Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Полоцкий государственный университет»

С. А. Вабищевич, Н. В. Вабищевич, Н. А. Опарина

ФИЗИКА

ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ СТАТИСТИКИ ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Учебно-методический комплекс для студентов технических специальностей

Новополоцк

ПГУ

2008

1

УДК 53(075.8) ББК 22.3я73

В12

Рекомендовано к изданию методической комиссией радиотехнического факультета в качестве учебно-методического комплекса

(протокол № 2 от 25.10.2007)

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

заслуженный деятель науки Республики Беларусь, проф., д-р техн. наук, зав. лаб. Белорус. Межвуз. центра структур. исслед. при БГУ В. П. ГОЛЬЦЕВ; проф. каф. физики УО «Полоцкий государственный

университет» Г. М. МАКАРЕНКО; ст. преп. каф. физики УО «Полоцкий государственный

университет» Г. А. ДУБЧЕНОК

Н. В. Вабищевич, Н. А. Опарина. – Новополоцк : ПГУ, 2008. – 180 с. ISBN 978-985-418-644-3.

Представляет собой заключительную часть общей физики и содержит два мо- дуля: «Квантовая природа излучения. Элементы квантовой физики» и «Элементы квантовой статистики. Физика твердого тела». Составлен на основании учебной программы по курсу «Общая физика» и включает в себя краткие теоретические сведения, примеры решения задач и задачи для самостоятельного решения.

Предназначен для студентов технических специальностей.

СОДЕРЖАНИЕ

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемый комплекс содержит систему взаимосвязанных средств обучения на основе действующей программы по физике.

Данное пособие содержит два модуля. Каждый модуль содержит учеб- ную и методическую программы, краткое содержание теоретического мате- риала, примеры решения задач, задачи для самостоятельного решения, а так- же список основной и дополнительной литературы.

Успехи и перспективы большинства наукоемких отраслей промыш- ленности основаны на достижениях квантовой физики, что определяет ее огромное значение в формировании естественно-научного мировоззрения современного, прогрессивно мыслящего инженера. Настоящее пособие не претендует на освещение всех проблем современной физики твердого тела и квантовой механики, а преследует цель ознакомления студентов инженерно- технических специальностей с основами квантово-механических методов описания свойств различных сред и процессов, протекающих в них. Основ- ное внимание уделяется базовым вопросам, входящим в программу курса общей физики и определенным образовательными стандартами соответст- вующих специальностей. Для студентов, заинтересовавшихся данной темой и желающих получить более широкое представление по рассматриваемым проблемам, предложен список дополнительной литературы.

УМК разработан доцентом кафедры физики УО «ПГУ» Вабищеви- чем С. А. и старшими преподавателями Опариной Н. А. и Вабищевич Н. В.

5

УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ 7. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ

Физической основой квантовой физики является корпускулярно-волновой дуализм, представляющий собой основное и универсальное свойство мате- рии. Согласно указанному принципу любой волне в природе соответствует частица и наоборот – любая частица в природе способна проявлять свойства волны. При этом физические величины, характеризующие волну (волновой

вектор k и частота ω) и частицу (энергия E и импульс p ) связаны между собой соотношениями E = ħω и p = k . К настоящему времени обнаружено

большое количество экспериментальных фактов, подтверждающих кор- пускулярно-волновой дуализм материи. Квантовая физика является более общей теорией по сравнению с классической физикой. Квантовая теория неза- менима при решении задач, характеризующих системы микрочастиц. Законы указанной теории позволили выяснить строение электронных оболочек атомов, установить природу химической связи, понять строение и свойства атомных ядер. Многие физические свойства материи смогли быть объяснены детально только с появлением квантовой физики.

Рассмотренные ранее оптические явления интерференции, дифракции, дис- персии иполяризациисвета показали, что свет обладает волновыми свойствами.

Однако последующее изучение взаимодействия света с веществом выявило, что свету, помимо указанных волновых свойств, присущи еще и другие свойства, которые можно считать атрибутами частиц, локализован- ных в определенном объеме, обладающих определенной массой, импуль- сом и энергией. В связи с этим возникло новое представление о свете как о квантах, рассматривая световой поток как поток своеобразных частиц –

квантов света.

Представление о том, что и частицам присущи волновые свойства, принадлежит Луи Де Бройлю (1924 г.). Де Бройль предположил, что с по- током частиц связан некоторый волновой процесс, который оказывает влияние на поведение частиц и обусловливает целый ряд их свойств, несо- вместимых со свойствами частиц как корпускул. Наличие у частиц волно- вых свойств делает невозможным применение для их описания механики Ньютона. Теория, которая учитывает волновые свойства частиц, получила название квантовой. Основное уравнение квантовой физики, которое вы- полняет ту же роль, что и второй закон Ньютона в классической механике, называется уравнением Шредингера.

6