Квантовые постулаты Бора

Датский физик Нильс Бор (1885-1962) обосновал планетарную модель атома Резерфорда. Свои представления об особых свойствах атомов (устойчивости атома и спектральных закономерностей его излучения) Бор сформулировал в виде постулатов следующего содержания:

1. Электрон в атоме можеь находиться только в определенных устойчивых состояниях, называемых стационарными или квантовыми, каждому из которых соответствует определенная энергия E_n. В этих состояниях атом не излучает электромагнитных волн.

Момент импульса электрона, движущегося по стационарной орбите, имеет квантовые значения, удовлетворяющие условию: m_eυr = nħ (n = 1,2,3,…), где n – главное квантовое число, m_e – масса покоя электрона, υ – скорость электрона, r – радиус орбиты, ħ – постоянная Планка.

2. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант энергии ΔE = hν. Излучение фотона происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. При обратном переходе происходит поглощение кванта энергии: hν = E_n - E_m, где n и m – номера состояний.

Все стационарные состояния, кроме одного, являются стационарными лишь условно. Бесконечно долго каждый атом может находиться лишь в стационарном состоянии с минимальным запасом энергии. Это состояние атома называется основным. Все остальные стационарные состояния атома называются возбужденными.

13) Корпускулярно-волновой дуализм, волны де Бройля и принцип неопределённости Гейзенберга.

Корпускулярно-волновой дуализм, лежащее в основе квантовой механики положение о том, что в поведении микрообъектов проявляются как корпускулярные, так и волновые черты.

По представлениям классической (неквантовой) физики, движение частиц и распространение волн различаются принципиально. Однако опыты по вырыванию светом электронов с поверхности металлов (фотоэффект), изучение рассеяния света на электронах (Комптона эффект) и ряд др. экспериментов убедительно показали, что свет — объект, имеющий, согласно классической теории, волновую природу, — ведёт себя подобно потоку частиц. Световая "частица" (фотон) имеет энергию Е и импульс р, связанные с частотой n и длиной волны l света соотношениями: E=hn, p=h/l, где h — Планка постоянная. С другой стороны, оказалось, что пучок электронов, падающих на кристалл, даёт дифракционную картину, которую нельзя понять иначе, как на основе волновых представлений. Позже было установлено, что это явление свойственно вообще всем микрочастицам.

Таким образом, характерной особенностью микромира является своеобразная двойственность, дуализм корпускулярных и волновых свойств, который не может быть понят в рамках классической физики. Так, возникновение дифракционной картины при рассеянии частиц несовместимо с представлением о движении их по траекториям. Естественное истолкование К.-в. д. получил в квантовой механике.

Волны де Бройля, волны, связанные с любой движущейся микрочастицей, отражающие их квантовую природу.

Впервые квантовые свойства были обнаружены у электромагнитного поля. После исследования М. Планком законов теплового излучения тел (1900) в науку вошло представление о "световых порциях" — квантах электромагнитного поля. Эти кванты — фотоны — во многом похожи на частицы (корпускулы): они обладают определённой энергией и импульсом, взаимодействуют с веществом как целое. В то же время давно известны волновые свойства электромагнитного излучения — они проявляются, например, в явлениях дифракции и интерференции света. Таким образом, можно говорить о двойственной природе фотона, о корпускулярно-волновом дуализме.

В 1924 Л. де Бройль выступил с гипотезой о том, что корпускулярно-волновой дуализм присущ всем без исключения видам материи — электронам, протонам, атомам и т.д., причём количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и установленные ранее для фотонов. А именно, если частица имеет энергию Eи импульс p, то с ней связана волна, частота которой v = E/h и длина волны l = h/p, где h " 6·10^-27эрг·сек — постоянная Планка. Эти волны и получили название В. де Б.

Подтверждённая на опыте идея де Бройля о двойственной природе микрочастиц принципиально изменила представления об облике микромира. Если раньше частицы, например электроны, абсолютно противопоставлялись волнам, в частности электромагнитным, то гипотеза об универсальности корпускулярно-волнового дуализма существенно изменила положение. Поскольку всем микрообъектам (по традиции за ними сохраняется термин "частицы") присущи и корпускулярные, и волновые свойства, то, очевидно, любую из этих "частиц" нельзя считать ни частицей, ни волной в классическом понимании этих слов. Возникла потребность в такой теории, в которой волновые и корпускулярные свойства материи выступали бы не как исключающие, а как взаимно дополняющие друг друга. В основу такой теории — волновой, или квантовой механики — и легла концепция де Бройля, уточнение которой привело к вероятностной интерпретации В. де Б.

Принцип неопределённости Гейзенберга (ПН) – фундаментальное соотношение между парами сопряжёных физических величин, характеризующих квантово-механическую систему. В частности для свободной частицы утверждается, что одновременно невозможно абсолютно точно измерить координату и импульс (скорость). Мы привыкли считать, что физическая величина является известной, если её возможно измерить, также мы полагаем, что неизмеряемые величины не существуют. Квантовая механика расширяет понятие объективного существования: могут существовать объекты с неопределёнными значениями физических величин и, если состояние характеризуется определённым значением импульса, значит это же состояние характеризуется неопределённым значением координаты.

Первоначальная трактовка принципа неопределённости основное значение отводила процессу измерения, утверждая принципиальную невозможность точного измерения сопряжённых физических величин. В связи с этим возникает закономерный вопрос: можно ли рассматривать квантовый объект как нечто, всё же обладающее определёнными значениями положения и импульса, которые являются неопределёнными лишь в силу того, что их нельзя вполне точно измерить? Современный ответ таков: неопределённость есть свойство структуры материи и положение и импульс не могут даже существовать одновременно, как вполне точно определённые величины. Иногда ошибочно утверждается, что законы природы в микроявлениях теряют детерминистичность описания. На самом деле это не так. Законы микромира строго причинно обусловлены, но к ним нельзя применять динамическую детерминистичность в духе механистического принципа Лапласа, в силу того, что данные закономерности не только динамические, но и в очень большой мере обладают статистическими чертами. Например, в состоянии физического поля с самой малой энергией – физическом вакууме возможно самопроизвольное возникновение бесконечного количества различных объектов с любой энергией, но они будут существовать малое, конечное время. И чем больше энергия объекта, тем меньшее время он будет существовать - соотношение неопределённости для энергии и времени - ΔEΔt>h.