Квантовая

Вселенная

КвантоваяВселенная (1)

В классической теории различаются два типа объектов — вещество и излучение. Вещество состоит из точно локализуемых частиц, подчиняющихся законам механики Ньютона. Излучение описывается электромагнитной теорией Максвелла.

Наши представления о строении вещества основываются на опытах «увидеть» частицы вещества, например, регистрируя их треки в камере Вильсона или наблюдая рождение частиц в гигантских детекторах на ускорителях.

Уменьшение временных и пространственных масштабов, в которых разыгрываются физические явления, привели к «новой физике», столь непохожей на привычную традиционную классическую физику. Развитие физики в начале XX века привело к полному пересмотру классических представлений о строении материи.

КвантоваяВселенная (2)

В основе «новой физики» лежат две фундаментальные теории:

•Специальная теория относительности

•Квантовая теория

Теория относительности и квантовая теория являются фундаментом, на котором построено описание явлений микромира

Открылся мир идей и явлений, необъяснимых с точки зрения классической теории

•Дифракция частиц и электронов

•Фотоэффект

•Эффект Комптона

•Модель атома Резерфорда

•Корпускулярно-волновой дуализм

•Излучение абсолютно чёрного тела

•Взаимные превращения частиц

Для описания явлений микромира необходимы принципиально новые подходы и методы, опирающиеся на экспериментально наблюдаемые и измеряемые величины.

При построении логически непротиворечивой модели описания явлений квантового мира нельзя вводить величины кроме физически наблюдаемых, не следует вводить представление о вращении электронов на определённых орбитах в атоме, а следует исходить из наблюдаемых частот интенсивностей атомных переходов.

Свет. Волна? Частица?

Начиная с античных времён до конца XVIII века, считалось, что свет это поток быстро движущихся частиц. Однако ситуация принципиально изменилась благодаря открытию Юнга. Выяснилось, что при определённых условиях два луча света могут ослаблять друг друга. Это явление совершенно необъяснимо в корпускулярной модели. Т. Юнг в 1801 г. в результате экспериментов по интерференции света подвёл основу под волновую теорию света.

Вопыте Юнга свет от источника падал на непрозрачный экран с двумя близко расположенными щелями. Оказалось, что изображение на экране состоит из нескольких интерференционных полос, что наглядно демонстрируют волновую природу света. Интерференционная картина явно зависит от двух щелей порождающих две волны, которые накладываются друг на друга. Если закрыть одну из щелей интерференционная картина исчезнет.

Вто же время если заменить экран детектором, способным к регистрации отдельных частиц (например, фотопластинкой) то обнаружится, что свет вызывает почернение фотоэмульсии в определённом месте.

Вэтом проявилась волновая и корпускулярная природа света.

Рентгеновский спектр

Характеристический рентгеновский спектр зависит от материала анода. Электроны в атоме заполняют последовательно K, L, M, N оболочки. Электроны К оболочки расположены наиболее близко к атомному ядру и связаны наиболее сильно. Затем последовательно располагаются более слабо связанные L, M, N оболочки.

Когда падающие на анод электроны выбивают электроны из К оболочки, вакансии в К оболочке заполняются за счёт переходов электронов из верхних менее связанных оболочек. Если вакансию в оболочке К заполняет электрон из оболочки L, в спектре возникает линия Kα. При переходе электрона из М оболочки на вакансию в К оболочке в спектре возникает линия Кβ. Таким

образом, при переходах с оболочек L, M, N на К оболочку испускается дискретный спектр рентгеновских линий Kα, Кβ, Кγ, Кδ, … Если падающие на анод электроны выбивают

электроны из L, M, O, …оболочек, то при заполнении вакансий электронами более высокорасположенных оболочек образуются линии Lα, Lβ, Lγ … Mα, Mβ, Mγ.

1900

Излучениеабсолютно

черноготела

Max Planck (1858-1947)

Нобелевская премия по физике

1918 г. – М. Планк За открытие кванта энергии

Излучениеабсолютночерноготела

Классическая статистика оказалась не в состоянии описать спектр равновесного излучения в полости. Если рассматривать тепловое излучение как совокупность плоских волн, то плотность энергии излучения описывается формулой Рэлея-Джинса. При малых энергиях излучения формула хорошо согласуется с экспериментом. Однако при высоких частотах плотность энергии u(T ,ν) → ∞. Эта ситуации

получила название «ультрафиолетовая катастрофа». Это происходит потому, что при ν → ∞ число

собственных колебаний также стремится к

бесконечности, а на каждое из них приходится энергия E = kT .

Если излучение происходит отдельными квантами hν , то энергия электромагнитной волны с частотой ω

(собственные колебания электромагнитного поля в полости на данной частоте) не может быть произвольной как считается в классической физике, а должна принимать значения

E = nhν, n = 0,1, 2,…

Средняя энергия ε , приходящаяся на одно

собственное колебание системы в случае теплового равновесия, если энергия имеет дискретный спектр, не равна kT .

В случае дискретных значений энергии для возбуждения колебаний с частотой ν осциллятору должна быть сообщена энергия hν .

При ν → ∞ она становится бесконечно большой,

поэтому при конечном значении температуры колебания такой частоты возникнуть не могут.

При h → 0 распределение Планка переходит в

классическую формулу Рэлея – Джинса.