Б. В. Селюк
ОСНОВЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
Квантовая механика
Cмоленск
Издательство СмолГУ
2012
Министерство образования и науки РФ
Смоленский государственный университет
Кафедра физики
Б. В. Селюк
ОСНОВНЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
Квантовая механика
Учебно-методическое пособие
Смоленск
Издательство СмолГУ
2012
У
Печатается по
решению редакционно-издательского
Совета Смоленского
государственного
университета
ББК 22.314
С 298
Рецензент Д.К. Ершов, кандидат физико-математических наук,
доцент Смоленского государственного университета
Селюк Б.В.
С
298
Настоящие учебно-методическое пособие адресовано студентам специальности «050100 Педагогическое образование» по профилю «Физика и информатика», изучающим раздел «Квантовая механика» курса «Основы теоретической физики». Студенты найдут здесь краткое изложение подлежащего изучению материала, разъяснение наиболее трудных вопросов, контрольные вопросы, задания для самостоятельной работы. Материал пособия соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования.
© Селюк Б. В., 2012
© Издательство СмолГУ, 2012
Введение
Учителя физики и информатики должны иметь четкие представления о свойствах не только макроскопических физических объектов, но и объектов микроскопических. Они должны также уметь доступно разъяснить своим будущим ученикам особенности поведения этих объектов. Несмотря на необычность и парадоксальность свойств, микробъекты находят широкое применение в современных технологиях. В перспективе – переход от микроэлектроники к наноэлектронике, создание квантовых компьютеров. Представление об основах квантовой физики объективно становится обязательным элементом физического образования все большего числа людей.
Квантовая механика является наиболее трудным для понимания и усвоения разделом теоретической физики. Это обусловлено как необычным, зачастую парадоксальным поведением микрообъектов по сравнению с привычными для нас классическими объектами, так и специфическим математическим аппаратом квантовой механики. Имеется большое число учебников по квантовой механике, разного уровня полноты и сложности. Настоящее пособие поможет студенту сориентироваться в этом множестве источников учебной информации. В начале каждого параграфа указываются те источники, к которым следует обратиться в первую очередь.
Некоторые параграфы брошюры представляют собой краткий конспект того, что излагается на лекциях, в других содержатся лишь рекомендации по самостоятельному изучению материала. На практических занятиях помимо решения отдельных задач из числа указанных в брошюре обсуждаются также доклады по самостоятельно изученному материалу. В «Заданиях» указываются темы докладов, перечисляются основные моменты, подлежащие освещению в докладах. Контрольные вопросы не только позволяют судить об уровне усвоения материала, но и могут служить своеобразным планом при ответе студента на экзамене.
Что такое «квантовая механика»? Под квантовой механикой обычно понимают теорию поведения микрочастиц (микрообъектов), размер которых не превышают 10–8 м, а скорость много меньше скорости света. Объекты, не описываемые классической механикой, называют микрочастицами, или корпускулами. Структура и размеры микрочастиц и корпускул не существенны. Поэтому и те и другие объекты являются материальными точками. Они характеризуются такими параметрами, как масса, заряд, импульс, энергия и др.
Не смотря на качественное различие, классическая механика и теория поведения микрочастиц совпадают при определенных условиях. Поэтому термин квантовая механика употребляется также в более широком смысле для обозначения теории поведения материальных точек и их систем. В нерелятивистской квантовой механике изучаются объекты, скорости которых много меньше скорости света. Процессы с участием релятивистских микрочастиц рассматриваются в релятивистской квантовой механике.
Название изучаемого раздела теоретической физики нельзя трактовать буквально. Квантовая механика – не только механика и не всегда квантовая. Она описывает не только перемещения тел, но также электрические, магнитные и оптические явления. Не все величины, характеризующие микрообъекты, квантуются, то есть могут принимать лишь дискретный ряд значений.