Раздел II. Концепции квантовой физики. Структура микромира.

Литература:

1. Бор, Н. Атомная физика и человеческое познание. М. , 1963.

2. Гейзенберг, В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989.

3. Грин, Б. Элегантная вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. М. , 2004.

4. Малдасена, Х. Иллюзия гравитации // В мире науки, 2006, № 2.

5. Планк, М. Единство классической картины мира. М. , 1968.

6. Поппер, К. Квантовая теория и раскол в физике. М., 1998.

Квантовая механика – раздел физики, рассматривающий поведение квантовых систем.

Предсказания квантовой механики могут существенно отличаться от предсказаний классической механики. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений.

Основные термины: квантовая механика, излучение абсолютно черного тела, квантование энергии, постоянная Планка, фотоэлектрический эффект, атом Бора, принцип дополнительности, принцип неопределенности, принцип соответствия, соотношение де Бройля, элементарные частицы, античастицы, теория Великого объединения.

I.Вопросы для самопроверки.

1. Что такое квант? Объясните различие между следующими понятиями: «квант энергии» и «квант электромагнитного поля»

2. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?

3. В чем заключается единство принципов неопределенности и дополнительности?

4. В чем заключается эффект Комптона?

5. Чем отличается частица от античастицы?

6. Что такое кварк? Каковы свойства кварков?

II. Задания для самостоятельной работы.

1. Перед вами изображение квантового явления, открытого на рубеже XIX-ХХ вв. Это явление поставило целый ряд фундаментальных вопросов в естествознании.

а) Что это за явление? Опишите его физический смысл.

б) Расскажите об истории его открытия.

в) Используется ли это явление в повседневной жизни? Приведите примеры.

2. «Весь мир в бокале вина» (Омар Хайям). Почему это положение американский физик Р. Фейнман, получивший нобелевскую премию за исследование элементарных частиц, считал созвучным современной физике?

3. Составить таблицу «Фундаментальные физические взаимодействия в природе»

Тип взаимодействия	Переносчик взаимодействия	Масса частицы	Граница действия	Интенсивность	Роль и значение в природе

4. Ядро атома некоторого элемента содержит 16 нейтронов, а электронная оболочка этого атома – 15 электронов. Назовите химический элемент, изотопом которого является данный атом.

Приведите запись изотопа с указанием заряда ядра и массового числа.

5. Возможна ли реализация программы объединения фундаментальных физических взаимодействий. Как эта теория связана с нерешенными проблемами современной физики?

III. Темы докладов/презентаций:

1. Модели атома: от атома Томпсона до квантовой модели.

2. Принципы квантовой физики. Научное и мировоззренческое значение.

3. «Отцы-основатели» квантовой механики (на примерах биографий ученых ХХ в.: М.Планк, А.Эйнштейн, Н.Бор и др.)

4. Квантовая физика меняет мир: идеи, технологии, перспективы.

IV. Тестовые задания по теме: «Концепции квантовой механики. Структуры микромира»

1. Предположение о наличии у света квантовых (корпускулярных) свойств оказалось необходимым для объяснения экспериментально установленных законов …

1. фотоэффекта

2. интерференции света

3. дифракции света

4. отражения и преломления света

2. Очень существенно, в десятки и сотни тысяч раз, различаются размеры …

1. атомов и атомных ядер

2. атомов и неорганических молекул

3. разных неорганических молекул

4. атомных ядер и протонов

3. Точно предсказать положение и скорость частицы спустя заданное время позволяет …

1. классическая механика

2. квантовая механика

3. термодинамика

4. статистическая термодинамика

4. Не очень сильно, всего в несколько раз, различаются размеры атомов и …

1. неорганических молекул

2. атомных ядер

3. молекул биополимеров

4. электронов

5. Хорошей наглядной иллюстрацией принципа дополнительности может служить возникновение …

1. стереоэффекта (ощущения 3D) при предоставлении каждому глазу своего изображения сцены

2. радужной окраски при попадании пленки масла на поверхности воды

3. человека разумного в результате эволюции человекообразных обезьян

4. лазерного излучения при достаточно мощном возбуждении активной среды лазера

6. С точки зрения квантовой механики, точное измерение импульса электрона, находящегося в заданном атоме, …

1. невозможно, поскольку соотношение неопределенностей Гейзенберга запрещает точное знание импульса объекта, если его координата известна хоть с какой-то точностью

2. невозможно, поскольку при образовании атома электрон входит в состав атомного ядра и становится недоступным наблюдению как отдельная частица

3. вполне возможно, поскольку знание местоположения объекта, хотя бы примерного, позволяет обнаружить объект и измерить все его свойства

4. вполне возможно, поскольку принцип дополнительности Нильса Бора требует для полного описания свойств объекта знания его взаимодополняющих характеристик