Микромир, элементарные частицы, вакуум: различия между версиями

Перейти к навигации Перейти к поиску
м
 
 
Выход из противоречия состоял в синтезе двух точек зрения, в признании того факта, что свет может вести себя и как волна, и как частица. Волновая природа света проявляется в процессах его распространения, в таких явления, как интерференция и дифракция. Корпускулярная же природа света проявляется в процессах его взаимодействия с веществом. Необходимость такого синтеза подтвердилась при анализе равновесного теплового излучения (излучения абсолютно черного тела). В 1900 г. М. Планк выдвинул гипотезу, что свет испускается и поглощается конечными порциями, квантами, причем энергия E кванта связана с частотой формулой <math>E = \hbar \omega </math> , в которой <math>\hbar = 1,055 \cdot 10^{ - 27}</math> эрг <math>\cdot c^{ - 1}</math> – некоторая постоянная, названная впоследствии постоянной Планка. Исходя из этой гипотезы, Планк получил спектр{{Ref|spectr}} теплового излучения. Выводы теории были блестяще подтверждены многочисленными экспериментами.
 
Квантовые представления оказались необходимыми и для объяснения опытов А. Комптона (1922 – 1923). В этих опытах исследовалось рассеяние рентгеновского излучения в газах и веществах с лёгкими атомами. Оказалось, что в результате рассеяния длина волны излучения увеличивается, тогда как согласно общепринятой в то время электромагнитной теории света длина волны не должна была бы меняться вовсе. Если, однако, предположить, что рассеяние света на электронах происходит по законам упругого удара двух частиц – электрона и фотона (кванта света), то все особенности эффекта Комптона получают исчерпывающее объяснение.
C<sub>V</sub> <sup>кол</sup>=R– теплоёмкость, происходящая от колебательного движения атомов в молекуле (в этих формулах R – газовая постоянная). В то же время опыты убедительно свидетельствовали, что теплоёмкость зависит от температуры (а не является постоянной, как требует теория), и, кроме того, при низких температурах вращательные и колебательные степени свободы как бы «замораживаются» выключаются. Так, молекулярный водород (<math>H_2</math>) ниже 100К ведет себя как одноатомный газ. Более того, при приближении температуры к абсолютному нулю теплоёмкости всех тел стремятся к нулю. Таким образом, утверждение о равноправии степеней свободы, требуемое классической механикой, не подтвердилось в экспериментах.
 
В 1911 г. Э. Резерфорд, исследуя рассеяние <math>\alpha</math> - частиц на тонких металлических пластинах, пришёл к планетарной модели атома: вокруг небольшого по объёму тяжелого ядра вращаются электроны. Однако в рамках классической электродинамики такие атомы не имели права на существование: электроны, двигаясь ускоренно (криволинейное движение!), обязаны были бы излучить всю свою энергию и упасть на ядро.
 
С этой же проблемой оказался тесно связанным и вопрос о магнитных свойствах вещества: согласно теореме, доказываемой в классической статистической физике, вещество в равновесном состоянии не может обладать диа или парамагнитными свойствами. Если же, тем не менее, принять существование атомов как факт, то в рамках классической физики невозможно объяснить явление ферромагнетизма – необходимые для этого силы (так называемое «молекулярное поле», введенное П. Вейссом в 1907 г.) не имеют классического объяснения. Иными словами, если бы верной была классическая физика, то магнитов в природе не существовало бы, не были бы созданы компасы, ориентирование на море, в лесу было бы сильно осложнено{{Ref|If}}...
 
В 1913 г. Н. Бор, опираясь на гипотезу квантов Планка, выдвинул два постулата:
# электроныЭлектроны в атомах могут находиться только на определённых орбитах, на которых они не излучают;.
# приПри переходе атома из одного энергетического состояния <math>E_n</math> в другое <math>E_m</math> происходит излучение кванта света с частотой <math>\omega _{nm} = {(E_n - E_m )} / \hbar</math>.
 
Первый постулат явно противоречил классической электродинамике. Однако Бор заявил: «Принимая теорию Планка, мы признаем открыто недостаточность обычной электродинамики и решительно порываем с рядом её положений, тесно связанных с этой теорией». Имелось в виду, что впоследствии должна быть создана теория, которая естественным образом соединит в себе как положения электродинамики и волновой теории света, так и представления о квантовом характере испускания и поглощения света.
<math>\Delta p_x \sim 2\pi \hbar / \Delta x </math>.
 
Второе соотношение показывает, что за время <math>\sim \Delta t</math> невозможно измерить энергию частицы с точностью большей, чем <math>\Delta E \sim 2\pi \hbar / \Delta t </math>. Это же соотношение допускает ещё одну интерпретацию: само измерение энергии продолжительностью <math>\sim \Delta t</math> вносит неконтролируемое изменение энергии на величину чем <math>\Delta E \sim 2\pi \hbar / \Delta t </math>. С соотношением неопределённостей «время–энергия» связано представление о виртуальных частицах. Так называют частицы, имеющие все характеристики обычных, реальных частиц за исключением того, что для них связь энергии E и импульса p не передается формулой эйнштейновской механики <math>E^2 = p^2 c^2 + m^2 c^4 </math> (или, при малых скоростях <math>v \ll c</math>, формулой ньютоновской механики <math>E = p^2 / 2m</math>). Иногда нестрого говорят, что в течение времени <math>\Delta t \sim 2\pi \hbar / \Delta E </math>может иметь место нарушение закона сохранения энергии. Следует, однако, иметь в виду, что никакого реального нарушения этого закона не происходит. Дело в том, что само измерение в течение короткого времени не позволяет проверить справедливость закона с достаточной точностью: требуется более длительное измерение.
 
Что касается решения проблемы корпускулярно-волнового дуализма в квантовой механике, то частицы рассматриваются как обычные объекты (либо составные, как атомы или молекулы, либо неделимые, как электроны или протоны), но их поведение определяется законами теории вероятностей. И именно вероятность обнаружения частиц в том или ином месте ведёт себя по законам теории волн. К сожалению, мы не имеем возможности более подробно рассматривать в этом обзоре вероятностную интерпретацию квантовой механики. Это должно быть темой отдельной статьи.
Таким образом, возникла квантовая механика, которая заменила механику Ньютона для процессов на малых расстояниях.
 
В рамках квантовой механики получила исчерпывающее решение проблема теплоёмкостей. В самом деле, поглощение и испускание энергии молекулами происходит квантами. Например, величина кванта, отвечающего переходу между колебательными уровнями энергии, равна <math>\hbar \omega</math> , где
<math>\omega</math> — классическая частота колебаний атомов в молекуле. Соответственно, колебательные степени свободы «включаются» при достаточно высоких температурах, <math>kT > \hbar \omega </math> , когда имеется много молекул с энергией, превышающей минимальную порцию ( <math>\hbar \omega</math> ), необходимую для возбуждения колебаний (k – постоянная Больцмана). Точно так же и другие степени свободы молекул дают вклад в теплоёмкость лишь при достаточно высоких температурах.
 
Итак, квантовая механика позволила с единых позиций объяснить целый ряд весьма разнородных явлений – свойства теплового излучения чёрного тела, зависимость теплоёмкости вещества от температуры, существование и свойства атомов, магнитные свойства вещества и многое другое.
49

правок

Навигация