Вопрос 29.Зарождение и развитие квантовых представлений в естествознании

в начале 20в установили, что законы классической физики не применимы к двум группам явлений: процессы взаимодействия света с вещ-ом(дуализм) и процессы происходящие в атоме.

Оказалось, что эти явления связаны и их можно объяснить в рамках одной теории- квантовой мех-ки.

 

1)Взаимодействие света с вещ-ом. В конце 19в в физике возникла кризисная ситуация «ультрафиолетовая катастрофа»: распределение энергии излучения в спектре абсолютно черного тела, полученное в опытах не удавалось объяснить теоретически на основе классич представлений. Решение проблемы предложил Макс Планк. Он предположил, что э/м энергия может излучаться о поглощаться отдельными малыми порциями- квантами. Энергия кванта зависит от его частоты по формуле E=hV.

В 1905г Эйнштейн объяснил на основе гипотезы квантов явление фотоэффекта (вырывания электронов из мет под действием света). Оказалось, что свет можно представить как поток отдельных неделимых частиц – квантов, которые движутся в пустоте со скоростью света.

В 1926г кванты света назвали фотонами. Опыты подтвердили, что фотоны реально существуют (эффект Комптона – раасеивание рентгеновских лучей своб.ее).

В 1923г Луи де Бройль предположил, что частицы вещества наряду с корпускулярными свойствами должны обладать и волновыми. Каждой частице можно приписать длину волны l=h/mv.

В 1927г эту гипотезу подтвердили опыты Девиссона и Джервера, где была зафиксирована дифракция эл-на (волновое св-во).

Т.О. э/м волны проявляют св-ва волн и частиц и частицы вещества прявл св-ва волн и частиц. Эту особенность назвали корпускулярно- волновым дуализмом. Его невозможно объяснить с позиции классич физики. На уровне макроявлений корпускулярное и волновое описание явл строго ограничивается. А на уровне микроявл границы размываются и микрообъект в зависимости от условий наблюдения может проявлять либо карпуск либо волновые св-ва. Например в атоме эл-ны «существуют» не в виде частиц, а в виде некоторых волн. Их движение описывает волновое Ур-е Шредингера.

 2) Процессы происходящие в атоме.

1903г – модель атома Томсона 2булочка с изюмом». Положительно заряж сфера с вкрапленными в нее Эл-ми(-)

в 1907г Резерфорд в результате опытов по рассеиванию альфа-частиц атомами золота показал, что модель Томсона неверна и в атомах сущ-т ядра, в кот сосредоточена почти вся масса атома.

В 1911г Резерфорд предложил планетарную модель атома. Эта модель противоречила законам классич физики и не объясняла наблюдаемые линейные спектры атома.

В 1913г Нильс Бор предложил 2 постулата, несовместимые с кл физ:

                           1)в атомах сущ-т стационарные орбиты, вращаясь по кот эл –н не излучает и

                            2) при мгновенном переходе эл-на с орбиты Е2 на орбиту Е1 испускается (поглощается) квант света с энергией hv=E2-E1 так возникает линейчатый спектр атома.

В 1913-14г существование уровней энергии в атомах подтвердили опыты Герца.

Но модель Бора не могла объяснить:

                   1. спектры атомов более сложных чем водород

                   2. как движутся эл-ны при переходе с одной орбиты на др «мгновенный переход»

                   3. как из атомов образуются мол более сложных в-в.

Эти трудности разрешила новая теория квант мех. Согласно гипотизе Де Броля эл вращающийся вокруг ядра можно представить как волну, а стационарные орбиты Бора, это те орбиты в доль которых укладывается целое число длин волн.

Идеи Де Броля не были теорией до 1926г, когда Шредингер нашел Ур-е которому должны подчиняться электр. Волны. Это Ур-е позволяет определить волновую функцию или пси-функцию, кот полностью описывает состояние эл в атоме.

В 1926г Макс Борн установил физич смысл пси-функции, доказал, что квадрат ее модуля определяет вероятность нахождения микрообъекта в том или ином месте пр-ва.

В 1927г Гейзенберг получил соотношение неопределенностей: невозможно одновременно точно измерить сопряженные переменные.

 

 

В 1927г Нильс Бор выдвинул принцип дополнительности, предложив физич интерпретацию результатов квантовой мех.

Квантовая механика позволила:

1)Изучить св-ва элем.частиц

2) Объяснить строение материалов

3) Получить объяснение сверхтекучести, сверхпроводимости т.д.

4) объяснить природы белых карликов

5)Объяснить природу черных дыр

6) объяснить строение звезд и механизма их свечения

Вопрос 30.Квантовая механика как пример статистической теории. Описание состояния и движения микрообъектов. Принцип суперпозиций квантовых сил.

Основной величиной, характеризующей квантомеханич системы является т/д волновая функция.

Физ смысл имеет не сама функция, а квадрат ее модуля     , кот имеет смысл плотности вероятности обнаружить объект в данном месте пр-ва.

Микрообъект может быть обнаружен в любом месте пространства, где волновая функция отлична от 0.

Для волновых ф-ций справедлив принцип суперпозиций:

«Если частица может находится в состоянии, к-е описывается,и в состоянии                                                    ,      , то она может по принципу суперпозиции и в состоянии                                                                                                                        ,        к-е является лин. комбинацией   и      :

                                                                                                                       »                                                        Такое описание микрообъектов с помощью волновых функций является полным и исчерпывающим. Другую теорию достоверно указывающую траекторию частицы создать принципиально нельзя.

Пример: у нас есть 2 упругие стенки, м/д кот бегает частица. В любой момент времени положение частицы можно определить(Кл физ). Пусть м/д стенками находится микрообъект(квант мех). Микрообъект в любой момент времени находится с равной вероятностью в нескольких точках пр-ва и может быть обнаружен в точке пр-ва, в кот волновая функция отлична от нуля.

 

Основное Ур-е квантовой мех – Ур-е Шрединберга, оно позволяет по значению волновой функции в начальный момент времени однозначно определить значение волновой функции в любой последующий момент времени.