Концепции современного естествознания (стр. 1 )

Концепции современного естествознания

Часть 2

(состоит из 2 частей)

www. ***** – создание и оптимизация сайтов. Курсы по созданию сайтов.

www. ***** – сравнение сайтов конкурентов и другие виды анализа

I. ФИЗИЧЕСКИЙ ВЗГЛЯД НА МИР

(продолжение)

1.2. КВАНТОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

АТОМНЫЙ И НУКЛОННЫЙ УРОВНИ СТРОЕНИЯ МАТЕРИИ

Понятие микромира. Современное естествознание выделяет три различные структуры: макромир, микромир и мегамир. Главное в том, что эти структуры описываются различными законами. Микромир – это мир молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Это мир предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых микрообъектов, размеры которых составляют от 10-8 до 10-16 см, а время их жизни – от бесконечности до 10-24 сек. Все эти микрообъекты описываются особой наукой – квантовой механикой и квантовой теорией поля.

Революция в естествознании и смена прежней картины мира.

В конце XIX и начале XX в. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о картине мира. Прежде всего, это открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии. Если раньше последними неделимыми частицами материи, из которых состоит природа, считались атомы, то в конце XIX века были открыты электроны, входящие в состав атомов. (Атомы, из которых состоят молекулы, необходимо было ввести для объяснения явлений химии – понятия химического элемента и химических реакций, а также оптических явлений). Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда частиц). Атомные ядра и элементарные частицы были введены для объяснения явлений радиоактивности, а также явлений, происходящих при столкновениях атомов большой энергии. Явления радиоактивности, впервые обнаруженные в конце XIX века, говорят о структуре атомного ядра, составленного из элементарных частиц. Взаимопревращение атомных ядер приводит к взаимопревращению атомов (элементов), о чем мечтами в средние века алхимики. Наконец, в опытах по столкновениям элементарных частиц, проводимых в ускорителях, обнаруживается, что те частицы, из которых состоят атомные ядра – протоны и нейтроны – также имеют структуру и состоят из кварков и глюонов.

Итак, молекулы состоят из нескольких атомов, каждый атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг него. Каждое атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Протоны и нейтроны состоят из кварков и глюонов.

Силы взаимодействия, действующие в молекуле, – это электромагнитные силы и предсказываемые квантовой физикой обменные силы.

Силы, действующие в атоме, - это также электромагнитные силы и обменные силы. В атомном ядре действуют силы сильного, электромагнитного и слабого (объединяемое в единое электрослабое) взаимодействия.

С точки зрения квантовой теории поля электромагнитные силы требуют введения особых частиц – фотонов, сильные и слабые взаимодействия требуют множество других частиц – мезонов, лептонов, глюонов, хиггсовских бозонов. За исключением хиггсовских бозонов, все эти частицы наблюдаются в эксперименте.

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУЯЛИЗМ

В начале возникновения квантовой механики в 1909 году А. Эйнштейн показал, что свет, обладающий такими волновыми свойствами, как интерференция и дифракция, в явлениях фотоэффекта ведет себя так, что можно говорить об особых «частицах» – квантах света. Дальнейшее доказательство корпускулярной теории света получил в 1922 году А. Комптон, обнаруживший изменение длины волны рентгеновских лучей при их рассеянии на свободных электронах. Этот факт был объяснен законами сохранения энергии и импульса при упругом столкновении двух частиц – фотона и электрона. В результате было доказано экспериментально, что наряду с известными волновыми свойствами (интерференция, дифракция, поляризация и др.) свет обладает и корпускулярными свойствами. В этом и состоит двойственная природа света, получившая название корпускулярно-волнового дуализма. Возникло формальное логическое противоречие: для объяснения одних явлений было необходимо считать свет волной, а для других частицей. Разрешение этого противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики.

С другой стороны, Н. Бор (1885–1962) в 1913 году предложил объяснение оптических свойств атомов введением особых квантовых орбит электронов в атоме, так что при движении по этим орбитам электроны не излучают энергию, как это должно быть согласно электродинамике. Этим орбитам соответствуют определенные уровни энергии с дискретно меняющимися значениями энергии.

Существование таких дискретных уровней энергии аналогично существованию различных музыкальных тонов у струны или гитары и может быть объяснено наличием особых «стоячих» волн. Все это привело французского физика Луи де Бройля к введению представления о существовании особых волн – волн де Бройля, «сопутствующих» каждой частице.

Универсальность корпускулярно-волновой концепции. Французский физик Луи де Бройль (1892–1987), осознавая существующую в природе симметрию и развивая представление о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1924 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма:

не только фотоны, но и электроны, и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, любой микрообъект можно описать, с одной стороны, корпускулярными характеристиками – энергией Е и импульсом p, а с другой – волновыми характеристиками – частотой ν и длиной волны λ. Формулы, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как и для фотонов:

Е = hν; p = h/λ.

Смелость гипотезы де Бройля заключалась в том, что приведенные формулы постулировались те только для фотонов, но и для микрочастиц, обладающих массой покоя. Таким образом, любой частице с импульсом p соответствует волновой процесс с длиной волны, определяемой формулой де Бройля: λ = h/p.

Поиски волновых свойств частиц довольно быстро увенчались успехом. В 1927 году К. Дэвиссон (1881–1958) и Л. Джермер (1896–1971) впервые наблюдали дифракцию электронов, подтвержденную впоследствии другими исследователями. Тем самым, было доказано, что волновые свойства присущи даже отдельному электрону. Сегодня волновые явления наблюдаются не только у таких частиц как электроны, протоны, нейтроны, но и у атомов и молекул.

Исходя из оптико-механической аналогии, в 1926 году Э. Шредингер (1887–1961) предложил уравнение, описывающее поведение таких волн во внешних силовых полях, а М. Борн (1882–1970) дал вероятностное толкование волновой функции. Эту идею еще раньше выразил У. Гамильтон (1805–1865), показавший, что для математического описания вопрос о природе света не имеет значения. В микромире уравнение Шредингера играет такую же роль, как и уравнения Ньютона в классической механике.

Таким образом, в 30-е годы ХХ в. было доказано экспериментально, что между веществом и полем не существует непроходимой границы: в определенных условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля – свойства корпускул. Это получило название дуализма волны и частицы, т. е. микрочастицы одновременно обладают как свойствами корпускул, так и волн.

Из корпускулярно-волнового дуализма следует неизбежный отказ от некоторых классических представлений, сформировавшихся в результате наблюдений за движениями макроскопических тел. Наблюдение волновых явлений несовместимо с представлениями о движении частицы по определенной классической траектории.

В 1925–1927 г. для объяснения процессов, происходящих в микромире, была создана волновая, или квантовая механика. Последнее название и утвердилось за новой наукой. В 1925 году В. Гейзенберг (1901–1976) построил формальную схему, в которой вместо координат и скоростей электрона фигурировали абстрактные алгебраические величины – матрицы. Связь матриц с реально наблюдаемыми величинами давалась простыми формулами. В итоге два казавшиеся различными подхода – волновая механика Шредингера и матричная механика Гейзенберга – оказались эквивалентными. Окончательное формирование квантовой механики произошло в 1927 году после формулировки соотношения неопределенностей в 1927 году.

Квантовая механика – это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне, основанная на единстве матричной и волновой механики. Впоследствии возникли и разнообразные другие квантовые теории: квантовая электродинамика, теория элементарных частиц и другие, которые исследуют закономерности движения микромира.

Измерения в квантовой механике. Роль прибора.

Рассматривая процессы в микромире, следует отметить специфику измерений на квантово-механическом уровне. Еще Галилей сказал: «Гораздо легче измерять, чем знать, что измерять». Оказывается, что при описании поведения квантовых частиц сам объект изучения микромира и экспериментальный прибор составляют единую систему. Это, с одной стороны, показывает, что, наблюдая микрообъект, мы в результате этого наблюдения влияем на него. Причем это не обязательно относится лишь к электронам, фотонам и т. д. Это может быть и клетка, структуру которой мы наблюдаем флуоресцентным методом иммунного анализа и которую мы измеряем или даже убиваем таким воздействием. А с другой стороны, это означает, что поведение изучаемого микрообъекта имеет смысл, только исходя из результатов измерений.

Следовательно, проявление квантового объекта в качестве или частицы, или волны будет зависеть от того, что и как мы измеряем. Поэтому волновой или корпускулярный характер квантовая частица приобретает лишь в глазах экспериментатора.

Отметим, что и в классической физике измерения проводятся всегда с некоторой погрешностью. Математически процесс измерения определяется формулой:

F(y) = g(x–y) f(x)dx,

где f(x) – истинное значение измеряемой величины, g(x–y) – инструментальная функция измерительного прибора, F(y) – измеряемая прибором физическая величина. В математике приведенное выражение называется сверткой. Лишь и идеале инструментальная функция g(x–y) может описываться так называемой δ–функцией Дирака, и тогда g(x–y)dx = 1 и F(y) и f(x) совпадут. Однако в реальном процессе измерения этого нет и погрешность измерения тем больше, чем больше отличие g(x–y) от δ–функции. , т. е. искажения в измерениях тем больше, чем более «расплывчата» инструментальная функция. Другими словами, даже при обычных макроизмерениях мы находим какие-то параметры с некоторой вероятностью.

СТО. Другая фундаментальная теория современной физики – теория относительности, в корне изменившая научные представления о пространстве и времени. Важнейший методологический урок, который был получен из специальной теории относительности, состоит в том, что она впервые ясно показала, что все движения, происходящие в природе, имеют относительный характер.

ОТО. Еще более радикальные изменения в учении пространства и времени произошли в связи с созданием общей теории относительности, которую нередко называют новой теорией тяготения. Здесь отметим, что общая теория относительности показала глубокую связь между движением материальных тел, а именно тяготеющих масс и структурой физического пространства– времени.

СТРУКТУРА АТОМОВ

Развитие представлений о структуре атомов. Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества возникло еще в античные времена (Левкипп, Демокрит, Эпикур, Лукреций). В средние века учение об атомах, будучи материалистическим, не получило широкого признания. Атомистическая теория приобретает все большую популярность лишь к концу XVIII в. благодаря трудам великого русского ученого , английского химика и физика Д. Дальтона и др. Однако в то время вопрос о строении атомов даже не ставился – атомы считались неделимыми. Большой вклад в развитие атомистической теории внес выдающийся русский химик , разработавший в 1869 г. Периодическую систему элементов, исходя из единой природы атомов.

Различные предположения о сложной структуре атомов долгое время не подтверждались опытами. Активное изучение строения атома началось в 1897 г. после открытия электронов, входящих в состав атомов английским физиком Дж. Томсоном (1856–1940). В 1903 году Томсон предложил первую модель атома: положительный заряд равномерно распределен в достаточно большой области, предположительно сферической, внутри нее находятся отрицательно заряженные электроны. Суммарный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом нейтрален. Однако такая модель существовала недолго.

Эксперименты Э. Резерфорда (1871–1937) в 1913 году по рассеянию α - частиц на атомах золота в тонкой фольге показали, что большинство частиц легко проходят через фольгу, отклоняясь на небольшие углы. Этот результат позволил предложить новую модель атома, названную планетарной. Масса атома почти вся сосредоточена в небольшом по размеру ядре, которое заряжено положительно, поэтому оно рассеивает немногие пролетающие вблизи также положительные α-частицы. Электроны вращаются вокруг ядра, удерживаемые на своих орбитах кулоновскими силами притяжения. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда частиц).

Противоречивой оказалась и эта модель: вращающийся электрон движется с ускорением, следовательно, по законам электродинамики будет излучать энергию, со временем потеряет свою кинетическую энергию и упадет на ядро. Атом же устойчив. Кроме того, атом будет иметь сплошной спектр, а не наблюдаемый в опытах линейчатый.

К планетарной модели атома Н. Бор (1885–1962) применил идею квантования. Из всех орбит, допускаемых классической механикой для движения электрона в электрическом поле ядра, реально существуют лишь некоторые, называемые стационарными. Стационарные орбиты удовлетворяют условиям квантования момента импульса электрона, при движении по этим орбитам электрон не испускает световых волн. Таким орбитам соответствуют определенные уровни энергии электрона. Электрон в атоме излучает энергию дискретными порциями лишь при переходе с одной стационарной орбиты на другую. Энергия излучения оказывается квантованной, что объяснило линейчатый спектр атома и позволило получить правильную формулу для частот спектральных линий водородоподобных атомов.

Постулаты Бора. Нильс Бор связал в единое целое эмпирические закономерности линейчатого спектра излучения атома водорода, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории атома Бор положил два постулата:

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по таким орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией

hν = Еn – Em,

равной разности энергий Еn и Em, соответствующих стационарным состояниям атома до и после излучения (поглощения).

Переходу электрона со стационарной орбиты с номером m на стационарную орбиту с номером n соответствует переход атома из состояния с энергией Em в состояние с энергией Еn. При Еn > Em происходит излучение фотона (переход атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, т. е. переход электрона с более удаленной от ядра орбиты на более близкую); при Еn < Em – поглощение фотона (переход атома в состояние с большей энергией, т. е. переход электрона на более удаленную от ядра орбиту).

Набор возможных дискретных частот квантовых переход ν = (Еn – Em)/ h

определяет линейчатый спектр излучения атома.

Теория атома Бора блестяще объяснила экспериментально наблюдаемый линейчатый спектр излучения атомов водорода. Успехи теории атома водорода достигнуты ценой отказа от фундаментального положения классической термодинамики. Поэтому большой значение имело прямое подтверждение справедливости постулатов Бора, особенно первого – о существовании стационарных состояний (второй постулат можно рассматривать как следствие закона сохранения энергии и гипотезы о существовании фотонов). Существование стационарных состояний и дискретность значений энергии атомов экспериментально подтвердили немецкие физики Д. Франк и Г. Герц при исследовании взаимодействия электронов с атомами газообразной ртути (1913).

Несмотря на несомненный успех концепции Бора в объяснении структуры атома водорода, для которого удалось создать количественную теорию спектра излучения, построить подобную теорию для следующего за водородом атома гелия на основании модели Бора не удалось. В современном представлении определенные орбиты, по которым движется электрон в атоме Бора, отражает один из этапов в понимании структуры атома. На самом деле движение электронов в атоме различных элементов имеет сложный характер и объясняется в рамках квантово-механической концепции.

Принципы неопределенности В. Гейзенберга. В классической механике всякая частица движется по определенной траектории, так что в любой момент времени можно определить ее координату и импульс. Микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенно отличаются от классических частиц. Одно из основных отличий – нельзя говорить о движении микрочастицы по определенной траектории и об одновременных точных значениях ее координаты и импульса. Это следует из корпускулярно-волнового дуализма. Так, понятие «длины волны в данной точке» лишено физического смысла, а поскольку импульс выражается через длину волны, микрочастица с определенным импульсом имеет неопределенную координату. И наоборот, если микрочастица находится в состоянии с точным значением координаты, то ее импульс не определен.

Немецкий физик В. Гейзенберг (1901–1976), учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с волновыми свойствами ограничения в их поведении, пришел в 1927 г. к выводу: любой объект микромира невозможно одновременно, с заданной наперед точностью, характеризовать и координатой, и импульсом. Он сформулировал принцип неопределенности:

микрочастица (микрообъект) не может иметь одновременно определенную координату х и определенный импульс р, причем неопределенности этих величин удовлетворяют условию

∆x • ∆ px ≥ h.

Соотношение неопределенностей Гейзенберга означает, что произведение неопределенностей координаты ∆x и импульса ∆ px не может быть меньше постоянной Планка h. Чем меньше неопределенность одной из величин, тем больше она у другой. Важно отметить, что дело не в точности приборов и даже не в воздействии измерительного прибора на микрообъект. Дело в том, с какой степенью точности можно говорить о траекториях микрочастиц. Неопределенность – свойство состояния. Это следствие специфики микрообъектов, отражающей особенности их объективных свойств, их двойственной корпускулярно-волновой природы. Соотношение неопределенностей получено при одновременном использовании классических характеристик движения частицы (координаты, импульса) и наличия у нее волновых свойств.

Поскольку в классической механике принято, что измерение координаты и импульса может быть произведено с заданной точностью, то

соотношение неопределенностей является, таким образом, квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам.

Принцип дополнительности. Для описания микрообъектов Н. Бор сформулировал в 1927 г. принцип дополнительности:

получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Например, координата – импульс, время – энергия и др.

Такими взаимно дополнительными величинами являются уже рассмотренные координата и импульс частицы, а также энергия и время, напряженность электрического поля в данной точке и число фотонов, и др. С физической точки зрения принцип дополнительности часто объясняют влиянием измерительного прибора (макроскопического объекта) на состояние микрообъекта. При точном измерении одной из дополнительных величин (например, координаты частицы) с помощью соответствующего прибора другая величина (импульс) в результате взаимодействия частицы с прибором претерпевает полностью неконтролируемое изменение. С позиций квантовой теории роль прибора в измерениях заключается в «приготовлении» некоторого состояния системы. Состояния, в которых взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определенные значения, принципиально невозможны, причем, если одна из таких величин точно определена, то значения другой неопределены. Таким образом, фактически принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем, не связанные с наблюдателем.

Копенгагенский тип физической реальности. Проблеме роли наблюдателя в квантовой физике уделяли большое внимание многие выдающиеся создатели квантовой физики: А. Эйнштейн, Н. Бор, В. Гейзенберг, М. Борн, Дж. Фон Нейман, .

Согласно Бору, говоря о квантовых свойствах микрообъектов, мы всегда должны говорить о приборах, с помощью которых они измеряются. Работа этих приборов обязательно должна описываться на языке классической, а не квантовой физики. Конечно, приборы как физические тела «состоят» из атомов, но их работа при «измерении» обязательно описывается классически.

В. Гейзенберг и предложили описывать квантовые объекты на особом языке Квантовый объект – это множество «объективно существующих потенциальных возможностей». Роль наблюдателя состоит в том, что при наблюдении эти возможности реализуются как объективные факты – только одна возможность реализуется, другая же нет. использовал аналогию с относительностью длины в теории относительности: определенная длина «существует» только в относительно определенной системе отсчета. В разных системах отсчета длина разная. Итак, приборы играют роль в квантовой физике роль систем отсчета. Конечно, приборы состоят из атомов, как и системы отсчета в теории относительности имеют длину, обычно фиксированную в собственной системе отсчета. Но в своем качестве «быть прибором», они описываются на языке классической физики, так как только наблюдатель с их помощью может получить «информацию» о квантовой системе.

В связи с копенгагенской интерпретацией на языке «объективно существующих потенциальных возможностей» и ролью наблюдателя в ней, важную роль приобретает понятие информации и сознание наблюдателя.

Подводя итог, скажем следующее: квантовые объекты «существуют» объективно, но будучи подчиненными другой логике, они оказываются доступными нашему сознанию, использующему приборы, дающие информацию о них, так что их свойства «становятся» истинными или ложными при измерении.

Подобная точка зрения позволяет по-новому понять возникновение времени (а также пространства в ранней Вселенной) как следствие логики, вернее различия логик нашего сознания и физического мира. (Логика – наука о законах и формах мышления).

ВЕРОЯТНОСТЬ В МИКРОМИРЕ

Вероятностные свойства микрочастиц. Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, ограниченность применения классической механики к микрообъектам, диктуемая принципами дополнительности и неопределенности, а также противоречие ряда экспериментов, применяемым в начале ХХ в. теориям, и привели к созданию квантовой механики, описывающей микрочастицы с учетом их волновых свойств. Ее становление и развитие начинается с 1900 г., когда М. Планк (1858–1947) впервые предложил квантовую гипотезу, и связано с работами физиков Э. Шредингера, В. Гейзенберга, П. Дирака и др.

Важная отличительная особенность квантовой теории заключается в вероятностном подходе к описанию микрочастиц, который можно пояснить на примере их дифракции. Дифракционная картина характеризуется неоднородным распределением потоков микрочастиц, рассеянных или отраженных по различным направлениям: в одних направлениях наблюдается их большее число, чем в других. Наличие максимумов в дифракционной картине с точки зрения волновой теории означает, что им соответствует наибольшая интенсивность волн де Бройля. Вместе с тем интенсивность таких волн больше там, где большее число частиц, т. е. их интенсивность в данной точке пространства определяет число частиц. Следовательно, дифракционная картина для микрочастиц – это проявление статистических (вероятностных) свойств: частицы попадают в те мести, где интенсивность волн де Бройля наибольшая.

Для квантово-механического описания микрообъектов используется волновая функция, впервые введенная в 1926 г. Э. Шредингером. Ее физическую интерпретацию дал немецкий физик М. Борн. Волновая функция определяет вероятность нахождения микрочастицы в той или иной точке пространства. Более точно квадрат модуля волновой функции есть плотность вероятности нахождения частицы в соответствующем месте пространства. Отсюда следует, что квантовая механика имеет статистический характер, она не позволяет определить точное местонахождение частицы в пространстве или ее траекторию, речь может идти лишь о вероятности предсказания. На первый взгляд может показаться, что квантовая теория менее точно описывает движение частиц, нежели классическая, однако это не так. Квантовая механика не определяет того, чего нет на самом деле. В микромире понятия определенного местонахождения или траектории движения микрообъекта теряют смысл.

Именно статистическое толкование волн де Бройля и принцип неопределенности Гейзенберга привели к выводу: основным уравнением в квантовой механике, описывающим движение микрочастиц в различных силовых полях, должно быть такое уравнение, из которого вытекали бы наблюдаемые на опыте волновые свойства частиц. Такие уравнение с учетом волновой функции сформулировал в 1926 г. Э. Шредингер. Уравнение Шредингера, как и многие уравнения физики, не выводится, а постулируется. Правильность этого уравнения подтверждается согласием с опытом полученных с его помощью результатов.

Принцип тождественности. Различия между квантовой и классической механикой выявились при рассмотрении системы многих частиц. Классический подход к столкновению двух одинаковых частиц позволяет различить их движение после удара. Ведь каждая частица имеет свою собственную траекторию, даже если они оказались симметричны. В квантовой механике траекторий нет, в процессе столкновения области локализации частиц перекрываются, различить их после взаимодействия невозможно даже в принципе. Следовательно, одинаковые частицы оказываются неразличимыми – тождественными.

Симметрия волновой функции и принцип Паули. Неразличимость тождественных частиц ведет к определенному свойству симметрии волновой функции. Если при перестановке частиц местами волновая функция не меняет знака, то она называется симметричной, если меняет – антисимметричной. Изменение знака волновой функции не означает изменения состояния, поскольку физический смысл имеет лишь квадрат модуля волновой функции. В квантовой механике доказано, что характер симметрии волновой функции не меняется со временем. Свойство симметрии или антисимметрии – характерный признак определенного класса микрочастиц.

Симметрия или антисимметрия волновых частиц определяется спином частиц – их собственным моментом импульса. В зависимости от характера симметрии все элементарные частицы и построенные из них системы (атомы, молекулы) делятся на два класса. Частицы с полуцелым спином (например, электроны, протоны, нейтроны) описываются антисимметричными волновыми функциями и подчиняются статистике Ферми–Дирака: такие частицы называются фермионами. Частицы с нулевым или целочисленным спином (например, пи-мезоны, фотоны), описываемые симметричными волновыми функциями и статистикой Бозе–Эйнштейна, относятся к классу бозонов. Сложные частицы (например, атомное ядро), состоящие из нечетного числа фермионов, являются фермионами (суммарный спин – полуцелый), а из четного – бозонами (суммарный спин – целый).

Зависимость характера симметрии волновых функций системы тождественных частиц от спина частиц теоретически обоснована швейцарским физиком В. Паули (1900–1958). Обобщая результаты экспериментов, он сформулировал принцип, согласно которому

системы фермионов встречаются в природе только в состояниях, описываемых антисимметричными волновыми функциями.

Это квантово-механическая формулировка принципа Паули. Из него следует более простая формулировка принципа Паули, введенная в 1925 г. (еще до создания квантовой механики):

две тождественные частицы с полуцелым спином (фермионы) не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии.

в системе одинаковых фермионов любые два из них не могут находится в одном и том же состоянии. Следует отметить, что число однотипных бозонов, находящихся в одном и том же состоянии, не ограничивается.

Иногда говорят, что бозоны – «коллективисты», они могут находиться в одном и том же состоянии. Более того, вероятность пребывания бозона в каком-либо состоянии пропорциональная числу частиц, которые уже находятся в этом состоянии. Напротив, фермионы – «индивидуалисты» – они не занимают уже занятое место.

Состояние электрона в атоме однозначно определяется набором четырех квантовых чисел: главного, орбитального, магнитного и спинового. Распределение электронов в атоме подчиняется принципу Паули. Для атома данный принцип можно сформулировать так:

в одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором четырех квантовых чисел.

Совокупность электронов в многоэлектронном атоме, имеющих одно и то же главное квантовое число, называется электронной оболочкой.

Принцип Паули, определяющий правило заполнения электронных оболочек атомов, позволяет объяснить Периодическую систему элементов . Расположив химические элементы по мере возрастания порядковых номеров, он обосновал периодичность изменения химических свойств элементов. Менделеев не только правильно расположил известные элементы, но и предсказал существование новых, еще не открытых элементов и их основные свойства.

Поскольку химические и некоторые физические свойства элементов объясняются внешними (валентными) электронами в атомах, периодичность свойств химических элементов непосредственно зависит от периодичности электронов в атомах. При объяснении последовательного расположения элементов в таблице удобно считать, что каждый последующий элемент образуется из предыдущего прибавление одного протона и соответственно прибавлением одного электрона в электронной оболочке атома. Открытая периодичность химических свойств элементов объясняется повторяемостью в структуре внешних оболочек атомов родственных элементов. Периодическая система – фундаментальный закон природы.

Принципы причинности и соответствия. Классическая физика основывается на следующем понимании причинности:

состояние механической системы в начальный момент времени с известным законом взаимодействия частиц есть причина, а ее состояние в последующие момент – следствие.