корпускулярно -- волновым дуализмом в квантовой физике состояние частицы описывается при помощи волновой функции ($\psi (\overrightarrow{r},t)$- пси-функция).
Определение 1
Волновая функция -- это функция, которая используется в квантовой механике. Она описывает состояние системы, которая имеет размеры в пространстве. Она является вектором состояния.
Данная функция является комплексной и формально имеет волновые свойства. Движение любой частицы микромира определено вероятностными законами. Распределение вероятности выявляется при проведении большого числа наблюдений (измерений) или большого количества частиц. Полученное распределение аналогично распределению интенсивности волны. То есть в местах с максимальной интенсивностью отмечено максимальное количество частиц.
Набор аргументов волновой функции определяет ее представление. Так, возможно координатное представление: $\psi(\overrightarrow{r},t)$, импульсное представление: $\psi"(\overrightarrow{p},t)$ и т.д.
В квантовой физике целью ставится не точность предсказания события, а оценка вероятности того или иного события. Зная величину вероятности, находят средние значения физических величин. Волновая функция позволяет находить подобные вероятности.
Так вероятность присутствия микрочастицы в объеме dV в момент времени t может быть определена как:
где $\psi^*$- комплексно сопряженная функция к функции $\psi.$ Плотность вероятности (вероятность в единице объёма) равна:
Вероятность является величиной, которую можно наблюдать в эксперименте. В это же время волновая функция не доступна для наблюдения, так как она является комплексной (в классической физике параметры, которые характеризуют состояние частицы, доступны для наблюдения).
Условие нормировки $\psi$- функции
Волновая функция определена с точностью до произвольного постоянного множителя. Данный факт не оказывает влияния на состояние частицы, которую $\psi$- функция описывает. Однако волновую функцию выбирают таким образом, что она удовлетворяет условию нормировки:
где интеграл берут по всему пространству или по области, в которой волновая функция не равна нулю. Условие нормировки (2) значит то, что во всей области, где $\psi\ne 0$ частица достоверно присутствует. Волновую функцию, которая подчинятся условию нормировки, называют нормированной. Если ${\left|\psi\right|}^2=0$, то данное условие означает, что частицы в исследуемой области наверняка нет.
Нормировка вида (2) возможна при дискретном спектре собственных значений.
Условие нормировки может оказаться не осуществимым. Так, если $\psi$ -- функция является плоской волной де-Бройля и вероятность нахождения частицы является одинаковой для всех точек пространства. Данные случаи рассматривают как идеальную модель, в которой частица присутствует в большой, но имеющей ограничения области пространства.
Принцип суперпозиции волновой функции
Данный принцип является одним их основных постулатов квантовой теории. Его смысл в следующем: если для некоторой системы возможны состояния, описываемые волновыми функциями $\psi_1\ {\rm и}\ $ $\psi_2$, то для этой системы существует состояние:
где $C_{1\ }и\ C_2$ -- постоянные коэффициенты. Принцип суперпозиции подтверждается эмпирически.
Можно говорить о сложении любого количества квантовых состояний:
где ${\left|C_n\right|}^2$ -- вероятность того, что система обнаруживается в состоянии, которое описывается волновой функцией $\psi_n.$ Для волновых функций, подчиненных условию нормировки (2) выполняется условие:
Стационарные состояния
В квантовой теории особую роль имеют стационарные состояния (состояния в которых все наблюдаемые физические параметры не изменяются во времени). (Сама волновая функция принципиально не наблюдаема). В стационарном состоянии $\psi$- функция имеет вид:
где $\omega =\frac{E}{\hbar }$, $\psi\left(\overrightarrow{r}\right)$ не зависит от времени, $E$- энергия частицы. При виде (3) волновой функции плотность вероятности ($P$) является постоянной времени:
Из физических свойств стационарных состояний следуют математические требования к волновой функции $\psi\left(\overrightarrow{r}\right)\to \ (\psi(x,y,z))$.
Математические требования к волновой функции для стационарных состояний
$\psi\left(\overrightarrow{r}\right)$- функция должна быть во всех точках:
- непрерывна,
- однозначна,
- конечна.
Если потенциальная энергия имеет поверхность разрыва, то на подобных поверхностях функция $\psi\left(\overrightarrow{r}\right)$ и ее первая производная должны оставаться непрерывными. В области пространства, где потенциальная энергия становится бесконечной, $\psi\left(\overrightarrow{r}\right)$ должна быть равна нулю. Непрерывность функции $\psi\left(\overrightarrow{r}\right)$ требует, чтобы на любой границе этой области $\psi\left(\overrightarrow{r}\right)=0$. Условие непрерывности накладывается на частные производные от волновой функции ($\frac{\partial \psi}{\partial x},\ \frac{\partial \psi}{\partial y},\frac{\partial \psi}{\partial z}$).
Пример 1
Задание: Для некоторой частицы задана волновая функция вида: $\psi=\frac{A}{r}e^{-{r}/{a}}$, где $r$ -- расстояние от частицы до центра силы (рис.1), $a=const$. Примените условие нормировки, найдите нормировочный коэффициент A.
Рисунок 1.
Решение:
Запишем условие нормировки для нашего случая в виде:
\[\int{{\left|\psi\right|}^2dV=\int{\psi\psi^*dV=1\left(1.1\right),}}\]
где $dV=4\pi r^2dr$ (см.рис.1 Из условий понятно, что задача обладает сферической симметрией). Из условий задачи имеем:
\[\psi=\frac{A}{r}e^{-{r}/{a}}\to \psi^*=\frac{A}{r}e^{-{r}/{a}}\left(1.2\right).\]
Подставим $dV$ и волновые функции (1.2) в условие нормировки:
\[\int\limits^{\infty }_0{\frac{A^2}{r^2}e^{-{2r}/{a}}4\pi r^2dr=1\left(1.3\right).}\]
Проведем интегрирование в левой части:
\[\int\limits^{\infty }_0{\frac{A^2}{r^2}e^{-{2r}/{a}}4\pi r^2dr=2\pi A^2a=1\left(1.4\right).}\]
Из формулы (1.4) выразим искомый коэффициент:
Ответ: $A=\sqrt{\frac{1}{2\pi a}}.$
Пример 2
Задание: Каково наиболее вероятное расстояние ($r_B$) электрона от ядра, если волновая функция, которая описывает основное состояние электрона в атоме водорода может быть определена как: $\psi=Ae^{-{r}/{a}}$, где $r$- расстояние от электрона до ядра, $a$ -- первый Боровский радиус?
Решение:
Используем формулу, которая определяет вероятность присутствия микрочастицы в объеме $dV$ в момент времени $t$:
где $dV=4\pi r^2dr.\ $Следователно, имеем:
В таком случае, $p=\frac{dP}{dr}$ запишем как:
Для определения наиболее вероятного расстояния производную $\frac{dp}{dr}$ приравняетм к нулю:
\[{\left.\frac{dp}{dr}\right|}_{r=r_B}=8\pi rA^2e^{-{2r}/{a}}+4\pi r^2A^2e^{-{2r}/{a}}\left(-\frac{2}{a}\right)=8\pi rA^2e^{-{2r}/{a}}\left(1-\frac{r}{a}\right)=0(2.4)\]
Так как решение $8\pi rA^2e^{-{2r_B}/{a}}=0\ \ {\rm при}\ \ r_B\to \infty $, нам не подходит, то отсается:
3. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
3.1.Волновая функция
Всякая микрочастица – это образование особого рода, сочетающее в себе свойства и частицы, и волны. Отличие микрочастицы от волны состоит в том, что она обнаруживается как неделимое целое. Например, никто не наблюдал полэлектрона. В тоже время волну можно разделить на части и затем воспринимать каждую часть в отдельности.
Отличие микрочастицы в квантовой механике от обычной микрочастицы заключается в том, что она не обладает одновременно определенными значениями координат и импульса, поэтому понятие траектории для микрочастицы утрачивает смысл.
Распределение
вероятности нахождения частицы в данный
момент времени в некоторой области
пространства будем описывать волновой
функцией
(x
,
y
,
z
,
t
)
(пси-функция). Вероятность dP
того, что частица находится в элементе
объема dV
,
пропорциональная
и элементу объемуdV
:
dP
=
dV
.
Физический смысл
имеет не сама функция
,
а квадрат ее модуля – это плотность
вероятности. Она определяет вероятность
пребывания частицы в данной точке
пространства.
Волновая функция
является основной характеристикой
состояния микрообъектов (микрочастиц).
С ее помощью в квантовой механике могут
быть вычислены средние значения
физических величин, которые характеризуют
данный объект, находящийся в состоянии,
описываемом волновой функцией
.
3.2. Принцип неопределенности
В классической механике состояние частицы задают координатами, импульсом, энергией и т.п. Это динамические переменные. Микрочастицу описывать такими динамическими переменными нельзя. Особенность микрочастиц состоит в том, что не для всех переменных получаются при измерениях определенные значения. Например, частица не может иметь одновременно точных значений координаты х и компоненты импульсар х . Неопределенность значенийх ир х удовлетворяет соотношению:
(3.1)
– чем меньше неопределенность координаты Δх , тем больше неопределенность импульса Δр х , и наоборот.
Соотношение (3.1) называется соотношением неопределенности Гейзенберга и было получено в 1927 г.
Величины Δх и Δр х называются канонически сопряженными. Такими же канонически сопряженными являются Δу и Δр у , и т.п.
Принцип неопределенности Гейзенберга гласит: произведение неопределенностей значений двух сопряженных переменных не может быть по порядку величины меньше постоянной Планка ħ.
Энергия и время тоже
являются канонически сопряженными,
поэтому
.
Это означает, что определение энергии
с точностью ΔЕ
должно занять интервал
времени:
Δt ~ ħ/ ΔЕ .
Определим значение координаты х свободно летящей микрочастицы, поставив на ее пути щель шириной Δх , расположенную перпендикулярно к направлению движения частицы. До прохождения частицы через щель ее составляющая импульсар х имеет точное значение,р х = 0 (щель перпендикулярна к вектору импульса), поэтому неопределенность импульса равна нулю, Δр х = 0, зато координатах частицы является совершенно неопределенной (рис.3.1).
В
момент прохождения частицы через щель
положение меняется. Вместо полной
неопределенности координатых
появляется неопределенность Δх
, и
появляется неопределенность импульса
Δр
х
.
Действительно, вследствие дифракции имеется некоторая вероятность того, что частица будет двигаться в пределах угла 2φ , гдеφ – угол, соответствующий первому дифракционному минимуму (максимумами высших порядков пренебрегаем, т.к. их интенсивность мала по сравнению с интенсивностью центрального максимума).
Таким образом, появляется неопределенность:
Δр х =р sinφ ,
но sinφ = λ / Δх – это условие первого минимума. Тогда
Δр
х
~рλ/
Δх
,
Δх Δр х ~рλ = 2πħ ≥ħ/ 2.
Соотношение неопределенностей указывает, в какой мере можно пользоваться понятиями классической механики применительно к микрочастицам, в частности, с какой степенью точности можно говорить о траектории микрочастиц.
Движение по траектории
характеризуется определенными значениями
скорости частицы и ее координат в каждый
момент времени. Подставив в соотношение
неопределенностей вместо р
х
выражение для импульса
,
имеем:
–
чем больше масса частицы, тем меньше неопределенности ее координаты и скорости, тем с большей точностью применимы к ней понятия траектории.
Например,
для микрочастицы размером 1·10 -6 м
неопределенности Δх и Δ
выходят за пределы точности измерения
этих величин, и движение частицы
неотделимо от движения по траектории.
Соотношение неопределенностей является фундаментальным положением квантовой механики. Оно, например, позволяет объяснить тот факт, что электрон не падает на ядро атома. Если бы электрон упал на точечное ядро, его координаты и импульс приняли бы определенные (нулевые) значения, что несовместимо с принципом неопределенности. Этот принцип требует, чтобы неопределенность координаты электрона Δr и неопределенность импульса Δр удовлетворяли соотношению
Δr Δp ≥ ħ/ 2,
и значение r = 0 невозможно.
Энергия электрона в атоме будет минимальна при r = 0 и р = 0, поэтому для оценки наименьшей возможной энергии положим Δr ≈ r , Δp ≈ p . Тогда Δr Δp ≥ ħ/ 2, и для наименьшего значения неопределенности имеем:
нас
интересует только порядок величин,
входящих в это соотношение, поэтому
множитель
можно отбросить. В этом случае имеем
,
отсюдар
= ħ/
r
.
Энергия электрона в атоме водорода
(3.2)
Найдем r , при котором энергия Е минимальна. Продифференцируем (3.2) и приравняем производную к нулю:
,
численные
множители в этом выражении мы отбросили.
Отсюда
- радиус атома (радиус первой боровской
орбиты).
Для энергии имеем
Можно подумать, что с помощью микроскопа удастся определить положение частицы и тем самым ниспровергнуть принцип неопределенности. Однако микроскоп позволит определить положение частицы в лучшем случае с точностью до длины волны используемого света, т.е. Δх ≈ λ , но т.к. Δр = 0, то Δр Δх = 0 и принцип неопределенности не выполняется?! Так ли это?
Мы пользуемся светом, а свет, согласно квантовой теории, состоит из фотонов с импульсом р = k /λ . Чтобы обнаружить частицу, на ней должен рассеяться или поглотиться хотя бы один из фотонов пучка света. Следовательно, частице будет передан импульс, по крайней мере достигающей h /λ . Таким образом, в момент наблюдения частицы с неопределенностью координаты Δх ≈ λ неопределенность импульса должна быть Δр ≥ h /λ .
Перемножая эти неопределенности, получаем:
–
принцип неопределенности выполняется.
Процесс взаимодействия прибора с изучаемым объектом называется измерением. Этот процесс протекает в пространстве и во времени. Существует важное различие между взаимодействием прибора с макро- и микрообъектами. Взаимодействие прибора с макрообъектом есть взаимодействие двух макрообъектов, которое достаточно точно описывается законами классической физики. При этом можно считать, что прибор не оказывает на измеряемый объект влияния, либо это влияние мало. При взаимодействии прибора с микрообъектами возникает иная ситуация. Процесс фиксации определенного положения микрочастицы вносит в ее импульс изменение, которое нельзя сделать равным нулю:
Δр х ≥ ħ/ Δх.
Поэтому воздействие прибора на микрочастицу нельзя считать малым и несущественным, прибор изменяет состояние микрообъекта – в результате измерения определенные классические характеристики частицы (импульс и др.) оказываются заданными лишь в рамках, ограниченных соотношением неопределенностей.
3.3.Уравнение Шредингера
В 1926 г. Шредингер получил свое знаменитое уравнение. Это основное уравнение квантовой механики, основное предположение, на котором основана вся квантовая механика. Все вытекающие из этого уравнения следствия согласуются с опытом – в этом его подтверждение.
Вероятностное
(статистическое) истолкование волн де
Бройля и соотношение неопределенностей
указывают, что уравнение движения в
квантовой механике должно быть таким,
чтобы оно позволило объяснить наблюдаемые
на опыте волновые свойства частиц.
Положение частицы в пространстве в
данный момент времени определяется в
квантовой механике заданием волновой
функции
(x
,
y
,
z
,
t
),
а точнее квадратом модуля этой величины.
– это вероятность нахождения частицы
в точкеx
,
y
,
z
в момент времени t
.
Основное уравнение квантовой механики
должно быть уравнением относительно
функции
(x
,
y
,
z
,
t
).
Далее, это уравнение должно быть волновым,
из него должны получить свое объяснение
эксперименты по дифракции микрочастиц,
подтверждающие их волновую природу.
Уравнение Шредингера имеет следующий вид:
.
(3.3)
где
m
– масса частицы,
i
– мнимая единица,
– оператор Лапласа,
,U
– оператор потенциальной энергии
частицы.
Вид Ψ-функции определяется функцией U , т.е. характером сил, действующих на частицу. Если силовое поле стационарно, то решение уравнения имеет вид:
,
(3.4)
где Е – полная энергия частицы, она остается постоянной при каждого состояния, Е= const .
Уравнение (3.4) называется уравнением Шредингера для стационарных состояний. Его еще можно записать в виде:
.
Это уравнение применимо к нерелятивистским системам при условии, что распределение вероятностей не меняется во времени, т.е. когда функции ψ имеют вид стоячих волн.
Уравнение Шредингера можно получить следующим образом.
Рассмотрим одномерный случай – свободно движущуюся частицу по оси х . Ей соответствует плоская волна де Бройля:
,
но
,
поэтому
.
Продифференцируем это выражение поt
:
.
Найдем теперь вторую производную от пси-функции по координате
,
В
нерелятивистской классической механике
энергия и импульс связаны соотношением:
где
Е
– кинетическая энергия. Частица движется
свободно, ее потенциальная энергия U
= 0, и полная Е=Е
k
.
Поэтому
,
– это уравнение Шредингера для свободной частицы.
Если частица движется в силовом поле, то Е – вся энергия (и кинетическая, и потенциальная), поэтому:
,
тогда
получим
,
или
,
и окончательно
Это уравнение Шредингера.
Приведенные рассуждения – не вывод уравнения Шредингера, а пример того, как это уравнение можно установить. Само же уравнение Шредингера постулируется.
В выражении
левая
часть обозначает оператор Гамильтона
– гамильтониан – это сумма операторов
иU
.
Гамильтониан – это оператор энергии.
Подробно об операторах физических
величин будем говорить в дальнейшем.
(Оператор выражает некоторое действие
под функцией ψ
,
которая стоит под знаком оператора). С
учетом сказанного имеем:
.
Физический смысл имеет не сама ψ -функция, а квадрат ее модуля, определяющий плотность вероятности нахождения частицы в данном месте пространства. Квантовая механика имеет статистический смысл. Она не позволяет определить местонахождение частицы в пространстве или траекторию, по которой движется частица. Пси-функция лишь дает вероятность, с какой частица может быть обнаружена в данной точке пространства. В связи с этим пси-функция должна удовлетворять следующим условиям:
Она должна быть однозначной, непрерывной и конечной, т.к. определяет состояние частицы;
Она должна иметь непрерывную и конечную производную;
Функция Iψ I 2 должна быть интегрируема, т.е. интеграл
должен быть конечным, так как он определяет вероятность обнаружения частицы.
Интеграл
,
Это условие нормировки. Оно означает, что вероятность того, что частица находится в какой-нибудь из точек пространства, равна единице.
Экспериментальное подтверждение идеи Луи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, ограниченность применения классической механики к микрообъектам, диктуемая соотношением неопределенностей, а также противоречия ряда экспериментов с применяемыми в начале XX века теориями привели к новому этапу развития квантовой физики – созданию квантовой механики, описывающей законы движения и взаимодействия микрочастиц с учетом их волновых свойств. Ее создание и развитие охватывает период с 1900 г. (формулировка Планком квантовой гипотезы) до 20-х годов XX века и связано, прежде всего, с работами австрийского физика Э. Шредингера, немецкого физика В. Гейзенберга и английского физика П. Дирака.
Необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц является важнейшей отличительной особенностью квантовой теории. Можно ли волны де Бройля истолковывать как волны вероятности, т.е. считать, что вероятность обнаружить микрочастицу в различных точках пространства меняется по волновому закону? Такое толкование волн де Бройля уже неверно, хотя бы потому, что тогда вероятность обнаружить частицу в некоторых точках пространства может быть отрицательна, что не имеет смысла.
Чтобы устранить эти трудности, немецкий физик М. Борн в 1926 г. предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность , а величина , названная амплитудой вероятности и обозначаемая . Эту величину называют также волновой функцией (или -функцией). Амплитуда вероятности может быть комплексной, и вероятность W пропорциональна квадрату ее модуля:
 |
(4.3.1) |
где , где – функция комплексно-сопряженная с Ψ.
Таким образом, описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический , вероятностный характер: квадрат модуля волновой функции (квадрат модуля амплитуды волны де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в момент времени в области с координатами x и dx , y и dy , z и dz .
Итак, в квантовой механике состояние частицы описывается принципиально по-новому – с помощью волновой функции, которая является основным носителем информации об их корпускулярных и волновых
| . | (4.3.2) |
Величина 
(квадрат модуля Ψ-функции) имеет смысл плотности вероятности
, т.е. определяет вероятность нахождения частицы в единице объема в окрестности точки
, имеющей
координаты
x
, y
, z
. Таким образом, физический смысл имеет не сама Ψ-функция, а квадрат ее модуля , которым определяется интенсивность волн де Бройля
.
Вероятность найти частицу в момент времени t в конечном объеме V , согласно теореме о сложении вероятностей, равна:
.
Т.к. определяется как вероятность, то необходимо волновую функцию Ψ представить так, чтобы вероятность достоверного события обращалась в единицу, если за объем V принять бесконечный объем всего пространства. Это означает, что при данном условии частица должна находиться где-то в пространстве. Следовательно, условие нормировки вероятностей:
| (4.3.3) |
где данный интеграл вычисляется по всему бесконечному пространству, т.е. по координатам x , y , z от до . Таким образом, условие нормировки говорит об объективном существовании частицы во времени и пространстве.
Чтобы волновая функция являлась объективной характеристикой состояния микрочастицы, она должна удовлетворять ряду ограничительных условий. Функция Ψ, характеризующая вероятность обнаружения микрочастицы в элементе объема, должна быть:
· конечной (вероятность не может быть больше единицы);
· однозначной (вероятность не может быть неоднозначной величиной);
· непрерывной (вероятность не может меняться скачком).
Волновая функция удовлетворяет принципу суперпозиции: если система может находиться в различных состояниях, описываемых волновыми функциями , , … , то она может находиться в состоянии, описываемом линейной комбинацией этих функций:
где (n = 1, 2, 3…) – произвольные, вообще говоря, комплексные числа.
Сложение волновых функций (амплитуд вероятностей, определяемых квадратами модулей волновых функций) принципиально отличает квантовую теорию от классической статистической теории , в которой для независимых событий справедлива теорема сложения вероятностей.
Волновая функция Ψ является основной характеристикой состояния микрообъектов . Например, среднее расстояние электрона от ядра вычисляется по формуле
,
Постулаты Бора
Планетарная модель атома позволила объяснить результаты опытов по рассеянию альфа-частиц вещества, однако возникли принципиальные трудности при обосновании устойчивости атомов.
Первая попытка построить качественно новую – квантовую – теорию атома была предпринята в 1913 г. Нильсом Бором. Он поставил цель связать в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории Бор положил ядерную модель Резерфорда. Он предположил, что электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам. Движение по окружности даже с постоянной скоростью обладает ускорением. Такое ускоренное движение заряда эквивалентно переменному току, который создает в пространстве переменное электромагнитное поле. На создание этого поля расходуется энергия. Энергия поля может создаваться за счет энергии кулоновского взаимодействия электрона с ядром. В результате электрон должен двигаться по спирали и упасть на ядро. Однако опыт показывает, что атомы – очень устойчивые образования. Отсюда следует вывод, что результаты классической электродинамики, основанной на уравнениях Максвелла, неприменимы к внутриатомным процессам. Необходимо найти новые закономерности. В основу своей теории атома Бор положил следующие постулаты.
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 стационарным орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн.
Этот постулат находится в противоречии с классической теорией. В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантовые значения момента импульса.
Второй постулат Бора
(правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией
равной разности энергий соответствующих стационарных состояний (Еn и Еm – соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения/поглощения).
Переходу электрона со стационарной орбиты под номером m на стационарную орбиту под номером n
соответствует переход атома из состояния с энергией Еm
в состояние с энергией Еn (рис. 4.1).
Рис. 4.1. К пояснению постулатов Бора
При Еn > Еm 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 близлежащую), при Еn < Еm – его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т. е, переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот
квантовых переходов и определяет линейчатый спектр атома.
Теория Бора блестяще объяснила экспериментально наблюдаемый линейчатый спектр водорода.
Успехи теории атома водорода были получены ценой отказа от фундаментальных положений классической механики, которая на протяжении более 200 лет остается безусловно справедливой. Поэтому большое значение имело прямое экспериментальное доказательство справедливости постулатов Бора, особенно первого – о существовании стационарных состояний. Второй постулат можно рассматривать как следствие закона сохранения энергии и гипотезы о существовании фотонов.
Немецкие физики Д. Франк и Г. Герц, изучая методом задерживающего потенциала столкновение электронов с атомами газов (1913г.), экспериментально подтвердили существование стационарных состояний и дискретность значений энергии атомов.
Несмотря на несомненный успех концепции Бора применительно к атому водорода, для которого оказалось возможным построить количественную теорию спектра, создать подобную теорию для следующего за водородом атома гелия на основе представлений Бора не удалось. Относительно атома гелия и более сложных атомов теория Бора позволила делать лишь качественные (хотя и очень важные) заключения. Представление об определенных орбитах, по которым движется электрон в атоме Бора, оказалось весьма условным. На самом деле движение электронов в атоме имеет мало общего с движением планет по орбитам.
В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответить на многие вопросы, касающиеся строения и свойств атомов любых элементов.
5. основные положения квантовой механики:
Волновая функция и ее физический смысл.
Из содержания предыдущих двух параграфов следует, что с микрочастицей сопоставляют волновой процесс, который соответствует ее движению, поэтому состояние частицы в квантовой механике описывают волновой функцией , которая зависит от координат и времени y(x,y,z,t). Конкретный вид y -функции определяется состоянием частицы, характером действующих на нее сил. Если силовое поле, действующее на частицу, является стационарным, т.е. не зависящим от времени, то y -функцию можно представить в виде произведения двух сомножителей, один из которых зависит от времени, а другой – от координат:
В дальнейшем будем рассматривать только стационарные состояния. y-функция является вероятностной характеристикой состояния частицы. Чтобы пояснить это, мысленно выделим достаточно малый объем , в пределах которого значения y-функции будем считать одинаковыми. Тогда вероятность нахождения dW частицы в данном объеме пропорциональна ему и зависит от квадрата модуля y-функции (квадрата модуля амплитуды волн де Бройля):
Отсюда следует физический смысл волновой функции:
Квадрат модуля волновой функции имеет смысл плотности вероятности, т.е. определяет вероятность нахождения частицы в единичном объеме в окрестности точки с координатами х, у, z.
Интегрируя выражение (3.2) по объему, определяем вероятность нахождения частицы в этом объеме в условиях стационарного поля:
Если известно, что частица находится в пределах объема V, то интеграл выражения (3.4), взятый по объему V, должен быть равен единице:
– условие нормировки y-функции.
Чтобы волновая функция являлась объективной характеристикой состояния микрочастиц, она должна быть конечной, однозначной, непрерывной , так как вероятность не может быть больше единицы, не может быть неоднозначной величиной и не может изменяться скачками. Таким образом, состояние микрочастицы полностью определяется волновой функцией. Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в которой волновая функция отлична от нуля.
Обнаружение волновых свойств микрочастиц свидетельствовало о том, что классическая механика не может дать правильного описания поведения таких частиц. Теория, охватывающая все свойства элементарных частиц, должна учитывать не только их корпускулярные свойства, но и волновые. Из опытов, рассмотренных ранее, следует, что пучок элементарных частиц обладает свойствами плоской волны, распространяющейся в направлении скорости частиц. В случае распространения вдоль оси этот волновой процесс может быть описан уравнением волны де Бройля (7.43.5):
(7.44.1)
где – энергия, – импульс частицы. При распространении в произвольном направлении :
(7.44.2)
Назовем функцию волновой функцией и выясним ее физический смысл путём сравнения дифракции световых волн и микрочастиц.
Согласно волновым представлениям о природе света, интенсивность дифракционной картины пропорциональна квадрату амплитуды световой волны. По представлениям фотонной теории, интенсивность определяется числом фотонов, попадающих в данную точку дифракционной картины. Следовательно, число фотонов в данной точке дифракционной картины задаётся квадратом амплитуды световой волны, в то время как для одного фотона квадрат амплитуды определяет вероятность попадания фотона в ту или иную точку.
Дифракционная картина, наблюдаемая для микрочастиц, также характеризуется неодинаковым распределением потоков микрочастиц. Наличие максимумов в дифракционной картине с точки зрения волновой теории означает, что эти направления соответствуют наибольшей интенсивности волн де Бройля. Интенсивность же больше там, где больше число частиц. Таким образом, дифракционная картина для микрочастиц является проявлением статистической закономерности и можно говорить, что знание вида волны де Бройля, т.е. Ψ -функции, позволяет судить о вероятности того или иного из возможных процессов.
Итак, в квантовой механике состояние микрочастиц описывается принципиально по-новому – с помощью волновой функции, которая является основным носителем информации об их корпускулярных и волновых свойствах. Вероятность нахождения частицы в элементе объёмом равна
(7.44.3)
Величина
(7.44.4)
имеет смысл плотности вероятности, т.е. определяет вероятность нахождения частицы в единичном объёме в окрестности заданной точки. Таким образом, физический смысл имеет не сама - функция, а квадрат её модуля , которым задаётся интенсивность волн де Бройля. Вероятность найти частицу в момент времени в конечном объёме , согласно теореме сложения вероятностей, равна
(7.44.5)
Так как частица существует, то она обязательно где-то обнаруживается в пространстве. Вероятность достоверного события равна единице, тогда
. (7.44.6)
Выражение (7.44.6) называется условием нормировки вероятности. Волновая функция , характеризующая вероятность обнаружения действия микрочастицы в элементе объёма, должна быть конечной (вероятность не может быть больше единицы), однозначной (вероятность не может быть неоднозначной величиной) и непрерывной (вероятность не может изменяться скачком).