Свойства микрочастиц
Микрочастицами называются
Элементарные частицы (как заряженные, так и нейтральные-электроны, нейтроны, фотоны, ...)
Сложные частицы, состоящие из сравнительно небольшого числа элементарных частиц (ядра, атомы, …)
Это особые образования, обнаруживающие как волновые, так и корпускулярные свойства:
Отличие микрочастицы от волны заключается в том, что она всегда обнаруживается как неделимое целое.
Отличие микрочастицы от макрочастицы заключается в том, что к ней неприменимо понятие траектории
Рассмотрим
следующий эксперимент:
Узкий пучок моноэнергетических электронов проходит через преграду с двумя узкими щелями:
При поочередном открывании щелей получаются классические кривые распределения электронов;
Если открыть обе щели, распределение электронов не будет наложением двух первых распределений, а будет аналогична картине, получающейся при наложении двух когерентных световых волн.
На движение электрона влияют оба отверстия, что несовместимо с понятием траектории (электрон должен был бы пройти либо через одну щель, либо через вторую).
Дифракция электронов на щелях.
Законы интерференции и дифракции действуют для пучков элементарных частиц также, как как для световых волн. Ни одна макрочастица не может быть прообразом микрочастицы, т.к. с уменьшением размеров начинают проявляться принципиально новые свойства, не обнаруживающиеся у макрочастиц (через отверчтие не может пройти полэлектрона). Характер картины свидетельствует о том, что на движение каждого электрона оказывают влияние оба отверстия. Такой вывод несовместим с представлением о траекториях.
Соотношение неопределенностей.
В классической механике состояние материальной точки (классической частицы) определяется заданием значений координат, импульса, энергии и т.д. – динамических переменных. Основное соотношение – II закон Ньютона, при решении которого определяется траектория частицы (координата и импульс определены для каждого момента времени)
Микрообъекту не могут быть приписаны указанные динамические переменные, но:
Информация о микрочастицах получается при наблюдении их взаимодействия с приборами (макроскопическими телами)
По этой причине результаты измерений выражаются в терминах, разработанных для характеристик макротел, т.е. через значения динамических характеристик. В соответствии с этим измеренные значения динамических переменных приписываются микрочастицам. Например, говорят о состоянии электрона, в котором он имеет какое-то значение энергии и т.д.
Для
канонически сопряженных величин
справедливо соотношение
неопределенностей Гейзенберга:
Произведение неопределенностей значений двух сопряженных переменных не может быть по порядку величины меньше приведенной постоянной Планка – принцип неопределенности Гейзенберга. Чем меньше неопределенность одной сопряженной величины, тем больше неопределенность другой.
Координата
и проекция импульса на соответствующую
ось:
.
Уменьшение
неопределенности координаты
сопровождается
возрастанием неопределенности компоненты
импульса
.
Соотношение неопределенностей указывает, в какой мере возможно пользоваться понятиями классической механики применительно к микрочастицам, в частности, с какой степенью точности можно говорить о траекториях микрочастиц:
Распишем
импульс как произведение массы частицы
на ее скорость: :
чем
больше масса частицы, тем меньше
неопределенность ее координаты и
скорости, т.е. c
тем большей точностью можно применять
к этой частице понятие траектории. Для
макроскопических тел их волновые
свойства не играют никакой роли,
для описания их движения с абсолютной
достоверностью можно пользоваться
законами классической механики.
Неопределенность
для энергии и времени:
определение
энергии с точностью
должно
занять интервал времени, равный, по
меньшей мере
Отличие измерений в квантовой области от классических измерений:
Классическая физика полагает, что путем улучшений методики и техники измерений ошибки могут быть сделаны сколь угодно малыми
Согласно квантовой физике, существует принципиальный предел точности измерений. Он лежит в природе вещей и не может быть превзойден никаким совершенствованием приборов и методов измерений.
Один из пределов – соотношение неопределенностей Гейзенберга:
Взаимодействие между макроскопическим измерительным прибором и микрочастицей во время измерения нельзя сделать бесконечно малым. Вследствие этого при измерении координаты частицы происходит принципиально неустранимое и неконтролируемое искажение первоначального состояния частицы, а следовательно, и значение импульса определить точно при последующем измерении не удастся.
Выводы, вытекающие из соотношения неопределенностей Гейзенберга:
Состояние, в котором частица находится в полном покое, невозможно
В квантовой механике теряет смысл деление полной энергии на кинетическую и потенциальную, т.к. одновременно знать эти величины невозможно (одна зависит от координаты, другая от импульса)
Ограниченный во времени волновой процесс не может быть монохроматическим:
вытекает
из соотношения неопределенностей
Гейзенберга для энергии и времени.