Вопросы для самоконтроля
1. Какие трудности возникли, в классической физике, в начале ХХ века?
2. Какой тип спектра излучают атомы?
3. Какие энергии имеют электроны в атоме?
4. Кто впервые объяснил устойчивость атомов и их линейчатый спектр излучения?
5. Что гласит первый постулат Бора?
6. Что гласит второй постулат Бора?
7. Что гласит третий постулат Бора?
8. Какой вид имеет формула Бальмера–Ридберга?
9. Какие серии линий излучает атомы водорода?
10. Какой вид имеет формула Бальмера–Ридберга для водородоподобных атомов?
11. Чему равно время жизни возбужденных атомов?
12. Что утверждает принцип соответствия?
12.2. Создание квантовой механики. Принцип неопределенности. Принцип «запрета» Паули.
Квантовая
механика – это теория о состоянии и
законах движения микрочастиц и их
систем, а также связи величин,
характеризующих частицы, с физическими
величинами, непосредственно измеряемыми
на опыте.
В начале ХХ века выяснилось, что
классическая механика имеет ограниченную
область применения и нуждается в
обобщении. В описании движения и состояние
микрочастиц в микромире, ее заменила
квантовая
механика,
а при движениях с большими скоростями
(
c)
ее заменила релятивистская
(относительная)
механика.
Законы квантовой механики позволили выяснить строение атомов, природу химических связей, периодичность системы элементов, строение атомного ядра, свойства элементарных частиц, температурную зависимость теплоемкости газов, жидкостей и твердых тел, явления ферромагнетизма, сверхтекучесть, сверхпроводимость, а также природу нейтронных звезд, белых карликов, механизмы термоядерных реакций на Солнце и звездах и др.
Квантовая механика была создана за 30 лет, в промежутке 1900 – 1930 годов, усилиями многих ученых мира. В 1900 году немецкий физик Макс Планк показал, что свет испускается не непрерывно, а определенными «порциями» энергию – квантами. Величина энергии кванта (Е) определяется по формуле Планка E=hν, где h = 6,62∙10─34 Дж∙с. и является постоянной Планка, а ν - частота излучения. В 1905 году А. Эйнштейн, при разработке теории фотоэффекта, подтвердил точку зрения М. Планка. Эйнштейн пришел к выводу о том, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами – фотонами. В 1922 году, американский физик А. Комптон, изучая рассеивание света свободными электронами, доказал корпускулярный характер света. Таким образом, было установлено, что свет наряду с волновым свойством обладает и корпускулярным свойством, т.е. свет обладает дуализмом. В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о том, что все элементарные частицы обладают дуализмом. Дуализм элементарных частиц отражается в формуле длины волны де Бройля: λБ=h/p=h/m , где λБ – длина волны де Бройля; р – импульс частиц; m - масса, а – скорость частиц. В 1927 г. К. Дэвиссон и Л. Джермер, экспериментально, обнаружили дифракцию электрона и тем самым подтвердили гипотезу Луи де Бройля.
В 1926 году австралийский физик Э. Шредингер предложил два уравнения, описывающие поведение волны де Бройля во внешних силовых полях. Первое уравнение называют стационарным уравнением Шредингера. Решение уравнения Шредингера, при конкретных условиях, дает возможность определить место нахождения частиц и их энергию.
Второе уравнение называют временным уравнением Шредингера. Решение второго уравнения дает возможность вычислить координаты и потенциальную энергию частицы, в зависимости от времени.
В 1932 г. английский физик-теоретик Поль Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики. Он, обобщил уравнение Шредингера, на случай частиц со спином ћ/2, движущихся со скоростью, сравнимой со скоростью света. Он описывает движение электрона во внешнем силовом поле. Уравнение Дирака представляет собой систему из четырех уравнений. Основное следствие уравнения Дирака состоит в том, что наряду с частицами должны существовать античастицы, отличающиеся от частиц только знаком заряда. Так, на кончике пера Дирак предсказал существование позитрона – античастицы электрона. Уравнение Шредингера и релятивистское уравнение Дирака составляют основу квантовой механики. В дальнейшем квантовую механику развили выдающиеся физики: Н. Бор, В. Гейзенберг, М. Борн, П. Иордан, В. Паули и др.
Анализ флуктуации физических величин, характеризующих микрочастицу и его состояние, в 1927 году позволил Гейзенбергу сформулировать принцип неопределенности. Согласно ему, одновременно нельзя точно определят и флуктуация импульса, и флуктуация координаты микрочастиц. Анализ спектра атомов, привел к представлению о том, что электрон (и все элементарные частицы) обладает внутренней характеристикой вращательного момента – спин. Представление о спине, позволило В. Паули (1925) сформулировать принцип запрета, согласно, которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Этот принцип имел фундаментальное значение для построения теории атома, квантовой химии, теории твердого тела и др.