Возникновение и развитие квантовой физики

Оглавление

Оглавление 2

1.Открытие элементарных  частиц. 3

2. Хронология становления  квантовой теории. 5

3. Возникновение и развитие  квантовой физики 7

3.1. Гипотеза квантов 7

3.2. Теория атома И. Бора. Принцип соответствия 8

3.3. История создания квантовой  механики 10

4.Создание нерелятивистской  квантовой механики 15

5.Проблема интерпретации  квантовой механики. Принцип дополнительности 17

6.Квантово-полевая картина  мира 19

Список использованной литературы. 23

1. Открытие элементарных частиц.

Открытие элементарных частиц явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.

Исторически первой открытой элементарной частицей был электрон — носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах. В 1897Дж. Томсон установил, что катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, которые были названы электронами. В 1911 Э. Резерфорд,пропуская альфа-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги различных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях — ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны — частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, — нейтрон — была открыта в 1932Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц — структурных элементов атомов и их ядер.

Вывод о существовании частицы электромагнитного поля — фотона — берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантованна, Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были даны Р. Милликеном (1912— 1915) и А. Комптоном (1922).

Открытие нейтрино — частицы, почти не взаимодействующей с веществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули (1930), позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устранить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 (Ф. Райнес и К Коуэн, США).

С 30-х и до начала 50-х гг. изучение элементарных частиц было тесно связано с исследованием космических лучей. В 1932 в составе космических лучей К. Андерсоном был обнаружен позитрон (е+) — частица с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей. Существование е+ непосредственно вытекало из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928—31) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании космических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) — частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е-, е+.

В 1947 также в космических лучах группой С. Пауэлла были открыты p+ и p--мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц было предположено Х. Юкавой в 1935.

Конец 40-х — начало 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название “странных”. Первые частицы этой группы К+- и К--мезоны, L-, S+ -, S- -, X- -гипероны были открыты в космических лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях — установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые элементарные частицы, которые и становятся предметом изучения.

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. электронвольт (Гэв). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отражения — т. н. нарушению пространств, чётности (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды электронвольт позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W- (с массой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными элементарными частицами) частиц, получивших название “резонансов”. Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D1 (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основная часть элементарных частиц.

В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов было обнаружено несохранение т. н. комбинированной чётности (введённой Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956), означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени.

В 1974 были обнаружены массивные (в 3—4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые y-частицы, с временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц — “очарованных”, первые представители которого (D0, D+, Lс) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977 были открыты Ў-частицы с массой порядка десятка протонных масс.

Таким образом, за годы, прошедшие после открытия электрона, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц материи. Мир элементарных частиц оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях оказались свойства обнаруженных элементарных частиц. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных из классической физики, таких, как электрический заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых специальных характеристик, в частности для описания странных элементарных частиц — странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман, 1953), “очарованных” элементарных частиц — “очарование” (американские физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойств элементарных частиц.

Изучение внутреннего строения материи и свойств элементарных частиц с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и представлений. Закономерности, управляющие поведением материи в малом, оказались настолько отличными от закономерностей классической механики и электродинамики, что потребовали для своего описания совершенно новых теоретических построений.

2. Хронология становления квантовой теории.

хронологически представить этапы развития квантовой теории, начиная с момента её возникновения до наших дней.

• Дата рождения квантовой теории - это 1900 г. Макс Планк пришёл к заключению, что энергия осциллятора (механической системы) - частицы, колеблющейся около положения равновесия - изменяется дискретно. Классическая физика утверждала, что энергию любой механической системы (осциллятора) можно изменять только непрерывно.

• 1905 - А. Эйнштейн выдвинул гипотезу световых квантов и показал, что она объясняет феномен фотоэффекта, непонятный с позиций волновой теории распространения света. Он предположил, что свет есть набор частиц квантов с энергией, пропорциональной частоте, и массой, равной нулю. По сути дела он возродил уже забытую всеми корпускулярную теорию света. Благодаря этой гипотезе появилась возможность перенести идею Планка о дискретности энергии с механических систем на электромагнитное поле.

• 1913 - Н. Бор издал работу «О строении атомов и молекул». Он распространил идею о дискретности возможных значений энергии осциллятора на движение электронов в атоме. Им объяснялась дискретность спектральных линий*, испускаемых атомами. Энергия такой линии равнялась разности энергий двух возможных состояний электрона. Н. Бор фактически интуитивно сформулировал знаменитые «правила квантования», известные как постулаты Бора.

• 1923 - Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. С движением материальной частицы связан волновой процесс. Электрон проявляет себя и как частица и как волна. Не только фотоны, но и электроны, и любые другие частицы наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами. В 1927 г. была обнаружена дифракция электронов, подтвердившая эту гипотезу.

• 1926 - Эрвин Шредингер получил уравнение для волновой функции и применил его к атому водорода. Подтвердились правила квантования Бора. Были описаны волновые свойства электрона в атоме водорода. Появился способ, позволяющий рассчитывать все явления атомной физики. Было положено начало квантовой механике. Макс Борн уточнил, что волновая функция описывает вероятность нахождения частицы в той или иной точке и является волной информации.

• 1927 - В. Гейзенберг получает соотношение неопределённостей, согласно которому попытка измерения координаты частицы приводит к неопределённости в попытке определения её импульса и наоборот. Объект микромира невозможно одновременно с любой заранее заданной точностью характеризовать и координатой и импульсом. Понятие классической траектории неприменимо к микрочастицам. Н. Бор выдвигает общий принцип дополнительности, одним из конкретных выражений которого является соотношение неопределённостей.

• 1927 - П. Дирак применил квантовую механику к электромагнитному полю. Возникла квантовая теория поля. Поле как квантовый объект отличается от любой системы частиц тем, что имеет бесконечное число степеней свободы.

• 1928 - П. Дирак обобщил уравнение Шредингера для электронов, движущихся с произвольными скоростями. Было положено начало релятивистской квантовой механике и квантовой электродинамике, описывающей два взаимодействующих поля - электромагнитное и электрон-позитронное.

• Объектом исследования становится вакуум. Направление поисков: поиск симметрии полей, описывающих различные частицы и тенденция к объединению различных видов взаимодействия между частицами.

• В 1973 выдвигается гипотеза кварков, в соответствии с которой все известные сильновзаимодействующие частицы составлены из нескольких видов элементарных частиц - кварков, скреплённых глюонными полями. Так возникает квантовая хромодинамика. Поставлена задача теории Великого объединения - электрослабое и сильное взаимодействие, а также теория «Суперобъединения» - единая теория всех известных полей.

3. Возникновение  и развитие квантовой физики

3.1. 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. Развитие спектроскопии в XIX в. привело к тому, что 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 исследования в этом направлении, основанные на термодинамике и оптике, не привели к успеху.