Навигация
Концепции микромира и квантовая механика
21618
знаков
1
таблица
1
изображение
2 Концепции микромира и квантовая механика
Для описания явлений микромира обычно привлекают квантовую механику (иногда ее еще называют волновой механикой). Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов), а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц.
Разработка квантовой механики относится к началу XX века, когда были обнаружены две, казалось бы, не связанные между собой группы явлений (установление на опыте двойственной природы света - дуализма света и невозможность объяснить на основе имевшихся представлений существование устойчивых атомов и их оптические спектры), свидетельствующих о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействия света с веществом и к процессам, происходящим в атоме. Установление связи между этими группами явлений и попытки объяснить их на основе новой теории и привели к открытию законов квантовой механики.
Впервые представления о кванте ввел в 1900 году М.Планк в работе, посвященной теории теплового излучения тел. Существовавшая в то время теория теплового излучения, построенная на основе классической электродинамики и статистической физики, приводила к бессмысленному результату,. Планк разрешил противоречие о том, что тепловое равновесие между излучением и веществом не может быть достигнуто, так как вся энергия должна перейти в излучение, предположив, что свет испускается не непрерывно, как следует из классической теории излучения, а дискретными порциями энергии - квантами, причем величина кванта энергии зависит от частоты света.
Эта работа Планка стимулировала развитие квантовой механики в двух взаимосвязанных направлениях: первое направление - теория фотоэффекта Эйнштейна, который предположил, что свет квантами не только испускается и поглощается, но и распространяется, т.е. дискретность присуща самому свету: свет состоит из отдельных порций — световых квантов (фотонов).
В 1922 году А.Комптон экспериментально показал, что рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц - фотона и электрона. Таким образом, было доказано, что наряду с известными волновыми свойствами (проявляющимися, например, в дифракции света — огибании светом различных препятствий) свет обладает и корпускулярными свойствами: он состоит как бы из частиц — фотонов. Возникло формальное логическое противоречие: для объяснения одних явлений необходимо считать, что свет имеет волновую природу, а объяснение других предполагало его корпускулярную природу.
В 1924 году Л. де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма, согласно которой каждой частице независимо от ее природы следует поставить в соответствие волну, длина которой связана с импульсом частицы, при этом не только фотоны, но и все «обыкновенные частицы» (электроны, протоны и др.) обладают волновыми свойствами, которые, в частности, должны проявляться в дифракции частиц.
В 1926 году Э.Шрёдингер предложил уравнение, описывающее поведение таких «волн» во внешних силовых полях, - возникла волновая механика. Волновое уравнение Шрёдингера является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики. В 1928 году П.Дирак сформулировал релятивистское уравнение, которое описывает движение электрона во внешнем силовом поле и стало одним из основных уравнений релятивистской квантовой механики.
Второе направление развития начинается с работы Эйнштейна, посвященной теории теплоемкости твердых тел. Обобщая идею квантования энергии осциллятора электромагнитного поля на осциллятор произвольной природы, он утверждал, что если тепловое движение твердых тел сводится к колебаниям атомов, то и твердое тело динамически эквивалентно набору осцилляторов с квантованной энергией, т.е. разность соседних уровней энергии равна ħv, где v - частота колебаний атомов.
В 1913 году Н.Бор применил идею квантования энергии к теории строения атома, планетарная модель которого следовала из результатов опытов Э.Резерфорда. Согласно этой модели, в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг ядра вращаются по орбитам отрицательно заряженные электроны. Рассмотрение такого движения на основе представлений классической электродинамики приводило к парадоксальному результату — невозможности существования стабильных атомов. Дело в том, что, согласно этим представлениям, электрон не может устойчиво двигаться по орбите, поскольку вращающийся электрический заряд должен излучать электромагнитные волны и, следовательно, терять энергию, а радиус его орбиты должен непрерывно уменьшаться, и через время 10-8 с электрон должен упасть на ядро. Однако атомы не только существуют, но и весьма устойчивы.
Объясняя устойчивость атомов, Бор предположил, что из всех орбит, допускаемых классической механикой для движения электрона в электрическом поле атомного ядра, реально осуществляются лишь те, которые удовлетворяют определенным условиям квантования, а именно величина действия для классической орбиты должна быть кратной постоянной Планка. Бор постулировал, что электрон, совершая допускаемое условиями квантования орбит движение (т.е. находясь на определенном уровне энергии), не испускает световых волн. Излучение происходит лишь при переходе электрона с одной орбиты на другую, т.е. с одного уровня энергии на другой, с меньшей энергией; при этом рождается квант света. В результате этого возникает линейчатый спектр атома. Бор получил формулу для частот спектра, линий атома водорода (и водородоподобных атомов), охватывающую совокупность открытых ранее эмпирических формул.
Таким образом, Бор, используя квант, постоянную Планка, отражающую дуализм света, показал, что эта величина определяет также движение электронов в атоме. Этот факт позднее был объяснен на основе универсальности корпускулярно-волнового дуализма, в соответствии с которым понятия частицы и волны, с одной стороны, дополняют друг друга, а с другой - противоречат друг другу. Он связан также со способами изучения явлений микромира. Существуют два типа приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других — как частицы, поэтому экспериментально можно наблюдать квантовые явления, на которые налагается взаимодействие приборов с микрообъектом, а не реальность как таковую.
Дальнейшая разработка вопросов теории атома привела к пониманию, что движение электронов в атоме нельзя описывать в терминах классической механики (как движение по определенной траектории или орбите), поскольку движение электрона между уровнями не подчиняется законам, определяющим поведение электронов в атоме. Была необходима новая теория, в которую входили бы только величины, относящиеся к начальному и конечному стационарным состояниям атома.
В 1925 году В.Гейзенберг построил формальную схему, где вместо координат и скоростей электрона фигурировали абстрактные алгебраические величины - матрицы. Связь матриц с наблюдаемыми величинами (уровнями энергии и интенсивностями квантов, переходов) описывалась простыми непротиворечивыми правилами Уравнение Шрёдингера позволило показать математическую эквивалентность волновой (основанной на уравнении Шрёдингера) и матричной механики. В 1926 году Борн дал вероятностную интерпретацию волн де Бройля.
Большую роль в создании квантовой механики сыграли работы П.Дирака, который заложил основы квантовой электродинамики и квантовой теории гравитации, разработал квантовую статистику, релятивистскую теорию движения электрона, предсказал позитрон и т.д. Окончательное формирование квантовой механики произошло в результате работ Гейзенберга.
В течение короткого времени квантовую механику с успехом применили для создания теории атомных спектров, строения молекул, химической связи, периодической системы элементов, металлической проводимости и ферромагнетизма. Дальнейшее принципиальное развитие квантовой теории связано главным образом с релятивистской квантовой механикой.
Заключение
Таким образом, микромир – это мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10~8 до 10~16 см, а время жизни – от бесконечности до 10~24 секунд.
Объектами микромира являются фундаментальные и элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.
Для описания явлений микромира обычно привлекают квантовую механику, законы которой составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц.
Список использованной литературы
1. Бондарев В.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов / В.П.Бондарев. - М.: Альфа-М, 2003. - 464 с.
2. Грушевицкая Т.Г. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие / Т.Г.Грушевицкая, А.П.Садохин. - М.: Высшая школа, 1998. - 383 с.
3.Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания: Структурный курс основ естествознания / Д.И.Грядовой. - М., 2000. – 208 с.
4. Концепции современного естествознания. Учебник для ВУЗов / В.Н.Лавриненко, В.П. Ратников, В.Ф.Голубь и др. – М: ЮНИТИ, 1999. - 271 с.
5. Концепции современного естествознания. Лекции для студентов дистанционного отделения УГАТУ. – Уфа, 2005. - [Электронный ресурс].Режим доступа: http://www.ugatu.ac.ru/ddo/KSE/01/index12.htm, свободный
6. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник / В.М.Найдыш. – М.: ИНФРА-М, 2004. – 476 с.
Похожие работы
... только вещество, но и поде с такими же признаками, что и у энергии, заряд. 20 – 21 век. В это время представления о материальном бытии стало ещё более сложным, т.к. вещество сегодня представляется, как нечто способное существовать не только в форме жидкости, газа и твердого вещества, также оно может существовать в виде плазмы, т.е. бесструктурное. Меняется и представление о поле. Оно может быть ...
... полюсов. Самоорганизация эти поля сохраняет. Из таких колебательных систем сами, как мозаика из магнитов, складываются “классические” самоорганизующиеся модели микромира. Не будем утверждать, что здесь изложены единственно правильные варианты решений "принципиально неразрешимых" задач классической физики. Важно было показать, что такие решения есть - вопреки самым авторитетным уверениям всей ...
... субъекта (Юм), априорным формам мышления (Кант), целевым установкам личности (прагматизм), интерсубъективным конвенциям (А. Пуанкаре) и др. Фундаментальными проблемами в данной сфере выступали в классической философии проблема критерия И., трактовка которого соответствовала принятому определению И. (от эйдотического образца у Платона до Божественной Мудрости у Фомы Аквинского, с одной стороны, и ...
... корпускулярности, вещество же точь-в-точь как и поле обладает свойством волновости. Зарождение и развитие представлений о кванте. При переходе физики от изучения макромира к изучению микромира коренным образом изменились представления классической физики о веществе и поле. Изучая микрочастицы, ученые натолкнулись на такую картину, которая казалась парадоксальной с точки зрения классической ...
0 комментариев