Основные квантово-механические принципы

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ ИНСТИТУТ ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ Курсовая работа По дисциплине: Концепции современного естествознания Кафедра: Естествознания Тема: Основные квантово-механические принципы Руководитель профессор Карпенков С.Х. Оценка Выполнил: Рудковский Ф.А. Группа: ФМ 3,5- 04/1 Москва, 2004

Содержание стр. Введение 1. Место квантовой механики среди других наук. 2. История развития квантовой механики. 1. Открытие явления фотоэффекта. 2. Опыт Резерфорда Ядерная модель атома. 3. Квантовые постулаты Бора. 4. Волновые свойства микрочастиц. Гипотеза де Бройля. 5. Дальнейшее развитие квантовой механики.

6.Матричная механика. Работы Гейзенберга. 3. Основные квантово-механические принципы. 1. Волны и вероятности. 2. Принцип дополнительности. 3. Основные положения современной квантовой механики. 4. Принцип неопределённости Гейзенберга. 5. Уравнение Шредингера. 4. Прикладной характер квантовой механики.

1. Строение Лазера. 2. Применение лазерных технологий. 5. Будущее квантовой механики. 23 Заключение. 27 Список литературы 29 Аннотация: В данной работе рассматривается одна из наиболее сложных для понимания (как простого человека так и профессионального учёного) наук – квантовая механика. Приведена история формирования представлений о квантовых свойствах микрочастиц, обозначены основные

принципы современной квантовой механики, приведён пример одного из многочисленных способов применения квантовых законов – лазеры. В заключении предполагаются возможные варианты развития квантовых технологий и их применения. Ведение. Квантовая механика, волновая механика – теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов), а также связь величин, характеризующих частицы и системы с физическими величинами, непосредственно

измеряемыми в макроскопических опытах. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение ядер атомных, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений.

Квантовая механика позволила, например, объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоёмкости газов и твёрдых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников). Только на основе квантовой механики удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звёзды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в

Солнце и звёздах. Существуют также явления (например, Джозефсона эффект), в которых законы квантовой механики непосредственно Ряд крупнейших технических достижений 20 в. основан по существу на специфических законах квантовой механики. Квантово-механические законы лежат в основе работы лазеров, ядерных реакторов, обусловливают возможность осуществления в земных условиях термоядерных реакций, проявляются в ряде явлений в металлах и полупроводниках,

используемых в новейшей технике, и т.д. Фундамент такой бурно развивающейся области физики, как квантовая электроника, составляет квантово-механическая теория излучения, о которой речь пойдёт ниже. 1. Место квантовой механики среди других наук. В начале 20 в. выяснилось, что классическая механика И. Ньютона имеет ограниченную область применимости и нуждается в обобщении. Во-первых, она не применима при больших скоростях движения тел - скоростях, сравнимых со скоростью

света. Здесь её заменила и обобщила релятивистская механика, построенная на основе специальной теории относительности А. Эйнштейна. Для классической механики в целом характерно описание частиц путём задания их положения в пространстве (координат) и скоростей и зависимости этих величин от времени. Такому описанию соответствует движение частиц по вполне определенным траекториям. Однако опыт показал, что это описание не всегда справедливо, особенно для частиц с очень малой массой

(микрочастиц). В этом состоит второе ограничение применимости механики Ньютона. Более общее описание движения дает квантовая механика, которая включает в себя как частный случай классическую механику. Квантовая механика, как и классическая, делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности. 2. История развития квантовой механики. 1. Открытие явления фотоэффекта.

В 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (Д. Томсон, 1897 г.), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта. Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта: Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота νmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света. Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin. Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Согласно волновым представлениям электрон при взаимодействии с электромагнитной световой

волной должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон накопил достаточно энергии для того, чтобы вылететь из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Однако, опыт показывает, что фотоэлектроны появляются немедленно после начала освещения катода. В этой модели невозможно было также понять существование красной границы фотоэффекта.

Волновая теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока, пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света. Таким образом, электромагнитная теория света оказалась неспособной объяснить эти закономерности. Выход был найден А. Эйнштейном в 1905 г. Теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными

порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = hν, где h – постоянная Планка (1,05*10-27 эрг*с), а ν – частота световой волны. Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что и свет имеет прерывистую дискретную структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами.

При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hν одному электрону. 2.2. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома. Первая попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных данных принадлежит Дж. Томсону (1903 г.). Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом примерно равным 10–10 м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно

заряженные электроны находятся внутри него (рис. 2). Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом. Через несколько лет в опытах великого английского физика

Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна. Рисунок 2. Модель атома Дж. Томсона. Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов.

Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. Результат эксперимента был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Он находился в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. Результаты эксперимента привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный

заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома.

Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, вращаются под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны (рис. 3). Рисунок 3. Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов. Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, несомненно явилась крупным шагом в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц.

Однако она оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро (рис. 4.) То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы

в атоме не подчиняются классическим законам. Рисунок 4. Неустойчивость классического атома. 2.3. Квантовые постулаты Бора. Следующий шаг в развитии представлений об устройстве атома сделал в 1913 году выдающийся датский физик Н. Бор. Проанализировав всю совокупность опытных фактов, Бор пришел к выводу, что при описании поведения атомных систем следует отказаться от многих представлений

классической физики. Он сформулировал постулаты, которым должна удовлетворять новая теория о строении атомов. Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний) гласит: атомная система может находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает. Этот постулат находится в явном противоречии с классической механикой, согласно которой энергия движущегося

электрона может быть любой. Он находится в противоречии и с электродинамикой, так как допускает возможность ускоренного движения электронов без излучения электромагнитных волн. Согласно первому постулату Бора, атом характеризуется системой энергетических уровней, каждый из которых соответствует определенному стационарному состоянию Второй постулат Бора (правило частот) формулируется следующим образом: при переходе атома из одного

стационарного состояния с энергией En в другое стационарное состояние с энергией Em излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний (рис. 5): hvnm = |En – Em| Рисунок 5. Энергетические уровни атома и условное изображение процессов поглощения и испускания фотонов. Второй постулат Бора также противоречит электродинамике Максвелла, так как частота излучения определяется только изменением энергии атома и никак не зависит

от характера движения электрона. Используя квантовую постоянную h, отражающую дуализм света, Н. Бор показал, что эта величина определяет также и движение электронов в атоме (и что законы этого движения существенно отличаются от законов классической механики). Этот факт позднее был объяснён на основе универсальности корпускулярно-волнового дуализма, содержащегося в гипотезе де Бройля. Третий постулат Бора гласит: в стационарном состоянии электрон может двигаться

только по такой ("разрешенной") орбите, радиус которой удовлетворяет условию: mur = nh, где ти - импульс с электрона, n - номер стационарного состояния (n = 1, 2, 3 ). Теория Бора не отвергла полностью законы классической физики при описании поведения атомных систем. В ней сохранились представления об орбитальном движении электронов в кулоновском поле ядра. Классическая ядерная модель атома Резерфорда была дополнена в теории

Бора идеей о квантовании электронных орбит. Поэтому теорию Бора иногда называют полуклассической. 2.4. Волновые свойства микрочастиц. Гипотеза де Бройля. В 1923 году произошло примечательное событие, которое в значительной степени ускорило развитие квантовой физики. Французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма.

Де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами. Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связаны, с одной стороны, корпускулярные характеристики – энергия E и импульс p, а с другой стороны, волновые характеристики – частота ν и длина волны λ. Корпускулярные и волновые характеристики микрообъектов связаны такими же количественными соотношениями,

как и у фотона: E = hv, p = m = h/ Гипотеза де Бройля основывалась на соображениях симметрии свойств материи и не имела в то время опытного подтверждения. Но она явилась мощным революционным толчком к развитию новых представлений о природе материальных объектов. 2.5. Дальнейшее развитие квантовой механики. Успех теории Бора, как и предыдущие успехи квантовой теории, был достигнут за счёт нарушения логической

цельности теории: с одной стороны, использовалась Ньютонова механика, с другой - привлекались чуждые ей искусственные правила квантования, к тому же противоречащие классической электродинамике. Кроме того, теория Бора оказалась не в состоянии объяснить движение электронов в сложных атомах (даже в атоме гелия), возникновение молекулярной связи и т.д. "Полуклассическая" теория Бора не могла также ответить на вопрос, как движется электрон при переходе

с одного уровня энергии на другой. Дальнейшая напряжённая разработка вопросов теории атома привела к убеждению, что, сохраняя классическую картину движения электрона по орбите, логически стройную теорию построить невозможно. Осознание того факта, что движение электронов в атоме не описывается в терминах (понятиях) классической механики (как движение по определённой траектории), привело к мысли, что вопрос о движении электрона между уровнями несовместим с характером законов, определяющих поведение электронов

в атоме, и что необходима новая теория, в которую входили бы только величины, относящиеся к начальному и конечному стационарным состояниям атома. 2.6. Матричная механика. Работы Гейзенберга. В 1925 В. Гейзенбергу удалось построить такую формальную схему, в которой вместо координат и скоростей электрона фигурировали некие абстрактные алгебраические величины - матрицы; связь матриц с наблюдаемыми величинами (энергетическими уровнями и интенсивностями квантовых переходов) давалась

простыми непротиворечивыми правилами. Работа Гейзенберга была развита М. Борном и П. Иорданом. Так возникла матричная механика. Вскоре после появления уравнения Шрёдингера была показана математическая эквивалентность волновой (основанной на уравнении Шрёдингера) и матричной механики. В 1926 М. Борн дал вероятностную интерпретацию волн де Бройля (см. ниже).

Большую роль в создании квантовой механики сыграли работы Дирака, относящиеся к этому же времени. Окончательное формирование квантовой механики как последователь