Та үүнийг олон удаа сонссон байх квант физик, квант механикийн тайлагдашгүй нууцуудын тухай. Түүний хуулиуд нь ид шидийн үзлийг биширдэг бөгөөд физикчид өөрсдөө ч бүрэн ойлгодоггүй гэдгээ хүлээн зөвшөөрдөг. Нэг талаараа эдгээр хуулиудыг ойлгох нь сонирхолтой боловч нөгөө талаас физикийн олон боть, нарийн төвөгтэй номуудыг унших цаг байдаггүй. Би чамайг маш их ойлгож байна, учир нь би бас мэдлэг, үнэнийг эрэлхийлэх дуртай, гэхдээ бүх номонд хангалттай цаг байдаггүй. Та ганцаараа биш, олон сониуч хүмүүс хайлтын талбарт: "даммигийн квант физик, даммигийн квант механик, эхлэгчдэд квант физик, эхлэгчдэд квант механик, квант физикийн үндэс, квант механикийн үндэс, хүүхдэд зориулсан квант физик," гэж бичдэг. квант механик гэж юу вэ.".

Энэхүү нийтлэл нь танд зориулагдсан болно

• Та квант физикийн үндсэн ойлголт, парадоксуудыг ойлгох болно. Нийтлэлээс та дараахь зүйлийг сурах болно.
• Квантын физик ба квант механик гэж юу вэ?
• Интерференц гэж юу вэ?
• Квантын орооцолдол (эсвэл даммигийн квант телепорт) гэж юу вэ? (нийтлэлийг үзнэ үү)

Шредингерийн муурны сэтгэхүйн туршилт гэж юу вэ? (нийтлэлийг үзнэ үү)

Квант механик бол квант физикийн нэг хэсэг юм.

Эдгээр шинжлэх ухааныг ойлгоход яагаад ийм хэцүү байдаг вэ? Хариулт нь энгийн: квант физик ба квант механик (квант физикийн нэг хэсэг) бичил ертөнцийн хуулийг судалдаг. Мөн эдгээр хуулиуд нь манай макро ертөнцийн хуулиас тэс өөр юм. Тиймээс бичил ертөнц дэх электрон, фотонуудад юу тохиолдохыг төсөөлөхөд хэцүү байдаг.Макро болон бичил ертөнцийн хуулиудын ялгааг харуулсан жишээ

: манай макро ертөнцөд бөмбөгийг 2 хайрцагны аль нэгэнд хийвэл нэг нь хоосон, нөгөө нь бөмбөгтэй болно. Гэвч бичил ертөнцөд (бөмбөгний оронд атом байгаа бол) атом нь нэгэн зэрэг хоёр хайрцагт байж болно. Энэ нь олон удаа туршилтаар батлагдсан. Үүнийг толгойгоо эргүүлэхэд хэцүү биш гэж үү? Гэхдээ та баримттай маргаж болохгүй.Өөр нэг жишээ. Та хурдан уралдаж буй улаан спорт машины гэрэл зургийг авч, зураг авах үед машин сансар огторгуйн хэд хэдэн цэгт байрлаж байсан мэт бүдгэрсэн хэвтээ зураасыг харсан. Зурган дээр юу харж байгаа ч гэсэн та машин байсан гэдэгт итгэлтэй байна. Бичил ертөнцөд бүх зүйл өөр байдаг. Атомын цөмийг тойрон эргэдэг электрон үнэндээ эргэдэггүй, харин бөмбөрцгийн бүх цэгүүдэд нэгэн зэрэг байрланаатомын цөмийн эргэн тойронд. Сэвсгэр ноосны сул шархтай бөмбөг шиг. Физикийн энэ ойлголтыг нэрлэдэг "цахим үүл" .

Түүхэнд хийсэн богино аялал.Эрдэмтэд анх 1900 онд Германы физикч Макс Планк халах үед метал яагаад өнгө өөрчлөгддөгийг олж тогтоох гэж оролдох үед квант ертөнцийн тухай бодож байжээ. Тэр бол квант гэдэг ойлголтыг нэвтрүүлсэн хүн юм. Тэр болтол эрдэмтэд гэрэл тасралтгүй тархдаг гэж боддог байсан. Планкийн нээлтийг нухацтай авч үзсэн анхны хүн бол тухайн үед үл мэдэгдэх Альберт Эйнштейн байв. Тэр гэрэл бол зүгээр нэг долгион биш гэдгийг ойлгосон. Заримдаа тэр бөөмс шиг аашилдаг. Эйнштейн гэрэл хэсэгчлэн, квантаар ялгардаг гэдгийг нээснийхээ төлөө Нобелийн шагнал хүртжээ. Гэрлийн квантыг фотон гэж нэрлэдэг ( фотон, Википедиа) .

Квантын хуулиудыг ойлгоход хялбар болгохын тулд физикчидТэгээд механик (Википедиа), бид нэг ёсондоо бидэнд танил болсон сонгодог физикийн хуулиас хийсвэрлэх ёстой. Мөн та Алис шиг туулайн нүхэнд, гайхамшгийн оронд шумбсан гэж төсөөлөөд үз дээ.

Мөн энд хүүхэд, насанд хүрэгчдэд зориулсан хүүхэлдэйн кино байна. 2 ангархай, ажиглагч бүхий квант механикийн үндсэн туршилтыг тайлбарлав. Зөвхөн 5 минут үргэлжилнэ. Бид квант физикийн үндсэн асуултууд болон ойлголтуудад шумбахаас өмнө үүнийг үзээрэй.

Даммигийн квант физикийн видео. Хүүхэлдэйн кинонд ажиглагчийн "нүд"-д анхаарлаа хандуулаарай. Энэ нь физикчдийн хувьд ноцтой нууц болсон.

Квантын физик ба квант механик гэж юу вэ?

Хүүхэлдэйн киноны эхэнд шингэний жишээн дээр долгион хэрхэн ажилладагийг харуулсан - ангархайтай хавтангийн ард дэлгэцэн дээр ээлжлэн харанхуй, цайвар босоо судлууд гарч ирдэг. Мөн салангид хэсгүүд (жишээлбэл, хайрга) хавтан дээр "буудсан" тохиолдолд тэдгээр нь 2 ангархай дундуур нисч, ангархайн эсрэг талын дэлгэцэн дээр бууна. Мөн тэд дэлгэцэн дээр зөвхөн 2 босоо судал "зурдаг".

Гэрлийн хөндлөнгийн оролцоо- Дэлгэц дээр олон ээлжлэн тод, бараан босоо судлууд харагдах үед энэ нь гэрлийн "долгион" үйлдэл юм. Мөн эдгээр босоо судлууд хөндлөнгийн загвар гэж нэрлэдэг.

Манай макро сансарт гэрэл долгион шиг ажилладагийг бид байнга ажигладаг. Хэрэв та гараа лааны өмнө байрлуулбал ханан дээр таны гараас тод сүүдэр харагдахгүй, харин бүдгэрсэн контуртай болно.

Тиймээс, бүх зүйл тийм ч төвөгтэй биш юм! Гэрэл нь долгионы шинж чанартай байдаг нь одоо бидэнд тодорхой болсон бөгөөд хэрэв 2 ан цавыг гэрлээр гэрэлтүүлбэл тэдгээрийн арын дэлгэц дээр бид интерференцийн хэв маягийг харах болно.

Одоо 2 дахь туршилтыг харцгаая. Энэ бол алдарт Стерн-Герлахын туршилт (өнгөрсөн зууны 20-иод онд хийгдсэн).

Хүүхэлдэйн кинонд дүрсэлсэн суурилуулалтыг гэрлээр гэрэлтүүлээгүй, харин электроноор (бие даасан бөөмс хэлбэрээр) "буудсан". Дараа нь өнгөрсөн зууны эхээр дэлхийн физикчид электронууд нь материйн энгийн бөөмс бөгөөд долгионы шинж чанартай байх ёсгүй, харин хайргатай адил байх ёстой гэж үздэг. Эцсийн эцэст электронууд бол бодисын энгийн бөөмс юм, тийм үү? Өөрөөр хэлбэл, хэрэв та тэдгээрийг хайрга шиг 2 ангархай болгон "шидвэл" нүхний ард дэлгэцэн дээр 2 босоо судал харагдах болно.

Гэхдээ... Үр дүн нь гайхалтай байлаа. Эрдэмтэд хөндлөнгийн хэв маягийг харсан - олон босоо судлууд. Өөрөөр хэлбэл электронууд нь гэрлийн нэгэн адил долгионы шинж чанартай байж, хөндлөнгөөс оролцож болно. Нөгөөтэйгүүр, гэрэл нь зөвхөн долгион биш, бас бага зэрэг бөөмс болох фотон гэдэг нь тодорхой болсон (өгүүллийн эхэнд байсан түүхэн сурвалжаас бид Эйнштейн энэхүү нээлтийнхээ төлөө Нобелийн шагнал хүртэж байсныг мэдсэн) . Сургуульд байхдаа бидэнд физикийн хичээл заадаг байсныг та санаж байгаа байх"долгионы бөөмийн хоёрдмол байдал" ? Энэ нь бид бичил ертөнцийн маш жижиг хэсгүүдийн (атом, электрон) тухай ярих юм бол

Тэд хоёулаа долгион ба бөөмс юм

Өнөөдөр та бид хоёр маш ухаалаг бөгөөд дээр дурдсан хоёр туршилт болох электроноор буудах, ангархайг гэрлээр гэрэлтүүлэх нь ижил зүйл гэдгийг бид ойлгож байна. Учир нь бид квант бөөмсийг ангархай руу харвадаг. Гэрэл ба электрон хоёулаа квант шинж чанартай, нэгэн зэрэг долгион ба бөөмс гэдгийг бид одоо мэдэж байна. Мөн 20-р зууны эхэн үед энэ туршилтын үр дүн шуугиан тарьсан.

Анхаар! Одоо илүү нарийн асуудал руу шилжье.

Бид ангархайнууд дээрээ фотонуудын (электрон) урсгалыг гэрэлтүүлж, дэлгэцэн дээрх ангархайн ард хөндлөнгийн хэв маягийг (босоо судлууд) хардаг. Энэ бол ойлгомжтой. Гэхдээ бид электрон бүр үүрээр хэрхэн нисч байгааг харах сонирхолтой байна.

Бид электронуудыг цацрагт биш, харин нэг нэгээр нь хаях болно. Шидчихье, хүлээе, дараагийнхыг нь шидье. Одоо электрон ганцаараа нисч байгаа тул дэлгэцэн дээрх бусад электронуудтай харьцах боломжгүй болно. Шидсэний дараа бид электрон бүрийг дэлгэцэн дээр бүртгэх болно. Ганц хоёр нь мэдээж бидний хувьд тодорхой дүр зургийг "зурахгүй". Гэхдээ бид тэдгээрийн олныг нэг нэгээр нь нүх рүү илгээх үед бид анзаарах болно ... ай аймшиг - тэд дахин хөндлөнгийн долгионы хэв маягийг "зурсан"!

Бид аажмаар галзуурч эхэлж байна. Эцсийн эцэст бид үүрний эсрэг талд 2 босоо судлууд байх болно гэж найдаж байсан! Бид фотонуудыг нэг нэгээр нь шидэх үед тус бүр нь яг л 2 ангархайгаар нэгэн зэрэг өнгөрч, өөрсөддөө саад учруулдаг байсан.

Гайхалтай! Дараагийн хэсэгт энэ үзэгдлийг тайлбарлахдаа буцаж орцгооё.

Спин ба суперпозиция гэж юу вэ?

Одоо бид хөндлөнгийн оролцоо гэж юу болохыг мэддэг болсон. Энэ бол микро бөөмс - фотон, электрон, бусад бичил хэсгүүдийн долгионы зан төлөв юм (хялбар болгохын тулд тэдгээрийг одооноос фотон гэж нэрлэе).

Туршилтын үр дүнд бид 1 фотоныг 2 ангархай руу шидэх үед энэ нь хоёр ангархайгаар зэрэг нисч байх шиг байгааг ойлгосон. Үгүй бол бид дэлгэцэн дээрх интерференцийн загварыг хэрхэн тайлбарлах вэ?

• Гэхдээ фотон хоёр ангархай дундуур нэгэн зэрэг нисч байгааг бид хэрхэн төсөөлж чадах вэ? 2 сонголт байна. 1-р сонголт:
• долгион (ус шиг) шиг фотон нь нэгэн зэрэг 2 ан цаваар "хөвдөг" 2-р сонголт:

фотон бөөмс шиг 2 траекторийн дагуу нэгэн зэрэг нисдэг (хоёр биш, гэхдээ бүгд нэг дор)

Зарчмын хувьд эдгээр мэдэгдэл нь тэнцүү байна. Бид "замын интеграл" дээр ирлээ. Энэ бол Ричард Фейнманы квант механикийн томъёолол юм. Дашрамд хэлэхэд, ягРичард Фейнман гэсэн алдартай илэрхийлэл байдаг

Квант механикийг хэн ч ойлгодоггүй гэж бид итгэлтэйгээр хэлж чадна

Гэхдээ түүний энэ илэрхийлэл нь зууны эхээр ажиллаж байсан. Харин одоо бид ухаалаг болсон бөгөөд фотон нь бөөмс болон долгион шиг ажиллах чадвартай гэдгийг мэддэг болсон. Тэр ямар нэгэн байдлаар бидэнд ойлгомжгүй байдлаар нэгэн зэрэг хоёр ангархай дундуур нисч чаддаг. Тиймээс бид квант механикийн дараах чухал мэдэгдлийг ойлгоход хялбар байх болно.

Хатуухан хэлэхэд, квант механик нь энэхүү фотоны үйлдэл нь онцгой тохиолдол биш харин дүрэм гэдгийг бидэнд хэлдэг. Аливаа квант бөөмс нь дүрмээр бол хэд хэдэн төлөвт эсвэл сансар огторгуйн хэд хэдэн цэгт нэгэн зэрэг байдаг.

Квантын объектын "суперпозиция" нь 2 ба түүнээс дээш зам дээр нэгэн зэрэг, 2 ба түүнээс дээш цэгт байж болно гэдгийг бид аксиомоор хүлээн зөвшөөрөх хэрэгтэй.

Үүнтэй ижил зүйл фотоны өөр параметр болох эргэлт (өөрийн өнцгийн импульс) хамаарна. Спин бол вектор юм. Квантын объектыг бичил харуурын соронзон гэж үзэж болно. Соронзон вектор (эргэлт) нь дээш эсвэл доош чиглэсэн байдаг гэдэгт бид дассан. Гэвч электрон эсвэл фотон бидэнд дахин хэлэхдээ: "Залуус аа, та нарын юунд дассан нь бидэнд хамаагүй, бид хоёр эргэлтийн төлөвт нэгэн зэрэг (вектор дээш, вектор доош) байж болно. нэгэн зэрэг эсвэл 2 цэг дээр!

"Хэмжилт" эсвэл "долгионы функцийн уналт" гэж юу вэ?

"Хэмжилт" гэж юу болох, "долгионы функцийн уналт" гэж юу болохыг ойлгоход бидэнд бага хугацаа үлдсэн.

Долгион функцквант объектын төлөв байдлын тодорхойлолт (манай фотон эсвэл электрон).

Бидэнд электрон байна гэж бодъё, тэр өөрөө өөр рүүгээ нисдэг тодорхойгүй төлөвт түүний эргэлт нь нэгэн зэрэг дээш, доош чиглэнэ. Бид түүний нөхцөл байдлыг хэмжих хэрэгтэй.

Соронзон орон ашиглан хэмжилт хийцгээе: спин нь талбайн чиглэлд чиглэсэн электронууд нэг чиглэлд, спири нь талбайн эсрэг чиглэсэн электронууд нөгөө чиглэлд хазайх болно. Илүү олон фотоныг туйлшруулагч шүүлтүүр рүү чиглүүлж болно. Хэрэв фотоны эргэлт (туйлшрал) +1 бол шүүлтүүрээр дамждаг, харин -1 бол тэгэхгүй.

Зогс! Энд танд асуулт гарч ирэх нь гарцаагүй.Хэмжилт хийхээс өмнө электрон тодорхой эргэлтийн чиглэлгүй байсан, тийм үү? Тэр бүх мужид нэгэн зэрэг байсан, тийм үү?

Энэ бол квант механикийн заль мэх, мэдрэмж юм. Хэрэв та квант объектын төлөвийг хэмжихгүй л бол энэ нь ямар ч чиглэлд эргэлдэж болно (өөрийн өнцгийн импульсийн векторын аль ч чиглэлтэй - спин). Гэхдээ та түүний төлөв байдлыг хэмжихэд тэр аль спин векторыг хүлээн зөвшөөрөх шийдвэр гаргаж байгаа бололтой.

Энэ квант объект нь маш гайхалтай - тэр өөрийн төлөв байдлын талаар шийдвэр гаргадаг.Мөн бидний хэмжиж буй соронзон орон руу нисэх үед ямар шийдвэр гаргахыг бид урьдчилан таамаглах боломжгүй. Түүний "дээш" эсвэл "доош" эргэх вектортой байх магадлал 50-50% байна. Гэхдээ тэр шийдсэн даруйдаа тодорхой эргэлтийн чиглэлтэй тодорхой төлөвт ордог. Түүний шийдвэрийн шалтгаан нь бидний "хэмжээ" юм!

Үүнийг "гэж нэрлэдэг долгионы функцын уналт". Хэмжилт хийхээс өмнө долгионы функц тодорхойгүй байсан, i.e. электрон эргэлтийн вектор нь хэмжилтийн дараа бүх чиглэлд нэгэн зэрэг байсан бөгөөд электрон өөрийн эргэлтийн векторын тодорхой чиглэлийг бүртгэсэн;

Анхаар! Ойлголтын гайхалтай жишээ бол манай макро ертөнцийн холбоо юм.

Ширээн дээр эргэдэг орой шиг зоос эргүүл. Зоос эргэлдэж байх үед энэ нь толгой эсвэл сүүл гэсэн тодорхой утгатай байдаггүй. Гэхдээ та энэ үнэ цэнийг "хэмжиж", зоосыг гараараа цохихоор шийдсэн даруйд та зоосны тодорхой төлөвийг олж авах болно - толгой эсвэл сүүл. Одоо энэ зоос нь толгой эсвэл сүүлний аль үнэ цэнийг "харуулах" -ыг шийддэг гэж төсөөлөөд үз дээ. Электрон нь ойролцоогоор ижил байдлаар ажилладаг.

Одоо хүүхэлдэйн киноны төгсгөлд үзүүлсэн туршилтыг санаарай. Фотонуудыг ангархайгаар нэвтрүүлэхэд тэд долгион шиг ажиллаж, дэлгэцэн дээр интерференцийн хэв маягийг харуулсан. Эрдэмтэд хагарлаар нисч буй фотонуудын агшинг бүртгэх (хэмжих) болон дэлгэцийн ард "ажиглагч" байрлуулахыг хүссэн үед фотонууд долгион шиг биш, харин бөөмс шиг ажиллаж эхлэв. Мөн тэд дэлгэцэн дээр 2 босоо судал "зурсан". Тэдгээр. Хэмжилт, ажиглалт хийх үед квант объектууд ямар төлөвт байх ёстойгоо өөрсдөө сонгодог.

Гайхалтай! Энэ үнэн биш гэж үү?

Гэхдээ энэ нь бүгд биш юм. Эцэст нь бид Бид хамгийн сонирхолтой хэсэгт ирлээ.

Гэхдээ ... миний бодлоор хэт их мэдээлэл байх болно, тиймээс бид эдгээр 2 ойлголтыг тусдаа нийтлэлд авч үзэх болно:

• Юу болсон бэ?
• Бодлын туршилт гэж юу вэ.

Одоо та мэдээллийг цэгцлэхийг хүсч байна уу? Канадын онолын физикийн хүрээлэнгийн хийсэн баримтат киног үзээрэй. Үүнд 20 минутын дараа та 1900 онд Планкийн нээлтээс эхлээд квант физикийн бүх нээлтүүдийн талаар маш товч бөгөөд он цагийн дарааллаар ярих болно. Дараа нь тэд квант физикийн мэдлэгийн үндсэн дээр ямар практик бүтээн байгуулалтууд хийгдэж байгааг танд хэлэх болно: хамгийн нарийвчлалтай атомын цагуудаас квант компьютерын хэт хурдан тооцоолол хүртэл. Би энэ киног үзэхийг зөвлөж байна.

Уулзъя!

Бүх төлөвлөгөө, төслүүддээ урам зориг өгөхийг хүсч байна!

P.S.2 Асуулт, бодлоо коммент хэсэгт бичээрэй. Бичнэ үү, та квант физикийн өөр ямар асуултуудыг сонирхож байна вэ?

P.S.3 Блогт бүртгүүлнэ үү - захиалгын маягт нь нийтлэлийн доор байна.

КВАНТЫН МЕХАНИК гэдэг нь онолын физикийн нэг хэсэг бөгөөд байгальд үйл ажиллагааны хамгийн бага квант h (Планкийн тогтмол) байдгаас үүссэн физик үзэгдлүүдийг тодорхойлоход шаардлагатай ойлголт, математик аппаратын систем юм. h = 6.62607∙10ˉ 34 J∙s (мөн ихэвчлэн хэрэглэгддэг өөр нэг утга ħ = h/2π = 1.05457∙10ˉ 34 J∙s) тоон утга нь маш бага боловч энэ нь хязгаарлагдмал байдаг нь квант үзэгдлээс үндсэндээ ялгаатай байдаг. бусад ба тэдгээрийн үндсэн шинж чанарыг тодорхойлдог. Квантын үзэгдэлд цацрагийн үйл явц, атомын болон цөмийн физикийн үзэгдэл, конденсацийн физик, химийн холбоо гэх мэт орно.

Квант механик үүссэн түүх.Түүхийн хувьд 1900 онд h-ийн үйл ажиллагааны квантын тухай ойлголтыг тайлбарлах анхны үзэгдэл бол туйлын хар биетийн цацрагийн спектр, өөрөөр хэлбэл дулааны цацрагийн эрчмийг түүний v давтамж ба T температураас хамааруулах явдал байв. халсан биеийн. Эхэндээ энэ үзэгдлийн атомд болж буй үйл явцтай холбоо тодорхойгүй байсан; Тухайн үед атомын тухай санааг ерөнхийд нь хүлээн зөвшөөрдөггүй байсан ч атомын доторх нарийн төвөгтэй бүтцийг харуулсан ажиглалтууд аль хэдийн мэдэгдэж байсан.

1802 онд В.Волластон нарны цацрагийн спектрийн нарийн спектрийн шугамыг нээсэн бөгөөд 1814 онд Ж.Фраунгофер нарийвчлан тодорхойлсон байдаг. 1859 онд Г.Кирхгоф, Р.Бунсен нар химийн элемент бүр нь бие даасан спектрийн шугамтай болохыг тогтоож, Швейцарийн эрдэмтэн И.Я Балмер (1885), Шведийн физикч Ж.Ридберг (1890), Германы эрдэмтэн В. Ritz (1908) тэдний байршлын тодорхой хэв маягийг олж илрүүлсэн. 1896 онд П.Земан соронзон орон дахь спектрийн шугамууд хуваагдахыг ажигласан (Земаны эффект), дараа жил нь Х.А.Лоренц атом дахь электроны хөдөлгөөнөөр тайлбарлав. Электрон байдаг гэдгийг 1897 онд Ж.Ж.Томсон туршилтаар нотолсон.

Одоо байгаа физик онолууд нь фотоэлектрик эффектийн хуулиудыг тайлбарлахад хангалтгүй болсон: гэрлээр цацрах үед бодисоос ялгарах электронуудын энерги нь түүний эрчмээс бус зөвхөн гэрлийн v давтамжаас хамаардаг болох нь тогтоогджээ (A. G. Stoletov). , 1889; Ф.фон Ленард, 1904). Энэ баримт нь тухайн үеийн гэрлийн нийтээр хүлээн зөвшөөрөгдсөн долгионы шинж чанартай бүрэн зөрчилдөж байсан боловч гэрэл нь E = hv энергийн квант хэлбэрээр тархдаг (А. Эйнштейн, 1905), хожим фотон гэж нэрлэгддэг (Х. Льюис, 1926).

Электроныг нээснээс хойш 10 жилийн дотор атомын хэд хэдэн загварыг санал болгосон боловч туршилтаар дэмжигдээгүй. 1909-11 онд Э.Рутерфорд альфа бөөмсийн атомууд дээр тархалтыг судалж байхдаа атомын бараг бүх массыг төвлөрүүлсэн авсаархан эерэг цэнэгтэй цөм байгааг тогтоожээ. Эдгээр туршилтууд нь атомын гаригийн загварын үндэс болсон: эерэг цэнэгтэй цөм, түүний эргэн тойронд сөрөг цэнэгтэй электронууд эргэлддэг. Гэсэн хэдий ч энэ загвар нь атомын тогтвортой байдлын баримттай зөрчилдөж байв, учир нь сонгодог электродинамикаас үзэхэд 10-9 секундын дараа эргэдэг электрон цөм рүү унаж, цацраг туяанд энерги алддаг.

1913 онд Н.Бор гаригийн атомын тогтвортой байдлыг h үйл ажиллагааны квант хязгаарлагдмал байдлаар тайлбарладаг гэж санал болгосон. Тэрээр атомд электрон цацруулдаггүй хөдөлгөөнгүй тойрог замууд байдаг (Борын эхний постулат) гэж таамаглаж, эдгээр орбитуудыг бүх боломжит орбитуудаас квантчлах нөхцлөөр тусгаарласан: 2πmυr = nh, энд m нь электроны масс, υ. түүний тойрог замын хурд, r нь цөм хүртэлх зай, n= 1,2,3,... - бүхэл тоо. Энэ нөхцлөөс Бор хөдөлгөөнгүй төлөвийн энерги E n = -me 4 /2ħ 2 n 2 (e нь электроны цахилгаан цэнэг), түүнчлэн устөрөгчийн атомын диаметр (ойролцоогоор 10 -8 см) -ийг тодорхойлсон. бодисын кинетик онолын дүгнэлттэй бүрэн нийцэж байна.

Борын хоёр дахь постулатад цацраг нь зөвхөн нэг хөдөлгөөнгүй тойрог замаас нөгөөд шилжих электрон шилжилтийн үед үүсдэг ба E n төлөвөөс E k төлөвт шилжих шилжилтийн v nk цацрагийн давтамж v nk = (E k - E n)/ -тэй тэнцүү байна гэж заасан. h (Атомын физикийг үзнэ үү). Борын онол нь атомын спектрийн зүй тогтлыг байгалийн жамаар тайлбарласан боловч түүний постулатууд нь сонгодог механик болон цахилгаан соронзон орны онолтой илт зөрчилдөж байв.

1922 онд А.Комптон рентген туяаг электроноор тараах үйл явцыг судалж үзээд ирж буй болон сарнисан рентген энергийн квантууд бөөмс шиг ажилладаг болохыг тогтоожээ. 1923 онд C. T. R. Wilson, D. V. Skobeltsyn нар энэ урвалд электрон эргүүлэхийг ажиглаж, улмаар рентген туяа (цөмийн γ-цацраг) -ын корпускуляр шинж чанарыг баталжээ. Гэсэн хэдий ч энэ нь 1912 онд рентген туяаны дифракцийг ажиглаж, улмаар долгионы шинж чанарыг нотолсон М.Лауэгийн туршилттай зөрчилдөж байв.

1921 онд Германы физикч К.Рамсауэр тодорхой энергитэй үед электронууд нь тунгалаг орчинд байгаа гэрлийн долгион шиг хийгээр бараг сарнилгүй өнгөрдөг болохыг олж мэдсэн. Энэ нь электроны долгионы шинж чанарын анхны туршилтын нотолгоо байсан бөгөөд бодит байдал нь 1927 онд К.Ж.Дэвиссон, Л.Гермер, Ж.П. Томсон.

1923 онд Л.де Бройль материйн долгионы тухай ойлголтыг нэвтрүүлсэн: m масстай, υ хурдтай бөөмс бүр нь v = c/λ давтамжтай долгион бүрийг холбож болдог шиг λ = h/mυ урттай долгионтой холбогдож болно. E = hv энергитэй бөөмстэй. Долгион бөөмийн хоёрдмол байдал гэж нэрлэгддэг энэхүү таамаглалын ерөнхий дүгнэлт нь квант физикийн үндэс суурь, түгээмэл зарчим болсон. Үүний мөн чанар нь судалгааны ижил объектууд нь ажиглалтын нөхцлөөс хамааран бөөмс эсвэл долгион хэлбэрээр хоёр янзаар илэрдэг.

Долгион ба бөөмийн шинж чанаруудын хоорондын хамаарлыг квант механикийг бий болгохоос өмнө тогтоосон: E = hv (1900) ба λ = h/mυ = h/r (1923), энд давтамж v ба долгионы урт λ нь долгионы шинж чанар юм. , ба энерги E ба масс m, хурд υ ба импульс p = mυ - бөөмийн шинж чанар; Эдгээр хоёр төрлийн шинж чанаруудын хоорондын холболтыг Планкийн тогтмол h-ээр гүйцэтгэдэг. Хоёрдмол байдлын хамаарлыг дугуй давтамж ω = 2πν ба k = 2π/λ долгионы вектороор хамгийн тодорхой илэрхийлдэг.

E = ħω, p = ħk.

Долгион бөөмийн хоёрдмол байдлын тод дүрслэлийг Зураг 1-д үзүүлэв: электрон ба рентген туяаны тархалтад ажиглагдсан дифракцийн цагираг нь бараг ижил байна.

Бүх квант физикийн онолын үндэс болох квант механик нь гурван жил хүрэхгүй хугацаанд бий болсон. 1925 онд В.Гейзенберг Борын санаан дээр тулгуурлан матрицын механикийг санал болгосон нь мөн оны эцэс гэхэд М.Борн, Германы физикч П.Жордан, П.Дирак нарын бүтээлүүдэд бүрэн онолын хэлбэрийг олж авсан юм. Энэ онолын гол объектууд нь тусгай төрлийн матрицууд бөгөөд квант механикт сонгодог механикийн физик хэмжигдэхүүнүүдийг илэрхийлдэг.

1926 онд Э.Шредингер материйн долгионы тухай Л.де Бройлийн санаан дээр үндэслэн долгионы механикийг санал болгосон бөгөөд үүнд өгөгдсөн хил хязгаартай 2-р дарааллын дифференциал тэгшитгэлд захирагддаг квант төлөвийн долгионы функц гол үүрэг гүйцэтгэдэг. нөхцөл. Хоёр онол нь гаригийн атомын тогтвортой байдлыг адилхан тайлбарлаж, түүний үндсэн шинж чанарыг тооцоолох боломжтой болгосон. Мөн онд М.Борн долгионы функцийн статистик тайлбарыг санал болгож, Шредингер (мөн бие даан В. Паули нар) матриц ба долгионы механикийн математикийн тэнцүү байдлыг нотолсон бол Борн Н.Винертэй хамтран физик хэмжигдэхүүний операторын тухай ойлголт.

1927 онд В.Гейзенберг тодорхойгүй байдлын хамаарлыг нээж, Н.Бор нэмэлт байх зарчмыг томъёолжээ. Электрон спин (J. Uhlenbeck and S. Goudsmit, 1925) нээсэн, электрон спинийг харгалзан үзсэн Паули тэгшитгэлийг гаргаснаар (1927) харьцангуй бус квант механикийн логик болон тооцооллын схемийг хийж дуусгасан ба П.Дирак, Ж.фон Нейман нар квант механикийг оператор, төлөвийн вектор, магадлалын далайц, төлөв байдлын суперпозиция гэх мэт хязгаарлагдмал ойлголт, постулатын багцад суурилсан бие даасан онолыг концепцын хувьд бүрэн гүйцэд болгон танилцуулсан.

Квант механикийн үндсэн ойлголт ба формализм.Квант механикийн үндсэн тэгшитгэл нь Шредингерийн долгионы тэгшитгэл бөгөөд түүний үүрэг нь сонгодог механик дахь Ньютоны тэгшитгэл, электродинамик дахь Максвеллийн тэгшитгэлийн үүрэгтэй төстэй юм. Х (координат) ба t (цаг хугацаа) хувьсагчдын орон зайд энэ нь хэлбэртэй байна

Энд H нь Хамилтон оператор; түүний хэлбэр нь сонгодог механикийн Хамилтон оператортой давхцаж байгаа бөгөөд координат х ба импульс p нь эдгээр хувьсагчийн x ба p операторуудаар солигддог, өөрөөр хэлбэл.

Энд V(x) нь системийн боломжит энерги юм.

V(x) потенциалын хүчний талбарт хөдөлж буй материаллаг цэгийн ажиглагдсан траектори x(t) олддог Ньютоны тэгшитгэлээс ялгаатай нь Шредингерийн тэгшитгэлээс a-ийн ажиглагдахгүй долгионы функц ψ(x)-ийг олно. квант систем, гэхдээ түүний тусламжтайгаар бүх хэмжигдэхүйц хэмжигдэхүүний утгыг тооцоолж болно. Шредингерийн тэгшитгэлийг нээсний дараахан М.Борн долгионы функцийн утгыг тайлбарлав: |ψ(x)| 2 нь магадлалын нягт ба |ψ(x)| 2 ·Δx - координатын х утгуудын Δx интервалд квант системийг илрүүлэх магадлал.

Квант механикийн физик хэмжигдэхүүн (сонгодог механикийн динамик хувьсагч) бүр нь ажиглагдаж болох a ба харгалзах Гермитийн оператор Â-тай холбоотой бөгөөд энэ нь цогц функцүүдийн сонгосон суурь дээр |i> = f i (x) матрицаар илэрхийлэгдэнэ.

Энд f*(x) нь f (x) функцийн нийлмэл функц юм.

Энэ орон зай дахь ортогональ суурь нь |n) = f n (x)), n = 1,2,3 хувийн функцуудын багц бөгөөд Â операторын үйлдлийг тоогоор үржүүлэхэд (хувийн утга a n) буурдаг. оператор Â):

Функцийн суурь |n) нь n = n’, n ≠ n’ нөхцөлөөр нормчлогддог.

ба үндсэн функцүүдийн тоо (сонгодог физикийн гурван хэмжээст орон зайн суурь векторуудаас ялгаатай) хязгааргүй бөгөөд индекс n нь салангид болон тасралтгүй өөрчлөгдөж болно. Ажиглаж болох бүх боломжит утгууд нь харгалзах Â операторын хувийн утгуудын багцад (a n) агуулагдах бөгөөд зөвхөн эдгээр утгууд нь хэмжилтийн үр дүн болж чадна.

Квант механикийн гол объект нь төрийн вектор |ψ) бөгөөд үүнийг сонгосон Â операторын хувийн функцууд |n) болгон өргөжүүлж болно:

Энд ψ n - төлөвийн магадлалын далайц (долгионы функц) |n), |ψ n | 2 нь |ψ тэлэлт дэх n төлөвийн жинтэй тэнцүү ба

өөрөөр хэлбэл квант төлөвүүдийн аль нэг дэх n системийг олох нийт магадлал нэгтэй тэнцүү байна.

Гейзенбергийн квант механикт операторууд Â болон тэдгээрийн харгалзах матрицууд тэгшитгэлд захирагддаг.

Энд |Â,Ĥ|=ÂĤ - ĤÂ нь Â ба Ĥ операторуудын коммутатор юм. ψ долгионы функц нь цаг хугацаанаас хамаардаг Шредингерийн схемээс ялгаатай нь Гейзенбергийн схемд цаг хугацааны хамаарлыг Â операторт өгдөг. Хоёр арга хоёулаа математикийн хувьд тэнцүү боловч квант механикийн олон тооны хэрэглээнд Шредингерийн аргыг илүүд үздэг нь батлагдсан.

Гамильтон операторын хувийн утга Ĥ нь Шредингерийн хөдөлгөөнгүй тэгшитгэлийн шийдэл болох цаг хугацаанаас хамааралгүй Е системийн нийт энерги юм.

Түүний шийдлүүд нь хилийн нөхцлийн төрлөөс хамааран хоёр төрөлд хуваагдана.

Локалчлагдсан төлөвийн хувьд долгионы функц нь байгалийн хилийн нөхцөл ψ(∞) = 0-ийг хангадаг. Энэ тохиолдолд Шредингерийн тэгшитгэл нь зөвхөн E n, n = 1,2,3,.. энергийн салангид олонлогийн шийдэлтэй байна. ., ψ n ( r) долгионы функцтэй тохирч байна:

Орон нутгийн төлөв байдлын жишээ бол устөрөгчийн атом юм. Түүний Гамильтон Ĥ нь хэлбэртэй байна

Энд Δ = ∂ 2 /∂х 2 + ∂ 2 /∂у 2 + ∂ 2 /∂z 2 нь Лаплас оператор, e 2 /r нь электрон ба цөмийн харилцан үйлчлэлийн потенциал, r нь цөмөөс цөм хүртэлх зай юм. Шредингерийн тэгшитгэлээс тооцсон электрон ба энергийн хувийн утга E n нь Бор атомын энергийн түвшинтэй давхцдаг.

Орон нутгийн бус төлөв байдлын хамгийн энгийн жишээ бол импульс p-тэй электроны чөлөөт нэг хэмжээст хөдөлгөөн юм. Энэ нь Шредингерийн тэгшитгэлтэй тохирч байна

Үүний шийдэл нь хавтгай долгион юм

Энд ерөнхий тохиолдолд C = |C|exp(iφ) нь нийлмэл функц, |C| ба φ - түүний модуль ба үе шат. Энэ тохиолдолд электрон энерги E = p 2 /2m, ψ p (x) уусмалын индекс p нь тасралтгүй цуваа утгыг авна.

Координат ба импульсийн операторууд (мөн бусад хос каноник коньюгат хувьсагч) нь солих хамаарлыг дагаж мөрддөг.

Ийм операторын хосуудын хувийн функцүүдийн нийтлэг үндэслэл байхгүй бөгөөд харгалзах физик хэмжигдэхүүнийг дурын нарийвчлалтайгаар нэгэн зэрэг тодорхойлох боломжгүй юм. Х̂ ба р̂ операторуудын шилжих хамаарлаас үзэхэд квант системийн координат х ба түүний коньюгат импульс p-ийг тодорхойлох Δx ба Δр нарийвчлал дараах байдалтай байна (Гейзенбергийн тодорхойгүй байдлын хамаарал).

Эндээс, тухайлбал, атомын тогтвортой байдлын тухай дүгнэлт нэн даруй гарах болно, учир нь энэ схемд электроны цөмд тохиолдох давтамжтай харгалзах Δх = Δр = 0 харьцааг хориглодог.

Квантын системийг тодорхойлдог нэгэн зэрэг хэмжигдэх хэмжигдэхүүнүүдийн багцыг операторуудын багцаар төлөөлдөг.

өөр хоорондоо шилжих, өөрөөр хэлбэл А̂В̂ - В̂А̂ = А̂С̂ - С̂А̂ = В̂С̂ - С̂В̂ =... = 0 харьцааг хангах. Харьцангуй бус устөрөгчийн атомын хувьд ийм олонлог нь жишээлбэл, операторуудаас бүрдэнэ: Ĥ ( нийт эрчим хүчний оператор), (операторын моментийн квадрат) ба (моментийн операторын z-бүрэлдэхүүн хэсэг). Атомын төлөвийн вектор нь бүх операторуудын нийтлэг хувийн функцүүдийн ψ i (r) олонлогоор тодорхойлогддог.

энергийн квант тоо (n = 1,2,3,...), тойрог замын импульс (l = 0.1,..., n - 1) ба түүний проекцоор (i) = (nlm) олонлогоор дугаарлагдсан. z тэнхлэгт (m = -l,...,-1,0,1,...,l). Функцууд |ψ i (r)| 2-ыг ердийн байдлаар янз бүрийн квант төлөв дэх атомын хэлбэр гэж үзэж болно i (Цагаан дүрс гэж нэрлэдэг).

Физик хэмжигдэхүүний утга (ажиглагдах квант механик) нь түүний харгалзах операторын Â дундаж утгаар тодорхойлогддог.

Энэ хамаарал нь цэвэр төлөвт, өөрөөр хэлбэл тусгаарлагдсан квант системийн хувьд хүчинтэй. Холимог төлөв байдлын ерөнхий тохиолдолд бид ижил төстэй системүүдийн (жишээлбэл, атомуудын) томоохон цуглуулгатай (статистикийн чуулга) харьцдаг бөгөөд тэдгээрийн шинж чанарыг энэ чуулга дээр дундажлан тодорхойлдог. Энэ тохиолдолд Â операторын дундаж утга Â хэлбэрийг авна

Энд p nm нь нягтын матриц (L. D. Landau; J. von Neumann, 1929) хэвийн болгох нөхцөлтэй ∑ n ρ pp = 1. Нягтын матрицын формализм нь төлөвийн квант механик дундаж болон чуулга дээрх статистик дундажийг нэгтгэх боломжийг бидэнд олгодог. Нягтын матриц нь квант хэмжилтийн онолд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд түүний мөн чанар нь квант болон сонгодог дэд системүүдийн харилцан үйлчлэлд үргэлж оршдог. Нягтын матрицын тухай ойлголт нь квант статистикийн үндэс суурь бөгөөд квант механикийн өөр хувилбаруудын нэг юм. Замын интеграл (эсвэл замын интеграл) гэсэн ойлголт дээр суурилсан квант механикийн өөр нэг хэлбэрийг 1948 онд Р.Фейнман санал болгосон.

Захидал харилцааны зарчим. Квант механик нь сонгодог болон статистик механикийн аль алинд нь гүн гүнзгий үндэс суурьтай. Н.Бор анхны ажилдаа аль хэдийн захидал харилцааны зарчмыг томъёолсон бөгөөд үүний дагуу квант харилцаа нь n их квант тоогоор сонгодог хэлбэрт шилжих ёстой. П.Эренфест 1927 онд квант механикийн тэгшитгэлүүдийг харгалзан үзэхэд операторын дундаж утга Â нь сонгодог механикийн хөдөлгөөний тэгшитгэлийг хангадаг болохыг харуулсан. Эренфестийн теорем нь харгалзах ерөнхий зарчмын онцгой тохиолдол юм: h → 0 хязгаарт квант механикийн тэгшитгэлүүд сонгодог механикийн тэгшитгэл болж хувирдаг. Ялангуяа h → 0 хязгаар дахь Шредингерийн долгионы тэгшитгэл нь түүний долгионы шинж чанарыг харгалзахгүйгээр гэрлийн цацрагийн (болон аливаа цацрагийн) траекторийн геометрийн оптикийн тэгшитгэл болж хувирдаг. Шрөдингерийн тэгшитгэлийн ψ(x) шийдийг ψ(x) = exp(iS/ħ) хэлбэрээр илэрхийлснээр S = ∫ p(x)dx нь сонгодог үйлдлийн интегралын аналог юм. хязгаар ħ → 0 S функц нь сонгодог Hamilton-Jacobi тэгшитгэлийг хангана. Нэмж дурдахад h → 0 хязгаарт x̂ ба p̂ операторууд шилжих ба координат ба импульсийн харгалзах утгуудыг сонгодог механикт таамаглаж байгаачлан нэгэн зэрэг тодорхойлж болно.

Тогтмол хөдөлгөөний сонгодог ба квант механикийн харилцааны хоорондох хамгийн чухал аналогийг каноник коньюгат хувьсагчдын фазын хавтгайд, жишээлбэл, системийн координат x ба импульс p зэрэг дээр ажиглаж болно. Битүү траекторийн дагуу авсан ∮р(х)dx төрлийн интегралууд (Пуанкаре интеграл инвариантууд) нь квант механикийн түүхэнд Эренфестийн адиабат инвариантууд гэж нэрлэгддэг. А.Зоммерфельд эдгээрийг сонгодог механикийн хэлээр квантын хуулиудыг дүрслэх, ялангуяа атомыг орон зайн квантчлах, l ба m квант тоонуудыг нэвтрүүлэхэд ашигласан (энэ нэр томъёог 1915 онд нэвтрүүлсэн хүн).

Фазын интеграл ∮pdx хэмжээс нь Планкийн тогтмол h хэмжигдэхүүнтэй давхцаж байгаа бөгөөд 1911 онд А.Пуанкаре, М.Планк нар h үйл ажиллагааны квантыг фазын орон зайн хамгийн бага эзэлхүүн гэж үзэхийг санал болгосон бөгөөд эсийн тоо n байна. h-ийн үржвэр: n = ∮pdx/h. Тодруулбал, электрон тойрог зам дагуу тогтмол импульс p-тэй хөдөлж байх үед n = ∮р(х)dx/h = р ∙ 2πr/h хамаарлаас Борын квантчлах нөхцөл нэн даруй гарч ирнэ: mυr=nħ (П.Дебай). , 1913).

Харин V(x) = mω 2 0 x 2 /2 (байгалийн давтамжтай гармоник осциллятор ω 0) потенциалын нэг хэмжээст хөдөлгөөний үед ∮р(х)dx = nh квантчлах нөхцөл нь хэд хэдэн утгатай байна. энергийн утгууд E n = ħω 0 n байхад осцилляторын квант тэгшитгэлийн яг шийдэл нь E n = ħω 0 (n + 1/2) дараалалд хүргэдэг. Анх В.Гейзенбергийн олж авсан квант механикийн энэхүү үр дүн нь ойролцоогоор 0 цэгийн хэлбэлзлийн энерги E 0 = ħω 0 /2 байдгаараа үндсэндээ ялгаатай бөгөөд цэвэр квант шинж чанартай: тайван байдлын төлөв (x). = 0, p = 0) нь Δх∙ Δр ≥ ħ/2 тодорхойгүй байдлын хамааралтай зөрчилддөг тул квант механикт хориглодог.

Төлөв байдлын суперпозиция зарчим ба магадлалын тайлбар. 1926 онд М.Борн ψ n (x) = |ψ n (x)|·exp(iφ n) нийлмэл долгионы функцийг тайлбарлахыг санал болгосны дараа квант үзэгдлийн корпускуляр ба долгионы зургуудын хоорондох гол бөгөөд илэрхий зөрчилдөөнийг арилгасан. далайцын төлөвийн магадлал n, түүний модулийн квадрат |ψ n (x)| 2 - х цэг дээр n төлөвийг илрүүлэх магадлалын нягт байдлаар. Квантын систем нь альтернатив төлөвийг багтаасан янз бүрийн төлөвт байж болох бөгөөд түүний магадлалын далайц нь эдгээр төлөвүүдийн магадлалын далайцын шугаман хослолтой тэнцүү байна: ψ = ψ 1 + ψ 2 + ...

Үүссэн төлөвийн магадлалын нягт нь статистик физикт байдаг шиг далайцын квадратуудын нийлбэр биш харин магадлалын далайцын нийлбэрийн квадраттай тэнцүү байна.

Энэхүү постулат - төлөв байдлын суперпозиция зарчим нь квант механикийн системийн хамгийн чухал ойлголтуудын нэг юм; энэ нь олон ажиглагдах үр дагавартай. Тэдгээрийн нэг нь, тухайлбал, электрон хоёр ойр зайтай ангархайгаар дамжин өнгөрөх тухай бусдаас илүү олон удаа яригддаг (Зураг 2). Электрон туяа зүүн талаас унаж, хуваалтын нүхээр дамжин баруун талд байгаа дэлгэц (эсвэл гэрэл зургийн хавтан) дээр бичигдэнэ. Хэрэв бид үүр тус бүрийг нэг нэгээр нь хаавал баруун талд байгаа дэлгэц дээр бид нээлттэй үүрний дүрсийг харах болно. Гэхдээ хэрэв бид хоёр ангархайг нэгэн зэрэг нээвэл бид хоёр ангархайн оронд хөндлөнгийн хүрээний системийг харах болно, түүний эрчмийг дараах илэрхийллээр дүрсэлсэн болно.

Энэ нийлбэр дэх сүүлчийн нэр томъёо нь хуваалтын өөр өөр завсраас дэлгэцийн өгөгдсөн цэг дээр ирж буй хоёр магадлалын долгионы интерференцийг илэрхийлдэг бөгөөд долгионы функцүүдийн фазын зөрүүгээс хамаарна Δφ = φ 1 - φ 2. Тэнцүү далайцтай тохиолдолд |ψ 1 | = |ψ 2 |:

өөрөөр хэлбэл дэлгэцийн өөр өөр цэгүүд дэх ангархайн дүрсний эрч хүч 0-4|ψ 1 | 2 - фазын зөрүү Δφ 0-ээс π/2 хүртэлх өөрчлөлтийн дагуу. Тодруулбал, нэг ангархайн дүрсний оронд хоёр задгай цоорхойгоор бид ямар ч дохиог илрүүлэхгүй болох нь тодорхой болж магадгүй бөгөөд энэ нь корпускулярын үүднээс утгагүй юм.

Энэ үзэгдлийн зураг нь электрон цацрагийн эрчмээс хамаарахгүй байх нь чухал бөгөөд өөрөөр хэлбэл энэ нь тэдний харилцан үйлчлэлийн үр дүн биш юм. Электронууд хуваалтын цоорхойгоор нэг нэгээр дамжин өнгөрөх хязгаарт ч гэсэн интерференцийн загвар үүсдэг, өөрөөр хэлбэл электрон бүр өөрт нь саад болдог. Бөөмийн хувьд энэ нь боломжгүй зүйл боловч долгионы хувьд, жишээлбэл, хэмжээс нь түүний урттай харьцуулах боломжтой саад тотгор эсвэл дифракцын хувьд байгалийн үзэгдэл юм. Энэ туршилтанд долгион-бөөмийн хоёрдмол байдал нь ижил электрон бөөмс хэлбэрээр бүртгэгдсэн боловч онцгой шинж чанартай долгион хэлбэрээр тархдаг гэдгээрээ илэрдэг: энэ нь орон зайн аль нэг цэгт электрон илрүүлэх магадлалын долгион юм. Тархалтын үйл явцын ийм зураг дээр "Электрон бөөмс аль ангархайг нь дайрсан бэ?" Гэсэн асуулт гарч ирнэ. Харгалзах магадлалын долгион нь хоёр ангархайгаар нэгэн зэрэг дамждаг тул утгаа алддаг.

Квант механикийн үзэгдлийн магадлалын шинж чанарыг харуулсан өөр нэг жишээ бол тунгалаг хавтангаар гэрлийг нэвтрүүлэх явдал юм. Тодорхойлолтоор гэрлийн тусгал нь хавтангаас ойсон фотоны тоог туссан фотоны тоонд харьцуулсан харьцаатай тэнцүү байна. Гэсэн хэдий ч, энэ нь олон тооны үйл явдлын дундаж үр дүн биш, харин фотон бүрт анхдагч шинж чанар юм.

Суперпозицияны зарчим ба магадлалын үзэл баримтлал нь "долгион" ба "бөөм" гэсэн ойлголтуудын тууштай нийлэгжилтийг хийх боломжийг олгосон: квант үйл явдал, түүний бүртгэл тус бүр нь салангид байдаг боловч тэдгээрийн тархалтыг хуулиар тогтоосон байдаг. тасралтгүй магадлалын долгионы тархалт.

Тунелийн эффект ба резонансын тархалт.Хонгилын эффект нь квант физикийн хамгийн алдартай үзэгдэл байж магадгүй юм. Энэ нь квант объектуудын долгионы шинж чанараас үүдэлтэй бөгөөд зөвхөн квант механикийн хүрээнд хангалттай тайлбарыг авсан. Туннелийн эффектийн жишээ бол радийн цөмийг радон цөм болон α бөөмс болгон задлах явдал юм: Ra → Rn + α.

Зураг 3-т α задралын V(r) потенциалын диаграммыг үзүүлэв: α бөөмс нь Z 0 цэнэгтэй цөмийн “потенциал цооногт” v давтамжтайгаар хэлбэлзэх ба түүнээс гарсны дараа түлхэлтийн Кулон дотор хөдөлдөг. потенциал 2Ze 2 /r, энд Z=Z 0 -2. Сонгодог механикийн хувьд бөөмсийн энерги E нь потенциал саадын V max өндрөөс бага байвал боломжит цооногийг орхиж чадахгүй. Квантын механикт тодорхойгүй байдлын хамаарлаас болж хязгаарлагдмал W магадлалтай бөөмс r 0 дэд саадын бүсэд нэвтэрдэг.< r < r 1 и может «просочиться» из области r < r 0 в область r >r 1 нь гэрлийн долгионы урттай харьцуулах зайд геометрийн сүүдрийн бүсэд гэрэл хэрхэн нэвтэрдэгтэй төстэй. Шрөдингерийн тэгшитгэлийг ашиглан бид α бөөмийн саадаар дамжин өнгөрөх D коэффициентийг тооцоолж болох бөгөөд энэ нь хагас сонгодог ойролцоо утгатай байна.

Цаг хугацаа өнгөрөхөд радиумын цөмийн тоо N(t) хуулийн дагуу буурдаг: N(t) = N 0 exp(-t/τ), энд τ нь цөмийн дундаж наслалт, N 0 нь цөмийн анхны тоо юм. t = 0-ийн цөм. Магадлал α- задрал W = vD нь амьдралын хугацаатай W = l/τ хамаарлаар хамааралтай бөгөөд үүнээс Гейгер-Неттолын хууль гарч байна.

Энд υ нь α бөөмийн хурд, Z нь үүссэн цөмийн цэнэг юм. Энэ хамаарлыг 1909 онд туршилтаар илрүүлсэн боловч 1928 онд л Г.Гамов (мөн Английн физикч Р.Гурни, Америкийн физикч Э.Кондон нар бие даан) үүнийг квант механикийн хэлээр тайлбарлаж байжээ. Ийнхүү квант механик нь цацрагийн үйл явц болон атомын физикийн бусад үзэгдлүүдийг төдийгүй цөмийн физикийн үзэгдлүүдийг тодорхойлдог болохыг харуулсан.

Атомын физикт туннелийн эффект нь талбайн электрон ялгаралтын үзэгдлийг тайлбарладаг. Нэг жигд цахилгаан талбарт E хүч чадлын хувьд цөм ба электрон хоорондын Кулоны потенциал V(r) = -e 2 /r таталцал гажилттай байна: V(r) = - e 2 /r - eEr, энергийн түвшин. атом E nl m шилжсэн бөгөөд энэ нь тэдгээрийн хоорондох шилжилтийн ν nk давтамжийг өөрчлөхөд хүргэдэг (Старк эффект). Нэмж хэлэхэд, чанарын хувьд энэ потенциал нь α задралын потенциалтай төстэй болж, үүний үр дүнд потенциал саадыг дамжин электрон туннел үүсэх хязгаарлагдмал магадлал бий болдог (Р. Оппенхаймер, 1928). E-ийн эгзэгтэй утгуудад хүрэхэд саад тотгор багасч, электрон атомыг орхих болно (цасны нуранги ионжуулалт гэж нэрлэдэг).

Альфа задрал нь квант механик резонансын тухай ойлголттой нягт холбоотой, квант механик дахь суурин бус үйл явцын нэмэлт талуудыг ойлгох боломжийг олгодог хагас суурин төлөвийн задралын онцгой тохиолдол юм. Шредингерийн тэгшитгэлээс харахад түүний шийдэл нь цаг хугацаанаас хамаарна.

Энд E нь Гамильтоны Ĥ-ийн хувийн утга бөгөөд энэ нь квант механикийн Гермитийн операторуудын хувьд бодит бөгөөд харгалзах ажиглагдах (нийт энерги E) нь цаг хугацаанаас хамаардаггүй. Гэсэн хэдий ч, суурин бус системийн энерги нь цаг хугацаанаас хамаардаг бөгөөд хэрэв ийм системийн энергийг нарийн төвөгтэй хэлбэрээр үзүүлбэл энэ баримтыг албан ёсоор авч үзэх боломжтой: E = E 0 - iΓ/2. Энэ тохиолдолд долгионы функцийн цаг хугацааны хамаарал нь хэлбэртэй байна

харгалзах төлөвийг илрүүлэх магадлал экспоненциалаар буурдаг:

Энэ нь задралын тогтмол τ = ħ/Г бүхий α задралын хуультай хэлбэрийн хувьд давхцдаг.

Урвуу процесст, жишээлбэл, гелий ба нейтрон үүсэхэд (термоядролын нэгдлийн урвал) дейтерий ба тритий цөмүүдийн мөргөлдөх үед урвалын хөндлөн огтлолын σ гэсэн ойлголтыг ашигладаг бөгөөд үүнийг хэмжүүр гэж тодорхойлдог. мөргөлдөх бөөмсийн нэгж урсгалын урвалын магадлал.

Сонгодог бөөмсийн хувьд r 0 радиустай бөмбөлөг дээрх тархалтын хөндлөн огтлол нь түүний геометрийн хөндлөн огтлолтой давхцаж, σ = πr 0 2-тэй тэнцүү байна. Квант механикт үүнийг δl(k) тархалтын үе шатуудаар дүрсэлж болно:

Энд k = р/ħ = √2mE/ħ нь долгионы тоо, l нь системийн тойрог замын момент юм. Мөргөлдөөний маш бага энергийн хязгаарт квантын тархалтын хөндлөн огтлол σ = 4πr 0 2 нь бөмбөгний геометрийн хөндлөн огтлолоос 4 дахин их байна. (Энэ нөлөө нь квант үзэгдлийн долгионы шинж чанарын үр дагаврын нэг юм.) E ≈ E 0 дахь резонансын ойролцоо тархалтын фаз нь дараах байдлаар ажилладаг.

ба тархалтын хөндлөн огтлол нь тэнцүү байна

Энд λ = 1/k, W(E) нь Брейт-Вигнерийн функц:

Тархалтын бага энергитэй үед l 0 ≈ 0, де Бройль долгионы урт λ нь цөмийн хэмжээнээс хамаагүй их байдаг тул E = E 0 үед цөмийн резонансын хөндлөн огтлол σ res ≈ 4πλ 0 2 мянга, сая байж болно. тэдгээрийн геометрийн хөндлөн огтлолоос πr 0 2 дахин их. Цөмийн физикийн хувьд цөмийн болон термоядролын реакторын ажиллагаа нь эдгээр хөндлөн огтлолоос хамаардаг. Атомын физикт энэ үзэгдлийг анх Ж.Фрэнк, Г.Герц (1913) нар мөнгөн усны атомууд электроныг резонансын шингээх туршилтаар ажиглажээ. Эсрэг тохиолдолд (δ 0 = 0) тархалтын хөндлөн огтлол нь хэвийн бус бага байна (Рамсауэр эффект, 1921).

W(E) функцийг оптикт Лоренцын ялгаруулалтын шугамын профиль гэж нэрлэдэг ба хамгийн ихдээ E = E 0, резонансын өргөн Г = 2∆E = 2 (E - E 0) бүхий ердийн резонансын муруй хэлбэртэй байна. ) нь W(E 0 ± ΔΕ) = W(E 0)/2 хамаарлаас тодорхойлогдоно. W(E) функц нь бүх нийтийн шинж чанартай бөгөөд хагас стационар төлөвийн задрал ба мөргөлдөөний энерги E тархалтын хөндлөн огтлолын резонансын хамаарлыг хоёуланг нь тодорхойлдог ба цацрагийн үзэгдлийн хувьд спектрийн шугамын байгалийн өргөн Г-ийг тодорхойлдог. , энэ нь ялгаруулагчийн ашиглалтын хугацаа τ-тай τ = ħ/Г хамаарлаар холбогдоно. Энэ харьцаа нь мөн энгийн бөөмсийн амьдрах хугацааг тодорхойлдог.

τ = ħ/G-ийн тодорхойлолтоос Г = 2∆E тэгш байдлыг харгалзан энерги ба цаг хугацааны тодорхойгүй байдлын хамаарлыг дараах байдлаар гаргана: ∆E ∙ ∆t ≥ ħ/2, энд ∆t ≥ τ. Хэлбэрийн хувьд энэ нь ∆х ∙ ∆р ≥ ħ/2 хамааралтай төстэй боловч квант механикт t хугацаа нь динамик хувьсагч биш тул энэ тэгш бус байдлын онтологийн байдал өөр байна. Иймд ∆E ∙ ∆t ≥ ħ/2 хамаарал нь суурин квант механикийн үндсэн постулатуудаас шууд дагалддаггүй бөгөөд хатуухан хэлэхэд зөвхөн энерги нь цаг хугацааны явцад өөрчлөгддөг системүүдэд л утга учиртай. Үүний физик утга нь ∆t хугацааны туршид системийн энергийг ∆E ∙ ∆t ≥ ħ/2 харьцаагаар тодорхойлсон ∆E утгаас илүү нарийвчлалтай хэмжих боломжгүй юм. Хөдөлгөөнгүй төлөв (ΔE→0) хязгааргүй (∆t→∞) оршдог.

Спин, бөөмийн таних тэмдэг, солилцооны харилцан үйлчлэл.“Спин” гэдэг ойлголтыг физикт В.Паули, Голландын физикч Р.Крониг, С.Гудсмит, Ж.Уленбек (1924-27) нарын бүтээлээр бий болгосон боловч түүний оршин тогтнох туршилтын нотолгоог бий болохоос нэлээд өмнө олж авсан байдаг. А.Эйнштейн, В.Ж.де Хаас (1915), мөн О.Штерн, Германы физикч В.Герлах (1922) нарын туршилтууд дахь квант механик. Электроны эргэлт (бөөмийн өөрийн механик импульс) нь S = ħ/2-тэй тэнцүү байна. Энэ бол квант бөөмийн цэнэг ба масстай адил чухал шинж чанар боловч сонгодог аналоги байхгүй.

σˆ= (σˆ x, σˆ y, σˆ z) нь хоёр хэмжээст Паули матрицууд болох эргэх оператор Ŝ = ħσˆ/2 нь хоёр бүрэлдэхүүн хэсэгтэй u = (u + , u -) хувийн функцүүдийн орон зайд тодорхойлогддог. z тэнхлэг дээрх эргэлтийн проекцын оператор Ŝ z: σˆ z u = σu, σ=±1/2. m масстай, S спинтэй бөөмийн дотоод соронзон момент μ нь μ = 2μ 0 S-тэй тэнцүү бөгөөд μ 0 = еħ/2ms нь Бор магнетон юм. Ŝ 2 ба Ŝ z операторууд нь устөрөгчийн атомын операторуудын Ĥ 0 L 2 ба L z олонлогтой ажиллаж, хамтдаа Паули тэгшитгэлийн (1927) Гамильтонианыг үүсгэдэг бөгөөд тэдгээрийн шийдлүүд нь i = ( олонлогоор дугаарлагдсан байдаг. nlmσ) Ĥ 0 , L 2 , L z , Ŝ 2 , Ŝ z-ийн олонлогийн хувийн утгуудын квант тоо. Эдгээр шийдлүүд нь атомын ажиглагдаж буй спектрүүдийн хамгийн нарийн шинж чанаруудыг, ялангуяа соронзон орон дахь спектрийн шугамуудыг хуваах (хэвийн ба гажиг Зееман эффект), түүнчлэн электрон спиний харилцан үйлчлэлийн үр дүнд тэдгээрийн олон талт бүтцийг тодорхойлдог. атомын тойрог замын импульс (нарийн бүтэц) ба цөмийн эргэлт (хэт нарийн бүтэц).

1924 онд квант механикийг бүтээхээс ч өмнө В.Паули хориглох зарчмыг томъёолсон: атом нь ижил квант тооны i = (nlmσ) хоёр электронтой байж болохгүй. Энэхүү зарчим нь химийн элементүүдийн үечилсэн системийн бүтцийг ойлгох, тэдгээрийн химийн шинж чанарын өөрчлөлтийн үечилсэн байдлыг цөмийн цэнэгийн нэг хэвийн өсөлтөөр тайлбарлах боломжийг олгосон.

Үл хамаарах зарчим нь бөөмийн эргэлт ба долгионы функцийн тэгш хэмийн хоорондын холбоог тогтоодог илүү ерөнхий зарчмын онцгой тохиолдол юм. Спинийн утгаас хамааран бүх элементар бөөмсийг хоёр ангилалд хуваадаг: фермионууд - хагас бүхэл спиртэй бөөмс (электрон, протон, μ-мезон гэх мэт) ба бозонууд - тэг буюу бүхэл тоо спиртэй бөөмс (фотон, π-мезон) , K -мезон гэх мэт). 1940 онд Паули спин ба статистикийн хоорондын уялдаа холбоотой ерөнхий теоремыг нотолсон бөгөөд үүнээс үзэхэд аливаа фермионы системийн долгионы функцүүд сөрөг париттай (хосоор дахин байрлуулах үед тэмдэг өөрчлөгддөг), долгионы функцийн паритет байдаг. Бозоны систем үргэлж эерэг байдаг. Үүний дагуу бөөмийн энергийн хуваарилалт нь Ферми-Дирак ба Бозе-Эйнштейний тархалт гэсэн хоёр төрөл байдаг бөгөөд тэдгээрийн онцгой тохиолдол нь фотонуудын системийн Планкийн тархалт юм.

Паули зарчмын үр дагаврын нэг бол солилцооны харилцан үйлчлэл гэж нэрлэгддэг зүйл бөгөөд энэ нь хоёр электрон системд аль хэдийн илэрдэг. Ялангуяа энэ харилцан үйлчлэл нь H 2, N 2, O 2 гэх мэт молекулуудын атомуудын ковалент химийн холбоог баталгаажуулдаг. Солилцооны харилцан үйлчлэл нь зөвхөн квант нөлөө юм. Түүний өвөрмөц байдлыг хоёр электронтой системийн долгионы функцийн магадлалын нягт |ψ(r 1 ,r 2)| 2 нь зөвхөн |ψ n (r 1)| гэсэн нэр томъёог агуулдаггүй 2 |ψ м (r 2)| 2, энд n ба m нь хоёр атомын электронуудын квант төлөв, гэхдээ бас “солилцооны нөхцөл” ψ n * (r 1)ψ m * (r 1)ψ n (r 2)ψ m (r 2) Энэ нь электрон бүрийг хоёр атомын n ба m янз бүрийн квант төлөвт нэгэн зэрэг байлгах боломжийг олгодог суперпозиция зарчмын үр дүнд үүсдэг. Нэмж дурдахад Паули зарчмын дагуу молекулын долгионы функцийн эргэлтийн хэсэг нь электронуудын дахин зохион байгуулалттай харьцуулахад тэгш хэмгүй байх ёстой, өөрөөр хэлбэл молекул дахь атомуудын химийн холбоог эсрэгээр нь хос электрон гүйцэтгэдэг. чиглэсэн эргэлтүүд. Нарийн төвөгтэй молекулуудын долгионы функцийг молекулын янз бүрийн боломжит тохиргоонд харгалзах долгионы функцүүдийн суперпозиция хэлбэрээр илэрхийлж болно (резонанс онол, Л. Паулинг, 1928).

Квантын механикт боловсруулсан тооцооллын аргууд (Хартри-Фокын арга, молекул орбитын арга гэх мэт) нь орчин үеийн компьютер дээр нарийн төвөгтэй молекулуудын тогтвортой тохиргооны бүх шинж чанарыг тооцоолох боломжтой болгодог: атом дахь электрон бүрхүүлийг дүүргэх дараалал, хоорондын тэнцвэрт зай. молекул дахь атомууд, химийн бондын энерги, чиглэл, орон зай дахь атомуудын байршил, химийн урвалын чиглэлийг тодорхойлох боломжит гадаргууг бий болгох. Энэхүү арга нь атом хоорондын болон молекул хоорондын харилцан үйлчлэлийн потенциалыг, тухайлбал ван дер Ваалсын хүчийг тооцоолох, устөрөгчийн холбоо гэх мэт хүчийг тооцоолох боломжийг олгодог. Тиймээс химийн бондын асуудлыг квантыг тооцоолох асуудал болгон бууруулж байна. Кулоны харилцан үйлчлэл бүхий бөөмсийн системийн шинж чанарууд бөгөөд энэ үүднээс авч үзвэл бүтцийн хими нь квант механикийн нэг салбар гэж үзэж болно.

Солилцооны харилцан үйлчлэл нь бөөмс хоорондын боломжит харилцан үйлчлэлийн төрлөөс ихээхэн хамаардаг. Ялангуяа зарим металлын хувьд параллель эргэлттэй хос электронуудын төлөв байдал илүү тогтвортой байдаг нь ферромагнетизмын үзэгдлийг тайлбарладаг.

Квант механикийн хэрэглээ.Квант механик бол квант физикийн онолын үндэс юм. Энэ нь атомын электрон бүрхүүлийн бүтэц, тэдгээрийн ялгаруулалтын спектрийн зүй тогтол, цөмийн бүтэц, цацраг идэвхт задралын хууль, химийн элементүүдийн гарал үүсэл, оддын хувьсал, тэр дундаа новаторуудын дэлбэрэлтийг ойлгох боломжийг олгосон. ба хэт шинэ гариг, түүнчлэн нарны энергийн эх үүсвэр. Квант механик нь элементүүдийн үечилсэн системийн утга учир, химийн холбоо, талстуудын бүтэц, бодисын дулааны багтаамж ба соронзон шинж чанар, хэт дамжуулалт ба хэт шингэний үзэгдлүүд гэх мэтийг тайлбарлав. хэрэглээ: спектрийн шинжилгээ, лазер, транзистор ба компьютер, цөмийн реактор, атомын бөмбөг гэх мэт.

Металл, диэлектрик, хагас дамжуулагч болон бусад бодисын шинж чанарууд нь квант механикийн хүрээнд байгалийн тайлбарыг хүлээн авдаг. Талстуудад атомууд нь ω давтамжтай тэнцвэрийн байрлалын ойролцоо жижиг чичиргээг гүйцэтгэдэг бөгөөд энэ нь болор торны чичиргээний квант ба харгалзах хагас бөөмс - E = ħω энергитэй фононуудтай холбоотой байдаг. Кристалын дулаан багтаамж нь түүний фонон хийн дулаан багтаамжаар ихээхэн тодорхойлогддог бөгөөд түүний дулаан дамжуулалтыг фонон хийн дулаан дамжуулалт гэж тайлбарлаж болно. Металлын хувьд дамжуулагч электронууд нь фермионы хий бөгөөд тэдгээрийн фононоор тархах нь дамжуулагчийн цахилгаан эсэргүүцлийн гол шалтгаан бөгөөд металлын дулааны болон цахилгаан шинж чанаруудын ижил төстэй байдлыг тайлбарладаг (Видеман-Францын хуулийг үзнэ үү). Соронзон эмх цэгцтэй бүтцэд квази бөөмс гарч ирдэг - квант шингэн дэх эргэлтийн долгионтой харгалзах магнонууд, эргэлтийн өдөөх квантууд - ротонууд гарч ирдэг ба бодисын соронзон шинж чанар нь электрон ба цөмийн эргэлтээр тодорхойлогддог (Соронзонг үз). Соронзон оронтой электрон ба цөмийн спинүүдийн харилцан үйлчлэл нь электрон парамагнит ба цөмийн соронзон резонансын үзэгдлүүд, ялангуяа эмнэлгийн томографуудад практик хэрэглээний үндэс суурь болдог.

Талстуудын эмх цэгцтэй бүтэц нь x → x + a шилжилтийн хувьд Гамильтоны нэмэлт тэгш хэмийг үүсгэдэг бөгөөд энд a нь болор торны үе юм. Квантын системийн үечилсэн бүтцийг харгалзан үзэх нь түүний энергийн спектрийг зөвшөөрөгдсөн болон хориотой бүсэд хуваахад хүргэдэг. Эрчим хүчний түвшний энэхүү бүтэц нь транзистор болон тэдгээрт суурилсан бүх электроникийн (ТВ, компьютер, гар утас гэх мэт) үйл ажиллагааны үндэс суурь болдог. 21-р зууны эхэн үед эрчим хүчний зурвасын тодорхой шинж чанар, бүтэцтэй талстуудыг (супер тор, фотоник талст ба гетероструктур: квант цэг, квант утас, нано хоолой гэх мэт) бий болгоход ихээхэн ахиц дэвшил гарсан.

Температур буурахад зарим бодисууд квант шингэний төлөвт шилждэг бөгөөд T → 0 температурт энерги нь системийн тэг цэгийн хэлбэлзлийн энергид ойртдог. Зарим металлд бага температурт Купер хосууд үүсдэг - эсрэг талын эргэлт ба момент бүхий хоёр электрон систем. Энэ тохиолдолд фермионуудын электрон хий нь бозоны хий болж хувирдаг бөгөөд энэ нь Bose конденсацийг үүсгэдэг бөгөөд энэ нь хэт дамжуулалтын үзэгдлийг тайлбарладаг.

Бага температурт атомын дулааны хөдөлгөөний де Бройлийн долгионы уртыг атом хоорондын зайтай харьцуулах боломжтой болж, олон тооны бөөмсийн долгионы функцүүдийн үе шатуудын харилцан хамаарал үүсдэг бөгөөд энэ нь макроскопийн квант нөлөөллийг бий болгодог (Жозефсоны эффект, соронзон урсгалын квантчлал, бутархай квант танхим). нөлөө, Андреевын тусгал).

Квантын үзэгдлүүд дээр үндэслэн янз бүрийн физик хэмжигдэхүүний хамгийн нарийвчлалтай квант стандартуудыг бий болгосон: давтамж (гели-неон лазер), цахилгаан хүчдэл (Жозефсон эффект), эсэргүүцэл (квант Холл эффект) гэх мэт, түүнчлэн янз бүрийн нарийвчлалын багажууд. хэмжилт: SQUIDS, квант цаг, квант гироскоп гэх мэт.

Квант механик нь атомын физикийн тодорхой үзэгдлүүдийг тайлбарлах онол хэлбэрээр үүссэн (эхэндээ үүнийг атомын динамик гэж нэрлэдэг байсан) боловч аажмаар квант механик нь бүх субатомын физикийн үндэс суурь болдог нь тодорхой болсон бөгөөд түүний бүх үндсэн ойлголтууд нь атомын физикийн үйл явцыг тайлбарлах боломжтой болсон. цөмийн физикийн үзэгдэл ба энгийн бөөмс. Анхны квант механик нь харьцангуй бус байсан, өөрөөр хэлбэл гэрлийн хурдаас хамаагүй бага хурдтай системийн хөдөлгөөнийг дүрсэлсэн байдаг. Энэ онол дахь бөөмсийн харилцан үйлчлэлийг сонгодог хэллэгээр дүрсэлсэн хэвээр байв. 1928 онд П.Дирак квант механикийн харьцангуйн тэгшитгэлийг (Диракийн тэгшитгэл) олсон бөгөөд энэ нь түүний бүх ойлголтыг хадгалахын зэрэгцээ харьцангуйн онолын шаардлагыг харгалзан үзсэн байна. Нэмж дурдахад бөөмс үүсэх, устгах, ялангуяа цацрагийн процесст фотон үүсэх, шингээх үйл явцыг дүрсэлсэн хоёрдогч квантчлалын формализмыг боловсруулсан. Үүний үндсэн дээр квант электродинамик үүссэн бөгөөд энэ нь цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэл бүхий системийн бүх шинж чанарыг маш нарийвчлалтай тооцоолох боломжтой болсон. Энэ нь хожим нь бөөмс болон тэдгээрийн харилцан үйлчлэх талбаруудыг нэг формализмд нэгтгэдэг квант талбайн онол болж хөгжсөн.

Элемент бөөмс ба тэдгээрийн харилцан үйлчлэлийг дүрслэхийн тулд квант механикийн бүх үндсэн ойлголтуудыг ашигладаг: долгион-бөөмсийн хоёрдмол байдал хүчинтэй хэвээр, операторуудын хэл ба квант тоо, ажиглагдсан үзэгдлийн магадлалын тайлбар гэх мэт. Тодруулбал, v e, ν μ ба ν τ (нейтрино хэлбэлзэл), түүнчлэн саармаг К-мезон гэсэн гурван төрлийн нейтриногийн харилцан хувиргалтыг тайлбарлахын тулд төлөвүүдийн суперпозиция зарчмыг ашигладаг.

Квант механикийн тайлбар. Квант механикийн тэгшитгэл, дүгнэлтийн үнэн зөвийг олон тооны туршилтаар удаа дараа нотолсон. "Копенгагены тайлбар" гэгддэг Н.Бор, түүний шавь нар, дагалдагчдын бүтээлээр бий болсон түүний үзэл баримтлалын тогтолцоог одоо нийтээр хүлээн зөвшөөрч байгаа хэдий ч квант механикийг бүтээгчид (М. Планк, А. Эйнштейн ба Э.Шредингер гэх мэт) амьдралынхаа эцэс хүртэл квант механик нь бүрэн бус онол гэдэгт итгэлтэй байсан. Квантын механикийг ойлгоход онцгой хүндрэлтэй байгаа нь ялангуяа түүний үндсэн ойлголтуудын ихэнхийг (долгион, бөөмс, ажиглалт гэх мэт) сонгодог физикээс авсантай холбоотой юм. Квант механикийн хувьд үйл ажиллагааны квант h-ийн хязгаарлагдмал байдлаас шалтгаалан тэдгээрийн утга, хэрэглээний хамрах хүрээ хязгаарлагдмал байдаг бөгөөд энэ нь эргээд мэдлэгийн философийн тогтоосон заалтуудыг эргэн харах шаардлагатай болсон.

Юуны өмнө квант механикт "ажиглалт" гэсэн ойлголтын утга өөрчлөгдсөн. Сонгодог физикийн хувьд хэмжилтийн үйл явцаас үүдэлтэй судлагдсан систем дэх эвдрэлийг зөв тооцож, ажиглалтын хэрэгслээс үл хамааран системийн анхны төлөвийг сэргээх боломжтой гэж үздэг. Квант механикийн хувьд тодорхойгүй байдлын хамаарал нь энэ замд үндсэн хязгаарлалт тавьдаг бөгөөд энэ нь туршилт хийгчийн ур чадвар, ашигласан ажиглалтын аргын нарийн мэдрэмжтэй ямар ч холбоогүй юм. Үйлдлийн квант h нь цахилгаан соронзон үзэгдлийн онол дахь гэрлийн хурд эсвэл термодинамик дахь температурын үнэмлэхүй тэгтэй адил квант механикийн хил хязгаарыг тодорхойлдог.

Тодорхой бус байдлын хамаарлаас татгалзсан шалтгаан, түүний логик үр дагаврыг мэдрэхэд тулгарч буй бэрхшээлийг даван туулах арга замыг Н.Бор нэмэлт байдлын үзэл баримтлалд дэвшүүлсэн (Нэмэлт зарчмыг үзнэ үү). Борын хэлснээр квант үзэгдлийн талаар бүрэн бөгөөд хангалттай дүрслэхийн тулд хос нэмэлт ойлголт, ажиглаж болохуйц хосыг шаарддаг. Эдгээр ажиглагдах зүйлсийг хэмжихийн тулд үл нийцэх шинж чанартай хоёр өөр төрлийн багаж шаардлагатай. Жишээлбэл, координатыг нарийн хэмжихийн тулд танд тогтвортой, их хэмжээний төхөөрөмж хэрэгтэй, харин импульсийг хэмжихийн тулд эсрэгээр хөнгөн, мэдрэмтгий төхөөрөмж хэрэгтэй. Эдгээр төхөөрөмж хоёулаа хоорондоо нийцэхгүй боловч квант объект эсвэл үзэгдлийг бүрэн тодорхойлоход тэдгээрийн хэмжсэн хэмжигдэхүүнүүд адилхан шаардлагатай гэсэн утгаараа бие биенээ нөхдөг. Бор "үзэгдэл" ба "ажиглалт" нь нэмэлт ойлголт бөгөөд тусад нь тодорхойлох боломжгүй гэж тайлбарлав: ажиглалтын үйл явц нь аль хэдийн тодорхой үзэгдэл бөгөөд ажиглалтгүйгээр тухайн үзэгдэл нь "өөрөө зүйл" юм. Бодит байдал дээр бид үзэгдлийн өөрөө биш, харин үзэгдлийг ажигласны үр дүнд үргэлж харьцдаг бөгөөд энэ үр дүн нь бусад зүйлсээс гадна квант объектын шинж чанарыг хэмжихэд ашигладаг төхөөрөмжийн төрлийг сонгохоос хамаарна. Квант механик ийм ажиглалтын үр дүнг ямар ч дур зоргоороо тайлбарлаж, таамагладаг.

Квантын тэгшитгэлээс сонгодог тэгшитгэлийн хоорондох чухал ялгаа нь квант системийн долгионы функц өөрөө ажиглагддаггүй бөгөөд түүний тусламжтайгаар тооцоолсон бүх хэмжигдэхүүнүүд магадлалын утгатай байдаг. Нэмж дурдахад квант механик дахь магадлалын тухай ойлголт нь магадлалын тухай ердийн ойлголтоос үндсэндээ ялгаатай бөгөөд бидний үйл явцын нарийн ширийн зүйлийг үл тоомсорлодог. Квантын механик дахь магадлал нь хэмжилтийн үр дүнг илэрхийлэх арга биш харин хэмжилтээс үл хамааран бие даасан квант үзэгдлийн дотоод шинж чанар юм. Үүний дагуу квант механик дахь суперпозиция зарчим нь магадлалыг биш харин магадлалын далайцыг илэрхийлдэг. Нэмж дурдахад үйл явдлын магадлалын шинж чанараас шалтгаалан квант төлөвүүдийн суперпозиция нь сонгодог үзэл бодлоос үл нийцэх төлөвүүдийг, жишээлбэл, тунгалаг дэлгэцийн хил дээрх ойсон болон дамжуулагдсан фотонуудын төлөв эсвэл өөр төлөвүүдийг багтааж болно. Алдарт интерференцийн туршилтын аль нэг цоорхойгоор дамжин өнгөрөх электрон.

Квант механикийн магадлалын тайлбарыг үгүйсгэсэн нь квант механикийн үндсэн зарчмуудыг өөрчлөх олон оролдлогыг бий болгосон. Эдгээр оролдлогуудын нэг нь учир шалтгааны хатуу хуулиудын дагуу өөрчлөгддөг далд параметрүүдийг квант механикт оруулах явдал бөгөөд квант механик дахь дүрслэлийн магадлалын шинж чанар нь эдгээр параметрүүдийг дундажлан авсны үр дүнд үүсдэг. Квант механикт түүний постулатын системийг зөрчихгүйгээр далд параметрүүдийг нэвтрүүлэх боломжгүй гэдгийг нотлох баримтыг 1929 онд Ж.фон Нейман өгсөн. Квант механикийн постулатын системийн илүү нарийвчилсан шинжилгээг 1965 онд Ж.Белл хийсэн. Беллийн тэгш бус байдал (1972) гэж нэрлэгддэг туршилтын баталгаажуулалт нь квант механикийн нийтээр хүлээн зөвшөөрөгдсөн схемийг дахин баталгаажуулав.

Өнөө үед квант механик нь хэрэглэх боломжийнхоо хүрээнд үргэлж зөв таамаглал өгдөг бүрэн бүтэн онол юм. Үүнийг өөрчлөх бүх мэдэгдэж буй оролдлогууд (тэдгээрийн арав орчим нь мэдэгдэж байгаа) түүний бүтцийг өөрчлөөгүй боловч квант үзэгдлийн тухай шинжлэх ухааны шинэ салбаруудын үндэс суурийг тавьсан: квант электродинамик, квант талбайн онол, цахилгаан сул харилцан үйлчлэлийн онол, квант хромодинамик, квант онол. таталцлын онол, чавхдас ба супер чавхдас гэх мэт.

Квант механик нь сонгодог механик, цахилгааны сургаал, харьцангуйн онол, кинетик онол зэрэг шинжлэх ухааны ололт амжилтуудын нэг юм. Байгалийн ямар ч физикийн онол ийм өргөн хүрээний физик үзэгдлүүдийг тайлбарлаагүй: 20-р зуунд физикийн салбарт 94 Нобелийн шагнал хүртсэний 12 нь л квант физиктэй шууд холбоогүй юм. Хүрээлэн буй байгалийн тухай мэдлэгийн бүх систем дэх квант механикийн ач холбогдол нь квант үзэгдлийн тухай сургаалын хамрах хүрээнээс хол давсан: энэ нь орчин үеийн физик, хими, тэр ч байтугай биологийн харилцааны хэлийг бий болгож, шинжлэх ухааны гүн ухааныг дахин хянан үзэхэд хүргэсэн. Шинжлэх ухаан, мэдлэгийн онол, түүний технологийн үр дагавар нь орчин үеийн соёл иргэншлийн хөгжлийн чиг хандлагыг тодорхойлдог хэвээр байна.

Лит.: Нейман I. Квант механикийн математик үндэс. М., 1964; Давыдов A. S. Квантын механик. 2-р хэвлэл. М., 1973; Дирак П. Квант механикийн зарчмууд. 2-р хэвлэл. М., 1979; Блохинцев Д.И. Квант механикийн үндэс. 7-р хэвлэл. Санкт-Петербург, 2004; Ландау L. D., Lifshits E. M. Квантын механик. Харьцангуй бус онол. 5-р хэвлэл. М., 2004; Фейнман Р., Лэйтон Р., Сэндс М. Квантын механик. 3-р хэвлэл. М., 2004; Пономарев Л.И. Квантын тэмдгийн дор. 2-р хэвлэл. М., 2007; Фок В.А. Квант механикийн эхлэл. 5-р хэвлэл. М., 2008.

"Хэрвээ бид квант онолын үндсэн санааг нэг өгүүлбэрээр тодорхойлох шаардлагатай байсан бол бид ингэж хэлж болно: зарим физик хэмжигдэхүүнүүдийг тасралтгүй гэж тооцдог , энгийн квантуудаас бүрдэнэ " (А. Эйнштейн)

19-р зууны төгсгөлд Ж.Томсон нээсэн электрон сөрөг цахилгааны энгийн квант (бөөм) байдлаар. Ийнхүү атомын болон цахилгааны онолыг шинжлэх ухаанд нэвтрүүлсэн физик хэмжигдэхүүн, Энэ нь зөвхөн үсрэлт, хязгаарт өөрчлөгдөж болно . Томсон электрон нь атомыг бүрдүүлэгч элементүүдийн нэг, бодисыг бий болгодог үндсэн барилгын блокуудын нэг гэдгийг харуулсан. Томсон бүтээсэн анхны загвар атом, Үүний дагуу атом нь "үзэмний боов" шиг электроноор дүүрсэн аморф бөмбөрцөг юм. Атомоос электроныг зайлуулах нь харьцангуй хялбар байдаг. Үүнийг атомыг халаах эсвэл бусад электронуудаар бөмбөгдөх замаар хийж болно.

Гэсэн хэдий ч их атомын массын ихэнх хэсэг танилцуулсан электронууд биш, харин үлдсэн хэсгүүд нь хамаагүй хүнд - атомын цөм . Энэ нээлтийг Э.Рутерфорд хийсэн бөгөөд алтны ялтасыг альфа тоосонцороор бөмбөгдөж, бөөмс нь асар том зүйлээс үсрэх мэт газар байдаг ба бөөмс чөлөөтэй нисдэг газар байдгийг олж мэдсэн. Рутерфорд энэхүү нээлт дээр үндэслэн атомын гаригийн загвараа бүтээжээ. Энэ загварын дагуу атомын төв хэсэгт атомын массын дийлэнх хэсгийг төвлөрүүлдэг цөм байдаг бөгөөд электронууд нь цөмийг тойрон тойрог замд эргэлддэг.

Фотоэлектрик эффект

1888-1890 онд фотоэлектрик эффектийг Оросын физикч А.П.Столетов судалжээ. Фотоэлектрик эффектийн онолыг 1905 онд А.Эйнштейн боловсруулсан. Металл дахь электронуудыг гэрлээр цохиж гарга. Электронууд металлаас зугтаж, тодорхой хурдтайгаар урагшилдаг. Бид эдгээр электронуудын тоог тоолж, хурд, энергийг нь тодорхойлох боломжтой. Хэрэв бид ижил долгионы урттай гэрлээр металлыг дахин гэрэлтүүлэх юм бол, гэхдээ илүү хүчирхэг эх үүсвэр, дараа нь хүн эрчим хүч гэж хүлээх болно илүү их электрон ялгарах болно . Гэсэн хэдий ч хурд ч биш электрон энерги өөрчлөгддөггүй гэрлийн эрч хүч нэмэгдэж байна. Энэ нь М.Планк энергийн квантыг нээх хүртэл асуудал хэвээр байсан.

М.Планкийн энергийн квантын нээлт

19-р зууны төгсгөлд физикт "хэт ягаан туяаны сүйрэл" гэж нэрлэгддэг хүндрэл гарч ирэв. Үнэмлэхүй хар биетийн дулааны цацрагийн спектрийн туршилтын судалгаа нь цацрагийн эрчмээс түүний давтамжаас тодорхой хамааралтай болохыг тогтоожээ. Нөгөөтэйгүүр, сонгодог электродинамикийн хүрээнд хийсэн тооцоолол нь огт өөр хамаарлыг өгсөн. Спектрийн хэт ягаан туяаны төгсгөлд цацрагийн эрч хүч хязгааргүй нэмэгдэх ёстой бөгөөд энэ нь туршилттай илт зөрчилдөж байна.

Энэ асуудлыг шийдэх гэж оролдохдоо Макс Планк цацрагийн механизмын талаархи сонгодог физикийн буруу ойлголтоос болж зөрчилдөөн үүсч байгааг хүлээн зөвшөөрөхөөс өөр аргагүй болжээ.

1900 онд тэрээр энерги ялгарах, шингээх нь тасралтгүй явагддаггүй, харин салангид байдлаар явагддаг гэсэн таамаглал дэвшүүлжээ. хэсгүүдэд (квант) E= утгатай h × n , Хаана Э- цацрагийн эрчим; n- цацрагийн давтамж; h– шинэ үндсэн тогтмол (Планкийн тогтмол, 6.6×10 -34 J×сек-тэй тэнцүү). Үүний үндсэн дээр "хэт ягаан туяаны сүйрлийг" даван туулсан.

М.Планк бидний харж байгаа зүйлийг санал болгосон цагаан гэрэл нь хоосон дундуур урсдаг энергийн жижиг хэсгүүдээс бүрддэг гэрлийн хурдтай орон зай. Планк энергийн эдгээр хэсгүүдийг квант гэж нэрлэдэг фотонууд .

Гэрлийн квант онол нь фотоэлектрик эффектийн тайлбарыг өгдөг нь тэр даруй тодорхой болов. Тиймээс фотонуудын урсгал металл хавтан дээр унадаг. Фотон атомыг мөргөж, электроныг устгадаг. Гаргасан электрон нь тухайн тохиолдол бүрт ижил энергитэй байх болно. Тэгвэл энэ нь ойлгомжтой гэрлийн эрчмийг нэмэгдүүлэх гэсэн үг ослын фотонуудын тоо нэмэгдэх . Энэ тохиолдолд металлаас хавтан, илүү олон тооны электронууд урагдах болно, гэхдээ тус бүрийн энерги нэг электрон өөрчлөгдөхгүй .

Гэрлийн квантуудын энерги нь янз бүрийн өнгөт туяа, долгионы хувьд өөр өөр байдаг өөр өөр давтамжууд . Тиймээс улаан гэрлийн фотонуудын энерги нь ягаан гэрлийн фотонуудын энергийн тал хувь юм. Харин рентген туяа нь цагаан гэрлийн фотоноос хамаагүй өндөр энергитэй фотонуудаас бүрддэг, өөрөөр хэлбэл рентген туяаны долгионы урт нь хамаагүй богино байдаг.

Гэрлийн квант ялгаруулалт нь атомын нэг энергийн түвшингээс нөгөөд шилжихтэй холбоотой юм. Атомын энергийн түвшин нь ихэвчлэн салангид байдаг, өөрөөр хэлбэл өдөөгддөггүй төлөвт атом ялгардаггүй, тогтвортой байдаг. Энэ заалтыг үндэслэн Н.Бор атомын загвараа 1913 онд бүтээжээ . Энэ загварын дагуу атомын төв хэсэгт электронууд хөдөлгөөнгүй тойрог замд эргэлддэг асар том цөм байдаг. Атом нь эрчим хүчийг байнга ялгаруулдаггүй, харин хэсэгчлэн (квантууд) зөвхөн өдөөгдсөн төлөвт байдаг. Энэ тохиолдолд бид электронуудын гаднах тойрог замаас дотоод тойрог руу шилжихийг ажиглаж байна. Атомоор энерги шингээх тохиолдолд электронууд дотоод тойрог замаас гадаад тойрог руу шилжинэ.

Квантын онолын үндэс

Дээрх нээлтүүд болон бусад олон нээлтүүдийг сонгодог механикийн үүднээс ойлгож, тайлбарлах боломжгүй байв. Шинэ онол хэрэгтэй байсан, тэр нь байсан 1925-1927 онд бүтээгдсэн Нэр квант механик .

Атом бол орчлон ертөнцийн сүүлчийн барилгын материал биш, харин өөрөө энгийн бөөмсөөс бүрддэг болохыг физикчид тогтоосны дараа энгийн бөөмсийг хайж эхэлжээ. Энгийн бөөмс нь атомын цөмөөс (протон, электрон, нейтроноос эхэлдэг) жижиг бөөмс юм. Өнөөдрийг хүртэл 400 гаруй энгийн бөөмсийг мэддэг.

Бидний мэдэж байгаагаар 1891 онд анх нээсэн энгийн бөөмс байсан электрон. 1919 онд Э.Рутерфорд нээгдэв протон, атомын цөмийн нэг хэсэг болох эерэг цэнэгтэй хүнд бөөмс. 1932 онд Английн физикч Жон Чадвик нээсэн нейтрон , цахилгаан цэнэггүй хүнд бөөмс, мөн атомын цөмд багтдаг. 1932 онд Пол Дирак эхнийхийг урьдчилан таамаглаж байсан эсрэг бөөмс – позитрон , масс нь электронтой тэнцүү, гэхдээ эсрэгээрээ (эерэг) цахилгаан цэнэгтэй.

20-р зууны 50-аад оноос хойш хэт хүчирхэг хурдасгуурууд - синхрофазотронууд нь энгийн бөөмсийг нээх, судлах гол хэрэгсэл болжээ. Орос улсад анхны ийм хурдасгуурыг 1957 онд Дубна хотод бүтээжээ. Хурдасгуурын тусламжтайгаар эсрэг бөөмсийг нээсэн: позитрон, дараа нь антипротон ба антинейтрон (цахилгаан цэнэггүй, харин нейтроны барион цэнэгийн эсрэг барион цэнэгтэй эсрэг бөөмс). Тэр цагаас хойш эсрэг бодис, антиматер, магадгүй эсрэг ертөнц оршин тогтнох боломжтой гэсэн таамаглал дэвшүүлж эхэлсэн. Гэсэн хэдий ч энэ таамаглалын туршилтын баталгаа хараахан гараагүй байна.

Энгийн бөөмсийн чухал шинж чанаруудын нэг нь тэдгээр нь маш жижиг масс, хэмжээстэй . Тэдний ихэнх нь 1.6х10-24 грамм, хэмжээ нь 10-16 см диаметртэй байдаг.

Энгийн бөөмсийн өөр нэг шинж чанар нь Төрөх, устгах чадвар, өөрөөр хэлбэл бусад хэсгүүдтэй харьцах үед ялгарах, шингээх чадвар . Жишээлбэл, электрон ба позитроны эсрэг талын хоёр бөөмийн харилцан үйлчлэлийн (мөхлийн) үед хоёр фотон (энергийн квант) ялгардаг: e - + e + = 2г.

Дараагийн чухал өмч бол хувиргах, өөрөөр хэлбэл, харилцан үйлчлэлийн явцад бөөмс хоорондоо нэгдэж, үүссэн бөөмийн масс нэмэгдэх болно. Нэгдэх үед ялгарах энергийн нэг хэсэг нь масс руу ордог тул бөөмийн шинэ масс нь нийлсэн хоёр бөөмийн нийлбэрээс их байна.

Бөөмүүд нь 1.харилцааны төрлөөр ялгаатай; 2. харилцан үйлчлэлийн төрлүүд; 3. масс; 4. насан туршдаа; 5. нуруу; 6. цэнэглэх.

Харилцааны төрөл ба төрлүүд

Харилцааны төрлүүд

Хүчтэй харилцан үйлчлэл атомын цөм дэх протон ба нейтроны хоорондох холбоог тодорхойлдог.

Цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэл – хүчтэйгээс бага эрчимтэй, атом дахь электрон ба цөмийн хоорондын холбоо, мөн молекул дахь атомуудын хоорондын холбоог тодорхойлдог.

Сул харилцан үйлчлэл удаашралтай үйл явц, ялангуяа бөөмийн задралын процессыг үүсгэдэг.

Таталцлын харилцан үйлчлэл - энэ нь бие даасан хэсгүүдийн харилцан үйлчлэл юм; Квантын механик дахь энэхүү харилцан үйлчлэлийн хүч нь массын жижиг байдлаас шалтгаалан маш бага боловч том массын харилцан үйлчлэлийн үед түүний хүч мэдэгдэхүйц нэмэгддэг.

Харилцааны төрлүүд

Квант механикийн хувьд бүх энгийн бөөмс нь зөвхөн хоёр төрлийн харилцан үйлчлэлцэж болно. адроник ба лептон .

Жин .

Тэдний массаас хамааран бөөмсийг хуваана хүнд (протон, нейтрон, гравитон гэх мэт), дунд болон хөнгөн (электрон, фотон, нейтрино гэх мэт)

Амьдралын хугацаа.

Тэдний оршин тогтнох хугацаанаас хамааран бөөмсийг хуваадаг тогтвортой, хангалттай урт наслалттай (жишээлбэл, протон, нейтрон, электрон, фотон, нейтрино гэх мэт), бараг тогтвортой , өөрөөр хэлбэл нэлээн богино хугацаатай (жишээлбэл, эсрэг бөөмс) ба тогтворгүй , маш богино наслах (жишээлбэл, мезон, пион, барион гэх мэт)

Ээрэх

Ээрэх (Англи хэлнээс - эргэх, эргүүлэх) нь квант шинж чанартай, бүхэлдээ бөөмийн хөдөлгөөнтэй холбоогүй энгийн бөөмийн дотоод өнцгийн импульсийг тодорхойлдог. Энэ нь Планкийн тогтмол (6.6 × 10 –34 J × сек) бүхэл тоо эсвэл хагас бүхэл үржвэрээр хэмжигддэг. Ихэнх энгийн бөөмсийн хувьд спин индекс 1/2 (электрон, протон, нейтрино) 1 (фотоны хувьд), 0 (P-мезон, К-мезон) байна.

Спин гэдэг ойлголтыг 1925 онд Америкийн эрдэмтэн Ж.Уленбек, С.Гудсмит нар физикт нэвтрүүлж, электроныг “эргэдэг орой” гэж үзэж болно гэсэн санааг дэвшүүлсэн.

Цахилгаан цэнэг

Элементар бөөмс нь эерэг эсвэл сөрөг цахилгаан цэнэгтэй эсвэл цахилгаан цэнэг огт байхгүй гэдгээрээ тодорхойлогддог. Цахилгаан цэнэгээс гадна барион бүлгийн элементар бөөмс нь барион цэнэгтэй байдаг.

20-р зууны 50-аад онд физикч М.Гелл-Манн, Г.Цвейг нар адрон дотор бүр ч илүү энгийн бөөмс байх ёстой гэж үзсэн. Цвейг тэднийг эйс гэж нэрлэсэн бол Гелл-Ман тэднийг кварк гэж нэрлэжээ. “Кварк” гэдэг үгийг Ж.Жойсын “Финнеганс сэрдэг” романаас авсан. Хожим нь кварк гэдэг нэр гацсан.

Гелл-Мэний таамаглалаар кваркууд гурван төрлийн (амт) байдаг. у – г – с. Тэд тус бүр нь эргэх = 1/2; ба цэнэг = электроны цэнэгийн 1/3 эсвэл 2/3. Бүх барионууд нь гурван кваркаас тогтдог. Жишээлбэл, протон нь үүд, нейтрон нь ддугаас гаралтай. Гурван кварк амт тус бүрийг гурван өнгөөр ​​хуваадаг. Энэ бол энгийн өнгө биш, харин цэнэгийн аналог юм. Тиймээс протоныг хоёр u - ба нэг d - кварк агуулсан уут гэж үзэж болно. Уут дахь кварк бүр өөрийн гэсэн үүлээр хүрээлэгдсэн байдаг. Протон-протоны харилцан үйлчлэлийг хангалттай бага зайд глюон солилцож эхэлдэг хоёр уут кваркуудын нэгдэл гэж илэрхийлж болно. Глюон нь зөөгч бөөмс (англи хэлнээс glue гэдэг нь цавуу гэсэн утгатай). Глюонууд нь атомын цөм дэх протон ба нейтроныг хооронд нь нааж, задрахаас сэргийлдэг. Зарим зүйрлэлийг хийцгээе.

Квант электродинамик: электрон, цэнэг, фотон. Квант хромодинамикийн хувьд тэдгээр нь: кварк, өнгө, глюонтой нийцдэг. Кваркууд нь адроны бүлгийн элементар бөөмсийн хоорондох олон тооны процесс, харилцан үйлчлэлийг тайлбарлахад шаардлагатай онолын объектууд юм. Асуудалд философийн хандлагын үүднээс авч үзвэл микро ертөнцийг макро ертөнцөөр тайлбарлах нэг арга бол кваркууд гэж хэлж болно.

Физик вакуум ба виртуал бөөмс

20-р зууны эхний хагаст Пол Дирак квант механикийн хууль, харьцангуйн онолыг харгалзан электронуудын хөдөлгөөнийг тодорхойлсон тэгшитгэлийг эмхэтгэсэн. Тэр гэнэтийн үр дүнд хүрсэн. Электрон энергийн томъёо нь 2 шийдлийг өгсөн: нэг шийдэл нь аль хэдийн танил болсон электронтой - эерэг энергитэй бөөмстэй, нөгөө нь сөрөг энергитэй бөөмстэй тохирч байв. Квант механикт сөрөг энергитэй бөөмийн төлөвийг гэж тайлбарладаг эсрэг бөөмс . Дирак бөөмсөөс эсрэг бөөмс үүсдэг болохыг анзаарсан.

Эрдэмтэн байдаг гэсэн дүгнэлтэд хүрсэн “физик вакуум", сөрөг энергитэй электронуудаар дүүрсэн байдаг. Физик вакуумыг ихэвчлэн "Дирак тэнгис" гэж нэрлэдэг байв. Бид сөрөг энергитэй электронуудыг яг таг ажигладаггүй, учир нь тэдгээр нь дэлхийн бүх үйл явдал өрнөдөг тасралтгүй үл үзэгдэх дэвсгэр (“далайн”) үүсгэдэг. Гэсэн хэдий ч энэ "далайн" нь тодорхой арга хэмжээ авах хүртэл ажиглагддаггүй. Фотон "Диракийн тэнгис"-д орохдоо "далайн" (вакуум) -ыг хүчээр өгч, сөрөг энергитэй олон электронуудын нэгийг нь устгадаг. Үүний зэрэгцээ, онолын дагуу хоёр бөөмс нэг дор төрөх болно: эерэг энергитэй ба сөрөг цахилгаан цэнэгтэй электрон ба эсрэг электрон, эерэг энергитэй боловч эерэг цэнэгтэй.

1932 онд Америкийн физикч К.Д.Андерсон туршилтаар сансрын туяанаас эсрэг электроныг нээж, түүнд нэр өгчээ. позитрон.

Өнөөдөр манай дэлхий дээрх бүх элементийн бөөмсийн хувьд эсрэг бөөмс (электрон - позитрон, протон - антипротон, фотонд - антифотон, тэр ч байтугай нейтроны хувьд - антинейтрон) байдаг нь аль хэдийн тодорхой болсон. .

Вакуумыг цэвэр "юу ч биш" гэсэн өмнөх ойлголт нь П.Диракийн онолын дагуу бөөмс-эсрэг бөөмс үүсгэсэн олон тооны хос болж хувирав.

Нэг физик вакуумын онцлог түүний дотор орших байдал юм "0"-тэй тэнцүү энергитэй, бодитгүй талбарууд тоосонцор. Гэхдээ талбар байгаа учраас тэр нь хэлбэлзэх ёстой. Вакуум дахь ийм хэлбэлзлийг тэг гэж нэрлэдэг, учир нь тэнд бөөмс байхгүй. Гайхалтай зүйл: талбайн хэлбэлзэл нь бөөмсийн хөдөлгөөнгүйгээр боломжгүй, гэхдээ энэ тохиолдолд хэлбэлзэл байдаг, гэхдээ бөөмс байхгүй! Дараа нь физик ийм буултыг олж чадсан: бөөмс тэг талбайн хэлбэлзэлд төрж, маш богино хугацаанд амьдарч, алга болдог. Гэсэн хэдий ч бөөмс нь "юунаас ч" төрж, масс, энергийг олж авдаг бөгөөд ингэснээр масс ба энерги хадгалагдах хуулийг зөрчдөг. Энд гол зүйл бол бөөмийн "амьдралын хугацаа"-д байгаа юм: энэ нь маш богино тул хуулийг зөрчихийг зөвхөн онолын хувьд тооцоолж болох боловч туршилтаар ажиглах боломжгүй юм. Нэг бөөмс "юунаас ч" төрж, тэр даруй үхсэн. Жишээлбэл, агшин зуурын электроны амьдрах хугацаа 10-21 секунд, агшин зуурын нейтроных 10-24 секунд байна. Энгийн чөлөөт нейтрон хэдэн минут амьдардаг боловч атомын цөмд тодорхой бус хугацаагаар амьдардаг. Маш бага амьдардаг бөөмсийг энгийн, бодитойноос ялгаатай нь нэрлэсэн. виртуал (Латин хэлнээс орчуулбал - боломжтой).

Хэрэв физик нь бие даасан виртуал бөөмсийг илрүүлж чадахгүй бол энгийн бөөмсөнд үзүүлэх нийт нөлөөг төгс бүртгэдэг. Жишээлбэл, физик вакуумд байрлуулж, бие биендээ ойртуулсан хоёр ялтсууд нь виртуал бөөмсийн нөлөөгөөр татагдаж эхэлдэг. Энэ баримтыг 1965 онд Голландын туршилтын физикч Хендрик Касимир нээсэн.

Үнэн хэрэгтээ, энгийн бөөмсийн хоорондох бүх харилцан үйлчлэл нь вакуум виртуал дэвсгэрийн зайлшгүй оролцоотойгоор явагддаг бөгөөд үүнд энгийн бөөмсүүд нь мөн нөлөөлдөг.

Виртуал бөөмс нь зөвхөн вакуум дотор харагдахгүй гэдгийг хожим харуулсан; Тэдгээрийг энгийн тоосонцор бас үүсгэж болно. Жишээлбэл, электронууд виртуал фотоныг байнга ялгаруулж, шууд шингээдэг.

Лекцийн төгсгөлд бид үүнийг тэмдэглэж байна атомист үзэл баримтлал, өмнөх шигээ гэсэн санаан дээр суурилдаг шинж чанарууд Физик бие нь эцсийн эцэст түүнийг бүрдүүлэгч хэсгүүдийн шинж чанар болгон бууруулж болно , Энэ түүхэн мөчид хуваагдашгүй гэж үздэг . Түүхэнд ийм бөөмсийг атом, дараа нь энгийн бөөмс, өнөөдөр кварк гэж үздэг. Философийн үүднээс авч үзвэл хамгийн ирээдүйтэй нь юм шиг санагддаг шинэ хандлага , суурилсан хуваагдашгүй суурь тоосонцор хайх тухай биш, харин нэгдмэл байдлаар тайлбарлахын тулд тэдний дотоод холболтыг тодорхойлох материалын формацийн шинж чанар . Энэ байр суурийг ч илэрхийлсэн В.Гейзенберг , гэхдээ харамсалтай нь хөгжлийг хараахан хүлээж аваагүй байна.

Квант механикийн үндсэн зарчим

Байгалийн шинжлэх ухааны түүхээс харахад физикчид бичил ертөнцийг судлах явцад тулгарч байсан энгийн бөөмсийн шинж чанарууд нь уламжлалт физик онолын хүрээнд тохирохгүй байна. Сонгодог физикийн үзэл баримтлал, зарчмуудыг ашиглан бичил ертөнцийг тайлбарлах оролдлого бүтэлгүйтэв. Шинэ үзэл баримтлал, тайлбарыг эрэлхийлэх нь шинэ физик онол болох квант механикийг бий болгоход хүргэсэн бөгөөд түүний гарал үүсэл нь В.Гейзенберг, Н.Бор, М.Планк, Э.Шредингер болон бусад шилдэг физикчид байв.

Микрообъектуудын өвөрмөц шинж чанарыг судлах нь туршилтаар эхэлсэн бөгөөд энэ хугацаанд үүнийг тогтоожээ тэр бичил биетүүд заримд нь туршилтууд нь бөөмс (корпускул) болон бусад хэлбэрээр илэрдэг – долгион шиг . Гэсэн хэдий ч гэрлийн мөн чанарыг судлах түүхийг, эс тэгвээс Ньютон, Гюйгенс хоёрын эвлэршгүй ялгааг санацгаая. Ньютон гэрлийг урсгал гэж үздэг корпус, болон Гюйгенс - яаж долгионтой тусгай орчинд тохиолддог хөдөлгөөн - эфир.

1900 онд энергийн салангид хэсгүүдийг (квантуудыг) нээсэн М.Планк энэ санааг нөхөв. квант эсвэл фотонуудын урсгал мэт гэрэл . Гэсэн хэдий ч гэрлийн квант ухагдахуунтай хамт гэрлийн долгионы механик Луи де Бройль, Э.Шредингер нарын бүтээлүүдэд үргэлжлэн хөгжиж байв. Луис де Бройли утаснуудын чичиргээ болон цацраг ялгаруулах атомын хоорондох ижил төстэй байдлыг олж илрүүлсэн. Элемент бүрийн атом нь энгийн бөөмсөөс бүрддэг: хүнд цөм ба хөнгөн электронууд. Энэхүү бөөмийн систем нь тогтсон долгион үүсгэдэг акустик хэрэгсэл шиг ажилладаг. Луис де Бройль ийм зоригтой таамаг дэвшүүлэв Нэг жигд, шулуунаар хөдөлж буй электрон нь тодорхой урттай долгион юм. Үүнээс өмнө гэрэл нь зарим тохиолдолд бөөмс, зарим тохиолдолд долгионы үүрэг гүйцэтгэдэг гэдэгт бид аль хэдийн дассан байсан. Электронтой холбоотойгоор бид үүнийг бөөмс гэж хүлээн зөвшөөрсөн (түүний масс ба цэнэгийг тодорхойлсон). Үнэн хэрэгтээ электрон нь цахилгаан эсвэл соронзон орон дотор хөдөлж байхдаа бөөмс шиг ажилладаг. Энэ нь мөн болор эсвэл дифракцийн тороор дамжин тархахдаа долгион шиг ажилладаг.

Дифракцийн торны туршилт

Энэ үзэгдлийн мөн чанарыг илчлэхийн тулд ихэвчлэн хоёр цоорхойтой бодлын туршилтыг хийдэг. Энэ туршилтанд эх үүсвэрээс ялгарах электрон цацраг С, хоёр цооногтой хавтангаар дамжин өнгөрч, дараа нь дэлгэц дээр цохино.

Хэрэв электронууд үрэл шиг сонгодог тоосонцор байсан бол эхний ангархайгаар дамжин өнгөрч буй дэлгэцэн дээр ирэх электронуудын тоог муруйгаар дүрслэх болно. IN, мөн хоёр дахь ангархай дундуур - муруй ХАМТ. Нийт хандалтын тоог нийт муруйгаар илэрхийлнэ Д.

Бодит байдал дээр огт өөр зүйл тохиолддог. Муруй INТэгээд ХАМТБид нүхний аль нэг нь хаагдсан тохиолдолд л хүлээн авах болно. Хэрэв хоёр нүх нэгэн зэрэг нээлттэй байвал гэрлийн долгион (муруй)-д тохиолддогтой адил максимум ба минимумын систем дэлгэц дээр гарч ирнэ. А).

Шинээр гарч ирж буй эпистемологийн нөхцөл байдлын онцлогийг дараах байдлаар тодорхойлж болно. Нэг талаас, физик бодит байдал нь нэг юм, өөрөөр хэлбэл талбар ба материйн хооронд ямар ч ялгаа байхгүй: талбар нь материйн шинж чанартай, корпускулын шинж чанартай, орон шиг бодисын хэсгүүд долгионы шинж чанартай байдаг. Нөгөөтэйгүүр, нэг физик бодит байдал нь хоёрдмол утгатай болох нь тогтоогдсон. Мэдээжийн хэрэг, асуудал гарч ирэв: бичил объектын бөөмс-долгионы шинж чанарын эсрэг заалтыг хэрхэн шийдвэрлэх вэ. Зөвхөн ялгаатай биш, харин эсрэг шинж чанарууд нь ижил бичил биеттэй холбоотой байдаг.

1925 онд Луис де Бройли (1875-1960) нэр дэвшсэн зарчим , үүний дагуу Материаллаг бөөмс бүр нь шинж чанараас үл хамааран байх ёстой урт нь урвуу долгионтой таарна нь бөөмийн импульстай пропорциональ байна: л = h / х , Хаана л- долгионы урт, h– Планкийн тогтмол нь 6.63 × 10 – 34 J × сек-тэй тэнцүү, r- бөөмийн импульс нь бөөмийн масс ба хурдны үржвэртэй тэнцүү ( r = м× v). Тиймээс энэ нь тогтоогдсон зөвхөн фотон (гэрлийн бөөмс) төдийгүй бусад электрон, протон, нейтрон гэх мэт материаллаг хэсгүүд байдаг хос шинж чанар . Энэ үзэгдлийг гэж нэрлэдэг долгион-бөөмийн хоёрдмол байдал . Тиймээс зарим туршилтанд энгийн бөөмс нь корпускул, заримд нь долгион шиг ажиллаж чаддаг. Үүнээс үзэхэд багаж, хэмжих хэрэгслийн нөлөөллийг тооцохгүйгээр бичил объектын аливаа ажиглалт боломжгүй юм. Манай макро сансарт бид судалж буй макро биетүүдэд ажиглалт, хэмжилтийн төхөөрөмжийн нөлөөг анзаардаггүй, учир нь энэ нөлөө нь маш бага бөгөөд үл тоомсорлож болно. Макротөхөөрөмжүүд нь бичил ертөнцөд эвдрэл үүсгэдэг бөгөөд бичил биетэд өөрчлөлт оруулахаас өөр аргагүй юм.

Бөөмийн корпускуляр ба долгионы шинж чанаруудын зөрчилдөөний үр дүнд Данийн физикч Н.Бор (1885-1962) 1925 онд нэр дэвшсэн харилцан нөхөх зарчим . Энэ зарчмын мөн чанар нь дараах байдалтай байв: атомын физикийн маш онцлог шинж чанар юм янз бүрийн туршилтаар ажиглагдсан үзэгдлүүдийн хоорондын шинэ харилцаа нөхцөл. Ийм нөхцөлд олж авсан туршилтын өгөгдлийг илэрхийлдэг тул нэмэлт гэж үзэх ёстой атомын объектуудын тухай адил чухал мэдээлэл ба, нийлээд тэднийг шавхдаг. Хэмжих хэрэгсэл болон судалж буй физик объектуудын харилцан үйлчлэл нь квант үзэгдлийн салшгүй хэсэг . Нэмэлт байдлын зарчим нь бичил ертөнцийн объектуудыг авч үзэх үндсэн шинж чанарыг өгдөг гэсэн дүгнэлтэд бид хүрч байна.

Квант механикийн дараагийн хамгийн үндсэн зарчим бол тодорхойгүй байдлын зарчим , 1927 онд боловсруулсан Вернер Хайзенберг (1901-1976). Үүний мөн чанар нь дараах байдалтай байна. Микро бөөмийн координатыг нэгэн зэрэг, ижил нарийвчлалтайгаар тодорхойлох боломжгүй юм болон түүний эрч хүч . Координатын хэмжилтийн нарийвчлал нь импульсийн хэмжилтийн нарийвчлалаас хамаардаг ба эсрэгээр; боломжгүй хоёулаа эдгээр хэмжигдэхүүнийг ямар ч нарийвчлалтайгаар хэмжих; координатын хэмжилтийн нарийвчлал их байх тусам ( X), импульс илүү тодорхойгүй байх тусам ( r), мөн эсрэгээр. Байрлалын хэмжилтийн тодорхойгүй байдал ба импульсийн хэмжилтийн тодорхойгүй байдлын үржвэр нь Планкийн тогтмол ( h), .

Энэ зарчмаар тодорхойлсон хил хязгаарыг хэмжих хэрэгсэл, хэмжилтийн горимыг сайжруулснаар үндсэндээ даван туулах боломжгүй юм. Тодорхойгүй байдлын зарчим үүнийг харуулсан квант механикийн таамаглал нь зөвхөн магадлал юм мөн бидний сонгодог механикт дассан нарийн таамаглалыг өгдөггүй. Энэ бол квант механикийн таамаглал тодорхойгүй байгаа нь эрдэмтдийн дунд маргаан үүсгэсэн бөгөөд одоо ч үүсгэсээр байна. Квант механикийн хувьд бүрэн тодорхойгүй байдлын тухай, өөрөөр хэлбэл түүний тухай ярьж байсан тодорхойгүй байдал. Шинжлэх ухаан, хэмжилтийн технологи хөгжихийн хэрээр квант механикийн хуулиуд үнэн зөв, найдвартай болно гэдэгт сонгодог физикийн төлөөлөгчид итгэлтэй байв. Эдгээр эрдэмтэд итгэсэн хэмжилт, таамаглалын нарийвчлалд хязгаар байхгүй.

Детерминизм ба интерминизмын зарчим

Сонгодог детерминизм нь Лапласын (18-р зуун) "Бүх дэлхийн бөөмсийн анхны өгөгдлийг надад өгөөч, би чамд бүх дэлхийн ирээдүйг урьдчилан таамаглах болно" гэсэн үгээр эхэлсэн. Оршин буй бүх зүйлийг урьдчилан тодорхойлох, тодорхой болгох энэхүү туйлын хэлбэрийг Лапласын детерминизм гэж нэрлэдэг.

Хүн төрөлхтөн эрт дээр үеэс Бурханы урьдаас тогтоосон хувь тавилан, дараа нь учир шалтгааны "төмөр" холбоо гэдэгт итгэдэг. Гэсэн хэдий ч эрхэм дээдсийг үл тоомсорлож болохгүй болж байгаа, хэн бидний хувьд санаанд оромгүй, боломжгүй зүйлсийг зохион байгуулдаг. Атомын физикт санамсаргүй байдал онцгой тод илэрдэг. Дэлхий ертөнц шугаман зохион байгуулалттай биш, бидний хүссэн шиг энгийн зүйл биш гэсэн ойлголтонд бид дасах ёстой.

Детерминизмын зарчим Энэ нь ялангуяа сонгодог механикт тод илэрдэг. Тиймээс сүүлийнх нь үүнийг заадаг анхны мэдээллийн дагуу механик системийн бүрэн төлөвийг аль ч үед тодорхойлох боломжтой ирээдүй хичнээн хол байсан ч хамаагүй . Үнэн хэрэгтээ энэ нь зөвхөн илэрхий энгийн байдал юм. Тэгэхээр, Сонгодог механикт ч гэсэн анхны өгөгдлийг хязгааргүй нарийвчлалтайгаар тодорхойлох боломжгүй . Нэгдүгээрт, анхны өгөгдлийн жинхэнэ үнэ цэнийг зөвхөн зарим нь бидэнд мэддэг магадлалын зэрэг . Хөдөлгөөний явцад механик систем нөлөөлнө санамсаргүй хүч, бидний урьдчилан харж чадахгүй байгаа . Хоёрдугаарт, эдгээр хүч нь маш бага байсан ч тэдний нөлөө удаан хугацааны туршид маш чухал байж болно. Мөн бид системийн ирээдүйг урьдчилан таамаглахыг зорьж буй энэ хугацаанд ийм баталгаа байхгүй систем нь тусгаарлагдсан хэвээр байх болно . Гуравдугаарт, сонгодог механикт эдгээр гурван нөхцөл байдлыг ихэвчлэн үл тоомсорлодог. Санамсаргүй байдлын нөлөөг үл тоомсорлож болохгүй, учир нь цаг хугацаа өнгөрөх тусам эхний нөхцлийн тодорхойгүй байдал нэмэгддэг таамаглал төгс болно утгагүй .

Туршлагаас харахад санамсаргүй хүчин зүйлүүд ажилладаг системд ажиглалт олон удаа давтагдах үед тодорхой хэв маягийг илрүүлж болно. статистик (магадлал) . Хэрэв систем нь олон санамсаргүй нөлөөлөлтэй бол детерминист (динамик) загвар нь өөрөө тохиолдлын үйлчлэгч болдог; мөн өөрөө боломж нь шинэ төрлийн хэв маягийг бий болгодог – статистик . Динамик зүй тогтлоос статистикийн зүй тогтлыг гаргаж авах боломжгүй. Санамсаргүй байдал чухал үүрэг гүйцэтгэж эхэлдэг системүүдэд статистик (магадлал) шинж чанартай таамаглал гаргах шаардлагатай байдаг. Тиймээс, боломж нь детерминизмаас дордохгүй хэв маягийг бий болгох чадвартай гэдгийг бид "де-факто" хүлээн зөвшөөрөх ёстой.

Квант механик үндсэндээ онол юм статистикийн хэв маягт үндэслэсэн . Тиймээс бие даасан бичил бөөмийн хувь тавилан, түүний түүхийг зөвхөн ерөнхий ойлголтоор авч үзэх боломжтой. Бөөмийг зөвхөн орон зайд тодорхой хэмжээгээр нутагшуулах боломжтой бөгөөд анхны нутагшуулалт нь илүү нарийвчлалтай байх тусам энэ нутагшуулалт нь цаг хугацааны явцад муудах болно - энэ нь тодорхойгүй байдлын шууд үр дагавар юм. Гэсэн хэдий ч энэ нь квант механикийн үнэ цэнийг ямар ч байдлаар бууруулдаггүй. Квант механикийн хуулиудын статистик шинж чанарыг түүний сул тал эсвэл детерминист онолыг хайх хэрэгцээ гэж үзэж болохгүй - ийм зүйл байхгүй байх магадлалтай.

Квант механикийн статистик шинж чанар нь дутагдалтай гэсэн үг биш юм учир шалтгааны холбоо . Квант механик дахь учир шалтгааны холбоо гэж тодорхойлсон сансар огторгуй дахь үйл явдлыг эрэмбэлэх тодорхой хэлбэр мөн цаг хугацааны хувьд, мөн энэ эмх цэгц нь түүний ногдуулдаг эмх замбараагүй мэт санагдах үйл явдлуудад хүртэл хязгаарлалт тавьдаг .

Статистикийн онолд учир шалтгааны хамаарлыг хоёр янзаар илэрхийлдэг.

• статистикийн хэв маяг нь өөрөө хатуу захиалгатай байдаг;
• бие даасан энгийн бөөмс (үйл явдлууд) нь орон зай, цаг хугацааны харьцангуй байршил нь учир шалтгааны холбоог, өөрөөр хэлбэл бөөмсийг эрэмбэлэх дүрмийг зөрчихгүйгээр хийх боломжийг олгосон тохиолдолд л нөгөөдөө нөлөөлж чадахаар эрэмблэгдсэн байдаг.

Квантын онол дахь учир шалтгааны холбоог алдарт Э.Шредингерийн тэгшитгэлээр илэрхийлдэг . Энэ тэгшитгэл нь устөрөгчийн атомын хөдөлгөөнийг (квант ансамбль) дүрсэлсэн бөгөөд өмнөх төлөв нь цаг хугацааны хувьд түүний дараагийн төлөвийг (устөрөгчийн атом дахь электроны төлөв - координат ба импульс) тодорхойлдог.

(psi) - долгионы функц; т- цаг хугацаа; - цаг хугацааны явцад функцийг нэмэгдүүлэх; h– Планкийн тогтмол ( h=6.63×10 -34 J×сек); бинь дурын бодит тоо юм.

Өдөр тутмын амьдралдаа бид дууддаг шалтгаан өөр нэг үзэгдлийг үүсгэсэн үзэгдэл. Сүүлийнх нь шалтгааны үйл ажиллагааны үр дүн, өөрөөр хэлбэл үр дагавар . Ийм тодорхойлолтууд нь эргэн тойрныхоо ертөнцийг өөрчлөх хүмүүсийн шууд практик үйл ажиллагаанаас үүссэн бөгөөд тэдний үйл ажиллагааны шалтгаан-үр дагаврын шинж чанарыг онцлон тэмдэглэв. Орчин үеийн шинжлэх ухаанд зонхилох чиг хандлага нь учир шалтгааны хамаарлыг хуулиар тогтоох. Тухайлбал, шинжлэх ухааны нэрт арга зүйч, гүн ухаантан Р.Карнап нар “Учир шалтгааны тухай ойлголтын утгын талаарх хэлэлцүүлгийг шинжлэх ухаанд байдаг олон төрлийн хуулиудыг судлах замаар орлуулах нь илүү үр дүнтэй байх болно” гэж үзсэн.

Детерминизм ба индертерминизмын хувьд орчин үеийн шинжлэх ухаан зайлшгүй ба тохиолдлыг органик байдлаар хослуулдаг. Иймээс ертөнц болон түүн доторх үйл явдлууд нь онцгой байдлаар урьдчилан тодорхойлогддоггүй, эсвэл цэвэр санамсаргүй, ямар нэгэн зүйлээр болзолгүй байдаг. Сонгодог Лапласын детерминизм нь байгальд тохиолдох тохиолдлыг үгүйсгэх замаар зайлшгүй байдлын үүргийг хэт чухалчлан үзэж, ертөнцийг гажуудуулсан үзлийг бий болгосон. Орчин үеийн хэд хэдэн эрдэмтэд квант механикийн тодорхой бус байдлын зарчмыг бусад салбарт нэвтрүүлж, хэрэгцээг үгүйсгэж, тохиолдлын давамгайллыг тунхаглав. Гэсэн хэдий ч хэрэгцээ ба тохиолдлыг бодит байдлын харилцан уялдаатай, нэмэлт талууд гэж үзэх нь хамгийн тохиромжтой байр суурь байх болно.

Өөрийгөө хянах асуултууд

1. Байгалийг дүрслэх үндсэн ойлголтууд юу вэ?
2. Байгалийг дүрслэх физикийн зарчмуудыг нэрлэ.
3. Дэлхийн физикийн дүр төрх юу вэ? Түүний ерөнхий ойлголтыг өгч, үндсэн түүхэн төрлүүдийг нэрлэнэ үү.
4. Физик хуулиудын нийтлэг шинж чанар юу вэ?
5. Квант ба сонгодог механикийн хооронд ямар ялгаа байдаг вэ?
6. Харьцангуйн тусгай болон ерөнхий онолуудын гол дүгнэлтүүд юу вэ?
7. Орчин үеийн физикийн үндсэн зарчмуудыг нэрлэж, тэдгээрийг товч тайлбарлана уу.

1. Андреев Е.П. Бичил ертөнцийн орон зай. М., Наука, 1969 он.
2. Гарднер М. Сая сая хүмүүсийн харьцангуйн онол. М., Атомиздат, 1967.
3. Heisenberg V. Квантын онолын физикийн зарчим. Л.-М., 1932 он.
4. Жаммер М. Квант механикийн үзэл баримтлалын хувьсал. М., Мир, 1985.
5. Дирак П. Квант механикийн зарчмууд. М., 1960.
6. Дубнищева Т.Я. Орчин үеийн байгалийн шинжлэх ухааны үзэл баримтлал. Новосибирск, 1997 он. Семинарын нэр Тэмдэглэл

   Илтгэлүүд

   Илтгэлийн гарчиг	Тэмдэглэл

   Багш нар

   Багшийн нэр	Тэмдэглэл

ОХУ-ын БОЛОВСРОЛЫН ЯАМ

МОСКВА УЛСЫН РАДИО ИНЖЕНЕР, ЭЛЕКТРОНИК, АВТОМАТИКИЙН ИНСТИТУТ (ТЕХНИКИЙН ИХ СУРГУУЛЬ)

А.А. БЕРЗИН, В.Г. МОРОЗОВ

КВАНТ МЕХАНИКИЙН ҮНДЭС

Заавар

Москва - 2004 он

Танилцуулга

Квантын механик нь зуун жилийн өмнө гарч ирсэн бөгөөд 1930 онд уялдаа холбоотой физик онол болж хувирсан. Одоогийн байдлаар энэ нь бидний эргэн тойрон дахь ертөнцийн талаарх бидний мэдлэгийн үндэс суурь гэж тооцогддог. Удаан хугацааны туршид квант механикийг хэрэглээний асуудалд ашиглах нь зөвхөн цөмийн эрчим хүч (ихэвчлэн цэргийн) -ээр хязгаарлагдаж байв. Гэсэн хэдий ч транзисторыг 1948 онд зохион бүтээсний дараа

Хагас дамжуулагч электроникийн гол элементүүдийн нэг бөгөөд 1950-иад оны сүүлээр лазерыг бүтээсэн - квант гэрлийн үүсгүүр нь квант физикийн нээлтүүд асар их практик чадавхитай бөгөөд энэ шинжлэх ухааныг нухацтай мэддэг байх нь зөвхөн мэргэжлийн физикчдэд зайлшгүй шаардлагатай болох нь тодорхой болсон. , гэхдээ бусад мэргэжлүүдийн төлөөлөгчид - химич, инженер, тэр ч байтугай биологичдод зориулагдсан.

Квантын механик нь суурь төдийгүй хэрэглээний шинжлэх ухааны шинж чанарыг улам бүр эзэмшиж эхэлснээр физикийн бус мэргэжлээр суралцаж буй оюутнуудад түүний үндсийг заах асуудал гарч ирэв. Оюутан эхлээд ерөнхий физикийн хичээлээр зарим квант санаатай танилцдаг боловч дүрмээр бол энэ танил нь санамсаргүй баримт, тэдгээрийн маш хялбаршуулсан тайлбараас өөр зүйлээр хязгаарлагддаг. Нөгөөтэйгүүр, их сургуулийн физикийн тэнхимд заадаг квант механикийн бүрэн курс нь байгалийн нууцыг задлахад биш, харин техникийн болон бусад практик асуудлыг шийдвэрлэхэд мэдлэгээ ашиглахыг хүсдэг хүмүүст илүүдэхгүй. Квант механикийн хичээлийг хэрэглээний мэргэжлээр суралцаж буй оюутнуудад заах хэрэгцээнд нийцүүлэн "дасан зохицох" хүндрэл нь квантын хуулиудын практик хэрэглээнд чиглэсэн "шилжилтийн" хичээлүүдийг бий болгох олон оролдлогыг үл харгалзан аль хэдийн бүрэн даван туулж чадаагүй байна. Энэ нь квант механикийн өөрийн онцлогтой холбоотой юм. Нэгдүгээрт, квант механикийг ойлгохын тулд оюутан сонгодог физикийн нарийн мэдлэгийг шаарддаг: Ньютоны механик, цахилгаан соронзонгийн сонгодог онол, харьцангуйн тусгай онол, оптик гэх мэт. Хоёрдугаарт, квант механикт бичил ертөнц дэх үзэгдлийг зөв тайлбарлахын тулд тодорхой байдлыг золиослох хэрэгтэй. Сонгодог физик нь илүү их эсвэл бага харааны үзэл баримтлалтай ажилладаг; Тэдний туршилттай холбогдох нь харьцангуй энгийн. Квант механикт байдал өөр байна. L.D-ийн тэмдэглэснээр. Квант механикийг бий болгоход чухал хувь нэмэр оруулсан Ландау "бидний төсөөлөхөө больсон зүйлийг ойлгох шаардлагатай байна." Ихэвчлэн квант механикийг судлахад тулгарч буй бэрхшээлийг ихэвчлэн хийсвэр математикийн аппаратаар тайлбарладаг бөгөөд үүнийг ашиглах нь ойлголт, хуулиудын тодорхой байдал алдагдсанаас зайлшгүй шаардлагатай байдаг. Үнэн хэрэгтээ, квант механик асуудлыг хэрхэн шийдвэрлэх талаар сурахын тулд дифференциал тэгшитгэлийг мэддэг байх, нийлмэл тоонуудтай харьцахдаа чөлөөтэй байхаас гадна илүү их зүйлийг хийх чадвартай байх хэрэгтэй. Гэхдээ энэ бүхэн орчин үеийн техникийн их сургуулийн оюутны математикийн сургалтаас хэтрэхгүй. Квант механикийн жинхэнэ бэрхшээл нь зөвхөн математиктай төдийгүй, бүр тийм ч их холбоотой биш юм. Баримт нь аливаа физик онолын нэгэн адил квант механикийн дүгнэлтийг урьдчилан таамаглаж, тайлбарлах ёстой бодит туршилтууд, тиймээс та хэмжигдэхүйц физик хэмжигдэхүүнүүд болон ажиглагдах үзэгдлүүдтэй хийсвэр математик бүтцийг холбож сурах хэрэгтэй. Энэ чадварыг хүн бүр бие даан, голчлон асуудлыг бие даан шийдэж, үр дүнг ойлгох замаар хөгжүүлдэг. Ньютон мөн: "Шинжлэх ухааныг судлахад жишээ нь дүрмээс илүү чухал байдаг." Квант механикийн тухайд эдгээр үгс маш их үнэнийг агуулдаг.

Уншигчдад санал болгож буй энэхүү гарын авлага нь MIREA-д квант механикийн үндсийг судлах “Физик 4” хичээлийг электроникийн болон РТС-ийн бүх факультетийн оюутнууд болон тэдгээр мэргэжлээр суралцаж буй оюутнуудад заах олон жилийн туршлага дээр үндэслэсэн болно. кибернетикийн факультет, физик нь үндсэн эрдэм шинжилгээний салбаруудын нэг юм. Гарын авлагын агуулга, материалын танилцуулга нь олон тооны объектив болон субъектив нөхцөл байдлаас шалтгаална. Юуны өмнө “Физик 4” хичээл нь нэг семестрт зориулагдсан гэдгийг анхаарах шаардлагатай байв. Тиймээс орчин үеийн квант механикийн бүх хэсгээс электроник ба квант оптиктай шууд холбоотой - квант механикийн хэрэглээний хамгийн ирээдүйтэй чиглэлүүдийг сонгосон. Гэсэн хэдий ч бид ерөнхий физик, хэрэглээний техникийн хичээлүүдээс ялгаатай нь оюутнуудын эзэмших чадварыг харгалзан эдгээр хэсгүүдийг нэгдсэн, нэлээд орчин үеийн арга барилын хүрээнд толилуулахыг хичээсэн. "Физик 4" хичээл нь оюутнуудаас лекцийн төлөвлөгөөнд тусгаагүй асуудлыг бие даан судлах шаардлагатай курсын ажил эсвэл бие даасан даалгаврыг биелүүлэхийг шаарддаг тул гарын авлагын хэмжээ нь лекц, практик хичээлийн агуулгаас давсан байна. Их сургуулийн физикийн тэнхимийн оюутнуудад зориулагдсан квант механикийн сурах бичигт эдгээр асуудлыг танилцуулах нь техникийн их сургуулийн оюутны бэлтгэлийн түвшингээс давж гардаг. Тиймээс энэхүү гарын авлагыг курсын ажил болон бие даасан даалгаварт материалын эх сурвалж болгон ашиглаж болно.

Гарын авлагын чухал хэсэг бол дасгалууд юм. Тэдгээрийн заримыг нь текстэд шууд өгсөн, үлдсэнийг нь догол мөр бүрийн төгсгөлд байрлуулсан болно. Ихэнх дасгалууд нь уншигчдад зориулсан зааварчилгааг агуулдаг. Дээр дурдсан квант механикийн үзэл баримтлал, аргуудын "ер бусын" байдалтай холбогдуулан дасгал хийх нь хичээлийг судлах зайлшгүй шаардлагатай элемент гэж үзэх ёстой.

1. Квантын онолын физик гарал үүсэл

1.1. Сонгодог физиктэй зөрчилддөг үзэгдлүүд

Сонгодог физикийн тайлбарлаж чадаагүй, эцэст нь квант онол үүсэхэд хүргэсэн үзэгдлүүдийн талаар товч тоймоор эхэлцгээе.

Хар биеийн тэнцвэрт цацрагийн спектр.Физик дээр үүнийг санаарай

Хар бие (ихэвчлэн "үнэмлэхүй хар бие" гэж нэрлэдэг) нь ямар ч давтамжийн цахилгаан соронзон цацрагийг бүрэн шингээдэг бие юм.

Хар бие нь мэдээжийн хэрэг төгс загвар боловч үүнийг энгийн төхөөрөмж ашиглан өндөр нарийвчлалтайгаар хийх боломжтой.

Жижиг нүхтэй хаалттай хөндий, дотоод хана нь цахилгаан соронзон цацрагийг сайн шингээдэг бодисоор бүрхэгдсэн, жишээлбэл, хөө тортог (1.1-р зургийг үз). Хэрэв хананы температур T тогтмол байвал хананы бодисын хооронд дулааны тэнцвэр үүснэ.

Цагаан будаа. 1.1. болон хөндий дэх цахилгаан соронзон цацраг. 19-р зууны төгсгөлд физикчдийн идэвхтэй хэлэлцсэн асуудлын нэг бол тэнцвэрт цацрагийн энергийг хэрхэн хуваарилдаг вэ?

Цагаан будаа. 1.2.

давтамжууд? Тоон хувьд энэ тархалтыг спектрийн цацрагийн энергийн нягт u ω-ээр тодорхойлно. Productu ω dω нь ω-ээс ω +dω хүртэлх давтамжтай нэгж эзэлхүүн дэх цахилгаан соронзон долгионы энерги юм. Спектрийн энергийн нягтыг Зураг дээр үзүүлсэн хөндийн нээлтийн цацрагийн спектрийг шинжлэх замаар хэмжиж болно. 1.1. Хоёр температурын утгын хувьд u ω-ийн туршилтын хамаарлыг Зураг дээр үзүүлэв. 1.2. Температур нэмэгдэхийн хэрээр муруйн дээд тал нь өндөр давтамж руу шилжиж, хангалттай өндөр температурт ω m давтамж нь нүдэнд харагдах цацрагийн бүсэд хүрч болно. Бие нь гэрэлтэж эхлэх бөгөөд температур нэмэгдэх тусам биеийн өнгө нь улаанаас ягаан болж өөрчлөгдөнө.

Одоогоор бид туршилтын өгөгдлийн талаар ярилцсан. Сонгодог статистик физикийн аргууд болон Максвеллийн цахилгаан соронзон онолын тусламжтайгаар u ω функцийг нарийн тооцоолох боломжтой байсан нь хар биеийн цацрагийн спектрийг сонирхох болсон. Сонгодог статистик физикийн дагуу дулааны тэнцвэрт байдалд аливаа системийн энерги нь бүх эрх чөлөөний зэрэгт жигд тархдаг (Больцманы теорем). Цацрагийн талбайн бие даасан чөлөөт зэрэг нь тодорхой туйлшрал, давтамжтай цахилгаан соронзон долгион юм. Больцманы теоремоор T температурт дулааны тэнцвэрт ийм долгионы дундаж энерги нь k B T-тэй тэнцүү байх ба k B = 1. 38· 10− 23 Ж/ К нь Больцманы тогтмол юм. Тийм ч учраас

Энд c нь гэрлийн хурд. Тиймээс тэнцвэрийн спектрийн цацрагийн нягтын сонгодог илэрхийлэл нь хэлбэртэй байна

Энэ томьёо бол алдартай Рэйли-Жинсын томъёо юм. Сонгодог физикийн хувьд энэ нь үнэн зөв бөгөөд нэгэн зэрэг утгагүй юм. Үнэн хэрэгтээ, дулааны тэнцвэрт байдалд дурын температурт дур мэдэн өндөр давтамжийн цахилгаан соронзон долгионууд (жишээлбэл, хэт ягаан туяа, рентген туяа, тэр ч байтугай хүнийг үхэлд хүргэдэг гамма цацраг) байдаг бөгөөд цацрагийн давтамж өндөр байх тусам илүү их энерги түүн дээр бууна. Тэнцвэрийн цацрагийн сонгодог онол ба туршилтын хоорондох илэрхий зөрчилдөөн нь физикийн уран зохиолд сэтгэл хөдлөлийн нэрээр нэрлэгддэг. хэт ягаан туяа

сүйрэл Английн нэрт физикч Лорд Келвин 19-р зууны физикийн хөгжлийг нэгтгэн дүгнэхдээ дулааны цацрагийн тэнцвэрт байдлын асуудлыг шийдэгдээгүй гол асуудлын нэг гэж нэрлэснийг тэмдэглэе.

Фото эффект. Сонгодог физикийн өөр нэг "сул тал" бол фотоэлектрик эффект буюу гэрлийн нөлөөн дор бодисоос электроныг таслах явдал байв. Электронуудын кинетик энерги нь цахилгаан талбайн далайцын квадраттай пропорциональ гэрлийн эрчмээс хамаардаггүй нь бүрэн ойлгомжгүй байв.

В гэрлийн долгион бөгөөд бодис дээр туссан энергийн дундаж урсгалтай тэнцүү байна. Нөгөө талаас, ялгарсан электронуудын энерги нь гэрлийн давтамжаас ихээхэн хамаардаг бөгөөд давтамж нэмэгдэх тусам шугаман нэмэгддэг. Үүнийг бас тайлбарлах боломжгүй

В сонгодог электродинамикийн хүрээнд, Максвеллийн онолын дагуу цахилгаан соронзон долгионы энергийн урсгал нь түүний давтамжаас хамаардаггүй бөгөөд далайцаар бүрэн тодорхойлогддог. Эцэст нь туршилтаар бодис бүрийн хувьд нэг зүйл байдаг гэдгийг харуулсанфотоэлектрик эффектийн улаан хил, өөрөөр хэлбэл, хамгийн бага

электрон уналт эхлэх давтамж ω мин. Хэрэвω< ω min , то свет с частотойω не выбьет ни одного электрона, независимо от интенсивности.

Комптон эффект. Сонгодог физикийн тайлбарлаж чадаагүй өөр нэг үзэгдлийг 1923 онд Америкийн физикч А.Комптон нээжээ. Тэрээр цахилгаан соронзон цацраг (рентген давтамжийн мужид) чөлөөт электронуудаар тархах үед тархсан цацрагийн давтамж нь туссан цацрагийн давтамжаас бага болохыг олж мэдсэн. Энэхүү туршилтын баримт нь сонгодог электродинамиктай зөрчилддөг бөгөөд үүний дагуу ослын болон тархсан цацрагийн давтамж нь яг тэнцүү байх ёстой. Үүнийг шалгахын тулд танд нарийн төвөгтэй математик хэрэггүй. Цэнэглэгдсэн бөөмсөөр цахилгаан соронзон долгионыг тараах сонгодог механизмыг эргэн санахад хангалттай. Схем

электрон), цаг хугацааны явцад ирж буй долгион дахь оронтой ижил давтамжтай ω өөрчлөгддөг. Сонгодог электродинамикийн дагуу хурдатгалтай хөдөлж буй цэнэг нь цахилгаан соронзон долгион үүсгэдэг. Энэ бол тархсан цацраг юм. Хэрэв хурдатгал нь ω давтамжтай гармоник хуулийн дагуу цаг хугацааны явцад өөрчлөгдвөл ижил давтамжтай долгион ялгарна. Ирсэн цацрагийн давтамжаас бага давтамжтай тархсан долгионы харагдах байдал нь сонгодог электродинамиктай илт зөрчилдөж байна.

Атомын тогтвортой байдал. 1912 онд байгалийн шинжлэх ухааны цаашдын хөгжилд маш чухал үйл явдал болсон - атомын бүтцийг тодруулсан. Английн физикч Э.Рутерфорд бодис дахь альфа бөөмсийг тараах туршилт хийхдээ эерэг цэнэг болон атомын бараг бүх масс нь 10−12 - 10−13 см хэмжээтэй цөмд төвлөрдөг болохыг тогтоожээ. Цөмийн хэмжээсүүд нь атомын хэмжээтэй (ойролцоогоор 10−8 см) харьцуулахад маш бага байсан. Туршилтынхаа үр дүнг тайлбарлахын тулд Рутерфорд атом нь нарны аймагтай төстэй бүтэцтэй гэж таамаглаж байсан: гаригууд нарны эргэн тойронд хөдөлдөгтэй адил гэрлийн электронууд асар том цөмийн эргэн тойронд тойрог замд хөдөлдөг. Электроныг тойрог замд нь байлгадаг хүч нь цөмийн таталцлын Кулоны хүч юм. Өнгөцхөн харахад ийм "гаргийн загвар" маш их харагддаг

1 Хаа сайгүй тэмдэглэсэн тэмдэг нь эерэг элементар цэнэгийг = 1.602· 10− 19 С-ийг илэрхийлдэг.

сэтгэл татам: энэ нь тодорхой, энгийн бөгөөд Рутерфордын туршилтын үр дүнтэй нийцэж байна. Түүнээс гадна, энэ загвар дээр үндэслэн зөвхөн нэг электрон агуулсан устөрөгчийн атомын иончлолын энергийг тооцоолоход хялбар байдаг. Тооцоолол нь иончлолын энергийн туршилтын утгатай сайн тохирч байна. Харамсалтай нь, шууд утгаараа атомын гаригийн загвар нь тааламжгүй сул талтай байдаг. Сонгодог электродинамикийн үүднээс авч үзвэл ийм атом зүгээр л оршин тогтнох боломжгүй юм; тэр тогтворгүй байна. Үүний шалтгаан нь маш энгийн: электрон тойрог замдаа хурдатгалтайгаар хөдөлдөг. Электроны хурд өөрчлөгдөхгүй байсан ч цөм рүү чиглэсэн хурдатгал (хэвийн буюу "төв рүү чиглэсэн" хурдатгал) хэвээр байна. Гэхдээ дээр дурдсанчлан хурдатгалтай хөдөлж буй цэнэг нь цахилгаан соронзон долгионыг ялгаруулах ёстой. Эдгээр долгион нь энергийг зөөдөг тул электроны энерги буурдаг. Түүний тойрог замын радиус багасч, эцэст нь электрон цөм дээр унах ёстой. Бидний танилцуулахгүй энгийн тооцоолол нь тойрог зам дахь электроны "амьдралын хугацаа" нь ойролцоогоор 10-8 секунд болохыг харуулж байна. Тиймээс сонгодог физик нь атомуудын тогтвортой байдлыг тайлбарлаж чадахгүй.

Дээрх жишээнүүд нь 19-20-р зууны зааг дээр сонгодог физикт тулгарч байсан бүх бэрхшээлийг дуусгаж чадахгүй. Үүний дүгнэлт нь туршилттай зөрчилдөж байгаа бусад үзэгдлүүдийг бид дараа нь квант механикийн аппарат боловсруулж, зөв ​​тайлбарыг өгөх үед авч үзэх болно. Онол ба туршилтын өгөгдлийн хоорондох зөрчилдөөн аажмаар хуримтлагдах нь сонгодог физикийн хувьд "бүх зүйл эмх цэгцтэй байдаггүй" гэдгийг ойлгоход хүргэсэн бөгөөд цоо шинэ санаа хэрэгтэй.

1.2. Осцилляторын энергийн квантчлалын тухай Планкийн таамаглал

2000 оны арванхоёрдугаар сард квант онолын зуун жилийн ой тохиосон. Энэ огноо нь Макс Планкийн дулааны цацрагийн тэнцвэрт байдлын асуудлыг шийдэх арга замыг санал болгосон ажилтай холбоотой юм. Хялбар болгох үүднээс Планк хөндийн хананы бодисын загвар болгон (1.1-р зургийг үз) цэнэглэгдсэн осцилляторын системийг, өөрөөр хэлбэл тэнцвэрийн байрлалын эргэн тойронд гармоник хэлбэлзлийг гүйцэтгэх чадвартай хэсгүүдийг сонгосон. Хэрэв ω нь осцилляторын байгалийн давтамж юм бол энэ нь ижил давтамжтай цахилгаан соронзон долгионыг ялгаруулж, шингээх чадвартай. Зураг дээрх хөндийн ханыг үзүүлээрэй. 1.1. бүх боломжит байгалийн давтамжтай осцилляторуудыг агуулна. Дараа нь дулааны тэнцвэрт байдал тогтоосны дараа ω давтамжтай цахилгаан соронзон долгионы дундаж энерги нь ижил байгалийн хэлбэлзэлтэй осцилляторын E ω дундаж энергитэй тэнцүү байх ёстой. 5-р хуудсанд өгөгдсөн үндэслэлийг эргэн санахад тэнцвэрийн спектрийн цацрагийн нягтыг дараах хэлбэрээр бичье.

1 Латинаар "квант" гэдэг үг нь шууд утгаараа "хэсэг" эсвэл "хэсэг" гэсэн утгатай.

Хариуд нь энергийн квант нь осцилляторын давтамжтай пропорциональ байна.

Зарим хүмүүс мөчлөгийн давтамжийн оронд ω шугаман давтамж гэж нэрлэгддэг ν =ω/ 2π-г ашиглахыг илүүд үздэг бөгөөд энэ нь секундэд хэлбэлзлийн тоотой тэнцүү юм. Дараа нь энергийн квантын илэрхийлэл (1.6) хэлбэрээр бичигдэж болно

h = 2π 6, 626176· 10− 34 J· s утгыг мөн Планкийн тогтмол1 гэж нэрлэдэг.

Осцилляторын энергийн квантчлалын таамаглал дээр үндэслэн Планк тэнцвэрийн цацрагийн спектрийн нягтын дараах илэрхийлэлийг олж авсан2.

Бага давтамжийн бүсэд (ω k B T ) Планкийн томъёо нь Рэйлей-Жинсийн томъёо (1.3) -тай бараг давхцдаг бөгөөд өндөр давтамжид (ω k B T) туршилтын дагуу спектрийн цацрагийн нягт хурдан тэг болж хувирдаг. .

1.3. Цахилгаан соронзон орны квантуудын тухай Эйнштейний таамаглал

Осцилляторын энергийн квантчлалын талаархи Планкийн таамаглал нь сонгодог механикт тохирохгүй боловч үүнийг гэрлийн бодистой харилцан үйлчлэх механизм нь цацрагийн энергийг зөвхөн хэсэгчлэн шингээж, ялгаруулдаг гэсэн утгаар тайлбарлаж болно. утгыг (1.5) томъёогоор тодорхойлно. 1900 онд атомын бүтцийн талаар бараг юу ч мэддэггүй байсан тул Планкийн таамаглал нь сонгодог хуулиудыг бүрэн үгүйсгэсэн гэсэн үг биш юм. Илүү радикал таамаглалыг 1905 онд Альберт Эйнштейн илэрхийлсэн. Фотоэлектрик эффектийн хуулиудад дүн шинжилгээ хийхдээ тэрээр тодорхой давтамжтай ω гэрэл нь энерги бүхий бие даасан бөөмс (фотон) -аас бүрддэг гэдгийг хүлээн зөвшөөрвөл тэдгээр нь байгалийн жамаар тайлбарлагддаг болохыг харуулсан.

1 Заримдаа, аль Планк тогтмолыг хэлж байгааг онцлохын тулд үүнийг "зайлсан Планкийн тогтмол" гэж нэрлэдэг.

2 Одоо энэ илэрхийллийг Планкийн томъёо гэж нэрлэдэг.

Энд Aout нь ажлын функц, өөрөөр хэлбэл бодис дахь электроныг барьж буй хүчийг даван туулахад шаардагдах энерги1. (1.11) томъёогоор тодорхойлсон фотоэлектроны энергийн гэрлийн давтамжаас хамаарах хамаарал нь туршилтын хамааралтай маш сайн тохирч байсан бөгөөд энэ томьёоны утга нь (1.7) утгатай маш ойр байсан. Фотоны таамаглалыг хүлээн авснаар дулааны цацрагийн тэнцвэрт байдлыг тайлбарлах боломжтой байсан гэдгийг анхаарна уу. Үнэн хэрэгтээ цахилгаан соронзон орны энергийг бодисоор шингээх, ялгаруулах нь квант хэлбэрээр явагддаг, учир нь яг ийм энергитэй бие даасан фотонууд шингэж, ялгардаг.

1.4. Фотоны импульс

Фотонуудын тухай ойлголтыг нэвтрүүлсэн нь гэрлийн корпускуляр онолыг тодорхой хэмжээгээр сэргээсэн. Фотон нь "жинхэнэ" бөөмс гэдгийг Комптон эффектийн шинжилгээгээр баталж байна. Фотоны онолын үүднээс авч үзвэл рентген туяаны сарнилыг фотонуудын электронтой мөргөлдөх бие даасан үйлдлүүд (1.3-р зургийг үз), энерги ба импульс хадгалагдах хуулиудыг хангасан байх ёстой.

Энэ үйл явц дахь энерги хадгалагдах хууль нь хэлбэртэй байна

Дашрамд хэлэхэд, эндээс ω гэдэг нь шууд тодорхой болно< ω ; это наблюдается и в эксперименте. Чтобы записать закон сохранения импульса в эффекте Комптона, необходимо найти выражение для импульса фотона. Это можно сделать на основе следующих простых рассуждений. Фотон всегда движется со скоростью светаc , но, как известно из теории относительности, частица, движущаяся со скоростью света, должна

тэг масстай. Тэгэхээр харьцангуйн ерөнхий илэрхийллээс

энерги E =m 2 c 4 +p 2 c 2 Эндээс фотоны энерги ба импульс нь E =pc хамаарлаар хамааралтай болно. Томьёог (1.10) эргэн санаснаар бид олж авна

Одоо Комптон эффект дэх импульс хадгалагдах хуулийг ингэж бичиж болно

Уншигчдад үлдээсэн (1.12) ба (1.18) тэгшитгэлийн системийн шийдэл (1.2-р дасгалыг үзнэ үү) тархсан цацрагийн долгионы уртыг өөрчлөх дараах томъёог гаргахад хүргэдэг ∆λ =λ − λ:

цацраг тархсан бөөмийн Комптон долгионы урт (масс m) гэж нэрлэдэг. Хэрэв m =m e = 0.911· 10− 30 кг нь электроны масс бол λ C = 0.0243· 10− 10 м бол Комптон, дараа нь бусад олон туршилтчдын хийсэн ∆λ хэмжилтийн үр дүн дараах байдалтай бүрэн нийцэж байна. (1.19) томьёоны таамаглал ба (1.20) илэрхийлэлд орсон Планкийн тогтмолын утга нь дулааны тэнцвэрт цацраг ба фотоэлектрик эффектийн туршилтаас олж авсан утгатай давхцаж байна.

Гэрлийн фотон онол гарч ирэн, хэд хэдэн үзэгдлийг тайлбарлаж чадсаны дараа хачирхалтай нөхцөл байдал үүссэн. Үнэндээ гэрэл гэж юу вэ гэсэн асуултад хариулахыг хичээцгээе. Нэг талаас, фотоэлектрик эффект ба Комптон эффектийн хувьд энэ нь бөөмийн урсгал - фотон шиг ажилладаг боловч нөгөө талаас интерференц ба дифракцийн үзэгдлүүд нь гэрэл нь цахилгаан соронзон долгион гэдгийг тууштай харуулж байна. "Макроскопийн" туршлага дээр үндэслэн бид бөөмс нь хязгаарлагдмал хэмжээстэй, тодорхой траекторийн дагуу хөдөлдөг биет бөгөөд долгион нь орон зайн мужийг дүүргэдэг, өөрөөр хэлбэл энэ нь тасралтгүй биет гэдгийг мэддэг. Нэг физик бодит байдал - цахилгаан соронзон цацрагийн талаархи эдгээр хоёр бие биенээ үгүйсгэдэг үзэл бодлыг хэрхэн нэгтгэх вэ? Гэрлийн долгион-бөөмийн парадокс (эсвэл философичдын хэлснээр долгион-бөөмийн хоёрдмол байдал) зөвхөн квант механикт л тайлбарлагдаж байсан. Энэ шинжлэх ухааны үндэс суурьтай танилцсаны дараа бид үүн рүү буцах болно.

1 Долгионы векторын модулийг долгионы дугаар гэж нэрлэдэг гэдгийг санаарай.

Дасгал

1.1. Эйнштейний томъёог (1.11) ашиглан улаан өнгө байдгийг тайлбарлабодисын хил хязгаар. ω мин фото эффектийн хувьд. Экспрессω мин электрон ажлын функцээр дамжуулан

1.2. Комптон эффект дэх цацрагийн долгионы уртын өөрчлөлтийн илэрхийлэл (1.19) гарга.

Санамж: Тэгш байдлыг (1.14) c-д хувааж, долгионы тоо болон давтамжийн (k =ω/c) хамаарлыг ашиглан бид бичнэ.

p2 + m2 e c2 = (k − k) + me c.

Хоёр талыг квадрат болгосны дараа бид авна

Энд ϑ нь зурагт үзүүлсэн тархалтын өнцөг юм. 1.3. (1.21) ба (1.22) -ын баруун талыг тэгшитгэснээр бид тэгшитгэлд хүрнэ.

me c(k − k) = kk(1 −cos ϑ) .

Энэ тэгшитгэлийг 2π-аар үржүүлж, m e ckk-д хувааж, долгионы тооноос долгионы урт (2π/k =λ) руу шилжихэд л үлддэг.

2. Атомын энергийн квантчлал. Микробөөмийн долгионы шинж чанар

2.1. Борын атомын онол

Квант механикийг орчин үеийн хэлбэрээр шууд судлахын өмнө бид Планкийн квантчлалын санааг атомын бүтцийн асуудалд хэрэгжүүлэх анхны оролдлогын талаар товч ярилцах болно. Бид 1913 онд Нильс Борын дэвшүүлсэн атомын онолын талаар ярих болно. Борын өөртөө тавьсан гол зорилго бол 1908 онд Ритцийн нэгтгэсэн зарчим гэж нэрлэгддэг устөрөгчийн атомын ялгаралтын спектрийн гайхалтай энгийн загварыг тайлбарлах явдал байв. Энэ зарчмын дагуу устөрөгчийн спектрийн бүх шугамын давтамжийг дарааллыг бүхэл тоогоор илэрхийлсэн тодорхой тооны T (n) ("нэг томьёо") -ын зөрүүгээр илэрхийлж болно.

КВАНТЫН МЕХАНИК
материал ба цацрагийн бүх энгийн хэлбэрүүдийн динамик зан үйл, тэдгээрийн харилцан үйлчлэлийн үндсэн физик онол. Квант механик нь атом, атомын цөм, молекул ба физикийн биетүүд, түүнчлэн тэдгээрээс бүрддэг энгийн бөөмсийн тухай орчин үеийн онолын үндэс суурь юм. Квантын механикийг атом хэрхэн ажилладагийг ойлгохыг эрэлхийлсэн эрдэмтэд бүтээсэн. Атомын процессыг физикчид, ялангуяа химичүүд олон жилийн турш судалж ирсэн; Энэ асуудлыг танилцуулахдаа бид онолын талаар дэлгэрэнгүй ярихгүйгээр тухайн сэдвийн хөгжлийн түүхэн замыг дагах болно. Мөн үзнэ үүАТОМ.
Онолын гарал үүсэл. 1911 онд Э.Резерфорд, Н.Бор нар атомын цөмийн загварыг санал болгоход яг л гайхамшиг болсон юм. Ер нь 200 гаруй жил мэдэгдэж байсан зүйлээр баригдсан. Энэ нь үндсэндээ нарны аймгийн Коперникийн загвар байсан бөгөөд микроскопоор хуулбарласан: төвд нь удалгүй цөм гэж нэрлэгддэг хүнд масс байдаг бөгөөд түүний эргэн тойронд электронууд эргэлддэг бөгөөд тэдгээрийн тоо нь атомын химийн шинж чанарыг тодорхойлдог. . Үүгээр ч зогсохгүй энэхүү харааны загварын цаана хамгийн жижиг, хамгийн энгийн атомуудаас бүрдсэн бодисуудын химийн болон физикийн зарим шинж чанарыг тооцоолж эхлэх боломжтой онол байсан. Бор-Рутерфордын онол нь орчин үеийн онолд бүгд нэг хэлбэрээр хадгалагдан үлдсэн тул энд эргэн санахад хэрэгтэй хэд хэдэн заалтыг агуулж байсан. Нэгдүгээрт, атомыг холбодог хүчний мөн чанарын тухай асуудал чухал юм. 18-р зуунаас цахилгаанаар цэнэглэгдсэн биетүүд нь тэдгээрийн хоорондох зайн квадраттай урвуу хамааралтай хүчээр бие биенээ татах буюу түлхэх нь мэдэгдэж байсан. Резерфорд цацраг идэвхт хувирлын үр дүнд үүссэн альфа бөөмсийг туршилтын бие болгон ашиглахдаа цахилгаан харилцан үйлчлэлийн ижил хууль (Куломын хууль) нь анх туршилтаар тогтоогдсон хэмжээнээсээ сая сая дахин бага масштаб дээр хүчинтэй болохыг харуулсан. Планк, А.Эйнштейн нар гэрлийн мөн чанарын талаар Бор нар хий ялгаруулах хоолой дахь устөрөгчийн атомын цацрагийн спектрийг бүхэлд нь тоон байдлаар тайлбарлаж, элементүүдийн үечилсэн системийн бүх үндсэн хуулиудын чанарын тайлбарыг өгч чадсан. 1920 он гэхэд хүнд атомуудын ялгарлын спектрийн асуудлыг шийдэж, нэгдлүүд дэх атомуудыг хооронд нь холбодог химийн хүчний эрчмийг тооцоолох цаг болжээ. Гэхдээ энд амжилтын хуурмаг байдал арилав. Бор болон бусад судлаачид устөрөгчийн хажууд хоёр электронтой хамгийн энгийн атом болох гелийн спектрийг тооцоолох гэж хэдэн жилийн турш оролдсон ч бүтэлгүйтэв. Эхлээд юу ч бүтсэнгүй; Эцэст нь хэд хэдэн судлаачид энэ асуудлыг янз бүрийн аргаар шийдсэн боловч хариулт нь буруу болсон - энэ нь туршилттай зөрчилдсөн. Дараа нь химийн харилцан үйлчлэлийн ямар ч хүлээн зөвшөөрөгдөх онолыг бий болгох нь ерөнхийдөө боломжгүй юм. 1920-иод оны эхэн гэхэд Борын онол хүчин мөхөсдөв. Бор 1914 онд найздаа бичсэн захидалдаа өөрийн өвөрмөц ярвигтай хэв маягаар хэлсэн бошиглолын үг үнэн болохыг хүлээн зөвшөөрөх цаг иржээ: "Асуудал нь маш том бэрхшээлийг хамардаг гэдэгт би итгэх хандлагатай байгаа бөгөөд үүнийг зөвхөн үүнийг даван туулж чадна. ердийн бодлуудаас одоог хүртэл шаардагдаж байснаас хамаагүй илүү урагшилж, өмнө нь хүрсэн амжилт нь зөвхөн авч үзсэн системийн энгийн байдлаас үүдэлтэй юм."
Мөн үзнэ үү
BOR Niels Henrik David;
ГЭРЭЛ;
РЮТЕРФОРД Эрнест;
СПЕКТРОСКОПИ.
Эхний алхамууд. Борын цахилгаан ба механикийн салбарт урьд өмнө байсан санаануудыг квантчлалын нөхцөлтэй хослуулсан нь буруу үр дүнд хүргэсэн тул бүх зүйлийг бүхэлд нь эсвэл хэсэгчлэн өөрчлөх шаардлагатай болсон. Борын онолын үндсэн заалтуудыг дээр дурьдсан бөгөөд холбогдох тооцоололд энгийн алгебр, математикийн шинжилгээг ашиглан тийм ч төвөгтэй биш тооцоо хийхэд хангалттай байв. 1925 онд Германы залуу физикч В.Гейзенберг Копенгагенд Бор дээр зочилж, түүнтэй олон цагаар ярилцаж, Борын онолоос ирээдүйн онолд заавал юуг оруулах ёстой, зарчмын хувьд юуг орхиж болох талаар олж мэдэв. Бор, Гейзенберг нар ирээдүйн онол нь шууд ажиглагдаж болох бүх зүйлийг заавал илэрхийлэх ёстой бөгөөд ажиглагдахгүй байгаа бүхнийг өөрчлөх эсвэл авч үзэхээс хасах боломжтой гэдгийг шууд хүлээн зөвшөөрсөн. Хэйзенберг анхнаасаа атомыг хадгалах ёстой гэж үздэг байсан ч атом дахь электрон тойрог замыг хийсвэр санаа гэж үзэх ёстой, учир нь ямар ч туршилтаар электрон тойрог замыг хэмжилтээр тодорхойлж чадахгүй. гаригууд. Уншигч энд тодорхой логик бус зүйл байгааг анзаарч магадгүй: хатуу хэлэхэд атом нь электрон тойрог зам шиг шууд ажиглагдахгүй, ерөнхийдөө хүрээлэн буй ертөнцийн талаарх бидний ойлголтод тайлбар шаарддаггүй ганц ч мэдрэмж байдаггүй. Эйнштейн Гейзенбергтэй ярилцахдаа "Бид яг юу ажиглав, онол бидэнд хэлдэг" гэсэн алдартай афоризмыг өнөө үед физикчид улам эш татах болсон. Иймээс ажиглагдаж болох ба үл ажиглагдах хэмжигдэхүүнүүдийн ялгаа нь хатуу логик, сэтгэл зүйд ямар ч үндэслэлгүй, цэвэр практик шинж чанартай бөгөөд энэ ялгааг яаж хийсэн бай хамаагүй онолын нэг хэсэг гэж үзэх ёстой. Иймээс ажиглагдахгүй бүх зүйлээс цэвэршсэн онолын Гейзенбергийн идеал нь сэтгэлгээний тодорхой чиглэл боловч шинжлэх ухааны тууштай хандлага биш юм. Гэсэн хэдий ч энэ нь атомын онолыг анх боловсруулснаас хойш бараг хагас зуун жилийн турш ноёрхсон. Цахилгаан хүчний тухай Кулоны хууль, Ньютоны динамик хуулиуд, алгебрийн ердийн дүрэм зэрэг Борын анхны загварын бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг бид аль хэдийн эргэн дурссан. Хэйзенберг нарийн шинжилгээ хийснээр Ньютоны динамикийн зөв илэрхийлэлийг олж, дараа нь алгебрийн дүрмийг өөрчлөх замаар цахилгаан ба динамикийн мэдэгдэж буй хуулиудыг хадгалах боломжтой гэдгийг харуулсан. Ялангуяа электроны q байрлал болон импульс p нь хэмжигдэхүйц хэмжигдэхүүн биш тул жишээлбэл, машины байрлал, импульс нь бид хүсвэл тэдгээрийг хадгалах боломжтой гэж Гейзенберг санал болгосон. онолыг тоогоор биш харин үсгээр илэрхийлсэн математик тэмдэг гэж үзэх замаар л. Тэрээр p ба q-ийн алгебрийн дүрмийг баталсан бөгөөд үүний дагуу pq бүтээгдэхүүн нь qp бүтээгдэхүүнтэй давхцдаггүй. Хэйзенберг q байрлал ба импульс p нь хамаарлыг хангадаг гэж үзвэл атомын системийн энгийн тооцоолол нь хүлээн зөвшөөрөгдөх үр дүнг өгдөг болохыг харуулсан.

Энд h нь цацрагийн квантын онолоос аль хэдийн мэдэгдэж байсан, Борын онолд тусгагдсан Планкийн тогтмол юм, a. Планкийн тогтмол h нь нийтлэг тоо боловч маш бага, ойролцоогоор 6.6×10-34 J*s байна. Тиймээс, хэрэв p ба q нь ердийн масштабын хэмжигдэхүүн бол pq ба qp бүтээгдэхүүний хоорондох ялгаа нь эдгээр бүтээгдэхүүнтэй харьцуулахад маш бага байх тул p ба q-г энгийн тоо гэж үзэж болно. Микроскопийн ертөнцийн үзэгдлийг дүрслэх зорилгоор бүтээгдсэн Гейзенбергийн онол нь макроскопийн объектод хэрэглэхэд Ньютоны механиктай бараг бүрэн нийцдэг. Хэйзенбергийн анхны бүтээлүүдэд шинэ онолын физик агуулгын тодорхойгүй байгаа хэдий ч квант үзэгдлийн шинж чанартай салангид энергийн төлөв (жишээлбэл, атомын гэрлийн ялгарал) байгааг урьдчилан таамаглаж байгааг харуулсан. Геттингенд М.Борн, П.Жордан нартай хамтран гүйцэтгэсэн хожмын ажилд Гейзенберг онолын албан ёсны математик аппаратыг боловсруулсан. Гэсэн хэдий ч практик тооцоо нь маш хэцүү хэвээр байв. Хэдэн долоо хоног шаргуу хөдөлмөрлөсний эцэст В.Паули устөрөгчийн атомын энергийн түвшний томъёог гаргаж авсан нь Борын томьёотой давхцдаг. Гэхдээ тооцооллыг хялбарчлахаас өмнө шинэ, огт санаанд оромгүй санаанууд гарч ирэв. Мөн үзнэ үү
АЛГЕБРЫН ХУГАЦАА;
БААР БАЙНГА БАЙНА.
Бөөм ба долгион. 1920 он гэхэд физикчид гэрлийн хоёрдмол шинж чанарыг аль хэдийн сайн мэддэг байсан: гэрлийн зарим туршилтын үр дүнг гэрлийг долгион гэж үзэх замаар тайлбарлаж болно, заримд нь энэ нь бөөмсийн урсгал шиг ажилладаг байв. Юу ч нэгэн зэрэг долгион, бөөмс байж чадахгүй нь ойлгомжтой мэт санагдсан тул нөхцөл байдал тодорхойгүй хэвээр үлдэж, мэргэжилтнүүдийн дунд ширүүн маргаан үүсгэв. 1923 онд Францын физикч Л.де Бройль хэвлэгдсэн тэмдэглэлдээ ийм парадоксик зан үйл нь гэрэлд хамаарахгүй байж болох ч зарим тохиолдолд матери нь бөөмс шиг, зарим тохиолдолд долгион шиг байж болно гэж санал болгосон. Харьцангуйн онол дээр үндэслэн де Бройль бөөмийн импульс p-тэй тэнцүү бол энэ бөөмстэй “холбогдох” долгион нь l = h/p долгионы урттай байх ёстойг харуулсан. Энэ хамаарал нь гэрлийн Е квант энерги болон харгалзах долгионы n давтамжийн хоорондох Планк, Эйнштейний анх олж авсан E = hn хамааралтай төстэй юм. Де Бройли мөн энэ таамаглалыг гэрлийн долгионы шинж чанарыг харуулсантай төстэй туршилтаар хялбархан шалгаж болохыг харуулсан бөгөөд тэрээр ийм туршилт хийхийг тууштай уриалав. Де Бройлийн тэмдэглэл Эйнштейний анхаарлыг татсан бөгөөд 1927 он гэхэд АНУ-д К.Дэвиссон, Л.Гермер, Англид Ж.Томсон нар де Бройлийн электроны тухай үндсэн санааг төдийгүй долгионы уртын томьёог баталжээ. 1926 онд тухайн үед Цюрихт ажиллаж байсан Австрийн физикч Э.Шредингер де Бройльгийн бүтээл, түүнийг баталсан туршилтын урьдчилсан үр дүнгийн талаар сонсоод дөрвөн өгүүлэл нийтлүүлж, шинэ онол дэвшүүлсэн нь математикийн баттай үндэс болсон юм. эдгээр санаанууд. Энэ нөхцөл байдал нь оптикийн түүхэнд ижил төстэй байдаг. Гэрэл бол тодорхой урттай долгион гэдэгт итгэх нь гэрлийн үйл ажиллагааг нарийвчлан тайлбарлахад хангалтгүй юм. Мөн гэрлийн бодистой харилцан үйлчлэх үйл явц, цахилгаан соронзон орон хэлбэрээр орон зайд гэрэл тархах үйл явцыг нарийвчлан тодорхойлсон Ж.Максвелийн гаргасан дифференциал тэгшитгэлийг бичиж шийдвэрлэх шаардлагатай. Шрөдингер гэрлийн Максвеллийн тэгшитгэлтэй адил де Бройлийн материйн долгионы дифференциал тэгшитгэлийг бичсэн. Нэг бөөмийн Шредингерийн тэгшитгэл нь хэлбэртэй байна

Энд m нь бөөмийн масс, E нь нийт энерги, V(x) нь потенциал энерги, у нь электрон долгионыг дүрслэх хэмжигдэхүүн юм. Шредингер хэд хэдэн нийтлэлдээ өөрийн тэгшитгэлийг устөрөгчийн атомын энергийн түвшинг тооцоолоход хэрхэн ашиглаж болохыг харуулсан. Мөн тэрээр яг шийдэж чадахгүй байгаа ойролцоогоор асуудлыг шийдэх энгийн бөгөөд үр дүнтэй аргууд байдгийг тогтоосон бөгөөд түүний материйн долгионы онол нь математикийн хувьд Гейзенбергийн ажиглалтын алгебрийн онолтой бүрэн дүйцэж, бүх тохиолдолд ижил үр дүнд хүргэсэн. Кембрижийн их сургуулийн П.Дирак Хайзенберг, Шредингер нарын онолууд нь онолын боломжит олон хэлбэрээс хоёрыг л төлөөлдөг болохыг харуулсан. (1) хамаарал шийдвэрлэх үүрэг гүйцэтгэдэг Диракийн хувиргалтын онол нь квант механикийн тодорхой ерөнхий томьёоллыг гаргаж, түүний бусад бүх томъёоллыг тусгай тохиолдлуудад багтаасан болно. Дирак удалгүй квант механик маш өндөр хурдтай бүс нутагт хэрхэн ерөнхийлдөг болохыг харуулсанаар санаанд оромгүй томоохон амжилтанд хүрсэн. харьцангуйн онолын шаардлагыг хангасан хэлбэрийг авдаг. Аажмаар хэд хэдэн харьцангуй долгионы тэгшитгэл байгаа нь тодорхой болсон бөгөөд бага хурдтай тохиолдолд тус бүрийг Шредингерийн тэгшитгэлээр ойртуулж болох бөгөөд эдгээр тэгшитгэлүүд нь огт өөр төрлийн бөөмсийг дүрсэлсэн байдаг. Жишээлбэл, бөөмс нь өөр өөр "эргэлттэй" байж болно; Энэ нь Диракийн онолоор тодорхойлогддог. Үүнээс гадна харьцангуйн онолын дагуу бөөмс бүр нь цахилгаан цэнэгийн эсрэг тэмдэгтэй эсрэг бөөмстэй тохирч байх ёстой. Диракийн бүтээл хэвлэгдэх үед фотон, электрон, протон гэсэн гурван энгийн бөөмс л мэдэгдэж байсан. 1932 онд электроны эсрэг бөөмс болох позитроныг нээсэн. Дараагийн хэдэн арван жилийн хугацаанд бусад олон тооны эсрэг бөөмсүүд нээгдсэн бөгөөд тэдгээрийн ихэнх нь Диракийн тэгшитгэл эсвэл түүний ерөнхий дүгнэлтийг хангаж чадсан юм. 1925-1928 онд гарамгай физикчдийн хүчин чармайлтаар бүтээгдсэн квант механик нь түүнээс хойш үндсэн суурьдаа дорвитой өөрчлөлт ороогүй юм.
Мөн үзнэ үүЭСРЭГ МАТЕРИАЛ.
Хэрэглээ.Жижиг хэмжээний бодисын шинж чанар чухал ач холбогдолтой физик, биологи, хими, инженерийн бүх салбарууд одоо системтэйгээр квант механик руу шилжиж байна. Хэд хэдэн жишээ хэлье. Атомын цөмөөс хамгийн алслагдсан электрон тойрог замын бүтцийг иж бүрэн судалсан. Квант механикийн аргуудыг молекулын бүтцийн асуудалд ашигласан нь химийн хувьсгалд хүргэсэн. Молекулуудын бүтэц нь атомуудын химийн холбоогоор тодорхойлогддог бөгөөд өнөөдөр энэ салбарт квант механикийг тууштай ашигласнаар үүссэн нарийн төвөгтэй асуудлуудыг компьютерийн тусламжтайгаар шийдэж байна. Хатуу бодисын болор бүтцийн онол, ялангуяа талстуудын цахилгаан шинж чанарын онол олны анхаарлыг татсан. Практик үр дүн нь гайхалтай юм: жишээнүүдэд лазер, транзисторын шинэ бүтээл, түүнчлэн хэт дамжуулалтын үзэгдлийг тайлбарлах томоохон ахиц дэвшил орно.
Мөн үзнэ үү
ХАТУУ ТӨРИЙН ФИЗИК;
ЛАЗЕР;
ТРАНСИСТОР;
ХЭТ ДАМЖУУЛАХ чадвар. Олон асуудал шийдэгдээгүй байна. Энэ нь атомын цөмийн бүтэц, бөөмийн физиктэй холбоотой юм. Атомын бүтэц Ньютоны динамикийн хүрээнээс гадуур байсантай адил энгийн бөөмийн физикийн асуудлууд квант механикийн хүрээнээс гадуур байгаа эсэх талаар үе үе ярилцдаг. Гэсэн хэдий ч талбайн динамикийн талбарт квант механикийн зарчмууд эсвэл түүний ерөнхий дүгнэлтүүд хаана ч хэрэгжих боломжгүй болсон гэсэн мэдээлэл алга байна. Хагас зуун гаруй жилийн турш квант механик нь өвөрмөц "тайлбарлах чадвартай" шинжлэх ухааны хэрэгсэл хэвээр байсаар ирсэн бөгөөд математикийн бүтцэд дорвитой өөрчлөлт оруулах шаардлагагүй юм. Тиймээс квант механикийн физик утга, түүний тайлбарын талаар ширүүн маргаан (доороос үзнэ үү) байсаар байгаа нь гайхмаар санагдаж магадгүй юм.
Мөн үзнэ үү
АТОМЫН БҮТЭЦ;
АТОМЫН ЦӨМИЙН БҮТЭЦ;
МОЛЕКУЛЫН БҮТЭЦ;
БӨӨМӨС.
Физик утгын талаархи асуулт.Туршилтаар маш тодорхой харагддаг долгион-бөөмийн хоёрдмол байдал нь квант механикийн математик формализмыг физик тайлбарлахад хамгийн хэцүү асуудлуудын нэгийг бий болгодог. Жишээлбэл, орон зайд чөлөөтэй хөдөлж буй бөөмийг дүрсэлсэн долгионы функцийг авч үзье. Бөөмийн тухай уламжлалт санаа нь бусад зүйлсээс гадна тодорхой эрч хүчээр тодорхой траекторийн дагуу хөдөлдөг гэж үздэг. Долгионы функцэд де Бройль долгионы урт l = h/p гэж томилогдсон боловч энэ нь орон зайд хязгааргүй байдаг долгионы шинж чанар бөгөөд тиймээс бөөмийн байршлын талаархи мэдээллийг агуулдаггүй. Dx өргөтгөлтэй орон зайн тодорхой мужид бөөмийг нутагшуулах долгионы функцийг моментийн харгалзах олонлогтой долгионы суперпозиция (багц) хэлбэрээр байгуулж болох бөгөөд хэрэв хүссэн импульсийн хүрээ Dp-тэй тэнцүү бол. , тэгвэл Dx ба Dp утгуудын хувьд DxDp і харьцаа h/4p хангагдсан байх ёстойг харуулах нь маш энгийн. 1927 онд Гейзенберг анх олж авсан энэ хамаарал нь тодорхойгүй байдлын сайн зарчмыг илэрхийлдэг: x ба p хоёр хувьсагчийн аль нэгийг нь илүү нарийвчлалтай зааж өгөх тусам онол нь нөгөөг нь тодорхойлох боломж багатай байдаг.

Коллиерийн нэвтэрхий толь бичиг. - Нээлттэй нийгэм. 2000 .