Лекция 4. Описание процессов в микромире. Квантовая механика и квантовая электродинамика

Лекция 4. Описание процессов в микромире. Квантовая механика и квантовая электродинамика

Вопросы: 1. Состав науки «Квантовая физика»

2. Двойственная природа света и вещества

3. Основные постулаты квантовой механики

4. Понятие о квантовой электродинамике

Литература:

1. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студентов вузов/ .- 2-е изд., испр. и доп. – М.: дом «ОНИКС 21 век»: «Мир и Образование», 2005.- с.101 – 121.

2. Концепции современного естествознания /

– М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. – с.127 – 148.

3. Концепции современного естествознания: Учебник. /Под ред. Акад. / . – 3-е изд. –М.:ИКЦ «Маркетинг», Новосибирск: -во ЮКЭА», 2– с. 74 – 140;

4. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов/ . – 3-е изд., испр. и доп. – М.: Академический Проект, 2001.

Впитав в себя идеи теории относительности (невозможность передачи сигналов со скоростью большей скорости света в вакууме, взаимосвязь массы и энергии, инвариантность физических законов относительно перехода из одной инерциальной системы в другую и т. д.) физика ХХ столетия развивалась далее под флагом квантово теории. Квантовая физика произвела переоценку роли динамических и статистических закономерностей в пользу последних, потребовала изменения самого характера физических моделей, переосмысления роли исследователя в изучаемом им мире, отказа от многих представлений и понятий.

Квантовая физика – это теоретическая основа современного учения о свойствах вещества и поля. Она включает в себя классическую как предельный случай, соответствующий переходу от микрообъектов к обычным – макрообъектам.

Следует помнить, что грань между микро - и макроявлениями условна и подвижна. Строго говоря, квантовая физика – это ряд наук:

фундаментом квантовой физики является квантовая механика (в прошлом, волновая механика), изучающая законы движения (законы механики) микрообъектов, строение и свойства атомов и молекул;

к ней тесно примыкает квантовая электродинамика, изучающая взаимодействия электронов и фотонов и

относительно недавно возникшая квантовая хронодинамика, изучающая кварковую структуру субатомных частиц.

От квантовой механики отмежевались квантовая химия, квантовая теория твёрдого тела, квантовая электроника, теория атомного ядра, теория слабых взаимодействий.

Дж. П.Томсон (1– дифракция электронов

 

Квантовая физика служит теоретической базой для многих прикладных наук - материаловедения, электроники, атомной энергетики, лазерной техники и др.

Днём рождения квантовой физики считают 14 декабря 1900 года, когда на заседании Немецкого физического общества Макс Планк (1доложил о результатах исследования «абсолютно чёрного тела». Заметим, что «абсолютно чёрное тело» - это физическая модель излучения твёрдого тела. где предполагается, что всё излучение выходит через маленькое отверстие во внешнее пространство

Из классической термодинамики следовало, что вибраторы Герца будут наполнять «абсолютно чёрную» полость излучением в равной мере во всём интервале частот от нуля до бесконечности и, следовательно, энергия теплового излучения, содержащаяся внутри полости любого объёма, должна быть бесконечной. Этот абсурдный вывод получил название «ультрафиолетовой катастрофы».

Для разрешения этой проблемы М. Планк выдвинул «безумную» для того времени гипотезу, согласно которой энергия испускаемого вибратором излучения принимает дискретные значения, пропорциональные частоте излучения.

Макс Планк (1

Еn = h∙n∙n,

где n – 1,2,3…; ν – частота излучения, а h – физическая постоянная, имеющая размерность физической величины, характеризующей действие

так в науке появился квант действия h=6,63∙10-34Дж∙с (величина определена Р. Милликеном, 1915 г.), названный впоследствии постоянной Планка.

Квант действия входит во все основные формулы теоретической физики и химии. Эйнштейн отмечал, что «именно закон излучения Планка дал первое точное значение абсолютных величин атомов. Он убедительно показал, что кроме атомистической структуры материи существует своего рода атомистическая структура энергии. Управляемая универсальной постоянной». Постоянная Планка проявляется в физике Вселенной, моделях единого физического поля и фундаментальных представлениях о пространстве и времени в виде планковских величин расстояния, времени и массы.

За открытие кванта действия М. Планк стал лауреатом Нобелевской премии 1918 года.

Эйнштейн распространил идею прерывистости не только на испускаемое излучение (Планк), но и поглощаемое – к объяснению явления фотоэффекта, которое впервые наблюдал Г. Герц в 1887 г. и исследовали русский физик Ал-др Григ. Столетов (1), В. Галльвакс (1, Ф. Ленард (1

ФОТОЭФФЕКТ. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Примечательно, что в том же году, когда Герц обнаружил, что отрицательно заряженные металлические пластинки при облучении светом дуговой лампы теряют свой заряд, Дж. Дж. Томсон при исследовании катодных лучей открыл электрон.

Эйнштейн посчитал, что фотоэффект указывает на дискретное строение света, связанное с существованием квантов, которые он называл фотонами.

При взаимодействии с твёрдым телом фотон ударяется об атом и выбивает из него электрон. При этом оказалось, что энергия вылетающих электронов зависит от частоты излучения падающего света, а не от его интенсивности. Было доказано, что свет может вести себя как частица и как волна (интерференция, дифракция), т. е. обладает дуализмом.

В конце 1924 г. французский физик Луи Виктор де Бройль (1892 – 1987) выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно – волнового дуализма, распространив представления о двойственной природе света на вещество (волны де Бройля). Де Бройль постулировал для частиц вещества (по аналогии с дуализмом света) наличие длины волны lде Б.= h/p, где p = m∙u - импульс частицы массы m, движущейся со скоростью u.

Это означало, что элементарную частицу, движущуюся с определённой скоростью u, можно рассматривать не только как частицу, но и как волну с заданной частотой колебаний n, которую можно определить из равенств:

Е = mc2	Е = hn
А. Эйнштейн	М. Планк,

объединив уравнения, получим

mc2 = hn, отсюда n = .

Так как n = с/l, то, преобразовав равенство (p = hn/c, n/c = λ, λ = h/p, p = mu ), получим l = h /(m∙с) - соотношение, показывающее, что любой частице при определённой массе и скорости движения соответствует своя длина волны.

Заменив скорость движения частицы - u, получим длину волны де Бройля:

l де Б = h /(m∙u),

где l де Б – длина волны, нм; h – постоянная Планка, равная 6,626 × 10–34 Дж×с;
m∙u = р – импульс частицы; m – масса частицы, кг; с – скорость света, равная 2,998 × 108 м×с–1; Е – энергия частицы, Дж. Для электрона λe = h/meue.

Де Бройль (лауреат Нобел. пр. 1929 г.) в своей гипотезе исходил из аналогий, которые были основаны на идее единства Природы. В этом смелость его гипотезы.

Экспериментально волновые свойства электронов были подтверждены в 1935 г. (1и Л. Джермером (1– дифракция пучка электронов и Дж. П.Томсоном (1 – дифракция быстрых электронов (лауреаты Нобел. пр. по физике за 1937 г.). впоследствии дифракционные (а значит, волновые) свойства были обнаружены у атомных и молекулярных пучков.

Один из принципов волновой механики – корпускулярно-волновой дуализм материи – основан на соотношении, выведенном де Бройлем.

Нужно с осторожностью относиться к волновым моделям в квантовой физике.

Дебройлевские волны не похожи на реальные волны. Этих волн попросту нет.

Основная идея квантовой механики состоит в том, что в микромире определяющим является представление о вероятности событий.

Когда речь идёт о фотонах или элементарных частицах вещества можно лишь рассчитать вероятность различных результатов опыта.

В мире микрообъектов законы, описывающие наш мир как бы «угадываются», вводятся априорно, в результате некоего озарения, постулируются.

Это свойственно математике. Следовательно, математика даёт более глубокое конкретное описание Природы по сравнению с философскими принципами или интуитивными механическими аналогиями.

Изучая поведение электрона или фотона как поведение частицы или волны, мы навязываем классическое описание объектам, имеющим неклассическую природу.

Используя идею оптико – механической аналогии, можно показать, что для математического описания вопрос о природе света не имеет значения.

Для макрообъёктов длина волны де Бройля бесконечна мала, поэтому их движение можно описать законами классической механики, но для микрообъектов закон движения аналогичен волновому уравнению в оптике.

Основное уравнение квантовой механики постулировано австрийским физиком Э. Шрёдингером в 1926 г. и известно как волновое уравнение Шрёдингера. Следствием решения уравнения Э. Шредингера являются параметры волновой функции n, ℓ, ml.

Шрёдингер (1в 1926 г.

Δψ + (8π2m/h2)(E - U)ψ = 0

Волновая функция – ψ должна удовлетворять уравнению

,

где = Ñ2 – оператор Лапласа; U – потенциал сил, действующих на частицу; y – волновая функция; h – постоянная Планка;
m – масса микрочастицы; E – полная энергия системы.

Пусть волновая функция задана в n-мерном пространстве, тогда в каждой точке с координатами , в определенный момент времени t она будет иметь вид . В таком случае уравнение Шрёдингера запишется в виде:

где ,  — постоянная Планка;  — масса частицы,  — внешняя по отношению к частице потенциальная энергия в точке ,  — оператор Лапласа (или лапласиан), эквивалентен квадрату оператора набла и в n-мерной системе координат имеет вид:

Осмысление теории Н. Бора привело к созданию двух вариантов квантовой механики – матричной механики В. Гейзенберга (1925) и волновой механики Э. Шрёдингера (1926). Формулировка В. Гейзенберга наиболее подходит для выявления логической структуры квантовой механики как теории высокого уровня абстракции, тогда как волновая механика Э. Шрёдингера удобна для решения прикладных задач.

Необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц является особенностью квантовой теории. Статистическое толкование волн де Бройля и соотношение неопределенностей Гейзенберга приводят к выводу, что уравнение, описывающее движение микрочастиц в различных силовых полях должно быть волновым уравнением.

В квантовой физике вводится комплекснозначная функция , описывающая чистое состояние объекта, которая называется волновой функцией. В наиболее распространенной копенгагенской интерпретации эта функция связана с вероятностью обнаружения объекта в одном из чистых состояний (квадрат модуля волновой функции представляет собой плотность вероятности). Поведение гамильтоновой системы в чистом состоянии полностью описывается с помощью волновой функции.

Пусть волновая функция задана в n-мерном пространстве, тогда в каждой точке с координатами , в определенный момент времени t она будет иметь вид . В таком случае уравнение Шрёдингера запишется в виде:

где ,  — постоянная Планка;  — масса частицы,  — внешняя по отношению к частице потенциальная энергия в точке ,  — оператор Лапласа (или лапласиан), эквивалентен квадрату оператора набла и в n-мерной системе координат имеет вид:

В трёхмерном случае пси-функция является функцией трёх координат и в декартовой системе координат заменяется выражением

тогда уравнение Шрёдингера примет вид:

где ,  — постоянная Планка;  — масса частицы,  — потенциальная энергия в точке .

В обычных задачах структурной химии и молекулярной физики при интерпретации реакционной способности и физических свойств молекул важны только стационарные состояния системы, то есть состояния, не зависящие от времени. Если представить волновую функцию y (x, у, …, z, t) в виде произведения координатной y (x, у, z) и временной Ф(t)частей, то после разделения переменных волновое уравнение сводится к двум уравнением, связанным лишь функцией E, которая определяет полную энергию системы.

Уравнение Нy (x, у, z) = Ey (x, у, z), в которое не входит время, называется стационарным уравнением Шредингера, а + U (x, у, z) – оператор Гамильтона или оператор полной энергии системы. Э. Шрёдингер решил уравнение для простейших квантовых систем: осциллятора, ротатора и др., определив вид пси-функции и возможные значения величин Е.

Волновая функция y не имеет аналога в классической физике и сама по себе не имеет физического смысла. Согласно интерпретации М. Борна, по волновому закону меняется не вероятность, а амплитуда вероятности; квадрат модуля волновой функции |y|2 называется плотностью вероятности. Величина |y|2 dx dу dz характеризует вероятность нахождения частицы в элементе объема dx dу dz, которая должна быть близка единице.

Решение уравнения Шредингера – это очень сложная математическая задача; результат получен пока только для атома водорода (системы, состоящей из двух частиц). Во всех остальных случаях используют приближения, упрощающие выражение для оператора энергии (гамильтониана) или для интегралов, появляющихся в различных вычислительных системах.

Условия, налагаемые в теории на решение уравнения Шредингера, приводят к квантованию, т. е. дискретности допустимых значений ряда физических величин.

Интегрирование уравнения Шредингера приводит к неявному виду:

,

где [N ] – постоянная нормирования утверждает наличие электрона
(вероятность нахождения в определенном объёме равна 1): ); – радиальная часть волновой функции, квадрат которой определяет вероятность размещения электрона на некотором расстоянии от ядра; решение определяет значения n и l (рис. 1); – угловая составляющая y – функции; решению удовлетворяют определенные величины ml принимающие значения в интервале: , 0, .

 

Рис. 1. Радиальное распределение вероятности пребывания
электрона для основного энергетического состояния атома водорода

Числовые значения n, l , ml называют квантовыми числами.

Интерференцию и дифракцию микрообъектов следует объяснять не на основе волновых представлений, а используя вероятностные представления.

Интерференция микрообъектов – это интерференция амплитуд вероятности.

Волновая функция – ψ характеризует не саму вероятность, а

амплитуду вероятности (М. Борн (1

Квантовая механика обнаруживает, что с вероятностями на уровне микроявлений нужно обращаться не так, как это практикуется в классических статистических теориях. Т. е., в определённых случаях надо складывать не сами вероятности событий, а амплитуды вероятностей или использовать более сложные правила, связанные с частичной различимостью событий. Амплитуды вероятностей (в случае полной неразличимости или частичной различимости событий) приводят к интерференционным эффектам. Соответствующих аналогов в классической физике не существует.

С интерференцией амплитуд органически связан квантовомеханический принцип суперпозиции состояний, отражающий специфику «взаимоотношений» состояний микрообъекта – т. е. если система может находиться в состояниях, описываемых несколькими волновыми функциями, то она может быть и в состоянии, описываемом линейной комбинацией этих функций.

В 1925 г. Вернер Гейзенберг (1901 – 1976), Макс Борн (1882 – 1970), Поль Адриен Морис Дирак (1и Паскуаль Иордан (1 создали матричную механику, идеи которой легли в основу матричного варианта квантовой механики, для которой М. Борн разработал математический аппарат. В. Гейзенберг представил физические величины как совокупность всех возможных амплитуд перехода из одного квантового состояния в другие. Сама вероятность перехода пропорциональна квадрату модуля амплитуды, которая и наблюдается в экспериментах. Каждая величина должна иметь два индекса, соответствующих верхним и нижним состояниям. Эти величины называют матрицами.

Требованием квантовых скачков было либо требование точного положения в пространстве при полной неопределённости во времени, либо наоборот.

Гейзенберг пришёл к выводу (формулировке) принципа неопределённости, устанавливающего границы применимости классической физики. Принцип неопределённости отражает ограничение информации о микрообъектах самими средствами наблюдения. Специфика измерений на квантово - механическом уровне состоит в том, что сам объект и измерительный прибор составляют единую взаимодействующую систему. Наблюдая микрообъект, мы оказываем на него влияние, искажая его параметры. Проявление микрообъекта в виде частицы или волны зависит от того «что» и «как» мы измеряем.

Математически процесс измерения определяется функцией :

F(y) = òg(x-y)¦(x)dx, где ¦(x) – истинное значение измеряемой величины; g(x-y) – инструментальная функция измерительного прибора; F(y) – измеряемая прибором физическая величина, в математике это выражение называется свёрткой. В идеале инструментальная функция g(x-y) может описываться так называемой d - функцией Дирака и тогда g(x-y)dx = 1, а F(y) = ¦(x).

В реальном процессе измерения совпадения F(y) = ¦(x) нет и погрешность измерения тем больше, чем больше отличие g(x-y) от d - функции. Ошибка в измерениях тем больше. чем больше «расплывчата» инструментальная функция.

Т. о. даже при обычных для нас макроизмерениях мы находим параметры с некоторой вероятностью.

В. Гейзенберг (совместно с Дираком) выдвинул идею обменного взаимодействия, позволившую разработать первую квантово – механическую теорию ферромагнетизма. В начале 30-х г. г. ХХ столетия они создали теорию дырок Дирака и постулировали эффект поляризации вакуума (Ноб. пр. по физике за 1933 г. совм. С Шрёдингером).

Принцип неопределённостей В. Гейзенберга

Δx∙Δp³h/2π ΔE∙Δt³h/2π –

невозможно одновременно осуществить точное измерение двух дополняющих характеристик частиц – скорости и координаты по сути свидетельствует о правомерности двойственной корпускулярно - волновой природы объектов микромира, а постоянная Планка является той границей, которая условно разделяет единые в своей основе свойства вещества и поля в таких объектах.

Квантовая механика устанавливает предел стремлению безгранично детализировать изучаемый процесс во времени.

Принцип неопределённостей В. Гейзенберга более широко трактовал Н. Бор в своём принципе дополнительности (1928 г.):

-получение экспериментальной информации об одних физических параметрах неизбежно приводит к потере других, дополнительных параметров, которые характеризуют этот же эффект (явление) с другой стороны.

Огромный вклад в развитие нового раздела современной физики – квантовую электродинамику внёс Ричард Фейнман. Квантовая электродинамика описывает все явления физического мира за исключением гравитации и радиоактивности. По существу квантовая электродинамика рассматривает квантовую природу электромагнитного поля.

Модель квантованного поля впервые получил П. Дирак (он же заложил основы квантовой электродинамики). Применение квантовой теории к электромагнитному полю и полям, описывающим частицы в вакууме, привело Дирака к предсказанию существования античастиц и формированию новых взглядов на вакуум. В результате квантования поля возникло понятие частицы как характеристики возбуждения электромагнитной волны с определённой длиной волны. Дирак предложил в 1928 г. уравнение, которое требовало существования у электрона собственного магнитного момента – спина и предсказывало его величину. Существование спина экспериментально доказали и . Т. к. проекция спина на выбранную ось может принимать только два значения, для объяснения отрицательного значения Дирак придумал оригинальное объяснение – ввёл положительный электрон.

В 1932 г. при ядерных распадах, вызываемых космическими лучами, были открыты частицы с предсказанными Дираком свойствами, которые назвали позитронами .

Взаимодействие и движение – важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно её существование.

Взаимодействие обусловливает системную организацию материи.

Многие свойства материальных объектов являются производными от их взаимодействий и являются результатов их структурных связей между собой и взаимоотношений с окружающим миром (внешней средой).

Для количественного анализа взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия и радиус действия.

Фундаментальные взаимодействия

Вид взаимодействия	Константа взаимодействия	Радиус действия
Гравитационное Электромагнитное Сильное Слабое	6∙10-39 1/137 1 10-14	¥ ¥ (0,1-1)∙10-15м <<0,1∙10-15м

Константа гравитационного взаимодействия самая малая величина.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется в пределах размеров ядра.

Взаимодействие между атомами и молекулами имеет электромагнитную природу.

Слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды b - превращений.

Итак, квантовая механика как область знаний о свойствах микромира выделяет в нём три особенности:

- корпускулярно – волновой дуализм, двойственную природу вещества и поля. Всех объектов и явлений в микромире;

- дискретный характер всех параметров объектов и протекающих процессов микромира;

- вероятностный, статистический смысл любых расчётов, утверждений, выводов о поведении микрочастиц.

Персоналии

Бор Нильс Хендрик Давид (1885–1962). Норвежский физик. Внес огромный вклад в развитие теории атомного ядра и атомных реакций. В 1913 г. Бор предложил принципиально новую модель структуры атома, введя квантовые представления. В 1922 г. стал лауреатом Нобелевской премии по физике.

(1827–1911). Русский ученый, основатель отечественной школы физической химии, академик Петербургской академии наук с 1886 года. Бекетов составил вытеснительный ряд металлов, который был назван его именем.

Бройль Луи Виктор де (1892–1987). Французский физик, удостоенный Нобелевской премии в 1929 г. по физике за открытие волновой природы электрона. Распространив идею А. Эйнштейна о двойственной природе света на вещество, предположил, что поток материальных частиц должен обладать и волновыми свойствами, связанными с их массой и энергией (волны де Бройля).

Ван дер Броек(Брук) Ян (1870–1926). Голландский физик, на основе планетарной модели Э. Резерфорда в 1911–1913 гг. высказал предположение о том, что атомный номер элемента совпадает с величиной положительного заряда ядра атома. В 1914 г. эту гипотезу экспериментально подтвердил Г. Мозли, в 1920 – Дж. Чедвик.

Волластон Уильям Хайт (1766–1828). Английский естествоиспытатель; работал в области химии, физики, кристаллографии, минералогии, ботаники и т. д. В 1801 г. обнаружил за фиолетовой частью спектра химически действующее излучение (открыл ультрафиолетовые лучи). Основные исследования отнросятся к химии; используя главным образом данные  И. В. Рихтера, пришёл к понятию «эквивалент»; нашёл способ приготовления ковкой платины (1800); в 1813 г. предложил способ получения очень тонкой платиновой проволоки (0,001 мм); в 1804 г. выделил металлический палладий и открыл родий в платиновой руде. Изобрёл в 1802 г. рефрактометр.

Гайтлер Вальтер (1904–1981). Физик и химик-теоретик. В 1949 в Швейцарии, совместно с Ф. Лондоном разработал (1927) приближенный метод расчета молекулы H2, который положил начало квантовой химии. Предложил (1937) каскадную теорию ливней в космических лучах.

Гаудсмит Самюэл Абрахам (1902–1979). Американский физик. В 1925 совместно с Дж. Ю. Уленбеком пришёл к представлению о собственном магнитном моменте – спине электрона, что позволило объяснить тонкую  и сверхтонкую структуру спектральных линий химических элементов.

Гунд (Хунд) Фридрих (1896–1997). Немецкий физик-теоретик. Работы посвящены квантовой механике, спектроскопии (систематика атомных и молекулярных спектров), магнетизму, квантовой химии, истории физики. Принимал участие (наравне с и Дж. Э. Леннард-Джонсом в разработке основного метода квантовой химии – метода молекулярных орбиталей (1928–1932). Сформулировал (1927) правило, определяющее порядок заполнения атомных орбиталей электронами (правило Гунда). Ввел представление о p - и s-электронах и о p - и s-связях в молекулах

Гейзенберг Вернер (1901–1976). Немецкий физик-теоретик, удостоенный в 1932 Нобелевской премии по физике за создание квантовой механики в матричной форме. В 1927 г. Гейзенберг сформулировал «принцип неопределенности», возникший из необходимости учета материального характера наблюдения за элементарной частицей и ограничения применимости макромеханики к микрообъектам. В описание атомного объекта, его состояния и поведения им введено понятие вероятности.

Дальтон Джон (1766–1844). Английский естествоиспытатель, член Лондонского королевского общества; ввел понятие «атомный вес», первым определил атомные веса (массы) ряда элементов. Дальтон первым описал явление врожденной частичной цветовой слепоты – дальтонизма. Изучал свойства газовых смесей и водяного пара – закон парциальных давлений (1801), закон растворимости газов (1803). Основной заслугой Дальтона является развитие атомистических представлений в применении к химии. Ввёл водородную шкалу для определения атомных весов элементов.

Дебай Петер Йозеф Вильгельм (1884–1996). Голландский физик. Известен своими работам в области физики твердого тела, рентгеноструктурного анализа и теории полярных жидкостей.

Джермер Лестер Алберт (1896–1971). Американский физик. Совместно с открыл (1927) дифракцию электронов на монокристалле никеля, экспериментально подтвердив волновые свойства электрона, предсказанные В. Луи Де Бройлем.

Дирак Поль Адриен Морис (1902–1984). Английский физик, один из создателей квантовой механики, иностранный член-корреспондент АН СССР (1931). Разработал квантовую статистику (статистика Ферми – Дирака); релятивистскую теорию движения электрона (уравнение Дирака, 1928), предсказавшую существование позитрона (экспериментально обнаруженного в 1932 г. К. Андерсоном), а также аннигиляцию и рождение пар элементарных частиц. Предложил метод вторичного квантования. Заложил основы квантовой электродинамики и квантовой теории гравитации. Получил Нобелевскую премию (1933) совместно с Э. Шредингером.

Дэвиссон Клинтон Джозеф (1881–1958). Американский физик. Совместно с Л. X. Джермером открыл (1927) дифракцию электронов на монокристалле никеля. Ему принадлежат также исследования по тепловому излучению, термоэлектронной и термоионной эмиссии, электронной оптике. Лауреат Нобелевской премии (1937).

Кеезом Виллем Гендрик (1876–1956). Нидерландский физик. В 1938 г. им впервые получена рентгенограмма кристалла твердого гелия. В 1942 написал монографию, посвященную физическим свойствам гелия при низких температурах.

Клапейрон Бенуа Поль Эмиль (1799–1864). Французский физик и инженер. Работы Клапейрона посвящены тепловым процессам. В 1834 г. им введен в термодинамику графический метод, представленный в геометрической форме рассуждения Карно. В том же году вывел уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона), объединяющее закон Бойля–Мариотта, закон Гей–Люссака и закон Авогадро.

Клечковский Всеволод Маврикиевич (1900–1972). Советский ученый, основные работы посвящены квантовой механике. Сформулировал правила заполнения орбиталей, исходя из энергии электрона, определенной по значениям его квантовых чисел.

Лондон Фриц Вольфганг (1900–1954). Немецкий физик-теоретик. Научные работы Лондона посвящены спектроскопии, физике низких температур, теории сверхпроводимости и сверхтекучести в жидком гелии, квантовой механике, в частности квантовой теории атомных и молекулярных сил и химической валентности.

(1834–1907). Русский ученый-энцикло­пе­дист. В 1869–1871 гг. открыл Периодический закон и на его основе дал первую естественнонаучную классификацию химических элементов (Периодическую систему). Предсказал существование еще не открытых элементов (Ga, Ge, Sc).

Мозли Генри (1887–1915). В 1913 г. показал простую связь между длинами волн определенных линий рентгеновского спектра элемента и его порядковым номером, что свидетельствовало о численном равенстве заряда ядра порядковому номеру элемента  в Периодической системе.

Паули Вольфганг (1900–1958). Швейцарский физик-теоретик. Ввел понятие спина и в 1925 г. сформулировал один из важнейших принципов современной теоретической физики. Паули – автор фундаментальных работ по теории элементарных частиц, а также мезонной теории ядерных сил.

Планк Макс (1858–1947). В 1900 г. в работе, посвященной равновесному тепловому излучению, впервые высказал предположение о том, что энергия осциллятора принимает дискретные значения, пропорциональные частоте колебаний и излучается осциллятором отдельными порциями. внес большой вклад в развитие термодинамики.

Резерфорд Эрнст (1871–1937). Английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы. Открыл (1899) альфа - и бета-лучи и установил их природу. Создал (1903, совместно с Ф. Содди) теорию радиоактивности. Предложил (1911) планетарную модель атома. Осуществил (1919) первую искусственную ядерную реакцию. Предсказал (1921) существование нейтрона. Лауреат Нобелевской премии (1908).

(1895–1940). Внес вклад в становление квантовой физики в России. Научное наследие Тартаковского включает статьи, опубликованные в ведущих научных журналах того времени, лепту в коллективном труде «Таблицы физических констант».

Уленбек Джордж Юджин (1900–1988). Американский физик, по национальности голландец. Труды по статистической механике: теория броуновского движения, кинетическое уравнение для квантового газа (совместно с  Е. Улингом), выражение для 2-го вириального коэффициента через сдвиг фаз. Открытие спина электрона (собственного вращения) совм.

Ферми Энрико (1901–1954). Итальянский физик. В 1938 был удостоен Нобелевской премии за открытие искусственной радиоактивности и создание теории замедления нейтронов. Исследования Ферми относятся к области ядерной физики, статистической механики, физики высоких энергий, астрофизики.

Франкланд (Франкленд) Эдуард (1825–1899). Английский химик-ор­ганик. Исследования Франкланда охватывают ряд направлений органической и общей химии. Получил в 1849 г. цинкалкилы, которые в дальнейшем широко использовались в органическом синтезе, и открыл способ получения предельных углеводородов действием цинка на иодалкилы; впервые получил алкильные производные олова и ртути и ввёл в 1852 г. термин «металлоорганические соединения». В 1852 г. Франкланд ввёл понятие о «соединительной силе», положив этим основание учению о валентности; обнаружил трёх- и пятивалентность азота, фосфора, мышьяка и сурьмы.

Шрёдингер Эрвин (1887–1961). Австрийский физик, один из основоположников квантовой механики. В 1933 г. награжден Нобелевской премией по физике Основные работы Шрёдингера относятся к области статистической физики, квантовой теории, квантовой механики, биофизики. Разработал теорию движения субатомных частиц – волновую механику, введя для описания состояния этих частиц волновую функцию (Y-функцию). Вывел основное уравнение нерелятивистской квантовой механики (уравнение Шрёдингера) и дал его решение для частных случаев.

Чедвик Джеймс (1891–1974). Английский физик, член Лондонского королевского общества (1927). Резерфорда. Основные труды по физике атомного ядра. Первые работы посвящены радиоактивности. В 1920 экспериментально подтвердил равенство заряда ядра порядковому номеру элемента. Большой заслугой является открытие им в 1932 г. нейтрона при облучении бериллиевой мишени потоком альфа-частиц. Лауреат Нобелевской премии (1935).

Эйнштейн Альберт (1879–1955). Немецкий физик. Создатель специальной и общей теории относительности. В основу своей теории положил два постулата: специальный принцип относительности и принцип постоянства скорости света в вакууме. Открыл закон взаимосвязи массы и энергии, заключенной в телах. Исходя из квантовой теории света, объяснил такие явления, как фотоэффект (закон Эйнштейна для фотоэффекта). Распространил (1907) идею квантовой теории на физические процессы, непосредственно не связанные со светом, разработал первую квантовую теорию теплоемкости твердых тел, распространил идею квантовой теории на физические процессы. Лауреат Нобелевской премии по физике (1921).

•  Физики о квантовой механике:

•  «Квантовая механика – это полная загадок и парадоксов дисциплина, которую мы не понимаем до сих пор, но умеем применять» М. Гелл-Манн

«Квантовую механику не понимает никто» Р. Фейнман

«…непонятно, какие слова надо употребить вместо соответствующих математических символов. Ясно одно: понятия обычного языка не подходят для обычного описания строения атомов» В. Гейзенберг

«Если у человека при первом знакомстве с квантовой механикой голова не идёт кругом, то он не понимает в ней ничего». Н. Бор

•   

•  «Квантовая теория – это совершенно иная картина реальности, которую даже специалисты понимают не очень хорошо, современные парадоксы этой теории будут восприниматься детьми наших детей как самые общие понятия» С. Хокинг

Гипотеза Де Бройля (лауреат Нобел. премии 1929 г.) легла в основу волновой механики, описывающей корпускулярно-волновой дуализм света и вещества.

Нужно с осторожностью относиться к волновым моделям в квантовой физике. Дебройлевские волны не похожи на реальные волны. Этих волн попросту нет.

Основная идея квантовой механики состоит в том, что в микромире определяющим является представление о вероятности событий.

Интерференция микрообъектов – это интерференция амплитуд вероятности

•  Не сама вероятность, а амплитуда вероятности (волновая функция) является первичной величиной.

Амплитуды вероятностей (в случае полной неразличимости или частичной различимости событий) приводят к интерференционным эффектам. Соответствующего аналога в классической физике нет.

С интерференцией амплитуд органически связан квантово - механический принцип суперпозиции состояний, отражающий специфику «взаимоотношений» состояний микрообъекта.

Гейзенберг представил физические величины как совокупность всех возможных амплитуд перехода из одного квантового состояния в другие.

Требованием квантовых скачков было либо требование точного положения в пространстве при полной неопределённости во времени, либо наоборот.

Так Гейзенберг пришёл к выводу принципа неопределённости, устанавливающего границы применимости классической физики.

Этот вывод отражает ограничение информации о микробъектах самими средствами наблюдения

Квантовая теория позволила построить новый раздел современной физики – квантовую электродинамику - о движении заряженных микрочастиц, с учётом их квантово - механической природы.

По существу, здесь рассматривается квантовая природа электромагнитного поля.

Квантовая электродинамика описывает все явления физического мира, за исключением гравитации и радиоактивности.

Эта теория проверялась в диапазоне размеров от 100 диаметров Земли до 0,01 размера атомного ядра, и точность предсказаний была поистине потрясающей. Например, вычисленное на её основе значение собственного магнитного момента электрона совпадает с полученной экспериментально величиной до 10-6. Огромный вклад в развитие этой науки внёс Нобелевский лауреат P. Фейнман.

Логично было бы спросить: может ли проявляться тяготение в микромасштабах?

На этот вопрос могла бы ответить квантовая теория гравитации, но её пока нет, так как нет теории тяготения, согласованной с квантово-механическими принципами и принципом неопределённости.

Основные принципы квантовой механики в применении к вещественной материи рассмотрены в лабораторном практикуме.