Соотношение неопределенностей. Предмет квантовой механики

ВОПРОС 28. Корпускулярно-волновой дуализм материи.

 

В первой трети 20-го века в физике произошла революция, оказавшая огромное влияние на последующее развитие всего естествознания. Одним из основных результатов этой революции явилось создание теории относительности (см. раздел 3), вторым - создание квантовой физики и ее ядра - квантовой механики. Важнейший вклад в разработку квантовой механики внесли М. Планк (нем.), А. Эйнштейн (Германия - Швейцария - США), Н. Бор (дат.), Л. де Бройль (фр.), Э. Шрёдингер (австр.), В. Гейзенберг (нем.), В. Паули (Австрия - Германия - США - Швейцария), П. Дирак (англ.) и др.

Впервые квантовые представления были введены в 1900 г. М. Планком в работе, посвященной тепловому излучению тел (Нобелевская премия 1918 г.). Существовавшая к тому времени теория теплового излучения, основанная на классической электродинамике и статистической физике, не могла объяснить свойства и установленные на опыте законы этого излучения. Планк разрешил эту проблему и получил прекрасно согласующиеся с опытом результаты, предположив, что свет испускается не непрерывно, как это предполагается в классической теории излучения, а дискретными порциями энергии - квантами. Отметим, что здесь и далее в этом разделе под термином «свет» нужно понимать не только видимый свет, но и любое другое электромагнитное излучение. Величина кванта энергии зависит от частоты света и рассчитывается по формуле Планка

, (9.1)

где h=6.63·10^-34 Дж·с - постоянная Планка, иногда называемая квантом действия.

Квантовая гипотеза Планка получила развитие в работе А. Эйнштейна 1905 года (Нобелевская премия 1921 г.), в которой была дана теория фотоэффекта, то есть выбивания электронов из вещества под действием света. Развивая идею Планка, Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, то есть что дискретность присуща не процессу излучения и поглощения, а самому свету. По Эйнштейну свет состоит из отдельных квазичастиц названных фотонами. Энергия фотона определяется формулой Планка

Экспериментальное подтверждение квантовой природы света получил в 1922 г. А. Комптон в опытах по рассеянию рентгеновского излучения веществом, содержащем слабо связанные (почти свободные) электроны. Комптон обнаружил, что длина волны излучения при рассеянии увеличивается, что не могла объяснить классическая теория рассеяния волн. Однако этот эффектвполне объясним, если рассматривать рассеяние света как результат абсолютно упругого соударения двух частиц: фотона и электрона. При таком соударении должны выполняться законы сохранения энергии и импульса, то есть фотон, наряду с энергией, обладает и импульсом.

Поскольку фотон движется со скоростью света, то его движение должно описываться специальной теорией относительности (см. подраздел 3.2). Как отмечалось в 3.2, двигаться со скоростью света могут только частицы с нулевой массой покоя. Следовательно, масса покоя фотона , и существует он, лишь двигаясь со скоростью света. Замедлить свое движение или, тем более, остановиться он не может.

 

В 1924 г. Л. де Бройль (Нобелевская премия 1929 г.) выдвинул гипотезу о том, что корпускулярно-волновой дуализм присущ не только свету (электромагнитному излучению), но и вообще всей материи. Согласно де Бройлю, каждой частице независимо от ее природы следует поставить в соответствие волну, длина которой связана с импульсом p частицы соотношением, аналогичным соотношению (9.3):

. (9.4)

Эта формула была названа формулой де Бройля, а волны, соответствующие частицам, - волнами де Бройля.

Раздел физики, изучающий движение и взаимодействие частиц с учетом их волновых свойств, называется квантовой механикой. Квантовая механика – механика микромира.

Квантовая механика подразделяется на нерелятивистскую, изучающую движения частиц со скоростями, много меньшими скорости света, и релятивистскую, изучающую движения с околосветовыми скоростями.

Квантовая механика не отрицает классическую механику, но ограничивает область ее применения. Как требует принцип соответствия (см. подраздел 3.2), эта новая теория включает в себя старую как предельный случай. Результаты квантовой механики совпадают с классическими, если длина волны де Бройля, соответствующей рассматриваемому телу, пренебрежимо мала ( ). Объектом изучения классической механики остались движения макроскопических тел со сравнительно малыми скоростями.