Становление квантовой механики

1. В физике конца XIX в. оставался ряд нерешенных проблем, связанных с объяснением спектрального распределения теплового излучения черного тела, удельной теплоемкости твердых веществ при низкой температуре и некоторых других. Казалось, для их решения достаточно небольших усилий и почти завершенное здание классической физики будет построено. Эта иллюзия рассеялась в 1900 г., когда Макс Планк объяснил спектр излучения черного тела на основе постулата о дис- кретностном характере (о квантах) испускания и поглощения электромагнитного излучения. Энергия квантов была записана через частоту V = в виде

где Н = 1г/2п = 1,05459 • 10_27эрг • с постоянная Планка, размерности классического действия.

2. Следующий шаг по расшатыванию здания классической физики был сделан А. Эйнштейном в 1905 г. На основе квантовых представлений он объяснил явление фотоэффекта выбивания электронов из вещества под действием света. Было показано, что энергия Ее фотоэлектронов определяется формулой

где IV работа по преодолению сил, удерживающих электрон в веществе. Именно за эту работу (а не за теорию относительности) А. Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

3. Затем следует назвать работу А. Эйнштейна 1907 г. по объяснению удельной теплоемкости. Как пишет Планк, «первый шаг в этой области был сделан А. Эйнштейном, который, с одной стороны, указал на то, что для ряда замечательных наблюдений над действиями света, такими как явление Стокса, испускание электронов, ионизация газов, по-видимому, можно получить простое объяснение, если ввести обусловливаемые квантом действия кванты энергии. С другой стороны, отождествляя выражения энергии системы резонаторов с энергией твердого тела, он получил формулу для теплоемкости твердого тела, дающую в общем правильное представление об изменениях теплоемкости, особенно об ее уменьшении при падении температуры» [133, с. 146].

4. Далее нужно назвать эксперименты 1911 г. Э. Резерфорда, позволившие создать модель атома в виде ядра, окруженного электронной оболочкой, и последовавшие за этим работы Н. Бора 1913 г., применившего к модели Резерфорда идею Планка о квантовании. Всем известны квантовые постулаты Бора. Согласно первому постулату, атомная система находится в особых стационарных состояниях, характеризуемых дискретными значениями энергии. Согласно второму постулату, атом при переходе из одного состояния в другое излучает или поглощает квант энергии, равный разности энергий соответствующих состояний Еа:

Н. Бор предложил простое правило для определения круговых орбит электронов, соответствующих стационарным состояниям атома. Согласно этому правилу, момент импульса электронов должен равняться целому числу, умноженному на Н. Затем были работы А. Зоммерфельда, обобщившие правила квантования Бора для круговых орбит на случай эллиптических орбит. Все это позволило объяснить экспериментально найденные спектры излучения атомов.

Обратим внимание на то, что в постулатах Бора говорится о парах состояний атомов -до и после излучения (поглощения),- но ничего не сказано о самом процессе перехода между состояниями. Этот факт доставлял значительные затруднения в восприятии постулатов, однако в нем воплотилось важное свойство квантовой механики, отказавшейся от рассмотрения подобных классических понятий.

5. Теория квантов получила подкрепление в эффекте рассеяния фотона на электроне, обнаруженном А. X. Комптоном в 1923 г. Было показано, что при рассеянии света достаточно малой длины волны, т. е. сравнимой (или меньшей) с так называемой комптоновской длиной волны электрона

свет и электрон ведут себя как в акте соударения двух шариков в классической механике, когда выполняются известные законы сохранения энергии и импульса.

6. На основе накопленного экспериментального материала в 1923 г. Луи де Бройль выдвинул идею о двойственной природе частиц (всей материи), согласно которой любая частица с импульсом р обладает длиной волны А, определяемой соотношением

Вскоре после этого, в 1927 г., К. Д. Дэвиссон и Л. X. Джермер и независимо от них, но на год позже Д. П. Томсон наблюдали дифракцию электронов на кристаллах.

7. Можно сказать, что в 1925 1926 гг. была в основных чертах создана квантовая механика и практически одновременно были предложены две ее формулировки: одна Э. Шредингером в виде дифференциального волнового уравнения, а другая В. Гейзенбергом в матричном виде.

Конец 20-х гг. XX в. называют «героическим временем» квантовой механики. Это был период бурного ее развития как в математическом плане, так и в разработке ее интерпретации.

  • 8. Отдельно следует выделить открытие релятивистского волнового уравнения (Клейна- Фока), сделанное в 1926 г. независимо друг от друга О. Клейном, В. А. Фоком и В. Гордоном. Это открытие было сделано довольно необычным образом: на основе 5-мерного обобщения классического пространства-времени.
  • 9. Наконец, отметим, что в работе 1928 г. П. Дирак опубликовал свое знаменитое уравнение, которое описывает реальные частицы, обладающие полуцелым спином.

В специальных исследованиях описывается история и других важных открытий в области квантовой механики: спина элементарных частиц, статистики Ферми и многих других.

10. Обобщая изложенные выше результаты, можно утверждать, что для создания квантовой механики потребовалось три фундаментальные идеи:

A. Идея М. Планка о квантованное™ физических величин, точнее о том, что элементарные физические процессы (излучения и поглощения) характеризуются дискретными значениями действия, кратными планковской постоянной /г.

Б. Идея Л. де Бройля о двойственной природе частиц волновой и корпускулярной, аналогичной двойственной природе полей переносчиков взаимодействий. Это обусловило вероятностный характер квантовой механики.

B. Третья идея состояла в своеобразном «извлечении квадратного корня» из ряда классических величин. В перелятивистской квантовой механике достаточно говорить об «извлечении квадратного корня» из классической плотности вероятности и введении амплитуды вероятности пребывания частиц в соответствующих точках классического пространства-времени (в координатном представлении).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >