5.5. Концепция квантовой механики

Начиная с исторической работы М. Планка, в которой были впервые введены квантовые представления, их развитие происходило по двум взаимосвязанным направлениям. Одно из них было связано с установлением корпускулярных свойств электромагнитного излучения и привело к концепции корпускулярно-волнового дуализма света. Второе направление, которое можно характеризовать как выявление волновых свойств микрочастиц, способствовало установлению всеобщности концепции корпускулярно- волнового дуализма. Можно сказать, что эти два направления «сошлись» на необходимости полного отказа от понятий и терминов классической физики при описании явлений в микромире. Сложилось и окрепло убеждение, что и полуклассические теории обладают ограниченными возможностями, поскольку такие понятия, как движение по определенным орбитам или траектория перехода с орбиты на орбиту, несовместимы с природой тех законов, которые определяют поведение частиц микромира.

Построение новой теории, поэтому, следовало базировать на использовании физических величин, относящихся к начальному и конечному стационарным состояниям атома. В 1925 г. немецкий физикВернер Гейзенбергпостроил формальную схему, в которой фигурировали не координаты и скорости электрона, а абстрактные математические величины – матрицы, связанные простыми правилами с наблюдаемыми величинами (уровнями энергии и интенсивностями квантовых переходов). Так появиласьматричная механика.

В 1926 г. австрийский физик Эрвин Шрёдингерпредложил математическое уравнение, описывающее поведение так называемых волн де Бройля (волн материи) во внешних силовых полях. Так возниклаволновая механика. Уравнение Шрёдингера является типичным волновым уравнением и составляет основунерелятивистскойквантовой механики. Сразу же выяснилось, что матричная механика Гейзенберга и волновая механика Шрёдингера математически эквивалентны.

Детальный анализ с новых позиций спектров атомов привел к введению американскими физиками Джорджем Уленбеком и Сэмюэлом Гаудсмитомпредставления о том, что электрону кроме заряда и массы должна быть приписана еще одна квантовая характеристика –спин. Спином (от англ. «вращаться») называется приписываемый микрочастице собственный момент количества движения, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спин измеряется в единицах постоянной Планка и может быть целым или полуцелым. Учет спина электрона позволил швейцарскому физикуВольфгангу Паулисформулировать так называемыйпринцип запрета, названный впоследствии его именем. Принцип Паули, гласящий, что две тождественные частицы с полуцелым спином (в частности, электроны) не могут одновременно находиться в одном состоянии, сыграл решающую роль в понимании закономерностей заполнения электронных оболочек атомов, т. е. закономерностейпериодической системы элементов.

Исключительно важную роль в создании квантовой механики сыграли работы английского физика Поля Дирака, который в 1928 г. разработалрелятивистскую теорию движения электрона(уравнение Дирака), предсказавшую существованиепозитрона(античастицы по отношению к электрону),аннигиляциюи рождение пары электрон-позитрон.