lecture-8

ФИЗИКА

МИКРОМИРА

Классическая ньютоновская механика с ее однозначными законами требует исчерпывающе полного детерминированного описания движения тел. Это означает, что с помощью этих законов при известных начальных условиях в любой момент времени можно определить состояние движения как отдельного тела, так и практически сколь угодно сложной системы тел.

Опыт показывает, что объекты микромира с их дуальной, корпускулярно-волновой природой подчиняются скорее статистическим, а не детерминированным закономерностям. Для исследования микрообъектов необходимо произвести достаточно большое количество опытов, чтобы получить полное представление об их поведении. Поэтому микрообъекты описываются в терминах вероятностей их обнаружения в том или ином состоянии.

В квантовой механике «вОлны де Бройля» интерпретируются не как реальный волновой процесс, а как пространственновременное распределение вероятности обнаружить частицу в том или ином состоянии. Вероятность каждого состояния описывается своей собственной волновой функцией. С ее помощью можно рассчитать возможные значения измеряемых величин большой группы (ансамбля) частиц. Однако полное описание поведения отдельной частицы получить невозможно.

Туннельный эффект

Туннельный эффект — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное и даже полностью противоречащее классической механике.

Известные примеры туннельного эффекта:

1)туннелирование α-частиц через барьер сил сильного взаимодействия при α-распаде;

2)туннелирование носителей зарядов через p-n переход, получившее практическое применение в туннельном диоде.

3)туннелирование носителей зарядов через тонкую оксидную пленку, покрывающую ряд металлов; обеспечивает проводимость точек механического соединения проводников.

Разумеется, частица при движении не исчезает и не возникает. Но до измерения нельзя сказать, где и как она движется. Фактически до измерения она одновременно находится во всех возможных состояниях, в их некоторой комбинации. Это принято называть суперпозицей состояний. Решающее значение имеет именно процедура измерения: в результате измерения будет получено одно и только одно из ряда возможных значений некоторой величины. Вероятности при этом определяются квадратами коэффициентов, с которыми волновые функции входят в комбинацию, описывающую систему.

Статистический характер законов движения частиц выражается количественно соотношениями неопределенностей Гейзенберга:

∆x·∆p ≥ h ∆E·∆t ≥ h

Невозможно, например, локализовать положение электрона в атоме – он 'размыт' по орбите, зато можно определить вероятность его обнаружения на этой орбите.

Еще одной особенностью частиц одного любого сорта является их неразличимость, тождественность. В следствие этого в системе неразличимых частиц должна иметь место симметрия или антисимметрия относительно перестановки любой пары частиц. Свойство перестановочной (анти)симметрии является характерным признаком данного сорта частиц. Соответственно, все частицы делятся на два класса: частицы с симметричными свойствами (и целым спином) называются бозонами, а с антисимметричными (и полуцелым спином) — фермионами.

Классификация частиц в зависимости от спина (т.е. внутреннего момента импульса) и роли во взаимодействиях

элементарные

частицы

ФЕРМИОНЫ

Принцип (запрет) Паули:

два одинаковых фермиона, входящих в одну систему, не могут находиться в одинаковых состояниях.

Этот принцип определяет, в частности, последовательность заполнения электронами орбит в атоме – периодический закон Д.И. Менделеева, а также специфику поведения бозонов, например, электронных пар, обеспечивающих эффект сверхпроводимости.