Квантовая механика основы – Квантовая механика для чайников. Что такое квант, уравнение Шредингера, принцип неопределенности Гейзенберга

Содержание

Квантовая физика для чайников. Квантовая механика

Добро пожаловать на блог! Я очень рада Вам!

Наверняка Вы много раз слышали о необъяснимых тайнах квантовой физики и квантовой механики. Её законы завораживают мистикой, и даже сами физики признаются, что до конца не понимают их. С одной стороны, любопытно понять эти законы, но с другой стороны, нет времени читать многотомные и сложные книги по физике. Я очень понимаю Вас, потому что тоже люблю познание и поиск истины, но времени на все книги катастрофически не хватает. Вы не одиноки, очень многие любознательные люди набирают в поисковой строке: «квантовая физика для чайников, квантовая механика для чайников, квантовая физика для начинающих, квантовая механика для начинающих, основы квантовой физики, основы квантовой механики, квантовая физика для детей, что такое квантовая механика». Именно для Вас эта публикация.

Вам станут понятны основные понятия и парадоксы квантовой физики. Из статьи Вы узнаете:

И еще: Вам интересно узнать о чисто прикладном, практическом применении квантовой физики? Тогда читайте статью Что такое квантовый компьютер и для чего он нужен? Просто о сложном.

СОДЕРЖАНИЕ СТАТЬИ:

Что такое квантовая физика и квантовая механика?

Квантовая механика — это часть квантовой физики.

Почему же так сложно понять эти науки? Ответ прост: квантовая физика и квантовая механика (часть квантовой физики) изучают законы микромира. И законы эти абсолютно отличаются от законов нашего макромира. Поэтому нам трудно представить то, что происходит с электронами и фотонами в микромире.

Пример отличия законов макро- и микромиров: в нашем макромире, если Вы положите шар в одну из 2-х коробок, то в одной из них будет пусто, а в другой — шар. Но в микромире (если вместо шара — атом), атом может находиться одновременно в двух коробках. Это многократно подтверждено экспериментально. Не правда ли, трудно это вместить в голове? Но с фактами не поспоришь.

Ещё один пример. Вы сфотографировали быстро мчащуюся красную спортивную машину и на фото увидели размытую горизонтальную полосу, как будто-машина в момент фото находилась с нескольких точках пространства. Несмотря на то, что Вы видите на фото, Вы всё равно уверены, что машина в ту секунду, когда Вы ёё фотографировали находилась в одном конкретном месте в пространстве. В микро же мире всё не так. Электрон, который вращается вокруг ядра атома, на самом деле не вращается, а находится одновременно во всех точках сферы вокруг ядра атома. Наподобие намотанного неплотно клубка пушистой шерсти. Это понятие в физике называется «электронным облаком»  .

Небольшой экскурс в историю. Впервые о квантовом мире учёные задумались, когда в 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался выяснить, почему при нагревании металлы меняют цвет. Именно он ввёл понятие кванта. До этого учёные думали, что свет распространяется непрерывно. Первым, кто серьёзно воспринял открытие Планка, был никому тогда неизвестный Альберт Энштейн. Он понял, что свет – это не только волна. Иногда он ведёт себя, как частица. Энштейн получил Нобелевскую премию за своё открытие, что свет излучается порциями, квантами. Квант света называется фотоном (фотон, Википедия) .

Для того, чтобы легче было понять законы квантовой физики и механики (Википедия), надо в некотором смысле абстрагироваться от привычных нам законов классической физики. И представить, что Вы занырнули, как Алиса, в кроличью нору, в Страну чудес.

Кстати, статью можно читать, как сказку, вместе с детьми. Они ещё не утратили наивную чистоту восприятия окружающего мира и часто могут понять физику, особенно квантовую, лучше взрослых.

А вот и мультик для детей и взрослых. Рассказывает о фундаментальном эксперименте квантовой механики с 2-мя щелями и наблюдателем. Длится всего 5 минут. Посмотрите его перед тем, как мы углубимся в основные вопросы и понятия квантовой физики.

Квантовая физика для чайников видео. В мультике обратите внимание на «глаз» наблюдателя. Он стал серьёзной  загадкой для учёных-физиков.

Что такое интерференция?

В начале мультика было показано на примере жидкости, как ведут себя волны – на экране за пластиной со щелями появляются чередующиеся тёмные и светлые вертикальные полосы. А в случае, когда в пластину «стреляют» дискретными частицами (например, камушками), то они пролетают сквозь 2 щели и попадают на экран прямо напротив щелей. И «рисуют» на экране только 2 вертикальные полосы.

Интерференция света – это «волновое» поведение света, когда на экране отображается много чередующихся ярких и тёмных вертикальных полос. Еще эти вертикальные полосы называются интерференционной картиной.

В нашем макромире мы часто наблюдаем, что свет ведёт себя, как волна. Если поставить руку напротив свечи, то на стене будет не чёткая тень от руки, а с расплывающимися  контурами.

Итак, не так уж всё и сложно! Нам сейчас вполне понятно, что свет имеет волновую природу и если 2 щели освещать светом, то на экране за ними мы увидим интерференционную картину. Теперь рассмотрим 2-й эксперимент. Это знаменитый эксперимент Штерна-Герлаха (который провели в 20-х годах прошлого века).

В установку, описанную в мультике, не светом светили, а «стреляли» электронами (как отдельными частицами). Тогда, в начале прошлого века, физики всего мира считали, что электроны – это элементарные частицы материи и должны иметь не волновую природу, а такую же, как камушки. Ведь электроны – это элементарные частицы материи, правильно? То есть, если  ими «бросать» в 2 щели, как камушками, то на экране за прорезями мы должны увидеть 2 вертикальные полоски.

Но… Результат был ошеломляющий. Учёные увидели интерференционную картину – много вертикальных полосок. То есть электроны, как и свет тоже могут иметь волновую природу, могут интерферировать. А с другой стороны стало понятно, что свет не только волна, но немного и частица — фотон (из исторической справки в начале статьи мы узнали, что за это открытие Энштейн получил Нобелевскую премию).

Может помните, в школе нам рассказывали на физике про «корпускулярно-волновой дуализм»? Он означает, что когда речь идет об очень маленьких частицах (атомах, электронах) микромира, то они одновременно и волны, и частицы

Это сегодня мы с Вами такие умные и понимаем, что 2 выше описанных эксперимента – стрельба электронами и освещение щелей светом – суть одно и тоже. Потому что мы стреляем по прорезям квантовыми частицами. Сейчас мы знаем, что и свет, и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно. А в начале 20-го века результаты этого эксперимента были сенсацией.

Внимание! Теперь перейдём к более тонкому вопросу.

Мы светим на наши щели потоком фотонов (электронов) – и видим за щелями на экране интерференционную картину (вертикальные полоски). Это ясно. Но нам интересно увидеть, как пролетает каждый из электронов в прорези.

Предположительно, один электрон  летит в левую прорезь, другой – в правую. Но тогда должны на экране появиться 2 вертикальные полоски прямо напротив прорезей. Почему же получается интерференционная картина? Может электроны как-то взаимодействуют между собой уже на экране после пролёта через щели. И в результате получается такая волновая картина. Как нам за этим проследить?

Будем бросать электроны не пучком, а по одному. Бросим, подождём, бросим следующий. Теперь, когда электрон летит один, он уже не сможет взаимодействовать на экране с другими электронами. Будем регистрировать на экране каждый электрон после броска. Один-два конечно не «нарисуют» нам понятной картины. Но когда по одному отправим в прорези их много, то заметим…о ужас – они опять «нарисовали» интерференционную волновую картину!

Начинаем медленно сходить с ума. Ведь мы ожидали, что будет 2 вертикальные полоски напротив щелей! Получается, что когда мы бросали фотоны по одному, каждый из них проходил, как бы через 2 щели одновременно и интерферировал сам с собой. Фантастика! Вернёмся к пояснению этого феномена в следующем разделе.

Что такое спин и суперпозиция?

Мы теперь знаем, что такое интерференция. Это волновое поведение микро частиц – фотонов, электронов, других микро частиц (давайте для простоты с этого момента называть их фотонами).

В результате эксперимента, когда мы бросали в 2 щели по 1 фотону, мы поняли, что он пролетает как будто через две щели одновременно. Иначе как объяснить интерференционную картину на экране?

Но как представить картину, что фотон пролетает сквозь две  щели одновременно? Есть 2 варианта.

  • 1-й вариант: фотон, как волна (как вода) «проплывает» сквозь 2 щели одновременно
  • 2-й вариант: фотон, как частица, летит одновременно по 2-м траекториям (даже не по двум, а по всем сразу)

В принципе, эти утверждения равносильны. Мы пришли к «интегралу по траекториям». Это формулировка квантовой механики от Ричарда Фейнмана.

Кстати, именно Ричарду Фейнману принадлежит известное выражение, что уверенно можно утверждать, что квантовую механику не понимает никто

Но это его выражение работало в начале века. Но мы то теперь умные и знаем, что фотон может вести себя и как частица, и как волна. Что он может каким-то непонятным для нас способом пролетать одновременно через 2 щели. Поэтому нам легко будет понять следующее важное утверждение квантовой механики:

Строго говоря, квантовая механика говорит нам, что такое поведение фотона – правило, а не исключение. Любая квантовая частица находится, как правило, в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства одновременно.

Объекты макромира могут находится только в одном определенном месте и в одном определенном состоянии. Но квантовая частица существует по своим законам. И ей и дела нет до того, что мы их не понимаем. На этом — точка.

Нам остаётся просто признать, как аксиому, что «суперпозиция» квантового объекта означает то, что он может находится на 2-х или более траекториях одновременно, в 2-х или более точках одновременно

То же относится и к другому параметру фотона – спину (его собственному угловому моменту). Спин — это вектор. Квантовый объект можно представить как микроскопический магнитик. Мы привыкли, что вектор магнита (спин) либо направлен вверх, либо вниз. Но электрон или фотон опять говорят нам: «Ребята, нам плевать, к чему Вы привыкли, мы можем быть в обоих состояниях спина сразу (вектор вверх, вектор вниз), точно так же, как мы можем находиться на 2-х траекториях одновременно или в 2-х точках одновременно!».

Что такое «измерение» или «коллапс волновой функции»?

Нам осталось немного — понять ещё, что такое «измерение» и что такое «коллапс волновой функции».

Волновая функция — это описание состояния квантового объекта (нашего фотона или электрона).

Предположим, у нас есть электрон, он летит себе в неопределённом состоянии, спин его направлен и вверх, и вниз одновременно. Нам надо измерить его состояние.

Измерим при помощи магнитного поля: электроны, у которых спин был направлен по направлению поля, отклонятся в одну сторону, а электроны, у которых спин направлен против поля — в другую. Ещё фотоны можно направлять в поляризационный фильтр. Если спин (поляризация) фотона +1 – он проходит через фильтр, а если -1, то нет.

Стоп! Вот тут у Вас неизбежно возникнет вопрос: до измерения ведь у электрона не было какого-то  конкретного направления спина, так? Он ведь был во всех состояниях одновременно?

В этом-то и заключается фишка и сенсация квантовой механики. Пока Вы не измеряете состояние квантового объекта, он может вращаться в любую сторону (иметь любое направление вектора собственного углового момента – спина). Но в момент, когда Вы измерили его состояние, он как будто принимает решение, какой вектор спина ему принять.

Вот такой крутой этот квантовый объект – сам принимает решение о своём состоянии. И мы не можем заранее предсказать, какое решение он примет, когда влетит в магнитное поле, в котором мы его измеряем. Вероятность того, что он решит иметь вектор спина «вверх» или «вниз» – 50 на 50%. Но как только он решил – он находится в определённом состоянии с конкретным направлением спина. Причиной его решения является наше «измерение»!

Это и называется «коллапсом волновой функции». Волновая функция до измерения была неопределённой, т.е. вектор спина электрона находился одновременно во всех направлениях, после измерения электрон зафиксировал определённое направление вектора своего спина.

Внимание! Отличный для понимания пример-ассоциация из нашего макромира:

Раскрутите на столе монетку, как юлу. Пока монетка крутиться, у нёё нет конкретного значения  — орёл или решка. Но как только Вы решите «измерить» это значение и прихлопните монету рукой, вот тут-то и получите конкретное состояние монеты – орёл или решка. А теперь представьте, что это монета принимает решение, какое значение Вам «показать» – орёл или решка. Примерно также ведёт себя и электрон.

А теперь вспомните эксперимент, показанный в конце мультика. Когда фотоны пропускали через щели, они вели себя, как волна и показывали на экране интерференционную картину. А когда учёные захотели зафиксировать (измерить) момент пролёта фотонов через щель и поставили за экраном «наблюдателя», фотоны стали вести себя, не как волны, а как частицы. И «нарисовали» на экране 2 вертикальные полосы. Т.е. в момент измерения или наблюдения квантовые объекты сами выбирают, в каком состоянии им быть.

Фантастика! Не правда ли?

Но это ещё не всё. Наконец-то мы добрались до самого интересного.

Но… мне кажется, что получится перегруз информации, поэтому 2 эти понятия мы рассмотрим в отдельных постах:

А сейчас, хотите, чтобы информация разложилась по полочкам? Посмотрите документальный фильм, подготовленный Канадским институтом теоретической физики. В нём за 20 минут очень кратко и в хронологическом порядке Вам поведают о всех открытиях квантовой физики, начиная с открытия Планка в 1900 году. А затем расскажут, какие практические разработки выполняются сейчас на базе знаний по квантовой физике: от точнейших атомных часов до суперскоростных вычислений квантового компьютера. Очень рекомендую посмотреть этот фильм.

До встречи!

Желаю всем вдохновения для всех задуманных планов и проектов!

Алёна Краева

P.S.1 Если Вам понравилась статья Квантовая физика для чайников, поделитесь ею.

P.S.2 Пишите Ваши вопросы и мысли в комментариях. Пишите, какие ещё вопросы по квантовой физике Вам интересны?

P.S.3 Подписывайтесь на блог — форма для подписки под статьёй. 

alenakraeva.com

Квантовая механика, основы — Справочник химика 21





    Количественная теория химической связи развивается в настоящее время на основе выводов и методов квантовой механики. Теория ковалентной связи, предложенная Гейтлером и Лондоном (1927) первоначально для описания молекулы Нг, при дальнейшем развитии получила распространение и на другие случаи ковалентной связи. Она описывает ковалентную связь, рассматривая состояние электронов данной электронной пары с помощью уравнений волновой функции Шредингера. Такое рассмотрение получило название метода валентных схем (ВС) или метода локализованных электронных пар. Можно показать, что при образовании связи с помощью -электронов необходимо, чтобы электро- [c.66]








    Исследование природы химической связи и строения молекул развивалось параллельно с изучение. строения атома. К началу двадцатых годов текущего столетия Косселем и Льюисом были разработаны основы электронной теории химической связи. Гейтлером и Лондоном (1927) была развита квантовомеханическая теория химической связи. Тогда же получили развитие учение о полярной структуре молекул и теория межмолекулярного взаимодействия. Основываясь на крупнейших открытиях физики в области строения атомов и используя теоретические методы квантовой механики и статистической физики, а также новые экспериментальные методы, такие как рентгеновский анализ, спектроскопия, масс-спектроскопия, магнитные методы, метод меченых атомов и другие, физики и физи-ко-химики добились больших успехов в изучении строения молекул и кристаллов и в познании природы химической связи и законов, управляющих ею. [c.8]

    Теория атома получила дальнейшее развитие на основе волновой, или квантовой, механики (см. 9). Хотя изучение квантовой механики относится к курсу физики, следует все же охарактеризовать здесь еще одно из основных положений ее, выражающее связь между волновой и корпускулярной природой явлений. [c.43]

    Процессы, происходящие в микромире, описывает квантовая механика, основы которой были заложены в работах М. Планка в начале XX в. Изучая испускание энергии нагретыми телами, Планк пришел к выводу (1900) о том, что энергия Е излучается и поглощается отдельными порциями — квантами, пропорциональными частоте колебаний V излучения  [c.27]

    Луи де Бройль (род, в 1892 г,) — французский физик, автор гипотезы о волновых свойствах материи, которая легла в основу квантовой механики, Работал также в области теории электронов, строения атомного ядра, теории распространения электромагнитных волн, В 1929 г. награжден Нобелевской премией, с 1958 г. — иностранный член Академии наук СССР. [c.70]

    В рассматриваемом диапазоне свет проявляет не только волновые свойства (дифракция, интерференция, поляризация и др.), но и квантовые или корпускулярные, такие как фотоэффект, излучение и поглощение атомов и др. В то же время движущиеся частицы проявляют волновые свойства (дифракция электронов). Этот корпускулярно-волновой дуализм материи лежит в основе квантовой механики. [c.91]

    Квантовая механика изучает состояния и процессы в микромире. Квантовая механика — основа наших современных знаний о микромире. В физике есть ряд всем известных результатов,— я не буду их приводить,— доказывающих, что квантовая механика отражает объективную реальность, объективный мир. Отражает не полно, не исчерпывающе,— ни одна теория этого не делает, — однако в рамках известных границ определенных задач, с определенным приближением отражает объективный мир, законы микромира, так же как классическая механика отражает законы движения больших масс. [c.247]

    Свойства микрочастиц (молекул, атомов, ионов, ядер, электронов и др.) описываются законами квантовой механики, основы которой разработаны Планком, Бором, де Бройлем, Шредин-гером и др. [c.8]

    Таким образом, наука о химической форме движения—химия вообще и органическая химия в особенности—не может быть сведена к квантовой механике. Основой изучения химической формы движения материи являются химические методы исследования ведущая роль в развитии химии принадлежит не физическим теориям, а теории химического строения. [c.32]

    В настоящее время создана целая отрасль науки — квантовая химия, занимающаяся приложением вантово-механических методов к химическим проблемам. Однако было бы принципиально ошибочным думать, что все вопросы строения и реакционной способности органических соединений могут быть сведены к задачам квантовой механики. Квантовал механика изучает законы движения электронов и ядер, т. е. законы низшей формы движения, сравнительно с той, которую изучает химия (движение атомов и молекул), а высшая форма движения никогда не может быть сведена к низшей. Даже для весьма простых молекул такие вопросы, как реакционная способность веществ, механизм и кинетика их превращений, не могут быть изучены только методами квантовой механики. Основой изучения химической формы движения матери являются химические методы исследования, и ведущая роль в развитии химии принадлежит теории химического строения. [c.99]

    Рассмотрение молекулярных орбиталей и химической связи во втором издании в общем понравилось большинству преподавателей, но показалось им несколько усложненным и трудным для восприятия. Теперь мы разбили этот материал на две части в гл. 12 излагаются основы теории молекулярных орбиталей и ее применения к некоторым двухатомным молекулам, а в гл. 13 рассматриваются многоатомные молекулы и молекулярная спектроскопия. Кроме того, написана новая глава (гл. 11), представляющая собой введение в теорию химической связи в ней используются только представления об электронных парах и отталкивании электронных пар и еще не упоминается о квантовой механике. Рассматриваемая в этой главе теория отталкивания валентных электронных пар (как это ни странно, мало известная в США) дает интуитивно понятный и простой способ качественного объяснения формы молекул. Эти три главы вместе с гл. 14, посвященной химической связи в кристаллах и жидкостях, дают студентам всестороннее представление о принципах химической связи, строения молекул и спектроскопии. [c.10]

    Квантовая механика — один из впечатляющих примеров использования абстракции. Не зная ее хотя бы поверхностно, очень трудно понять примеры использования абстракции в физике квантовая механика — основа современной физики. [c.180]

    В этой главе не ставится целью изложение полной теории спектров ЭПР, что потребовало бы значительно больше страниц, чем те, которые мы можем отвести в настоящей монографии. Кроме того, ряд вопросов в теории спектров ЭПР еще не получил окончательного разрешения. Глава рассчитана на химиков, желающих теоретически разобраться в главных характеристиках спектров ЭПР, и может служить пособием, после проработки которого читатель сможет ориентироваться в оригинальных теоретических работах. Чтение главы предполагает знание основ квантовой механики. Основы теории групп, необходимые для понимания некоторых разделов главы, будут даны в тексте. [c.40]

    Это уравнение лежит в основе квантовой механики и ее приложений. Оно называется временным уравнением Шредингера (1926 г.). [c.28]

    Намеченное выше соответствие между физическими основами квантовой механики и теорией линейных операторов будет неполным, если не рассмотреть вопрос о том, как на языке операторов формируется критерий возможности одновременного измерения двух физических величин. [c.46]

    После объяснения на основе квантовой механики природы химической связи в молекуле водорода были предприняты многочисленные попытки, с одной стороны, улучшить метод Гайтлера — Лондона, а с другой,— распространить его на другие, более сложные молекулы, что привело в итоге к созданию метода валентных связей ВС), [c.158]

    В отличие от теории Бора — Зоммерфельда квантовая механика не является искусственным соединением законов классической механики с правилами квантования. Это стройная теория, основанная на системе понятий, не содержащей противоречий. Все результаты, полученные на основе квантовой механики, находятся в полном соответствии с экспериментом. [c.18]

    Публикуемую монографию по содержанию материала можно разделить на три части. В первой части излагается формальная механико-статистическая теория, устанавливающая связь между макроскопическим характером вириальных коэффициентов и микроскопической природой межмолекулярных сил. В этой главе рассматриваются теорема вириала в классической и квантовой механике уравнение состояния на основе классической и квантовой теорий и как проблема теории химической ассоциации вириальные коэффициенты в квазиклассическом приближении при высоких и низких температурах вириальные коэффициенты с учетом аддитивных и неаддитивных межмолекулярных сил, внутренних степеней свободы, квантовых эффектов вириальные коэффициенты для чистых веществ и смесей газов. [c.5]

    Квантовая механика твердых тел рассматривает движение валентных электронов в кристалле, как движение их в периодическом поле кристаллической решетки. На этой основе была разработана [c.136]

    Другие особенности курса состоят в следующем. Ему предпосланы краткие сведения из квантовой механики, необходимые как основа при современном изложении теории строения молекул и химической связи, спектроскопии, статистической термодинамики и химической кинетики. [c.3]

    Современная теория химической связи, теория строения молекул и кристаллов базируется на квантовой механике молекулы как й атомы, построены из ядер и электронов, и теория химической связи должна учитывать корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц. До применения методов квантовой механики к химии не удавалось создать непротиворечивую теорию химической связи. Ее фундамент был заложен в 1927 г. Гейтлером и Лондоном. Выполнив на основе квантовой механики расчет свойств молекулы водорода, они показали, что природа химической связи электрическая, никаких особых сил химического взаимодействия помимо электрических не существует. Действующие в молекуле между ядрами и электронами гравитационные и магнитные силы пренебрежимо малы по сравнению с электрическими. [c.51]

    Связь волновой функции х, у, 2, о с измеримыми величинами устанавливается системой постулатов, образующих основу квантовой теории. Из квантовой механики вытекает, что, в отличие от классической механики, при описании микродвижения в общем случае физические величины являются неопределенными. В каждый момент времени применительно к определенному состоянию может быть задан лишь целый набор потенциально возможных численных значений и распределение вероятностей для этих значений, т. е. состояние в каждый момент времени может быть сопоставлено лишь со статистикой физической величины. Так, например, квадрат модуля волновой функции [c.11]

    В неэмпирических методах исходная информация о молекулярной системе предельно лаконична имея в виду адиабатическое приближение, предполагается задание координат ядер и зарядов ядер. При фактической реализации общих принципов квантовой механики следует задать дополнительную информацию о системе базисных функций (см. гл. 4, 5). Неэмпирические методы имеют свою логическую структуру и различаются по степени сложности. Отправной точкой при построении различных по степени точности волновых функций является волновая функция Хартри — Фока, в заданном атомном базисе — функция Рутана (см. гл. 4, 4). Возможность получения достаточно надежных численных характеристик молекул возникла в химии в последние десятилетия. На этой основе развивается тенденция к упорядочению многочисленных сведений о строении вещества в определенной последовательности - [c.184]

    Теория активированного комплекса или переходного состояния Эйринга и Поляньи (1931—1935 гг.) поясняет физический смысл параметров Аррениуса и предлагает путь их вычисления на основе положений квантовой механики. [c.237]

    Практическое руководство для постановки компьютерной лаборатории по квантовой механике. Основой является набор компьютерных программ 1п1егдиап1а (1Р) — «интерактивные графические программы квантовой механики». Эти программы позволяют получить наглядное представление об основных принципах квантовой механики, излагаемых в теоретических курсах. Набор важнейших положений квантовой механики дается в конспективной форме в начале соответствующих глав. [c.511]

    Результаты, совершенно аналогичные следствиям волновой механики, получаются при использовании квантовой механики, основы которой заложены работами Гейзенберга, Ворна и Иордана (1925). В этой теории, к сожалению при отказе от наглядности, анализируются математические уравнения, связывающие непосредственно наблюдаемые в атомной физике величины, в частности частоты и интенсивности характеристических спектральных линий атомов. Удалось показать, что квантовая механика и волновая механика математически эквивалентны, т. е. уравнения одной теории можно непосредственно получить из уравнений другой путем чисто математических преобразований. Но в отличие от квантовой механики волновая механика исходит из более или менее наглядных представлений. Поэтому и ее выводы о строении атомов можно наглядно интерпретировать. [c.114]

    Основой теории молекулярных колебаний является волновое урав-нение Шредингера для гармонического осциллятора, которое подробно рассматривается в любом учебнике по квантовой механике. Простейшая модель гармонического осциллятора состопт из двух масс т- я игд, соединенных невесомой пружиной, которая моделирует возвращающую силу, пропорциональную отклонению Лг) расстояния между массами от положения равновесия. Это может быть выражено уравнением [c.294]

    Основы классической статистической термодинамики за.чожены Д. Гиббсом [7] и Л. Больцманом [2], что же касается квантово-механической статистической термодинамики (или квантовой статистики) как части статистиче ской физики, то начало ее развития следует связать с появлением пионерских работ Н. Бора [17] и М. Планка (13]. Н. Бор ввел понятие стационарного квантового состояния, оказавшееся исключительно плодотворным для всего дальнейшего развития как самой квантовой механики, так и статистической термодинамики. [c.25]

    Как показал Лондон (1930) на основе квантовой механики, мгновенные диполи, возникающие в атомах и молекулах при вращении электронов, тоже вызывают взаимное притяжение молекул. Взаимное колебание атомов в молекулах и взаимные столкновения молекул вызывают частые сближения нх между собой. Быстрые вращения электронов в атомах (и молекулах) в этих условиях вызывают в них быстро сменяющиеся (т. е. коротко периодические) возмущения. Вращение электронов в атомах происходит с гораздо больщей частотой, чем колебания атомов в молекуле (и тем более, чем частота столкновений самих молекул). Поэтому сближение атомов отражается на движении электронов в атомах движение электронов в обоих атомах начинает совершаться в такт, ибо это отвечает меньшему запасу энергии системы и обусловлиг вает взаимное притяжение молекул. Такое взаимодействие называется дисперсионным. (Название произошло от того, что количественная теория взаимодействия тесно связана с теорией дисперсии света.) Энергия дисперсионного взаимодействия дисп. не зависит от температуры и обратно пропорциональна шестой степени расстояния между молекулами. [c.88]

    Термодинамика играет исключительно важную роль в решении задач химической кинетики. Эта роль термодинамики особенно возросла с развитием экспериментальных методов атомной и молекулярной физики, сделавших возможным вычисление важных для кинетики термодинамических величин на основе статистики и квантовой механики. Одной иэ таких величин, в частности, является константа равновесия, которая с точки зрения химической кинетики прежде всего представляет самостоятельный интерес как величина, определяющая предел измепонип химической системы при заданных условиях протекания реакции константа рапнов( Сия имеет такжэ большое вспомогательное значение, так как на основании известного значения этой величины может быть вычислена константа скорости обратной реакции если известна константа скорости прямой реакции. [c.10]

    Наш рассказ подошел к концу. Разумеется, в него не вошло многое из того, что составляет пре д-мет размышлений и поисков современного химика, специализирующегося в интересной и трудной области теории строения молекул. Тем, кого -увлекло знакомство с основами квантовой химии, мы рекомендуем книги Р. Мак-Вини и Б. Сатклифа (Квантовая механика молекул. М. Мир, 1972, 380 с.) и Л. Цюлике (Квантовая химия. Основи и общие методы. М. Мир, 1976, 512 с.). [c.224]

    Расчет Гейтлера и Лондона дал количественное объяснение химической связи иа основе квантовой механики. Он показал, что если электроны атомов водорода обладают противоположно направленными спинами, то при сближении атомов происходит значительное уменьшение энергии системы — возникает химическая связь. Образование химической связи обусловлено тем, что при наличии у электронов антипараллельных спинов стано1зится возможным передвижение электронов около обоих ядер, которое иногда не вполне удачно называют обменом электронов . Движение электронов около обоих ядер приводит к значительному увеличению плотности электронного облака в пространстве между ядрами, которое стягивает положительно заряженные ядра. Притяжение уменьшает потенциальную энергию электронов, а следовательно, и потенциальную энергию системы — возникает химическая связь . Следовательно, образование химической связи объясняется понижением потенциальной энергии электронов, обусловленным увеличением плотности электронного облака в пространстве между ядрами. [c.79]

    Значение электронных пар и октетов в образовании ковалентной связи между атомами было впервые оценено в работах Льюиса в 1016 г. Выяснение же ее механизма на основе методов квантовой механики было дано Гейтлбфом и Лондоном (1927). [c.65]

    Задачей динамики элементарных процессов являетг >г исследование превращений изолированной молекулы (или комплекса) пли изолированной системы сталкивающихся молекул. Все эти превращения описываются уравнениями квантовой механики. Задача решения этих уравнений в общем случае чрезвычайно сложна, поскольку необходимо исследовать движение всех взаимодействующих частиц — электронов и ядер,— составляющих рассматриваемую систему. Поэтому в основе теоретического исследования динамики элементарных процессов лежит ряд упрощений, которые могут быть сделаны с учетом определенных ограничений, выполняющихся при энергиях молекул от сотых долей до десятков электров-вольт. [c.52]

    Рассмотренные выше теоретические представления и экспериментальные данные убедительно свидетельствуют о том, что с помощью классической физики нельзя полностью интерпретировать свойства элементарных частиц. Раздельное рассмотрение волны и частицы не позволяет проникнуть в сущность микромира. Электрон, например, — это и не частица и не волна, тем не менее это вполне реальный объект, во многом определяющий свойства химических веществ. Заслугой Гейзенберга, Борна, Шрёдингера и Дирака является то, что они заложили основы такой механики , которая правильно описывает свойства электронов и позволяет более глубоко понять сущность материи. Чтобы более ясно представить себе основы квантовой механики, необходимо отойти от привычных понятий, которые от долгого употребления стали слишком наглядными . Физика [c.28]

    Межмолекулярные силы удобно, хотя это и не совсем строго, разделить на три категории дальнодействующие, короткодействующие и силы, действующие на средних расстояниях. Такая классификация обусловлена различием в математических методах, применяемых при расчете межмолекулярных сил. В целях иллюстрации этого утверждения атом или молекулу удобно рассматривать как стационарную систему точечных ядер, окруженную электронным облаком с отрицательным зарядом, распределяющимся в соответствии с законами квантовой механики. После того как это распределение найдено, силы взаимодействия между атомами и молекулами могут быть просто вычислены на основе классической электростатики (теорема Хеллманна— [c.193]

    В 1926 г. Гейзенберг и Шредингер создали механику атомных и молекулярных систем, которая получила широкое применение в атомной и молекулярной физике. Необходимое дополнение в квантовую механику внес Паули, разработавший теорию электронных спинов. Это явилось фундаментом, на котором с учетом известного правила несовместимости (запрет Паули в атоме не может быть двух электронов, обладающих 4 одинаковыми квантовыми числами) было построено учение о химических силах, в принципе позволяющее понять и описать образование химических соединений. Сначала удалось интерп )етировать устойчивость электронных оболочек атомов инертных газов, благодаря чему нашло исчерпывающее объяснение понятие электровалентной связи, лежащее в основе теории Косселя. Затем получила квантово-механическое истолкование и ковалентная связь. Гейтлером и Лондоном было показано, что связь двух атомов в молекуле водорода может быть объяснена чисто электростатическими силами, если для этого использовать квантовую механику. Силы, связывающие два атома и два электрона, возникают благодаря тому, что оба электрона имеют антипараллельные спины и с большой степенью вероятности находятся между двумя атомными ядрами насыщаемость химических связей объясняется принципом Паули. Таким образом, представления Льюиса получили исчерпывающее физическое обоснование. [c.24]

    Уровень развития современной химии ставит перед иселедова-телями все более сложные задачи, для решения которых уже недостаточно перечисленных методов. И физическая химия попол няегся новейшими методами исследования, основанными на законах молекулярной и статистической физики, а также квантовой механики. У химиков появилась возможность заглянуть в микромир вещеотва, выяснить строение молекул и атомов, уетановить природу химической связи и на основе этого лучше понять сущность явлений природы. [c.7]

    Подобные попытки наглядного описания (в отличие от некоторых моделей, рассматриваемых ниже и сводимых к оптико-механи-ческой аналогии Гамильтона) некорректны и недопустимы квантово-волновой дуализм — это один из фундаментальных фактов, лежащих в основе квантовой механики. Таким же фундаментальным фактом является и обмен спинов, т. е. обменное взаимодействие, лежащее в основе образования гомеополярной (т. е. ковалентной) связи. Поэтому не может существовать долей того, что принципиально неделимо существует, однако, вполне определенная вероятность обнаружить валентные электроны в состоянии обменного или кулонова (ионного, гетерополярного) взаимодействия. Вот эти вероятности и трансформируют в злополучные проценты. Есть прямой метод оценки этих вероятностей — аннигиляция позитронов, — основанный на том, что время жизни позитрона до аннигиляции, или способность его к образованию позитрония (т. е. е+е аналога атома водорода), зависит от состояния электрона, с которым он взаимодействует [25, с. 40]. [c.20]


chem21.info

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА, фундаментальная физическая теория динамического поведения всех элементарных форм вещества и излучения, а также их взаимодействий. Квантовая механика представляет собой теоретическую основу, на которой строится современная теория атомов, атомных ядер, молекул и физических тел, а также элементарных частиц, из которых все это состоит.

Квантовая механика была создана учеными, стремившимися понять, как устроен атом. Атомные процессы в течение многих лет изучали физики и особенно химики; при изложении данного вопроса мы будем, не вдаваясь в подробности теории, следовать историческому ходу развития предмета.

Зарождение теории.

Когда Э.Резерфорд и Н.Бор предложили в 1911 ядерную модель атома, это было подобно чуду. В самом деле, она была построена из того, что было известно уже более 200 лет. Это была, в сущности, коперниковская модель Солнечной системы, воспроизведенная в микроскопическом масштабе: в центре находится тяжелая масса, вскоре получившая название ядра, вокруг которой вращаются электроны, числом которых определяются химические свойства атома. Но мало того, за этой наглядной моделью стояла теория, которая позволила начать расчеты некоторых химических и физических свойств веществ, по крайней мере построенных из наименьших и наиболее простых атомов. Теория Бора – Резерфорда содержала ряд положений, которые здесь полезно напомнить, поскольку все они в том или ином виде сохранились и в современной теории.

Во-первых, важен вопрос о природе сил, связывающих атом. С 18 в. было известно, что электрически заряженные тела притягивают или отталкивают друг друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Используя в качестве пробных тел альфа-частицы, возникающие в результате радиоактивных превращений, Резерфорд показал, что тот же самый закон электрического взаимодействия (закон Кулона) справедлив в масштабах, в миллион миллионов раз меньших тех, для которых он был первоначально экспериментально установлен.

Во-вторых, нужно было ответить на вопрос о том, как электроны движутся по орбитам под действием этих сил. Здесь вновь опыты Резерфорда, казалось бы, показывали (и Бор принял это в своей теории), что законы движения Ньютона, сформулированные в его Началах (Principia Mathematica, 1687), можно использовать для описания движения частиц в этих новых масштабах микромира.

В-третьих, вставал вопрос о стабильности. В ньютоновско-кулоновском атоме, как и в Солнечной системе, размеры орбит произвольны и зависят лишь от того, каким образом система была первоначально приведена в движение. Однако все атомы одного вещества одинаковы и к тому же стабильны, что совсем необъяснимо с точки зрения старых представлений. Бор высказал предположение, что атомные электроны следует рассматривать как движущиеся вокруг ядра лишь по определенным орбитам, которым отвечают определенные энергетические уровни, причем они должны испускать квант энергии в виде света, переходя с орбиты с более высокой энергией на орбиту с меньшей энергией. Такие «условия квантования» не вытекали ни из каких экспериментальных данных или теорий; они были приняты как постулаты.

На основе этих концептуальных элементов, дополненных только что развитыми в то время представлениями М.Планка и А.Эйнштейна о природе света, Бору удалось количественно объяснить весь спектр излучения атомов водорода в газоразрядной трубке и дать качественное объяснение всех основных закономерностей периодической системы элементов. К 1920 пришло время взяться за проблему спектра излучения более тяжелых атомов и вычислить интенсивность химических сил, связывающих атомы в соединениях.

Но здесь иллюзия успеха померкла. На протяжении ряда лет Бор и другие исследователи безуспешно пытались рассчитать спектр гелия – следующего за водородом простейшего атома с двумя электронами. Сначала вообще ничего не получалось; в конце концов несколько исследователей различными способами решили эту задачу, но ответ оказался неверным – он противоречил эксперименту. Затем выяснилось, что вообще невозможно построить сколько-нибудь приемлемую теорию химического взаимодействия. К началу 1920-х годов теория Бора исчерпала себя. Пришло время признать справедливость пророческого замечания, которое Бор еще в 1914 сделал в письме другу в присущем ему замысловатом стиле: «Я склонен полагать, что проблема связана с исключительно большими трудностями, которые можно будет преодолеть, лишь гораздо дальше отойдя от обычных соображений, чем требовалось до сих пор, и что достигнутый ранее успех был обусловлен исключительно простотой рассматривавшихся систем».

Первые шаги.

Поскольку использованная Бором комбинация существовавших ранее представлений из области электричества и механики с условиями квантования привела к неверным результатам, все это нужно было полностью или частично изменить. Основные положения теории Бора были приведены выше, а для соответствующих расчетов было достаточно не очень сложных выкладок с использованием обычной алгебры и математического анализа. В 1925 молодой немецкий физик В.Гейзенберг посетил Бора в Копенгагене, где провел с ним долгие часы в беседах, выясняя, что из теории Бора обязательно должно войти в будущую теорию, а от чего в принципе можно и отказаться.

Бор и Гейзенберг сразу же согласились, что в будущей теории обязательно должно быть представлено все непосредственно наблюдаемое, а все не поддающееся наблюдению может быть изменено или исключено из рассмотрения. С самого начала Гейзенберг считал, что следует сохранить атомы, но орбиту электрона в атоме считать абстрактной идеей, поскольку ни один эксперимент не позволяет определить электронную орбиту по результатам измерений наподобие того, как это можно сделать для орбит планет. Читатель может заметить, что тут есть определенная нелогичность: строго говоря, атом столь же ненаблюдаем непосредственно, как и электронные орбиты, и вообще в нашем восприятии окружающего мира нет ни одного ощущения, которое не требовало бы разъяснения. В наши дни физики все чаще цитируют известный афоризм, который был впервые произнесен Эйнштейном в беседе с Гейзенбергом: «Что именно мы наблюдаем, нам говорит теория». Таким образом, различие между наблюдаемыми и ненаблюдаемыми величинами носит чисто практический характер, не имея никакого обоснования ни в строгой логике, ни в психологии, причем это различие, как бы оно ни проводилось, должно рассматриваться как часть самой теории.

Поэтому гейзенберговский идеал теории, очищенной от всего ненаблюдаемого, есть некое направление мысли, но отнюдь не последовательный научный подход. Тем не менее он доминировал в атомной теории почти полвека после того, как был впервые сформулирован. Мы уже напоминали о составных элементах ранней модели Бора, таких, как закон Кулона для электрических сил, законы динамики Ньютона и обычные правила алгебры. Путем тонкого анализа Гейзенберг показал, что можно сохранить известные законы электричества и динамики, если найти надлежащее выражение для динамики Ньютона, а затем изменить правила алгебры. В частности, Гейзенберг высказал мысль, что, поскольку ни положение q, ни импульс p электрона не являются измеримыми величинами в том смысле, в каком ими являются, например, положение и импульс автомобиля, мы можем при желании сохранить их в теории, лишь рассматривая как математические символы, обозначаемые буквами, но не как числа. Он принял для p и q алгебраические правила, согласно которым произведение pq не совпадает с произведением qp. Гейзенберг показал, что простые расчеты атомных систем дают приемлемые результаты, если принять, что для положения q и импульса p выполняется соотношение

где h – постоянная Планка, уже известная из квантовой теории излучения и фигурировавшая в теории Бора, а . Постоянная Планка h представляет собой обычное число, но очень малое, приблизительно 6,6Ч10–34 ДжЧс. Таким образом, если p и q – величины обычного масштаба, то разность произведений pq и qp будет крайне мала по сравнению с самими этими произведениями, так что p и q можно считать обычными числами. Построенная для описания явлений микромира, теория Гейзенберга почти полностью согласуется с механикой Ньютона, когда ее применяют к макроскопическим объектам. Уже в самых ранних работах Гейзенберга было показано, что при всей неясности физического содержания новой теории она предсказывает существование дискретных энергетических состояний, характерных для квантовых явлений (например, для испускания света атомом). В более поздней работе, выполненной совместно с М.Борном и П.Йорданом в Гёттингене, Гейзенберг развил формальный математический аппарат теории. Практические вычисления остались, однако, крайне сложными. После нескольких недель напряженной работы В.Паули вывел формулу для энергетических уровней атома водорода, совпадающую с формулой Бора. Но прежде чем удалось упростить вычисления, появились новые и совершенно неожиданные идеи. См. также АЛГЕБРА АБСТРАКТНАЯ; ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ.

Частицы и волны.

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 1923 французский физик Л.де Бройль в опубликованных им заметках 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 Планком и Эйнштейном соотношению E = hn между энергией светового кванта Е и частотой n соответствующей волны. 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. Заметки де Бройля привлекли внимание Эйнштейна, и к 1927 К.Дэвиссон и Л.Джермер в Соединенных Штатах, а также Дж.Томсон в Англии подтвердили для электронов не только основную идею де Бройля, но и его формулу для длины волны. В 1926 работавший тогда в Цюрихе австрийский физик 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.

Такая ситуация имеет свой аналог в истории оптики. 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. Уравнение Шрёдингера для одной частицы имеет вид

где m – масса частицы, Е – ее полная энергия, V(x) – потенциальная энергия, а y – величина, описывающая электронную волну. 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 из Кембриджского университета показал, что теории Гейзенберга и Шрёдингера представляют собой лишь две из множества возможных форм теории. Теория преобразований Дирака, в которой важнейшую роль играет соотношение (1), обеспечила ясную общую формулировку квантовой механики, охватывающую все остальные ее формулировки в качестве частных случаев.

Вскоре Дирак добился неожиданно крупного успеха, продемонстрировав, каким образом квантовая механика обобщается на область очень больших скоростей, т.е. приобретает вид, удовлетворяющий требованиям теории относительности. 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. Например, частицы могут иметь разный «спин»; это предусматривается теорией Дирака. Кроме того, согласно релятивистской теории, каждой из частиц должна соответствовать античастица с противоположным знаком электрического заряда. 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 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. См. также АНТИВЕЩЕСТВО.

Приложения.

Во всех разделах физики, биологии, химии и техники, в которых существенны свойства вещества в малых масштабах, теперь систематически обращаются к квантовой механике. Приведем несколько примеров. Всесторонне исследована структура электронных орбит, наиболее удаленных от ядра атомов. Методы квантовой механики были применены к проблемам строения молекул, что привело к революции в химии. Структура молекул обусловлена химическими связями атомов, и сегодня сложные задачи, возникающие при последовательном применении квантовой механики в этой области, решаются с помощью компьютеров. Большое внимание привлекли к себе теория кристаллической структуры твердых тел и особенно теория электрических свойств кристаллов. Практические результаты впечатляют: примерами их могут служить изобретение лазеров и транзисторов, а также значительные успехи в объяснении явления сверхпроводимости. См. также ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА; ЛАЗЕР; ТРАНЗИСТОР; СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Многие проблемы еще не решены. Это касается структуры атомного ядра и физики элементарных частиц. Время от времени обсуждается вопрос о том, не лежат ли проблемы физики элементарных частиц за пределами квантовой механики, подобно тому как структура атомов оказалась вне области применимости динамики Ньютона. Однако до сих пор нет никаких указаний на то, что принципы квантовой механики или ее обобщения в области динамики полей где-то оказались неприменимыми. Более полувека квантовая механика остается научным инструментом с уникальной «объясняющей способностью» и не требует существенных изменений своей математической структуры. Поэтому может показаться удивительным, что до сих пор ведутся острые дебаты (см. ниже) по поводу физического смысла квантовой механики и ее истолкования. См. также АТОМА СТРОЕНИЕ; АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ; МОЛЕКУЛ СТРОЕНИЕ; ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ.

Вопрос о физическом смысле.

Корпускулярно-волновой дуализм, столь очевидный в эксперименте, создает одну из самых трудных проблем физической интерпретации математического формализма квантовой механики. Рассмотрим, например, волновую функцию, которая описывает частицу, свободно движущуюся в пространстве. Традиционное представление о частице, помимо прочего, предполагает, что она движется по определенной траектории с определенным импульсом p. Волновой функции приписывается длина волны де Бройля l = h/p, но это характеристика такой волны, которая бесконечна в пространстве, а потому не несет информации о местонахождении частицы. Волновую функцию, локализующую частицу в определенной области пространства протяженностью Dx, можно построить в виде суперпозиции (пакета) волн с соответствующим набором импульсов, и если искомый диапазон импульсов равен Dp, то довольно просто показать, что для величин Dx и Dp должно выполняться соотношение

DxDp і h/4p.

Этим соотношением, впервые полученным в 1927 Гейзенбергом, выражается известный принцип неопределенности: чем точнее задана одна из двух переменных x и p, тем меньше точность, с которой теория позволяет определить другую.

Соотношение Гейзенберга могло бы рассматриваться просто как недостаток теории, но, как показали Гейзенберг и Бор, оно соответствует глубокому и ранее не замечавшемуся закону природы: даже в принципе ни один эксперимент не позволит определить величины x и p реальной частицы точнее, чем это допускает соотношение Гейзенберга. Гейзенберг и Бор разошлись в интерпретации этого вывода. Гейзенберг рассматривал его как напоминание о том, что все наши знания по своему происхождению – экспериментальные и что эксперимент неизбежно вносит в исследуемую систему возмущение, а Бор рассматривал его как ограничение точности, с которой само представление о волне и частице применимо к миру атома.

Гораздо более широким оказывается спектр мнений о природе самой статиcтичеcкой неопределенности. В этих неопределенностях нет ничего нового; они присущи почти каждому измерению, но обычно считают, что они обусловлены недостатками используемых приборов или методов: точное значение существует, однако найти его практически очень трудно, и потому мы рассматриваем полученные результаты как вероятные значения с присущей им статистической неопределенностью. Одна из школ физико-философской мысли, возглавлявшаяся в свое время Эйнштейном, считает, что то же самое имеет место и для микромира, и что квантовая механика с ее статистическими результатами дает лишь средние значения, которые были бы получены при многократном повторении рассматриваемого эксперимента с небольшими различиями из-за несовершенства нашего контроля. При таком воззрении точная теория каждого отдельного случая в принципе существует, просто она еще не найдена.

Другая школа, исторически связанная с именем Бора, стоит на том, что индетерминизм присущ самой природе вещей и что квантовая механика – теория, наилучшим образом описывающая каждый отдельный случай, а в неопределенности физической величины находит отражение та точность, с которой эта величина может определяться и использоваться. Мнение большинства физиков склонялось в пользу Бора. В 1964 Дж.Белл, работавший тогда в ЦЕРНе (Женева), показал, что в принципе эту проблему можно решить экспериментально. Результат Белла явился, пожалуй, важнейшим с 1920-х годов сдвигом в поисках физического смысла квантовой механики.

Теорема Белла, как сейчас называют этот результат, утверждает, что некоторые предсказания, сделанные на основе квантовой механики, невозможно воспроизвести путем вычислений на основе какой-либо точной, детерминированной теории с последующим усреднением результатов. Поскольку два таких метода вычислений должны давать разные результаты, появляется возможность экспериментальной проверки. Измерения, выполненные в 1970-х годах, убедительно подтвердили адекватность квантовой механики.

И все же было бы преждевременно утверждать, что эксперимент подвел окончательную черту под дебатами Бора и Эйнштейна, поскольку такого рода проблемы нередко возникают как бы заново, в другом языковом обличье каждый раз, когда, казалось бы, все ответы уже найдены. Как бы то ни было, остаются и другие головоломки, напоминающие нам, что физические теории – это не только уравнения, но и словесные объяснения, связывающие кристальную сферу математики с туманными областями языка и чувственного опыта, и что это зачастую и есть самое трудное.

www.krugosvet.ru

Квантовая механика





 


msimagelist>










 

Квантовая механика
Quantum mechanics

    Квантовая механика
– фундаментальная физическая теория, устанавливающая способ описания и законы
движения микрочастиц (молекул, атомов, атомных ядер, частиц) во внешних
полях. Более формально квантовая механика – это физическая теория систем,
у которых физические величины, имеющие размерность углового момента (момента
количества движения) сравнимы с постоянной Планка ћ (ћ = h/2π,

h = 6.6.10-34 Дж.с = 4.1.10-15эВ.с).
Этому условию, как правило, удовлетворяют микрочастицы. Квантовая механика
включает в себя классическую механику как частный случай, реализующийся
для макрообъектов. Обычно в нерелятивистской квантовой механике рассматривается
движение микрочастиц, для которых скорость v << с, где с – скорость света.

    Квантовая механика в основном была создана в течение первых трёх
десятилетий 20-го века благодаря работам
М. Планка,
А. Эйнштейна,
Н. Бора,
А. Комптона,

Л. де Бройля,
В. Паули,
М. Борна,
В. Гейзенберга,
Э. Шрёдингера
и П. Дирака.


    Физической основой квантовой механики является корпускулярно-волновой
дуализм, согласно которому любому материальному объекту – частице или волне
– присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Корпускулярно-волновой
дуализм наиболее ярко проявляется у микрообъектов. Его следствием является
необходимость отказа от некоторых классических представлений, возникших
в результате наблюдений за движением макроскопических тел. В частности волновые
свойства частиц несовместимы с представлением об их движении по определённым
классическим траекториям.

    Волновые свойства частицы, например, электрона, требуют и соответствующего
“волнового” её описания. В квантовой механике частица описывается комплексной
функцией ψ(x,t), называемой волновой функцией, амплитуда которой
зависит от пространственных координат х (х – совокупность координат) и времени
t. Волновая функция ψ(x,t) полностью определяет состояние частицы.
Как известно интенсивность любой волны определяется квадратом её амплитуды.
Интенсивность волны, связанной с материальной частицей, определяется квадратом
модуля волновой функции, т.е. величиной |ψ|2 = ψ*ψ.
Однако, в отличие от классической волны, величина |ψ(х,t)|2
есть вероятность обнаружить частицу в момент времени t в единичном объеме
вокруг точки пространства с координатами x. Этот вероятностный характер
поведения частицы, во-первых, позволяет отразить волновые свойства объектов
при их корпускулярном описании и, во-вторых, принципиально отличает квантовую
систему от классической. В классической физике знание положения и импульса
частицы в начальный момент и сил, действующих на неё, полностью и однозначно
определяет её положение и импульс во все последующие моменты. Т.е. движение
классических объектов полностью предопределено (детерминировано). В квантовой
механике можно говорить лишь о вероятности обнаружить частицу в каком-то
месте пространства, даже при полном знании её начальных кинематических характеристик
и всех внешних полей, действующих на неё. И это не связано с какой-то неполнотой
квантовых законов, а заложено в природе микрообъектов. Об этом свидетельствуют
и соотношения неопределённостей, например, (x,t) Δx·Δp ≈ ћ(Δx – неопределённость в координате, а Δp – неопределённость
в импульсе системы). Если потребовать чёткой локализации частицы в пространстве
в какой-то момент, т.е. потребовать Δx ≈ 0, то в этот же момент
у неё будет полностью неопределённым импульс (Δp ≈ ∞). Таким
образом, в следующий момент частица может неконтролируемо переместиться
куда угодно и ни о каком предопределённом (детерминированном) движении частицы
не может быть и речи.

Состояния в классической и квантовой физике













Классическая физика


Квантовая физика

1. Описание состояния

(x,y,z,px,py,pz)

ψ(x,y,z)

2. Изменение состояния
во времени


=∂H/∂p, 
=
-∂H/∂t,

3. Измерения

x, y, z, px, py, pz

ΔхΔpx ~


ΔyΔpy ~


ΔzΔpz ~

4. Детерминизм. Статистическая теория


Динамическое

(не статистическое) описание

|ψ(x,y,z)|2

5. Гамильтониан
H = p2/2m + U(r)

=
2/2m
+ U(r)

    В квантовой механике для нахождения
всего набора (спектра) возможных значений какой-либо физической величины
обычно решаются дифференциальные уравнения, в которых каждой наблюдаемой
физической величине (энергии, импульсу, угловому моменту, координате и так
далее) сопоставляется оператор
(обычно дифференциальный). Во многих случаях этот спектр является дискретным
(квантованным), что принципиально отличает квантовую механику от классической.

    Эволюция квантовой системы в нерелятивистском случае описывается
волновой функцией, удовлетворяющей уравнению Шредингера

где ψ(х,y,z,t) — волновая функция,
— оператор
Гамильтона (оператор полной энергии системы). В нерелятивистском случае

где m – масса частицы,

– оператор импульса,
(x,y,z)
– оператор потенциальной энергии частицы. Задать закон движения частицы
в квантовой механике — это значит, определить значение волновой функции
в каждый момент времени в каждой точке пространства. Уравнение Шредингера
играет в квантовой механике такую же роль, как и второй закон Ньютона в
классической механике. Знание волновой функции квантовой системы и операторов
физических величин позволяет вычислить все физические величины, характеризующие
данную квантовую систему. В силу недетерминированности квантово-механических
предсказаний эти вычисляемые (и наблюдаемые) физические величины носят вероятностный
характер, т. е. являются статистическими средними. В результате реализации
такой программы можно получить исчерпывающее квантово-механическое
описание поведения частицы (системы) в изолированном состоянии или во внешних
полях. Так квантово-механическая задача для атома
водорода сводится к решению уравнения Шрёдингера для электрона в кулоновском
поле протона, с которым он связан. Решением этой задачи является дискретный
(квантованный) спектр энергетических состояний (уровней) электрона, квантовые
числа, характеризующие электрон в каждом из этих состояний, и, конечно,
сами волновые функции электрона в каждом состоянии. Если электрон в атоме
водорода не находится в самом нижнем энергетическом состоянии, то атом неустойчив
и будет претерпевать эволюцию, вызванную переходами электрона на более низкие
энергетические уровни. Вероятности этих переходов также вычисляются методами
квантовой механики.


 


 

nuclphys.sinp.msu.ru

Квантовая механика — Традиция

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»

Ква́нтовая меха́ника (другие названия: волновая механика, матричная механика) — раздел теоретической физики, описывающий квантовые системы и законы их движения.

Основными понятиями квантовой кинематики являются понятия наблюдаемой, состояния, среднего значения.

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

Математический аппарат — 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 ввел универсальную постоянную h, изменившую ход развития теоретической физики. Именно дату этого события, 14 декабря 1900 года, часто считают днем рождения квантовой теории.

Квантовая гипотеза Макса Планка состояла в том, что любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями, которые состоят из целого числа квантов с энергией ε таких, что эта энергия пропорциональна частоте ν с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:
$$ \varepsilon = h \nu = \hbar \omega\, $$

где h — постоянная Планка.

В 1905 году для объяснения явлений фотоэффекта Альберт Эйнштейн, использовав квантовую гипотезу Планка, предположил, что свет состоит из квантов, которые впоследствии назвали фотонами.

Для объяснения структуры атома Нильс Бор в 1913 году предложил 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). Отличительной чертой старой квантовой теории, является сочетание классической теории и противоречащими ей дополнительными предположениями.

В 1925-1926 годах была 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, датированная 29 июля 1925 года. Эту дату можно считать днем рождения нерелятивистской квантовой механики. Отметим, что развитие и формирование основ квантовой механики продолжается до сих пор, и связано, например, с исследованиями открытых и диссипативных квантовых систем, квантовой информатикой, квантовым хаосом и др. Помимо квантовой механики, важнейшей частью квантовой теории является квантовая теория поля.

Математические основания квантовой механики[править]

Математический аппарат нерелятивистской квантовой механики строится на следующих положениях:[1]

  • Чистые состояния системы описываются ненулевыми векторами \(~\psi\) комплексного сепарабельного гильбертова пространства \(~H\), причем векторы \(~\psi_1\) и \(~\psi_2\) описывают одно и то же состояние тогда и только тогда, когда \(~\psi_2=c\psi_1\), где \(~c\) — произвольное комплексное число. Каждой наблюдаемой однозначно сопоставляется линейный самосопряженный оператор.
  • Наблюдаемые одновременно измеримы тогда и только тогда, когда соответствующие им самосопряженные операторы перестановочны (коммутируют).
  • Эволюция чистого состояния гамильтоновой системы определяется уравнением Шредингера \(~i\hbar\frac{\partial \psi}{\partial t}= \hat{H}\psi , \) где \(~\hat{H}\) — гамильтониан.
  • Каждому вектору \(~\psi\not=0\) из пространства \(~H\) отвечает некоторое чистое состояние системы, любой линейный самосопряженный оператор соответствует некоторой наблюдаемой.

Эти положения позволяют создать математический аппарат, пригодный для описания широкого спектра задач в квантовой механике гамильтоновых систем, находящихся в чистых состояниях. Дальнейшим развитием этого аппарата является уравнение Дирака, которое с хорошей точностью позволяет описать релятивистские эффекты. Для динамики открытых, негамильтоновых и диссипативных квантовых систем применяется уравнение Линдблада.

Необычные явления, мысленные эксперименты и парадоксы квантовой механики[править]

Разделы квантовой механики[править]

В стандартных курсах квантовой механики изучаются следующие разделы

  • Обычно квантовая механика формулируется для нерелятивистских систем. Рассмотрение частиц с релятивистскими энергиями в рамках стандартного квантовомеханического подхода, предполагающего фиксированное число частиц в системе, наталкивается на трудности, т.к. при достаточно большой энергии частицы могут превращаться друг в друга. Эти трудности устраняются в квантовой теории поля, которая и является самосогласованной теорией релятивистских квантовых систем.
  • Важным свойством квантовой механики является принцип соответствия: в рамках квантовой механики доказывается, что в пределе больших энергий (квазиклассический предел) и в случае, когда квантовая система взаимодействует с внешним миром (декогеренция), уравнения квантовой механики редуцируются в уравнения классической физики. Таким образом, квантовая механика не противоречит классической физике, а лишь дополняет её на микроскопических масштабах.
  • Некоторые свойства квантовых систем кажутся нам непривычными (невозможность одновременно измерить координату и импульс, несуществование траектории частицы, вероятностное описание, дискретность наблюдаемых величин). Это вовсе не значит, что они неверны: это означает, что наша повседневная интуиция никогда не сталкивалась с таким поведением, т. е. в данном случае «здравый смысл» не может быть критерием, поскольку он годится только для макроскопических систем. Квантовая механика — самосогласованная математическая теория, предсказания которой согласуются с экспериментами. В настоящее время огромное число приборов, используемых в повседневной жизни, основываются на законах квантовой механики.
  • Важно понимать, что квантовая механика не выводится из классической, хотя и может быть получена методами квантования из нее. Квантовая механика — это теория, построенная «с нуля», только при построении её требуется использовать принцип соответствия. Грубо говоря, «квантование системы» — это не дополнительное видоизменение классических уравнений движения, а совершенно новый взгляд на систему. Впрочем, неоднократно делались попытки вывести квантовую механику из какой-то более глубокой, и, возможно, более простой, теории, т. е. понять, почему законы квантовой механики именно такие, а не другие. К этим попыткам можно отнести множество интерпретаций квантовой механики. Строго говоря, в настоящее время нет какой-либо одной общепринятой интерпретации квантовой механики. Консервативно настроенные физики предпочитают считать, что вопросы, связанные с интерпретацией квантовой механики, выходят за рамки физики, смыкаясь с общими вопросами философии и методологии науки. Эту точку зрения выражает ироничный лозунг «Shut up and calculate!».
  • Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред. кол. Д. М. Алексеев, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов и др. М.: Сов. Энциклопедия, 1984. — 944 с.
  • Блохинцев Д. И. Основы квантовой механики. 5-ое изд. Наука, 1976. — 664 с.
  • Боум А. Квантовая механика: основы и приложения. М.: Мир, 1990. — 720c.
  • Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. М.: Наука, 1985. — 384 с.
  • Дирак П. Принципы квантовой механики. 2-ое изд. М.: Наука, 1979. — 480 с.
  • Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). — Издание 6-е, исправленное. — М.: Физматлит, 2004. — 800 с. — ISBN 5-9221-0530-2>
  • Садбери А. Квантовая механика и физика элементарных частиц. М.: Мир, 1989. — 488 с.
  • Фадеев Л. Д., Якубовский О.А. Лекции по квантовой механике для студентов-математиков. Ленинград, Изд-во ЛГУ, 1980. — 200 c.
  • Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Феймановские лекции по физике. Пер. с англ., Том. 8. Том 9., М., 1966—1967.
  1. ↑ Ф. А. Березин, М. А. Шубин. Уравнение Шрёдингера.. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983.>
  • Лорен Грэхэм «Естествознание, философия и науки о человеческом поведении в Советском Союзе, Глава X. Квантовая механика»
  • Шрёдингер Э. Избранные труды по квантовой механике, — М..: Наука, 1976.
  • Нейман И. Математические основы квантовой механики, — М.: Наука, 1964.
  • Паули В. Общие принципы волновой механики, — М. : ГИТТЛ, 1947.
  • Дирак П. А. М. Принципы квантовой механики (2-е издание), — М.: Наука, 1979.
  • Фущич В. И., Никитин А. Г. Симметрия уравнений квантовой механики, — М.: Наука, 1990.
  • Блохинцев Д. И. Принципиальные вопросы квантовой механики. М.: Наука, 1966.
  • «Квантовая механика» — статья в Физической энциклопедии.

Электронные библиотеки[править]

При написании этой статьи использовались материалы страницы «Квантовая механика» Русской Википедии.

traditio.wiki

Что представляет собой квантовая механика

Под квантовой механикой понимают физическую теорию динамического поведения форм излучения и вещества. Это теоретическая основа, на которой построена современная теория атомных ядер, атомов, физических тел, молекул и элементарных частиц. Вообще, квантовая механика была создана учеными, которые стремились понять строение атома. В течении многих годов легендарные физики изучали особенности и направления химии и следовали историческому времени развития событий.

Такое понятие, как квантовая механика, зарождалось в течение долгих лет. В 1911 году  ученые Н. Бор и Э. Резерфорд предложили ядерную модель атома, которая напоминала модель Коперника с его солнечной системой. Ведь солнечная система имела в своем центре ядро, вокруг которого вращались элементы. На основе этой теории начались расчеты физических и химических свойств некоторых веществ, которые были построены из простых атомов.

Одним из важных вопросов в такой теории, как квантовая механика – это природа сил, которая связывала атом. Благодаря закону Кулона, Э. Резерфорд показал, что данный закон справедлив в огромных масштабах. Затем необходимо было определить, каким образом электроны движутся по своей орбите. В этом пункте помог закон Ньютона.

На самом деле, квантовая механика нередко противоречит таким понятиям, как здравый смысл. Наряду с тем, что наш здравый смысл действует и показывает только такие вещи, которые можно взять из повседневного опыта. А, в свою очередь, повседневный опыт имеет дело только с явлениями макромира и крупными объектами, в то время как материальные частицы на субатомном и атомарном уровне ведут себя совсем по-другому. Например, в макромире мы с легкостью способны определить нахождение любого объекта при помощи измерительных приборов и методов. А если мы будем измерять координаты микрочастицы электрона, то пренебречь взаимодействием объекта измерения и измерительного прибора просто недопустимо.

Другими словами можно сказать, что квантовая механика представляет собой физическую теорию, которая устанавливает законы движения различных микрочастиц. От классической механики, которая описывает движение микрочастиц, квантовая механика отличается двумя показателями:

— вероятный характер некоторых физических величин, например, скорость и положение микрочастицы определить точно невозможно, можно рассчитать только вероятность их значений;

— дискретное изменение физических величин, например, энергия какой-либо микрочастицы имеет только определенные некоторые значения.

Квантовая механика еще сопряжена с таким понятием, как квантовая криптография, которая представляет собой быстроразвивающуюся технологию, способную изменить мир. Квантовая криптография направлена на то, чтобы защитить коммуникации и секретность информации. Основана эта криптография на определенных явлениях квантовой физики и рассматривает такие случаи, когда информация может переноситься при помощи объектом квантовой механики. Именно здесь с помощью электронов, фотонов и других физических средств определяется процесс приема и отправки информации. Благодаря квантовой криптографии можно создать и спроектировать систему связи, которая может обнаружить подслушивание.

На сегодняшний момент достаточно много материалов, где предлагается изучение такого понятия, как квантовая механика основы и направления, а также деятельности квантовой криптографии. Чтобы обрести знания в этой непростой теории, необходимо досконально изучать и вникать в эту область. Ведь квантовая механика – это далеко не легкое понятие, которое изучалось и доказывалось величайшими учеными многими годами.

 

fb.ru

Основы квантовой механики

Оглавление:

Предисловие к пятому изданию [9]
Введение [11]
Глава I. Основы квантовой теории [14]
  § 1. Энергия и импульс световых квантов [14]
  § 2. Опытная проверка законов сохранения энергии и импульса для световых квантов [17]
  § 3. Атомизм [21]
  § 4. Теория Бора [28]
  § 5. Элементарная квантовая теория излучения [30]
  § 6. Черное излучение [35]
  § 7. Волны де Бройля. Групповая скорость [36]
  § 8. Дифракция микрочастиц [41]
Глава II. Основы квантовой механики [47]
  § 9. Статистическое толкование воли де Бройля [47]
  § 10. Вероятность местоположения микрочастицы [50]
  § 11. Принцип суперпозиции состояний [53]
  § 12. Вероятность импульса микрочастицы [55]
  § 13. Средние значения функций от координат и функций от импульсов [57]
  § 14. Статистические ансамбли квантовой механики [59]
  § 15. Соотношение неопределенностей [63]
  § 16. Иллюстрации к соотношению неопределенностей [69]
  § 17. Роль измерительного прибора [77]
Глава III. Изображение механических величин операторами [84]
  § 18. Линейные самосопряженные операторы [84]
  § 19. Общая формула для среднего значения величины и для среднего квадратичного отклонения [88]
  § 20. Собственные значения и собственные функции операторов и их физический смысл. «Квантование» [90]
  § 21. Основные свойства собственных функций [94]
  § 22. Общий метод вычисления вероятностей результатов измерения [98]
  § 23. Условия возможности одновременного измерения разных механических величин [101]
  § 24. Операторы координаты и импульса микрочастицы [102]
  § 25. Оператор момента импульса микрочастицы [104]
  § 26. Оператор энергии и функции Гамильтона [110]
  § 27. Гамильтониан [112]
Глава IV. Изменение состояния во времени [116]
  § 28. Уравнение Шредингера [116]
  § 29. Сохранение числа частиц [121]
  § 30. Стационарные состояния [125]
Глава V. Изменение во времени механических величин [128]
  § 31. Производные операторов по времени [128]
  § 32. Уравнения движения в квантовой механике. Теоремы Эренфеста [130]
  § 33. Интегралы движения [133]
Глава VI. Связь квантовой механики с классической механикой и оптикой [136]
  § 34. Переход от квантовых уравнений к уравнениям Ньютона [136]
  § 35. Переход от временного уравнения Шредингера к классическому уравнению Гамильтона—Якоби [141]
  § 36. Квантовая механика и оптика [144]
  § 37. Квазиклассическое приближение (метод Вентцеля—Крамерса—Бриллюэна) [148]
Глава VII. Основы теории представлений [152]
  § 38. Различные представления состояния квантовых систем [152]
  § 39. Различные представления операторов, изображающих механические величины. Матрицы [154]
  § 40. Матрицы и действия над ними [156]
  § 41. Определение среднего значения и спектра величины, представляемой оператором в матричной форме [162]
  § 42. Уравнение Шредингера и зависимость операторов от времени в матричной форме [165]
  § 43. Унитарные преобразования [168]
  § 44. Унитарные преобразования от одного момента времени к другому. Матрица рассеяния [171]
  § 45. Гайзенберговское представление и представление взаимодействия в квантовой механике [174]
  § 46. Матрица плотности [178]
Глава VIII. Теория движения микрочастиц в поле потенциальных сил [183]
  § 47. Гармонический осциллятор [183]
  § 48. Осциллятор в энергетическом представлении [191]
  § 49. Движение в поле центральной силы [193]
  § 50. Движение в кулоновском поле [201]
  § 51. Спектр и волновые функции атома водорода [206]
  § 52. Движение электрона в одновалентных атомах [215]
  § 53. Токи в атомах. Магнетон [218]
  § 54. Квантовые уровни двухатомной молекулы [221]
  § 55. Движение электрона в периодическом поле [227]
Глава IX. Движение заряженной микрочастицы в электромагнитном поле [237]
  § 56. Произвольное электромагнитное поле [237]
  § 57. Движение заряженной свободной частицы в однородном магнитном поле [242]
Глава X. Собственный механический и магнитный моменты электрона (спин) [246]
  § 58. Экспериментальные доказательства существования спина электрона [246]
  § 59. Оператор спина электрона [249]
  § 60. Спиновые функции [252]
  § 61. Уравнение Паули [256]
  § 62. Расщепление спектральных линий в магнитном поле [259]
  § 63. Движение спина в переменном магнитном поле [264]
  § 64. Свойства полного момента импульса [267]
  § 65. Нумерация термов атома с учетом спина электрона. Мультиплетная структура спектров [272]
Глава XI. Теория возмущений [277]
  § 66. Постановка вопроса [277]
  § 67. Возмущение в отсутствие вырождения [280]
  § 68. Возмущение при наличии вырождения [284]
  § 69. Расщепление уровней в случае двукратного вырождения [290]
  § 70. Замечания о снятии вырождения [293]
Глава XII. Простейшие приложения теории возмущений [296]
  § 71. Ангармонический осциллятор [296]
  § 72. Расщепление спектральных линий в электрическом поле [298]
  § 73. Расщепление спектральных линий атома водорода в электрическом поле [302]
  § 74. Расщепление спектральных линий в слабом магнитном поле [306]
  § 75. Наглядное толкование расщепления уровней в слабом магнитном поле (векторная модель) [312]
  § 76. Теория возмущений для непрерывного спектра [313]
Глава XIII. Теория столкновений [320]
  § 77. Постановка вопроса в теории столкновении микрочастиц [320]
  § 78. Расчет упругого рассеяния приближенным методом Борна [325]
  § 79. Упругое рассеяние атомами быстрых заряженных микрочастиц [330]
  § 80. Точная теория рассеяния. Матрица рассеяния [336]
  § 81. Общий случай рассеяния. Дисперсионные соотношения [345]
  § 82. Рассеяние заряженной частицы в кулоновском поле [354]
Глава XIV. Теория квантовых переходов [358]
  § 83. Постановка вопроса [358]
  § 84. Вероятности переходов под влиянием возмущения, зависящего от времени [362]
  § 85. Переходы под влиянием возмущения, не зависящего от времени [366]
Глава XV. Излучение, поглощение и рассеяние света атомными системами [368]
  § 86. Вводные замечания [368]
  § 87. Поглощение и излучение света [370]
  § 88. Коэффициенты излучения и поглощения [375]
  § 89. Принцип соответствия [379]
  § 90. Правила отбора для дипольного излучения [382]
  § 91. Интенсивности в спектре излучения [387]
  § 92. Дисперсия [387]
  § 93. Комбинационное рассеяние. Нелинейная оптика [395]
  § 94. Учет изменения фазы электромагнитного поля волны внутри атома. Квадрупольное излучение [402]
  § 95. Фотоэлектрический эффект [407]
Глава XVI. Прохождение микрочастиц через потенциальные барьеры [415]
  § 96. Постановка проблемы и простейшие случаи [415]
  § 97. Кажущаяся парадоксальность «туннельного эффекта» [421]
  § 98. Холодная эмиссия электронов из металла [423]
  § 99. Трехмерный потенциальный барьер. Квазистационарные состояния [426]
  § 100. Теория радиоактивного a-распада [432]
  § 101. Ионизация атомов в сильных электрических полях [436]
Глава XVII. Задача многих тел [439]
  § 102. Общие замечания о задаче многих тел [439]
  § 103. Закон сохранения полного импульса системы микрочастиц [444]
  § 104. Движение центра тяжести системы микрочастиц [445]
  § 105. Закон сохранения момент импульса системы микрочастиц [449]
  § 106. Собственные функции оператора момента импульса системы. Коэффициенты Клебша—Гордона [455]
  § 107. Связь законов сохранения с симметрией пространства и времени [459]
Глава XVIII. Простейшие применения теории движения многих тел [464]
  § 108. Учет движения ядра в атоме [464]
  § 109. Система микрочастиц, совершающих малые колебания [467]
  § 110. Движение атомов во внешнем поле [471]
  § 111. Определение энергии стационарных состояний атомов методом отклонения во внешнем поле [474]
  § 112. Неупругие столкновения электрона с атомом. Определение энергии стационарных состояний атомов методом столкновений [479]
  § 113. Закон сохранения энергии и особая роль времени в квантовой механике [485]
Глава XIX. Системы из одинаковых микрочастиц [488]
  § 114. Принцип тождественности микрочастиц [488]
  § 115. Симметричные и антисимметричные состояния [493]
  § 116. Частицы Бозе и частицы Ферми. Принцип Паули [497]
  § 117. Волновые функции для системы частиц Ферми и частиц Бозе [504]
Глава XX. Вторичное квантование и квантовая статистика [508]
  § 118. Вторичное квантование [508]
  § 119. Теория квантовых переходов и метод вторичного квантования [517]
  § 120. Гипотеза о столкновениях. Газ Ферми—Дирака и газ Бозе-Эйнштейна [518]
Глава XXI. Многоэлектронные атомы [526]
  § 121. Атом гелия [526]
  § 122. Приближенная количественная теория атома гелия [535]
  § 123. Обменная энергия [540]
  § 124. Квантовая механика атома и периодическая система элементов Менделеева [544]
Глава XXII. Образование молекул [555]
  § 125. Молекула водорода [555]
  § 126. Природа химических сил [567]
  § 127. Межмолекулярные дисперсионные силы [571]
  § 128. Роль спина ядер в двухатомных молекулах [574]
Глава XXIII. Магнитные явления [577]
  § 129. Парамагнетизм и диамагнетизм атомов [577]
  § 130. Ферромагнетизм [580]
Глава XXIV. Атомное ядро [585]
  § 131. Ядерные силы. Изотопический спин [585]
  § 132. Систематика состояний системы нуклонов [589]
  § 133. Теория дейтона [590]
  § 134. Рассеяние нуклонов [592]
  § 135. Поляризация при рассеянии частиц со спином [597]
  § 136. Применение квантовой механики к систематике элементарных частиц [600]
Глава XXV. Заключение [604]
  § 137. Формальная схема квантовой механики [604]
  § 138. Фейнмановская формулировка квантовой механики [608]
  § 139. Некоторые методологические вопросы. Волновая функция и квантовые ансамбли [615]
  § 140. Вопросы причинности [622]
  § 141. Границы применимости квантовой механики [625]
Дополнения [630]
  I. Преобразование Фурье [630]
  II. Собственные функции в случае вырождения [632]
  III. Ортогональность и нормировка собственных функций непрерывного спектра, *-функция [634]
  IV. Значение коммутативности операторов [637]
  V. Сферические функции Y* (*, *) [639]
  VI. Уравнения Гамильтона [642]
  VII. Уравнение Шредингера и уравнения движения в криволинейной системе координат [646]
  VIII. Требования к волновой функции [648]
  IX. Решение уравнения для осциллятора [650]
  X. Электрон в однородном магнитном поле [654]
  XI. Координаты Якоби [655]
  XII. Причинность и аналитические свойства рассеянной волны [657]
  XIII. Функция Грина свободного уравнения Шредингера [658]
  XIV. Расчет взаимодействия микрочастицы с макроскопическим телом [660]

www.nehudlit.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о