реферат бесплатно, курсовые работы
 
Главная | Карта сайта
реферат бесплатно, курсовые работы
РАЗДЕЛЫ

реферат бесплатно, курсовые работы
ПАРТНЕРЫ

реферат бесплатно, курсовые работы
АЛФАВИТ
... А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

реферат бесплатно, курсовые работы
ПОИСК
Введите фамилию автора:


Наука - Физика

излучения, заключенного в полости, а также то, что функция, определяющая

спектральное распределение (функция Кирхгофа), зависит от температуры

полости и не зависит ни от размеров полости или ее форм, ни от свойств

помещенных в нее материальных тел. Так как функция Кирхгофа универсальна,

т.е. одинакова для любого черного тела, то возникло предположение, что ее

вид определяется какими-то положениями термодинамики и электродинамики.

Однако попытки такого рода оказались несостоятельными. Из закона Д.Рэлея

следовало, что спектральная плотность энергии излучения должна монотонно

возрастать с увеличением частоты, но эксперимент свидетельствовал об ином:

вначале спектральная плотность с увеличением частоты возрастала, а затем

падала. Решение проблемы излучения черного тела требовало принципиально

нового подхода. Он был найден М.Планком.

Планк в 1900 г. сформулировал постулат, согласно которому вещество может

испускать энергию излучения только конечными порциями, пропорциональными

частоте этого излучения (см. раздел "Возникновение атомной и ядерной

физики"). Данная концепция привела к изменению традиционных положений,

лежащих в основе классической физики. Существование дискретности действия

указывало на взаимосвязь между локализацией объекта в пространстве и

времени и его динамическим состоянием. Л. де Бройль подчеркивал, что "с

точки зрения классической физики эта связь представляется совершенно

необъяснимой и гораздо более непонятной по следствиям, к которым она

приводит, чем связь между пространственными переменными и временем,

установленная теорией относительности."[14] Квантовой концепции в развитии

физики было суждено сыграть огромную роль.

Следующим шагом в развитии квантовой концепции было расширение

А.Эйнштейном гипотезы Планка, что позволило ему объяснить закономерности

фотоэффекта, не укладывающиеся в рамки классической теории. Сущность

фотоэффекта заключается в испускании веществом быстрых электронов под

действием электромагнитного излучения. Энергия испускаемых электронов при

этом от интенсивности поглощаемого излучения не зависит и определяется его

частотой и свойствами данного вещества, но от интенсивности излучения

зависит число испускаемых электронов. Дать объяснение механизму

освобождаемых электронов не удавалось, поскольку в соответствии с волновой

теорией световая волна, падая на электрон, непрерывно передает ему энергию,

причем ее количество в единицу времени должно быть пропорционально

интенсивности волны, падающей на него. Эйнштейн в 1905 году высказал

предположение о том, что фотоэффект свидетельствует о дискретном строении

света, т.е. о том, что излучаемая электромагнитная энергия распространяется

и поглощается подобно частице (названной затем фотоном). Интенсивность

падающего света при этом определяется числом световых квантов, падающих на

один квадратный сантиметр освещаемой плоскости в секунду. Отсюда число

фотонов, которые испускаются единицей поверхности в единицу времени. должно

быть пропорционально интенсивности освещения. Многократные опыты

подтвердили это объяснение Эйнштейна, причем не только со светом, но и с

рентгеновскими и гамма-лучами. Эффект А.Комптона, обнаруженный в 1923 году,

дал новые доказательства существования фотонов - было обнаружено упругое

рассеяние электромагнитного излучения малых длин волн (рентгеновского и

гамма-излучения) на свободных электронах, которое сопровождается

увеличением длины волны. Согласно классической теории, при таком рассеянии

длина волны не должна меняться. Эффект Комптона подтвердил правильность

квантовых представлений об электромагнитном излучении как о потоке фотонов

- он может рассматриваться как упругое столкновение фотона и электрона, при

котором фотон передает электрону часть своей энергии, а потому его частота

уменьшается, а длина волны увеличивается.

Появились и другие подтверждения фотонной концепции. Особенно

плодотворной оказалась теория атома Н.Бора (1913 г.), выявившая связь

строения материи с существованием квантов и установившая, что энергия

внутриатомных движений может меняться также лишь скачкообразно. Таким

образом, признание дискретной природы света состоялось. Но ведь по сути

своей это было возрождение отвергнутой ранее корпускулярной концепции

света. Поэтому вполне естественно возникли проблемы: как совместить

дискретность структуры света с волновой теорией (тем более, что волновая

теория света подтверждалась целым рядом экспериментов), как совместить

существование кванта света с явлением интерференции, как явления

интерференции объяснить с позиции квантовой концепции? Таким образом,

возникла потребность в концепции, которая увязывала бы корпускулярный и

волновой аспекты излучения.

б) Принцип соответствия

Для устранения трудности, возникшей при использовании классической физики

для обоснования устойчивости атомов (вспомним, что потеря энергии

электроном приводит к его падению на ядро), Бор предположил, что атом в

стационарном состоянии не излучает (см. предыдущий раздел). Это означало,

что электромагнитная теория излучения для описания электронов, движущихся

по стабильным орбитам, не годится. Но квантовая концепция атома,

отказавшись от электромагнитной концепции, не могла объяснить свойства

излучения. Возникла задача: попытаться установить определенное соответствие

между квантовыми явлениями и уравнениями электродинамики с целью понять,

почему классическая электромагнитная теория дает верное описание явлений

большого масштаба. В классической теории движущийся в атоме электрон

излучает непрерывно и одновременно свет разных частот. В квантовой же

теории электрон, находящийся внутри атома на стационарной орбите, наоборот,

не излучает - излучение кванта происходит лишь в момент перехода с одной

орбиты на другую, т.е. излучение спектральных линий определенного элемента

является дискретным процессом. Таким образом, налицо два совершенно

различных представления. Можно ли их привести в соответствие и если да, то

в какой форме?

Очевидно, что соответствие с классической картиной возможно лишь при

одновременном испускании всех спектральных линий. В то же время очевидно,

что с квантовой позиции излучение каждого кванта является актом

индивидуальным, а поэтому для получения одновременного испускания всех

спектральных линий необходимо рассматривать целый большой ансамбль атомов

одинаковой природы, в котором осуществляются различные индивидуальные

переходы, приводящие к испусканию различных спектральных линий конкретного

элемента. В этом случае понятие интенсивности различных линий спектра

необходимо представлять статистически. Для определения интенсивности

индивидуального излучения кванта необходимо рассматривать ансамбль большого

числа одинаковых атомов. Электромагнитная теория позволяет дать описание

макроскопических явлений, а квантовая теория тех явлений, в которых важную

роль играют множество квантов. Поэтому вполне вероятно, что результаты,

полученные квантовой теорией, будут стремиться к классическим в области

множества квантов. Согласование классической и квантовой теорий и следует

искать в этой области. Для вычисления классических и квантовых частот

необходимо выяснить, совпадают ли эти частоты для стационарных состояний,

которые отвечают большим квантовым числам. Бор выдвинул предположение о

том, что для приближенного вычисления реальной интенсивности и поляризации

можно использовать классические оценки интенсивностей и поляризаций,

экстраполируя на область малых квантовых чисел то соответствие, которое

было установлено для больших квантовых чисел. Данный принцип соответствия

нашел подтверждение: физические результаты квантовой теории при больших

квантовых числах должны совпадать с результатами классической механики, а

релятивистская механика при малых скоростях переходит в классическую

механику. Обобщенная формулировка принципа соответствия может быть выражена

как утверждение, согласно которому новая теория, которая претендует на

более широкую область применимости по сравнению со старой, должна включать

в себя последнюю как частный случай. Использование принципа соответствия и

придание ему более точной формы способствовали созданию квантовой и

волновой механики.

К концу первой половины XX века в исследованиях природы света сложились

две концепции - волновая и корпускулярная, которые остались не в состоянии

преодолеть разделяющий их разрыв. Возникла настоятельная потребность

создать новую концепцию, в которой квантовые идеи должны лечь в ее основу,

а не выступать в роли некого "довеска". Реализация этой потребности была

осуществлена созданием волновой механики и квантовой механики, которые по

сути составили единую новую квантовую теорию - различие заключалось в

используемых математических языках. Квантовая теория как нерелятивистская

теория движения микрочастиц явилась самой глубокой и широкой физической

концепцией, объясняющей свойства макроскопических тел. В качестве ее основы

были положены идея квантования Планка-Эйнштейна-Бора и гипотеза о волнах

материи де Бройля.

в) Волновая механика

Ее основные идеи появились в 1923-1924 гг., когда Л. де Бройлем была

высказана мысль о том, что электрон должен обладать и волновыми свойствами,

навеянная аналогией со светом. К этому времени представления о дискретной

природе излучения и существовании фотонов уже достаточно укрепились,

поэтому для полного описания свойств излучения надо было поочередно

представлять его то как частицу, то как волну. А поскольку Эйнштейн уже

показал, что дуализм излучения связан с существованием квантов, то

естественно было поставить вопрос о возможности обнаружения подобного

дуализма и в поведении электрона (и вообще материальных частиц). Гипотеза

де Бройля о волнах материи получила подтверждение обнаруженным в 1927 г.

явлением дифракции электронов: оказалось, что пучок электронов дает

дифракционную картину. (Позже будет обнаружена дифракция и у молекул.)

Исходя из идеи де Бройля о волнах материи, Э.Шредингер в 1926 г. вывел

основное уравнение механики (которую он назвал волновой), позволяющее

определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени.

Уравнение содержало так называемую волновую функцию ( (пси-функцию),

описывающую волну (в абстрактном, конфигурационном пространстве). Шредингер

дал общее правило преобразования данных классических уравнений в волновые,

которые относятся к многомерному конфигурационному пространству, а не

реальному трехмерному. Пси-функция определяла плотность вероятности

нахождения частицы в данной точке. В рамках волновой механики атом можно

было представить в виде ядра, окруженного своеобразным облаком вероятности.

С помощью пси-функции определяется вероятность присутствия электрона в

определенной области пространства.

г) Квантовая (матричная) механика.

Принцип неопределенности

В 1926 г. В.Гейзенберг разрабатывает свой вариант квантовой теории в виде

матричной механики, отталкиваясь при этом от принципа соответствия.

Столкнувшись с тем, что при переходе от классической точки зрения к

квантовой нужно разложить все физические величины и свести их к набору

отдельных элементов, соответствующих различным возможным переходам

квантового атома, он пришел к тому, чтобы каждую физическую характеристику

квантовой системы представлять таблицей чисел (матрицей). При этом он

сознательно руководствовался целью построить феноменологическую концепцию,

чтобы исключить из нее все, что невозможно наблюдать непосредственно. В

этом случае нет никакой необходимости вводить в теорию положение, скорость

или траекторию электронов в атоме, поскольку мы не можем ни измерять, ни

наблюдать эти характеристики. В расчеты следует вводить лишь те величины,

которые связаны с реально наблюдаемыми стационарными состояниями,

переходами между ними и сопровождающими их излучениями. В матрицах элементы

были расположены в строки и столбцы, причем каждый из них имел два индекса,

один из которых соответствовал номеру столбца, а другой - номеру строки.

Диагональные элементы (т.е. элементы, индексы которых совпадают) описывают

стационарное состояние, а недиагональные (элементы с разными индексами) -

описывают переходы из одного стационарного состояния в другое. Величина же

этих элементов связывается с величинами, характеризующими излучение при

данных переходах, полученными с помощью принципа соответствия. Именно таким

способом Гейзенберг строил матричную теорию, все величины которой должны

описывать лишь наблюдаемые явления. И хотя наличие в аппарате его теории

матриц, изображающих координаты и импульсы электронов в атомах, оставляет

сомнение в полном исключении ненаблюдаемых величин, Гейзенберту удалось

создать новую квантовую концепцию, составившую новую ступень в развитии

квантовой теории, суть которой состоит в замене физических величин, имеющих

место в атомной теории, матрицам - таблицам чисел. Результаты, к которым

приводили методы, используемые в волновой и матричной механике, оказались

одинаковыми, поэтому обе концепции и входят в единую квантовую теорию как

эквивалентные. Методы матричной механики, в силу своей большей компактности

часто быстрее приводят к нужным результатам. Методы волновой механики, как

считается, лучше согласуется с образом мышления физиков и их интуицией.

Большинство физиков при расчетах пользуется волновым методом и использует

волновые функции.

Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, в соответствии с

которым координаты и импульс не могут одновременно принимать точные

значения. Для предсказания положения и скорости частицы важно иметь

возможность точно измерять ее положение и скорость. При этом чем точнее

измеряется положение частицы (ее координаты), тем менее точными оказываются

измерения скорости.

Хотя световое излучение состоит из волн, однако в соответствии с идеей

Планка, свет ведет себя как частица, ибо излучение и поглощение его

осуществляется в виде квантов. Принцип неопределенности же свидетельствует

о том, что частицы могут вести себя как волны - они как бы "размазаны" в

пространстве, поэтому можно говорить не об их точных координатах, а лишь о

вероятности их обнаружения в определенном пространстве. Таким образом,

квантовая механика фиксирует корпускулярно-волновой дуализм - в одних

случаях удобнее частицы считать волнами, в других, наоборот, волны

частицами. Между двумя волнами-частицами можно наблюдать явление

интерференции. Если гребни одной волны совпадают с впадинами другой волны,

то они гасят друг друга, а если гребни и впадины одной волны совпадают с

гребнями и впадинами другой волны, то они усиливают друг друга.

д) Интерпретации квантовой теории.

Принцип дополнительности

Возникновение и развитие квантовой теории привело к изменению

классических представлений о структуре материи, движении, причинности,

пространстве, времени, характере познания и т.д., что способствовало

коренному преобразованию картины мира. Для классического понимания

материальной частицы было характерно резкое ее выделение из окружающей

среды, обладание собственным движением и местом нахождения в пространстве.

В квантовой теории частица стала представляться как функциональная часть

системы, в которую она включена, не имеющая одновременно координат и

импульса. В классической теории движение рассматривалось как перенос

частицы, остающейся тождественно самой себе, по определенной траектории.

Двойственный характер движения частицы обусловил необходимость отказа от

такого представления движения. Классический (динамический) детермизм

уступил место вероятностному (статистическому). Если ранее целое понималось

как сумма составляющий частей, то квантовая теория выявила зависимость

свойств частицы от системы, в которую она включена. Классическое понимание

познавательного процесса было связано с познанием материального объекта как

существующего самого по себе. Квантовая теория продемонстрировала

зависимость знания об объекте от исследовательских процедур. Если

классическая теория претендовала на завершенность, то квантовая теория с

самого начала развертывалась как незавершенная, основывающаяся на ряде

гипотез, смысл которых вначале был далеко не ясен, а поэтому ее основные

положения получали разное истолкование, разные интерпретации.

Разногласия выявились прежде всего по поводу физического смысла

двойственности микрочастиц. Де Бройль вначале выдвинул концепцию волны-

пилота, в соответствии с которой волна и частица сосуществуют, волна ведет

за собой частицу. Реальным материальным образованием, сохраняющим свою

устойчивость, является частица, поскольку именно она обладает энергией и

импульсом. Волна, несущая частицу, управляет характером движения частицы.

Амплитуда волны в каждой точке пространства определяет вероятность

локализации частицы рядом с этой точкой. Шредингер проблему двойственности

частицы решает по сути путем ее снятия. Для него частица выступает как

чисто волновое образование. Иначе говоря, частица есть место волны, в

котором сосредоточена наибольшая энергия волны. Интерпретации де Бройля и

Шредингера представляли собой по сути попытки создать наглядные модели в

духе классической физики. Однако это оказалось невозможным.

Гейзенбергом была предложена интерпретация квантовой теории, исходя (как

было показано ранее) из того, что физика должна пользоваться только

понятиями и величинами, основанными на измерениях. Гейзенберг поэтому и

отказался от наглядного представления движения электрона в атоме.

Макроприборы не могут дать описание движения частицы с одновременной

фиксацией импульса и координат (т.е. в классическом смысле) по причине

принципиально неполной контролируемости взаимодействия прибора с частицей -

в силу соотношения неопределенностей измерение импульса не дает возможности

определить координаты и наоборот. Иначе говоря, по причине принципиальной

неточности измерения предсказания теории могут иметь лишь вероятностный

характер, причем вероятность является следствием принципиальной неполноты

информации о движении частицы. Это обстоятельство привело к выводу о

крушении принципа причинности в классическом смысле, предполагавшим

предсказание точных значений импульса и координаты. В рамках квантовой

теории, таким образом, речь идет не об ошибках наблюдения или эксперимента,

а о принципиальном недостатке знаний, которые и выражаются с помощью

функции вероятности.

Интерпретация квантовой теории, осуществленная Гейзенбергом, была развита

Бором и получила название копенгагенской. В рамках данной интерпретации

основным положением квантовой теории выступает принцип дополнительности,

означающий требование применять для получения в процессе познания целостной

картины изучаемого объекта взаимоисключающие классы понятий, приборов и

исследовательских процедур, которые используются в своих специфических

условиях и взаимозаполняют друг друга. Данный принцип напоминает

соотношение неопределенностей Гейзенберга. Если речь идет об определении

импульса и координаты как взаимоисключающих и взаимодополняющих

исследовательских процедур, то для отождествления этих принципов есть

основания. Однако смысл принципа дополнительности шире, чем соотношения

неопределенностей. Для того, чтобы объяснить устойчивость атома, Бор

соединил в одной модели классические и квантовые представления о движении

электрона. Принцип дополнительности, таким образом, позволил классические

представления дополнить квантовыми. Выявив противоположность волновых и

корпускулярных свойств света и не найдя их единства, Бор склонился к мысли

о двух, эквивалентных друг другу, способах описания - волновом и

корпускулярном - с последующем их совмещением. Так что точнее говорить о

том, что принцип дополнительности выступает развитием соотношения

неопределенности, выражающих связи координаты и импульса.

Ряд ученых истолковали нарушение принципа классического детерминизма в

рамках квантовой теории в пользу индетернизма. В действительности же здесь

принцип детерминизма изменял свою форму. В рамках классической физики, если

в начальный момент времени известны положения и состояние движения

элементов системы, можно полностью предсказать ее положение в любой будущий

момент времени. Все макроскопические системы были подчинены этому принципу.

Даже в тех случаях, когда приходилось вводить вероятности, всегда

предполагалось, что все элементарные процессы строго детернизированы и что

только их большое число и беспорядочность поведения заставляет обращаться к

статистическим методам. В квантовой теории ситуация принципиально иная. Для

реализации принципов детернизации здесь необходимо знать координаты и

импульсы, и это соотношением неопределенности запрещается. Использование

вероятности здесь имеет иной смысл по сравнению со статистической

механикой: если в статистической механике вероятности использовались для

описания крупномасштабных явлений, то в квантовой теории вероятности,

наоборот, вводятся для описания самих элементарных процессов. Все это

означает, что в мире крупномасштабных тел действует динамический принцип

причинности, а в микромире - вероятностный принцип причинности.

Копенгагенская интерпретация предполагает, с одной стороны, описание

экспериментов в понятиях классической физики, а с другой - признание этих

понятий неточно соответствующими действительному положению вещей. Именно

эта противоречивость и обусловливает вероятность квантовой теории. Понятия

классической физики составляют важную составную часть естественного языка.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13


реферат бесплатно, курсовые работы
НОВОСТИ реферат бесплатно, курсовые работы
реферат бесплатно, курсовые работы
ВХОД реферат бесплатно, курсовые работы
Логин:
Пароль:
регистрация
забыли пароль?

реферат бесплатно, курсовые работы    
реферат бесплатно, курсовые работы
ТЕГИ реферат бесплатно, курсовые работы

Рефераты бесплатно, реферат бесплатно, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты, рефераты скачать, рефераты на тему, сочинения, курсовые, дипломы, научные работы и многое другое.


Copyright © 2012 г.
При использовании материалов - ссылка на сайт обязательна.