Кванттық механиканың өзекті мәселелері

Кванттық механика құбылыс үшін ғылыми прогресс XX ғасырдың басындағы. Даму тарихында физика аз болған жоқ революция, түбегейлі изменявших ғылыми парадигму мен көзқарастарын ғалымдар таным әдістері және құрылымы. Алайда, не болды естествознанием бірінші ширегінде ХХ ғасырдың, кезекті ауысымның негізгі заңдары. Егер бұрын барлық бізді қоршаған ортада болатын предсказуемо, ол кванттық механиканың пайда болуымен, ол кездейсоқ болды. Заңдар кванттық механика іргетасын қалаған зерделеу құрылыстар заттар. Олар анықтауға мүмкіндік берді атомдар белгіленсін табиғатын химиялық байланыс, түсіндіру, кезеңдік жүйе элементтерін түсінуге құрылысы ядролардың атом, зерттеп, қасиеттері, элементар бөлшектер.

Өйткені қасиеттері, макроскопиялық денелердің қозғалысымен анықталады және өзара іс-бөлшектер, олар тұрады, заңдар кванттық механика негізінде жатыр түсіну көптеген макроскопиялық құбылыстар. Кванттық механика мүмкіндік берді, мысалы, түсіндіруге температурную тәуелділігі және есептеу шамасын жылусыйымдылық газдар мен қатты денелердің құрылысын анықтау және түсіну көптеген қасиеттері қатты денелердің (металдар, диэлектриктер, жартылай өткізгіштер). Тек негізінде кванттық механиканың алмады түсіндіру сияқты құбылыстар ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, түсіну, табиғатқа осындай астрофизикалық объектілер ретінде ақ түсті карлики, нейтронды жұлдыздар, анықтау механизмі ағу, термоядролық реакциялар Күн мен жұлдыздар. Кванттық механика — іргелі физикалық теория, бұл сипаттамада, микроскопиялық объектілерді кеңейтуде, нақтылайды және біріктіреді нәтижелері классикалық механика және классикалық электродинамика пәні. Бұл теория үшін база болып табылады көптеген бағыттарын физика және химия қоса алғанда, қатты дене физикасына, квантовую химия және физика элементар бөлшектер.

Термині «кванттық» (лат. Quantum — «қанша») байланысты дискретті аз мөлшерде, олар теориясы береді белгілі бір физикалық шамаға, мысалы, атом энергиясын. Бойы ғасырдың өмір сүру кванттық механиканың оның болжау ешқашан оспорены сынақ. Кванттық механика түсіндіреді кем дегенде, үш түрлі құбылыстарды, классикалық механика және классикалық электродинамика мүмкін емес сипаттау: 1) кванттау кейбір физикалық шама; 2) корпускулалық-толқындық дуализма; 3) тіршілігін аралас кванттық күйлер. Бұл жұмыста қаралатын болады тек ең жалпы аспектілері және қазіргі заманғы кванттық механика. 1-бөлім. Пайда болу тарихы және мәні кванттық механика. Қайнар КМ Физика уайымдайтын өз рассвет XIX ғасырда. Ашылған құпия механика, свершились жаңа ашылған астрономия және молекулалық физика. Бұл қуанышты жай деп аталды классикалық физика. Кейде ғалымдарға тіпті көрінген, осылай мәңгі және қозғалыс. Дәл осы сәттен басталады жолы кванттық физика. Көрінген біле тұра, сонша барлығы туралы энергиясы мен молекулах оңай түсіндіруге болады, неге зат, қызған-ден 1000 градус светится қызыл, ал 9000 — ақшыл-көгілдір. Алайда, барлық оңайға соқпады.

Бұл мәселеде застопорилось көптеген физиктер XIX ғасырдың. Осылайша, табылды парадокс есептеу кезінде жалпы энергия электромагниттік сәулелену тұйық қуысы (абсолют қара дене) және пошатнулись негіздері үйреншікті классикалық физика. Есеп айырысу физиктер уақыт көрсеткендей, жалпы энергия кез келген сәулелену абсолют қара дененің болуы тиіс шексіз үлкен, ол сол жерде оларға намекнуло, бұл бәрі де оңай. Формуланы шығаруға тырысты, тап немесе таңдау (Релей-Джинс, Шараптар) бірақ нәтижелері қуантты — формулалар болса да, аздап, бірақ врали. Бірінші болып дұрыс қорытындыға келді Планк. 1900 жылы ол подогнал шарттары міндеттері астында бар сияқты еді бұл ұсынды, энергия электромагниттік толқындар мүмкін излучаться/жұтып, тек күні бойы аз мөлшерде, шындық түсіндіруге қалай және неге бұл жүреді, ол алмады. Шын мәнінде, қуысына қара дененің замкнута, сондықтан стационарлық жағдайы, онда болуы мүмкін тек стационарлық комплекстік түрдегі ом заңы. Үшін солай болды, олар өз тораптары жатуға тиіс шекарасында қара дененің, ал тұрады санға полуволн. Смущал факт, бұл энергия негізгі полуволны көрсетіле алмаған кез келген а тиіс есе, болжам бойынша Планк некоей кіші шамаға, ал ең төменгі энергия, оны алып жүре алады толқын, пропорционалды оның жиілігі. Планк формуласы істеді потрясающей дәлдікпен, және бұл ашу үшін ол нобель сыйлығын 1918 ж. Кванттық Планк гипотеза тұрды, соның ішінде элементар бөлшектер, кез келген энергия поглощается немесе испускается тек дискретті аз мөлшерде.

Бұл порция) тұрады санға кванттардың энергиясын бар осындай, бұл энергия пропорционалды жиілігі ν коэффициентімен үйлесімді, белгілі бір формула бойынша есептеледі: мұнда, h — постоянная Планка, және . 1905 жылы фотоэффект құбылыстарын, Альберт Эйнштейн, пайдалана отырып квантовую Планк гипотезаны, бұл ұсынды, жарық тұрады кванттардың. Кейіннен, «кванты» атауына ие болды фотондар. Түсіндіру үшін құрылымын атом, Нильс Бор ұсынды 1913 жылы болуы стационарлық күйлердің электрона, энергия қабылдай алады тек дискретті мәндер. Бұл тәсіл, дамыған Арнольдом Зоммерфельдом және басқа да физиками, деп жиі атайды ескі кванттық теориясымен (1900-1924). Ерекшелігі ескі кванттық теориясы болып табылады комбинациясы классикалық теориясы бастап қайшы оған қосымша предположениями. Зерттей отырып, фотоэффект, Эйнштейн шешті тарату планковскую дискретную моделі энергиясын толқын жарық. Ол бұл ұсынды, жарық білдіреді ағыны микроскопиялық бөлшектер (фотондар), әрі энергия әрбір фотон пропорционалды жиілікте жарық. Нәтижесінде, Эйнштейн екенін көрсетті Планк гипотезасы туралы дискретности энергиясын көрсетеді іргелі қасиеті электромагниттік толқындар: олар тұрады бөлшектер — фотондар, болып табылады, кішкентай порцияға немесе жарық кванты. Бұл үшін ол иеленді Нобель сыйлығын 1921 жылы. 1923 жылы Луи де Бройль идеясын двойственной табиғат заттар, опиравшуюся » деген болжам ағыны материалдық бөлшектердің ие және волновыми қасиеттерімен тығыз байланысты массасы мен энергиясы. Бөлшектердің Л. де Бройль сопоставил таралуы толқын, 1927 жылы алды эксперименталды растау зерттеу кезінде дифракция кристалдардағы электрондардың.

Жалпы түрде оның болжам сипаттауға болады: · әзірге жарық ұшады кеңістікте, ол өзін қалай толқын — ұшырайды интерференция, дифракция, бар поляризацию және т. б. · ал қашан жарық (және кез келген ЭМ сәулелену) өзара іс-қимыл жасайды зат, излучается немесе поглощается — оны келеді деп санауға ағынымен бөлшектер және кванттық әсерлер көрсетеді өз звериный оскал. Айтылған 1924 жылы идеялар заттардың корпускулалық-толқындық дуализма болды 1926 жылы подхвачены Э. Шредингером, развернувшим олардың негізінде өз волновую механикке хабарлайды. «1925-1926 жылдары қаланды негіздері дәйекті кванттық теориясы ретінде кванттық механика қамтитын жаңа іргелі заңдар кинематика және динамика. Бірінші тұжырымы кванттық механика-бабында көрсетілген Вернер заттың корпускулалық-толқындық дуализмі, датированной 29 шілде 1925 жылғы. Осы күнді күн есептеуге болады релятивтік емес кванттық механика. Дамыту және қалыптастыру негіздерін кванттық механиканың әлі күнге дейін жалғасуда. Ол байланысты, мысалы, зерттеулермен ашық және диссипативті кванттық жүйелердің кванттық информатиканы, квантовым хаосом және т Қатар, кванттық механика, маңызды бөлігі кванттық теориясы болып табылады кванттық өріс теориясы. 1927 жылы К. Дэвиссон мен Л. Джермер зерттеу орталығы Bell Labs көрсетеді дифракцию баяу электрондардың никель кристалдардағы (қарамастан Дж. Томсон тұжырымдамалары). Бағалау кезінде бұрыштық байланысты қарқындылығы шағылысқан электрондық сәуленің көрсетілді сәйкестігін предсказанной арналған заңының Вульфа — Брэггов үшін толқын ұзындығы Де бройль (см Толқын де бройль толқындары). Қабылданғанға дейін де бройль гипотезасын, дифракциясы расценивалась ретінде тек қана толқындық құбылыс, ал кез-келген дифракционный әсері — толқындық. Кезде толқын ұзындығы де бройль болды сопоставлена талаптарына Брэггов, предсказана қадағалау мүмкіндігіне ұқсас дифракциялық картинаның бөлшектер үшін. Осылайша эксперименттік болды расталған де бройль гипотезасы үшін электрона. «Растау жорамалдар де бройль болды бетбұрысты сәт дамуындағы кванттық механика. Конденсаторы, комптон эффектісі көрсетеді корпускулярную табиғатты жарық, эксперимент Дэвиссона — Джермера растады бөлінбес «бірге өмір сүру» с частицей оның толқын, басқа сөзбен айтқанда — присущность корпускулярной материяның сондай-ақ толқындық табиғаты. Бұл себеп безендіру идеялар заттардың корпускулалық-толқындық дуализма. Растау бұл идеяның үшін физиканың маңызды кезең, өйткені мүмкіндік берді ғана емес, сипаттауға кез келген бөлшекті, присваивая оған белгілі бір жеке толқын ұзындығына, сондай-ақ сипаттау кезінде құбылыстар, полноправно оны белгілі бір шаманы толқындық теңдеулер.»[1] МӘНІ КВАНТТЫҚ МЕХАНИКА Кванттық механика — теория белгілейтін тәсілі сипаттамалары мен заңдар қозғалысын оқып үйрену (элементар бөлшектердің, атомдардың, молекулалардың, атом ядроларының) және олардың жүйелерінің (мысалы, кристаллдардың), сондай-ақ байланыс шамаларды сипаттайтын бөлшектер мен жүйесі, физикалық шамалар, тікелей өлшенетін бұл макроскопиялық тәжірибелерде.

Заңдар кванттық механика іргетасын қалаған зерделеу құрылыстар заттар. Олар анықтауға мүмкіндік берді атомдар белгіленсін табиғатын химиялық байланыс түсіндіру, кезеңдік жүйе элементтерін түсінуге құрылысы ядролардың атом, зерттеп, қасиеттері, элементар бөлшектер. Өйткені, қасиеттері, макроскопиялық денелердің қозғалысымен анықталады және өзара іс-бөлшектер, олар тұрады, заңдар кванттық механика негізінде жатыр түсіну көптеген макроскопиялық құбылыстар. Кванттық механика мүмкіндік берді, мысалы, түсіндіруге температурную тәуелділігі және есептеу шамасын жылусыйымдылық газдар мен қатты денелердің құрылысын анықтау және түсіну көптеген қасиеттері қатты денелердің (металдар, диэлектриктер, жартылай өткізгіштер). Тек негізінде кванттық механиканың алмады түсіндіру сияқты құбылыстар ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, түсіну, табиғатқа осындай астрофизикалық объектілер ретінде ақ түсті карлики, нейтронды жұлдыздар, анықтау механизмі ағу, термоядролық реакциялар Күн мен жұлдыздар. Бар сондай-ақ, құбылыстар, заңдар кванттық механика тікелей байқалады мінез-макроскопиялық объектілері.

Бірқатар ірі техникалық жетістіктерді 20 в. негізделген мәні ерекше заңдар кванттық механика. Осылайша, кванттық-механикалық заңдар негізінде жатыр жұмыс, ядролық реакторлар негіздейді жүзеге асыру мүмкіндігін жер бетіндегі жағдайында термоядролық реакциялар байқалады бірқатар құбылыстардың металдар мен жартылай өткізгіштердегі пайдаланылатын қазіргі заман техникасы, және т. б. Іргетасы осындай қарқынды дамып келе жатқан физика, кванттық электроника құрайды кванттық-механикалық теориясы сәулелену. Заңдар кванттық механика кезінде пайдаланылады целенаправленном іздеу және құру жаңа материалдар (әсіресе, магнитті, жартылай өткізгіш және сверхпроводящих). Осылайша, кванттық механика болады айтарлықтай қарай «инженерлік» ғылым, білу қажет емес, тек ядрошы-зерттеушілер мен инженерлер. 2-бөлім. Негізгі тұстары мен түйін теориясы КВАНТТЫҚ ПОРЦИЯ бірі проблемаларын, оны шешу үшін қажет болды кіріспе кванта энергиясын қарау болды өмір сүруі бөлшектер мен өрістердің және құру теориясы жылулық сәуле шығару. Бұл сәуле болады сезінуге емес, тек жарқын жазғы күн, бірақ поднеся қолын әдеттегі лампочке немесе ыстық утюгу. Алайда талпыныстары түсіндіру мұндай күнделікті құбылыстар аясында классикалық теориясы дәрменсіз болып шықты. 1900 жылы Джон Рэлей және Джеймс Джинс пайдалана отырып, классикалық теориясын қарастырды қызған дене, онда электромагниттік өріс (толқын) болған жылу тепе-теңдік байланысты бөлшектер. Бұл жағдайда, өріс алып кетеді у бөлшектердің барлық олардың энергиясы. Осылайша, классикалық теориясы апарған — бессмысленному нәтижесі: қызған дене, үздіксіз жоғалтып қуаты-сәулелену толқындардың тиіс охладиться дейін абсолютті нөлден.

Бұл физикалық тұрғыдан жөнсіз нәтижесі атауын алды «ультракүлгін апат». Шын мәнінде ондай ештеңе жоқ, әрине, олай болмайды. Бақылау көрсеткендей, жоғары жиілікте энергия сәулелену артады шексіз, ал убывает нөлге дейін. Максималды сәулелену кезінде тіркелген температурада тура келеді белгілі бір жиілігін немесе түсі. Бұл мысалдары бола алады қызыл түс үйде кочерги (температурасы шамамен 1 000 К) немесе сары-ақ түсті Күннің (шамамен 6 000 К). Жеке азайтылады, сұрақ туралы сәулелену электромагниттік толқындар қыздырылған тұрғыдан зерттеледі сатып принципті маңызы бар. Классикалық теориясы апарған нәтижелері, күрт қайшы тәжірибесі. 1900 жылы, қол жеткізу үшін келісу теориясы мен тәжірибесімен, Максу Планкасын шегінуге мәжбүр болдық классикалық тәсіл ғана бір-тармағы). Ол пайдаланды гипотезаны сәйкес сәуле электромагниттік өріс болуы мүмкін тек жекелеген аз мөлшерде — квантами. Қабылданған Планком гипотеза противоречила классикалық физика, алайда, салынған, оларға жылулық сәулелену теориясы керемет келісілмеген бастап сынақ. ПРИНЦИПІ заттың корпускулалық-толқындық дуализмі Принципі заттың корпускулалық-толқындық дуализмі жалпы ойнайды кванттық механикадағы негізгі рөл бұл жеткілікті айқын түсіндіреді, қалай және неге микромир ерекшеленеді таныс бізге материалдық әлем. Түсіну бұл принцип, ойланыңыз бастау үшін, бұл «өлшеуге» қандай еді шамасын. Үшін табу, мысалы, осы кітапты, сіз кіріп, бөлмеге окидываете оның көзқарас, ол тоқтайтын онда.

Тілінде физика бұл дегеніміз, сіз ашық көзбен өлшеу (таптық көзқараспен кітабына) және нәтиже тіркеген оның кеңістіктік координаттары (тұрған жерін белгіледі кітаптар бөлмесінде). Шын мәнінде, өлшеу процесі жүреді әлдеқайда күрделі: жарық көзі (Күн немесе шам, мысалы) испускает сәулелері, олар өтіп, бір жолы кеңістікте өзара іс-қимыл жасайды, кітаппен көрсетіледі, оның беті, содан кейін олардың бір бөлігі дейін жетеді, сіздің көз арқылы өтіп, көз, назар аударады, түседі сетчатку — сіз өмір кітаптар мен определяете оның ереже кеңістікте. Кілті өлшеу мұнда — арасындағы өзара іс-қимыл жарықпен және кітаппен. Сондықтан кез-келген өлшеу, елестету, өлшеу құралы (бұл жағдайда, бұл жарық) күшіне өзара іс-қимыл объектісі өлшеу (бұл жағдайда, бұл кітап). Классикалық физика сүйенген ньютоновских қағидаттары және қолданылатын объектілеріне біздің әдеттегі әлем, біз үйреніп қалған ескермеу факт, бұл құрал өлшеу, кіре отырып, өзара іс-қимыл объектісі өлшеу, оған əсер етеді және өзгертеді, оның қасиеттері, қоса алғанда, жеке өлшенетін шамалар.

Қоса алғанда жарық бөлмеде табу үшін кітап, сіз тіпті туралы ойландыңыз ба деп әсерінен туындаған қысымның сәулелерінің кітап ығысуы өз орнынан, және сіз білесіз оны бұрмаланған ықпалымен қосылған сіздермен жарық кеңістіктік координаттары. Интуиция көрсетіп, бізге (және, бұл жағдайда, мүлдем дұрыс), бұл акт өлшеуге әсер етпейді өлшенетін объектінің қасиеттері өлшеу. Ал енді ойланыңыз болып жатқан үрдістер туралы субатомном деңгейде. Мысалы, маған тіркелсін кеңістіктік орналасқан жері электрона. Маған әлі де қажет, өлшеу құралы, ол күшіне өзара іс-қимыл электрондық және возвратит менің детекторам сигнал туралы ақпарат, оның местопребывании. Бірден туындайды күрделілігі: өзге де құралдарды өзара іс-қимыл электрондық анықтау үшін оның ережелері кеңістікте басқа да элементар бөлшектер, менде жоқ. Мен егер деген болжам жарық, кіре отырып, өзара іс-қимыл, кітаппен, оның кеңістіктік координаттары бағаға әсер етпейді, қатысты өзара іс-қимыл өлшенетін электрона басқа электрондық немесе фотонами осындай деп айтуға болмайды.

Басында 1920-шы жылдардың, қашан болды қарқынды көбеюіне шығармашылық ой, приведший құру кванттық механика, бұл мәселені бірінші түсіндім жас неміс физик-теоретик Вернер Гейзенберг. Бастаған күннен күрделі математикалық формулаларды сипаттайтын әлем субатомном деңгейде, ол бірте-бірте келді таңғажайып қарапайымдылығы жағынан мынадай формула беретін жалпы сипаттамасы, әсер әсер ету құралдарының өлшеу өлшенетін объектілер микромира, біз жай ғана сөйлесіп. Нәтижесінде ол сұрақтың принципі белгісіздік, аталған енді оның атымен: «Термині «белгісіздік кеңістіктік координаттары» деген мағынаны білдіреді, біз білеміз, нақты орналасқан жерін бөлшектер. Мысалы, егер сіз жаһандық жүйесіне рекогносцировки GPS үшін анықтау орналасқан жері осы кітаптың жүйесі вычислит олардың дейінгі дәлдікпен 2-3 метр. (GPS, Global Positioning System — навигациялық жүйесі біріктірген 24 жасанды Жер серігі ұшырылған. Егер сіз, мысалы, автомобильде орнатылған GPS қабылдағышы, онда, ескере отырып, сигналдар осы спутниктер мен салыстыра отырып, оларды кідірту, жүйе анықтайды сіздің географиялық координаттары Жердегі дейінгі дәлдікпен бұрыштық секунд.) Алайда, тұрғысынан көру өлшеу жүргізілген құралы GPS, кітап, мүмкін белгілі бір ықтималдықпен ұйғарымда шегінде көрсетілген жүйе бірнеше шаршы метр. Мұндай жағдайда біз туралы белгісіздік кеңістіктік координаттар объектінің (мысалда, кітаптар). Жағдайды жақсартуға болады, сіз орнына GPS рулетка — бұл жағдайда, біз деп айтуға кітабы орналасқан, мысалы, 4 м 11 см бір қабырғалары және 1м 44 см басқа. Бірақ бұл жерде біз шектелген өлшеу дәлдігі ең аз бөлумен шкаласын рулеткалар (мейлі, ол тіпті миллиметр) және қателіктермен өлшеу және ең аспаптың, және ең жақсы жағдайда, біз аламыз анықтау кеңістіктік жағдайы объектіні дейінгі дәлдікпен ең төменгі шкаласының бөлу.

Добавить комментарий

Your email address will not be published.