Кванты. Молекулы, атомы, ядра, поля-частицы.

Лекция 4. Основы квантовой физики (2 часа).

Цель: ознакомить с современной квантовой теорией материи.

Вопросы для рассмотрения:

1. Квантовые представления о тепловом излучении.

2. Корпускулярно-волновой дуализм света и микрочастиц.

3. Принцип неопределенности и принцип дополнительности.

4. Релятивистская квантовая физика. Физический вакуум.

5. Атомы, молекулы и вещество с точки зрения квантовой теории.

6. Природа межатомных и межмолекулярных связей.

1. Квантовые представления о тепловом излучении.

Впервые квантовые представления предложил немецкий физик Планк (1858-1947) в работе, связанной с теорией теплового излучения. За это в 1919 г. М. Планку присвоили Нобелевскую премию.

Планк выдвинул смелую, но разумную гипотезу о возможности излучения энергии атомами разных веществ не непрерывным, а дискретным образом, то есть определенными порциями, названными квантами. Основной постулат Планка заключался не только в том, что излучение энергии происходит дискретно, но и в том, что энергия кванта пропорциональна частоте колебания осциллятора (атома), то есть частоте излучения:

E = hv, где h – постоянная Планка (квант действия)

(h=6,626·10־ Дж·с)

В наиболее общем случае (то есть для всех явлений и процессов, протекающих в природе) концепции классической и квантовой физики можно сформулировать соответственно следующим образом:

1) при переходе физической системы из одного состояния в другое ее энергия изменяется непрерывно;

2) при переходе физической системы из одного состояния в другое ее энергия изменяется дискретно.

Иными словами, тепловое излучение (электромагнитная волна) испускается не сплошным потоком, а порциями (квантами) Энергия каждого кванта – E = hv, (где h – постоянная Планка) пропорциональна частоте электромагнитной волны – v.

На основе квантовых представлений А. Эйнштейн в 1905 г. разработал теорию эффекта (Нобелевская премия 1922 г.), поставив науку перед фактом: свет обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами, он излучается, распространяется и поглощается квантами (порциями). Кванты света стали называть фотонами.

В 1865 году Максвелл выдвинул идею об электромагнитной природе света. Он считал, что свет является одним из видов электромагнитного излучения, которому соответствуют определенный диапазон частот и длин волн. Дальнейшие исследования свойств света подтвердили эту идею Максвелла.

Волновая оптика – это раздел физики, изучающий совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, т. е. свет рассматривается как электромагнитная волна.

2. Эволюция представлений о природе света. Корпускулярно-волновой дуализм света и микрочастиц.

1) Ньютон (ок. 1670 г.) высказал предположение о том, что свет имеет корпускулярную природу. В 1666 г. он применил корпускулярную теорию для обоснования преломления, отражения и дисперсии света.

2) Гюйгенс (ок. 1678 г.) сделал попытку объяснить распространение, отражение и преломление света с точки зрения волновой теории.

3) Благодаря работам Юнга, Френеля и других ученых по интерференции и дифракции света (1802-1850 гг.) чаша весов склонилась в пользу волновой природы света. Явление наложения волн с образованием устойчивой картины максимумов и минимумов называется интерференцией света. Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых в среде с резкими неоднородностями (границы непрозрачных или прозрачных тел) и связанных с отклонениями от законов геометрической оптики. Дифракция приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени.

4) Максвелл (60-е годы XIX века) пришел к заключению, что свет – это электромагнитные волны.

5) Планк (1900 г.), изучая спектральную плотность излучения абсолютно черного тела, выдвинул гипотезу, согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, то есть определенными порциями – квантами, энергия которых определяется частотой; объяснение фотоэффекта, сделанное Эйнштейном (1905 г.), было основано на том, что свет не только излучается, но и распространяется и поглощается также квантами. Частицы света, энергия которых квантована, позднее были названы фотонами. Фотон является особой частицей, так как в отличие от других частиц (электронов, протонов и т. п.) он существует только в движении, причем скорость его движения равна скорости света. Масса фотона равна нулю.

Следовательно, свет, с одной стороны, проявляет волновые свойства (интерференция и дифракция), а с другой - корпускулярные (излучение, фотоэффект), то есть существует корпускулярно-волновой дуализм природы света. Виды волн – упругие (звуковые, сейсмические и т. п.) и электромагнитные (радиоволны, свет и т.п.). Электромагнитная волна является поперечной (М.В. Ломоносов показал, что свет – это поперечные волны эфира).

Следующий шаг в развитии концепции корпускулярно-волнового дуализма был сделан в 1924 г. французским физиком Луи де Бройлем (1892-1987). Он выдвинул смелую гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами.

Корпускулярные характеристики частиц (микрообъектов) – энергия и импульс, волновые характеристики частиц – частота v и длина волны γ.

Формулы, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как и для фотонов:

E = hv, p = h/λ , где h – постоянная Планка.

Смелость гипотезы де Бройля заключается именно в том, что приведенные формулы постулировались не только для фотонов, но и для других микрочастиц, и в частности для таких, которые обладают массой, отличной от нуля. Таким образом, с любой частицей, обладающей импульсом p, сопоставляется волновой процесс с длиной волны, определяемой формулой де Бройля:

λ = h/p.

Гипотеза де Бройля вскоре была подтверждена экспериментально. Существование волновых свойств было доказано у электронов (получена дифракционная картина), атомов и молекул.

Другими словами, всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства: для них существуют потенциальные возможности проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде частицы, либо в виде волны. При проявлении у микрочастицы корпускулярных свойств ее волновые свойства существуют в виде возможности, которая при соответствующих условиях превращается в действительность.