Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Історія квантової механіки



Напівкласична модель атома водню, висунута Бором в 1913 році на підставі планетарної моделі атома Резерфорда і власних постулатів

Історія квантової механіки бере свій початок 14 грудня 1900 р., коли Макс Планк запропонував теоретичний висновок про співвідношення між температурою тіла і випускаються цим тілом випромінюванням, висновок, який довгий час вислизав від інших вчених. Як і його попередники, Планк припустив, що випромінювання випускають атомні осцилятори, але при цьому вважав, що енергія осцилляторов (і, отже, що випускається ними випромінювання) існує у вигляді невеликих дискретних порцій, які Ейнштейн назвав квантами. Енергія кожного кванта пропорційна частоті випромінювання. Хоча виведена Планком формула викликала загальне захоплення, ухвалені ним допущення залишалися незрозумілими деякий час, так як суперечили класичній фізиці. В 1905 р. Альберт Ейнштейн скористався квантової теорією для пояснення деяких аспектів фотоелектричного ефекту - випускання електронів поверхнею металу, на яку падає ультрафіолетове випромінювання. Попутно Ейнштейн відзначив парадокс: світло, про яке впродовж довгого часу було відомо, що він поширюється як безперервні хвилі, при поглинанні і випромінюванні проявляє дискретні властивості.

Приблизно через вісім років Нільс Бор поширив квантову теорію на атом і пояснив частоти хвиль, що випускаються атомами, збудженими у полум'ї або в електричному розряді. Ернест Резерфорд показав, що маса атома майже повністю зосереджена в центральному ядрі, несучому позитивний електричний заряд і оточеному на порівняно великих відстанях електронами, несучими негативний заряд, внаслідок чого атом у цілому електрично нейтральний.

Бор припустив, що електрони можуть знаходитися тільки на певних дискретних орбітах, відповідних різним енергетичним рівням, і що "перескок" електрона з однієї орбіти на іншу, з меншою енергією, супроводжується випусканням фотона, енергія якого дорівнює різниці енергій двох орбіт. Частота, з теорії Планка, пропорційна енергії фотона. Таким чином, модель атома Бора встановила зв'язок між різними лініями спектрів, характерними для випускає випромінювання речовини, і атомної структурою. Незважаючи на початковий успіх, модель атома Бора незабаром зажадала модифікацій, щоб позбутися від розбіжностей між теорією та експериментом. Крім того, квантова теорія на тій стадії ще не давала систематичної процедури вирішення багатьох квантових задач. Однак стало ясно, що класична фізика не здатна пояснити той факт, що рухається з прискоренням електрон не падає на ядро, втрачаючи енергію при випромінюванні ел.-м. хвиль.

Нова істотна особливість квантової теорії проявилася в 1924 р., коли Луї де Бройль висунув радикальну гіпотезу про хвильовому характері матерії: якщо електромагнітні хвилі, наприклад світло, іноді ведуть себе як частки (що показав Ейнштейн), то частинки, наприклад електрон за певних обставин, можуть вести себе як хвилі. Таким чином в мікросвіті стерлася межа між класичними частками і класичними хвилями. У формулюванні де Бройля частота, відповідна частці, пов'язана з її енергією, як у випадку фотона (частки світла), але запропоноване де Бройля математичний вираз було еквівалентним співвідношенням між довжиною хвилі, масою частинки і її швидкістю (імпульсом). Існування електронних хвиль було експериментально доведено в 1927 р. Клінтоном Дж. Девіссон і Лестером Х. Джермером в Сполучених Штатах і Джорджем Паджет Томсоном в Англії.

У свою чергу це відкриття привело до створення в 1933 р. Ернстом Руської електронного мікроскопа.

Під враженням від коментарів Ейнштейна з приводу ідей де Бройля Ервін Шредінгер зробив спробу застосувати хвилеве опис електронів до побудови послідовної квантової теорії, не пов'язаної з неадекватною моделлю атома Бора. У відомому сенсі він мав намір зблизити квантову теорію з класичною фізикою, яка нагромадила чимало прикладів математичного опису хвиль. Перша спроба, зроблена ним в 1925 р., закінчилася невдачею. Швидкості електронів в теорії Шредінгера були близькі до швидкості світла, що вимагало включення в неї спеціальної теорії відносності Ейнштейна і врахування пророкує нею значного збільшення маси електрона при дуже великих швидкостях.

Однією з причин спіткала Шредінгера невдачі було те, що він не врахував наявності специфічного властивості електрона, відомого нині під назвою спина (обертання електрона навколо власної осі на зразок дзиги, однак таке порівняння не зовсім коректно), про який в той час було мало відомо. Наступну спробу Шредінгер зробив у 1926 р. Швидкості електронів на цей раз були вибрані ним настільки малими, що необхідність в залученні теорії відносності відпадала сама собою. Друга спроба увінчалася висновком хвильового рівняння Шредінгера, що дає математичний опис матерії в термінах хвильової функції. Шредінгер назвав свою теорію хвильової механікою. Рішення хвильового рівняння перебували у згоді з експериментальними спостереженнями і надали глибоке вплив на подальший розвиток квантової теорії. В даний час хвильова функція лежить в основі квантовомеханічної опису мікросистем, подібно рівнянням Гамільтона в класичній механіці.

Незадовго до того Вернер Гейзенберг, Макс Борн і Паскуаль Йордан опублікували інший варіант квантової теорії, отримав назву матричної механіки, яка описувала квантові явища з допомогою таблиць спостережуваних величин. Ці таблиці являють собою певним чином впорядковані математичні безлічі, звані матрицями, над якими за відомими правилами можна робити різні математичні операції. Матрична механіка також дозволяла досягти згоди з спостерігаються експериментальними даними, але на відміну від хвильової механіки не містила ніяких конкретних посилань на просторові координати або час. Гейзенберг особливо наполягав на відмові від будь-яких простих наочних уявлень чи моделей на користь лише таких властивостей, які могли бути визначені з експерименту, так як за його міркувань мікросвіт має принципово інший пристрій, ніж макросвіт на увазі особливої ​​ролі постійної Планка, несуттєвою в світі більших величин.

Шредінгер показав, що хвильова механіка і матрична механіка математично еквівалентні. Відомі нині під загальною назвою квантової механіки, ці дві теорії дали довгоочікувану загальну основу опису квантових явищ. Багато фізики віддавали перевагу хвильової механіки, оскільки її математичний апарат був їм більш знаком, а її поняття здавалися більш "фізичними"; операції ж над матрицями - більш громіздкими.

Незабаром після того, як Гейзенберг і Шредінгер розробили квантову механіку, Поль Дірак запропонував більш загальну теорію, в якій елементи спеціальної теорії відносності Ейнштейна поєднувалися з хвильовим рівнянням. Рівняння Дірака застосовне до часткам, що рухаються з довільними швидкостями. Спін і магнітні властивості електрона слідували з теорії Дірака без яких би то не було додаткових припущень. Крім того, теорія Дірака пророкувала існування античастинок, таких, як позитрон і антипротон, - двійників частинок протилежними за знаком електричними зарядами.


Література


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Парадокси квантової механіки
Інтерпретація квантової механіки
Математичні основи квантової механіки
Факультет фізичної і квантової електроніки МФТІ
Формулювання квантової теорії через інтеграли по траєкторіях
Інститут точної механіки та обчислювальної техніки імені С. О. Лебедєва
Санкт-Петербурзький національний дослідницький університет інформаційних технологій, механіки та оптики
Історія
Історія
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru