Современные проблемы квантовой механики

Министерство образования  и науки РФ

Набережночелнинский филиал

Институт экономики, управления и права  (г. Казань)

 

Экономический факультет 

 

 

 

 

Реферат по дисциплине «Концепция современного естествознания»

по теме:  «Современные проблемы квантовой механики»

 

 

 

Работу выполнил: студент 1 курса ДО Гусихина Е. С.

Работу проверил: Чернышева  Ф. А.

 

 

 

 

 

Набережные Челны 2011г. - 2012 г.

 

Содержание

Резюме………………………………………………………………………3

Терминологический словарь………………………………………………4

1. Элементарные частицы. Краткая характеристика как объектов макромира…………………………………………………………………..6
2. Возникновение и развитие квантовой физики…………………………..8
0. 2.1 Гипотеза квантов…………………………………………………………..8
0. 2.2 Теория атома Н. Бора. Принцип соответствия…………………………..9
0. 2.3 Корпускулярно-волновой дуализм……………………………………...11
3. Вероятностный характер квантово механических законов……………12
4. Идея и понятия квантовой механики. Принцип неопределенности…..13
5. Проблема интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности………………………………………………………...16
6. Философские выводы из законов квантовой механики………………..18

Список использованной литературы………………………………………..20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Резюме

 

Понятия и принципы классической физики оказались неприменимыми  не только к изучению свойств и  особенностей пространства и времени, но еще в большей мере к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи, которые называют микрообъектами. К ним относят электроны, протоны, нейтроны и подобные им объекты, которые часто называют также атомными частицами. Они образуют невидимый нами микромир, и поэтому свойства объектов этого мира совершенно не похожи на свойства объектов привычного, окружающего нас макромира. Планеты, звезды, галактики, кометы, квазары и другие небесные тела образуют мегамир.

Переходя к изучению свойств и закономерностей микромира, необходимо сразу же отказаться от привычных представлений, которые навязаны предметами и явлениями знакомого нам макромира. Конечно, сделать это нелегко, ибо весь наш опыт и представления возникли и опираются на наблюдения обычных тел, да и сами мы являемся макрообъектами. Поэтому требуются немалые усилия, чтобы преодолеть наш прежний опыт при изучении микрообъектов. В этих целях для описания поведения микрообъектов широко используются абстракции и математические методы исследования.

В первое время физики были поражены необычными свойствами тех мельчайших частиц материи, которые  они изучали в микромире. Попытки  описать, а тем более объяснить  свойства микрочастиц с помощью  понятий и принципов классической физики потерпели явную неудачу. Поиски новых понятий и методов объяснения в конце концов привели к возникновению новой квантовой механики, в построение и обоснование которой значительный вклад внесли Э. Шрёдингер (1887-1961), В. Гейзенберг (1901-1976), М. Борн (1882-1970). В самом начале эта механика была названа волновой в противоположность обычной механике, которая рассматривает свои объекты как состоящие из корпускул, или частиц. В дальнейшем за механикой микрообъектов утвердилось название квантовой механики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Терминологический словарь

 

Квантовая механика — раздел теоретической физики, описывающий квантовые системы и законы их движения.

Корпускулярно-волновой дуализм - это теория о том, что любое вещество (электромагнитное излучение, физическое тело, атом и т.п.) представляется на микроуровне одновременно и как мельчайшие частицы (корпускулы), и как волны.

Спин - собственный момент импульса частицы.

Абсолютно черное тело – тело, полностью поглощающее все падающее на него излучение.

Волновая функция – величина, полностью описывающая состояние микрообъекта (например, электрона, протона, атома, молекул) и вообще любой квантовой системы (например, кристалла)

Квант (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике.

Волны – изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию.

Атом (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов.

Электрон — самая легкая частица с ненулевой массой покоя.

Нейтрино — нейтральная фундаментальная частица с полуцелым спином, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях, и относящаяся к классу лептонов.

Элементарные  частицы — первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.

Протон (от греч. protos — первый; символ р), стабильная элементарная частица, ядро атома водорода.

Нейтрон (англ. neutron, от лат. neuter — ни тот, ни другой; символ n), нейтральная (не обладающая электрическим зарядом) элементарная частица со спином 1/2 (в единицах постоянной Планка  ) и массой, незначительно превышающей массу протона.

Ядро атомное, центральная массивная часть атома, вокруг которой по квантовым орбитам обращаются электроны.

Изотопы (от изо... и греч. tópos — место), разновидности одного химического элемента, занимающие одно место в периодической системе элементов Менделеева, но отличающиеся массами атомов.

Ядерные реакции, превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами, g-квантами или друг с другом.

Чётность, квантовомеханическая характеристика состояния физической микрочастицы (молекулы, атома, атомного ядра, элементарной частицы), отображающая свойства симметрии этой микрочастицы относительно зеркальных отражений.

Античастицы, группа элементарных частиц, имеющих те же значения масс и прочих физических характеристик, что и их "двойники" — частицы, но отличающихся от них знаком некоторых характеристик взаимодействий (например, электрического заряда, магнитного момента).

Планка постоянная, квант действия, фундаментальная физическая постоянная, определяющая широкий круг физических явлений, для которых существенна дискретность действия.

Излучение электромагнитное, процесс образования свободного электромагнитного поля.

Комптона эффект, комптон-эффект, упругое рассеяние электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны; наблюдается при рассеянии излучения малых длин волн — рентгеновского и гамма-излучения.

Сверхтекучесть, особое состояние квантовой жидкости, находясь в котором жидкость протекает через узкие щели и капилляры без трения; при этом протекающая часть жидкости обладает равной нулю энтропией.

Сверхпроводимость, свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры Тк, характерной для данного материала. С.

Термоядерные  реакции, ядерные реакции между лёгкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (порядка 107 К и выше).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Элементарные частицы. Краткая характеристика как объектов макромира.

 

В XX в., особенно в его  второй половине, был открыт новый  глубинный пласт структурной  организации материи — мир  элементарных частиц. Это название не является, однако, точным. Под элементарной частицей в точном значении понимают далее неразложимые «кирпичики» материи, из которых складывается ее структурная организация. На самом же деле большинство из открытых частиц оказались системными образованиями, состоящими из еще более элементарных частиц. Поэтому правильнее сказать, что «мир элементарных частиц — это особый уровень организации материи — субъядерная материя, из форм которой структурируются ядра и атомы вещества, физические поля. Но поскольку термин «элементарные частицы» устоялся и широко употребляется, мы будем использовать его в значении «субъядерная материя».

Изучение элементарных частиц показало, что они рождаются  и уничтожаются при взаимодействии с другими элементарными частицами. Кроме того, они могут спонтанно распадаться. Все эти преобразования частиц (распад, рождение, уничтожение) реализуются через последовательные акты поглощения и испускания частиц.

Свойства элементарных частиц многообразны. Так, каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком заряда. Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (например, фотон). Каждая элементарная частица характеризуется собственным набором значений определенных физических величин. К таким величинам относятся: масса, электрический заряд, спин, время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др.

Общие характеристики всех частиц: масса, время жизни, спин. Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон — самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из полученных в ускорителях элементарных частиц (Z-бозон) обладает массой, в 200 000 раз большей массы электрона.

Важная характеристика частицы — спин — собственный момент импульса частицы. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0,3/2,2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частица со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 (гипотетический гравитон) принимает прежнее положение через пол-оборота (180°). В зависимости от спина все частицы делятся на две группы: бозоны — частицы с целыми спинами 0, 1 и 2; фермионы — частицы с полуцелыми спинами (1/2, 3/2). Частицы со спином более 2, возможно, вообще не существуют.

Частицы характеризуются  и временем жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и  нестабильные. Стабильные частицы — это электрон, протон, фотон и нейтрино. (До конца пока не решен вопрос о стабильности протона. Возможно, он распадается за t = 10³¹ лет.) Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 мин. Все остальные известные частицы нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10^-24 с. Самые нестабильные частицы резонансы. Время их жизни 10^-22—10^-24 с.

Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин, характеризующих начальное и конечное состояния системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической физике. Он пополнился законами сохранения различных четностей (пространственной, зарядовой), зарядов (лептонного, барионного и др.), внутренних симметрий, свойственных тому или иному типу взаимодействий. При этом чем интенсивнее взаимодействие, тем больше ему отвечает законов сохранения, т.е. тем более оно симметрично. В квантовой физике законы сохранения всегда являются законами запрета. Но если какой-то процесс разрешен законами сохранения, то он обязательно происходит реально.

Вершиной развития представлений  о законах сохранения в квантовой  физике является концепция спонтанного нарушения симметрии, т.е. существования устойчивых асимметричных решений для некоторых типов задач. В 1960-х гг. экспериментально было подтверждено так называемое нарушение комбинированной четкости. Иначе говоря, обнаружилось, что в микромире имеются абсолютные различия между частицами и античастицами, между «правым» и «левым», между прошлым и будущим (стрела времени, или необратимость, микропроцессов, а не только макропроцессов).

Выделение и познание характеристик отдельных субатомных частиц — важный, но только начальный этап познания их мира. На следующем этапе нужно еще понять, какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в структуре материи.

Физики выяснили, что, прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие преимущественно в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы — переносчики взаимодействий.

 

 

 

 

 

2. Возникновение и развитие квантовой физики

 

2.1 Гипотеза  квантов.

 

Истоки квантовой физики можно найти в исследованиях  процессов излучения тел. Еще  в 1809 г. П. Прево сделал вывод, что  каждое тело излучает независимо от окружающей среды. Благодаря развитию спектроскопии в XIX в. при изучении спектров излучения начинают обращать внимание и на спектры поглощения. При этом выясняется, что между излучением и поглощением тела существует простая связь: в спектрах поглощения отсутствуют или ослабляются те участки спектра, которые испускаются данным телом. Этот закон получил объяснение только в квантовой теории.

Г. Кирхгоф в 1860 г. сформулировал  новый закон, который гласит, что  для излучения одной и той  же длины волны при одной и той же температуре отношение испускательной и поглощательной способностей для всех тел одинаково.

Кирхгоф ввел понятие  абсолютно черного тела как тела, поглощающего все падающие на него лучи. Л. Больцман показал, что полная энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры. Однако задача конкретного определения вида функции Кирхгофа оказалась весьма трудной, и исследования в этом направлении, основанные на термодинамике и оптике, не привели к успеху.

Опыт давал картину, не объяснимую с точки зрения классических представлений: при термодинамическом  равновесии между колеблющимися  атомами вещества и электромагнитным излучением почти вся энергия  сосредоточена в колеблющихся атомах и лишь ничтожная часть ее приходится на долю излучения, тогда как согласно классической теории практически вся энергия должна была бы перейти к электромагнитному полю.