Возникновение и развитие квантовой физики
Гипотеза квантов. В 1809г. Пьер Прево сделал вывод, что каждое тело излучает независимо от окружающей среды. В процессе развития спектроскопии выясняется, что в спектрах поглощения отсутствуют или ослабляются те участки спектра, которые испускаются данным телом. Этот закон получил объяснение только в квантовой теории.
Густав Роберт Кирхгоф в 1860 г. сформулировал новый закон: для излучения одной и той же длины волны при одной и той же температуре отношение испускательной и поглощательной способностей для всех тел одинаково. Также ввел понятие абсолютно черного тела как тела, поглощающего все падающие на него лучи.
Людвиг Больцман показал, что полная энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры. В 1896 г. Вильгельм Вин, а в 1900 г. Джон Рэлей и Джеймс Джине предложили две различные формулы. В результате экспериментов стало ясно, что формула Вина верна лишь в области коротких волн, а формула Рэлея - Джинса - только для длинных волн.
В 1900 г. Макс Планк предложил новую формулу для распределения энергии в спектре черного тела, которая имела смысл только в том случае, если допустить, что излучение энергии происходит не непрерывно, а определенными порциями — квантами (е).
В 1905 г. Эйнштейном была разработана идея квантов света, которая была использована им для объяснения фотоэффекта - свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами.
|
|
|
Теория атома. Принцип соответствия. В свете всех открытий конца XIX в. одной из ключевых стала проблема строения атомов, о которой отмечал Д.И. Менделеев
В 1909-1910 гг., Э. Резерфордом проводил эксперименты по рассеянию α-частиц тонким слоем вещества. В результате была сформулирована планетарная модель атома - атом состоит из положительного ядра меньших размеров, нежели атом (10 -13 см); вокруг ядра вращаются электроны. Общий заряд атома равен нулю, поэтому заряд ядра по абсолютной величине равен n, где n - число электронов в атоме, е — заряд электрона. Число электронов в атоме равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева.
Но модель Резерфорда не объясняла многие выявленные к тому времени закономерности излучения атомов, вид атомных спектров и др.
В1913 г. Нильс Бор предложил более совершенную модель, которая объясняла бы и результаты опытов по рассеянию α-частиц, и устойчивость атома, и сериальные закономерности, и ряд других экспериментальных данных. Бор взял за основу модель атома Резерфорда и дополнил ее новыми гипотезами, которые не следуют или даже противоречат классическим представлениям. Эти гипотезы известны как постулаты Бора. Они сводятся к следующему.
|
|
|
1. Каждый электрон в атоме может совершать устойчивое орбитальное движение по определенной орбите, с определенным значением энергии, не испуская и не поглощая электромагнитного излучения. Всякое изменение энергии в результате поглощения или испускания электромагнитного излучения может происходить только скачком из одного состояния в другое.
2. Электрон способен переходить с одной стационарной орбиты на другую. Только в этом случае он испускает или поглощает определенную порцию энергии монохроматического излучения определенной частоты. Эта частота зависит от уровня изменения энергии атома при таком переходе.
Важным достижением Бора и других исследователей было развитие представления о строении многоэлектронных атомов.
Однако постулаты Бора и многие принципы его теории имели характер непонятных, ни откуда не следуемых утверждений, которые еще должны получить свое обоснование. Кроме того, в некоторых даже довольно простых случаях применение данной теории встречало непреодолимые трудности; например, попытки теоретически рассчитать даже такой, казалось бы, простой атом, как атом гелия, не привели к успеху.
|
|
|
Принцип неопределенности. В 1925г. В.Гейзенберг построил матричную механику; а в 1926 г. Э. Шрёдингер разработал волновую механику, которые являлись различными формами единой теории - квантовой механики.
В. Гейзенберг исследовал спектральные закономерности, которые привели его к представлению об атоме как о системе, состоящей из ядра и вращающихся вокруг него электронов, которые обладают определенной массой и движутся с определенной скоростью по определенной орбите.
Теория атомных явлений, по Гейзенбергу, должна ограничиваться установлением соотношений между величинами, которые непосредственно измеряются в экспериментальных исследованиях («наблюдаемыми» величинами) - частотой излучения спектральных линий, их интенсивностью, поляризацией и т.п. А «ненаблюдаемые» величины (координаты электрона, его скорость, траектория, по которой он движется) не следует использовать в теории атома. Вместо координат и скоростей электрона в его схеме фигурировали абстрактные алгебраические величины – матрицы, которые соотносились с наблюдаемыми величинами простыми правилами.
Шрёдингер в основу волновой механики положил представление о том, что квантовые процессы следует понимать как некие волновые процессы, характеризуемые волновой функцией, которая определяется дифференциальным уравнением («уравнение Шрёдингера»). Это уравнение описывает изменение во времени состояния квантовых объектов, характеризуемых волновой функцией. Если известна волновая функция в некоторый начальный момент, то можно найти волновую функцию в любой последующий момент времени.
|
|
|
Математический аппарат квантовой механики оказался логически непротиворечивым, строгим и изящным, а отношения между математическими и физическими величинами устанавливаются строго и четко. С помощью квантовой теории удалось построить также более совершенные теории твердого тела, электрической проводимости, термоэлектрических явлений, теорию радиоактивного распада, а в дальнейшем она стала базой для ядерной физики и ядерной энергетики.
Принцип дополнительности. Созданный группой физиков в 1925-1927 гг. формальный математический аппарат квантовой механики продемонстрировал свои возможности по количественному охвату эмпирического материала; не оставалось сомнений, что квантовая механика пригодна для описания широкого круга явлений. Ряд физиков считали, что квантовую механику необходимо дополнить принципиально новыми постулатами и понятиями.
Другие считали, что новая теория является фундаментальной и дает полное описание физической реальности. Поэтому разработка методологических установок квантовой механики являлась важным звеном в интерпретации этой теории.
Основной отличительной особенностью экспериментальных исследований в области квантовой механики является фундаментальная роль взаимодействия между физическим объектом и измерительным устройством. И свет, и частицы проявляют в различных условиях противоречивые свойства.
Невозможность провести границу между объектом и прибором в квантовой физике выдвигает две задачи:
1) каким образом можно отличить знания об объекте от знаний о приборе;
2) каким образом, различив их, связать в единую картину теорию объекта.
Первая задача разрешается введением требования описывать поведение прибора на языке классической физики, а поведение микрочастиц - на языке квантово- механических формализмов. Вторая задача разрешается с помощью принципа дополнительности: волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют, а взаимно дополняют друг друга. При одном представлении микрообъекта используется причинное описание соответствующих процессов, в другом случае — пространственно-временное. Единая картина объекта синтезирует эти два описания.
Дата добавления: 2015-12-17; просмотров: 35; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!