Элементы квантовой физики

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

    Квантовая механика изучает объект, который  не встречается в классической физике и называется квантовым. В классической физике он проявляет себя либо частицей, либо волной в зависимости от обстоятельств, однако теряя при этом часть свойств  квантового объекта. Поэтому классические образы, понятия, пространственно-временные  соотношения и т. д. имеют (хотя и  приблизительно) свой привычный смысл. В квантовой модели необходимы также  и другие образы, понятия и т. д., не имеющие классических аналогов, но позволяющие объяснить наблюдаемые закономерности без наглядного представления о происходящем.

    В квантовой физике рассматриваются  микроскопические явления, которые  человек не способен обнаружить с  помощью только одних своих органов  чувств. Квантовые законы, обобщающие опытные факты о микроскопических явлениях, не наглядны. В этом главная  трудность их понимания. Поэтому лучшее, что можно сделать, приступая к изучению механики микромира (квантовой механики), это с самого начала отказаться от стремления построить наглядные образы изучаемых объектов и процессов.

    Квантовая физика объединяет несколько разделов физики, в которых принципиальную роль играют явления квантовой механики и квантовой теории поля, проявляющиеся  на уровне микромира, но и имеющие  следствия на уровне макромира. Сюда относятся:

    - квантовая  механика;

    - Квантовая  теория поля – и ее применения: ядерная физика, физика элементарных  частиц, физика высоких энергий;

    - квантовая  статистическая физика;

    - квантовая  теория конденсированных сред;

    - квантовая  теория твердого тела;

    - квантовая  оптика. 

1. Основные  этапы развития квантовой  физики

    В 1900 г. немецкому физику М. Планку для  того, чтобы объяснить непротиворечиво  природу теплового излучения  тел, пришлось ввести представление  об излучении порциями (квантами). Согласно классической физике, излучение непрерывно. Не без душевных колебаний Планк  ввел в физику новые представления.

    Идея  Планка получила развитие в работах  А. Эйнштейна. Ему удалось объяснить  все экспериментальные данные, относящиеся  к явлению фотоэффекта, испусканию веществом электронов под воздействием электромагнитного излучения. Электроны, поглощая фотоны, увеличивают свою энергию и в результате способны покинуть вещество.

    В 1911 г. английский физик Э. Резерфорд  предложил модель атома: электроны  движутся по законам Максвелла вокруг значительно более массивного атомного ядра. Но если бы электроны действительно  вращались вокруг ядер атомов по законам  Максвелла, то они должны были бы излучать электромагнитные волны, вследствие этого  терять энергию и сваливаться  в конечном счете на ядро атома. Такие  выводы опроверг датский физик Н. Бор в 1913 г., который вопреки классической физике предположил, что электроны  находятся на стационарных орбитах  и не излучают энергию. Порция энергии  излучается лишь при переходе с одной  стационарной орбиты на другую. Бор  не мог объяснить, почему именно существуют стационарные орбиты электронов. Но он отлично сознавал, что на смену  классической должна прийти новая физика, которая, возможно, даст объяснение, среди  прочего, и его прозрениям.

    Существенно новый импульс квантово-механические представления получили балагодаря выдвинутой в 1924 г. французским физиком  Л. де Бройлем гипотезы так называемого  корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что частицы материи (а не только фотоны) обладают как  корпускулярными, так и волновыми  свойствами. С точки зрения классической физики волновые свойства характерны для звука, света, возмущений поверхностей жидкостей, но никак не для частиц. Однако эксперименты свидетельствовали в пользу гипотезы де Бройля, хотя она также не лишена некоторой противоречивости.

    Из  общих соображений было ясно, что  уравнения квантовой механики должны быть волновыми (ведь квантовые объекты обладают волновыми свойствами). Вместе с тем упомянутые уравнения должны иметь дискретные решения (ибо квантовым явлениям присущи черты дискретности).

    Таким образом, для описания квантовых  явлений используется волновая функция. Волновая функция описывает не сам  объект как таковой и даже не его  потенциальные возможности. Операции с волновой функцией позволяют вычислить  вероятности квантово-механических событий. 

2. Квантовая механика

    Квантовая механика — раздел теоретической физики, описывающий квантовые системы и законы их движения.

    Классическая  механика, хорошо описывающая системы  макроскопических масштабов, не способна описать явления на уровне атомов, электронов и фотонов. Квантовая  механика способна описывать поведение  электронов, фотонов, а также других элементарных частиц. Эксперименты подтверждают результаты, полученные с помощью  квантовой механики.

        Квантовая механика описывает  законы движения микрочастиц.  Однако поскольку свойства макроскопических  тел определяются движением и  взаимодействием частиц, из которых  они состоят, постольку квантовая  механика применяется для объяснения  многих макроскопических явлений.  Например, квантовая механика позволила  понять многие свойства твердых  тел, последовательно объяснить  такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость,  понять природу таких астрофизических  объектов, как белые карлики, нейтронные  звезды, выяснить механизм протекания  термоядерных реакций в Солнце  и звездах. 

        Для классической механики характерно  описание частиц путем задания  их положения в пространстве (координат)  и скоростей и зависимости  этих величин от времени. Опыт  показал, что такое описание  частиц не всегда справедливо,  в частности, оно не применимо  для описания микрочастиц. 

        Квантовая механика делится на  нерелятивистскую, справедливую в  случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной  теории относительности. 

        Нерелятивисткая квантовая механика (как и механика Ньютона для  своей области применимости) - это  законченная и логически непротиворечивая  фундаментальная физическая теория.

        Релятивистская квантовая механика  не является в такой степени  завершенной и свободной от  противоречий теорией. 

        Если в нерелятивистской области  можно считать, что взаимодействие  передается мгновенно на расстоянии, то в релятивистской области  оно распространяется с конечной  скоростью, значит, должен существовать  агент, передающий взаимодействие - физическое поле. Трудности релятивистской  теории - это трудности теории  поля, с которыми встречается  как релятивистская классическая  механика, так и релятивистская  квантовая механика.

        Соотношение между классической  и квантовой механикой определяется  существованием универсальной мировой  постоянной - постоянной Планка, которая  называется также квантом действия  и имеет размерность действия. Если в условиях данной задачи  физические величины размерности  действия значительно больше  постоянной Планка, то применима  классическая механика. Формально  это условие и является критерием  применимости классической механики.

        Общая теория относительности  - неквантовая теория. В этом отношении  она подобна классической электродинамике  Максвелла. Однако наиболее общие  рассуждения показывают, что гравитационное  поле должно подчиняться квантовым  законам точно так же, как и  электромагнитное поле. Применение квантовой теории к гравитации показывает, что гравитационные волны можно рассматривать как поток квантов - гравитонов.

        Впервые квантовые представления  были введены в 1900 году немецким  физиком Планком в работе, посвященной  теории теплового излучения. Существовавшая  в то время теория теплового  излучения, построенная на основе  классической электродинамики и  статистической физики, приводила  к противоречию. Чтобы его разрешить, Планк предположил, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными дискретными порциями энергии - квантами. 

3. Квантовая теория поля

    Квантовая теория поля - 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 сейчас является единственной экспериментально подтверждённой теорией, способной описать и предсказать поведение элементарных частиц при высоких энергиях (то есть при энергиях, существенно превышающих их энергию покоя).

    Квантовая теория поля представляет собой распространение  квантовых принципов на описание физических полей в их взаимодействиях  и взаимопревращениях. Квантовая  механика имеет дело с описанием  взаимодействий сравнительно малой  энергии, при которых число взаимодействующих  частиц сохраняется. При больших  энергиях взаимодействия простейших частиц (электронов, протонов и т. д.) происходит их взаимопревращение, т. е. одни частицы  исчезают, другие рождаются, причем число  их меняется. Большинство элементарных частиц нестабильно, спонтанно распадается до тех пор, пока не образуются стабильные частицы - протоны, электроны, фотоны и нейтроны. При столкновениях элементарных частиц, если энергия взаимодействующих частиц достаточно велика, происходит множественное рождение частиц различного спектра. Поскольку квантовая теория поля предназначена для описания процессов при высоких энергиях, поэтому должна удовлетворять требованиям теории относительности.

      Современная квантовая теория  поля включает три типа взаимодействия  элементарных частиц: слабые взаимодействия, обусловливающие главным образом  распад неустойчивых частиц, сильные  и электромагнитные, ответственные  за превращение частиц при  их столкновении.

    Квантовая же теория отошла от классических традиций, она создала новый язык и новый стиль мышления, позволяющий проникать в микромир с его дискретными энергетическими состояниями и дать его описание с помощью введения характеристик, отсутствовавших в классической физике, что в конечном счете позволило понять сущность атомных процессов. Но вместе с тем квантовая теория внесла в науку элемент непредсказуемости, случайности, чем она отличалась от классической науки.

1. Ядерная физика

    Ядерная физика - раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения (ядерные реакции).

             Для теоретической ядерной физики характерна необходимость использования аппаратов разнообразных разделов теоретической физики: классической электродинамики, теории сплошных сред, квантовой механики, статистической физики, квантовой теории поля. Центральная проблема теоретической ядерной физики — квантовая задача о движении многих тел, сильно взаимодействующих друг с другом. Теорией ядра и элементарных частиц были рождены и развиты новые направления теоретической физики (например, в теории сверхпроводимости, в теории химической реакции), получившие впоследствии применение в других областях физики.

    Ядерная физика оказала большое влияние на развитие ряда других областей физики (в частности, астрофизики и физики твёрдого тела) и других наук (химии, биологии, биофизики).

             Прикладное значение ядерной  физики в жизни современного общества огромно, её практические приложения фантастически разнообразны — от ядерного оружия и ядерной энергетики до диагностики и терапии в медицине. Вместе с тем она остаётся той фундаментальной наукой, от прогресса которой можно ожидать выяснения глубоких свойств строения материи и открытия новых общих законов природы.

2. Физика элементарных частиц

    Физика  элементарных частиц - раздел физики, изучающий структуру и свойства элементарных частиц и их взаимодействия.

    Теоретическая физика элементарных частиц строит теоретические модели для объяснения данных, полученных в действующих экспериментах, получения предсказаний для будущих экспериментов и разработки математического инструментария для проведения исследований такого рода. На сегодняшний день основным орудием в теоретической физике элементарных частиц является квантовая теория поля.

    3.3 Физика высоких энергий

    Физика  высоких энергий - раздел физики элементарных частиц, изучающий взаимодействия элементарных частиц и/или ядер атомов при энергиях столкновения, существенно выше, чем массы самих сталкивающихся частиц.

    Эксперименты  по физике высоких энергий проводятся с помощью ускорителей заряженных частиц и ядерных реакторов. Также  источником частиц высоких энергий  являются космические лучи (элементарные частицы и ядра атомов, родившиеся и ускоренные до высоких энергий во Вселенной). В неускорительных экспериментах с космическими лучами изучают, в основном, свойства нейтрино и поведение частиц при сверхвысоких энергиях (широкие космические ливни).

4. Квантовая статистическая физика

    Квантовая статистика - раздел статистической физики, исследующий системы множества частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.

    Одновременно  с развитием волновой и квантовой  механики развивалась другая составная  часть квантовой теории - квантовая  статистика или статистическая физика квантовых систем, состоящих из большого числа частиц. На основе классических законов движения отдельных частиц была создана теория поведения их совокупности - классическая статистика. Аналогично этому на основе квантовых  законов движения частиц была создана  квантовая статистика, описывающая  поведение макрообъектов в случаях  когда законы классической механики не применимы для описания движения составляющих их микрочастиц - в данном случае квантовые свойства проявляются  в свойствах макрообъектов. Важно  иметь в виду, что под системой в данном случае понимаются лишь взаимодействующие  друг с другом частицы. Квантовая  система при этом не может рассматриваться  как совокупность частиц, сохраняющих  свою индивидуальность. Иными словами, квантовая статистика требует отказа от представления различимости частиц - это получило название принципа тождественности. В атомной физике две частицы  одной природы считались тождественными. Однако эта тождественность не признавалась абсолютной. Так, две частицы одной  природы можно было различать  хотя бы мысленно.

    В квантовой статистике возможность  различить две частицы одинаковой природы полностью отсутствует. Квантовая статистика исходит из того, что два состояния системы, которые отличаются друг от друга  лишь перестановкой двух частиц одинаковой природы, тождественны и неразличимы. Таким образом, основное положение  квантовой статистики - принцип тождественности  одинаковых частиц, входящих в квантовую  систему. Этим квантовые системы  отличаются от классических систем. 
 

5. Квантовая теория конденсированных сред

    Физика  конденсированного состояния — большая ветвь физики, изучающая поведение сложных систем (то есть систем с большим числом степеней свободы) с сильной связью. Принципиальная особенность эволюции таких систем заключается в том, что её (эволюцию всей системы) не удается «разделить» на эволюцию отдельных частиц. «Разбираться» приходится со всей системой в целом. Как результат, часто вместо движения отдельных частиц приходится рассматривать коллективные колебания. При квантовом описании, эти коллективные степени свободы становятся квазичастицами.

    Физика  конденсированных сред — богатейшая область физики, как с точки  зрения математических моделей, так  и с точки зрения приложений к  реальности. Конденсированные среды  с самыми разнообразными свойствами встречаются повсюду: обычные жидкости, кристаллы и аморфные тела, материалы  со сложной внутренней структурой (к  которым относятся и мягкие конденсированные среды), квантовые жидкости (электронная  жидкость в металлах, нейтронная —  в нейтронных звездах, сверхтекучие среды, атомные ядра), магнитные моменты, сложные сети и т. д. Часто их свойства бывают столь сложны и многогранны, что приходится предварительно рассматривать  их упрощенные математические модели. В результате поиск и исследование точно решаемых математических моделей  конденсированных сред стал одним из наиболее активных направлений в  физике конденсированных сред.

    Квантовая теория позволила не только объяснить  атомные спектры, но и разгадать  многие загадки в поведении твёрдых  тел, прежде всего кристаллов. Казалось бы, кристалл, содержащий миллионы атомов, исследовать в миллионы раз труднее, чем отдельный атом. Но на самом  деле задача не так уж и сложна, если посмотреть на неё с другой точки  зрения. Структура кристалла весьма упорядочена — это кристаллическая  решётка. Внутри его по любой прямой линии через равные промежутки находятся  одни и те же атомы (или ионы, или молекулы). Кристалл обладает свойством периодичности по любому направлению. Потому-то при исследовании кристаллов помогает в первую очередь именно упорядоченность, а не свойства отдельных атомов (молекул). 

6. Квантовая теория твёрдого тела

    Физика  твердого тела - раздел физики конденсированного состояния, задачей которого является описание физических свойств твёрдых тел с точки зрения их атомарного строения. Интенсивно развивалась в XX веке после открытия квантовой механики. Развитие стимулировалась широким спектром важных задач прикладного характера, в частности, развитием полупроводниковой техники.

    Основой современной теории твердых тел является зонная теория.

    Зонная  теория твёрдого тела, раздел квантовой  механики, рассматривающий движение электронов в твёрдом теле. Свободные  электроны могут иметь любую  энергию — их энергетический спектр непрерывен. Электроны, принадлежащие  изолированным атомам, имеют определённые дискретные значения энергии. В твёрдом теле энергетический спектр электронов существенно иной, он состоит из отдельных разрешенных зон, разделённых зонами запрещенных энергий.

    В основе зонной теории лежит сведение многоэлектронной задачи к задаче одноэлектронной. Зонная теория – это теория одного электрона.

    Зонная  теория является основой современных  представлений о механизмах различных  физических явлений, происходящих в  твердом кристаллическом веществе при воздействии на него электромагнитного  поля.

    Зонная  теория первоначально была разработана  для кристаллических твердых  тел, однако в последние годы ее представления  стали распространяться и на аморфные вещества. 
 

7. Квантовая оптика

    Квантовой оптикой называют раздел оптики, занимающийся изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства света. К таким явлениям относятся: тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона, эффект Рамана, фотохимические процессы, вынужденное излучение (и, соответственно, физика лазеров) и др.

    Квантовая оптика является более общей теорией, чем классическая оптика. Основная проблема, затрагиваемая квантовой  оптикой — описание взаимодействия света с веществом с учётом квантовой природы объектов, а  также описания распространения  света в специфических условиях. Для того чтобы точно решить эти  задачи требуется описывать и  вещество (среду распространения, включая  вакуум) и свет исключительно с  квантовых позиций, однако часто  прибегают к упрощениям: одну из компонент системы (свет или вещество) описывают как классический объект. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    В XX начале века начала создаваться, а к концу первой трети столетия обрела достаточную стройность другая фундаментальная физическая теория XX в. — квантовая теория. Если теория относительности эффектно завершала предшествовавший этап развития физики, то квантовая теория, решительно порывая с классической физикой, открывала качественно новый этап в познании человеком материи. «Для квантовой теории характерен именно разрыв с классикой,— писал Вайскопф.— Это шаг в неизведанное, в мир явлений, которые не умещались в рамки идей физики XIX в. Надо было создать новые приемы мышления, чтобы понять мир атомов и молекул с его дискретными энергетическими состояниями и характерными  особенностями спектров  и химических   связей»

      Используя квантовую теорию, физики  совершили в XX в. в буквальном смысле слова прорыв в понимании вопросов, касающихся моля и вещества, строения и свойств кристаллов, молекул, атомов, атомных ядер, взаимопревращений элементарных частиц. Возникли новые разделы физики, такие, как физика твердого тела, физика плазмы, атомная и молекулярная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц. А в традиционных разделах, например оптике, появились совершенно новые главы: квантовая оптика, нелинейная оптика, голография и др. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

1. Матвеев А. Н. - Атомная физика: Учеб. пособие для студентов вузов. – М.: Высш. шк., 1989. – 439 с.: ил.
2. Трофимова Т. И. - Курс фзики: учеб. пособие для вузов – 11-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 560 с.
3. Иродов И. Е. - Квантовая физика. Основные законы: Учебное пособие для студентов вузов. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010 г. – 256 с.
4. Савельев И. В. – Основы теоретической физики; том 2:  Квантовая механика. -  М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1977 г. – 352 с.
5. Мессиа А. – Квантовая механика (перевод с французского) под ред. Л. Д. Фарадеева. – Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1978 г. – 479 с.
6. Астахов А. В., Широков Ю. М. – Курс физики. Том 3. Квантовая физика. – М.: Наука, 1983г. – 240 с.