Микромир

               Содержание

 

1. Введение    ………………………………………………………………….                                                                                                        
2. Вопрос № 1: «Изложите сущность квантово-механической концепции, описание микромира» ………………………………………………………                                                                                     
3. Вопрос № 2: «Объясните взгляды М. Планка, Луи Де Бройля,

Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и других ученых на природу микромира»   ……………………………………………………………….. 

4. Вопрос № 3: «Подчеркните особенности волновой генетики»      ……                                    
5. Заключение  ……………………………………………………………..                                                                                                  

Список литературы……………………………………………………………..                                                                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      

                   Введение 

Микромир – это мир  предельно малых, непосредственно  не наблюдаемых микрообъектов. (Пространственная размерность, которых исчисляется  от 10^-8 до 10^-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10^-24 с.)

Квантовая механика (волновая механика) – это теория, устанавливающая  способ описания и законы движения на микроуровне.

Изучение явлений микромира  привело к результатам, которые  резко расходились с общепринятыми  в классической физике и даже теории относительности. Классическая физика видела свою цель в описании объектов, существующих в пространстве, и в  формулировке законов, управляющих  их изменениями во времени. Но для  таких явлений, как радиоактивный  распад, дифракция, испускание спектральных линий, можно утверждать лишь, что  имеется некоторая вероятность  того, что индивидуальный объект таков  и он имеет такое-то свойство. В  квантовой механике нет места  для законов, управляющих изменениями  отдельного объекта во времени.

Для классической механики характерно описание частиц путем задания  их положения и скоростей и  зависимости этих величин от  времени. В квантовой механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут  вести себя по-разному.

Изучение объектов микромира  в нашей жизни, как раньше, так  и в настоящее время, играют не маловажную роль. С давних пор людей  интересовали вопросы, на которые они  не могли дать адекватные ответы, например, самый маленький объект на Земле  до XIX в. считался атом, пока не началось более детальное и «смелое» исследование, которое доказало, что в состав атома входят намного меньшие по размерам частицы-электроны. Поэтому считаю изучение данной темы актуальной и в наше время, так как приборы совершенствуются и возможно когда-нибудь ученые докажут что есть объекты намного меньшие размеров электрона.

Главной целью этой работы я считаю изучение природы микромира, расширения понятия Микромир и применение явлений в квантовой физике.

 Главной задачей является  отслеживание путей открытия  различных объектов и понятие  их основных критериев, доказательств  на которых основывались ученые, выдвигая гипотезы на всеобщее  обсуждение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Изложите сущность  квантово-механической концепции,  описание микромир.

Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении  неопределенностей, установленном  немецким физиком 

В. Гейзенбергом, и принцип  дополнительности Н. Бора.

Суть соотношения неопределенностей  В. Гейзенберга заключается в  следующем. Ставится задача определить состояние движущейся частицы. Если бы можно было воспользоваться законами классической механики, то ситуация была бы простой. Но законы классической механики для микрочастиц применяться  не могут: невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью  установить место и величину движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. В своей книге «Физика атомного ядра» В. Гейзенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей. Он пишет: «Никогда нельзя одновременно точно  знать оба параметра – координату и скорость». Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как  быстро и в каком направлении  она движется. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где  частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И наоборот, при точном измерении  скорости нельзя определить место расположения частицы.

Соотношение неопределенностей  есть выражение невозможности наблюдать  микромир, не нарушая его. Любая попытка  дать четкую картину микрофизических  процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение  проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при  рассеивании электронов. При экспериментах, неправленых на точное определение  места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при наблюдении отклонения лучей.

  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 то же время противоречат  друг другу, они являются дополняющими  картинами происходящего».

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов 

является результатом  неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в  одних квантовые объекты ведут  себя как волны, в других – подобно  частицам.

Поэтому корпускулярная и  волновая картины должны дополнять  одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете обоих аспектов можно получить общую картину  микромира.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            2.Объясните взгляды М. Планка, Луи Де Бройля,

Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и других ученых на природу           микромира»

 

Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с  точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые; так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении  был сделан немецким физиком Максом Планком. В 1900 г. После продолжительных попыток создать теорию, которая удовлетворительно объясняла бы экспериментальные данные, Планку удалось вывести формулу, которая замечательно согласовывалась с данными эксперимента. Свои исследования Планк посвящал в основном вопросам термодинамики. Известность он приобрел после объяснения представления о квантовой природе излучения.Однако для вывода своей формулы ему пришлось ввести радикальное понятие, идущее вразрез со всеми установленными принципами. В процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах изучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях – квантах.

Применяя новую квантовую  теорию М. Планка к проблеме строения атома, Нильс Бор предположил, что  электроны обладают некоторыми разрешенными устойчивыми орбитами, на которых  они не излучают энергию. Только в  случае, когда электрон переходит  с одной орбиты на другую, он приобретает  или теряет энергию, причем величина, на которую изменяется энергия, точно  равна энергетической разности между  двумя орбитами. Идея, что частицы  могут обладать лишь определенными  орбитами, была революционной, поскольку, согласно классической теории, их орбиты могли располагаться на любом  расстоянии от ядра, подобно тому как планеты могли бы в принципе вращаться по любым орбитам вокруг Солнца.

Хотя модель Бора казалась странной и немного мистической, она позволяла решить проблемы, давно  озадачивавшие физиков. В частности, она давала ключ к разделению спектров элементов. Когда свет от светящегося  элемента (например, нагретого газа, состоящего из атомов водорода) проходит через призму, он дает не непрерывный  включающий все цвета спектр, а  последовательность дискретных ярких  линий, разделенных более широкими темными областями. Согласно теории Бора, каждая яркая цветная линия (т.е. каждая отдельная длина волны) соответствует свету, излучаемому  электронами, когда они переходят  с одной разрешенной орбиты на другую орбиту с более низкой энергией. Бор вывел формулу для частот линий в спектре водорода, в  которой содержалась постоянная Планка. Частота, умноженная на постоянную Планка, равна разности энергий между  начальной и конечной орбитами, между  которыми совершают переход электроны. Теория Бора, опубликованная в 1913 г., принесла ему известность; его модель атома стала известна как атом Бора. Усилия Бора были направлены на то, чтобы сохранить за обоими наглядными представлениями, корпускулярным и волновым, одинаковое право на существование, причем он пытался доказать, что хотя эти представления, возможно, исключают друг друга, однако они лишь вместе делают возможным полное описание процессов в атоме.

Поскольку свойства электрона  в стационарном состоянии атома  описываются с помощью кванта, Луи Де Бройль предположил, что объекты  – такие как электроны и  фотоны совсем не похожи на привычные  объекты макромира. Они ведут  себя и не как частицы и не как  волны, а как совершенно особые образования, проявляя и волновые и корпускулярные свойства в зависимости от обстоятельств.

Соотношение де Бройля позволило объяснить одну из величайших загадок зарождающейся квантовой механики. Когда Нильс Бор предложил свою модель атома, она включала концепцию разрешенных орбит электронов вокруг ядра, по которым они могли сколь угодно долго вращаться без потери энергии. С помощью соотношения де Бройля можно проиллюстрировать это понятие. Если считать электрон частицей, то, чтобы электрон оставался на своей орбите, у него должна быть одна и та же скорость (или, вернее, импульс) на любом расстоянии от ядра.

Если же считать электрон волной, то, чтобы он вписался в орбиту заданного радиуса, надо, чтобы длина  окружности этой орбиты была равна  целому числу длины его волны. Иными словами, окружность орбиты электрона  может равняться только одной, двум, трем (и так далее) длинам его волн. В случае нецелого числа длин волны  электрон просто не попадет на нужную орбиту.

Главный же физический смысл  соотношения де Бройля в том, что всегда можно определить разрешенные импульсы (в корпускулярном представлении) или длины волн (в волновом представлении) электронов на орбитах. Для большинства орбит, однако, соотношение де Бройля показывает, что электрон (рассматриваемый как частица) с конкретным импульсом не может иметь соответствующую длину волны (в волновом представлении) такую, что он впишется в эту орбиту. И наоборот, электрон, рассматриваемый как волна определенной длины, далеко не всегда будет иметь соответствующий импульс, который позволит электрону оставаться на орбите (в корпускулярном представлении). Иными словами, для большинства орбит с конкретным радиусом либо волновое, либо корпускулярное описание покажет, что электрон не может находиться на этом расстоянии от ядра.

Под впечатлением от комментариев Эйнштейна  по поводу идей де Бройля Эрвин Шредингер  предпринял попытку применить волновое описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не связанной с  неадекватной моделью атома Бора. В известном смысле он намеревался  сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая накопила немало примеров математического описания волн. Первая попытка, предпринятая Э. Шредингером в 1925 г., закончилась неудачей. Скорости электронов в теории Шредингера были близки к скорости света, что требовало включения в нее специальной теории относительности Эйнштейна и учета предсказываемого ею значительного увеличения массы электрона при очень больших скоростях.

 Следующую попытку  Шредингер предпринял в 1926 г. Скорости электронов на этот раз были выбраны им настолько малыми, что необходимость в привлечении теории относительности отпадала сама собой. Вторая попытка увенчалась выводом волнового уравнения Шредингера, дающего математическое описание материи в терминах волновой функции. Э. Шредингер назвал свою теорию волновой механикой. Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными наблюдениями и оказали глубокое влияние на последующее развитие квантовой теории. Волновое уравнение определяет параметры будущего состояния микрообъекта с той или иной степенью вероятности.

В 1927 г. Вернер Гейзенберг стал профессором теоретической физики Лейпцигского университета. В том же году он опубликовал работу, содержащую формулировку принципа неопределенности. Свой принцип Гейзенберг вывел как следствие умножения матриц. При умножении обычных чисел порядок сомножителей несуществен, а при умножении матриц он очень важен. При вычислении операции умножения над некоторыми парами величин, например импульсом частицы и ее пространственной координатой, ответ в матричной механике будет зависеть от того, какая из величин (импульс или пространственная координата) стоит на первом месте. Понятие упорядоченности величин оказалось весьма глубоким. Оно означало, что точное определение одной величины влияет на значение другой, поэтому значения двух величин одновременно невозможно знать с абсолютной точностью. Физические величины обычно становятся известны в результате измерений. Принцип неопределенности устанавливает предел для точности измерений. Понятие упорядоченности величин оказалось весьма глубоким, это означало, что одновременно сколько угодно точно определить координату и импульс частицы не возможно. В микромире описание процессов возможно лишь на вероятностном уровне.