- •Вопрос1 Кинематическое описание движения материальной точки
- •Вопрос2 Криволинейное движение
- •Вопрос3 Кинематика вращательного движения
- •Вопрос 4 Законы динамики Ньютона
- •Вопрос 5 Закон сохранения импульса
- •Вопрос 6 Работа, мощность.
- •Вопрос 7 Энергия
- •Вопрос 8 Момент инерции твердого тела
- •Вопрос 9 Работа и кинетическая энергия вращения
- •Вопрос 10 Основной закон динамики вращения
- •Вопрос 11 Закон сохранения момента импульса
- •Вопрос 12 Механические колебания
- •Вопрос 13 Идеальный газ
- •Вопрос 14 Распределение молекул идеального газа по скоростям хаотического теплового движения.
- •Вопрос 15 Распределение молекул в потенциальном поле сил
- •Вопрос 16 Первое начало термодинамики
- •Вопрос 17 Теплоемкость
- •Вопрос 18 Применение первого закона термодинамики к изопроцессам
- •Вопрос 19 Адиабатический процесс
- •2.3.6. Адиабатический процесс. Политропный процесс
- •Вопрос 20 Второе начало термодинамики
- •2.3.8. Энтропия, её статистическое толкование и связь с термодинамической вероятностью
- •2.3.9. Второе начало термодинамики
- •Вопрос 21 Цикл Карно для идеальной тепловой машины Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его к. П. Д. Для идеального газа
- •Вопрос 22 Свойства физических зарядов
- •Вопрос 23 Напряженность электрического поля в вакууме
- •Вопрос 24 Теорема Остроградского-Гаусса для электрического поля в вакууме
- •2. Поле двух бесконечных параллельных равномерно заряженных плоскостей
- •Вопрос 25 Потенциал
- •Вопрос 26 Связь напряженности электрического поля с потенциалом
- •Вопрос 27 Проводники в электрическом поле
- •Вопрос 28 Диэлектрики в электрическом поле
- •Вопрос 29 Энергия электростатического поля
- •Вопрос 30 Постоянный электрический ток
- •Вопрос 31 Закон Ома для однородного участка цепи
- •Вопрос 32 Закон Ома для замкнутой цепи
- •Вопрос 33 Работа и мощность электрического тока
- •Вопрос 34 Магнитное поле в вакууме
- •Вопрос 35 Движение заряженных частиц в магнитном поле
- •Вопрос 36 Взаимодействие магнитного поля с током
- •Вопрос 38 Поток вектора магнитной индукции сквозь произвольную поверхность
- •Вопрос 39 Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.
- •Вопрос 40 Электромагнитная индукция
- •Вопрос 41 Явление самоиндукции
- •Вопрос 42 Энергия магнитного поля тока
- •Вопрос 43 Закон полного тока
- •Вопрос 44 Магнитные свойства вещества
- •Вопрос 45 Магнетики в магнитном поле
- •Вопрос 46 Ферромагнетизм
- •Природа ферромагнетизма
- •Вопрос 50 Интерференция света от двух источников
- •Вопрос 51 Интерференция света в тонких пленках
- •Вопрос 52 Дифракция света
- •Вопрос 53 Дифракция при параллельных лучах Фраунгорфера
- •Вопрос 54 Поляризация света
- •Вопрос 55 Способы получения поляризованного света
- •Вопрос 56 Тепловое излучение
- •Вопрос 57 Законы теплового излучения
- •Вопрос 58 Внешний фотоэффект
- •Вопрос 59 Эффект Комптона
- •Вопрос 60 Корпускулярно – волновой дуализм
- •Вопрос 61 Волновые свойства микрочастиц
- •Вопрос 62 Соотношение неопределенностей
- •Вопрос 63 Волновая функция.
- •Вопрос 64 Боровская теория водородоподобного атома
- •Вопрос 66 Молекула
- •Вопрос 67 Современные представления об электропроводности тел
- •Вопрос 68 Атомное ядро
Вопрос 62 Соотношение неопределенностей
Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, микрочастица (микрообъект) не может иметь одновременно и определенную координату , и определенную соответствующую проекцию импульса , причем неопределенности этих величин удовлетворяют условиям
(6.41)
т.е. произведение неопределенностей координаты и соответствующей ей проекции импульса не может быть меньше величины порядка .
Вопрос 63 Волновая функция.
Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, ограниченность применения классической механики к микрообъектам, диктуемая соотношением неопределенностей, а также противоречие целого ряда экспериментов с применяемыми в начале XX в. теориями, привели к новому этапу развития квантовой теории - созданию квантовой механики, описывающей законы движения и взаимодействия микрочастиц с учетом их волновых свойств. Ее создание и развитие охватывает период с 1900 г. (формулировка Планком квантовой гипотезы) до 20-х годов XX в.; оно связано прежде всего с работами австрийского физика Э. Шредингера (1887—1961), немецкого физика В. Гсйзенберга и английского физика П. Дирака (1902—1984).
На данном этапе развития возникли новые принципиальные проблемы, в частности проблема физической природы волн де Бройля. Для выяснения этой проблемы сравним дифракцию световых волн и микрочастиц. Дифракционная картина, наблюдаемая для световых волн, характеризуется тем, что в результате наложения дифрагирующих волн друг на друга в различных точках пространства происходит усиление или ослабление амплитуды колебаний. Согласно волновым представлениям о природе света, интенсивность дифракционной картины пропорциональна квадрату амплитуды световой волны. По представлениям фотонной теории, интенсивность определяется числом фотонов, попадающий в данную точку дифракционной картины. Следовательно, число фотонов в данной точке дифракционной картины задается квадратом амплитуды световой волны, в то время как для одного фотона квадрат амплитуды определяет вероятность попадания фотона в ту или иную точку.
Дифракционная картина, наблюдаемая для микрочастиц, также характеризуется неодинаковым распределением потоков микрочастиц, рассеянных или отраженных по различным направлениям, - в одних направлениях наблюдается большее число частиц, чем в других. Наличие максимумов в дифракционной картине с точки зрения волновой теории означает, что эти направления соответствуют наибольшей интенсивности волн де Бройля. С другой стороны, интенсивность волн де Бройля оказывается больше там, где имеется большее число частиц, т.е. интенсивность волн де Бройля в данной точке пространства определяет число частиц, попавших в эту точку. Таким образом, дифракционная картина для микрочастиц является проявлением статистической (вероятностной) закономерности, согласно которой частицы попадают в те места, где интенсивность волн де Бройля наибольшая.
Необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц является важнейшей отличительной особенностью квантовой теории. Можно ли волны де Бройля истолковывать как волны вероятности, т.е. считать, что вероятность обнаружить микрочастицу в различных точках пространства меняется по волновому закону? Такое толкование волн де Бройля уже неверно хотя бы потому, что тогда вероятность обнаружить частицу в некоторых точках пространства может быть отрицательна, что не имеет смысла.
Чтобы устранить эти трудности, немецкий физик М. Борн (1882—1970) в 1926 г. предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а величина, названная амплитудой вероятности и обозначаемая Эту величину называют также волновой функцией (или - функцией). Амплитуда вероятности может быть комплексной, и вероятность пропорциональна квадрату ее модуля:
(6.46)
( , - функция, комплексно сопряженная с ). Таким образом, описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический, вероятностный характер: квадрат модуля волновой функции (квадрат модуля амплитуды волн де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в момент времени , в области с координатами и , и , и .
Итак, в квантовой механике состояние микрочастиц описывается принципиально по-новому - с помощью волновой функции, которая является основным носителем информации об их корпускулярных и волновых свойствах. Вероятность нахождения частицы в элементе объемом равна
|
(6.47)
|
Величина
|
(квадрат модуля - функции) имеет смысл плотности вероятности, т. е. определяет вероятность нахождения частицы в единичном объеме в окрестности точки с координатами . Таким образом, физический смысл имеет не сама - функция, а квадрат ее модуля , которым задается интенсивность волн де Бройля.
Вероятность найти частицу в момент времени в конечном объеме , согласно теореме сложения вероятностей, равна
.
Так как определяется как вероятность, то необходимо волновую функцию нормировать так, чтобы вероятность достоверного события обращалась в единицу, если за объем принять бесконечный объем всего пространства. Это означает, что при данном условии частица должна находиться где-то в пространстве. Следовательно, условие нормировки вероятностей
(6.48)
где данный интеграл (6.48) вычисляется по всему бесконечному пространству, т. е. по координатам от до . Таким образом, условие (6.48) говорит об объективном существовании частицы в пространстве.
Чтобы волновая функция являлась объективной характеристикой состояния микрочастиц, она должна удовлетворять ряду ограничительных условий. Функция , характеризующая вероятность обнаружения действия микрочастицы в элементе объема, должна быть конечной (вероятность не может быть больше единицы), однозначной (вероятность не может быть неоднозначной величиной) и непрерывной (вероятность не может изменяться скачком).
Волновая функция удовлетворяет принципу суперпозиции: если система может находиться в различных состояниях, описываемых волновыми функциями , то она также может находиться в состоянии , описываемом линейной комбинацией этих функций:
,
Где - произвольные, вообще говоря, комплексные числа. Сложение волновых функций (амплитуд вероятностей), а не вероятностей (определяемых квадратами модулей волновых функций) принципиально отличает квантовую теорию от классической статистической теории, в которой для независимых событий справедлива теорема сложения вероятностей.
Волновая функция , являясь основной характеристикой состояния микрообъектов, позволяет в квантовой механике вычислять средние значения физических величин, характеризующих данный микрообъект. Например, среднее расстояние электрона от ядра вычисляют по формуле
,
где интегрирование производится, как и в случае (6.48).