6.1. Элементы квантовой механики

Изученные ранее оптические явления показывают, что свет обладает двойственной природой.

В одних явлениях (интерференция, дифракция, поляризация и др.) свет проявляет себя как волны и описывается уравнением волны для светового вектора (вектора напряженности Е электрического поля волны)

. (6.1)

В других явлениях (фотоэффект, тепловое излучение, эффект Комптона и др.) отчетливо выражено поведение света как частиц с энергией , массой , импульсом .

Таким образом, свет соединяет в себе такие противоположные свойства как бесконечная протяженность волны и локализация частицы в пространстве.

Французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о том, что частицы , как и свет, обладают двойственной природой. Он придал соотношению для импульса фотона универсальный характер, т.е. длина волны для частицы

. (6.2)

Эта формула называется формулой Луи де Бройля, а – дебройлевская длина волны для частицы с импульсом р. Позднее эта гипотеза была подтверждена опытным путём. Пучки ускоренных частиц дают отчётливую дифракционную картину при рассеянии на кристаллической решётке.

Экспериментальное подтверждение волновых свойств частиц привело к необходимости отыскания соответствующей функции для описания состояния частицы. Естественно, эта функция должна содержать величины, характерные, как для волн, так и для частиц. Волновая функция позволяет определить вероятность того, что координаты, импульсы, энергия имеют заданные значения.

В классической физике величины, характеризующие состояние тела или системы тел, находят как решение соответствующих дифференциальных уравнений (второй закон Ньютона, уравнения электромагнитного поля Максвелла).

Волновую функцию тоже находят, решая дифференциальное уравнение Шредингера, которое отражает волновые свойства частиц.

6.2. Элементы физики атома

Все основные направления практической деятельности человечества связаны с использованием свойств веществ, которые определяются строением и взаимодействием атомов. Современная физика позволяет создавать материалы с заданными свойствами. Это стало возможным благодаря точному описанию строения атомов на основе аппарата квантовой механики. Знание основ атомной физики является важной составляющей инженерного образования.

Следует обратить внимание на то, что теория водородоподобных атомов Резерфорда-Бора является предметом истории физики, но изучается для того, чтобы лучше уяснить различие между классическим и квантово-механическим способами описания физических явлений.

6.2.1. Опыты, доказывающие сложное строение атома

Изучение электропроводности газов привело к открытию электрона и предположению о том, что электроны входят в состав атома. В этих опытах был открыт, определен его электрон и заряд.

Для выяснения распределения отрицательных и положительных зарядов в атоме Э. Резерфордом были проведены опыты по рассеянию альфа-частиц.

Результаты экспериментов было установлено, что весь положительный заряд и почти вся масса ядра сосредоточены в небольшой области – в ядре атома. Размеры ядра м. Отрицательно заряженные электроны движутся вокруг ядра в огромной (по сравнению с ядром) области, размеры которой порядка м. Количество электронов в атоме равно порядковому номеру химического элемента в таблице Д.И. Менделеева Z. Заряд ядра равен . Эти опыты легли в основу ядерной модели атома.

Исследование спектров испускания в одноатомных разреженных газах (фактически спектров одиночных атомов) выявили их существенную особенность: они дискретны. Расположение спектральных линий различных химических элементов различно. В спектрах прослеживаются четкие закономерности: линии объединяются в группы, называемые сериями.

Сложный характер спектра даже у простейшего атома водорода показывает, что взаимодействие электрона ядра подчиняется закономерностям нового качества.