Реферат: Физика микромира 2

--PAGE_BREAK-- 2. Рождение и развитие представлений о квантах
 При переходе к исследованию микромира оказались разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства. Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Плавком. Как известно, в конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила название «ультрафиолетовой катастрофы». В соответствии с расчетами по формуле классической электродинамики интенсивность теплового излучения абсолютно черного тела должна была неограниченно возрастать, что явно противоречило опыту. В процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях – квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энергии – квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h: E = hy, ставшим впоследствии знаменитым (где hy – квант энергии, у – частота). Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как неоднократно подчеркивал М. Планк, то все же 14 декабря <metricconverter productid=«1900 г» w:st=«on»>1900 г., в день опубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики этот день считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятие элементарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря <metricconverter productid=«1900 г» w:st=«on»>1900 г. следует рассматривать и как день рождения всей атомной физики и начало новой эры естествознания. Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его был А. Эйнштейн. В <metricconverter productid=«1905 г» w:st=«on»>1905 г. он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете. Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почти дерзким, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового излучения черного тела. А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господствующие в оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света. Квантовая теория света, или фотонная теория А. Эйнштейна, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. [5, C. 120-124] И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, или фотонов. Их энергия определяется элементарным квантом действия Планка и соответствующим числом колебаний. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии. Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, что каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота достаточно велика для преодоления сил связи электрона с веществом. Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу Эйнштейн в <metricconverter productid=«1922 г» w:st=«on»>1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена. Открытое в <metricconverter productid=«1923 г» w:st=«on»>1923 г. американским физиком А.Х. Комптоном явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило квантовую теорию света. Эта теория относится к наиболее подтвержденным экспериментально физическим теориям. Но волновая природа света была уже твердо установлена опытами по интерференции и дифракции. Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте – корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности – присущая ему порция энергии – вычислялась через чисто волновую характеристику – частоту у (Е == hy). Как и все великие естественно-научные открытия, новое учение о свете имело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение о непрерывности природных процессов, которое было основательно поколеблено М. Планком, Эйнштейн «отбросил» в гораздо более обширной области физических явлений. Представление о квантах электромагнитного поля – фотонах – один из наиболее фундаментальных вкладов в разработку квантовой теории. Уже поэтому А. Эйнштейн должен рассматриваться как один из величайших ее создателей. Теория А. Эйнштейна, развивающая взгляды М. Планка, позволила Н. Бору разработать модель атома.

    продолжение
--PAGE_BREAK--3. Теория атома Н. Бора
 В <metricconverter productid=«1913 г» w:st=«on»>1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров, устранив тем самым противоречия, которые возникали при планетарной модели атома Э. Резерфорда. Модель атома, предложенная Резерфордом в <metricconverter productid=«1911 г» w:st=«on»>1911 г., напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электроны – отрицательный. Вместо сил тяготения, действующего в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов – атом электрически нейтрален. Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро. [3, C. 98-102] Следующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла. Модель атома Н. Бора, разрешавшая эти противоречия, базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая;

2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Становится понятным, почему атомы химических элементов не испускают излучения, если их состояние не изменяется: объясняются и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного состояния в другое. Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспериментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения главным образом были связаны с волновыми свойствами электрона. Длина волны движущегося в атоме электрона равна примерно 10"<metricconverter productid=«8 см» w:st=«on»>8 см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Движение частицы, принадлежащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите (траектории) только в том случае, если длина волны частицы пренебрежимо мала по сравнению с размерами системы. Другими словами, следует учитывать, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны. Следовательно, точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других – меньше. Описание распределения плотности электронного заряда было дано в квантовой механике: плотность электронного заряда в определенных точках дает максимум. Кривая, связывающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой электрона. Траектории, вычисленные в теории Н.Бора для одноэлектронного атома водорода, совпали с кривыми максимальной средней плотности заряда, что и обусловило согласованность с экспериментальными данными. Теория Н.Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных. -Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь частично. Ответы на эти вопросы были получены в результате развития квантовой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. [1, C. 139-141] Процессы в атоме, в принципе, нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.
    продолжение
--PAGE_BREAK--4. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике
 Представления А. Эйнштейна о квантах света, послужившие в <metricconverter productid=«1913 г» w:st=«on»>1913 г. отправным пунктом теории Н. Бора, через 10 лет снова оказали плодотворное воздействие на развитие атомной физики. Они привели к идее о «волнах материи» и тем самым заложили основу новой стадии развития квантовой теории. В <metricconverter productid=«1924 г» w:st=«on»>1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Л. де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе «Свет и материя» он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи. Д. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем лицам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. В <metricconverter productid=«1926 г» w:st=«on»>1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Английский физик П. Дирак обобщил его. Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира. Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-математический облик и получили благодаря немецкому физику М. Борну символическое значение как «волны вероятности». Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтверждении. Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в <metricconverter productid=«1927 г» w:st=«on»>1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвисоном и Л. Джермером. В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Еще более важным было открытие новых элементарных частиц, предсказанных на основе системы формул развитой волновой механики. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств. Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления. ” Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом, и принципе дополнительности Н. Бора. Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заключается в следующем. Допустим, ставится задача определить состояние движущейся частицы. Если бы можно было воспользоваться законами классической механики, то ситуация была бы простой: следовало лишь определить координаты частицы и ее импульс (количество движения). Но законы классической механики для микрочастиц применяться не могут: невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью установить место и величину движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. В своей книге «Физика атомного ядра» В. Гейзенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей. Он пишет, что никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется. [4, C. 225-228] 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 точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы. С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностей представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужно иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и, в принципе, не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклонения лучей. Существование элементарного кванта действия служит препятствием для установления одновременно и с одинаковой точностью величин «канонически связанных», т.е. положения и величины движения частицы.

Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н.Бор дал следующую формулировку: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообьектом„М. Борн образно заметил, что волны и частицы – это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию. С теоретической точки зрения, микрообъекты, для которых существенным является квант действия М. Планка, не могут рассматриваться так же, как объекты макромира, ведь для них планковская константа h из-за ее малой величины не имеет значения. В микромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. [1, C. 105-107] Обе «картины» законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете обоих аспектов можно получить общую картину микромира.

 

    продолжение
--PAGE_BREAK--