Квантовая механика представляет собой раздел теоретической физики, который описывает физические явления, где действие равнозначно по величине постоянной Планка. Законы квантовой механики существенно отличаются от классической.
Поскольку постоянная Планка представляет собой чрезвычайно малую величину (в сравнении с действием объектов при макроскопическом движении), квантовые эффекты проявляются, главным образом, в микроскопических масштабах.
В случае, если физическое действие системы намного превышает постоянную Планка, квантовая механика органически превращается в классическую. В свою очередь, квантовая механика представляет нерелятивистское приближение малых энергий, сравнительно с энергией покоя массивных частиц системы. Это называется квантовой теорией поля.
Представление о квантовой механике
Классическая механика, которая хорошо описывает системы в макроскопических масштабах, не может описать все физические явления на электронном, фотонном, молекулярном и атомном уровне.
Квантовая механика занимается описанием главных свойств и поведения конденсированных средств, молекул, ионов, атомов, а также иных систем, имеющих электронно-ядерное строение. Более точным инвариантным описанием превращений элементарных частиц занимается квантовая теория поля. Эксперименты дают подтверждение результатам, полученным с помощью квантовой механики.
К главным уравнениям в квантовой механике относятся уравнения: Шредингера, фон-Неймана, Линдблада, Гейзенберга, Паули. Уравнения тесно взаимосвязаны с некоторыми разделами математики, в их числе: теория вероятностей, групп, операторов, функциональный анализ.
История квантовой механики
В 1900 г. М. Планк на заседании Немецкого физического общества зачитал собственную статью, посвященную распределению в нормальном спектре энергии излучения. В ней он говорил об универсальной постоянной $h$. Дата 14 декабря 1900 г. с тех пор считается днем рождения квантовой теории.
Заключалась гипотеза Планка в том, что любой вид энергии для элементарных частиц будет испускаться (или поглощаться) исключительно дискретными порциями (то есть квантами). Эти порции являются состоящими из целого числа квантов с энергией $E$.
Такая энергия оказывается пропорциональной частоте $v$. Коэффициент пропорциональности при этом вычисляется формулой:
$E=hv=\bar{h}\omega$
Здесь – $h$ - это постоянная Планка
$\bar{h}=\frac{h}{2\pi}$
С целью объяснить явления фотоэффекта, А. Эйнштейн в 1905 г. посредством применения квантовой гипотезы Планка, внес предположение о квантовой составляющей света. В дальнейшем «кванты» света стали называть фотонами.
Н. Бор в 1913 г. при объяснении структуры атома высказал версию о стационарных состояниях электрона, энергия в которых способна принимать исключительно дискретные значения. Подобный подход, развитый А. Зоммерфельдом и некоторыми другими физиками, часто называется «старая теория квантов» (1900—1924 г.). Ее отличительная черта - в сочетании классической теории и противоречащих ей дополнительных предположений.
Л. де Бройль в 1923 году заявил об идее двойственности для природы вещества. Она базировалась на предположении о волновых свойствах у материальных частиц. Такие свойства связаны неразрывным образом с энергией и массой. Движение частицы ученый сопоставляет с распространением волны. В 1927 году удалось получить экспериментальное подтверждение в рамках исследования в кристаллах дифракции электронов.
В 1926 г. Высказанные двумя годами ранее идеи корпускулярно-волнового дуализма были подхвачены ученым Э. Шредингером, которому удалось развернуть свою волновую механику.
В 1925-1926 гг. закладываются основы последовательной квантовой теории в формате квантовой механики с новейшими фундаментальными законами динамики и кинематики. Первую формулировку квантовой механики представила статья В. Гейзенберга в 1925 г. (год зарождения нерелятивистской механики квантов).
Развитие квантовой механики продолжается и сейчас. Это связано с исследованиями, например, открытых квантовых систем. В 1927 г. физики Л. Джермер и К. Дэвиссон продемонстрировали на никелевых кристаллах дифракцию медленных электронов. Дифракция (до принятия гипотезы Бройля) воспринималась в качестве исключительно волнового явления. При этом любой дифракционный эффект считался волновым. Таким экспериментальным образом подтвердилась гипотеза Бройля для электрона. Это стало поворотным моментом для развития квантовой механики.
Подобно тому демонстрации эффектом Комптона корпускулярной природы света, эксперимент Дэвиссона — Джермера подтверждает неразрывность частицы и ее волны. Это способствовало формированию идей о корпускулярно-волновом дуализме и дало возможность характеризовать любую частицу с присвоением ей определенной индивидуальной длины волны.
Элементы квантовой механики и гипотеза де Бройля
В рамках квантовой механики изучается физика атомов, элементарных частиц, молекул, а также, кристаллов.
Основу квантовой механики составляют представления:
- М. Планка о дискретном характере изменений энергии атомов;
- Эйнштейна о фотонах;
- данные о квантовости определенных физических величин $р$, $Е$, характеризующих состояния частиц микромира в определенных условиях.
Гипотеза де Бройля характеризует волны, связанные с движущейся частицей. Длина волны для частицы с $m$ (массой), обладающей кинетической энергией $Е_к$:
$\lambda = \frac{h}{p}=\frac{h}{\sqrt {2mE_k}}$
