Ква́нтовая фи́зика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения. Основные законы квантовой физики изучаются в рамках квантовой механики и квантовой теории поля и применяются в других разделах физики.

Квантовая физика и её основные теории — квантовая механика, квантовая теория поля — были созданы в первой половине XX века учёными, среди которых Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Эрвин Шрёдингер, Луи де Бройль, Поль Дирак, Нильс Бор, Вольфганг Паули, Вернер Гейзенберг, Макс Борн.

Атомная физика — раздел физики, изучающий строение и свойства атомов[1]. Атомная физика возникла в конце XIX — начале XX века в результате экспериментов, установивших, что атом представляет собой систему из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, и получила своё развитие в связи с созданием квантовой механики, объяснившей структуру атома. Строение атомного ядра изучается в ядерной физике.

Идея о существовании мельчайших неделимых частиц — атомов, впервые была сформулирована древнегреческими философами Левкиппом, Демокритом и Эпикуром[3]. В XVII веке эта идея получила продолжение в трудах французских философов П. Гассенди[4] и Р. Декарта, английского химика Р. Бойля. Атомистика этого периода носила скорее умозрительный характер, представления об атомах были, как о постоянных, неделимых частицах, разнообразных размеров и форм, лишённых химических и физических свойств, из сочетания которых состоят все материальные тела. В работах И. Ньютона и М. В. Ломоносова высказывались предположения о возможности соединения атомов в более сложные структуры — корпускулы.

Ускоренное развитие химии в конце XVIII — начале XIX веков привело к пересмотру некоторых аспектов атомистического учения. Английский учёный Дж. Дальтон сделал предположение о том, что атом это мельчайшая частица химического элемента и атомы различных химических элементов имеют разную массу, которая является основной характеристикой атома. Работы итальянских учёных А. Авогадро и С. Канниццаро определили строгие разграничения между атомом и молекулой. В XIX веке также были открыты оптические свойства атомов, немецкими физиками Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном было положено начало спектрального анализа. В 1869 Д. И. Менделеев открыл периодический закон химических элементов.

Важнейшими вехами в истории атомной физики были открытие электрона в 1897 английским физиком Дж. Дж. Томсоном и радиоактивного распада французскими учёными М. Склодовской-Кюри и П. Кюри, они изменили представление об атоме как о системе взаимодействующих заряженных частиц, согласно теории голландского физика Х. Лоренца. На основании этих исследований, Томсон предложил в 1903 году модель атома в виде сферы с положительным зарядом, с вкраплениями небольших по размеру частиц с отрицательным зарядом — электронов, удерживающихся в атоме за счёт равенства силы притяжения положительного заряда силам взаимного отталкивания электронов. Дальнейшие изучения радиоактивности Ф. Содди привели к открытию изотопов, тем самым разрушив научные представления об абсолютной идентичности всех атомов одного химического элемента. Важную роль сыграло также исследование А.Г.Столетовым фотоэффекта и дальнейшее объяснение этого явления А.Эйнштейном.

Модель Томсона была опровергнута в 1909 году его учеником Э. Резерфордом, который предложил планетарную модель атома, с находящимся в центре массивным положительным плотным ядром, вокруг которого, как планеты вокруг Солнца, летают электроны, число которых в нейтрально заряженном атоме таково, чтобы их суммарный отрицательный заряд компенсировал положительный заряд ядра. Г. Мозли выяснил, что заряд ядра увеличивается от одного химического элемента к следующему на одну элементарную единицу заряда, равную заряду электрона, но с противоположным знаком, а численно заряд атомного ядра, в единицах элементарного заряда, равен порядковому номеру элемента в периодической системе.

Планетарная модель атома обладала рядом недостатков, из которых самым существенным был связан с теоретически верной потерей энергии электрона: так как электрон вращается вокруг атома, то на него действует центростремительное ускорение, а согласно формуле Лармора любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучает энергию. Если электрон теряет энергию, то в конце концов он должен упасть на ядро, чего в реальности не происходит. Уточнение модели атома стало возможным только с позиции совершенно новых представлений об атоме, открытых немецким физиком М. Планком, который вводит в науку понятия квантов. В 1905 году А. Эйнштейн предложил квантовое объяснение явления фотоэффекта, определив квант света как особую частицу, позднее названую фотоном. В 1913 году Н. Бор предположил, что электрон может вращаться не произвольно, а на строго определённых орбитах, не меняя своей энергии сколь угодно долгое время. Переход с орбиты на орбиту требует определённой энергии — кванта энергии[5].

Модель атома Бора получила экспериментальное подтверждение в опытах немецких физиков Дж. Франка и Г. Герца. Теория атомных спектров получила дальнейшее развитие в работах немецкого физика А. Зоммерфельда, который предположил более сложные эллиптические орбиты электронов в атоме. Квантовая теория атома объяснила структуру характеристических спектров рентгеновского излучения и периодичность химических свойств атомов. Однако с дальнейшим развитием атомной физики квантовая модель атома перестала отвечать уровню представлений об атоме. Французским физиком Л. де Бройлем было высказано предположение о двойственной природе движения микрообъектов, в частности электрона. Эта теория послужила отправным пунктом создания квантовой механики, в работах немецких физиков В. Гейзенберга и М. Борна, австрийского физика Э. Шрёдингера и английского физика П. Дирака; и созданной на её основе современной квантово-механической теории атома[1].

Ква́нтовая меха́ника — раздел теоретической физики, описывающий физические явления, в которых действие сравнимо по величине с постоянной Планка. Предсказания квантовой механики могут существенно отличаться от предсказаний классической механики. Поскольку постоянная Планка является чрезвычайно малой величиной по сравнению с действием объектов при макроскопическом движении, квантовые эффекты в основном проявляются в микроскопических масштабах. Если физическое действие системы намного больше постоянной Планка, квантовая механика органически переходит в классическую механику. В свою очередь, квантовая механика является нерелятивистским приближением (то есть приближением малых энергий по сравнению с энергией покоя массивных частиц системы) квантовой теории поля.

Классическая механика, хорошо описывающая системы макроскопических масштабов, не способна описать все явления на уровне молекул, атомов, электронов и фотонов. Квантовая механика адекватно описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул, конденсированных сред, и других систем с электронно-ядерным строением. Квантовая механика также способна описывать: поведение электронов, фотонов, а также других элементарных частиц, однако более точное релятивистски инвариантное описание превращений элементарных частиц строится в рамках квантовой теории поля. Эксперименты подтверждают результаты, полученные с помощью квантовой механики.

Основными понятиями квантовой кинематики являются понятия наблюдаемой и состояния.

Основные уравнения квантовой динамики — уравнение Шрёдингера, уравнение фон Неймана, уравнение Линдблада, уравнение Гейзенберга и уравнение Паули.

Уравнения квантовой механики тесно связаны со многими разделами математики, среди которых: теория операторов, теория вероятностей, функциональный анализ, операторные алгебры, теория групп.

На заседании Немецкого физического общества Макс Планк зачитал свою историческую статью «К теории распределения энергии излучения в нормальном спектре», в которой он ввёл универсальную постоянную h. Именно дату этого события, 14 декабря 1900 года, часто считают днем рождения квантовой теории.

Квантовая гипотеза Планка состояла в том, что для элементарных частиц, любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями (квантами). Эти порции состоят из целого числа квантов с такой энергией {\displaystyle {\mathcal {E}}}{\mathcal {E}}, что эта энергия пропорциональна частоте ν с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:

{\displaystyle {\mathcal {E}}=h\nu =\hbar \omega }{\displaystyle {\mathcal {E}}=h\nu =\hbar \omega }

где hпостоянная Планка, и {\displaystyle \hbar ={\frac {h}{2\pi }}}\hbar ={\frac {h}{2\pi }}.

В 1905 году, для объяснения явлений фотоэффекта, Альберт Эйнштейн, использовав квантовую гипотезу Планка, предположил, что свет состоит из квантов. Впоследствии «кванты» света получили название фотонов.

Для объяснения структуры атома Нильс Бор предложил в 1913 году существование стационарных состояний электрона, в которых энергия может принимать лишь дискретные значения. Этот подход, развитый Арнольдом Зоммерфельдом и другими физиками, часто называют старой квантовой теорией (1900—1924 г.). Отличительной чертой старой квантовой теории является сочетание классической теории с противоречащими ей дополнительными предположениями.

В 1923 году Луи де Бройль выдвинул идею двойственной природы вещества, опиравшуюся на предположение о том, что материальные частицы обладают и волновыми свойствами, неразрывно связанными с массой и энергией. Движение частицы Л. де Бройль сопоставил с распространением волны, что в 1927 году получило экспериментальное подтверждение при исследовании дифракции электронов в кристаллах.

Высказанные в 1924 году идеи корпускулярно-волнового дуализма были в 1926 году подхвачены Э. Шрёдингером, развернувшим на их основе свою волновую механику.

В 1925—1926 годах были заложены основы последовательной квантовой теории в виде квантовой механики, содержащей новые фундаментальные законы кинематики и динамики. Первая формулировка квантовой механики содержится в статье Вернера Гейзенберга, датированной 29 июля 1925 года. Эту дату можно считать днем рождения нерелятивистской квантовой механики.

Развитие и формирование основ квантовой механики продолжается до сих пор. Оно связано, например, с исследованиями открытых и диссипативных квантовых систем, квантовой информатикой, квантовым хаосом и пр. Помимо квантовой механики, важнейшей частью квантовой теории является квантовая теория поля.

В 1927 году К. Дэвиссон и Л. Джермер в исследовательском центре Bell Labs демонстрируют дифракцию медленных электронов на никелевых кристаллах (независимо от Дж. Томсона). При оценке угловой зависимости интенсивности отраженного электронного луча, было показано её соответствие предсказанной на основании условия Вульфа — Брэгга для волн с длиной де Бройля (см. Волны де Бройля). До принятия гипотезы де Бройля, дифракция расценивалась как исключительно волновое явление, а любой дифракционный эффект — как волновой. Когда длина волны де Бройля была сопоставлена с условием Вульфа — Брэгга, была предсказана возможность наблюдения подобной дифракционной картины для частиц. Таким образом экспериментально была подтверждена гипотеза де Бройля для электрона.

Подтверждение гипотезы де Бройля стало поворотным моментом в развитии квантовой механики. Подобно тому, как эффект Комптона показывает корпускулярную природу света, эксперимент Дэвиссона — Джермера подтвердил неразрывное «сосуществование» с частицей её волны, иными словами — присущность корпускулярной материи также и волновой природы. Это послужило оформлению идей корпускулярно-волнового дуализма. Подтверждение этой идеи для физики стало важным этапом, поскольку дало возможность не только характеризовать любую частицу, присваивая ей определённую индивидуальную длину волны, но также при описании явлений, полноправно использовать её в виде определённой величины в волновых уравнениях.

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Joomla templates by Joomlashine