История квантовой теории имеет свое радикальное начало, кардинальным образом изменившее взгляды ученых на подходы, объясняющие устройство мира. Так, если до этого ученые склонялись к мнению о «предсказуемости» окружающего мира, то появление квантовой теории навело их на идею о случайности происходящих в нем явлений.
Зарождение квантовой теории
В зарождение и развитие квантовой теории были вовлечены такие ученые, как:
- Макс Планк;
- Альберт Эйнштейн;
- Нильс Бор;
- Эрнест Резерфорд;
- Луи де Бройль;
- Эрвин Шредингер.
Годом зарождения квантовой теории считается 1901 г. Тогда ученый Макс Планк предложил теорию соотношения излучения тела и его температуры. Равно своим предшественникам, Планк допустил предположение об излучении, испускаемом атомными осцилляторами, считая при этом, что их энергия присутствует в форме незначительных по размеру дискретных порций, ранее названных Эйнштейном квантами.
Энергия, излучаемая каждым квантом, оказалась пропорциональной частоте излучения. Несмотря на всеобщее одобрение в кругу ученых-физиков, выведенные Планком формулы, а также принятые им в то же время допущения, содержали определенные спорные моменты долгое время из-за своих противоречий классической физики. В атомную теорию, таким образом, были включены прерывистые физические величины, способные изменяться исключительно скачками.
Планку, в свою очередь, удалось ввести новые представления в физику, совершив, таким образом, революционный переворот в научных кругах. В 1905 г. Альберт Эйнштейн воспользовался квантовой теорией при объяснении нескольких аспектов фотоэлектрического эффекта (речь идет об испускании поверхностью металла электронов при падении на нее ультрафиолетового излучения). Наряду с тем Эйнштейном был отмечен парадоксальный нюанс, который заключался в проявлении дискретных свойств светом при излучении и поглощении.
Нильс Бор спустя 8 лет успешно перенес квантовую теорию на атом с объяснением частоты испускаемых атомами волн, возбуждаемых в электроразряде или в пламени. При этом происходит излучение порции энергии, однако исключительно в случае перехода между стационарными орбитами.
Эрнест Резерфорд, в свою очередь, продемонстрировал полную сосредоточенность массы атома в центральном ядре с положительно настроенным электрозарядом, и окруженном при этом отрицательными электронами на относительно больших расстояниях от него. Это придает атому электрическую нейтральность.
Согласно версии Бора, электроны способны располагаться только на некоторых дискретных орбитах, тех, которые соответствуют разным энергоуровням. При этом частота (по теории Планка) оказывается пропорциональной энергии фотона, излучение которого сопровождает перемещение электронов между орбитами.
Следовательно, модель атома Бора способствовала установлению связи между разновидностями спектральных линий, характерных для обладающего свойствами излучения и атомной структурой вещества. Однако, несмотря на изначальный успех, такая модель в скором времени стала нуждаться в модификациях, с целью избавления от определенных расхождений в теоретических и практических моментах.
Более того, в то время квантовая теория ещё не могла представить обоснованный вариант систематического решения большинства квантовых задач, но уже тогда становилась очевидной неспособность классической физики дать объяснение поведению электрона, когда при ускорении он не падает на ядро и теряет энергию в случае излучения электромеханических волн.
Особенности проявления квантовой теории
В 1924 году были выявлены новые особенности в проявлении квантовой теории, что произошло благодаря выдвинутой Луи де Бройлем гипотезе про волновой характер материи:
- Согласно предположениям Бройля, электроны, при благоприятных обстоятельствах, могут вести себя подобно волнам (накануне Эйнштейн обратил внимание ученых на поведение электромагнитных волн, например, света) подобно частицам. В микромире, таким образом, стала стираться грань между классическими объяснениями поведения частиц и волн.
- Согласно формулировке де Бройля, соответствующая частице частота непосредственно связана с её энергией, как в случае с фотоном. В то же время, представленное ученым математическое выражение выглядело в форме эквивалентного соотношения длины волны, скорости (импульса) и массы частицы.
Факт существования электронных волн экспериментально подтвердил в 1927 г. Клинтон Дж. Дэвиссон совместно с Лестером Х. Джермером и Джорджем Паджетом Томсоном. Это, в свою очередь, способствовало появлению в 1933 г. электронного микроскопа.
Появление теории Шредингера
Попытка применить волновое описание электронов в отношении построения последовательной квантовой теории, не взаимосвязанной с неадекватной моделью атома Бора, была предпринята Эрвином Шредингером. Таким способом он стремился приблизить квантовую теорию к классической физике, которая накопила немалое количество примеров математического описания поведения волн.
Неудачной оказалась первая попытка, предпринятая физиком в 1925 году. Скорости электронов в его теории были приближенными к скорости света, что потребовало привлечения сюда теории относительности Эйнштейна касательно учета существенного роста массы электрона в случае очень больших скоростей.
В случае экспериментов Шредингера, среди причин постигших его неудач был не учет присутствия у электрона специфического свойства, которое предусматривало способность вращения электрона вокруг собственной оси подобно юле.
Последующая попытка была сделана ученым в 1926 г, но на этот раз скорости электронов, выбранные им, оказались настолько незначительными, что исключало необходимость привлекать к этому теорию относительности.
При следующей попытке появилось волновое уравнение, позволяющее дать математическое описание материи на базе терминов волновой функции. Собственную теорию Шрёдингер назвал волновой механикой.
Здесь уже наблюдалась согласованность решений волнового уравнения и экспериментальных наблюдений, что в совокупности оказало ощутимое воздействие на дальнейшее развитие квантовой теории. На сегодняшний день волновая функция считается основой квантово-механического описания микросистем, равнозначно уравнениям Гамильтона в классической механике.
Таким образом, Шрёдингеру удалось показать математическую эквивалентность матричной и волновой механики. Известные сейчас под комплексным названием «квантовая механика», эти две теории позволили дать долгожданную общую базу для описания квантовых явлений.
