2.2 Квантовая механика.
Разрешение затруднений классической физики в описании явлений микромира было связано с осознанием ограниченности применения ее моделей для этой области, необходимости смены аксиоматического аппарата и разработки новых методов исследования. Завершилось оно рождением новой теории – квантовой, устанавливающей способ описания и законы движения микрочастиц во внешних полях.
Первой важной вехой в ее становлении стала квантовая гипотеза Планка-Эйнштейна: свет излучается, распространяется и поглощается квантами, энергия которых определяется выражением:
E=h∙ν
где ν – частота излучения, h= 6,62∙10-34 Дж∙с – постоянная Планка.
Сочетание этой гипотезы с методами классической науки позволило построить непротиворечивую теорию фотоэффекта и объяснить закономерности в спектрах нагретых тел.
Вторым важным моментом в становлении новой физики стала теория атома водорода, разработанная Н.Бором. Принятая в начале века планетарная модель представляла атом водорода как систему, состоящую из тяжелого ядра и вращающегося вокруг него легкого электрона. Как известно из механики, любая частица, движущаяся по круговой орбите, обладает ускорением. В то же время, исходя из электромагнитной теории, заряд, движущийся ускоренно должен излучать энергию. Из-за потери энергии радиус его орбиты должен уменьшаться, а траектория движения иметь вид спирали. Через промежуток времени 10-9 с электрон упадет на ядро, и атом как самостоятельная химическая единица перестанет существовать. Однако большинство химических элементов стабильно, благодаря чему и существуют устойчивые неорганические и органические соединения, планеты, строения и сооружения, разнообразные биологические формы и сам человек. Кроме того, при движении электрона по спирали его излучение должно было бы иметь сплошной спектр. Наблюдаемые же в эксперименте спектры атомов дискретны и представляют серии узких спектральных линий. Для преодоления этих противоречий Бору пришлось ввести два постулата и понятия «стационарная орбита» и «стационарное состояние», существование которых подтвердили проведенные в 1913 году опыты Франка и Герца: – большую часть времени электроны в атомах находятся на стационарных орбитах, при движении по которым они не излучают и не поглощают энергии; – излучение или поглощение происходит при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую, при этом выполняется условие:
hν = En − Em,
где En ,Em — энергетические уровни, между которыми осуществляется переход. Для построения теории излучения многоэлектронных атомов необходимо было знать, какие законы управляют распределением электронов по энергетическим состояниям. Понимание этого пришло лишь после открытия спина электрона (англ. spin – вращение). Это позволило охарактеризовать состояние электронов в атоме с помощью набора квантовых чисел, определяющих возможные дискретные (квантованные) значения энергии, орбитального и спиновых моментов, а также найти их распределение по стационарным орбитам (или уровням).
В 1925 году швейцарский физик-теоретик В. Паули (1900-1958) обосновал принцип: в любой квантовой системе два или более электрона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Это фундаментальный закон природы, ему подчиняются все частицы с полуцелым спином, к которым относится электрон.
Формирование новых представлений о природе корпускулярно - волнового дуализма завершило подготовительный этап в развитии квантовой физики. В 1924 году француз Луи де Бройль (1892-1987) пришел к мысли о том, что сочетание волновых и корпускулярных свойств является фундаментальным свойством материи и присуще не только излучению (полю), но и веществу. С любым движущимся материальным объектом можно сопоставить корпускулярные характеристики - координаты в пространстве (т.е. траекторию), энергию, импульс, и волновые - длину волны или частоту. Это заключение привело Н. Бора к открытию принципа дополнительности: ни одна теория не может описать объект столь исчерпывающим образом, чтобы исключить возможность альтернативных подходов. «Несовместимости» с точки зрения классической науки в рамках неклассической не исключают, а дополняют друг друга.
В 1927 году американцами К. Дэвиссоном и Л. Джермером и независимо от них советским ученым П.С. Тартаковским волновые свойства электронов были обнаружены в эксперименте по дифракции электронов на кристаллических структурах. Позднее будут обнаружены волновые свойства и у других микрочастиц. Микрочастицы имеют потенциальную способность проявлять корпускулярные или волновые свойства в зависимости от условий наблюдения. Наблюдая их треки в камере Вильсона, мы можем охарактеризовать корпускулярные свойства микрочастиц. Наблюдая их дифракцию на различных структурах, мы можем охарактеризовать их волновые свойства.
Исторически первой квантовой теорией была матричная механика немецкого физика В.Гейзенберга (1901-1976). Но наиболее широкое распространение для описания микромира получило уравнение австрийца Э.Шредингера (1887-1961), который, используя гипотезу де Бройля и ряд других соотношений, разработал волновую (квантовую) механику, доказал ее идентичность с матричной механикой Гейзенберга, вывел дифференциальное уравнение, описывающее характер поведения электрона в атоме. При этом ему пришлось ввести так называемую волновую функцию Y = Y(x,y,z,t), физический смысл которой был истолкован позднее М.Борном (1882-1970): квадрат модуля волновой функции пропорционален плотности вероятности нахождения частицы в данной точке объема. То есть волны де Бройля - это не волны в классическом смысле, их нельзя представить в виде механических или электромагнитных, это волны вероятности. Волновая функция лишь вероятностно описывает поведение электрона в атоме. Вместо классической орбиты электрона рассматривается своеобразное «электронное облако». Вероятностная трактовка волновой функции отражает присущие микрочастицам элементы случайного в их поведении. Это значит, что предсказания в квантовой механике, в отличие от классической, имеют вероятностный характер, а случайность поведения присуща не только коллективу частиц, но и одной, отдельно взятой частице.
Эта специфика проявляется в фундаментальном законе, открытом в 1927 году Гейзенбергом, – соотношениях неопределенностей, смысл которых заключается в том, что невозможно одновременно с одинаковой точностью определить координату и импульс (скорость) или энергию и время взаимодействия частиц. Это утверждение имеет еще одно название – принцип неопределенности.
Применение принципа неопределенности к квантовым системам позволило объяснить такие необъяснимые с точки зрения классической физики явления, как туннельный эффект (просачивание α-частиц сквозь потенциальный барьер) и ряд других.
Гейзенберг первым поставил вопрос о влиянии наблюдателя, приборов и условий на производимый эксперимент, полученные в его ходе результаты и их интерпретацию. Если классическая физика понимает роль экспериментатора как стороннего наблюдателя, то в квантовой механике он является составной частью системы, в которой наблюдается явление, и принципиально неотделим от объекта наблюдения. Он не просто «созерцатель» событий, происходящих в исследуемой системе, он их активный участник. Используя измерительные приборы, он, пусть и незначительно, но вмешивается в ход протекающих событий и не учитывать этого нельзя.
Таким образом, квантовая механика смогла объяснить электронную структуру химических элементов и спектральные закономерности, обосновать периодическую систему, построить теорию химической связи, стать базой для развития квантовой химии и фотохимии