2.10. Создание квантовой механики.
Корпускулярно-волновой дуализм
Основанная на уравнениях Максвелла классическая теория излучения нагретых тел противоречила результатам экспериментов. Все попытки объяснить это с позиций классической физики оказались безуспешными.
Эти противоречия разрешил немецкий физик Макс Планк (1858-1947). В 1901 г. он высказал предположение, что энергия излучается малыми порциями - квантами, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте испускаемого излучения. Связывающий эти величины коэффициент пропорциональности ныне называется постоянной Планка. Только после этого удалось построить согласующуюся с опытными данными теорию излучения, которая устранила абсолютно неприемлемую гипотезу (известную как ультрафиолетовая катастрофа), согласно которой все тела должны излучать в коротковолновом диапазоне бесконечную энергию.
В 1911 г. Эрнст Резерфорд (1871-1937) предложил модель строения атома, который ранее считался мельчайшей неделимой частицей.
Квантовая теория вещества и излучения получила подтверждение в экспериментах, обнаруживших, что при облучении твердых тел светом из них выбиваются электроны. При этом оказалось, что энергия вылетающих электронов зависит от частоты падающего света, а не от его интенсивности. Эйнштейн объяснил этот так называемый фотоэффект на основе квантовой теории, доказав, что энергия, необходимая для освобождения электрона зависит от частоты света (светового кванта), поглощаемого веществом.
Было доказано, что свет может вести себя и как частица, и как волна, т.е. обладает дуализмом. Одним из доказательств этого свойства света является интерференция. Интерференция света - это физическое явление, при котором два луча света накладываются друг на друга. При этом на экране возникает картина чередующихся темных и светлых полос. Интерференционную картину можно рассчитывать на основе как волновых свойств света, так и рассматривая свет как фотоны, т.е. как частицы. Из квантового описания следует, что в одних частях экрана (соответствующих светлым полосам) вероятность найти фотоны больше, а в других частях (темные полосы) - меньше.
Основная идея квантовой механики состоит в том, что в микромире определяющим является представление о вероятности событий. На микроскопическом уровне, (т.е. когда речь идет о фотонах или элементарных частицах вещества) мы не можем точно предсказать результат конкретного эксперимента (например, указать на экране точку, в которую должен попасть фотон). Все что мы можем сделать, - это лишь рассчитать вероятность различных исходов опыта. И только при наличии очень большого количества частиц наши предсказания хода эксперимента обретают необходимую точность. Эта очень глубокая мысль предполагает принципиальную ограниченность наших возможностей предсказывать развитие событий.
Ясность в эту специфическую особенность квантовой теории в 1927г. внес немецкий физик Гейзенберг (1901-1976), автор знаменитого принципа неопределенностей. Согласно этому принципу, невозможно одновременно осуществить точное измерение двух дополняющих друг друга характеристик частиц, например, ее скорости и координаты. Принцип Гейзенберга фундаментален и очень важен. Гейзенберг наглядно объяснял свой принцип на примере гипотетического микроскопа. Если бы мы захотели установить координату электрона, точное значение импульса которого уже известно, то для того, чтобы увидеть электрон и определить его положение, нам пришлось бы осветить его, т.е. направить на него пучок фотонов. Однако фотоны, сталкиваясь с электроном, передадут ему часть своей энергии и тем самым изменят его импульс на неопределенную величину. Таким образом, мы измерим точную координату частицы, но ее импульс окажется неопределенным.
В дальнейшем был достигнут существенный прогресс в понимании природы частиц и широком приложении квантовой теории к различным областям физики. В результате синтеза квантовой теории и специальной теории; относительности возникла квантовая электродинамика - теория электромагнитных взаимодействий, которая рассматривает процесс взаимодействия заряженных частиц как обмен фотонами.
Создание специальной теории относительности и квантовой теории- это два революционных переворота в физике начала XX в., которые в корне изменили наши представления о пространстве, времени, излучении и веществе.
- 1. Содержание понятия «естествознание» 2
- 1.2. Природа как единый объект исследования естествознания
- 1.3. Тенденции развития современного естествознания
- 1.4. Математика - универсальный язык точного естествознания
- 1.5. Составные части современного естествознания
- 2. Этапы развития естествознания (физики)
- 2.1. Попытка научной систематизации картины мира. Естественно-научная революция Аристотеля
- 2.2. Архимед и геометрия Евклида
- 2.3. Гелиоцентрическая система мира Коперника. Вторая естественно-научная революция
- 2.4. Кеплер и его законы движения планет
- 2.5. Закон всемирного тяготения Ньютона
- 2.7. Рождение науки об электричестве.
- 2.8. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом
- 2.9. Специальная теория относительности Эйнштейна
- 2.10. Создание квантовой механики.
- 2.11. Теория гравитационного поля Эйнштейна.
- 2.12. Космические модели вселенной. Третья естественно-научная революция
- 2.13. Элементарные частицы и силы в природе
- 1. Химия в естествознании. Периодический закон и периодическая система химических элементов д.И.Менделеева
- 2. Основная проблема химии как науки
- Уровни развития химических знаний Развитие химии до начала XVII в. Натурфилософия и ремесленная химия
- 3.1. Первый этап развития химии - XVII в. Учение о составе веществ
- 3.2.Второй этап развития химии как науки - XIX в. Структурная химия
- 3.3. Третий этап развития химии как науки - первая половина XX в.
- 3.4. Четвертый этап развития химии как науки - вторая половина XX в. Эволюционная химия
- Эволюционные проблемы химии
- 1.Традиционная или натуралистическая биология. Биологическая система классификации растений Линнея
- 2. Физико-химическая биология
- 3. Эволюционная биология. Теория эволюции ч. Дарвина
- 4. Формы и уровни жизни
- 5. Молекулярно-генетический уровень
- 5.1. Происхождение жизни
- 5.2. Современное развитие эволюционной теории ч. Дарвина.
- 5.3. Изучение молекулярных основ воспроизводства жизни и процессов
- 5.3.1. Законы генетики Менделя. Открытие генетической роли нуклеиновых кислот
- 5.3.2. Открытие молекулярных механизмов генетической репродукции и биосинтеза белка
- 5.3.3. Открытие молекулярно-генетических механизмов изменчивости
- 5.3.4. Изучение молекулярных основ обмена веществ
- 5.4. Онтогенетический уровень
- 5.4.1. Открытие клетки английским натуралистом Гуком.
- 5.4.2. Деление всего живого мира на прокариоты и эукариоты
- 5.4.3. Функционирование на онтогенетическом уровне
- 5.5. Популяционно-биоценотический уровень
- 5.6. Биосферный уровень
- 5.6.1. Учение в. И. Вернадского о биосфере
- 5.6.2. Многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости биосферы
- 5.6.3. Понятие ноосферы. Неизбежность перехода биосферы в ноосферу
- 5.6.4. Рациональное использование природных ресурсов и охрана биосферы