Квантовая механика и ее принципы

 

   СОДЕРЖАНИЕ

   Ведение_____________________________________________________3

   1. Становления квантовой механики и ее предмета._________________4

   2. Основные принципы квантово-механического описания__________7

   2.1. Принцип наблюдаемости___________________________________7

   2.2 О наглядности квантово-механических  явлений_________________8

   2.3 Соотношение неопределенностей_____________________________9

   2.4 Принцип дополнительности Н. Бора_________________________10

   2.5 Туннельный эффект_______________________________________11

   2.6 Принцип суперпозиции____________________________________12

   3. Отличие статистических закономерностей  от динамических.______13

   Заключение_________________________________________________15

   Список  использованной литературы____________________________16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   ВВЕДЕНИЕ

   В свое время теория относительности  изменила классическое представление  об объективности. Но она оставила неизменной другую принципиально важную отличительную  особенность классической физики –  претензию на «полное» описание природы. Издавна считалось, что существует так называемая «формула Вселенной», включающая в себя полное описание природы. В этом смысле теория относительности была продолжением классической физики. Первой физической теорией, действительно порвавшей с прошлым, и частично описавшей такую формулу стала квантовая механика, которой удалось связать воедино, казалось бы, противоречащие друг другу выводы. Своим рождением квантовая механика обязана стремлению физиков описать взаимодействие между веществом и излучением. Попытки описать свойства элементарных частиц с помощью средств классической физики были безуспешными, поэтому были разработаны специальные методы, составляющие содержание квантовой механики. В основу квантовой механики легла «планетарная модель» атома Бора. Квантовая механика (другие названия: волновая механика, матричная механика) составляет раздел теоретической физики, описывающий квантовые законы движения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   1. Становления квантовой механики и ее предмета

   Квантовая механика – это физическая теория, устанавливающая способ описания и  законы движения на микроуровне. Ее появление  совпало с началом века. В основе  квантово – полевой картины мира (КПКМ) лежит новая физическая теория – квантовая механика, описывающая  состояние и движение микрообъектов. Это была четвертая после механики, электродинамики и теории относительности  фундаментальная физическая теория. Она является базой для развития современного естествознания. Ее разработка явилась величайшей революцией в  познании мира. В основе квантовой  механики лежат фундаментальные  идеи о квантовании физических и  величин и корпускулярно –  волновом дуализме.

   В 1897 г. был открыт электрон, его заряд  оказался элементарным т.е. самым наименьшим, существующим в природе в свободном  состоянии. Заряд любого тела равен  целому числу элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд  дискретен, равенство q = ± ne представляет формулу квантования электрического заряда.

   Во  второй половине  XX в. в результате исследования теплового излучения  было открыто ряд законов: Кирхгофа, Стефана – Больцмана, Вина

   М. Планк в 1900 г. предположил следующую  теорию (Квантовая гипотеза Планка), что свет испускается неделимыми порциями энергии – квантами и  математически представил это в  виде формулы

   Е = h v    где V – частота света, а h – универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение. В атомную теорию вошли, таким образом, прерывистые физические величины, которые могут изменятся только скачками.¹

   Планк ввел в физику новые представления. Сам того же не желая Планк совершил переворот в физике. Его гипотеза стала началом новой квантовой физики (старая получила название классической). Квантовая гипотеза с момента ее появления упорно пробивала себе дорогу в физических представлениях и мировоззрении физиков. В конце XІX в. в результате экспериментов были установлены три закона фотоэффекта – это явление вырывания электронов из вещества под действием света.

   Два из них – независимость энергии  выбиваемых электронов от интенсивности  света, а зависимость ее только от частоты и наличия для каждого  вещества красной границы фотоэффекта (минимальной частоты, при которой  фотоэффект еще возможен) – не объяснялись  на основе представлений ЭМКМИ.

   В 1905 году для решения этих трудностей молодой А. Эйнштейн не только принял квантовую гипотезу Планка, но и  расширил ее, предположил, что свет не только излучается квантами, но и  распространяется и поглощается  квантами

   Он  первым понял, дискретность – свойство света. Электромагнитное поле – поток  квантов (фотонов) Эйнштейну удалось  объяснить все экспериментальные  данные, относящиеся к явлению  фотоэффекта, испусканию веществом  электронов под воздействием электромагнитного  излучения. Электроны, поглощая фотоны, увеличивают свою энергию и в результате способны покинуть вещество.

   В  1911 английский физик Э. Резерфорд  предположил модель атома: электроны  движутся по законам Максвелла  вокруг  значительно более массивного атомного ядра. Резерфорд изучал прохождение  (a) – частиц через тонкую металлическую фольгу. Его модель атома позволяла объяснить результаты экспериментов, но она противоречива.

   В 1913 г. Н. Бор предположил, что электроны  находятся на стационарных орбитах  и не излучают энергию. Порция энергии  излучается лишь при переходе с одной  стационарной орбиты на другую:

   hv= Ен – Ек     где Ен и Ек – энергия электрона на его начальной и конечной орбитах.

   Существенно новый импульс квантово – механические представления получили благодаря, выдвинутой в 1924г. французским физиком  Л.де Бройлем гипотезы, так называемого  корпускулярно – волнового дуаделизма. Он утверждал, что частицы материи (а не только фотоны) обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Теория Бора позволила понять и объяснить атомные спектры и другой экспериментальный материал, накопленный в физике в конце XІX первой четверти XX вв. Это был несомненный успех. Последовательной теорией атомных и ядерных процессов стала квантовая механика, созданная в 1924-1927 гг.

   В квантовой механике одинаковые частицы  в одинаковых условиях могут вести  себя по – разному. Законы квантовой  механики  - законы статистического  характера. Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы.

   На  базе квантовой механики невозможно описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать  ее будущий путь. Волны вероятности  говорят о вероятности встретить  электрон в том или ином месте.

   Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы. Человек перешел  на тот уровень исследования, где  влияние оказывается неустранимым в ходе эксперимента и фиксируемым  результатом является взаимодействие изучаемого объекта и измерительного прибора.

   На  основании квантовой механики объясняются  многие микропроцессы, происходящие в  пределах атома, ядра и элементарных частиц – появились новые отрасли  современной физики: квантовая оптика и квантовая теория твердого тела, квантовая электродинамика и  многие другие.²

   2. Основные принципы  квантово – механического  описания

   2.1. Принцип наблюдаемости

   Согласно  принципу наблюдаемости, сформулированному  одним из основателей квантовой  механики В. Гейзенбергом, «разумно включать в теорию только величины, поддающиеся  наблюдению…».

   В любой науке данные наблюдений становятся понятными лишь тогда, когда есть теория. Все физические теории, которые  были известны ученым до создания квантовой  механики, содержали исключительно  понятия, прямо и непосредственно  сопряженные с данными наблюдений.

   ВY = аn Y

   Измерение имеет дело непосредственно с  (аn), собственными значениями оператора В. Из трех физических конституентов.

   (В), (Y) и (аn) измеряется лишь последний. Все физические теории, которые были известны учеными до создания квантовой механики, содержали исключительно понятия прямо и непосредственно сопряженные с данными наблюдений.

   В квантовой механике появляются ранее  неведомые физикам конструкты, волновая функция (Y) оператор (В), причем оба в принципе не могут быть зарегистрированы в эксперименте:

   (В) и (Y) не наблюдаемы, лишь (аn) фиксируется в эксперименте.

   Квантово-механическая реальность открывается в эксперименте лишь одной своей гранью. Вопреки  расхожему мнению реальность дана не только в эксперименте, но и в  теории. Разумеется, остается в силе старое правило: подтверждением теории является ее согласие с данными наблюдений. В науке, в том числе физике, данные наблюдений никогда не фигурируют отдельно от теории, т.е. концептуальной интерпретации. Главная цель ученых состоит в том, чтобы добиться гармонии, резонанса теории и эксперимента.³ 

   2.2. О наглядности квантово-механических явлений

   Все, что происходит с квантовыми объектами  до фиксации собственных значений (аn) того или иного оператора (В), в эксперименте не фиксируется в непосредственном виде, а потому не дано в наглядной форме. Несостоятельна всякая попытка представления себе квантового объекта самого по себе, до его взаимодействия с макроусловиями его существования. Квантово-механические явления как таковые невозможно сфотографировать и представить их изображения, они не поддаются зарисовке. Это и не сгустки вещества, и не волны распределенные в реальном пространстве, и не материальные точки, движущиеся по траекториям.

   Все попытки представить себе квантовые  объекты и происходящие с ними процессы в наглядной, т.е. подвластной  чувствам форме игнорируют специфику  квантовой механики. Желающий уяснить  себе природу квантово- механических явлений должен записать волновую функцию  (Y) и те уравнения, в которых она фигурирует, а затем подвергнуть полученные записи всестороннему анализу, при этом часто оказывается возможным изображение аналитических выражений в форме графических построений. Природа квантово-механических явлений такова, что она может быть представлена в аналитико-графическом виде, но не в форме изображения объектов в пространстве.

   Квантово-механические явления таковы, каковыми их описывают  уравнения квантовой механики, исходя из которых можно предсказать, причем вероятностным образом, результаты измерений. Эти уравнения не позволяют  предсказать наличие у квантовых  объектов, каких- то   «скрытых»  параметров, доступных наблюдениям, если не настоящим, то будущим. При правильном понимании квантовой механики вопрос о скрытых параметрах вообще не возникает, он инициируется теми, кто абсолютизирует концептуальную базу классической физики, в результате чего переносит ее в  квантовую механику.

   Квантовая механика описывает поведение реальных, а не мифических частиц, но посредством  особых концептуальных средств, иных, чем те, которые использовала классическая физика и от которых пришлось отказаться под давлением экспериментальных  фактов.⁴

   2.3. Соотношение неопределенностей

   Как было впервые подмечено В. Гейзенбергом, измеряемые значения координат квантовых  объектов и их импульсов подчиняются  соотношениям:

   Δq_i Δp_i ~ h