Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Физика arrow Концепции современного естествознания

ТЕМА 7 КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА- АППАРАТ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОМИРА

Основные вопросы: 1. Квантовая гипотеза Планка. Постулаты Бора. Квантовые взаимодействия в микромире. 2. Корпускулярно-волновой дуализм. Формула де Бройля. Ч'-волны Шредингера. 3. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Принцип дополнительности Бора. 4. Квантовая механика и неклассическое естествознание.

1. КВАНТОВАЯ ГИПОТЕЗА ПЛАНКА. ПОСТУЛАТЫ БОРА. КВАНТОВЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В МИКРОМИРЕ

Создание квантовой теории стало революционным событием в физике XX в., перевернувшим сложившиеся к тому времени представления о веществе и энергии. Основатель этой теории — выдающийся немецкий физик Макс Планк (1858-1947).

Планк был уже зрелым ученым, когда его привлекла проблема излучения нагретыми телами электромагнитных волн. Работы Планка по теории излучения появились в 1900 г. и были вызваны тем, что в теории электромагнетизма наблюдались некоторые несоответствия с опытными данными (в частности, из теории следовало, что любой источник электромагнитного излучения, например человеческое тело, должен ярко светиться в темноте). Планк заметил, что эти несоответствия исчезают, если предположить, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями, которые впоследствии были названы квантами. Это предположение находилось в противоречии с одним из основных принципов классической физики, согласно которому все физические величины должны изменяться непрерывным образом. Все физики верили в справедливость этого принципа, восходящего к тезису Аристотеля: «Природа не делает скачков». Догадка Планка вначале была лишь гипотезой (в правильность которой не мог полностью поверить даже ее автор). Но в 1905 г. на основе этой гипотезы Эйнштейну удалось объяснить явление фотоэффекта (взаимодействие света и атомов, образующих поверхность металла). Эйнштейн предположил, что свет не только излучается, но и поглощается квантами (квант электромагнитного поля впоследствии получил название фотон). В результате этих идей физики пришли к новому пониманию природы света: его стали трактовать как поток фотонов — отдельных порций световой энергии. Из квантовых представлений о свете следует наличие у фотона не только фиксированной энергии, но и импульса, а значит, и способности оказывать давление. Экспериментально этот факт был доказан в опытах русского физика П. Н. Лебедева. С развитием представлений о фотонах в физике утвердились идеи дискретности взаимодействий в микромире и квантования физических характеристик микрообъектов.

Основную роль в квантовой теории играет положение о том, что энергия квантов зависит от частоты излучения и находится по формуле Планка

где п = 0, 1, 2,... — число испущенных квантов, V — частота излучения, к — постоянная, названная впоследствии постоянной Планка (к а 6,63-10~34 Дж с).

Излучение кажется нам непрерывным, а не дискретным потому, что число образующих его квантов очень велико (например, 100-ваттная лампочка испускает за 1 с около Ю20 квантов света — фотонов).

Квантовая теория позволила ответить на ряд вопросов, относящихся к строению атома и необъяснимых в рамках классической механики и электродинамики. Например, почему электроны, обращающиеся вокруг ядра, не испускают электромагнитных волн (как это должно следовать из электродинамики Максвелла) и не падают на ядро? Датский физик Нильс Бор, приняв за основу планетарную модель атома, сформулировал некоторые дополнительные правила, характеризующие те особенности движения электронов, которые не укладываются в рамки классической физики.

Постулаты Бора состоят в следующем.

  • 1. Атом может находиться только в дискретных устойчивых состояниях, характеризуемых определенными дискретными значениями энергии. В устойчивых состояниях атома электроны движутся вокруг ядра по определенным («дозволенным») орбитам, причем радиусы этих орбит соответствуют возможным значениям энергии атома.
  • 2. При движении по «дозволенным» орбитам электроны — вопреки классической электродинамике — не излучают электромагнитных волн. Излучение может происходить только при переходе электрона с одной «дозволенной» орбиты на другую.
  • 3. Испускание и поглощение энергии атомом происходит «скачками», каждый «скачок» представляет собой порцию энергии (квант), кратную Ау.
  • 4. При поглощении энергии атомом электрон переходит с

внутренней орбиты на внешнюю, более далекую от ядра. При обратном переходе атом излучает порцию энергии. Энергия излучения равна разности энергий электрона в начальном и конечном состоянии движения: и> = - и>2, и находится по формуле (г = Ау, где у— частота излучения. Перескок электрона на другую орбиту представляет собой так называемый квантовый скачок: электрон переходит с одной орбиты на другую, не появляясь между ними.

Из постулатов Бора следует, что частота излученного света вовсе не равна частоте вращения электрона по орбите (как того требует классическая электродинамика).

Излучение происходит только при перескоке электрона на более близкую к ядру «дозволенную» орбиту, причем частота излучения, как следует из приведенной формулы, пропорциональна разности энергий электрона на этих орбитах. Этим объясняется, почему каждый атом обладает способностью испускать и поглощать электромагнитные волны только определенных частот (энергия атома может меняться только на определенные дискретные величины).

Дискретность возможных значений энергии атомов не согласуется ни с классической механикой Ньютона, ни с классической электродинамикой Максвелла. Ввиду дискретности значений энергии атом представляет собой систему, обладающую сверхустойчивостью, которая не присуща макроскопическим телам.

С появлением квантовой механики сам механизм взаимодействия тел предстал в ином свете. Раньше считалось, что один заряд создает поле, которое действует на другой заряд. Но как это происходит? Квантовая картина рисует это взаимодействие следующим образом. Один заряд испускает кванты, которые поглощаются другим зарядом. Если во времена Фарадея и Максвелла это взаимодействие уподоблялось натяжению нити, то теперь оно представляется как «обмен порциями вещества и энергии». При этом процесс испускания кванта нельзя уподобить «переносу шарика» от одного заряда к другому: например, фотон не «прячется» в атоме, а «рождается» в самом акте излучения. Каждый акт «испускания- поглощения» квантов переводит взаимодействующие в нем частицы в новое энергетическое состояние.

В 1927 г. английские ученые В. Гейтлер и Ф. Лондон построили квантовую теорию химической связи, которая позволила объяснить фундаментальное химическое свойство — свойство валентности. В этой теории основную роль играет единственная характеристика электрона — его момент импульса (спин). Оказалось, что химические связи образуют пары электронов, имеющих антипараллельные спины.

Квантовая механика дала объяснение химическим свойствам элементов: они определяются строением внешней электронной оболочки атомов и характером их заполнения валентными электронами. С увеличением заряда атомов происходит периодическое изменение химических свойств элементов, причем однотипность строения внешней электронной оболочки обусловливает схожесть химических свойств определенных групп элементов. Тем самым квантовая механика подвела научный фундамент под периодический закон Менделеева: периодичность свойств элементов обусловлена периодическим повторением конфигурации внешних электронных оболочек атомов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы