Квановая механика

Лист замечаний.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лист заданий.

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

    2. Основные принципы квантово-механического описания.

ІІ. 1. В чем заключается  проблема создания «единой теории поля». Раскройте подробно.

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

ІІІ. 1. За какое выдающееся открытие два советских физика и  один американский были удостоены в 1963 г. Нобелевской премии. Как оно связано с квантовой механикой.

       2. Как  Вы понимаете положение, что  квантовомеханическое описание  природы носит неклассический  характер. Что означает термин  «неклассический».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

Введение.

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

    2. Основные принципы квантово-механического описания.

ІІ. 2. Чем отличаются статистические закономерности в природе от динамических. Приведите примеры.

ІІІ. 1. За какое выдающееся открытие два советских физика и  один американский были удостоены в  1963 г. Нобелевской премии. Как оно связано с квантовой механикой.

Заключение.

Список использованной литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

В истории развития физики было немало революций, кардинально  изменявших научную парадигму и  взгляды ученых на методы познания и устройство мира. Однако то, что  произошло с естествознанием  в первой четверти XX века, не было очередной  сменой основных законов. Если раньше все в окружающем нас мире было предсказуемо, то с появлением квантовой  механики он стал случайным.

Слово «квант» происходит от латинского quantum («сколько, как много») и английского quantum («количество, порция, квант»). «Механикой» издавна принято  называть науку о движении материи. Соответственно, термин «квантовая механика»  означает науку о движении материи  порциями (или, выражаясь современным  научным языком науку о движении квантующейся материи). Термин «квант»  ввел в обиход немецкий физик Макс Планк для описания взаимодействия света с атомами.

Итак, квантовая механика - теория, которая устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 величин  и корпускулярно - волновом дуализме. Идея квантования сформировалась на основе ряда открытий в конце XІX - начале XX веков.

В 1897 г. 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 изменятся 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.

 

 

I. 2. Основные принципы  квантово - механического описания

2.1 Принцип наблюдаемости

Согласно принципу наблюдаемости, сформулированному одним из основателей  квантовой механики В. Гейзенбергом, «разумно включать в теорию только величины, поддающиеся наблюдению…»

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.

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 макро условиями 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.

Квантовая механика описывает  поведение реальных, а не мифических частиц, но посредством особых концептуальных средств, иных, чем те, которые использовала классическая физика, и от которых пришлось отказаться под давлением экспериментальных фактов.

2.3 Соотношение неопределенностей.

Как было впервые подмечено  В. Гейзенбергом, измеряемые значения координат квантовых объектов и  их импульсов подчиняются соотношениям:

Х Рх> ђ, У Ру > ђ, Z Рz > ђ,

Соотношения Гейзенберга  свидетельствуют о том, что чем определеннее значение одного из параметров, входящих в указанные соотношения, тем неопределеннее значение другого параметра, и, наоборот, чем больше неопределенность координаты, тем меньше неопределенность импульса: имеется в виду, что оба параметра измеряются одновременно.

Соотношение неопределенностей  Гейзенберга вытекает непосредственно  из квантово-механического формализма. Анализ показал, что соотношение  неопределенностей выполняется  для тех величин, операторы которых  не коммутируют друг с другом. Соотношения  неопределенностей Гейзенберга  как показывают простейшие подсчеты, являются следствием наличия некоммутирующих  операторов. Иначе говоря, природа  квантовых объектов такова, что взаимосопряженные (т.е. соотносящиеся с некоммутирующими операторами) величины связаны друг с другом уравнением неопределенностей, в случае взаимосопряженных параметров. Одновременно точно можно измерить лишь те величины, которым соответствуют  коммутирующие друг с другом операторы.