу квантов  лишь как форму объяснения, а не как физическую реальность. И только постепенно квантовая теория добивалась признания физической реальности квантов вследствие способности предсказывать новые явления и объяснять с их помощью другие закономерности. Планк получил Нобелевскую премию лишь в 1918 г., когда теория уже имела широкое признание. Кроме того, сама теория достаточно легко уживается с классической физикой в обычных границах в силу чрезвычайной малой величины постоянной Планка.

    Подтверждения квантовой теории были разнообразны: квантовая теория позволяла рассчитать число Авагадро, которое хорошо совпадало со значениями, полученными другими методами, объяснить отклонения от закона Дюлонга об удельной теплоемкости при низких температурах. Основное же подтверждение и признание квантовая теория получила после введения в 1905 г. Эйнштейном квантов света и объяснения с их помощью фотоэлектрического эффекта, а также открытия в 1922 г. эффекта Комптона и в 1923 г. комбинационного рассеяния индийским физиком Чандрасекхара Раманом (1888-1970). 

    Комптон Артур Холли (10.09.1892–15.03.1962) – американский физик, член Национальной (1927) и многих академий наук, медали Румфорда (1927), Маттеучи (1933), Франклина (1940), Хьюза (1940) и др. Родился в Вустере в семье пресвитерианского священника, профессора философии. Окончил Вустерский колледж (1913) и Принстонский университет: магистр (1914) и доктор (1916). С 1916 проработал год преподавателем физики в Миннесотском университете, затем инженером-исследователем в "Вестингаус лэмп компани" (Питсбург). С 1919 провел год в Кавендишской лаборатории. В 1920-23 и 1953-61 – профессор университета Дж.Вашингтона (Сент-Луис) (1945-53 – ректор), в 1923-45 – Чикагского университета, в 1942-45 возглавлял Металлургическую лабораторию.

    Работы  в области атомной и ядерной  физики, физики космических лучей. Открыл явление изменения длины волны рентгеновского излучения при рассеянии его электронами вещества (эффект Комптона) и независимо от П.Дебая построил его теорию (Нобелевская премия, 1927). Наблюдал явление полного внутреннего отражения рентгеновских лучей и разработал метод измерения их длины волны. В 1932 открыл (независимо от Я.Клея) широтный эффект космических лучей и наличие в них заряженных частиц, в 1921 пришел к идее спина.

    Одновременно  с получением подтверждения своей  правомочности продолжалось и развитие самой квантовой теории. Предложенный Бором механизм испускания и поглощения излучения создал предпосылки для переосмысления взаимодействия материи и излучения.

    Бор Нильс Хенрик Давид (07.10.1885–18.11.1962) –  датский физик, член Датского королевского общества (1917, с 1939 – президент), более 20 академий наук, иностранный член АН СССР (1929), медали Планка, Копли и др., в его честь назван 105 химический элемент - нильсборий. Родился в Копенгагене в семье профессора физиологии. Окончил Копенгагенский университет (1907), там же получил степень магистра (1909) и доктора (1911). В 1911-12 работал в Кембридже у Дж.Дж.Томсона, в 1912-13 – в Манчестере у Э.Резерфорда. С 1916 – профессор Копенгагенского университета и с 1920 – директор созданного им Института теоретической физики (Институт Нильса Бора).

    Важная  заслуга Бора состояла в том, что  он нашел принципиально новый  подход для создания физической картины  атомных процессов. Он ориентировал физиков на исследование противоречивых сторон физической реальности микромира, сформулировал идею о дискретности энергетических состояний атомов, в свете новых идей построил атомную модель, открыв условия устойчивости атомов, и объяснил большой круг явлений.

    В 1913, исходя из идеи М.Планка о квантовании энергии с использованием модели атома Резерфорда, Бор создал теорию водородоподобного атома, основанную на двух постулатах, которые прямо противоречили классическим представлениям и законам. Он постулировал наличие в атоме стационарных разрешенных орбит, двигаясь по которым электрон не излучает энергию, но может перейти на другую разрешенную орбиту, испустив или поглотив при этом квант энергии, равный разности энергий атома в этих стационарных состояниях. Бор разработал некоторые правила квантования, нашел основные законы спектральных линий и электронных оболочек атомов. В 1923 объяснил особенности периодической системы химических элементов, предложив свой вариант ее изображения, и пришел к представлению об оболочечной структуре атома, основанной на классификации электронных орбит по главному и азимутальному квантовым числам. За создание квантовой теории планетарного атома в 1922 награжден Нобелевской премией.

    В 1918 Бор сформулировал важный для  новой атомной теории принцип  соответствия, показывающий, когда именно существенны квантовые ограничения, а когда можно пользоваться и классической физикой. В 1927 сформулировал важный для понимания квантовой механики принцип дополнительности.

    Бор много сделал и для развития ядерной  физики. В 1936 предложил теорию составного ядра, он является одним из создателей капельной модели ядра и теории деления атомного ядра, предсказал спонтанное деление ядра.

    Бор создал большую интернациональную  школу физиков: Ф.Блох, О.Бор, В.Вайскопф, О.Клейн, Х.Крамерс, Л.Д.Ландау, А.Пайс, Л.Розенфельд, Дж.Уилер и др.

    В 1917 г. Эйнштейн внес крупный вклад  в квантовую теорию, предложив  статистические законы электронных  переходов в атоме, в соответствии с которыми вероятность переходов  пропорциональна интенсивности  излучения и числу возбужденных атомов. Используя такие представления, ему удается получить формулу Планка, не прибегая к использованию аналогий с линейными осцилляторами. Одновременно обостряется проблема волна-частица, т.к. при элементарном акте излучения происходит испускание импульса в совершенно случайном направлении, что исключало описание излучения с использованием представлений сферических волн. Причем это уже было не расхождение между различными учеными 18 века, которые для объяснения одних и тех же явлений привлекали либо волновую, либо корпускулярную теорию. В 20 веке противоречие содержалось в самой физике: одни явления (дифракция) интерпретировались с волновых позиций, а другие (фотоэффект) - с корпускулярных.