Квантово-механическая концепция описания микромира. Квантовая механика – это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне. Ее начало совпало с началом 20 века. Немецкий физик М. Планк в 1900 году предположил, что свет испускается неделимыми порциями энергии – квантами и представил это в виде формулы E=hv, где Е – энергия, v – частота света, h – универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение. Последующее изучение явлений микромира привело к результатам, которые резко различались с общепринятыми в классической физике и даже в теории относительности представлениями.
В квантовой механике нет места для законов, управляющих изменениями отдельного объекта во времени. [3, c.91] В микромире господствует статистика, а не уравнения Дж. К. Максвелла или законы И. Ньютона. «Вместо этого мы имеем законы, управляющие изменениями во времени»1.На базе квантовой механики невозможно описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать ее будущий путь. [3, c.92] Первая модель атома была построена Н.Бором (1913 г.) на основе экспериментального обнаружения квантования света.
По мнению ученого, при переходе электрона с одной орбиты на другую рождается квант света с энергией, равной разности энергий уровней, между которыми осуществляется переход. Так происходит излучение и возникает линейчатый спектр (в спектрах оказываются лишь определенные длины волн) – основная особенность атомных спектров.
Рис.1 Бора [5] Важная особенность явлений микромира заключается в том, что электрон ведет себя подобно частице, когда движется во внешнем электрическом или магнитном поле, и подобно волне, когда дифрагирует, проходя сквозь кристалл.
В связи с этим Л. Де Бройль предположил, что электрон – это волна определенной длины. Дифракция подтверждает волновую гипотезу, а отсутствие увеличения энергии выбиваемых светом частиц – квантовую. Объединение этих гипотез получило название корпускулярно – волнового дуализма. [3, c.92 - 93] Квантово – механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком В.Гейзенбергом, и принципе дополнительности Н.Бора. В. Гейзенберг раскрывает Содержание соотношения неопределенностей в своей книге «Физика атомного ядра». Он пишет, что никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость.
Соотношение неопределенностей есть выражение возможности наблюдать микромир, не нарушая его. Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в тоже время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».[6, c.107 – 108] Энергию системы можно измерить с точностью, не превышающей определенной величины.
Причиной этому является взаимодействие системы с измерительным прибором, который препятствует точному измерению энергии. Из соотношения неопределенностей вытекает, что энергия возбужденных состояний атомов, молекул, ядер не могут быть строго определенными. Итак, квантовая механика пришла к принципиально новым выводам в исследовании микромира: Каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами Вещество может переходить в излучение (аннигиляция2 частицы и античастицы дает фотон, т.е. квант света) Место и импульс элементарной частицы можно предсказать только с определенной вероятностью Прибор, исследующий реальность, влияет на нее Точное измерение возможно только при потоке частиц, но не одной частицы По существу относительность восторжествовала и в квантовой механике, так как ученые признали, что нельзя во-первых, найти объективную истину безотносительного от измерительного прибора, во-вторых, знать одновременно и положение, и скорость частиц; в-третьих, установить, имеем ли мы в микромире дело с частицами или волнами. [3, c.93 – 94]