![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Зарождение квантовых представлений в физикеСтр 1 из 3Следующая ⇒
Учебный год Лекция 8 Микромир и основные концепции неклассического естествознания Зарождение квантовых представлений в физике В конце XIX в. казалось, что физическая картина мира в основном создана. Успехи ньютоновской механики и максвелловской электродинамики были столь грандиозны, что решение остававшихся проблем считалось делом ближайшего будущего. Среди этих проблем был и на первый взгляд частный вопрос о спектрах излучения нагретых тел. Никто не предполагал, что именно это «небольшое облачко» на ясном небе классической физики, в конце концов, приведет к «буре» в умах людей, которая закончится формированием совершенно нового взгляда на материальный мир. В чем же заключалась проблема спектров теплового излучения? Экспериментальными наблюдениями было установлено, что все нагретые тела излучают электромагнитные волны, причем в спектре этого излучения имеется ярко выраженный максимум. На рис. 1 сплошной линией показано типичное распределение плотности энергии излучения в спектре нагретого тела. В то же время все попытки объяснить такую особенность излучения на основе классических представлений заканчивались неудачей. В частности, если считать, что энергия электромагнитных волн, излучаемых нагретым телом, определяется квадратом их амплитуды (как это имеет место и для маятника, и для колеблющейся пружинки), то в условиях термодинамического равновесия средняя энергия, приходящаяся на любое такое колебание, оказывается равной kT, где k — постоянная Больцмана, Т— абсолютная температура. Можно показать, что число устойчивых электромагнитных колебаний, излучаемых нагретым телом в малом частотном диапазоне около произвольной частоты ν пропорционально квадрату частоты ν 2. Значит, распределение энергии в спектре излучения нагретого тела должно описываться функцией, пропорциональной ν 2 kT(закон Рэлея-Джинса), которая неограниченно возрастает при ν стремящейся к ∞ (штриховая линия на рис. 1). Отсюда, в частности, следует, что энергия излучения любого тела при любой температуре (она определяется площадью под кривой), должна быть бесконечной (!). Этот абсурдный, противоречащий экспериментам факт назвали «ультрафиолетовой катастрофой», так как несоответствие теории и эксперимента проявляется в коротковолновой, «ультрафиолетовой» области спектра (рис.1).
Чтобы как-то объяснить реальное уменьшение вклада высокочастотных колебаний, М. Планк в 1900 г. выдвинул смелую гипотезу о том, что нагретое тело излучает электромагнитные волны «порциями» (квантами). Энергия Екаждой такой «порции» определяется не амплитудой волны, а ее частотой (ν): Е = h ν, (1.1) где h = 6, 62 х 10-34 Дж*с — постоянная, которую в дальнейшем назвали постоянной Планка. В этом случае средняя энергия излучения не остается постоянной, а уменьшается с ростом частоты. Проведенный Планком расчет спектра привел к удивительному согласию с экспериментом. Однако большой радости это не принесло даже самому Планку, так как в основе расчета лежало очень искусственное предположение. В 1931 г. он говорил, что гипотеза Е = h ν была «актом отчаяния». В то же время, по мнению А. Эйнштейна, «несовершенство расчета первоначально не было замечено, и это было необыкновенной удачей для развития физики», так как в противном случае от гипотезы Планка немедленно отказались бы. Именно А. Эйнштейн первым подхватил идею М. Планка, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются квантами, но и поглощаются квантами, что позволило ему объяснить (в 1905 г.) загадочные в то время особенности фотоэффекта. Когда же было экспериментально продемонстрировано, что и процесс распространения света имеет квантовый характер (опыты В.Боте, Г.Гейгера, А.Комптона), стало ясно, что электромагнитное поле имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. В одних экспериментах (дифракция, интерференция, поляризация и др.) оно ведет себя как электромагнитная волна, в других (излучение нагретых тел, фотоэффект и др.) — как поток «частиц» (квантов), которые назвали фотонами. Такое представление о природе материальных объектов получило название корпускулярно-волновой дуализм. Еще одна «революционная» гипотеза была выдвинута в 1924 г. Луи де Бройлем. «В оптике, — писал он, — в течение столетий слишком пренебрегали корпускулярным способом рассмотрения по сравнению с волновым. Не делалась ли в теории вещества обратная ошибка?» В соответствии с гипотезой де Бройля движение частицы, имеющей импульс ри энергию Е, связано с некоторым волновым процессом, длина которого λ = h/р, (1.2)
а частота: ν = Е/h, (1.3) где h— постоянная Планка. В 1927 г. эксперименты Дэвиссона и Джермера подтвердили «сумасшедшую» идею де Бройля в опытах по «дифракции» и «интерференции» электронов. Чтобы познакомиться с основными результатами этих важнейших в истории физики экспериментов, не вдаваясь в технические детали, рассмотрим прохождение параллельного пучка электронов через две достаточно узкие, близко расположенные друг к другу щели. Самих электронов мы, конечно, не видим. Сказать что-то об их движении мы можем, например, измеряя каким-либо детектором количество электронов, проходящих через различные точки пространства в плоскости, перпендикулярной первоначальному направлению движения электронов. Оказывается, что если оставить открытой только одну щель, то распределение плотности потока электронов имеет гладкую форму. Ширина этого распределения превышает размер щели, что свидетельствует об отклонении электронов от прямолинейной (классической) «траектории». Аналогичный результат получится, если открыть только вторую щель. Однако при открывании обеих щелей картина резко меняется: распределение плотности потока электронов становится «изрезанным», напоминая интерференционную картину, создаваемую двумя когерентными световыми пучками. Разница заключается в том, что в опыте с электронами поток последних был такой слабый, что детектор чувствовал дискретный характер попадания в него каждого отдельного электрона (при этом экспериментатор слышит отдельные щелчки, соответствующие попаданию электрона в детектор). Почему же тогда при одной открытой щели (любой) электроны регистрируются детектором везде, а при двух открытых щелях в некоторых положениях детектора «щелчков» от попадания электронов нет? Каким образом отдельный электрон, пролетающий через одну из открытых щелей, «знает», что вторая щель тоже открыта и ему «нельзя попадать на детектор»? Такая возможность у электрона появляется, если он представляет собой не маленький «шарик», а волну, которая проходит сразу через обе щели. Таким образом, эксперименты Дэвиссона и Джермера наглядно показали, что корпускулярно-волновой дуализм характерен не только для электромагнитного поля, но и для вещества. Используя эту концепцию, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, М. Борн и П. Йордан в 1925-1926 гг. разработали новый подход к описанию движения микрочастиц в атоме — квантовую механику, в основе которой лежат совершенно иные, чем в классической физике, способы описания состояний объектов и динамики их изменений.
|