Запровадження

Поява квантової механіки – закономірне явище для наукового прогресу початку ХХ століття. У розвитку фізики було чимало революцій, кардинальноизменявших наукову парадигму матимуть різні погляди науковців методи пізнання і пристрій світу. Але те, що сталося з природознавством У першій чверті ХХ століття, був черговий зміною основних законів. Коли раніше всі у навколишньому світі була передбачуваною, те з появою квантової механіки він став випадковим. Закони квантової механіки є фундаментом вивчення будівлі речовини. Вони дозволили з'ясувати будова атомів, встановити природу хімічного зв'язку, пояснити періодичну систему елементів, зрозуміти будова ядер атомних, вивчати властивості елементарних частинок. Оскільки властивості макроскопічних тіл визначаються рухом і взаємодією частинок, з яких вони складаються, закони квантової механіки лежать у основі розуміння більшості макроскопічних явищ. Квантова механіка дозволила, наприклад, пояснити температурну залежність і обчислити величинутеплоемкости газів і твердих тіл, визначити будову та зрозуміти багато властивостей твердих тіл (металів, діелектриків, напівпровідників). Лише на самій основі квантової механіки вдалося послідовно пояснити такі явища, якферромагнетизм, надплинність, надпровідність, зрозуміти природу таких астрофізичних об'єктів, як білі карлики, нейтронні зірки, з'ясувати механізм перебігу термоядерних реакцій в Сонце ізвездах. Квантова механіка - фундаментальна фізична теорія, що у описі мікроскопічних об'єктів розширює, уточнює і об'єднує результати класичної механіки і класичної електродинаміки. Ця теорія є базою багатьом напрямів фізики та хімії, включаючи фізику твердого тіла, квантову хімію і фізику елементарних частинок. Термін «квантова» (від латів.Quantum - «скільки») пов'язані з дискретними порціями, які теорія привласнює певним фізичним величинам, наприклад, енергії атома.

Вже впродовж століття існування квантової механіки її передбачення не були оскаржені експериментом. Квантова механіка пояснює крайнього заходу три типу явищ, які класична механіка і класична електродинаміка неспроможна описати:

1) квантування деяких фізичних величин;

2) корпускулярно-хвилястого дуалізму;

3) існування змішаних квантових станів.

У цьому роботі розглядатимуться лише загальні аспекти і проблеми сучасної квантової механіки.

Частина 1. Історія зародження й предмета квантової механіки.

Витоки КМ

Фізика переживала свій світанок XIX століття. Були розкрито таємниці механіки, здійснилися нові відкриття області астрономії та молекулярної фізики. Це радісне стан називалося класична фізика. Часом ученим навіть, здавалося, що так вічно й відкрито вже все. Саме відразу ж починається шлях квантової фізики. Здавалося, знаючи стільки всього про енергію і молекулах буде легко пояснити, чому речовина, нагріте до 1000 градусів світиться червоним, а до 9000 — світло-блакитним. Але всі не було так усе просто. У цьому питанні застопорилося чимало фізиків ХІХ століття. Отже, виявили парадокс при розрахунку загальної енергії електромагнітного випромінювання в замкнутої порожнини (абсолютно чорне тіло) і похитнулися основи звичної класична фізика. Розрахунки фізиків на той час показали, що це загальна енергія випромінювання будь-якого абсолютно чорного тіла мусить бути нескінченно великий, що відразу їм натякнуло, що не так усе просто. Формулу намагалися вивести, вгадати чи підібрати (> Релей-Джинс, Вин) але результати не радували — формули хоч трохи, але брехали.

Першим до вірним висновків прийшов Планк. У 1900 року він підігнав умови завдання під відповідь і як припустив, що енергія електромагнітної хвилі можеизлучаться/поглощаться лише цілими порціями, щоправда пояснити як саме й чому це відбувається не зміг.

У насправді, порожнину чорного тіла замкнута, у стаціонарному стані там можуть існувати лише стаціонарні стоячі електромагнітні хвилі. Щоб сталося, вони своїми вузлами повинні лежати межах чорного тіла, отже, складатися з цілого числаполуволн.Смущал те що, що енергія основнийполуволни же не бути будь-який, а повинна бути кратною, за припущенням Планка, певної малої величині, а мінімальна енергія, яке може нести хвиля, пропорційна її частоті.

Формула Планка працювала із приголомшливою точністю, за це відкриття він отримав Нобелівської премії в 1918 р.

Квантова гіпотеза Планка зводилася до того, що з елементарних частинок, будь-яка енергія поглинається чи випускається лише дискретними порціями. Ці порції складаються з цілого числа квантів з енергією таких, що цю енергію пропорційна частоті з коефіцієнтом пропорційності, певним за такою формулою:

де h — стала Планка, і.

У 1905 року, до пояснень явищ фотоефекту, Альберт Ейнштейн, використавши квантову гіпотезу Планка, припустив, що світло складається з квантів. Згодом, «кванти» дістали назву фотонів.

Для пояснення структури атома, Нільс Бор запропонував в 1913 року існування стаціонарних станів електрона, у яких енергія може вживати лише дискретні значення. Такий підхід, розвинений АрнольдомЗоммерфельдом та інші фізиками, часто називають старої квантової теорією (1900—1924 р.). Суттєвою рисою старої квантової теорії є поєднання класичної теорії з суперечать їй додатковими припущеннями.

Вивчаючи фотоефект, Ейнштейн вирішив поширитипланковскую дискретну модель енергії хвилі світ. Він вважає, що світ подає собою потік мікроскопічних частинок (фотонів), причому енергія кожного фотона пропорційна частоті світла. У результаті Ейнштейн показав, що гіпотеза Планка про дискретності енергії відбиває фундаментальне властивість електромагнітних хвиль: вони складаються з частинок — фотонів, які представляють маленькі порції чи кванти світла. Про це він удостоївся Нобелівської премії в 1921 року.

1923-го Луї деБройль висунув ідею двоїстої природи речовини, опиравшуюся на те, що потік матеріальних частинок має і хвилевими властивостями, нерозривно пов'язані з масою і енергією. Рух частки Л. деБройль зіставив із поширенням хвилі, що у 1927 року одержало експериментальне підтвердження для дослідження дифракції електронів в кристалах. У найзагальніших рисах його припущення можна описати так:

поки світло летить у просторі, він поводиться як хвиля — піддається інтерференції, дифракції, має поляризацію тощо.

тоді як коли світло (і будь-якаЭМ випромінювання) взаємодіє зі речовиною, випромінюється чи поглинається — його доводиться вважати потоком частинок і квантові ефекти показують свій звіриний оскал.

Висловлені в 1924 року ідеї корпускулярно-хвилястого дуалізму був у 1926 року підхоплені Еге.Шредингером, який розгорнув з їхньої основі свою хвилясту механіку.

У 1925—1926 роках було закладено основи послідовної квантової теорії як квантової механіки, що містить нові фундаментальні закони кінематики і динаміки. Перша формулювання квантової механіки міститься у статті Вернера Гейзенберга, датованій 29 липня 1925 року. Цю дату вважатимуться іменинаминерелятивистской квантової механіки.

Розвиток дослідницько-експериментальної і формування основ квантової механіки триває досі. Воно пов'язане, наприклад, з дослідженнями відкритих кордонів тадиссипативних квантових систем, квантової інформатикою, квантовим хаосом тощо. Крім квантової механіки, найважливішої частиною квантової теорії є квантова теорія поля.

У 1927 року До.Девиссон і Л.Джермер в дослідницькому центрі Bell Labs демонструютьдифракцию повільних електронів на нікелевих кристалах (незалежно від Дж. Томсона). Оцінюючи кутовий залежності інтенсивності відображеного електронного променя, засвідчили її відповідність пророкованої відповідно до закону Вульфа —Бреггов для хвиль із довжиною ДеБройля (див. Хвилі деБройля). До прийняття гіпотези деБройля, дифракція розцінювалася як виключно хвилеве явище, а будь-якийдифракционний ефект — як хвильової. Коли довжина хвилі деБройля буласопоставлена з умовамиБреггов, була передбачено можливість спостереження як ідифракционной картини для частинок. Отже експериментально було підтверджено гіпотеза деБройля для електрона.

«Підтвердження гіпотези деБройля стало поворотним моментом у розвитку квантової механіки. Приблизно так, як ефектКомптона показує корпускулярну природу світла, експериментДевиссона —Джермера підтвердив нерозривне «співіснування» із часткою її хвилі, інакше кажучи —присущность корпускулярної матерії ще й хвильової природи. Саме це стало оформленню ідей корпускулярно-хвилястого дуалізму. Підтвердження цієї ідеї для фізики стало важливим етапом, оскільки дозволило як характеризувати будь-яку частку, привласнюючи їй певну індивідуальну довжину хвилі, але й в описах явищ, повноправно використовувати їх у вигляді певній величини в хвильовихуравнениях.»[1]