Квантово-механические принципы строения вещества

Квантовая механика.

Это наука о строении и свойствах микрочастиц и их систем (элементарных частиц, ядер, атомов и молекул), об их превращениях и связанных с ними явлениях. Квантовая механика дает исчерпывающее принципиальное объяснение атомных и молекулярных явлений.

Специфика квантовой механики как науки сводится к тому, что в ней используют:

• • понятия, некоторые из которых не имеют аналогий в макромире;
• • более общие законы, частными случаями которых являются законы классической механики макромира;
• • сложный математический аппарат.

Корпускулярно-волновой дуализм.

Для объяснения этой теории необходимо вспомнить классические определения понятий «частица» и «волна».

Частица (корпускула) — это сосредоточение вещества в малой части пространства. Движение частицы характеризуется траекторией (координатами) и скоростью в каждый момент времени.

Волна — это процесс, занимающий значительный объем трехмерного пространства и развивающийся во времени, чаще всего как периодический процесс. Характеристиками волны являются ее длина, частота, скорость движения, амплитуда и знак амплитуды.

Л. де Бройль в 1924 г. предположил, что все тела в природе обладают одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Уравнение де Бройля отражает этот дуализм (двойственность):

где X — длина волны; h — постоянная Планка; т — масса частицы; v — скорость частицы.

Это уравнение объединяет характеристику волнового процесса (длину волны) и характеристику корпускулярного движения (импульс mv).

В макромире корпускулярно-волновой дуализм незаметен — движение тел описывается как движение частиц. Причина этого в том, что постоянная Планка очень мала {h — = 6,62−10 ³⁴ Джс), поэтому длины волн оказываются соизмеримыми с размерами частиц только в микромире. Например, электрон атома водорода движется с такой скоростью, что его длина волны равна 332 пм, а радиус атома водорода равен 52,9 пм, поэтому электрон в атоме водорода проявляет волновые свойства. Напротив, нуля массой 9 г, вылетающая из ствола со скоростью 1000 м/с, обладает X = 3,3 • 1(Г⁶ пм, при размере около 1 см (Ю¹⁰ пм). В размере пули уместится около 10¹⁶ длин волн. Иначе говоря, волны всегда будут оставаться внутри пули, они никак не будут проявляться, и пуля будет двигаться как частица.

Корпускулярно-волновой дуализм был подтвержден экспериментально интерференцией и дифракцией электронов, протонов, нейтронов, атомов, а также корпускулярным поведением фотонов.

Принцип неопределенности. В классической физике предполагается, что координату х и скорость v частицы можно определить с любой точностью, т. е. погрешности их определения Ах и Av могут быть сколь угодно малы. В. Гейзенберг (1927) установил, что для частиц микромира это неверно. Координата и скорость всегда имеют погрешности определения, которые связаны соотношением Гейзенберга:

где Ах — погрешность определения координаты х; Av_x — погрешность определения составляющей скорости вдоль оси х, т — масса частицы; h — постоянная Планка.

Из соотношения (9.2) следует, что координата и скорость для микрочастиц обладают некоторыми неопределенностями, они как бы размыты.

Принцип неопределенности означает, что движение микрочастиц нельзя характеризовать траекторией как точной линией. Движение электрона в атоме нельзя рассматривать как движение точечного заряда, но строго определенной замкнутой траектории — орбите.