(№51) Соотношение неопределённостей
Двойственная корпускулярно-волновая природа микрочастиц определяет еще одно необычное, с точки зрения классических представлений, свойство микрообъектов — невозможно одновременно точно определить координату и импульс частицы p. В самом деле, поскольку каждой частице соответствует волновой процесс, то неопределённость «местоположения» частицы по величине имеет порядок длины волны де Бройля Δх , и классическое понятие траектории теряет смысл. Для макроскопических объектов длины волн де Бройля исчезающе малы, поэтому для них применимо понятие траектории движения. В общем случае это свойство микрообъектов (неопределённость траектории) характеризует соотношение неопределённостей Гейзенберга. Микрочастица не может иметь одновременно определённую координату x (a также – у, z) и определённую соответствующую проекцию импульса px (py, pz) причём неопределённости этих величин x и px удовлетворяют такого рода неравенству: xpx ħ (также - уpу ħ, zpz ħ) произведение неопределённостей координаты и соответствующей ей проекции импульса не м-т быть меньше величины порядка ħ.
Соотношение неопределённостей проявляется в дифракции частиц. Пусть поток частиц движется вдоль оси 0у с импульсом p. До прохождения частицы через щель составляющая её импульса pх=0, так что Δpх=0, а координата x является совершенно неопределённой. В момент прохождения частицы через щель неопределённость координаты x частицы становится равной ширине щели Δx. Вследствие дифракции частицы будут двигаться в пределах угла 2, где — угол, соответствующий 1-му дифракционному минимуму. Таким образом, неопределённость в значении составляющей вдоль оси
Но выражение
есть условие 1-го дифракционного
минимума, так что
Поск-ку в пределы 1-го дифракционного
минимума попадают не все частицы (хотя
и основная их часть), то следует записать,
что для всех частиц неопределённости
м-т быть связаны соотношением
Соотношение неопределённостей — квантовое ограничение применимости классической механики к микрообъектам. Для микрочастицы не существует состояний, в которых её координаты и соответствующие им проекции импульса имели бы одновременно точные значения. Для неопределённости энергии ΔE некоторого состояния системы и промежутка времени Δt, в течение к-рого это состояние существует, также выполняется соотношение неопределённостей:
Следовательно,
система, имеющая среднее время жизни
не м-т быть охарактеризована определённым
значением энергии; разброс энергии
возрастает с уменьшением времени жизни
системы, а частота излучённого фотона
также должна иметь неопределённость
т.е. спектральные линии д-ны иметь
конечную ширину
Boлновая функция (вф)
Для описания движения микрочастицы вводится особый объект – ВФ. Правила, устанавливаемые квантовой механикoй (КМ) в отношении ВФ как функции состояния квантовой системы (отдельной частицы, частицы в силовом поле, системы из неск-ких взаимодействующих микрочастиц и т.п.), заключаются в следующем.
Следуя де Бройлю, утверждается, что микрочacтице, с импульсом р свободно движущейся в пространстве, соответствует плоская волна (т.е., самая простая из ВФ):
где
Это представление в виде бегущей волны обобщают на случай, когда частица совершает движение в силовом поле с энергией, выражаемой потенциальной функцией
Состояние квантовой
системы
тогда описывается, однако, нек-рой более
сложной комплексной ф-цией —
ВФ
По интерпретации сущности ВФ,
данной М.Борном,
физический
смысл ВФ
для
ψ
должен
иметь статистическое
толкование
—
по величинам ВФ
определяется вероятность обнаружения
микрообъекта в координатном пространстве
и эта вероятность пропорциональна
квадрату
модуля
ψ.
Утверждается, т.о., что значение
ψx,y,z,tdV
пропорционально
вероятности в момент t
обнаружить частицу в элементарном
объёме dV,
включающем
точку x,y,z.
(т.е.
если, например, ВФ
удалось найти в виде нек-рой формулы ψ
=
fx,y,z,t,
то
величиной
wa=fxa,ya,za,t0
определена вероятность найти микрочастицу
в точке ra
c
координатами xa,ya,za
в момент времени
t
=
t0).
Условия, при этом налагаемые на ВФ, таковы: x,y,z,t а) однозначна, б) конечна, в) непрерывна, г) непрерывна по 1-ым производным от координат, если отсутствуют бесконеч. разрывы функции потенциальной энергии (эти условия называют также стандартными). Сама же ВФ x,y,z,t рассчитывается на основе приводимого далее уравнения Шрёдингера.
