Історія квантової механіки

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Історія квантової механіки — фундаментальна частина історії сучасної фізики .

Історія квантової механіки переплітається з історією квантової хімії. Вона почалася з ряду наукових відкриттів: відкриття Майклом Фарадеєм катодних променів у 1838 році  ; заява Густава Кірхгофа про проблему випромінювання чорних тіл взимку 1859–60рр.; пропозиція Людвіга Больцмана 1877 року про те, що енергетичні стани фізичної системи можуть бути дискретними ; відкриття фотоефекту Генріхом Герцем у 1887 р .; і квантову гіпотезу Макса Планка1900 року про те, що будь-яку енергетично випромінюючу атомну систему теоретично можна розділити на ряд дискретних "енергетичних елементів" ε , так що кожен з цих енергетичних елементів пропорційний частоті ν, з якою кожен з них окремо випромінюють енергію, Це визначається формулою:

де h - константа Планка , яка має числове значення.

У 1905 р Альберт Ейнштейн .,щоб пояснити фотоефект, запропонувавпостулат, що саме світло складається з окремих квантових частинок. В 1926 р. Гілберт Н. Льюїс назвав ці частинки фотонами. Фотоелектричний ефект спостерігався при сяючому світлі певних довжин хвиль на певних матеріалах, таких як метали, що спричиняло викидання електронів з цих матеріалів лише в тому випадку, якщо квантова енергія світла була більшою за робочу функцію поверхні металу.

Фраза "квантова механіка" була придумана групою фізиків, включаючи Макса Борна, Вернера Гайзенберга та Вольфганга Паулі, в Геттінгенському університеті на початку 1920-х років.У наступні роки ця теоретична основа почала поступово застосовуватися до хімічної структури, реакційної здатності та зв’язку .

Огляд[ред. | ред. код]

Діаграма Людвіга Больцмана про молекулу I 2 , запропонована в 1898 р., Що показує атомну "чутливу область" (α, β) перекриття.

Людвіг Больцман в 1877 р. припустив, що енергетичні рівні фізичної систем можуть бути дискретними . Він був засновником Австрійського математичного товариства разом із математиками Густавом фон Ешеріхом та Емілем Мюллером . Обгрунтування Больцмана щодо наявності дискретних енергетичних рівнів у молекулах, таких як йод, походить від його статистичної термодинаміки та теорії статистичної механіки і підкріплюється математичними аргументами.

У 1900 р. Німецький фізик Макс Планк висунув ідею, що енергія квантується. Він вивів формулу спостережуваної частотної залежності енергії, що випромінюється чорним тілом, яка називається законом Планка.[1] Його можна сформулювати так: де:

I ( ν, T ) - енергія за одиницю часу (або потужність ), випромінювана на одиницю площі випромінюючої поверхні в нормальному напрямку на одиницю твердого кута на одиницю частоти чорним тілом при температурі T ;
h - постійна Планка ;
c - швидкість світла у вакуумі;
k - постійна Больцмана ;
ν ( nu ) - частота електромагнітного випромінювання; і
Т - температура тіла в кельвінах .

Якщо припустити, що , можна отримати із закону Планка наближення Відня , .

В 1911–1913 рр. застосування квантової теорії Планка до електрона дозволило Штефану Прокопіу , а згодом Нільсу Бору в 1913 р. , обчислити магнітний момент електрона, який пізніше був названий « магнітоном» . Подібні квантові обчислення згодом стали можливими як для магнітних моментів протона, так і для нейтрона.

Фотоелектричний ефект
Випромінювання електронів з металевої пластини, спричинене світловими квантами (фотонами) з енергією, більшою за робочу функцію металу.
Фотоелектричний ефект, про який повідомив Генріх Герц у 1887 році ,
і пояснив Альберт Ейнштейн у 1905 році .
Явища низької енергії: Фотоелектричний ефект
Явища середньої енергії: комптонівське розсіювання
Явища високої енергії: Виробництво пар

У 1905 році Альберт Ейнштейн пояснив фотоефект. Він висунув постулат, що світло, або все електромагнітне випромінювання, можна розділити на кінцеве число "квантів енергії", які є локалізованими точками у просторі.

Гілберт Н. Льюїс в 1926 році такі кванти енергії називали " фотонами ". Ідея, що кожен фотон повинен складатися з енергії з точки зору квантів, була чудовим досягненням; це також ефективно вирішило проблему випромінювання чорного тіла, що набуває нескінченної енергії, що відбулося теоретично, якщо світло пояснювати лише термінами хвиль. У 1913 році, використовуючи квантування, Бор пояснив спектральні лінії атома Гідрогену.Це він описав у своїй роботі " Про конституцію атомів і молекул" 1913 року. .

Зі зниженням температури пік кривої випромінювання чорного тіла зміщується на довші довжини хвиль, а також має меншу інтенсивність. Криві випромінювання чорного тіла (1862) зліва також порівнюються з ранньою, класичною граничною моделлю Релея та Джинса (1900), показаною праворуч. Короткохвильова сторона кривих була апроксимована в 1896 році законом розподілу Відня .
Квантова модель атома Нільса Бора 1913 р., Яка включала пояснення формули Йоганнеса Ридберга 1888 р., Квантову гіпотезу Макса Планка 1900 р., Тобто, що атомні енергетичні випромінювачі мають дискретні значення енергії ( ε = hν ), Дж. Дж. Модель сливового пудингу Томсона 1904 р., Постулат легких квантів Альберта Ейнштейна 1905 р. Та відкриття атомного ядра Ернестом Резерфордом 1907 р. Зверніть увагу, що електрон не рухається вздовж чорної лінії, випромінюючи фотон. Він стрибає, зникаючи з зовнішньої орбіти і з’являючись на внутрішній, і не може існувати в просторі між орбітами 2 і 3.

У 1923 році французький фізик Луї де Бройль висунув свою теорію речовинних хвиль Він заявив, що частинки можуть проявляти хвильові характеристики і навпаки. Ця теорія виведена із спеціальної теорії відносності . Сучасна квантова механіка, спираючись на підхід де Бройля, народилася в 1925 році, коли німецькі фізики Вернер Гейзенберг,Паскуаль Йордан та Макс Борн [2] [3] розробили матричну механіку. Австрійський фізик Ервін Шредінгер винайшов хвильову механіку та нерелятивістське Рівняння Шредінгера як наближення узагальненого випадку теорії де Бройля. [4] Згодом Шредінгер показав, що два підходи рівнозначні.

В 1927 році Гейзенберг сформулював свій принцип невизначеності. В той же час почала формуватисякопенгагенська інтерпретація. Починаючи з 1927 року, Пол Дірак розпочав процес об'єднання квантової механіки зі спеціальною теорією відносності. Він запропонував рівняння Дірака для електрона . Рівнянням Дірака досягається релятивістський опис хвильової функції електрона. .Він також започаткував використання теорії операторів, включаючи впливові позначення брекет-систем. У той же період угорський багатозначник Джон фон Нейман сформулював сувору математичну основу квантової механіки як теорію лінійних операторів на просторах Гільберта.

Кквантову хіміїю започаткували фізики Уолтер Хайтлер та Фріц Лондон, коли опублікували дослідження ковалентного зв'язку молекули водню в 1927 році. Згодом квантова хімія розробляли багато вчених, включаючи американського хіміка-теоретика Лінуса Полінга з Caltech та Джона С. Слейтера в різних теоріях, такі як молекулярна орбітальна теорія або теорія валентності.

Починаючи з 1927 року, дослідники намагалися застосувати квантову механіку до полів, що призвело до квантових теорій полів У цій галузі працювали П. А. Дірак, В. Паулі, В. Вайскопф та П. Йордан . Дослідження завершилися формулюванням квантової електродинаміки Р. П. Фейнманом, Ф. Дайсоном, Дж. Швінгером та С. Томонага. Квантова електродинаміка описує квантову теорію позитронів, електронів та електромагнітного поля і послужила моделлю для подальших теорій квантового поля . [2] [3] [5]

Теорія квантової хромодинаміки була сформульована на початку 1960-х років. Сучасна теорія квантової хромодинаміки була сформульована Політцером, Гроссом та Вільчеком у 1975 році.

Фізики Глашоу, Вайнберг і Салам, спираючись на роботи Хіггса, Швінгера, і Голдстоуна, незалежно один від одного показали, що слабку ядерну силу та квантову електродинаміку можна об'єднати в єдину електрослабку силу. За що в 1979 р. вони отримали Нобелівську премію з фізики .

Засновницькі експерименти[ред. | ред. код]

Посилання[ред. | ред. код]

  1. M. Planck (1914). The theory of heat radiation, second edition, translated by M. Masius, Blakiston's Son & Co, Philadelphia, pp. 22, 26, 42–43.
  2. а б David Edwards,The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics, Synthese, Volume 42, Number 1/September, 1979, pp. 1–70.
  3. а б D. Edwards, The Mathematical Foundations of Quantum Field Theory: Fermions, Gauge Fields, and Super-symmetry, Part I: Lattice Field Theories, International J. of Theor. Phys., Vol. 20, No. 7 (1981).
  4. Hanle, P.A. (December 1977). Erwin Schrodinger's Reaction to Louis de Broglie's Thesis on the Quantum Theory.. Isis 68 (4): 606–09. doi:10.1086/351880. 
  5. S. Auyang, How is Quantum Field Theory Possible?, Oxford University Press, 1995.
  6. The Davisson–Germer experiment, which demonstrates the wave nature of the electron

Подальше читання[ред. | ред. код]

Зовнішні посилання[ред. | ред. код]