Н.В. Карлов, Н.А. Кириченко - Начальные главы квантовой механики (1129353), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Прн этом он гениально определил главный параметр классификации — атомный вес элемента. Впоследствии оказалось, что за атомным весом скрывается иная, еще более фундаментальная характеристика атома электрический заряд его ядра. Квантовая механика, позволившая понять, как строится таблица элементов Менделеева, являет собой пример научной парадигмы, идеи которой Предисловие пронизывают весь корпус современного физического знания .
- от спектроскопии и взаимодействия света с веществом до физики атомного ядра, от физики твердого тела до квантовой электроники. Опьп преподавания, бакалаврские и магистерские экзамены по физике, иногда экзамены кандидатского минимума по той или иной конкретной дисциплине физического плана показывают, что очень часто студенты имеют весьма смутные, чтобы не сказать фантастические, прелставления о смысле и возможностях квантовой механики, равно как и о чисто рабочей необходимости знать и понимать ес.
Только у тех из них. кто добросовестно прошел тяжелый путь постижения теоретической физики, следуя, например, многотомному курсу Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица, вырабатывается правильное понимание всех этих проблем. Но далеко не все сгюсобны к серьезному изучению теоретической физики, да и не всем это на самом деле нужно. Вывод очевиден. Необходима книга, которая бы возможно более просто, но вместе с тем достаточно полно рассказывала об основных законах квантовой механики, показывала, как они работают в конкретных задачах физики, а обучаемому облез чала постижение в будущем соответствующих разделов курса теоретической физики.
Что касается стиля книги, то мы стремились изложить не только и не столысо формальную часть квантовой механики, но имели целью создать цельную, ясную картину. Для этого мы часто сочетали описательный полхол с формальным, прибегая к словесньв| рассуждениям, позволяющим лучше понять физику, скрытую в формулах. Современному студенту, "технократически" ориентированному и "компьютерно" подготовленному, довольно трудно следить за словесными рассуждениями, и не всегда сопровождаемыми формулами и выкладками. Здесь следует напомнить, что в физике рассуждение, логический анализ, изложение и обсуждение предложений и гипотез играют зачастую определяющую роль. Поэтому надо стараться не относиться к словесности как к бесполезной траге бумаги или как к пустому сотрясению воздуха. Помимо основной части мы включили в книгу раздел "Семинар", где в виле задач рассмотрели некоторые дополнительные вопросы, не отраженные в главах.
Эти вопросы в действительности заслуживают самого пристального внимания, но либо их изложение несколько громоздко, либо они представляют собой некоторый отход от центральной линии книги. К сохгалению, лаяеко не все вопросы квантовой физики получили отражение в книге. Это, в частности, квантовая физика твердого тела, теория металлов и полупроводников, теория сверхпроводимости, квантовый эффект Холла, ядерные реакции и физика элементарных частиц. Все эти вопросы должны быть рассмотрены в отдельной книге.
Наконец, говоря о содержании книги, мы должны отметить, что отбор материала отражает наши личныс биографии в науке, наши интересы, образованце, полученное нами в свое время на ФТФ МГУ и в МИФИ. ГЛАВА КВАНТОВАЯ ДИСКРЕТНОСТЬ СВЕТА Маипяйая -- ко шчество, выичява, размеры, 1зисгег!вя отдеяьво,раздеяьво, вроэы (из латинско-русского словаря) Настояшсй главой мы на гинасм изложение одного из ваэкнейших разделов физики. Квантовая механика возникла в начале ХХ-го века, и вскоре ее методы глубоко проникли в физику Экспериментальные корни квантовой физики уходят далеко в классическую физику Х1Х-го столетия.
В этой книге мы нс будем следовать истории развития идей и накопления экспериментальных фактов. Разбирая тс нли нные физические явления, важныс сами по себе, мы покажем, как проявляется в них квантовая природа материального мира или, точнее, как из анализа этих явлений с неизбежностью следует мысль о квантовой природе мира. Лишь после этого мы сформулируем основные положения квантовой теории, на этой основе рассмотрим на>иные аспекты строения вещества и ознакомимся с некоторыми разделами современной физики, в частности квантовой электроникой и ядерной физикой. 1.1.
Непрерывное и дискретное Из курса молекулярной физики известно. что вещество построено из молекул, атомов, ионов. Твсрдглс, жидкис и газообразные тела состоят из частиц конечной массы и размеров. Масса молекулы водорода, Нз, например, составляет 3,3 10 зл и Масса какой-либо порции водорода может изменяться только на целое число порций, кратных массе молекулы водорода. Это означает, что масса прерывна, дискретна. Химические закономерности показывают, что молекула водорода может быть разбита на две одинаковыс части. Говоря иначе — молекула водорода состоит из двух атомов водорода. Мы нс будем напоминать здесь всю ту логику развития идей молекулярно-кинетической теории, знакомство читателя с которыми предполагается.
Подчеркнем только, что все содержание курса молекулярной физики должно было, в частности, утверждать изучаюшего в мысли, чго всв тела состоят из атомов малых дискретных частаа. Или другой пример. Подобно газовому потоку, электрический ток состоит из атомов электричества — электронов, масса каждого из которых примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода. Дискретный характер электричества нс только проверяется опытом Ыилликсна, который каждый студент с большим, а чаше с меньшим успехом проделывает на физическом практикуме, но и проявляется характерным и для экспериментатора очень неприятным дробовым шумом электронных приборов.
э 'э Гл. !. Кваээпэавая сзиырепэнаспэь света Итак, для вещества характерна, и это хорошо известно, дискретная, нс непрерывная, структура, Ио столь жс хороэдо известно, что существует большой класс физических явлений, для которых характерна непрерывность.
Это, прежде всего, — — волновыс процессы, процессы передачи энергии волной, например электромагнитной волной, световой волной. Вся совокупность дифракционных. интсрфсрснционных и поляризационных опытов убеждает нас в том, что элскэромагнитнос излучение — это волна, но волна, несущая энергию. Прямолинейность распространения света надежно объяснена методом зон Френеля. Поток энергии, которую несет волна, определяется значением вектора Умова — Пойнтинга Я = — — !ЕН1, где Е и Н векторы наяп пряжснности электрического и магнитного поля волны.
В случае плоской монохроматичсской волны эти поля записываются как Е = Еовш(ае — Еэ:), Н =-Нээвш(эа~ — Еэ:). где Ес и Нс амплитуды. /с волновос число,:г координата вдоль направления распространения волны. Это все означает, что энергия волны непрерывна. По самому смыслу этой записи она может меняться как угодно малыми порциями. После отказа от ньютоновской корпускулярной теории истечения света оптика приппа к чисто волновым представлениям, которые развивались от чисто механических волн к волнам электромагнитным. И волны эти были непрерывными. Другой пример — частица, материальная точка массы ш, летящая со скоростью У.
Ес кинетическая энергия равна шрв/2, а сс импульс — — шЪ . И для конкретной заданной частицы и энергия, и импульс изменяются нспрсрьэвно с изменением скорости. Таким образом, сложилась следующая картина мира — вещественный мир атомистичсн, т. с. вещество состоит из мельчайших дискретных частиц -- атомов того или иного вида, а энергия этих частиц н поле их излучения — непрерывны. 1.2. Удьтрафиояетовая катастрофа Очень скоро, однако, эта стройная концепция в таком прямом виде рухнула. Читатель этой книги, конечно, уже хорошо знает, что неравномерно движуэцисся электрические заряды излучают элскгромагнитньэс волны. Свет — это электромагнитная волна, что надежно установила максвслловская теория электромагнстизма, блестяще подтвержденная опытами Г.
Горла и вытекающими из них изобретениями А. С. Попова и Г. Маркони. Поэтому естсствеины были попытки прэлмснить электромагнитный подход к такому на псрвый взгляд простому и вульгарному явлению, как свечение тел при их нагревании. Иа этом этапе рассмотрения мы сознательно пока воздержимся от введения понятия тсплового излучения. Это мы сделаем позднее. Сейчас для нас Б2. Ультрафаолетоеая катастрофа достаточно рассмотреть грубу1о картину; нс привлекая при анализе точных дефиниций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
