Автор: Николай Сергеевич Мищихин
«Если тебя квантовая физика не испугала,
значит, ты ничего в ней не понял».
Нильс Бор
Аннотация: В середине 17 начале 18 века физика как наука испытывала «кризис», что связано со многими причинами: полноценно объяснена механика Ньютона, апробирована молекулярно — кинетическая теория (МКТ) и выведены основные уравнения идеальных газов, завершена работа Джеймса Максвелла об описании электродинамики математическими системами. В данный период начинается застой, но с открытием явления радиоактивности Антуаном Беккерелем, физика приобретает «второе» дыхание, и начинается плодотворная работа над новым и неизведанным. Именно в данный момент и происходит постепенное зарождение квантовой механики.
Ключевые слова: квант, квантовая теория, квантовая механика, фотоны, измерение.
Keywords: quantum, quantum theory, quantum mechanics, photons, measurement.
Основной текст статьи: К началу двадцатого века классическая физика сталкивается с неопределимыми трудностями в области электромагнитного излучения нагретых тел. Даже электродинамика величайшего учёного Джеймса Максвелла приводила большинство исследований к тупиковой ситуации и бессмысленным выводам.
Максвелл утверждал, что абсолютно любое нагретое тело при продолжительной потери энергии за счёт электромагнитного излучения волн в обязательном порядке должно охладиться до абсолютного нуля температур. Но по канонам классических теорий — существование теплового равновесия между веществом и излучением просто невозможно. Дело в том, что нагретое тело не может израсходовать всю свою энергию на изучение электромагнитной волны. Данным противоречием озадачился немецкий физик Макс Планк, пытаясь найти выход теории и опыта. А всё начиналось задолго до опытов Планка [1,c.102].
Длительный период времени учёный мир тщательно изучал феномен катодных лучей. Они наблюдали свечение данных лучей с помощью стеклянной трубки, заполненной разреженным газом. С двух сторон трубки было припаяно два электрода, катод — подключался к отрицательному полюса батареи питания, и анод — подключался к положительному полюсу батареи питания. После подачи напряжения на трубку, газ начинал светиться. Данное свечение и было названо катодными лучами.
К концу 18 века учёные разделились на два независимых «лагеря». Одни утверждали, что катодные лучи — это волновые возмещения невидимого эфира. Другие считали , что катодные лучи состоят из ионизированных молекул или атомов самого газа.
Судьбоносное решение в развитии физики элементарных частиц и квантовой механики в частности и решения спора о катодном свечении является открытие первой элементарной частицы Джоном Джозефом Томсоном в 1897 году — электрона. С помощью лабораторных экспериментов Томсон установил, что катодные лучи образованы потоком элементарных частиц, которых впоследствии назвал электронами. Томсон смог установить закономерность, что данные лучи движутся со скоростью намного меньше скорости света. Данный вывод говорит о том, что катодные лучи могут быть только определёнными частицами, так как любое излучение имеет скорость распространения близкой к скорости света. Сперва данные частицы были названы им «корпускулы», а уже потом электронами [2, c.210].
После в 1911 году британский физик Эрнест Резерфорд смог обнаружить ядро атома водорода во многих других ядрах химических элементов. В частности он пропускал альфа — частицы через тонкие слои фольги различных веществ, и пришёл к выводу, что положительные частицы сосредоточены внутри ядра. Спустя 8 лет он смог обнаружить среди выбитых частиц новую неизвестную, которая в дальнейшем была названа протоном.
Первая ядерная реакция, которую провёл Эрнест Резерфорд заключалась в том, что он бомбардировал азот альфа — частицами и на выходе образовывался изотоп кислорода атом водорода. Реакция имеет вид: 714N+24He→817O+11H. [1, c.100]
В 1932 году произошло ещё одно научное открытие, связанное с физикой элементарных частиц — Джеймс Чедвик открыл нейтрон. Чедвик в результате бомбардировки бериллия альфа — частицами не смог обнаружить существование протонов, но обнаружил очень сильно — проникающее излучение, которое было способно преодолеть свинцовую пластину толщиной 20 см. Тогда ученик Резерфорда сделал предположение о том, что это γ-
лучи большой энергии. Существование нейтрона было предсказано ещё самим Резерфордом более 10 лет назад до опытов Джеймса Чедвика. Реакция получения нейтрона имеет вид: 49Be+24He→612C+01n. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц — структурных элементов атомов и их ядер [4, c.312].
В 1900 году немецкий физик Макс Планк высказал предположение о том, что большинство атомов имеют способность испускать электромагнитную энергию малыми порциями, которые были впоследствии были названы квантами.
Фактически данное предположение говорило о том, что большая часть законов классической физики невозможно применить я микроскопическим явлениям мира. Именно Макс Планк сделал вывод о существовании фотона как частицы электромагнитного поля. Он сделал предположение о том, что излучаемая энергия абсолютно чёрного тела является квантованной, что позволило ему в дальнейшем получить правильную формулу для спектрального излучения.
Построенная теория Макса Планка доступно была согласована с экспериментами по распределению энергии по частотам с определением постоянной Планка. Значение постоянной Планка h=6,63*10-34Дж*с , а формула зависимости энергии излучения от частоты приобретает вид E=h*γ, где γ- частота излучения. Именно после данного открытия своё развитие начинает новая и очень глубокая теория — квантовая. Но к сожалению её развитие не закончено по наши дни. Подводя краткий итог периода открытия элементарных частиц, можно с уверенностью сказать, что Планк нашёл выход из безвыходной ситуации, с которой столкнулась теория теплового излучения. Но как говорится «нет дыма без огня», и учёным пришлось отказаться от законов классической физики [2, c.214].
Альберт Эйнштейн с 1905 года продолжил развивать идею Макса Планка, и смог доказать, что свет представляет собой поток фотонов, что объясняет явление и закономерности фотоэффекта. Теория фотоэффекта была выдвинута советским учёным Александром Григорьевичем Столетовым. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями. Доказательства теории Эйнштейна о том, что свет представляет собой поток фотонов были получены в работах Роберта Милликена в 1914 году и Артура Комптона в 1922 году [1, c.216].
Французский математик Анри Пуанкаре в 1912 году получает окончательное доказательство несовместимости формулы, выеденной Максом Планком и законами классической механики. Для объяснения новых необычных явлений учёным необходимо было ввести новые понятия и новый научный язык, но всё необходимое стало появляться чуть позже с созданием и развитием квантовой механики.
Начало двадцатого века характеризуется обнаружением двух групп явлений, которые никаким образом не были связаны друг с другом, но давали понять о неприменимости классической теории электромагнитного поля и процессом взаимодействия света с веществом и атомом.
Группа № 1. Данная группа была тесно связана с двойственной природой света, т.е. характеризовалась корпускулярно — волновым дуализмом.
Группа № 2. Данная группа гласила о том, что невозможно дать объяснение существования атома, опираясь на классическую механику и спектральные закономерности.
Попытки установить взаимную связь между данными двумя группами привела учёный мир впоследствии к открытию законов квантовой механики. Именно первая группа явлений начинает своё «зарождение» с работ Луи де Бройля, Эрвина Шрёдингера и Поля Дирака.
В 1924 году французский физик — теоретик Луи де Бройль выдвигает теорию корпускулярно — волнового дуализма, основанной на объяснениях датского физика — теоретика Нильса Бора об условиях квантования атомных орбит. Луи де Бройль утверждал, что абсолютно любая частица вне зависимости от природы её происхождения с определённой длиной волны непосредственно связана с импульсом частицы. Исходя из данной гипотезы следует вывод о том, что помимо фотонов другие частицы (протон или электрон) могут обладать волновыми свойствами, проявляя себя в явлении дифракции (огибание препятствий на пути следования световой волны) [3, c.169].
В 1926 году австрийский физик Эрвин Шрёдингер предлагает уравнение, которое позволяло описать поведенческий характер электромагнитных волн во внешнем силовом поле. Впоследствии волновое уравнение Шрёдингера стало считаться основным уравнением нерелятивистской механики, в связи с чем происходит «зарождение» волновой механики.
В 1927 году американский физик Клинтон Дэвиссон совместно со своим коллегой Лестером Джермером первые в своём роде наблюдали явление дифракции электронов. Спустя годы усилий и плодотворной работы волновые свойства были экспериментально обнаружены и подтверждены у других элементарных частиц, что стало доказательством гипотезы Луи де Бройля [4, c.245].
В 1928 году английский физик — теоретик и лауреат Нобелевской премии Поль Дирак формулирует релятивистское уравнение, которое позволяет описать движение электрона во внешнем силовом поле. Впоследствии сформулированное уравнение становится основным уравнением релятивисткой квантовой механики.
Развитие второй группы явлений непосредственно связано с работами знаменитого немецкого физика Альберта Эйнштейна. В 1907 году публикуется работа, открывающая новый взгляд на гипотезу Макса Планка о теории теплоёмкости твёрдых тел. Именно Альберт Эйнштейн смог обобщить общую теорию квантования энергии и вывел формулу для фотоэффекта, которая имела вид: hγ=A+mv22 , где hγ- энергия фотона, A — работа выхода электрона, а m — масса электрона [1, c.344].
В 1933 году нидерландский физик и физиохимик Петер Дебай совместно с немецким физиком — теоретиком Максом Борном и американским инженером Теодором фон Карманом смогли более точнее обобщить выдвинутую Эйнштейном теорию, которая впоследствии стала знаковой в развитии теории твёрдого тела.
Немецкий физик — теоретик Вернер Гейзенберг в 1925 году в своих научных работах закладывает основы матричной механики, сформулировав соотношение неопределённостей, основываясь на формализме квантовой механики и проблем ферромагнетизма. Также Гейзенберг принимал непосредственное участие квантовой электродинамики и квантовой теории поля. Именно этому учёному принадлежит одна из первых теорий квантовомеханических теорий ядерных сил, что позволило ему во время Второй мировой войны быть ведущим теоретиком немецких ядерных проектов.
В течение короткого времени квантовой механика была с успехом применена к широкому кругу явлений. Были созданы теории атомных спектров, строения молекул, химической связи, периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева, металлической проводимости и ферромагнетизма. Эти и многие другие явления стали (по крайней мере качественно) понятными.
Список литературы:
1. Дорфман Я.Г., Всемирная история физики с начала 19 века до середины 20 века, М., Наука, 2015, 317с.
2. Кунафин М. С. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. Изд-е . – Уфа, 2018. 488 с.
3. Найдыш В.М., Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. — М.:Гардарики,2011.-476с.
4. Концепции современного естествознания: Под ред. профессора С.И. Самыгина. Серия «Учебники и учебные пособия» — 4-е изд., перераб. и доп. — Ростов н/Д: «Феникс», 2003. — 448 с.
