|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ВАЖЛИВІ НАУКОВІ ВІДКРИТТЯ
Квантова механіка. Історія та суть наукового відкриття
Довідник / Найважливіші наукові відкриття Коли пройшло захоплення перших успіхів теорії Бора, всі раптом усвідомили просту істину: схема Бору суперечлива. Від такого факту не було куди сховатися, і їм пояснюється тодішній песимізм Ейнштейна, так само як і розпач Паулі. Фізики знову і знову переконувалися, що електрон під час руху в атомі не підкоряється законам електродинаміки: він не падає на ядро і навіть не випромінює, якщо атом не збуджений. Все це було настільки незвичайно, що не лежало в голові: електрон, який "відбувся" від електродинаміки, раптом вийшов з-під контролю її законів. За будь-якої спроби знайти логічний вихід із подібного порочного кола вчені завжди приходили до висновку: атом Бора існувати не може. Виходило, що рух електрона в атомі підпорядковується якимось іншим законам – законам квантової механіки. Квантова механіка – це наука про рух електронів в атомі. Вона спочатку так і називалася атомна механіка. Гейзенберг - перший із тих, кому випало щастя цю науку творити. Вернер Карл Гейзенберг (1901–1976) народився у німецькому місті Вюрцбурзі. У вересні 1911 Вернера віддали в престижну гімназію. У 1920 році Гейзенберг вступив до Мюнхенського університету. Закінчивши його, Вернер був призначений помічником професора Макса Борна у Геттінгенському університеті. Борн був упевнений, що атомний мікросвіт настільки відрізняється від макросвіту, описаного класичною фізикою, що вченим нема чого й думати користуватися при вивченні будови атома звичними поняттями про рух і час, швидкість, простір і певне положення частинок. Основа мікросвіту - кванти, які не слід намагатися зрозуміти чи пояснити з наочних позицій застарілої класики. Ця радикальна філософія знайшла гарячий відгук у душі його нового помічника. Справді, стан атомної фізики нагадував тим часом якесь нагромадження гіпотез. Ось якби комусь вдалося на досвіді довести, що електрон справді хвиля, вірніше, і частка і хвиля. Але таких дослідів поки що не було. А якщо так, то й виходити з одних лише припущень, що є електроном, на думку педантичного Гейзенберга, було некоректно. А чи не можна створити теорію, в якій будуть тільки відомі експериментальні дані про атом, отримані при вивченні світла, що випромінюється ним? Що можна сказати про це світло напевно? Що він має таку частоту і таку інтенсивність, не більше... У червні 1925 року хворий Гейзенберг поїхав відпочити на острів Гельголанд у Балтійському морі. Відпочити йому не вдалося - там він раптом зрозумів несподівану істину: не можна уявляти собі рух електрона в атомі як рух маленької кульки траєкторією. Не можна, тому що електрон не кулька, а щось складніше, і простежити рух цього "щось" настільки ж просто, як рух більярдної кулі, не можна. Л.Пономарьов у своїй книзі пише: "Гейзенберг стверджував: рівняння, за допомогою яких ми хочемо описати рух в атомі, не повинні містити жодних величин, крім тих, які можна виміряти на досвіді. А з дослідів випливало, що атом стійкий, складається з ядра і електронів може випускати промені, якщо його вивести зі стану рівноваги.Ці промені мають суворо певну довжину хвилі і, якщо вірити Бору, виникають при перескоку електрона з однієї стаціонарної орбіти на іншу.При цьому схема Бора нічого не говорила про те, що відбувається з електроном у момент стрибка, так би мовити "в польоті" між двома стаціонарними станами. А все, і Гейзенберг у тому числі, за звичкою домагалися відповіді саме на це питання. між "стаціонарними станами, такої властивості у нього просто немає!" А що є? Є щось, чому він не знав поки що навіть назви, але був переконаний: воно має залежати тільки від того, куди перейшов електрон і звідки. До того часу фізики намагалися знайти гіпотетичну траєкторію електрона в атомі, яка безперервно залежить від часу і яку можна задати рядом чисел, що відзначають становище електрона у певні моменти часу. Гейзенберг стверджував, що такої траєкторії в атомі немає, а замість безперервної кривої є набір дискретних чисел, значення яких залежать від номерів початкового та кінцевого станів електрона. Він представив стан атома у вигляді нескінченної шахівниці, у кожному квадраті якої написані числа. Звичайно, значення цих чисел залежать від положення квадрата на "атомній дошці", тобто від номера рядка (початковий стан) і номера стовпця (кінцевий стан), на перетині яких стоїть число. Якщо відомі числа X своєрідного запису " атомної гри " , то про атомі відомо все необхідне, щоб передбачити його властивості, що спостерігаються: спектр атома, інтенсивність його спектральних ліній, число і швидкість електронів, вибитих з атома ультрафіолетовими променями, а також багато іншого. Числа X не можна назвати координатами електрона в атомі. Вони замінюють їх, або, як почали говорити пізніше, уявляють їх. Але що означають ці слова - спочатку не розумів і сам Гейзенберг. Однак відразу за допомогою Макса Борна (1882-1970) і Паскуаля Йордану вдалося зрозуміти, що таблиця чисел - не просто таблиця, а матриця. "Матриці, - зауважує Л.І.Пономарьов, - це таблиці величин, для яких існують свої строго певні операції додавання та множення. Зокрема, результат перемноження двох матриць залежить від порядку, в якому вони перемножуються. Це правило може здатися дивним і підозрілим По суті, саме це правило відрізняє матриці від інших величин.Міняти його за своєю примхою ми не маємо права - в математиці теж є свої непорушні закони.Закони ці, незалежні від фізики та всіх інших наук, закріплюють мовою символів всі мислимі логічні зв'язки у природі, причому заздалегідь невідомо, чи всі ці зв'язки реалізуються насправді. Звичайно, математики про матриці знали задовго до Гейзенберга та вміли з ними працювати. Однак для всіх було цілковитою несподіванкою, що ці дивні об'єкти з незвичними властивостями відповідають чомусь реальному у світі атомних явищ. Заслуга Гейзенберга і Борна у цьому полягає, що вони подолали психологічний бар'єр, знайшли відповідність між властивостями матриць і особливостями руху електронів у атомі і тим самим заснували нову, атомну, квантову, матричну механіку. Атомну - оскільки вона описує рух електронів в атомі. Квантову - бо головну роль цьому описі грає поняття кванта дії. Матричну - оскільки математичний апарат, необхідний цього, - матриці". У новій механіці кожної характеристики електрона: координаті, імпульсу, енергії - відповідали відповідні матриці. Потім для них записували рівняння руху, відомі з класичної механіки. Гейзенберг встановив навіть щось більше: він з'ясував, що квантово-механічні матриці координати та імпульсу – це не взагалі матриці, а лише ті з них, які підкоряються комутаційному (або перестановочному) співвідношенню. У новій механіці це перестановочное співвідношення грало таку саму роль, як умова квантування Бору у старій механіці. І так само, як умови Бора виділяли стаціонарні орбіти з набору всіх можливих, комутаційне співвідношення Гейзенберга вибирає з багатьох матриць тільки квантово-механічні. Не випадково, що в обох випадках – і в умовах квантування Бору, і в рівняннях Гейзенберга – необхідно присутня постійна Планка. Постійна Планка неодмінно входить у всі рівняння квантової механіки, і за цією ознакою їх можна безпомилково відрізнити від інших рівнянь. Нові рівняння, які знайшов Гейзенберг, були несхожі ні рівняння механіки, ні рівняння електродинаміки. З погляду цих рівнянь стан атома повністю заданий, якщо відомі матриці координати чи імпульсу. Причому структура цих матриць така, що у незбудженому стані атом не випромінює. Згідно з Гейзенбергом, рух - це не переміщення електрона-кульки якою-небудь траєкторією навколо ядра. Рух - це зміна стану системи у часі, що описує матриці координати та імпульсу. Разом із питаннями про характер руху електрона в атомі саме собою відпало й питання стійкості атома. З нової точки зору в незбудженому атомі електрон спочиває, а тому й не повинен випромінювати. Теорія Гейзенберга була внутрішньо несуперечлива, чого схемою Бора так бракувало. Водночас вона призводила до таких же результатів, як і правила квантування Бора. Крім того, з її допомогою вдалося нарешті показати, що гіпотеза Планка про кванти випромінювання - це простий і природний наслідок нової механіки. Треба сказати, що матрична механіка з'явилася дуже доречною. Ідеї Гейзенберга підхопили інші фізики і незабаром, за висловом Бора, вона набула "вигляду, який за своєю логічною завершеністю і спільнотою міг конкурувати з класичною механікою". Втім, була в роботі Гейзенберга і одна обтяжлива обставина. За його словами, йому ніяк не вдавалося вивести з нової теорії простий спектр водню. І яке було його здивування, коли через деякий час після опублікування його роботи, як він написав, "Паулі підніс мені сюрприз: закінчену квантову механіку атома водню. Моя відповідь від 3 листопада починалася словами: "Чи потрібно писати, як сильно я радію нової теорії атома водню і наскільки велике моє здивування, що Ви так швидко змогли її розробити". Поява матричної механіки Гейзенберга фізики зустріли з величезним полегшенням: "Механіка Гейзенберга знову повернула мені радість життя та надію. Хоча вона й не дає вирішення загадки, але я вірю, що тепер знову можна просуватися вперед", - писав Паулі 9 жовтня 1925 року. Свою віру він незабаром сам і виправдав. Застосувавши нову механіку до атома водню, він отримав самі формули, як і Нільс Бор на основі своїх постулатів. Звичайно, при цьому виникли нові труднощі, проте це вже були труднощі зростання, а не безнадійність глухого кута. Автор: Самін Д.К.
▪ Основний закон електростатики ▪ Лінгвістична теорія Гумбольдта
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Індустріалізація змінила клімат планети ▪ Синхронізація годинника по космічним променям ▪ Підводний човен вирушить на Титан ▪ 100-мВт УФ-світлодіод діапазону 200-280 нм ▪ Рівень вуглецю в океані нерівномірний
▪ розділ сайту Будинок, присадибне господарство, хобі. Добірка статей ▪ стаття Поставити хрест. Крилатий вислів ▪ стаття Індійський шафран. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Складання кубика Рубіка. Довідник ▪ стаття Турбіна. Фізичний експеримент
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page