- •Методы наблюдения интерференции. Расчет интерференционной картины от двух источников.
- •Дифракция. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля.
- •Дифракция на круглом отверстии и диске.
- •Дифракция на одной щели.
- •Естественный и поляризованный свет. Закон Брюстера.
- •Анализ поляризованного света. Закон Малюса. Двойное лучепреломление. Пластинки в четверть- и в пол- волны.
- •Искусственная анизотропия и искусственное двойное лучепреломление. Ячейка Керра. Вращение плоскости поляризации.
- •Тепловое излучение. Закон Кирхгофа. Излучение абсолютно черного тела. Законы Стефана-Больцмана и Вина.
- •Квантовая гипотеза и формула Планка. Оптическая пирометрия.
- •Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Применение.
- •Давление света. Эффект Комптона.
- •Гипотеза де Бройля опыты по дифракции электронов.
- •Соотношение неопределенностей. Волновая функция и ее статистический смысл.
- •Уравнение Шредингера. Частица в потенциальной яме с бесконечно высокими стенками.
- •Стационарное уравнение Шрёдингера
- •Атом водорода в квантовой механике.
- •Закон радиоактивного распада. Период п/р
- •Ядерные реакции.
-
Соотношение неопределенностей. Волновая функция и ее статистический смысл.
-
Согласно двойственной корпускулярно-волновой природе частиц вещества, для описания микрочастиц используются то волновые, то корпускулярные представления. Поэтому приписывать им все свойства частиц и все свойства волн нельзя. Естественно, что необходимо внести некоторые ограничения в применении к объектам микромира понятий классической механики.
-
В классической механике всякая частица движется по определенной траектории, так что в любой момент времени точно фиксированы ее координата и импульс. Микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенно отличаются от классических частиц. Одно из основных различий заключается в том, что нельзя говорить о движении микрочастицы по определенной траектории и неправомерно говорить об одновременных точных значениях ее координаты и импульса. Это следует из корпускулярно-волнового дуализма. Так, понятие «длина волны в данной точке» лишено физического смысла, а поскольку импульс выражается через длину волны (см. (213.1)), то отсюда следует, что микрочастица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату. И наоборот, если микрочастица находится в состоянии с точным значением координаты, то ее импульс является полностью неопределенным.
-
В. Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с волновыми свойствами ограничения в их поведении, пришел в 1927 г. к выводу, что объект микромира невозможно одновременно с любой наперед заданной точностью характеризовать и координатой и импульсом. Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, микрочастица (микрообъект) не может иметь одновременно и определенную координату (х, у, z), и определенную соответствующую проекцию импульса (рх, pу, pz), причем неопределенности этих величин удовлетворяют условиям
-
(215.1)
-
т. е. произведение неопределенностей координаты и соответствующей ей проекции импульса не может быть меньше величины порядка h.
-
Из соотношения неопределенностей (215.1) следует, что, например, если микрочастица находится в состоянии с точным значением координаты (x = 0), то в этом состоянии соответствующая проекция ее импульса оказывается совершенно неопределенной (px ), и наоборот. Таким образом, для микрочастицы не существует состояний, в которых ее координаты и импульс имели бы одновременно точные значения. Отсюда вытекает и фактическая невозможность одновременно с любой наперед заданной точностью измерить координату и импульс микрообъекта.
-
Соотношение неопределенностей действительно вытекает из волновых свойств микрочастиц. В квантовой теории рассматривается также соотношение неопределенностей для энергии Е и времени t, т. е. неопределенности этих величии удовлетворяют условию
-
(215.5)
-
Подчеркнем, что Е — неопределенность энергии некоторого состояния системы, t — промежуток времени, в течение которого оно существует. Следовательно, система, имеющая среднее время жизни t, не может быть охарактеризована определенным значением энергии; разброс энергии E=h/t возрастает с уменьшением среднего времени жизни. Из выражения (215.5) следует, что частота излученного фотона также должна иметь неопределенность = E/h, т. е. линии спектра должны характеризоваться частотой, равной ± E/h..Опыт действительно показывает, что все спектральные линии размыты; измеряя ширину спектральной линии, можно оценить порядок времени существования атома в возбужденном состоянии.
-
Чтобы волновая функция являлась объективной характеристикой состояния микрочастиц, она должна удовлетворять ряду ограничительных условий. Функция , характеризующая вероятность обнаружения действия микрочастицы в элементе объема, должна быть конечной (вероятность не может быть больше единицы), однозначной (вероятность не может быть неоднозначной величиной) и непрерывной (вероятность не может изменяться скачком).
-
Волновая функция удовлетворяет принципу суперпозиции: если система может находиться в различных состояниях, описываемых волновыми функциями 1, 2,..., n,... то она также может находиться в состоянии , описываемом линейной комбинацией этих функций
-
где Сn (n=1, 2, ...)—произвольные, вообще говоря, комплексные числа. Сложение волновых функций (амплитуд вероятностей), а не вероятностей (определяемых квадратами модулей волновых функций) принципиально отличает квантовую теорию от классической статистической теории, в которой для независимых событий справедлива теорема сложения вероятностей.
-
-
-
Уравнение Шредингера. Частица в потенциальной яме с бесконечно высокими стенками.
-
В квантовой физике вводится комплекснозначная функция ψ, описывающая чистое состояние объекта, которая называется волновой функцией. В наиболее распространенной копенгагенской интерпретации эта функция связана с вероятностью обнаружения объекта в одном из чистых состояний (квадрат модуля волновой функции представляет собой плотность вероятности). Поведение гамильтоновой системы в чистом состоянии полностью описывается с помощью волновой функции.
-
Отказавшись от описания движения частицы с помощью траекторий, получаемых из законов динамики, и определив вместо этого волновую функцию, необходимо ввести в рассмотрение уравнение, эквивалентное законам Ньютона и дающее рецепт для нахождения ψв частных физических задачах. Таким уравнением является уравнение Шрёдингера.
-
Пусть волновая функция задана в N-мерном пространстве, тогда в каждой точке с координатами , в определенный момент времени t она будет иметь вид ψ(r,t). В таком случае уравнение Шрёдингера запишется в виде:
-
где , h — постоянная Планка; m — масса частицы, Ep(r) — внешняя по отношению к частице потенциальная энергия в точке , — оператор Лапласа (или лапласиан), эквивалентен квадрату оператора набла и в n-мерной системе координат имеет вид:
-
Стационарное уравнение Шрёдингера
-
Форма уравнения Шрёдингера показывает, что относительно времени его решение должно быть простым, поскольку время входит в это уравнение лишь через первую производную в правой части. Действительно, частное решение для специального случая, когда Ep не является функцией времени, можно записать в виде:
-
-
где функция ψ(r) должна удовлетворять уравнению:
-
которое получается из уравнения Шрёдингера (1) при подстановке в него указанной выше формулы для ψ (2). Заметим, что это уравнение вообще не содержит времени; в связи с этим оно называется стационарным уравнением Шрёдингера (уравнение Шрёдингера, не содержащее времени).
-
Выражение (2) является лишь частным решением зависящего от времени уравнения Шрёдингера (1), общее решение представляет собой линейную комбинацию всех частных решений вида (2). Зависимость функции ψ(r,t) от времени проста, но зависимость ее от координаты не всегда имеет элементарный вид, так как уравнение (3) при одном выборе вида потенциальной функции Ep(r) совершенно отличается от того же уравнения при другом выборе этой функции. В действительности, уравнение (3) может быть решено аналитически лишь для небольшого числа частных типов функции Ep(r) .
-
Важное значение имеет интерпретация величины E в уравнении (2). Она производится следующим путём: временна́я зависимость функции ψ(r,t) в уравнении (2) имеет экспоненциальный характер, причём коэффициент при t в показателе экспоненты выбран так, что правая часть уравнения (3) содержит просто постоянный множитель E. В левой же части уравнения (3) функция ψ умножается на потенциальную энергию Ep(r) . Следовательно, из соображений размерности вытекает, что величина E должна иметь размерность энергии. Единственной величиной с размерностью энергии, которая постоянна в механике, является полная (сохраняющаяся) энергия системы; таким образом, можно предполагать, что E представляет собой полную энергию. Согласно физической интерпретации уравнения Шрёдингера, E действительно является полной энергией частицы при движении, описываемом функцией ψ(r,t).
-