Квантовая механика, представляющая собой один из важней- ших разделов современной теоретической физики, была создана сравнительно недавно — в 20-х годах нашего столетия. Ее основной задачей является изучение поведения микро- частиц, например электронов в атоме, молекуле, твердом теле, электромагнитных полях и т. д. В истории развития каждого раздела теоретической физики следует различать несколько этапов: во-первых, накопление экс- периментальных фактов, которые нельзя было объяснить с по- мощью существующих теорий, во-вторых, открытие отдельных.- полуэмпирических законов и создание предварительных гипотез и теорий и, в-третьих, создание общих теорий, позволяющих с единой точки зрения понять совокупность многих явлений. По мере того как с помощью теории Максвелла—Лоренца объяснялось все большее число явлений микромира (проблема излучения, распространения света, дисперсия света в средах, движение электронов в электрическом и магнитном полях и т.д.), постепенно стали накапливаться и такие экспериментальные факты, которые не укладывались в рамки классических представ- лений. При этом для построения теории равновесного электромагнит- ного излучения, фотоэффекта и эффекта Комптона необходимо было ввести предположение о том, что свет наряду с волновыми должен обладать также и корпускулярными свойствами. Это было учтено в теории квантов Планка — Эйнштейна. Дискретная структура света нашла свое описание с помощью введения по- стоянной Планка /z = 6,62-10~27 эрг>сек. Теория квантов была с успехом также использована при построении первой квантовой теории атома — теории Бора, которая опиралась на планетарную модель атома, следовавшую из опытов Резерфорда по рассеянию альфа-частиц различными веществами, 12 ЧАСТЬ I. НЕРЕЛЯТИВИСТСКАЯ КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА С другой стороны, целый ряд экспериментальных данных, та- ких, как дифракция, интерференция пучка электронов, говорили нам о том, что электроны наряду с корпускулярными проявляют также и волновые свойства. Первым обобщающим результатом тщательного анализа всех предварительных теорий, а также экспериментальных дан- ных, подтверждающих как квантовую природу света, так и вол- новые свойства электронов, явилось волновое уравнение Шредин- гера A926), позволившее вскрыть законы движения электронов и других атомных частиц и построить после открытия вто- ричного квантования уравнений Максвелла — Лоренца сравни- тельно последовательную теорию излучения с учетом квантовой природы света. С появлением уравнения Шредингера ученые, исследовавшие атом, получили в свои руки такое же мощное оружие, какое в свое время было дано астрономам после появ- ления основных законов механики Ньютона, включая закон все- мирного тяготения. Поэтому не удивительно, что с появлением уравнения Шре- дингера многие факты, связанные с движением электронов вну- три атома, нашли свое теоретическое обоснование. Однако, как оказалось в дальнейшем, теория Шредингера описывала далеко не все свойства атомов; с ее помощью нельзя было, в частности, правильно объяснить взаимодействие атома с магнитным полем (например, аномальный эффект Зеемана), а также построить теорию сложных атомов. Это было связано главным образом с тем обстоятельством, что в теории Шредин- гера не учитывались релятивистские и спиновые свойства элек* трона. Дальнейшим развитием теории Шредингера явилась реляти- вистская теория Дирака. Уравнение Дирака позволило описать как релятивистские, так и спиновые эффекты электронов. При этом оказалось, что если учет релятивистских эффектов в атомах с одним электроном приводит к сравнительно небольшим коли- чественным поправкам, то при изучении строения атомов с не- сколькими электронами учет спиновых эффектов имеет решаю- щее значение. Только после того как были приняты во внимание спиновые свойства электронов, удалось объяснить правило за- полнения электронных оболочек в атоме и дать периодическому закону Менделеева строгое обоснование. С появлением уравнения Дирака принципиальные вопросы, связанные со строением электронной оболочки атома, можно было считать в основном разрешенными, хотя углубление наших знаний в развитии отдельных деталей должно было продол- жаться. В связи с этим следует заметить, что в настоящее время подробно изучается влияние так называемого электромагнитного и электронно-позитронного вакуумов, а также влияние магнит-* § 1. Введение 13 ных моментов ядер и размеров ядер на энергетические уровни атомов. Помимо атома, квантовая механика нашла свое применение при исследовании простейших молекул, при построении теории твердого тела и даже при объяснении ряда явлений в атомном ядре. В настоящее время продолжает накапливаться обширный экспериментальный материал и начала уже создаваться более общая теория элементарных частиц. Одной из характерных особенностей первого этапа теории элементарных частиц, получившей название квантовой теории поля, является описание взаимной превращаемости элемен- тарных частиц. В частности, по теории Дирака было предска- зано возможное превращение гамма-квантов в пару электрон- позитрон и обратно, что затем было подтверждено экспери- ментально. Таким образом, если в классической теории между светом и электронами было два различия: а) свет — волны, электроны — частицы; б) свет может появляться и поглощаться, число же электронов должно оставаться неизменным, то в квантовой ме- ханике со свойственным ей корпускулярно-волновым дуализмом было стерто первое различие между светом и электронами. Од- нако в ней, так же как и в теории Лоренца, число электронов должно было оставаться неизменным. Только после появления квантовой теории поля, описывающей взаимную превращаемость элементарных частиц, было фактически стерто и второе раз- личие. Поскольку одной из основных задач теоретической физики является изучение реального мира и прежде всего простейших форм его движения, определяющих также и более сложные яв- ления, то естественно, что все эти вопросы всегда связаны с общефилософскими вопросами и, в частности, с вопросом позна- ваемости микромира. Поэтому не удивительно, что многие крупные физики, сделав- шие важнейшие открытия в области физики, пытались вместе с тем интерпретировать эти открытия с той или иной философской точки зрения. К сожалению, предлагавшаяся интерпретация была не у всех удачной. К числу подобных физиков в первую очередь следует отнести Маха и Оствальда. Достаточно сказать, что результаты физических исследований Маха в настоящее время играют иск- лючительно важную роль, например, при изучении движения тел со сверхзвуковыми скоростями. Однако, с другой стороны, Мах, исходя из идеалистической теории принципиальной координации субъекта и объекта, вместе с Оствальдом до конца жизни бо- ролся против атомистической гипотезы, рассматривая ее как ЧАСТЬ Y НЕРЕЛЯТИВИСТСКАЯ КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА нечто искусственное, введенное учеными лишь для удобства по- нимания явлений в микромире. Точно так же известный французский математик и философ А. Пуанкаре, который независимо и почти одновременно с Эйн- штейном сформулировал ряд положений специальной теории от- носительности, в появлении новой физики XX века, в особенно- сти в попытках сведения массы электрона к электромагнитной энергии, усмотрел даже исчезновение материи, т. е. крах мате- риализма. Все эти неправильные методологические выводы, сильно мешавшие пониманию развития современной физики, подверглись резкой критике В. И. Лениным в его известном труде «Материализм и эмпириокритицизм». В. И. Ленин показал, что наше познание природы, существую- щей независимо от сознания субъекта, идет по линии асимпто- тического приближения к истине, и появление новой теории означает не крушение старой, а лишь ее дальнейшее развитие и уточнение, связанное с получением новых экспериментальных фактов. Поэтому новые открытия в области физики, которые огра- ничили применимость механистического мировоззрения, никоим образом не означают краха материализма. Подобного рода не- верные интерпретации были связаны с тем обстоятельством, что физики просто не знали диалектики. Мысль В. И. Ленина о том, что электрон так же неисчер- паем, как и атом, действительно оказалась той путеводной звез- дой, которая указывает единственно правильный путь развитию современной физики элементарных частиц. Поэтому, несмотря на то что квантовая механика, вскрыв многие закономерности микромира, дала в руки исследователей атома неоценимый математический аппарат, ее нельзя рассмат- ривать как теорию, позволяющую абсолютно точно познать все закономерности микромира. Если в рамках квантовой механики какие-то явления остаются необъясненными, то это свидетельствует лишь о том, что должны существовать принципиально новые, более совер- шенные теории, в рамках которых эти факты нашли бы свое объ- яснение.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «НЕРЕЛЯТИВИСТСКАЯ КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА» з дисципліни «Квантова механіка і атомна фізика»
