Основные идеи квантовой физики

Основные  идеи квантовой физики

В 1900г. немецкий физик М.Планк своими исследованиями продемонстрировал, что излучение  энергии происходит дискретно, определенными  порциями — квантами, энергия которых  зависит от частоты световой волны. Теория М.Планка не нуждалась в концепции эфира и преодолевала противоречия и трудности электродинамики Дж.Максвелла. Эксперименты М.Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Понятно, что такой вывод был несовместим с представлениями классической физики. Теория М.Планка положила начало новой квантовой физики, которая описывает процессы, протекающие в микромире.

 Опираясь  на идеи М.Планка, А.Эйнштейн предложил  фотонную теорию света, согласно  которой свет есть поток движущихся квантов. Квантовая теория света (фотонная теория) рассматривает свет как волну с прерывистой структурой. Свет есть поток неделимых световых квантов — фотонов. Гипотеза А.Эйнштейна позволила объяснить явление фотоэффекта — выбивания электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Стало ясно, что электрон выбивается фотоном лишь в том случае, если энергия фотона достаточна для преодоления силы взаимодействия электронов с атомным ядром. В 1922 г. за создание квантовой теории света А.Эйнштейн получил Нобелевскую премию.

 Объяснение  процесса фотоэффекта опиралось,  помимо квантовой гипотезы М.Планка, также на новые представления  о строении атома. В 1911г.  английский физик Э.Резерфорд  предложил планетарную модель  атома. Модель представляла собой атом как положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Возникающая при движении электронов по орбитам сила уравновешивается притяжением между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Общий заряд атома равен нулю, поскольку заряды ядра и электронов равны друг другу. Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, а масса электронов ничтожно мала. С помощью планетарной модели атома было объяснено явление отклонения альфа-частиц при прохождении через атом. Поскольку размеры атома велики по сравнению с размерами электронов и ядра, альфа-частица без препятствий проходит через него. Отклонение наблюдается только тогда, когда альфа-частица проходит близко от ядра, в этом случае электрическое отталкивание вызывает ее резкое отклонение от первоначального пути. В 1913г. датский физик Н.Бор предложил более совершенную модель атома, дополнив идеи Э.Резерфорда новыми гипотезами. Постулаты Н.Бора звучали следующим образом:

1. Постулат стационарных состояний. Электрон совершает в атоме устойчивые орбитальные движения по стационарным орбитам, не испуская и не поглощая энергии.

2. Правило  частот. Электрон способен переходить  с одной стационарной орбиты  на другую, при этом испуская или поглощая энергию. Поскольку энергии орбит дискретны и постоянны, то при переходе с одной из них на другую всегда испускается или поглощается определенная порция энергии.

 Первый  постулат позволил ответить на  вопрос: почему электроны при  движении по круговым орбитам вокруг ядра не падают на него, т.е. почему атом остается устойчивым образованием?

 Второй  постулат объяснил прерывность  спектра излучения электрона.  Квантовые постулаты Н.Бора означали  отказ от классических физических  представлений, которые до этого времени считались абсолютно истинными.

 Несмотря  на быстрое признание теория  Н.Бора все же не давала ответов  на многие вопросы. В частности,  ученым не удавалось точно  описать многоэлектронные атомы.  Выяснилось, что это связано с  волновой природой электронов, представлять которые в виде твердых частиц, движущихся по определенным орбитам, ошибочно.

 В  действительности состояния электрона  могут меняться. Н.Бор предположил,  что микрочастицы не являются  ни волной, ни корпускулой. При  одном типе измерительных приборов они ведут себя как непрерывное поле, при другом — как дискретные материальные частицы. Выяснилось, что представление о точных орбитах движения электронов также ошибочно. Вследствие своей волновой природы электроны скорее «размазаны» по атому, причем весьма неравномерно. В определенных точках плотность их заряда достигает максимума. Кривая, связывающая точки максимальной плотности заряда электрона, и представляет собой его «орбиту».

 В  20-30-е гг. В.Гейзенберг и Л. де  Бройль заложили основы новой теории — квантовой механики. В 1924г. в работе «Свет и материя»

 Л.  де Бройль высказал предположение  об универсальности корпускулярно-волнового  дуализма, согласно которому все  микрообъекты могут вести себя  и как волны, и как частицы.  На основе уже установленной дуальной (корпускулярной и волновой) природы света он высказал идею о волновых свойствах любых материальных частиц. Так, например, электрон ведет себя как частица, когда движется в электромагнитном поле, и как волна, когда проходит сквозь кристалл. Эта идея получила название корпускулярно-волнового дуализма. Принцип корпускулярно-волнового дуализма устанавливает единство дискретности и непрерывности материи.

В 1926г. Э.Шредингер на основе идей Л. де Бройля построил волновую механику. По его  мнению, квантовые процессы — это волновые процессы, поэтому классический образ материальной точки, занимающей определенное место в пространстве, адекватен только макропроцессам и совершенно неверен для микромира. В микромире частица существует одновременно и как волна, и как корпускула. В квантовой механике электрон можно представить как волну, длина которой зависит от ее скорости. Уравнение Э.Шредингера описывает движение микрочастиц в силовых полях и учитывает их волновые свойства.

 На  основе этих представлений в 1927г. был сформулирован принцип дополнительности, по которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимно дополняют друг друга, и только в единстве дают полное описание. При точном измерении одной из дополнительных величин другая претерпевает неконтролируемое изменение. Понятия частицы и волны не только дополняют друг друга, но и в то же время противоречат друг другу. Они являются дополняющими картинами происходящего. Утверждение корпускулярно-волнового дуализма стало основой квантовой физики.

 В  1927г. немецкий физик В.Гейзенберг  пришел к выводу о невозможности  одновременного, точного измерения  координаты частицы и ее импульса, зависящего от скорости, эти величины  мы можем определить только  с определенной степенью вероятности. В классической физике предполагается, что координаты движущегося объекта можно определить с абсолютной точностью. Квантовая механика существенно ограничивает эту возможность. В.Гейзенберг в работе «Физика атомного ядра» изложил свои идеи.

 Вывод В. Гейзенберга получил название принципа соотношения неопределенностей, который лежит в основе физической интерпретации квантовой механики. Его суть в следующем: невозможно одновременно иметь точные значения разных физических характеристик микрочастицы — координаты и импульса. Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной, существуют принципиальные ограничения на измерение физических величин, характеризующих поведение микрообъекте.

Таким образом, заключил В.Гейзенберг, реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет. «Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы», — писал он. Измерительный прибор влияет на результаты измерения, т.е. в научном эксперименте влияние человека оказывается неустранимым. В ситуации эксперимента мы сталкиваемся с субъект-объектным единством измерительного прибора и изучаемой реальности.

 Важно  отметить, что это обстоятельство  не связано с несовершенством  измерительных приборов, а является следствием объективных, корпускулярно-волновых свойств микрообъектов. Как утверждал физик М. Борн, волны и частицы — это только «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.

 Два  фундаментальных принципа квантовой  физики — принцип соотношения неопределенностей и принцип дополнительности — указывают на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей. Законы квантовой физики — статистические. Как пишет В.Гейзенберг, «в экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов». В дальнейшем квантовая теория стала базой для ядерной физики, а в 1928г. П.Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

Фотоэффект  и квантовая теория света

Фотоэффект  — это испускание электронов веществом  под действием электромагнитного  излучения (фотонов). Фотоэффект был открыт Генрихом Герцем в 1887 году. Различают: внешний фотоэффект, при котором поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела, и внутренний фотоэффект, при котором электроны, оставаясь в теле, перераспределяются по энергетическим уровням.

Внутренний  фотоэффект проявляется в изменении  электропроводности, диэлектрической  проницаемости вещества или в  возникновении на его границах электродвижущей  силы, называемой фото ЭДС. Фотоэффект можно исследовать с помощью  следующей установки (рис. 26). В баллоне высокий вакуум. Свет проникает через кварцевое окошко О и освещает катод K. Электроны, испущенные катодом вследствие фотоэффекта, перемещаются под действием электрического поля к аноду A. В результате в цепи потечет ток, измеряемый гальванометром Г . Напряжение U между анодом и катодом можно менять с помощью реостата R. На графике (рис. 27) изображена зависимость фототока I от напряжения U при двух значениях светового потока Ф , причем Ф2 > Ф1 . Анализ этой зависимости и опыты, проведенные на установке, позволяют сделать следующие заключения:

1. Фототок  появляется через 10—8 с после  начала облучения, т.е. фотоэффект  является практически безынерционным.

2. При  некотором напряжении фототок  достигает насыщения, т.е. все  электроны, испускаемые катодом, попадают на анод (горизонтальный участок графика на рис. 27).

3. При  уменьшении напряжения между  катодом и анодом до 0 фототок  не исчезает. Следовательно, электроны,  выбитые светом из катода, обладают  некоторой начальной скоростью  и могут достигнуть анода без внешнего поля. Чтобы фототок стал равен нулю, надо приложить задерживающее напряжение Uз в обратном направлении. При таком напряжении всем электронам, даже обладающим при вылете наибольшим значением скорости υmax , не удается преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода. Поэтому, исходя из закона сохранения энергии, можно приравнять максимальную кинетическую энергию электроновWmax работе сил поля eU3 по их задержанию:

где e , m — заряд и масса электрона.

4. увеличение  падающего потока не влияет на величину задерживающего потенциала.

Опытным путем установлены следующие  три закона внешнего фотоэффекта:

1. Закон  Столетова: при фиксированной  частоте падающего света величина  фототока насыщения прямо пропорциональна  падающему световому потоку. Интенсивность света — это световой поток, проходящий через единичную площадку, перпендикулярную к направлению света. Поэтому число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная  начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.

3. Для  каждого вещества существует  минимальная частота ν0 света,  при которой ещё возможен внешний  фотоэффект. Эта минимальная частота  ν0 (или максимальная длина волны  λ0 ) зависит от химической природы вещества, состояния его поверхности и называется красной границей фотоэффекта. Красной она называется потому, что для многих веществ находится в области красного света. Например, калий не дает фотоэффекта при освещении красным светом и начинает испускать фотоэлектроны, начиная с оранжевых лучей.

Второй  и третий законы фотоэффекта находятся  в противоречии с представлением классической физики о волновой природе  света. Действительно, чем больше световой поток, тем больше энергия, переносимая световой волной, т.е. тем большую энергию должны были получать фотоэлектроны

Идея  квантов энергии была впервые  высказана Планком в начале этого  столетия для того, чтобы объяснить  некоторые эффекты гораздо более  сложного характера, чем фотоэлектрический. Но фотоэффект яснее и проще показывает необходимость изменения наших старых понятий.