Корпускулярно-волновой дуализм вещества

Французский физик Луи де Бройль (1892-1987) в1923г. выдвинул гипотезу о двойственном характере поведения микрочастиц. Согласно этой гипотезе: всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства; в зависимости от внешних условий микрообъекты проявляют либо свойства микрочастиц, либо волновые свойства.

Т. о., корпускулярно- волновой дуализм приобретает универсальный характер: не только фотоны, но и электроны, и любые другие микрочастицы наряду с корпускулярными обладают и волновыми свойствами.

Огромный вклад в развитие квантовой механики был внесен немецким физиком Вернером Карлом Гейзенбергом(1901-1976) и австрийским физиком-теоретиком Эрвином Шредингером (1887-1961). Шредингера можно считать основателем волновой квантовой механики, в которой описание состояния микрочастицы осуществляется с помощью волновой функции, введенной немецким физиком Максом Борном(1882-1970). Согласно Борну, состояние микрообъекта носит вероятностный характер, а квадрат модуля волновой функции определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в той или иной точке пространства (плотность вероятности).

Гейзенберг явился основателем матричной квантовой механики. Для описания поведения микрообъектов он использует матричный математический аппарат. Здесь каждой характеристике электрона или микрочастицы: координате, импульсу, энергии и др.- ставятся в соответствие определенные матрицы, для которых затем записываются соответствующие уравнения. Матричный подход Гейзенберга нашел широкое применение, и в настоящее время именно он в большинстве задач используется для практических вычислений.

Гейзенберг отмечает, что квантовомеханические матрицы координаты и импульса не коммутируют друг с другом (не подчиняются перестановочному закону, т.е. АВ≠ВА)Это является математическим выражением принципа неопределенностей, сформулированного им в 1927г.: микрочастица не имеет одновременно точных значений координаты и соответствующей ей проекции импульса, а следовательно, не имеет траектории движения. В частности, электрон в атоме не имеет траектории; вместо непрерывных кривых (стационарные орбиты Бора) есть некоторый дискретный набор чисел (квантовые числа), значения которых зависят от номера начального и конечного состояний электрона.

Таким образом, принцип неопределенности — это фундаментальное положение квантовой теории, утверждающей, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс принимают вполне определенное значение. Никакой эксперимент не может привести к одновременному точному определению таких динамических переменных. При этом неопределенность в определении связана не с несовершенством экспериментальной техники, а с объективными свойствами материи. Отсюда следует, что понятия координаты и импульса не могут быть применены в классическом смысле к микроскопическим объектам

В 1927г. Нильс Бор формулирует принцип дополнительности: получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.

Так, координата и соответствующая ей проекция импульса являются дополнительными друг к другу величинами.

Дальнейшее развитие квантовая теория получает в исследованиях английского физика Поля Дирака. В 1928г. им была построена релятивистская теория движения электрона на основе применения в квантовой механике основных положений теории относительности. Из теории Дирака вытекал вывод о возможности существования положительно заряженного «электрона». Через четыре года такая частица – позитрон уже была открыта.

С теоретическим исследованием поведения электронов в атомах связаны работы швейцарского физика-теоретика Вольфганга Паули. Он сформулировал один из важнейших принципов теоретической физики – принципа запрета (принципа Паули).

Принцип Паули определяет образование электронных оболочек, поскольку в одном и том же состоянии на одном подуровне могут находиться только два электрона с противоположными спинами, что определяет закономерности периодической системы элементов Менделеева. В современной формулировке этот принцип звучит так: две тождественные частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном квантовом состоянии. Под спином частицы понимается собственный механический момент импульса частицы, который всегда присущ данному виду частиц, определяет их свойства и обусловлен их квантовой природой. В отличие от классического момента импульса, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только определенные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент пропорциональности – спиновое квантовое число у одних частиц имеет только целочисленные значения (бозоны), а у других – полуцелые (фермионы). Все кванты полей являются бозе-частицами. Частицы вещества являются ферми-частицами. Принцип Паули распространяется только на фермионы, к их числу относятся электрон, протон, нейтрон. Их квантовое число ½.. Принцип Паули позволил объяснить расположение химических элементов в периодической системе и состав атомных ядер.

Дата добавления: 2014-01-07