Атомна і ядерна фізика пп.05.05.01 Квантові властивості електромагнітного випромінювання Тема 1. Квантові властивості випромінювання.

1. Короткий історичний огляд розвитку квантової механіки.

2. Фотоелектричний ефект. Дослідження О.Г.Столєтова.

3. Квантова теорія фотоефекту.

4. Фотоелементи та їх застосування.

1.Короткий історичний огляд розвитку квантової механіки.

10. Квантова теорія

а) Передумови квантової теорії

У кінці XIX століття виявилася неспроможність спроб створити теорію випромінювання чорного тіла на основі законів класичної фізики. З законів класичної фізики випливало, що речовина має випромінювати електромагнітні хвилі при будь-якій температурі, втрачати енергію і знижувати температуру до абсолютного нуля. Іншими словами. теплова рівновага між речовиною і випромінюванням було неможливо. Але це перебувало в суперечності з повсякденним досвідом.

Більш детально це можна пояснити наступним чином. Існує поняття абсолютно чорного тіла - тіла, що поглинає електромагнітне випромінювання будь-якої довжини хвилі. Спектр його випромінювання визначається його температурою. У природі абсолютно чорних тіл немає. Найбільш точно абсолютно чорного тіла відповідає замкнуте непрозоре порожнє тіло з отвором. Будь-який шматок речовини при нагріванні світиться і при подальшому підвищенні температури стає спочатку червоним, а потім - білим. Колір від речовини майже не залежить, для абсолютно чорного тіла він визначається виключно його температурою. Уявімо таку замкнуту порожнину, яка підтримується при постійній температурі і яка містить матеріальні тіла, здатні випускати і поглинати випромінювання. Якщо температура цих тіл в початковий момент відрізнялася від температури порожнини, то з часом система (порожнина плюс тіла) буде прагнути до термодинамічної рівноваги, що характеризується рівновагою між поглинається і вимірюється в одиницю часу енергією. Г. Кірхгоф встановив, що цей стан рівноваги характеризується певним спектральним розподілом густини енергії випромінювання, укладеного в порожнині, а також те, що функція, що визначає спектральний розподіл (функція Кірхгофа), залежить від температури порожнини і не залежить ні від розмірів порожнини або її форм , ні від властивостей вміщених у неї матеріальних тіл. Так як функція Кірхгофа універсальна, тобто однакова для будь-якого чорного тіла, то виникло припущення, що її вигляд визначається якимись положеннями термодинаміки та електродинаміки. Проте спроби такого роду виявилися неспроможними. Із закону Д. Релея випливало, що спектральна щільність енергії випромінювання повинна монотонно зростати зі збільшенням частоти, але експеримент свідчив про інше: спочатку спектральна щільність зі збільшенням частоти зростала, а потім падала. Рішення проблеми випромінювання чорного тіла вимагало принципово нового підходу. Він був знайдений М.Планком.

Планк у 1900 р. сформулював постулат, згідно з яким речовина може випускати енергію випромінювання лише кінцевими порціями, пропорційними частоті цього випромінювання. Дана концепція призвела до зміни традиційних положень, що лежать в основі класичної фізики. Існування дискретності дії вказувало на взаємозв'язок між локалізацією об'єкта в просторі та часі і його динамічним станом. Л. де Бройль підкреслював, що "з точки зору класичної фізики цей зв'язок можна вважати цілком незрозумілою і набагато більш незрозумілою за наслідками, до яких вона призводить, ніж зв'язок між просторовими змінними і часом, встановлена теорією відносності." Квантової концепції в розвитку фізики було призначено зіграти величезну роль.

Наступним кроком у розвитку квантової концепції було розширення А. Ейнштейном гіпотези Планка, що дозволило йому пояснити закономірності фотоефекту, не вкладаються в рамки класичної теорії. Сутність фотоефекту полягає в випущенні речовиною швидких електронів під дією електромагнітного випромінювання. Енергія що випускаються електронів при цьому від інтенсивності поглинається випромінювання не залежить і визначається його частотою і властивостями даної речовини, але від інтенсивності випромінювання залежить число випускаються електронів. Дати пояснення механізму звільняються електронів не вдавалося, оскільки відповідно до хвильової теорії світлова хвиля, падаючи на електрон, безперервно передає йому енергію, причому її кількість в одиницю часу має бути пропорційно інтенсивності хвилі, що падає на нього. Ейнштейн у 1905 році висловив припущення про те, що фотоефект свідчить про дискретно будову світла, тобто про те, що випромінювана електромагнітна енергія поширюється і поглинається подібно частинці (названої потім фотоном). Інтенсивність падаючого світла при цьому визначається числом світлових квантів, що падають на один квадратний сантиметр освітлюваної площини в секунду. Звідси число фотонів, які випускаються одиницею поверхні в одиницю часу повинно бути пропорційно інтенсивності освітлення. Багаторазові досліди підтвердили це пояснення Ейнштейна, причому не тільки зі світлом, але і з рентгенівськими та гамма-променями. Ефект А. Комптона, виявлений в 1923 році, дав нові докази існування фотонів - було виявлено пружне розсіяння електромагнітного випромінювання малих довжин хвиль (рентгенівського та гамма-випромінювання) на вільних електронах, яке супроводжується збільшенням довжини хвилі. Відповідно до класичної теорії, при такому розсіянні довжина хвилі не повинна змінюватися. Ефект Комптона підтвердив правильність квантових уявлень про електромагнітне випромінювання як про потік фотонів - він може розглядатися як пружне зіткнення фотона і електрона, при якому фотон передає електрону частину своєї енергії, а тому його частота зменшується, а довжина хвилі збільшується.

З'явилися і інші підтвердження фотонної концепції. Особливо плідною виявилася теорія атома Н. Бора (1913 р.), що виявила зв'язок будови матерії з існуванням квантів і встановила, що енергія внутрішньоатомних рухів може мінятися також лише стрибкоподібно. Таким чином, визнання дискретної природи світла відбулося. Але ж по суті своїй це було відродження відкинутої раніше корпускулярної концепції світла. Тому цілком природно виникли проблеми: як поєднати дискретність структури світла з хвильової теорії (тим більше, що хвильова теорія світла підтверджувалася цілим рядом експериментів), як поєднати існування кванта світла з явищем інтерференції, як явища інтерференції пояснити з позиції квантової концепції? Таким чином, виникла потреба в концепції, яка пов'язувала б корпускулярний і хвильової аспекти випромінювання.

б) Принцип відповідності

Для усунення труднощі, що виникла при використанні класичної фізики для обгрунтування стійкості атомів (згадаємо, що втрата енергії електроном приводить до його падіння на ядро), Бор припустив, що атом у стаціонарному стані не випромінює. Це означало, що електромагнітна теорія випромінювання для опису електронів, що рухаються по орбітах стабільним, не годиться. Але квантова концепція атома, відмовившись від електромагнітної концепції, не могла пояснити властивості випромінювання. Виникла задача: спробувати встановити певну відповідність між квантовими явищами і рівняннями електродинаміки з метою зрозуміти, чому класична електромагнітна теорія дає вірний опис явищ великого масштабу. У класичній теорії рухомий в атомі електрон випромінює безперервно і одночасно світло різних частот. У квантовій ж теорії електрон, що знаходиться всередині атома на стаціонарній орбіті, навпаки, не випромінює - випромінювання кванта відбувається лише в момент переходу з однієї орбіти на іншу, тобто випромінювання спектральних ліній певного елемента є дискретним процесом. Таким чином, у наявності два абсолютно різних уявлення. Чи можна їх привести у відповідність і якщо так, то в якій формі?

Очевидно, що відповідність з класичною картиною можлива лише при одночасному випущенні всіх спектральних ліній. У той же час очевидно, що з квантової позиції випромінювання кожного кванта є актом індивідуальним, а тому для отримання одночасного випускання всіх спектральних ліній необхідно розглядати цілий великий ансамбль атомів однакової природи, в якому здійснюються різні індивідуальні переходи, що призводять до випускання різних спектральних ліній конкретного елемента. У цьому випадку поняття інтенсивності різних ліній спектра необхідно представляти статистично. Для визначення інтенсивності індивідуального випромінювання кванта необхідно розглядати ансамбль великої кількості однакових атомів. Електромагнітна теорія дозволяє дати опис макроскопічних явищ, а квантова теорія тих явищ, в яких важливу роль відіграють безліч квантів. Тому цілком ймовірно, що результати, отримані квантової теорії, будуть прагнути до класичних в області множини квантів. Узгодження класичної та квантової теорій і слід шукати в цій області. Для обчислення класичних і квантових частот необхідно з'ясувати, чи збігаються ці частоти для стаціонарних станів, які відповідають більшим квантовим числам. Бор висунув припущення про те, що для наближеного обчислення реальної інтенсивності і поляризації можна використовувати класичні оцінки інтенсивностей і поляризацій, екстраполюючи на область малих квантових чисел ту відповідність, яка була встановлена для великих квантових чисел. Даний принцип відповідності знайшов підтвердження: фізичні результати квантової теорії при великих квантових числах повинні збігатися з результатами класичної механіки, а релятивістська механіка при малих швидкостях переходить у класичну механіку. Узагальнена формулювання принципу відповідності може бути виражена як твердження, згідно з яким нова теорія, яка претендує на більш широку область застосування в порівнянні зі старою, повинна включати в себе останню як окремий випадок. Використання принципу відповідності і надання йому більш точної форми сприяли створенню квантової та хвильової механіки.

До кінця першої половини XX століття в дослідженнях природи світла склалися дві концепції - хвильова і корпускулярна, які залишилися не в змозі подолати розрив, що розділяє їх. Виникла нагальна потреба створити нову концепцію, в якій квантові ідеї повинні лягти в її основу, а не виступати в ролі такого собі "доважку". Реалізація цієї потреби була здійснена створенням хвильової механіки і квантової механіки, які по суті склали єдину нову квантову теорію - відмінність полягала у використовуваних математичних мов. Квантова теорія як нерелятивистская теорія руху мікрочастинок з'явилася найглибшою і широкої фізичної концепцією, що пояснює властивості макроскопічних тел. У якості її основи були покладені ідея квантування Планка-Ейнштейна-Бора і гіпотеза про хвилі матерії де Бройля.

в) Хвильова механіка

Її основні ідеї з'явилися в 1923-1924 рр.., коли Луі де Бройлем була висловлена думка про те, що електрон повинен мати і хвильові властивості, навіяна аналогією зі світлом. До цього часу знання про дискретну природу випромінювання та існування фотонів вже досить зміцнилися, тому для повного опису властивостей випромінювання треба було по черзі представляти його то як частинку, то як хвилю. А оскільки Ейнштейн вже показав, що дуалізм випромінювання пов'язаний з існуванням квантів, то природно було поставити питання про можливість виявлення подібного дуалізму і в поведінці електрона (і взагалі матеріальних частинок). Гіпотеза де Бройля про хвилі матерії отримала підтвердження виявленим в 1927 р. явищем дифракції електронів: виявилося, що пучок електронів дає дифракційну картину.

Виходячи з ідеї де Бройля про хвилі матерії, Е. Шредінгер в 1926 р. вивів основне рівняння механіки (яку він назвав хвильової), що дозволяє визначити можливі стани квантової системи та їх зміну в часі. Рівняння містило так звану хвильову функцію (пси-функцію), яка описує хвилю (в абстрактному, конфігураційному просторі). Шредінгер дав загальне правило перетворення даних класичних рівнянь в хвильові, які відносяться до багатовимірному конфігураційному простору, а не реальному тривимірному. Псі-функція визначала густину ймовірності перебування частинки в даній точці. У рамках хвильової механіки атом можна було уявити у вигляді ядра, оточеного своєрідної хмарою ймовірності. За допомогою псі-функції визначається ймовірність присутності електрона в певній області простору.

г) Квантова (матрична) механіка.

Принцип невизначеності

У 1926 р. В. Гейзенберг розробляє свій варіант квантової теорії у вигляді матричної механіки, відштовхуючись при цьому від принципу відповідності. Зіткнувшись з тим, що при переході від класичної точки зору до квантової потрібно розкласти всі фізичні величини і звести їх до набору окремих елементів, що відповідають різним можливим переходам квантового атома, він прийшов до того, щоб кожну фізичну характеристику квантової системи представляти таблицею чисел (матрицею) . При цьому він свідомо керувався метою побудувати феноменологічну концепцію, щоб виключити з неї все, що неможливо спостерігати безпосередньо. У цьому випадку немає ніякої необхідності вводити в теорію положення, швидкість або траєкторію електронів в атомі, оскільки ми не можемо ані вимірювати, ні спостерігати ці характеристики. У розрахунки слід вводити лише ті величини, які пов'язані з стаціонарними станами, що реально спостерігаються, переходами між ними та супроводжуючими їх випромінюваннями. У матрицях елементи були розташовані у рядки та стовпці, причому кожен з них мав два індекси, один з яких відповідав номеру стовпця, а інший - номеру рядка. Діагональні елементи (тобто елементи, індекси яких збігаються) описують стаціонарний стан, а недіагональні (елементи з різними індексами) - описують переходи з одного стаціонарного стану в інший. Величина ж цих елементів зв'язується з величинами, що характеризують випромінювання при даних переходах, отриманими за допомогою принципу відповідності. Саме таким способом Гейзенберг будував матричну теорію, всі величини якої повинні описувати лише спостережувані явища. І хоча наявність в апараті його теорії матриць, що зображують координати та імпульси електронів в атомах, залишає сумнів у повному виключенні неспостережуваних величин, Гейзенбергу вдалося створити нову квантову концепцію, що склала новий щабель у розвитку квантової теорії, суть якої полягає в заміні фізичних величин, що мають місце в атомній теорії, матрицями - таблицями чисел. Результати, до яких приводили методи, використовувані в хвильової і матричної механіки, виявилися однаковими, тому обидві концепції і входять в єдину квантову теорію як еквівалентні. Методи матричної механіки, в силу своєї більшої компактності часто швидше призводять до потрібних результатів. Методи хвильової механіки, як вважається, краще узгоджується з образом мислення фізиків і їх інтуїцією. Більшість фізиків при розрахунках користується хвильовим методом і використовує хвильові функції.

Гейзенберг сформулював принцип невизначеності, відповідно до якого координати і імпульс не можуть одночасно приймати точні значення. Для передбачення положення і швидкості частинки важливо мати можливість точно вимірювати її положення і швидкість. При цьому чим точніше вимірюється положення частинки (її координати), тим менш точними виявляються вимірювання швидкості.

Хоча світлове випромінювання складається з хвиль, однак відповідно до ідеї Планка, світло поводиться як частинка, бо випромінювання і поглинання його здійснюється у вигляді квантів. Принцип невизначеності ж свідчить про те, що частинки можуть вести себе як хвилі - вони як би "розмазані" в просторі, тому можна говорити не про їх точні координати, а лише про можливість їхнього виявлення в певному просторі. Таким чином, квантова механіка фіксує корпускулярно-хвильовий дуалізм - в одних випадках зручніше частинки вважати хвилями, в інших, навпаки, хвилі частинками. Між двома хвилями-частинками можна спостерігати явище інтерференції. Якщо гребені однієї хвилі збігаються з западинами іншої хвилі, то вони гасять один одного, а якщо гребені і западини однієї хвилі збігаються з гребенями і западинами іншої хвилі, то вони посилюють один одного.

д) Інтерпретації квантової теорії.

Принцип додатковості

Виникнення і розвиток квантової теорії призвело до зміни класичних уявлень про структуру матерії, рух, причинності, простір, час, характер пізнання і т.д., що сприяло корінному перетворенню картини світу. Для класичного розуміння матеріальної частинки було характерно різке її виділення з навколишнього середовища, володіння власним рухом і місцем знаходження у просторі. У квантовій теорії частинка стала представлятися як функціональна частина системи, в яку вона включена, не має одночасно координат і імпульсу. У класичній теорії рух розглядалося як перенесення частинки, що залишається тотожне самій собі, по певній траєкторії. Двоїстий характер руху частинки зумовив необхідність відмови від такого подання руху. Класичний (динамічний) детермізм поступився місцем імовірнісному (статистичному). Якщо раніше ціле розумілося як сума частин, то квантова теорія виявила залежність властивостей частинки від системи, в яку вона включена. Класичне розуміння пізнавального процесу було пов'язано з пізнанням матеріального об'єкта як існуючого самого по собі. Квантова теорія продемонструвала залежність знання про об'єкт від дослідницьких процедур. Якщо класична теорія претендувала на завершеність, то квантова теорія з самого початку розгорталася як незавершена, яка грунтується на ряді гіпотез, сенс яких спочатку був далеко не ясний, а тому її основні положення отримували різне тлумачення, різні інтерпретації.

Розбіжності виявилися насамперед з приводу фізичного сенсу подвійності мікрочастинок. Де Бройль спочатку висунув концепцію хвилі-пілота, відповідно до якої хвиля і частинка співіснують, хвиля веде за собою частинку. Реальним матеріальним утворенням, яке зберігає свою стійкість, є частинка, оскільки саме вона володіє енергією та імпульсом. Хвиля, що несе частинку, керує характером руху частинки. Амплітуда хвилі в кожній точці простору визначає ймовірність локалізації частинки поруч з цією точкою. Шредінгер проблему подвійності частинки вирішує по суті шляхом її зняття. Для нього частинка виступає як чисто хвильовий обєкт. Інакше кажучи, частинка є місце хвилі, в якому зосереджена найбільша енергія хвилі. Інтерпретації де Бройля і Шредінгера являли собою по суті спроби створити наочні моделі в дусі класичної фізики. Однак це виявилося неможливим.

Гейзенбергом була запропонована інтерпретація квантової теорії, виходячи (як було показано раніше) з того, що фізика повинна користуватися лише поняттями і величинами, заснованими на вимірюваннях. Гейзенберг тому і відмовився від наочного уявлення руху електрона в атомі. Макроприлади не можуть дати опис руху частинки з одночасною фіксацією імпульсу і координат (тобто в класичному сенсі) з причини принципово неповною контрольованості взаємодії приладу із частинкою - в силу співвідношення невизначеностей вимір імпульсу не дає можливості визначити координати і навпаки. Інакше кажучи, через принципової неточності виміру передбачення теорії можуть мати лише імовірнісний характер, причому ймовірність є наслідком принципової неповноти інформації про рух частинки. Ця обставина привела до висновку про катастрофу принципу причинності в класичному сенсі, що припускав пророкування точних значень імпульсу та координати. У рамках квантової теорії, таким чином, мова йде не про помилки спостереження або експерименту, а про принципову нестачу знань, які і виражаються за допомогою функції ймовірності.

Інтерпретація квантової теорії, здійснена Гейзенбергом, була розвинена Бором і отримала назву копенгагенської. У рамках даної інтерпретації основним положенням квантової теорії виступає принцип додатковості, що означає вимогу застосовувати для отримання в процесі пізнання цілісної картини досліджуваного об'єкта взаємовиключні класи понять, приладів і дослідницьких процедур, які використовуються в своїх специфічних умовах і взаімодоповнюють один одного. Даний принцип нагадує співвідношення невизначеностей Гейзенберга. Якщо мова йде про визначення імпульсу та координати як взаємовиключних і взаємодоповнюючих дослідницьких процедур, то для ототожнення цих принципів є підстави. Проте сенс принципу додатковості ширше, ніж співвідношення невизначеностей. Для того, щоб пояснити стійкість атома, Бор поєднав в одній моделі класичні і квантові уявлення про рух електрона. Принцип додатковості, таким чином, дозволив класичні уявлення доповнити квантовими. Виявивши протилежність хвильових і корпускулярних властивостей світла і не знайшовши їх єдності, Бор схилився до думки про два, еквівалентних один одному, способи опису - хвильовому і корпускулярному - з наступним їх поєднанням. Так що точніше говорити про те, що принцип додатковості виступає розвитком співвідношення невизначеності.

Ряд вчених витлумачили порушення принципу класичного детермінізму в рамках квантової теорії на користь індетермінізма. У дійсності ж тут принцип детермінізму змінював свою форму. У рамках класичної фізики, якщо в початковий момент часу відомі положення і стан руху елементів системи, можна повністю передбачити її положення в будь-який майбутній момент часу. Всі макроскопічні системи були підпорядковані цим принципам. Навіть у тих випадках, коли доводилося вводити ймовірності, завжди передбачалося, що всі елементарні процеси суворо детермінізовані і що тільки їх велика кількість і безладність поведінки змушує звертатися до статистичних методів. У квантовій теорії ситуація принципово інша. Для реалізації принципів детермінізаціі тут необхідно знати координати та імпульси, і це співвідношенням невизначеності забороняється. Використання ймовірності тут має інший зміст у порівнянні зі статистичною механікою: якщо в статистичній механіці ймовірності використовувалися для опису великомасштабних явищ, то в квантовій теорії ймовірності, навпаки, вводяться для опису самих елементарних процесів. Все це означає, що у світі великомасштабних тел діє динамічний принцип причинності, а у мікросвіті - імовірнісний принцип причинності.

Копенгагенська інтерпретація передбачає, з одного боку, опис експериментів в поняттях класичної фізики, а з іншого - визнання цих понять неточно відповідними дійсному стану речей. Саме ця суперечливість і обумовлює ймовірність квантової теорії. Поняття класичної фізики складають важливу складову частину природної мови. Якщо ми не будемо використовувати цих понять для опису експериментів, що проводяться, то ми не зможемо зрозуміти один одного.

Ідеалом класичної фізики є повна об'єктивність знання. Але в пізнанні ми використовуємо прилади, а тим самим, як каже Гейнзерберг, в опис атомних процесів вводиться суб'єктивний елемент, оскільки прилад створений спостерігачем. "Ми повинні пам'ятати, що те, що ми спостерігаємо, - це не сама природа, а природа, яка виступає в тому вигляді, в якому вона виявляється завдяки нашому способу постановки питань. Наукова робота у фізиці полягає в тому, щоб ставити питання про природу на мові, якою ми користуємося, і намагатися отримати відповідь в експерименті, виконаному за допомогою наявних у нас в розпорядженні засобів. При цьому згадуються слова Бора про квантові теорії: якщо шукають гармонії в житті, то ніколи не можна забувати, що у грі життя ми одночасно і глядачі, і учасники. Зрозуміло, що в нашому науковому відношенні до природи наша власна діяльність стає важливою там, де нам доводиться мати справу з областями природи, проникнути в які можна тільки завдяки найважливішим технічним засобам"

Класичні уявлення простору і часу також виявилося неможливим використовувати для опису атомних явищ. Ось що писав з цього приводу інший творець квантової теорії: "існування кванта дії виявило абсолютно непередбачений зв'язок між геометрією і динамікою: виявляється, що можливість локалізації фізичних процесів в геометричному просторі залежить від їх динамічного стану. Загальна теорія відносності вже навчила нас розглядати локальні властивості простору -часу в залежності від розподілу речовини у Всесвіті. Однак існування квантів вимагає набагато більш глибокого перетворення і більше не дозволяє нам представляти рух фізичного об'єкта вздовж певної лінії в просторі-часу (світовий лінії). Тепер не можна визначити стан руху, виходячи з кривої, що зображає послідовні положення об'єкта в просторі з плином часу. Тепер потрібно розглядати динамічний стан не як наслідок просторово-часової локалізації, а як незалежний і додатковий аспект фізичної реальності "

Дискусії з проблеми інтерпретації квантової теорії оголили питання про саме статус квантової теорії - чи є вона повною теорією руху мікрочастинки. Вперше питання таким чином було сформульовано Ейнштейном. Його позиція одержала вираження в концепції прихованих параметрів. Ейнштейн виходив з розуміння квантової теорії як статистичної теорії, що описує закономірності, які стосуються поведінки не окремої частинки, а їх ансамблю. Кожна частинка завжди строго локалізована, одночасно володіє певними значеннями імпульсу та координати. Співвідношення невизначеностей відображає не реальний пристрій дійсності на рівні мікропроцесів, а неповноту квантової теорії - просто на її рівні ми не маємо можливості одночасно вимірювати імпульс і координату, хоча вони насправді існують, але як приховані параметри (приховані в рамках квантової теорії). Опис стану частинки за допомогою хвильової функції Ейнштейн вважав неповним, а тому і квантову теорію представляв у вигляді неповної теорії руху мікрочастинки.

Бор в даній дискусії зайняв протилежну позицію, що виходить з визнання об'єктивної невизначеності динамічних параметрів мікрочастинки як причини статистичного характеру квантової теорії. На його думку, заперечення Ейнштейном існування об'єктивно невизначених величин залишає непоясненим властиві мікрочастинок хвильові риси. Повернення до класичних уявленнях руху мікрочастинки Бор вважав неможливим.

У 50-х рр.. ХХ століття Д. Бом повернувся до концепції хвилі-пілота де Бройля, представивши псі-хвилю у вигляді реального поля, пов'язаного з частинкою. Прихильники копенгагенської інтерпретації квантової теорії і навіть частина її противників позицію Бома не підтримали, проте вона сприяла більш поглибленому опрацюванню концепції де Бройля: частинка стала розглядатися у вигляді особливого обєкту, що виникає і рухається в псі-поле, але зберігає свою індивідуальність. Роботи П. Віж'є, Л. Яноші, що розробляли дану концепцію, були оцінені багатьма фізиками як занадто "класичними".

У вітчизняній філософській літературі радянського періоду Копенгагенська інтерпретація квантової теорії була піддана критиці за "прихильність до позитивістським установкам" в трактуванні процесу пізнання. Проте поруч авторів відстоювалася справедливість копенгагенської інтерпретації квантової теорії. Зміна класичного ідеалу наукового пізнання некласичним супроводжувалася розумінням того, що спостерігач, намагаючись побудувати картину об'єкта, не може відвернутися від процедури вимірювання, тобто дослідник виявляється не в змозі вимірювати параметри досліджуваного об'єкта такими, якими вони були до процедури вимірювання. В. Гейзенберг, Е. Шредінгер і П. Дірак поклали принцип невизначеності в основу квантової теорії, в рамках якої частинки вже не мали визначених і не залежних один від одного імпульсу і координат. Квантова теорія, таким чином, внесла в науку елемент непередбачуваності, випадковості. І хоча Ейнштейн не зміг погодитися з цим, квантова механіка узгоджувалася з експериментом, а тому стала основою багатьох областей знання.

е) Квантова статистика

Одночасно з розвитком хвильової та квантової механіки розвивалася інша складова частина квантової теорії – квантова статистика або статистична фізика квантових систем, що складаються з великого числа частинок. На основі класичних законів руху окремих частинок була створена теорія поведінки їх сукупності - класична статистика. Аналогічно цьому на основі квантових законів руху частинок була створена квантова статистика, що описує поведінку макрооб'єктів у випадках коли закони класичної механіки не застосовні для опису руху мікрочастинок, що складають систему - в даному випадку квантові властивості проявляються у властивостях макрооб'єктів. Важливо мати на увазі, що під системою в даному випадку розуміються лише частинки, що взаємодіють один з одним. Квантова система при цьому не може розглядатися як сукупність частинок, що зберігають свою індивідуальність. Іншими словами, квантова статистика вимагає відмови від подання розрізнення частинок - це отримало назву принципу тотожності. В атомній фізиці дві частинки однієї природи вважалися тотожними. Однак ця тотожність не визнавалася абсолютною. Так, дві частинки однієї природи можна було розрізняти хоча б подумки.

У квантовій статистиці можливість розрізнити дві частинки однакової природи повністю відсутня. Квантова статистика виходить з того, що два стани системи, які відрізняються один від одного лише перестановкою двох частинок однакової природи, тотожні і невиразні. Таким чином, основне положення квантової статистики - принцип тотожності однакових частинок, що входять в квантову систему. Цим квантові системи відрізняються від класичних систем.

У взаємодії мікрочастинки важлива роль належить спіну - власному моменту кількості руху мікрочастинки. (У 1925 р. Д. Уленбеком і С. Гаудсмитом вперше було відкрито існування спіна у електрона). Спін електронів, протонів, нейтронів, нейтрино і ін частинок виражається напівцілою величиною, у фотонів та пі-мезонів - целочисленной величиною (1 або 0). У залежності від спіна мікрочастинка підпорядковується одному з двох різних типів статистики. Системи тотожних частинок з цілим спіном (бозони) підпорядковуються квантової статистики Бозе-Ейнштейна, характерною особливістю якої є те, що в кожному квантовому стані може знаходитися довільне число частинок. Даний тип статистики було запропоновано в 1924 р. Ш. Бозе і потім удосконалено Ейнштейном). У 1925 р. для частинок з напівцілим спіном (ферміонів) Е. Фермі і П. Дірак (незалежно один від одного) запропонували інший тип квантової статики, що отримав ім'я Фермі-Дірака. Характерною особливістю цього типу статики є те, що в кожному квантовому стані не може знаходитися довільне число частинок. Це вимога називається принципом заборони В. Паулі, який був відкритий в 1925 р. Статистика першого типу підтверджується при дослідженні таких об'єктів, як абсолютно чорне тіло, другого типу - електронний газ в металах, нуклони в атомних ядрах і т.д.

Принцип Паулі дозволив пояснити закономірності заповнення електронами оболонок в багатоелектронних атомах, дати обгрунтування періодичній системі елементів Менделєєва. Цей принцип, висловлює специфічна властивість частинок, які йому підпорядковуються. І зараз важко зрозуміти, чому дві тотожні частинки взаємно забороняють один одному займати один і те ж стан. Подібного типу взаємодії в класичній механіці не існує. Яка його фізична природа, які фізичні джерела заборони - проблема, що чекає розвязку. Сьогодні ясно одне: фізична інтерпретація принципу заборони в рамках класичної фізики неможлива.

ж) Квантова теорія поля

Квантова теорія поля є поширення квантових принципів на опис фізичних полів в їх взаємодію і взаємоперетвореннях. Квантова механіка має справу з описом взаємодій порівняно малої енергії, при яких кількість взаємодіючих частинок зберігається. При великих енергіях взаємодії найпростіших частинок (електронів, протонів і т.д.) відбувається їх взаємоперетворення, тобто одні частинки зникають, інші народжуються, причому кількість їх міняється. Більшість елементарних частинок нестабільно, спонтанно розпадається до тих пір, поки не утворюються стабільні частинки - протони, електрони, фотони і нейтрони. При зіткненнях елементарних частинок, якщо енергія взаємодіючих частинок достатньо велика, відбувається множинне народження частинок різного спектру. Оскільки квантова теорія поля призначена для опису процесів при високих енергіях, тому повинна задовольняти вимогам теорії відносності.

Сучасна квантова теорія поля включає три типи взаємодії елементарних частинок: слабкі взаємодії, що зумовлюють головним чином розпад нестійких частинок, сильні і електромагнітні, відповідальні за перетворення частинок при їх зіткненні.

Квантова теорія поля, що описує перетворення елементарних частинок, на відміну від квантової механіки, яка описує їх рух, не є послідовною і завершеною, вона сповнена труднощів і протиріч. Найбільш радикальним способом їх подолання вважається створення єдиної теорії поля, в основу якої має бути покладено єдиний закон взаємодії первинної матерії - із загального рівняння повинен виводитися спектр мас і спінів всіх елементарних частинок, а також значення зарядів частинок. Таким чином, можна сказати, що квантова теорія поля ставить за мету вироблення більш глибокого уявлення про елементарні частинки, що виникає за рахунок поля системи інших елементарних частинок.

Взаємодія електромагнітного поля з зарядженими частинками (головним чином електронами, позитронами, мюонами) вивчається квантової електродинамікою, в основі якої лежить уявлення про дискретність електромагнітного випромінювання. Електромагнітне поле складається з фотонів, які мають корпускулярно-хвильові властивості. Взаємодія електромагнітного випромінювання з зарядженими частинками квантова електродинаміка розглядає як поглинання і випускання частинками фотонів. Частинка може випустити фотони, а потім поглинути їх.

Отже, відхід квантової фізики від класичної полягає у відмові від того, щоб описувати індивідуальні події, що відбуваються у просторі та часі, і використанні статистичного методу з його хвилями ймовірності. Мета класичної фізики полягає в описі об'єктів у просторі і часі і в формуванні законів, які керують зміною цих об'єктів у часі. Квантова фізика, що має справу з радіоактивним розпадом, дифракцією, випусканням спектральних ліній і тому подібними явищами, не може задовольнитися класичним підходом. Судження типу "такий-то об'єкт має таку-то властивість", характерне для класичної механіки, у квантовій фізиці замінюється судженням типу "такий-то об'єкт має таку-то властивість з такою-то ступенем вірогідності". Таким чином, у квантовій фізиці мають місце закони, що керують змінами ймовірності в часі, в класичній же фізиці ми маємо справу із законами, які керують змінами індивідуального об'єкта в часі. Різні реальності підпорядковуються різним за характером законам.

Квантова фізика в розвитку фізичних ідей і взагалі стилю мислення посідає особливе місце. До числа найбільших створінь людського розуму відноситься, безсумнівно і теорія відносності - спеціальна і загальна, що представляє собою нову систему ідей, що об'єднала механіку, електродинаміку і теорію тяжіння і дала нове розуміння простору і часу. Але це була теорія, яка в певному сенсі була завершенням і синтезом фізики XIX століття, тобто вона не означала повного розриву з класичними теоріями. Квантова ж теорія поривала з класичними традиціями, вона створила нову мову і новий стиль мислення, що дозволяє проникати в мікросвіт з його дискретними енергетичними станами і дати його опис за допомогою введення характеристик, відсутніх в класичній фізиці, що в кінцевому рахунку дозволило зрозуміти сутність атомних процесів.