Специфика законов микромира. Квантовая и классическая физика. Постоянная Планка, ее физический смысл, размерность.
Особенности микромира
Первая особенность. Энергия свободного электрона, так же как и энергия тела, может изменяться непрерывно, но энергия связанного электрона, в частности электрона в атоме, может принимать только вполне определенные значения.
При переходе электрона из одного состояния в другое энергия поглощается или выделяется порциями –квантами энергии. Поэтому первая особенность поведения электрона часто называется принципом квантования его энергии. Эта особенность была постулирована датским физиком Нильсом Бором в 1913 году и в дальнейшем получила блестящее экспериментальное подтверждение.
Вторая особенность. Электрон в одних случаях проявляет свойства частицы вещества, а в других – волновые свойства. Такая двойственность поведения электрона и других микрочастиц (дуализм) – одно из общих свойств материи (и вещества, и поля). Оно называется "корпускулярно-волновой дуализм"или "дуализм волна-частица ".
Волновые свойства электрона проявляются, например, при прохождении потока электронов через тончайшую кристаллическую пленку. Поток электронов ведет себя так, как будто через эту пленку прошли волны, то есть, подвергается дифракции и интерференции. Эту особенность поведения электрона предсказал французский физик Луи де Бройль в 1924 году. В настоящее время волновые свойства электронов широко используются при исследовании строения различных веществ.
Третья особенность. Чем с большей точностью определяют положение электрона в пространстве, тем с меньшей точностью можно определить его скорость. И наоборот, чем с большей точностью определяют скорость электрона(абсолютную величину и направление), тем с меньшей точностью можно определить его положение в пространстве. Это утверждение, а оно справедливо и для других микрочастиц, называется "принцип неопределенностей". Этот принцип был сформулирован немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Принцип неопределенностей "лишает "летящий электрон траектории. Действительно, если мы в какой-то момент точно знаем положение электрона, то мы принципиально ничего не знаем о его скорости и в следующий момент времени можем обнаружить электрон в любой другой точке атома, правда, с разной вероятностью.
Квантовая физика
Ква́нтовая фи́зика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения. Основные законы квантовой физики изучаются в рамках квантовой механики и квантовой теории поля и применяются в других разделах физики.
Квантовая физика имеет дело с явлениями, которые непосредственно не наблюдаемы: факт, полученный в результате опыта, не соотносится непосредственно с квантово-механическим объектом. Побывайте в Протвино на Серпуховском ускорителе или в Дубне и вам покажут фотографии с треками элементарных частиц. Обычный смотрящий на них человек видит только ряд полосок различной длины, разбросанных по фотографии. Только специалист, который проектировал и осуществлял эксперимент, увидит в них взаимодействие элементарных частиц.
Непосредственная ненаблюдаемость объекта исследования в квантовой физике является одной из причин, почему понятия времени и пространства не занимают в теоретических исследованиях такого фундаментального места, какое они занимают в классической физике: в квантовой физике большую роль играет импульсно-энергетическое представление и локальные, калибровочные инварианты (т.е. не глобальные геометрические, не простанственно-временные). В ней сформулирован ряд законов сохранения, которым трудно сопоставить свойства симметрии пространства и времени: сохранение барионного числа, сохранение лептонных чисел. Теории сильных и слабых взаимодействий тоже являются калибровочными. Вместе с тем одной из фундаментальных теорем является СРТ-теорема для всех фундаментальных видов физических взаимодействий, которая говорит о СРТ-симметрии описывающих их законов (где С – заряд, Р – пространство, Т – время). Другими словами, физики склонны признавать справедливость CPT-инвариантности (инвариантности относительно изменения знака заряда, пространства, времени).
Фундаментальный закон, описывающий движение в квантовой физике – уравнение Шредингера, которое лежит в основе волновой механики (теории движения микрочастиц) – является симметричным во времени. Это означает, что и здесь, как в физике Ньютона, на фундаментальном уровне время не содержит в себе различия между прошлым и будущим. Локальная направленность времени или пространства истолковываются, в конечном счете, на базе более фундаментальных обратимых, симметричных законов: время и пространство симметричны (изотропны, не направлены, не имеют выделенного направления).
Постоянная Планка h - фундаментальная физическая постоянная, введённая Планком для описания закона распределения энергии в спектре абсолютно чёрного тела. Плотность энергии в интервале dν при частоте ν: dU(ν) = ρ(ν)dν,
.
Эта формула получена Планком в 1900 г.
h = 6.6260766(40)·10-34 Дж·с.
Часто используют приведённую постоянную Планка
ћ = h/2π = 1.05457266(63)·10-34 Дж·с = 6.5821220(20)·10-22 МэВ·с.
k = 1.38·10-23 Дж·К-1 = 8.62·10-11 МэВ·К-1.
Постоянная Планка определяет широкий круг явлений физики микромира.
Физический смысл
В квантовой механике импульс имеет физический смысл волнового вектора, энергия — частоты, а действие — фазы волны, однако традиционно (исторически) механические величины измеряются в других единицах(кг·м/с, Дж, Дж·с), чем соответствующие волновые (м−1, с−1, безразмерные единицы фазы). Постоянная Планка играет роль переводного коэффициента (всегда одного и того же), связывающего эти две системы единиц — квантовую и традиционную:
(импульс)
(энергия)
(действие)