Концептуальные основы квантовой механики.

 

Технологические возможности исследования окружающего нас мира, вплоть до XIX века, позволяли проводить, в основном, визуальное исследование окружающего мира. В основном, это были механические явления и различные оптические явления. При этом в середине XIX века окончательно сформировалась волновая концепция большинства оптических явлений, таких как: интерференция, дифракция и т.д. Однако, к концу XIX века технологические возможности проведения физических экспериментов привели к открытию новых явлений, таких как: излучение черного тела, фотоэффект, комптоновское рассеяние света. Эти, совершенно различные, физические явления объединила одна общая проблема: их невозможно было объяснить из волновой точки зрения на природу света.

Первый революционный шаг сделал М. Планк предложив делить свет на легкие дискретные части. Еще дальше пошел Эйнштейн, который предложил считать свет некоторым газом идеальных частиц, под названием фотоны, которые имеют энергию и импульс. Идея Эйнштейна оказалась плодотворной, с точки зрения корпускулярной теории на природу света удалось объяснить все три вышеназванных физических явлений.

Такой подход привел к рождению новой концепции природы света, который получил название – корпускулярно-волновой дуализм.

С другой стороны, технологические возможности исследования строения вещества явно указывали на его атомарную природу. В частности, эксперимент Резерфорда, по рассеянию α-частиц, привели к рождению, так называемой планетарной модели атома. Однако, основной вывод классической электродинамики неопровержимо ставил крест на планетарной модели атома Резерфорда. Вывод был сначала найден эмпирически и заключался он в модели атома, который предложил Н. Бор. При этом, следует отметить, что, в теории Бора так же, не гласно, была заложена идея, свет поглощается порциями (квантами/частицами). В тоже время теория Бора, не коем образом, не могла объяснить природу такого поведения электрона в атоме.

Глобальный пересмотр взглядов на поведение частиц в микромире произошел вследствие целого ряда экспериментов по рассеянию потока электронов на различных атомах. При этом результатом, который наблюдается на фотопластинке, ученые отказывались верить. Дело в том, что во всех, без исключения экспериментах, на фотопластинке наблюдается совершенно четкая дифракционная картинка, такая же, как и при дифракции света. Из этих экспериментов следовало, что электронам, как частицам, присущи еще и волновые свойства. Таким образом, концепция корпускулярно-волнового дуализма оказалась справедлива не только для света, но и для частиц вещества. Именно этот шаг и привел к рождению квантовой механики.

Дальнейшие исследования поведения микрочастицы, в частности электрона, показали, что проявление, так называемых волновых свойств, связанно с невозможностью, в условиях микромира, абсолютно точно позиционировать микрочастицы. Можно лишь говорить о некоторой вероятности обнаружения, в конкретный момент времени, частицы в той или иной области пространства. В этом смысле, так называемые дифракционные кольца при рассеянии электронов объясняется следующим образом: более светлая область – наиболее вероятна; более темная – наименее вероятна.

Таким образом, квантовая механика, как раздел теоретической физики, занимается изучением движения микрочастиц на расстояниях сравнимых с размерами атома ().

 

Излучение АЧТ и проблема УФ катастрофы. Закон Планка и закон Стефана-Больцмана. Понятие АЧТ, спектральной плотности излучения, интегральной плотности излучения. Формула Планка.

Е-энергия излучения; W-интегральная плотность энергии; ; ρ=ρ(; W=W(T).

Релей и Джинс, исходя из модели газов классических осцилляторов, предложили следующую формулу для спектральной плотности излучения АЧТ.

ρ

ω

– закон Релея-Джинса. ; - УФ катастрофа.

Проанализировав классический подход М. Планк предположил, что осцилляторы в АЧТ могут излучать энергию не произвольным образом, не непрерывным образом, а определенными порциями, то есть квантами. При этом Планк предположил, что минимальная энергия такого кванта рассчитывается по следующей формуле: – формула Планка.

Исходя из этой модели (модель квантового осциллятора) Планк получил свой, известный, закон Планка: .

ρ

ω

- закон Стефана-Больцмана.

Закон Планка полностью согласуется с экспериментальными данными, что свидетельствует о справедливости модели квантового осциллятора в вопросе изучения АЧТ.