Механика – квантовая физика | ЕГЭ по физике
Русский язык Математика (профильная) Обществознание Физика История Биология Химия Английский язык Информатика Литература
Задания Варианты Теория
Прямолинейное движение и движение по окружности
Законы Ньютона, закон всемирного тяготения, закон Гука, сила трения
Закон сохранения импульса, кинетическая и потенциальные энергии, мощность силы
Равновесие, закон Паскаля, сила Архимеда, математический и пружинный маятники, механические волны, звук
Механика (объяснение явлений; интерпретация результатов опытов)
Механика (изменение физических величин в процессах)
Механика (установление соответствия между графиками,физическими величинами и формулами)
Изопроцессы, работа в термодинамике, первый закон термодинамики
Работа в термодинамике
Относительная влажность воздуха, количество теплоты
МКТ, термодинамика (объяснение явлений; интерпретация результатов опытов)
МКТ, термодинамика (изменение физических величин в процессах; установление соответствия)
Электричество и магнетизм
Закон Кулона, конденсатор, сила тока, закон Ома, закон Джоуля – Ленца
Электромагнитная индукция.
Разбор сложных заданий в тг-канале:
Посмотреть
6.
1. Основные понятия и законы квантовой физики
Фотоэффектом называется потеря телами электронов под действием света. Существует критическая длина волны (своя для каждого металла), с превышением которой фотоэффект прекращается. Т.к. эта длина волны лежит в длинноволновой области спектра, то её принято называть красной границей фотоэффекта
Для фотоэффекта Эйнштейн привлёк представление о фотонах (квантах света), предложенное Планком для объяснения теплового излучения тел. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта имеет вид:
Постулаты Бора:
1) электроны движутся в атоме по стационарным орбитам, на которых они обладают энергией, но энергии не излучают
Таких стационарных орбит в атоме несколько. Нижняя орбита называется основным состоянием атома, остальные — возбуждённым состоянием атома;
2) переходя с одной стационарной орбиты на другую, электрон испускает или поглощает квант электромагнитной энергии, чья энергия пропорциональна частоте:
6.
2. Основные понятия и законы ядерной физики
В 1932 г. советский физик Иваненко и немецкий физик Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра атома. По этой модели ядро атома состоит из двух видов элементарных частиц — протонов и нейтронов. Так как в целом атом электрически нейтрален, то число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке. Следовательно, число протонов равно атомному номеру элемента (Z) таблицы Менделеева. Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N называют массовым числом и обозначают A.
Под энергией связи понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. Энергию связи атомных ядер можно рассчитать по формуле
Величину ∆M называют дефектом масс, который определяется по формуле
где mp — масса протона, mn — масса нейтрона.
Самопроизвольное испускание неких частиц атомами получило название радиоактивность.
Было установлено, что радиоактивные элементы испускают три вида излучения. Их назвали α-, β- и γ- лучами.
Природа α-, β- и γ- лучей различна. γ-лучи — это электромагнитные волны с очень маленькой длиной волны (от 10−8 до 10−11 см). β-лучи — это электроны, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света. α-лучи — это поток ядер атомов гелия (дважды ионизированные атомы гелия). α-, β- и γ- лучи испускаются атомами радиоактивных элементов при их превращениях.
Для α- и β-распада действует правило смещения: при α-распаде ядро теряет положительный заряд 2e, а масса его убывает на 4 атомных единицы. В результате элемент смещается на 2 клетки к началу периодической системы. Если α-распад претерпевает элемент X, то в результате получается элемент Y :
При β-распаде из ядра вылетает электрон. Он символически изображается -10e, т.
к. масса его очень мала. После β-распада элемент смещается на одну клетку к концу таблицы Менделеева:
При γ-распаде заряд не меняется, масса ядра меняется ничтожно мало.
Число α-распадов
Число β-распадов
Практика: решай 22 задание и тренировочные варианты ЕГЭ по физике
конец войны интерпретаций / Хабр
Квантовая механика окружена ореолом таинственности. Зачастую, этот ореол возникает из-за того, что популярные источники излагают материал, не придерживаясь какой либо определенной интерпретации, а иногда пытаются втиснуть современные факты в прокрустово ложе старой Копенгагенской интерпретации.
Со списком из более чем 17 интерпретаций вы можете ознакомиться тут. Весь этот длинный список возник от того, что сами формулы квантовой механики угадали довольно быстро, но очень долго не понимали, что же они означают.
Ингредиенты Копенгагенской интерпретации
Копенгагенская интерпретация занимает особое место: она из первых, если брать хронологию возникнования.
Из каких частей состоит современная QM? (Релятивистская) квантовая механика это некий framework из формул, наполненный конкретикой о том, какие элементарные частицы бывают (так называемый зверинец) плюс параметры Стандартной модели. Это 19 магических безразмерных чисел, которые теория никак не объясняет. Но это тема отдельного разговора. Все, что описано выше, составляет милую теоретикам часть с чистыми формулами. Теперь два дополнительных, магических ингредиента. Коснемся пока одного из них.
Коллапс волновой функции
Он является следствием измерения. Измерение – это процесс, когда почти невесомые кванто-механические системы приходят в соприкосновение с классическими измерительными приборами, примерно такими, как во времена Нильса Бора:
При том, что для огромного количества экспериментов интерпретация работала как часы, никто из ее сторонников не смог внятно объяснить, что такое измерение.
Как правило, возникает рекурсия сепулька сепуление сепулькарий измерение/ наблюдение/ наблюдатель… который измеряет.
Наличие наблюдателя вкупе с тем фактом, что коллапс бывает частичным (при наличии разумного наблюдателя, который умеет делать умозаключение) даже породило интерпретацию Фон Неймана-Винера, которая называется сон разума создает чудовищ Коллапс, создаваемый сознанием. Я ничего не имею против Неймана и Винера – это просто иллюстрация того, как все было плохо. Даже сам разговор об альтернативных интерпретациях стал если не табу, то считался бесполезной болтовней:
Современная ситуация
Почему вот эта система из пары атомов является измерительным устройством, а эта – нет? Где у групп атомов крепятся флажки “Я измерительное устройство”? Копенгагенская интерпретация зашла в философский тупик (что не уменьшает ее исторический и педагогической роли).
Новая надежда
Я не буду здесь рассказывать про Many Worlds Interpretation. Про эту теорию и так есть много информации (и часто неправильной). Из интересных фактов следует отметить, что первым на нее набрел не Эверетт а Шредингер.
Однако нас будет интересовать, а почему же новая теория не завоевала умы сразу же (помимо отторжения из-за того, что она “обкуренная”)? Главным образом потому, что она противоречила наблюдаемым фактам. Глядя на эксперимент с котом Шредингера, теория предсказывала, что мы должны были увидеть вот это:
Но вы никогда не увидите реальных объектов в суперпозиции.
Поэтому до поры до времени MWI была лишь сумасшедшей гипотезой, пока не обнаружилась
Quantum Decoherence
Декогеренция была обнаружена на кончике пера в начале 70х. В 80е годы происходит активное исследование этой области. Сейчас без нее не представить современную квантовую механику и, особенно, квантовые компьютеры. В половине статей про квантовые вычисления слово decoherence есть в заголовке, и почти в каждом – в теле статьи.
Декогеренция показывает, что при взаимодействии сложной системы (наблюдатель) с квантовой (или иной другой системой) происходит диагонализация. То есть вместо двух размытых силуэтов живого и мертвого кота система превращается в две почти независимые: грустный наблюдатель, видящий мертвого кота, и радостный, видящий живого кота.
В отличие от коллапса волновой функции, у декогеренции нет необходимости в магии “измерения” – такое происходит с любой системой, у которых много степеней свободы (что верно для мозга и макроскопических наблюдательных приборов).
Сам процесс декогеренции физический, то есть происходит благодаря обмену наблюдателя и объекта фотонами (например), происходит не мгновенно, и само явление распространяется не быстрее скорости света.
А как же коллапс волновой функции?
Позиция сторонников копенгагенской интерпретации очень слабая. Ведь теперь у них не один, а целых два агента, обеспечивающих то, за что был раньше ответственен коллапс. Очевидно, так быть не может. Хватаясь за соломинку, пытаются объявить декогеренцию объяснением коллапса и даже выставить это как победу (дескать, раньше коллапс был магией, а вот теперь объяснен)
Фатальная проблема этого подхода в том, что декогеренция слабее, чем коллапс – она объясняет, почему мы не видим туманную смесь разных состояний котов, но не говорит, что остается только одно состояние кота! То есть приверженец этого подхода должен либо де факто стать приверженцем MWI, либо все равно тащить в теорию пилу, которая будет отсекать “ненужные” ветви.
Правило Борна
Правило Борна это последний недостающий ингредиент для MWI. Грубо говоря, это костыль, объясняющий, как на реальность влияет толщина ветвей. Вы едете на работу. В одной из ветвей мультиверса ваш мозг переклинило, вы остановились и бросились грабить банк, и вместо работы оказались в кутузке. К счастью, интенсивность этой ветви очень мала. Правило объясняет, что такие тоненькие ветви мы почти не наблюдаем. Правило есть и в других интерпретациях, в частности, в Копенгагенской. И вот в феврале этого года костыль удалось убрать.
Как декогеренция, выведенная из формализма квантовой механики вытеснила коллапс, так и правило Борна было (наконец!!!) выведено чисто математическим образом. Последний гвоздь в крышку гроба Копенгагенской интерпретации забит месяц назад. История завершилась. Время подводить итоги.
Итоги
Сравним текущее состояние MWI и копенгагенской интерпретации и, как всегда, развеем мифы.
Копенгаген = Формулы + Коллапс Волновой Функции + Правило Борна
MWI = Формулы + … а больше ничего и не надо
Таким образом, MWI является абсолютно минималистичной теорией (ее иногда даже называют NULL interpretation). Она не предполагает никаких дополнительных принципов, кроме формализма, который известен давно. Многие полагают, что бритва Оккама вырезает MWI, потому что MWI “постулирует существование других, ненаблюдаемых ветвей реальности”. MWI как раз ничего не постулирует. Существование этих ветвей неизбежно следует из формул квантовой механики, как структура пространства внутри черной дыры следует из формул Эйнштейна. Напротив, чтобы не возникало дополнительных ветвей, вы как раз должны постулировать наличие “пилы”, которая непрерывно эти ветви отпиливает. Ну или лангольеров:
Внезапно, в MWI квантовая механика оказывается детерминированной, объективной и локальной – ну просто теплая ламповая теория. Конечно, детерминирована она только глобально (если смотреть развитие всех ветвей) – это называется birds view, а с точки зрения внутреннего наблюдателя, “лягушки” (frogs view) – события во вселенной случайны (но статистически подчиняются правилу Борна).
(снова из статьи Макса Тегмарка)
Некоторые считают, что MWI — это есть отчаянная попытка вернуть детерминированность в науку.
Spoiler: старик был прав!
Нет и еще раз нет. На physicsforums я как-то поинтересовался мотивацией die-hard realists, которые вели отчаянную войну с теоремой Белла (в то время еще не все лазейки в экспериментах были закрыты). Теорема Белла запрещает существование локальных реалистичных теорий во фреймворке квантовой механики – впрочем, к MWI эта теорема не применима. Соответственно, для влюбленных в реализм переход под флаги MWI решал бы все проблемы (как мне казалось). Но нет – на меня обрушился гром и молнии – цена признания мультиверса для реалистов была абсолютно неприемлемой, более неприемлемой, чем даже расставание с их любимым реализмом. Это подводит к заключению:
MWI – надо заплатить за все всего один раз. Принять безумие в одном –и все остальное станет проще. Или всю жизнь крутиться в химерах типа коллапса, спутанности, мгновенно менящей состояние спутанных частиц, как бы далеко они ни были, или корпускулярно-волнового дуализма.
Кстати, всем известный Хокинг был за MWI (пруф Martin Gardner reports Hawking saying that MWI is «trivially true»).
P.S.
Просьба к публике, читавшей мою предыдущую статью поучаствовать в коротком опросе на тему сознания и Qualia ЗДЕСЬ в Google Forms
Спасибо!
Квантовая механика – объяснение, теория, формулы и квантово-механическая модель
Определение квантовой механики гласит, что это основная теория в физике, которая предлагает описание физических свойств природы в масштабе атомов и субатомных частиц. Это основа всей квантовой физики, включающей следующие области:
-
квантовая химия,
-
квантовая теория поля,
-
квантовая технология и
-
Квантовая информатика
Итак, что такое квантовая физика? Хорошо! Определение квантовой физики иллюстрирует, как все работает: известное описание природы частиц, образующих материю, и сил, с которыми они взаимодействуют.
На этой странице объясняется, чем квантовая механика отличается от классической физики. Также мы узнаем, что такое квантовая механика и кто ее предложил.
Чем квантовая механика отличается от классической физики?
Из приведенного выше текста мы поняли, что квантовая физика рассматривает свойства природы на уровне атомов и субатомных частиц. Теперь, как это отличается от классической физики, все еще остается вопросом. Итак, давайте понимать то же самое.
Классическая физика:
Классическая физика — это одна из областей физики, в которой рассказывается о наборе теорий, существовавших до появления квантовой механики и описывающих некоторые аспекты природы только в обычном или макроскопическом масштабе. Это указывает на то, что этого недостаточно для описания свойств в малых (атомных и субатомных) масштабах. Мы можем вывести большинство теорий классической физики из квантовой механики как приближения, справедливого в большом (макроскопическом) масштабе.
Но открытие свойств природы на атомном/субатомном уровне все еще остается вопросом, ради которого и появилась квантовая механика. Теперь давайте поймем разницу между классической и квантовой механикой.
Различие между классической физикой и квантовой механикой
Квантовая механика отличается от классической физики тем, что энергия, импульс, угловой момент и другие величины связанной системы в квантовой механике ограничены дискретными значениями (квантование), где объекты имеют свойства как частиц, так и волн (дуальность волна-частица).
Кроме того, существуют ограничения на то, насколько точно можно предположить значение физической величины до ее измерения при полном наборе начальных условий (принцип неопределенности).
Теперь, давайте рассмотрим замечательные различия между классической физикой и квантовой механикой:
| Classical Physics | Physics. | Квантовая механика выражает свойства микроскопических тел, таких как субатомные частицы, атомы и другие малые тела. Эти две области являются наиболее важными в физике. |
| Классическая физика — это группа физических теорий, которые предшествуют современным, более полным или более широко применимым теориям. | Квантовая физика — это изучение материи и энергии на самом базовом уровне, целью которого является открытие свойств и поведения самих строительных блоков природы. |
которые имеют относительно малые скорости по сравнению со скоростью света. Итак, это была базовая вариация классической физики от квантовой механики. Теперь давайте лучше разберемся, что такое квантовая теория.
Что такое появление квантовой физики
Квантовая механика постепенно возникла из теорий, объясняющих наблюдения, которые не могли быть согласованы с классической физикой, решения Макса Планка в 1900 году проблемы излучения черного тела и соответствия между энергией и частотой в 19 лет Альберта Эйнштейна05, в которой объяснялся фотоэлектрический эффект.
Эти ранние попытки понять микроскопические явления, теперь известные как «старая квантовая теория», привели к полному развитию квантовой механики в середине 1920-х годов Нильсом Бором, Эрвином Шрёдингером, Вернером Гейзенбергом, Максом Борном и другими. Современная теория формулируется в многочисленных специально разработанных математических формализмах. В одном из них математическая сущность, известная как волновая функция, предоставляет информацию в виде амплитуд вероятности примерно того, что могут дать измерения энергии, импульса и различных физических свойств частицы.
Теперь давайте разберемся, что такое квантовая теория.
Что такое квантовая физика?
-
Знаете ли вы, что концепция двойственной природы света является основной концепцией квантовой механики и почему она была перенесена в физический мир? Хорошо! Квантовая теория говорит нам, что и свет, и материя состоят из мельчайших частиц, обладающих волнообразными свойствами.
Свет состоит из частиц, называемых фотонами, а материя состоит из частиц, называемых электронами, протонами и нейтронами.
Квантовая теория изучает поведение материи и света на атомном и субатомном уровне. Кроме того, эта теория пытается выразить и объяснить свойства молекул и атомов и их составляющих — электронов, протонов, нейтронов и других более эзотерических частиц, таких как кварки и глюоны.
Но чтобы понять, как все работает в реальном мире, квантовая механика должна быть смешана с другими факторами физики — главным образом, со специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна, которая объясняет, что происходит, когда вещи движутся очень быстро — чтобы создать то, что называется квантовой теории поля.
-
Три разные квантовые теории поля имеют дело с 3 из 4 фундаментальных сил, посредством которых взаимодействует материя: электромагнетизм, который объясняет, как атомы удерживаются вместе; сильное ядерное взаимодействие, объясняющее стабильность ядра в сердцевине атома; и слабое ядерное взаимодействие, которое объясняет, почему некоторые атомы подвергаются радиоактивному распаду.
-
За последние пять десятилетий или около того эти три теории сложились в ветхую коалицию, называемую «стандартной версией» физики элементарных частиц. Несмотря на то, что эта модель слегка скреплена липкой лентой, это наиболее правильно проверенная картина основной работы материи из когда-либо созданных. Его венец пришелся на 2012 год с открытием бозона Хиггса, частицы, которая дает всем другим фундаментальным частицам их массу, существование которой было предсказано на основе квантовых теорий поля еще в 1964.
Традиционные теории квантовой механики
Традиционные квантовые теории поля хорошо работают при описании результатов экспериментов на ускорителях высокоэнергетических частиц, включая Большой адронный коллайдер в ЦЕРН, где был открыт бозон Хиггса, который исследует материю в ее мельчайших частицах. Весы. Но если вам нужно понять, как все работает во многих менее эзотерических ситуациях — например, как электроны движутся или не движутся через твердую ткань и делают материал металлом, изолятором или полупроводником — все становится еще сложнее.
.
Некоторые нерешенные вопросы квантовой механики
-
Знаете ли вы, что не существует единой квантовой теории? Есть квантовая механика, основная математическая основа, которая лежит в основе всего этого, которая была впервые разработана в 1920-х годах Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом, Эрвином Шредингером и другими. Он характеризует простые вещи, в том числе изменение положения или импульса отдельной частицы или группы из нескольких частиц с течением времени.
-
Миллиарды и миллиарды взаимодействий в этих переполненных средах требуют разработки «эффективных теорий поля», которые затушевывают ряд кровавых деталей. Трудность построения таких теорий заключается в том, что многие важные вопросы в физике твердого тела до сих пор остаются нерешенными — например, почему при низких температурах некоторые вещества являются сверхпроводниками, которые позволяют современным без электрического сопротивления, и почему мы не можем использовать этот трюк для работать при комнатной температуре.
-
Но за некоторыми из этих практических проблем скрывается огромная квантовая тайна. В первую очередь квантовая физика предсказывает очень странные вещи относительно того, как работает материя, которые абсолютно несовместимы с тем, как вещи работают в реальном мире. Квантовые частицы могут вести себя как частицы, находящиеся в одном месте, или они могут действовать как волны, распространяющиеся по всему пространству или во многих местах одновременно. То, как они выглядят, похоже, зависит от того, как мы их измеряем, и до того, как мы их измеряем, кажется, что они вообще не обладают определенными свойствами, что приводит нас к существенной загадке о природе базовой реальности.
-
Эта нечеткость приводит к очевидным парадоксам, включая кота Шредингера, в котором благодаря неопределенному квантовому процессу кошка остается мертвой и живой одновременно.
Но это не все. Квантовые частицы также кажутся такими, что они будут оказывать влияние друг на друга мгновенно, даже если они находятся на некотором расстоянии друг от друга. Это, без сомнения, обманчивое явление называется запутанностью, или, словом, придуманным Эйнштейном (невероятным критиком квантовой теории), «призрачным действием на расстоянии». Такие квантовые возможности нам неизвестны, но они лежат в основе развивающихся технологий, включая сверхбезопасную квантовую криптографию и сверхмощные квантовые вычисления.
-
Но что все это значит, никто не знает. Однако мы можем просто признать, что квантовая физика объясняет материальный мир в терминах, которые мы не можем согласовать с нашим опытом в более широком, «классическом» мире, в то время как некоторые люди считают, что существует более интуитивная теория, доступная для открытия.
Итак, делаем вывод, что во всех открытиях квантовой механики много слонов в комнате.
Начнем с того, что существует четвертая существенная сила природы, которой квантовая теория до сих пор не могла дать объяснения. Гравитация остается территорией общей идеи относительности Эйнштейна, совершенно неквантовой теории, в которой даже не участвуют частицы. Интенсивные многолетние усилия, направленные на то, чтобы поставить гравитацию под квантовый зонтик и таким образом дать объяснение всей основной физике в рамках одной «теории всего», ни к чему не привели.
Между тем, космологические измерения подразумевают, что более девяноста пяти процентов Вселенной включает в себя темную материю и темную энергию, вещество, для которого у нас в настоящее время нет никаких разъяснений в рамках предпочтительной версии и загадок, которые включают степень роли квантовой физики в беспорядочная работа жизни по-прежнему остается необъяснимой. Мир находится на уровне нескольких квантов — однако вопрос о том, является ли квантовая физика последним словом о мире, остается открытым.
Факты о квантовой теории в физике
Нильс Бор и Макс Планк — два отца-основателя квантовой теории. Каждый из них получил Нобелевскую премию по физике за работу с квантами. С другой стороны, квантовая теория была предложена Максом Планком или Максом Карлом Эрнстом Людвигом Планком. Он немецкий физик-теоретик, создавший квантовую теорию, за что он считается отцом квантовой физики. Его главная работа принесла ему Нобелевскую премию по физике в 1918 году.
Однако Эйнштейн считается третьим основателем квантовой теории, поскольку он объяснил свет как кванты в своей теории фотоэлектрического эффекта, за которую он также получил Нобелевскую премию. в 19 году21.
(Изображение будет загружено в ближайшее время)
Термин «квант» происходит от латинского слова «сколько» и отражает тот факт, что квантовые модели всегда включают в себя что-то, что движется дискретно. Следовательно, энергия, содержащаяся в квантовом поле, всегда кратна некоторой фундаментальной энергии, как мы видим на изображении ниже:
(Изображение будет загружено в ближайшее время)
постулатов квантовой механики
постулатов квантовой механики|
В начале 20-го века было показано, что электроны обладают волновыми свойствами, и корпускулярно-волновой дуализм стал частью нашего понимания природы. или плоская электромагнитная волна Волновое уравнение, разработанное Эрвином Шредингером в 1926 показаны некоторые сходства в его одномерной форме: |
Index Концепции уравнения Шрёдингера | ||||||||||||||||||||||||||||
| . | Назад |
Можно ожидать, что математика для описания поведения таких электронных волн аналогична математике для описания классических волн, таких как волна на натянутой струне 
Эта волновая функция определяет все, что можно знать о системе. Здесь предполагается, что волновая функция является однозначной функцией положения и времени, поскольку этого достаточно, чтобы гарантировать однозначное значение вероятности нахождения частицы в определенном положении и времени. Волновая функция может быть сложной функцией, поскольку она является ее произведением на комплексно-сопряженную функцию, которая определяет реальную физическую вероятность нахождения частицы в определенном состоянии.
|
Чтобы представить физически наблюдаемую систему, волновая функция должна удовлетворять определенным ограничениям:
|
Index Концепции уравнения Шрёдингера | |||||||||||
|
Должно быть решением уравнения Шрёдингера. 
