5.5. Концепция квантовой механики

Начиная с исторической работы М. Планка, в которой были впервые введены квантовые представления, их развитие происходило по двум взаимосвязанным направлениям. Одно из них было связано с установлением корпускулярных свойств электромагнитного излучения и привело к концепции корпускулярно-волнового дуализма света. Второе направление, которое можно характеризовать как выявление волновых свойств микрочастиц, способствовало установлению всеобщности концепции корпускулярно- волнового дуализма. Можно сказать, что эти два направления «сошлись» на необходимости полного отказа от понятий и терминов классической физики при описании явлений в микромире. Сложилось и окрепло убеждение, что и полуклассические теории обладают ограниченными возможностями, поскольку такие понятия, как движение по определенным орбитам или траектория перехода с орбиты на орбиту, несовместимы с природой тех законов, которые определяют поведение частиц микромира.

Построение новой теории, поэтому, следовало базировать на использовании физических величин, относящихся к начальному и конечному стационарным состояниям атома. В 1925 г. немецкий физик Вернер Гейзенберг построил формальную схему, в которой фигурировали не координаты и скорости электрона, а абстрактные математические величины – матрицы, связанные простыми правилами с наблюдаемыми величинами (уровнями энергии и интенсивностями квантовых переходов). Так появилась матричная механика.

В 1926 г. австрийский физик Эрвин Шрёдингер предложил математическое уравнение, описывающее поведение так называемых волн де Бройля (волн материи) во внешних силовых полях. Так возникла волновая механика. Уравнение Шрёдингера является типичным волновым уравнением и составляет основу нерелятивистской квантовой механики. Сразу же выяснилось, что матричная механика Гейзенберга и волновая механика Шрёдингера математически эквивалентны.

Детальный анализ с новых позиций спектров атомов привел к введению американскими физиками Джорджем Уленбеком и Сэмюэлом Гаудсмитом представления о том, что электрону кроме заряда и массы должна быть приписана еще одна квантовая характеристика – спин. Спином (от англ. «вращаться») называется приписываемый микрочастице собственный момент количества движения, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спин измеряется в единицах постоянной Планка и может быть целым или полуцелым. Учет спина электрона позволил швейцарскому физику Вольфгангу Паули сформулировать так называемый принцип запрета, названный впоследствии его именем. Принцип Паули, гласящий, что две тождественные частицы с полуцелым спином (в частности, электроны) не могут одновременно находиться в одном состоянии, сыграл решающую роль в понимании закономерностей заполнения электронных оболочек атомов, т. е. закономерностей периодической системы элементов.

Исключительно важную роль в создании квантовой механики сыграли работы английского физика Поля Дирака, который в 1928 г. разработал релятивистскую теорию движения электрона (уравнение Дирака), предсказавшую существование позитрона (античастицы по отношению к электрону), аннигиляцию и рождение пары электрон-позитрон.