Автор: Пользователь скрыл имя, 22 Декабря 2010 в 16:09, шпаргалка
Ответы на 21 вопрос.
13. Квантовая механика. Теория квантов, основные принципы.
Ква́нтовая меха́ника — раздел теоретической физики, описывающий квантовые системы и законы их движения.
Квант (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике.
Классическая механика, хорошо описывающая системы макроскопических масштабов, не способна описать явления на уровне атомов, электронов и фотонов. Квантовая механика способна с великолепной точностью описывать электроны, фотоны, а также другие элементарные частицы. Эксперименты подтверждают результаты, полученные с помощью квантовой механики.
Основные принципы:
1.
Любое состояние системы
функцией y(x,t), зависящей от координат и времени и носящей название
«волновой». Квадрат модуля этой функции (квадрат модуля амплитуды волн де
Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в
определённом ограниченном объёме.
2.
Предсказания квантовой
предсказывает только средние значения большой серии испытаний для одинаково
приготовленных систем.
3. Принцип суперпозиции: если в системе могут реализовываться состояния,
описываемые волновыми функциями y1(x,t) и y2(x,t), то
может реализоваться и любая их линейная комбинация c1y1
(x,t) + c2y2(x,t), где c1 и c2
некоторые комплексные
4.
Результаты экспериментов
механики, когда величины размерности этого действия становятся намного
больше постоянной
Планка h.
14. Квантово полевая картина мира (КПКМ).
Ква́нтовая тео́рия по́ля (КТП) — раздел физики, изучающий поведение квантовых систем с бесконечно большим числом степеней свободы — квантовых (или квантованных) полей; является теоретической основой описания микрочастиц, их взаимодействий и превращений. Именно на квантовой теории поля базируется вся физика высоких энергий, физика элементарных частиц и физика конденсированного состояния. Квантовая теория поля пока является единственной экспериментально подтверждённой теорией, способной описать и предсказать поведение элементарных частиц при высоких энергиях (то есть при энергиях, существенно превышающих их энергию покоя).
2. Характеристика
квантово-полевой картины мира
Определение: физические величины, которые
могут принимать лишь определенные дискретные
значения, называются квантованными. А
само их выражение через квантовые числа
называется квантованием. Сама идея квантования
сформировалась на основе ряда открытий
в конце 19-го – начале 20-го века. Рассмотрим
основные из них.
Открытие электрона. В 1897 г. был открыт
электрон. Его заряд оказался наименьшим,
элементарным. Заряд любого тела равен
целому числу элементарных зарядов. Таким
образом, заряд дискретен, а равенство
q=±ne представляет собой форму квантования
электрического заряда.
Тепловое излучение. Во второй половине
19 в. в результате исследования теплового
излучения был открыт ряд законов: Кирхгофа,
Стефана-Больцмана, Вина. Однако из теории,
основанной на традиционных представлениях
об электромагнитных излучениях, следовало,
что энергия теплового излучения на всех
частотах (во всем интервале длин волн)равнялась
бесконечности, что противоречило закону
сохранения энергии. Особенно ярко это
противоречие проявлялось в области коротких
длин волн, поэтому оно получило название
«ультрафиолетовой катастрофы».
В 1900 г. Макс Планк (1858-1947) для выхода из
этой ситуации предложил следующую гипотезу
(впоследствии названную квантовой гипотезой
Планка): электромагнитное излучение испускается
отдельными порциями – квантами, величина
которых пропорциональна частоте излучения.
Гипотеза Планка фактически стала началом
новой физики – квантовой физики (старая
при этом получила название классической).
Согласно этим представлениям энергия
кванта e = h×n, где n - частота, а h – постоянная
Планка, равная 6,626×10-34 Дж×с. Она является
фундаментальной физической константой
(квант действия).
Таким образом, если в классической физике
считалось, что энергия может изменяться
непрерывно и принимать любые, сколь угодно
близкие значения, то согласно квантовым
представлениям, она может принимать лишь
дискретные значения, равному целому числу
квантов энергии W =n×h×n, где n = 1,2,3… - целые
числа.
В конце 19 в. в результате экспериментов
были установлены законы фотоэффекта
– явления выбивания электронов из вещества
под действием света: 1) независимость
энергии выбиваемых электронов от интенсивности
света, а зависимость ее только от частоты
световой волны и 2) наличие для каждого
вещества «красной» границы фотоэффекта,
т.е. минимальной частоты, при которой
фотоэффект еще возможен. Эти законы не
могли быть объяснены на основе представлений
ЭМКМ.
В 1905 г. А. Эйнштейн, приняв гипотезу Планка,
расширил ее, предположив, что свет не
только излучается квантами, но и распространяется
и поглощается тоже квантами (названными
впоследствии фотонами). Таким образом,
свет представляет собой поток световых
частиц – фотонов. Как видно, это возвращает
нас к корпускулярным воззрениям Ньютона,
но на новом уровне.
Энергия фотона e = h×n = mc2, импульс P = mc =
hn/c = h/l. Эти соотношения означали, что масса
покоя фотона m0 = 0 (покоящийся фотон не
существует), а скорость его равна скорости
света. Масса движения фотона m = hn/c2 = P/c.
На основе фотонных представлений и закона
сохранения и превращения энергии Эйнштейн
записывает основное уравнение фотоэффекта
hn = A + Ek (энергия фотона расходуется на
работу выхода электрона из атома и придание
ему кинетической энергии
В истории развития учения о свете сменяли
друг друга корпускулярная теория света
(Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс,
Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет
как механическую волну. В 70-х годах после
утверждения теории Максвелла под светом
стали понимать электромагнитную волну.
В начале 20-го века на основе экспериментов
было неопровержимо доказано, что свет
обладает как волновыми, так и корпускулярными
свойствами. Было также обнаружено, что
в проявлении этих свойств существуют
вполне определенные закономерности:
чем меньше длина волны, тем сильнее проявляются
корпускулярные свойства света.
В 1924 г. французский физик Л. де Бройль
выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой
дуализм имеет универсальный характер,
т.е. все частицы, имеющие конечный импульс
Р, обладают волновыми свойствами.
15. Виды и характеристики фундаментальных физических взаимодействий.
В порядке возрастания
интенсивности эти
В свете квантово-волнового дуализма любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру, ему должны соответствовать определенные частицы, кванты этого поля. Например, квантами электромагнитного поля являются фотоны. Когда заряженные частицы обмениваются между собой фотонами, это приводит к появлению электромагнитного поля. Фотоны и являются переносчиками электромагнитного взаимодействия.
Аналогичным образом и другие виды фундаментальных взаимодействий имеют свои поля и соответствующие частицы, переносящие это полевое взаимодействие. Изучение конкретных свойств, закономерностей этих полей и частиц — носителей фундаментальных взаимодействий — главная задача современной физики.
16. Классификация элементарных частиц.
Все элементарные частицы делятся на два класса:
Элементарные частицы делятся на следующие группы:
17. Возникновение Вселенной. Модель горячей Вселенной.
По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,7 ± 0,13 млрд лет назад[2] из некоторого начального сингулярного состояния с гигантскими температурой и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. В последнее время ученым удалось определить, что скорость расширения Вселенной, начиная с определённого момента в прошлом, постоянно увеличивается, что уточняет некоторые концепции теории Большого взрыва. Современная стандартная модель развития Вселенной в физической космологии (Лямбда-CDM модель) учитывает эти модификации.
Согласно одной
из альтернативных теорий (так называемой
«бесконечно пульсирующей Вселенной»),
мир никогда не возникал и никогда
не исчезнет (или по другому рождается
и умирает бесконечное
Объяснение ряда наблюдаемых или предполагаемых явлений, таких как сингулярности, возникающие при развитии массивных звёзд в «чёрные дыры» или существовавшие в «точке 0» в теории Большого взрыва, или асимметрия вещества и антивещества, могут быть найдены при допущении. что наша Вселенная — продукт процессов, имевших место в «Сверхвселенной», метрика которой больше наблюдаемой нами. Такими процессами могли быть соударение сверхмасс, или столкновение сверхмассы с нашей пространственно-временной метрикой, возникшее искривление которой вызывает эффект разбегания галактик, или прорыв в виде «сверхбелой дыры».
Для всех этих гипотез существенны:
Модель горячей Вселенной — космологическая модель, в которой эволюция Вселенной начинается с состояния плотной горячей плазмы, состоящей из элементарных частиц, и протекает при дальнейшем адиабатическом космологическом расширении.
Впервые модель
горячей вселенной
Происхождение элементарных частиц в модели горячей Вселенной с конца 1970-х годов описывают с помощью спонтанного нарушения симметрии.
Возникновение
крупномасштабной структуры Вселенной
в рамках модели происходит вследствие
роста начальных
Многие недостатки модели горячей вселенной были решены в 1980-х годов в результате построения инфляционной модели вселенной.
Также важно отметить плотную связь данной теории с теорией Большого взрыва.
18. Образование звезд, галактик и планет.
Формирование звезды — процесс, которым плотные части молекулярных облаков коллапсируют в шар плазмы, чтобы сформировать звезду.