Главная » Бесплатные рефераты » Бесплатные рефераты по концепции современного естествознания »

Микромир: концепции современной физики

Тема: Микромир: концепции современной физики

Раздел: Бесплатные рефераты по концепции современного естествознания

Вуз: ВЗФЭИ

Содержание.

Введение 3

1. Сущность квантовой механики 4

2. Развитие представления о квантах 6

3. Волновая функция 11

Заключение 13

Список используемой литературы 14

Введение.

Квантовая механика, представляющая собой один из важнейших разделов современно теоретической физики, была создана сравнительно недавно – в 20 годах прошлого века.

Ее основной задачей является изучение поведения микрочастиц, например электронов в атоме, молекуле, твердом теле, электромагнитных полях и т.д.

Теория квантов была с успехом использована при построении первой квантовой теории атома – теории Бора, которая опиралась на планетарную модель атома.

Также целый ряд экспериментальных данных, таких как дифракция, интерференция пучка электронов, говорили о том, что электроны наряду с корпускулярными проявляют также и волновые свойства.

Сущность квантовой механики.

Для описания явлений микромира обычно привлекают квантовую механику. Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов), а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц.

Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Например, квантовая механика позволила объяснить температурную зависимость теплоемкостей газов и твердых тел и вычислить их значения, определить строение и понять многие свойства твердых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников) и т.д. В некоторых эффектах законы квантовой механики проявляются непосредственно в поведении макроскопических объектов.

Ряд крупнейших технических достижений 20 в. основаны по сути на специфических законах квантовой механики. Теория квантово - механического излучения составляет фундамент квантовой электроники. Законы квантовой механики используются при целенаправленном поиске и создании новых материалов (магнитных, полупроводниковых, сверхпроводящих и др.).

Для классической механики и теории относительности характерно описание частиц путем задания их положения в пространстве координат и скоростей и зависимости этих величин от времени. Такому описанию соответствует движение частиц по вполне определенным траекториям. Однако это описание не всегда справедливо, особенно для частиц с очень малой массой. В таких случаях используют законы квантовой механики.

Соотношение между классической квантовой механикой определяется существованием универсальной мировой постоянной - постоянной Планка. Если в условиях конкретной задачи физическая величина, имеющая размерность действия, значительно больше постоянной Планка, то применима классическая механика или теория относительности. Формально это условие и является критерием выбора физической теории для описания картины мира.

Развитие представления о квантах.

Появлению квантовой теории предшествовал анализ проблемы равновесного излучения. Равновесное магнитное излучение возникает внутри полости, окруженной стенками, нагретыми до некоторой постоянной температуры (излучение абсолютно черного тела).

Для того чтобы построить теорию, находящеюся в согласии с опытом, в 1900г. М.Планк выдвинул совершенно новую гипотезу, коренным образом изменившую ряд фундаментальных представлений классической физики. Согласно гипотезе М.Планка, свет испускается не непрерывно, как следует из классической теории излучения, а дискретными порциями энергии - квантами, причем величина кванта энергии зависит от частоты света. С помощью долгих расчетов плотности излучения, где М.Планк применял постоянную Больцмана, закон смещения Вина, М.Планк нашел численное значение, получившей название постоянной Планка. Дату введения М.Планком его постоянной (1900г.) можно считать днем рождения всей современной квантовой теории.

При выводе своей формулы Планка, предположил, что энергия осциллятора может принимать лишь дискретное значение. Однако это новое свойство осциллятора в первоначальном варианте теории осталось физически необоснованным (сам М.Планк «особые свойства» старался приписать только нагретому телу, а не электромагнитному излучению).

А.Эйнштейн выдвинул новую гипотезу, согласно которой вопрос о дискретности энергии осциллятора самым тесным образом должен быть связан с тем фактом, что само электромагнитное излучение состоит из отдельных корпускул – фотонов, несущих определенную энергию.

Согласно А.Эйнштейну, электромагнитное поле можно рассматривать как совокупность частиц – фотонов с массой покоя, ровной нулю. В 1905г. А.Эйнштейном была построена количественная теория фотоэлектрического эффекта, открытого Герцем (1887г.). Сущность фотоэффекта заключается в том, что искра между двумя заряженными шариками проскакивает при меньшем напряжении между ними, если осветить катод светом достаточно большой частоты.

Экспериментальные проверка теории фотоэффекта подтвердила основной вывод, о том, что энергия вылетавших электронов зависит только от частоты падающего света, при чем фотоэлектроны начинают вылетать тогда, когда частота света будет превышать некоторое определенное значение.

Весьма убедительно выводы теории фотонов были подтверждены экспериментально в 1922г. А.Комптоном. Он показал, что рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц - фотона и электрона. Таким образом, было доказано, что наряду с известными волновыми свойствами (проявляющимися, например, в дифракции света - огибании светом различных препятствий) свет обладает и корпускулярными свойствами: он состоит как бы из частиц - фотонов. Возникло формальное логическое противоречие: для объяснения одних явлений необходимо считать, что свет имеет волновую природу, а объяснение других предполагало его корпускулярную природу.

В 1913г. Н.Бор предложил теорию атома водорода. Эта теория возникла как результат «соединения» планетарной модели атома Резерфорда, комбинационного принципа Ритца и идеи квантовой энергии М.Планка. В основу своих исследований Н.Бор положил планетарную модель атома, установленную опытами Резерфорда.

Согласно этой модели, в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг ядра вращаются по орбитам отрицательно заряженные электроны. Рассмотрение такого движения на основе представлений классической электродинамики приводило к парадоксальному результату - невозможности существования стабильных атомов. Дело в том, что, согласно этим представлениям, электрон не может устойчиво двигаться по орбите, поскольку вращающийся электрический заряд должен излучать электромагнитные волны и, следовательно, терять энергию, а радиус его орбиты должен непрерывно уменьшаться, и через время электрон должен упасть на ядро. Однако атомы не только существуют, но и весьма устойчивы.

Объясняя устойчивость атомов, Н.Бор предположил, что из всех орбит, допускаемых классической механикой для движения электрона в электрическом поле атомного ядра, реально осуществляются лишь те, которые удовлетворяют определенным условиям квантования, а именно величина действия для классической орбиты должна быть кратной постоянной Планка. Н.Бор постулировал, что электрон, совершая допускаемое условиями квантования орбит движение, не испускает световых волн. Излучение происходит лишь при переходе электрона с одной орбиты на другую, т.е. с одного уровня энергии на другой, с меньшей энергией; при этом рождается квант света. В результате этого возникает линейчатый спектр атома. Н.Бор получил формулу для частот спектра, линий атома водорода (и водородоподобных атомов), охватывающую совокупность открытых ранее эмпирических формул. Существование уровней энергии в атомах было подтверждено опытами Франка - Герца (1913-1914).

Таким образом, Бор, используя квант, постоянную Планка, отражающую дуализм света, показал, что эта величина определяет также движение электронов в атоме. Этот факт позднее. был объяснен на основе универсальности корпускулярно-волнового дуализма, в соответствии с которым понятия частицы и волны, с одной стороны, дополняют друг друга, а с другой - противоречат друг другу. Он связан также со способами изучения явлений микромира. Существуют два типа приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других - как частицы, поэтому экспериментально можно наблюдать квантовые явления, на которые налагается взаимодействие приборов с микрообъектом, а не реальность как таковую.

Успех теории Н.Бора, как и предыдущие успехи квантовой теории, был достигнут за счет нарушения логической цельности теории: одновременно использовались классическая механика и чуждые ей искусственные правила квантования, к тому же противоречащие классической электродинамике.

В 1924г. де Бройль предположил распространить идею дуализма не только на излучение, но и вообще на все микрообъекты. Он предложил с каждым микрообъектом связывать, с одной стороны, корпускулярные характеристики, а с другой – волновые характеристики. Взаимосвязь между характеристиками разного типа осуществляется, по де Бройлю, через постоянную Планка.

Смелость гипотезы де Бройля состояла в том, что составленные им соотношения предполагались выполняющимися не только для фотонов, но и вообще для любых микрообъектов, даже для таких, у которых есть масса покоя и которые до этого ассоциировались с корпускулами.

Гипотеза де Бройля получила в 1927г. подтверждение: была обнаружена дифракция электронов. Исследуя прохождение электронов сквозь тонкие пластинки, Девиссон и Джермер обнаружили на экране – детекторе характерные дифракционные кольца. Измерения расстояний между дифракционными кольцами для электронов заданной энергии подтвердили формулу де Бройля.

Теория квантов М.Планка, постулаты Н.Бора, гипотеза де Бройля были важнейшими этапами в процессе развития теоретических основ физики микрочастиц. Фундаментальный шаг в этом же направлении был сделан Шредингером (1926). Он предложил описывать движение микрочастиц с помощью волнового уравнения.

Волновое уравнение Шрёдингера является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики. В 1928г. П.Дирак сформулировал релятивистское уравнение, которое описывает движение электрона во внешнем силовом поле и стало одним из основных уравнений релятивистской квантовой механики.

В 1925г. на основе постулатов Бора В.Гейзенберг построил формальную схему, где вместо координат и скоростей электрона фигурировали абстрактные алгебраические величины - матрицы. Связь матриц с наблюдаемыми величинами (уровнями энергии и интенсивностями квантов, переходов) описывалась простыми непротиворечивыми правилами. Развитие М.Борном и П.Иорданом работы В.Гейзенберга привело к возникновению матричной механики. Уравнение Шрёдингера позволило показать математическую эквивалентность волновой (основанной на уравнении Шредингера) и матричной механики.

В течение короткого времени квантовую механику с успехом применили для создания теории атомных спектров, строения молекул, химической связи, периодической системы элементов, металлической проводимости и ферромагнетизма. Дальнейшее принципиальное развитие квантовой теории связано главным образом с релятивистской квантовой механикой.

Волновая функция.

К 1920 физики были уже довольно хорошо знакомы с двойственной природой света: результаты одних экспериментов со светом можно было объяснить, предполагая, что свет представляет собой волны, а в других он вел себя подобно потоку частиц. Поскольку казалось очевидным, что ничто не может быть в одно и тоже время и волной, и частицей, ситуация оставалась непонятной, вызывая горячие споры в среде специалистов. В 1923г. де Бройль высказал предположение, что столь парадоксальное поведение, может быть, не является спецификой света, но и вещество тоже может в одних случаях вести себя подобно частицам, а в других подобно волнам.

Исходя из теории относительности, де Бройль показал, что если импульс частицы равен p, то «ассоциированная» с этой частицей волна должна иметь длину волны l = h/p. Это соотношение аналогично впервые полученному М.Планком и А.Эйнштейном. Де Бройль показал также, что эту гипотезу можно легко проверить в экспериментах, аналогичных опыту, демонстрирующему волновую природу света, и настойчиво призывал к проведению таких опытов. 1927 К.Дэвиссон и Л.Джермер, а также Дж.Томсон подтвердили для электронов не только основную идею де Бройля, но и его формулу для длины волны. В 1926 Э.Шрёдингер, прослышав о работе де Бройля и предварительных результатах экспериментов, подтверждавших ее, опубликовал четыре статьи, в которых представил новую теорию, явившуюся прочным математическим обоснованием этих идей.

Одной уверенности в том, что свет есть волна определенной длины, недостаточно для детального описания поведения света. Необходимо еще написать и решить выведенные Дж.Максвеллом дифференциальные уравнения, подробно описывающие процессы взаимодействия света с веществом и распространение света в пространстве в виде электромагнитного поля. Шрёдингер написал дифференциальное уравнение для материальных волн де Бройля, аналогичное уравнениям Максвелла для света.

В ряде работ Шрёдингер показал, как можно использовать его уравнение для вычисления энергетических уровней атома водорода. Он установил также, что существуют простые и эффективные способы приближенного решения задач, не поддающихся точному решению, и что его теория волн материи в математическом отношении полностью эквивалентна алгебраической теории наблюдаемых величин Гейзенберга и во всех случаях приводит к тем же результатам. П.Дирак показал, что теории В.Гейзенберга и Шрёдингера представляют собой лишь две из множества возможных форм теории. Теория преобразований П.Дирака обеспечила ясную общую формулировку квантовой механики, охватывающую все остальные ее формулировки в качестве частных случаев.

Вскоре П.Дирак добился неожиданно крупного успеха, продемонстрировав, каким образом квантовая механика обобщается на область очень больших скоростей

Постепенно стало ясно, что существует несколько релятивистских волновых уравнений, каждое из которых в случае малых скоростей можно аппрокcимировать уравнением Шрёдингера, и что эти уравнения описывают частицы совершенно разных типов.

В то время, когда вышла работа Дирака, были известны только три элементарные частицы: фотон, электрон и протон. В 1932 была открыта античастица электрона – позитрон. На протяжении нескольких последующих десятилетий было обнаружено много других античастиц, большинство из которых, как оказалось, удовлетворяли уравнению П.Дирака или его обобщениям. Созданная в 1925–1928 усилиями выдающихся физиков квантовая механика не претерпела с тех пор в своих основах каких-либо существенных изменений.

Заключение.

Квантовая механика рождалась в обстановке весьма существенной ломки физических традиций. Она требовала отказа от многих привычных, устоявшихся представлений: от обязательной непрерывности спектров значений физических величин, от возможности при любых условиях различать два сколь угодно положительных друг на друга объекта и т.д.

Квантовая механика дала следующие положительные моменты для человека:

- квантовая механика показала, что основными закономерностями в природе являются закономерности не динамического, а статического типа, и что вероятная форма причинности есть основная форма;

- квантовая механика обнаружила, что с вероятностями в природе следует обращаться не совсем так, как это принято в классических статистических теориях.

Итак, во-первых, вероятный характер законов природы (примат статистических закономерностей), а во-вторых, особые отношения между вероятностями, предполагающих не только сложение последних, но и специфические интерференционные эффекты. Именно в этом и заключается основная ценность той информации, которую человек почерпнул из квантовой механики.

Список используемой литературы.

1. Тарасов Л.В. Основы квантовой механики. – М.: Высшая школа, 1978.

2. Под редакцией Лавриненко В.Н., Ратникова В.П. Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ, 1997.

3. Соколов А.А., Тернов И.М. Квантовая механика и атомная физика. – М.: Просвещение, 1970.

4. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала 19 века до середины 20 века. – М.: 1979.

Внимание!

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы

Бесплатная оценка

Размер: 16.75K

Скачано: 303

Скачать бесплатно

27.09.11 в 23:31 Автор:

Понравилось? Нажмите на кнопочку ниже. Вам не сложно, а нам приятно).

Чтобы скачать бесплатно Контрольные работы на максимальной скорости, зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.

Важно! Все представленные Контрольные работы для бесплатного скачивания предназначены для составления плана или основы собственных научных трудов.

Друзья! У вас есть уникальная возможность помочь таким же студентам как и вы! Если наш сайт помог вам найти нужную работу, то вы, безусловно, понимаете как добавленная вами работа может облегчить труд другим.

Добавить работу

Если Контрольная работа, по Вашему мнению, плохого качества, или эту работу Вы уже встречали, сообщите об этом нам.

Добавление отзыва к работе

Добавить отзыв могут только зарегистрированные пользователи.

Микромир: концепции современной физики

Добавление отзыва к работе

Похожие работы