Вопросы экзамена по физике для вечерников МАИ (552436), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Введение в теорию движения частиц условий, адекватных волновой оптике, было осуществлено Шредингером.

Волновая функция и ее статистический смысл.

И гипотеза де Бройля, и соотношения неопределенности, являющиеся следствиями атомизма (дискретности) действия, указывают на необходимость учета волновых свойств в поведении частиц вещества и на наличие объективной неопределенности в этом поведении. Обе эти особенности квантовомеханического движения находят свое выражение в том, что состояние движения микрочастицы задается не координатами и импульсами (то есть, траекторно), а некоторой волновой функцией координат и времени (x, y, z, t), являющейся в общем случае комплексной. В простейшем случае – движения свободной частицы (в отсутствие внешних силовых полей) в направлении , - такая функция (волновая), имеет вид плоской волны: - плоская волна де Бройля,

где  = -1 – мнимая единица, = k / - волновой вектор, а | | = k = 2/ - волновое число.

Эта волновая функция отличается от обычной гармонической волны тем, что
является комплексной, т. е. содержит в себе в общем случае и действительную, и мнимую части:

.

Задание состояния движения микрочастицы с помощью волновой функции приводит к вероятностному характеру предсказания значений будущих местоположения и импульса движущейся частицы. Вероятностная закономерность в классической статической механике была обусловлена суммированием многообразных независимых альтернатив. Вероятность же в квантовой механике связана с объективной неопределенностью вследствие атомизма взаимодействия, не позволяющего сколь угодно точно детализировать характеристики движения частицы.

М. Борном (1928 г) была предложена статистическая трактовка волновой функции, в соответствии, с которой наглядный физический смысл приписывается квадрату модуля волновой функции. Этот смысл является статистическим; он представляет собой плотность вероятности обнаружения частицы в заданном объеме в данный момент времени:

, где dV = dхdydz - элементарный объем (или элемент объема).

Задание волновой функции – основной функции, характеристики состояния частицы позволяет определить вероятность dР местоположения частицы в любом элементе dV пространства:

ибо  - может быть и мнимой, и тогда ² оказывается отрицательной, тогда как вероятность всегда положительна.

Вероятность Р местонахождения микрочастицы в конечном объеме V определится интегралом:

Р = dР =

На волновую функцию, как функцию статистического (вероятностного) распределения, накладывается условие нормировки, согласно которому интеграл по всей области определения (объему) волновой функции должен быть равен единице: .

Интеграл от плотности вероятности по всему объему представляет собой полную, т. е. 100 % - ую вероятность, вероятность достоверного события. Частица (если она существует) в каком-либо месте из всей доступной для нее области, должна обнаруживаться обязательно, со 100 % - ой вероятностью.

Условие нормировки позволяет находить амплитуду волновой функции.

Зная волновую функцию, можно вычислять средние значения любых величин , являющихся функциями координат и времени по формуле:

,

а также вероятности любых других значений этих величин.

Волновую функцию, в соответствии с ее статистическим, вероятностным смыслом, часто называют амплитудой вероятности, или, еще - волной информации. В отличие от известных ранее волн, имеющих ту или иную конкретную материальную природу, волновая функция, в том числе и волна де Бройля, представляет лишь адекватный способ описания движения объектов в микромире. Ее природа не материальная, а информационная, адекватная корпускулярно - волновой двойственности свойств, проявляющихся при малых взаимодействиях, где заметной становится дискретность, квантованность действия, наличие его неделимой порции, равной постоянной Планка = 1,0510^-34 Джс.

Вероятностное толкование волновой функции позволяет сочетать волновые свойства частицы с ее неделимостью. Волновая функция частицы не описывает струкуру частицы; она отображает лишь возможные состояния ее движения.

Волновая функция лишь приписывается, сопоставляется движущейся частице, как функция, определенным образом характеризующая, отображающая состояние ее движения, позволяющая предсказывать дальнейший характер и характеристики движения. То, что такое предсказание является неоднозначным, вероятностным, свидетельствует об ограниченности привычного для макромира и классической механики однозначного детерминизма. В микромире однозначно предсказываются лишь вероятности тех или иных значений координаты и импульса движущейся частицы.

Вопрос № 7 Соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Соотношения неопределенности как проявление корпускулярно - волнового дуализма свойств материи.

Объективно существующая корпускулярно - волновая двойственность в свойствах микрообъектов не позволяет рассматривать их движение как происходящее по траектории (в частности, по орбите для электрона в атоме). Это наглядное, но чисто классическое корпускулярное представление основано на положении о том, что у движущегося объекта в каждый момент времени существуют точные значения координаты (местоположения) и импульса. Таким образом, учет волновых свойств в микрообъекте обусловливает ограничение применения к нему представлений о возможности определения (и существования у него) одновременно точных значений координаты и импульса. Более строго это ограничение классических представлений применительно к микрообъектам было записано В. Гейзенбергом в следующих соотношениях неопределенности Гейзенберга (СНГ):

; ; , где x и p_x, у и p_у, z и p_z - абсолютные погрешности (неточности, неопределенности) координаты и импульса микрочастицы.

В соответствии с этими соотношениями, при одновременном определении сопряженных (вдоль одной оси) координаты и импульса произведение их абсолютных погрешностей не может быть меньшим постоянной Планка¹² . По отдельности, порознь, координата и импульс микрочастицы могут быть померены сколь угодно точно, или могут иметь совершенно точные значения. Но если у частицы точно определено местоположение, то тогда совершенно неопределенным будет ее импульс. И наоборот, как, например, у свободной частицы, движущейся с известной скоростью, точно определен импульс, но при этом совершенно не определено ее положение. Свободную частицу с равной вероятностью можно обнаружить в любой точке пространства: она связана с бесконечной в пространстве и времени плоской волной де Бройля. Соотношение неопределенностей запрещает покой, ибо он требует одновременно точных координаты и импульса, то есть и x = 0 и p_х = 0.

Корпускулярно-волновой дуализм ограничивает применимость классических понятий в микромире. Нельзя, например, говорить «импульс частицы в точке х равен р», потому что р = h/, а , по определению, не может быть функцией координаты. Также нельзя ответить на вопрос – «какова частота колебаний маятника в данный момент времени?», поскольку для определения частоты необходимо проследить за многими колебаниями.

С позиции корпускулярно-волнового дуализма и соотношений неопределенности Гейзенберга становится понятным, почему первой величиной, значение которой в теории микрочастиц стало квантоваться, явился момент импульса. Представляя собой, произведение координаты на импульс, момент импульса, по соотношению Гейзенберга, не может быть меньше постоянной Планка , что и было угадано и постулировано в правиле квантования орбит Н. Бором.

Неклассические свойства микрочастиц, так или иначе, имеют связь и обусловленность с наличием кванта действия. Эффект дискретности, квантованности действия, проявляет себя заметным образом лишь в тех объектах, действие S которых соизмеримо с , или взаимодействие, т. е. изменение действия, не сильно превышает . Взаимодействие может отображаться либо кинематически, как изменение пространственно - временной определенности объекта, либо динамически – как изменение динамических мер движения – импульса и энергии объекта. У микрообъектов единовременно, разовое изменение координаты и импульса (за счет элементарного взаимодействия) не может быть меньше , т. е. (изменение импульса на расстоянии ) и, соответственно, изменение энергии системы за время : . Чем меньше время существования какого-либо энергетического состояния (или время, отведенное на измерение энергии), тем менее точно определена (более размыта) его энергия. Примером является размытие (или уширение) спектральных линий атомов, связанное с неопределенностью Е энергий возбужденных уровней, существующих конечное время t.

Соотношения неопределенности Гейзенберга дают принципиальный предел точности классического описания движения по траектории. При больших энергиях частицы (малых длинах волны де Бройля) возможно приближенное описание движения микрочастицы на языке классических траекторий. Электрон в электронно-лучевой трубке может считаться двигающимся по траектории, так как для него при х  10^-4 м (размер луча на экране)  = р/m = /mх = 10² м/с, что много меньше самого значения скорости. В атоме же х = d  10^-10 м (d - диаметр атома) и  = р/m = /mх = 10⁸ м/с, что превышает само значение скорости электрона в атоме. Это означает невозможность представления движения электрона в атоме, как происходящего по определенной траектории. В квантовой теории исчезает понятие орбит Бора – Зоммерфельда.

Вопрос № 8 Уравнение Шредингера для стационарных состояний частиц. Статистический смысл и свойства волновой функции.

Общее (нестационарное) уравнение Шредингера

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)