KSE3 (1153099), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Основная характеристика его дискретности – присущая ему порция энергии– вычислялись через чисто волновую характеристику – частоту.Как и все великие естественно-научные открытия, новое учение о свете имелофундаментальное теоретико-познавательное значение.Развивая представления М. Планка и А. Эйнштейна, французский физик Луи де Бройльв 1924 г. выдвинул идею о волновых свойствах материи.
В работе «Свет и материя» онписал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления нетолько в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и в теорииматерии.JI. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущивсем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическимтелам.Согласно де Бройлю, любому телу с массой т, движущемуся со скоростью v,соответствует волна длиной λ = h/(mv).Фактически аналогичная формула была известна раньше, но только применительно кквантам света – фотонам.В 1926 г.
австрийский физик Э. Шредингер создал «волновую механику» на базевыведенного им уравнения для нового объекта – волновой функции. В квантовоймеханике уравнение Шредингера играет такую же фундаментальную роль, как уравнениедвижения Ньютона в классической механике и уравнения Максвелла в классическойтеории электромагнетизма.Согласно сведениям, столь распространенным среди физиков, случилось это так: в1926 г.
Э. Шредингер выступал на научном семинаре в Цюрихском университете. Онрассказывал о странных новых идеях, витающих в воздухе, в том числе о том, что объектымикромира часто ведут себя скорее как волны, нежели как частицы. Тут слова попросилпожилой преподаватель и сказал: «Шредингер, вы что, не видите, что все это чушь? Илимы тут все не знаем, что волны – они на то и волны, чтобы описываться волновымиуравнениями?» Шредингер воспринял это как личную обиду и задался целью разработатьволновое уравнение для описания частиц в рамках квантовой механики – и с блескомсправился с этой задачей.Шредингер применил к понятию волн вероятности классическое дифференциальноеуравнение волновой функции Ψ и получил знаменитое уравнение, носящее его имя.Подобно тому, как обычное уравнение волновой функци и описывает распространение,например ряби по поверхности воды, уравнение Шредингера описывает распространениеволны вероятности нахождения частицы в заданной точке пространства.
Пики этой волны(точки максимальной вероятности) показывают, в каком месте пространства, скорее всего,окажется частица.Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволилапостроить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства всех элементарныхчастиц света в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментомвсеобщего строения микромира.Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтверждении.
Наиболееубедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвиссоном (1881–1958) и Л. Джермером (1896–1971). В дальнейшем были выполнены опыты пообнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результатыполностью подтверждали гипотезу Бройля.
Еще более важным было открытие новыхэлементарных частиц, предсказанных на основе системы формул развитой волновоймеханики.Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим.Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так иволновых свойств.Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или вконечной области пространства, тогда как волна распространяется ПОогромнымпространствам.Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теориипроизошло благодаря работам немецкого физика В.
Гейзенберга, установившего принципнеопределенности, и датского физика Н. Бора, сформулировавшего принципдополнительности, на основе которых описывается поведение микрообъектов.Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заключается в следующем. Дляопределения состояния движущейся частицы согласно законам классической механики,необходимо было бы определить координаты частицы и ее импульс (количестводвижения).
Но законы классической механики для микрочастиц применяться не могут,ибо невозможно с одинаковой точностью установить местонахождение и количестводвижения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. Всвоей книге «Физика атомного ядра» Соотношения неопределенностей.
В. Гейзенбергаустанавливает, что чем точнее определяется координата положения микрочастицы, тембольше неопределенность значения ее импульса, и наоборот.. 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 точномизмерении скорости нельзя определить местоположение частицы.Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов, должна опиратьсялибо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описаниипроводится измерение движения микрочастицы (например, при рассеивании электронов).При экспериментах, направленных на точное определение местонахождения, напротив,используется волновое объяснение, в частности, при прохождении электронов черезтонкие пластинки или при наблюдении отклонения лучей.Существование элементарного кванта действия служит препятствием для установленияодновременно и с одинаковой точностью величин, «канонически связанных», т.е.положения и количества движения частицы.В 1927 году Н.
Бор сформулировал принципиальное положение квантовой механики принцип дополнительности: понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то жевремя противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего.Получение экспериментальной информации об одних физических величинах,описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связанос потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Такимивзаимно дополнительными величинами являются, например, координаты частицы и ееимпульс (скорость), потенциальная и кинетическая энергии и др.Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатомнеконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два классаприборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – как частицы.
Вэкспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление,включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом. М. Борн образнозаметил, что волны и частицы – это «проекции» физической реальности наэкспериментальную ситуацию.Ученый, исследующий микромир, превращается, таким образом, из наблюдателя вдействующее лицо, поскольку физическая реальность зависит от прибора, т.е. в конечномсчете от произвола наблюдателя. Поэтому Н.
Бор считал, что физик познает не самуреальность, а лишь собственный контакт с ней.Специфической чертой квантовой механики является вероятностный характерпредсказаний поведения микрообъектов, которое описывается с помощью волновой функции Э. Шредингера. Волновая функция определяет параметры будущего состояниямикрообъекта с той или иной степенью вероятности. Это означает, что при проведенииодинаковых опытов с одинаковыми объектами каждый раз будут получаться разныерезультаты. Однако некоторые значения будут более вероятными, чем другие, т.е. будетизвестно лишь вероятностное распределение значений.Уравнение Шрёдингера не инвариантно относительно преобразований Лоренца,следовательно, оно не может описать поведение микрочастиц, двигающихся соскоростью, близкой к скорости света.
На нерелятивистский характер уравненияШрёдингера в 1927 году обратил внимание английский физик П. Дирак (1902–1984).Описание поведения релятивистских частиц не должно противоречить постулатамспециальной теории относительности. В 1928 году Дирак сконструировал уравнение,которое описывало движение электрона с учетом законов квантовой механики и спе-циальной теории относительности, и получил формулу для энергии электрона, которойудовлетворяли два решения: одно решение давало известный электрон сположительной энергией, другое – неизвестный электрон-двойник, но сотрицательной энергией. Энергия свободной частицы имеет вид Е = ±√(m2c4 + p2c2),где Е, т и р – энергия, масса и импульс частицы соответственно; c – скорость света ввакууме.Для покоящейся частицы ее энергия, называемая энергией покой, равна Е =±тс2. Интервал энергий -тс2 < Е < тс2 является «запрешенным».
В квантовой теорииполя состояние частицы с отрицательной энергией интерпретируется как состояниеантичастицы, обладающей положительной энергией, но противоположнымэлектрическим зарядом. Для электрона существование такой античастицы, обладающейположительным зарядом, равным по модулю заряду электрона, было предсказано в1931 году Дираком. В 1932 году американский физик К. Андерсон (1905–1991) экспериментально обнаружил такую частицу в космических лучах и назвал се позитроном.Так возникло представление о частицах и соответствующих им античастицах, о мирах иантимирах. .Дирак предложил модель «электронно-позитронного вакуума», согласнокоторой в каждой точке пространства существуют в «виртуальном» («ненаблюдаемом»)состоянии электроны и позитроны, которые могут появляться и исчезать лишь парами.Рождение пары может происходить как под действием энергии фотона, так и виртуально, когда пара, просуществовав недолго, уничтожается – аннигилирует.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
