Квантовий ефект

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

Ква́нтові ефе́кти це явища, які є суто квантово-механічними і не мають аналогів в класичній механіці.

Прикладом квантового ефекту є явище тунелювання, що зводиться до можливості зареєструвати частинку в області, де її повна енергія менша за потенціальну енергію, тобто там де частинка мала б від'ємну кінетичну енергію, що в класичній фізиці неможливо.

Більшість явищ мікросвіту не мають аналогів у класичній фізиці. Класична фізика не може пояснити будову атома, тому атом із його складними хімічними й фізичними властивостями є квантовим явищем.

До квантових ефектів належать надпровідність та надплинність, ефект Джозефсона, дифракція електронів, слабка локалізація, спін та багато-багато інших.

Принцип відповідності[ред. | ред. код]

Квантова механіка будувалася, виходячи з уявлень класичної механіки. Така побудова можлива тільки завдяки тому, що одною із головних засад квантової механіки є принцип відповідності, який вимагає, щоб при переході до розгляду макроскопічних систем закони квантової механіки переходили в закони класичної механіки. При розгляді великих з точки зору квантової механіки систем справедливе квазікласичне наближення, яке можна використати для демонстрації процесу переходу від класичної фізики до квантової. Першим порядком наближення є класичний рух у форму рівняння Гамільтона — Якобі, другий порядок дозволяє врахувати певні квантові поправки і вже може описати явище тунелювання тощо.

Межі квантовості[ред. | ред. код]

Малим параметром квазікласичного наближення є стала Планка. Оскільки стала Планка має розмірність дії, то для визначення меж застосування класичної механіки необхідно порівняти її з якимось параметром або комбінацією параметрів системи, які також мали б розмірність дії.

Характерними величинами класичної фізики, які мають розмірність дії є, наприклад, добуток імпульсу на віддаль. Якщо такий добуток характерного для фізичної системи розміру на характерний імпульс частинок в ній набагато більший за сталу Планка, то рух частинок в такій системі можна розглядати класичиним. Математично ця умова записується

,

де p — імпульс, l — харатерна довжина, h — стала Планка.

Іншою характерною величиною з розмірністю дії є добуток енергії на час. Відповідну умову класичності можна записати у формі

,

де E — характерна для система енергія,  — характерний час, за який відбуваються процеси в цій системі. Квантові ефекти проявляються, коли цей добуток близкий до сталої Планка. Так, наприклад, для кванта світла

,

де  — частота, а T — період коливань електромагнітного поля.

Квантова механіка пояснює принаймні три типи явищ, яких класична механіка та класична електродинаміка не може описати:

1) квантування (дискретизації) деяких фізичних величин;

2) корпускулярно-хвильового дуалізму;

3) існування змішаних квантових станів.

Квантовомеханічні ефекти[ред. | ред. код]

Як зазначалося у вступі до цієї статті, є декілька класів явищ, які є суто квантово-механічними і не мають аналогів в класичній механіці. Іноді їх називають «квантовими ефектами». Перший різновид квантових ефектів — квантування певних фізичних величин. Якщо локалізувати вільну частинку з розглянутого вище прикладу у прямокутній потенціальній ямі — області протору розміром , обмеженій з обох боків нескінченно високим потенціальним бар'єром, то виявиться, що імпульс частинки може мати лише певні дискретні значення , де  — стала Планка, а  — довільне натуральне число. Про параметри, які можуть набувати лише дискретних значень кажуть, що вони квантуються. Прикладами квантованих параметрів є також момент імпульсу, повна енергія обмеженої у просторі системи, а також енергія електромагнітного випромінювання певної частоти.

Наступний квантовий ефект — це принцип невизначеності, який стверджує, що існують фундаментальні перешкоди для точного одночасного вимірювання двох або більшої кількості параметрів системи з довільною похибкою. В прикладі з вільною частинкою, це означає, що принципово неможливо знайти таку хвильову функцію, яка була б власним станом одночасно і імпульса, і координати. З цього і випливає, що координата та імпульс не можуть бути одночасно визначені з довільною похибкою. З підвищенням точності вимірювання координати, максимальна точність вимірювання імпульсу зменшується і навпаки. Ті параметри, для яких таке твердження справедливе, мають назву канонічно спряженими в класичній фізиці.

Ще один квантовий ефект — це корпускулярно-хвильовий дуалізм. Можна показати, що за певних умов проведення експерименту, мікроскопічні об'єкти, такі як атоми або електрони, набувають властивостей частинок (тобто можуть бути локалізовані в певній області простору). За інших умов, ті самі об'єкти набувають властивостей хвиль та демонструють такі ефекти, як інтерференція.

Наступний квантовий ефект — це ефект сплутаних квантових станів. В деяких випадках, хвильова функція системи з багатьох частинок не може бути подана як сума окремих хвильових функцій, які б відповідали кожній з частинок. В такому випадку кажуть, що стани частинок сплутані. І тоді, вимірювання, яке було проведено лише для однієї частинки, матиме результатом колапс загальної хвильової функції системи, тобто таке вимірювання буде мати миттєвий вплив на хвильові функції інших частинок системи, хай навіть деякі з них знаходяться на значній відстані. (Це не суперечить спеціальній теорії відносності, оскільки передача інформації на відстань в такий спосіб неможлива.)