Возникновение квантовой механики

Квантовая теория атома Нильса Бора

Основываясь на гипотезе Планка Нильс Бор для объяснения движения электрона в атоме сформулировал следующие постулаты:

Ø Электрон в атоме может двигаться только по некоторым устойчивым орбитам без излучения

Ø Излучение (поглощение) энергии происходит при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую

Эти постулаты ниоткуда не следуют, однако, они вполне удовлетворительно объяснили спектры излучения атомов.

В 1923 Бор сформулировал количественно т. н. принцип соответствия, указывающий, когда именно существенны эти квантовые ограничения, а когда достаточна классическая физика. В том же году Бору впервые удалось дать на основе своей модели атома объяснение периодической системы элементов Менделеева. Однако теория Бора содержала внутреннее противоречие в своей основе, поскольку она механически объединяла классические понятия и законы с квантовыми условиями, и не могла считаться удовлетворительной. Кроме того, она была неполной, недостаточно универсальной, так как не могла быть использована для количественного объяснения всего многообразия явлений атомного мира. Такой теорией явилась квантовая механика — теория движения микрочастиц.

Гипотеза Де-Бройля:

электрон тоже представляет собой волну, для которой, по аналогии с фотоном:

Опыты Дэвиссона и Джермера по дифракции электронов от монокристалла никеля подтвердили справедливость этой гипотезы. На примере иллюстрации к опыту Дэвиссона-Джермера разобрать проблему неопределённости координаты и импульса.

Демонстрация: «Стоячие волны на гитаре»

4. Принцип неопределённости Гейзенберга и принцип дополнительности Бора

Соотношение неопределённостей Гейзенберга: ΔxΔp≥ћ/2

Гейзенберг был одним из тех учёных, работы которых сформировали облик физики 20-го столетия. Своим определением измеряемых величин как некоммутирующих операторов он произвёл окончательный перелом в классической физике и положил основу непротиворечивой формулировке квантовой механики. Кроме того, Гейзенберг внёс вклад в ядерную физику (ввёл понятие изоспина) и в физику элементарных частиц. Автор работ по структуре атомного ядра, в которых раскрыт обменный характер взаимодействия нуклонов в ядре, а также работ по релятивистской квантовой механике и единой теории поля — нелинейной теории, ставящей задачей дать единую теорию поля всех существующих физических полей.

В 1925 Г. совместно с Н. Бором разработал матричную механику — первый вариант квантовой механики, давший возможность вычислить интенсивность спектральных линий, испускаемых простейшей квантовой системой — линейным осциллятором. Произвёл квантовомеханический расчёт атома гелия, показав возможность его существования в двух различных состояниях.

В 1927 сформулировал соотношение неопределённостей, выражающее связь между импульсом и координатой микрочастицы, обусловленную её корпускулярно-волновой природой. За достижения в квантовой механике, а именно за количественное объяснение спектра водорода, он получил в 1932 г. нобелевскую премию по физике. В 1933 г. ему присуждена медаль имени Макса Планка.

После начала второй мировой войны он, как и другие физики (напр. Отто Ганн и Карл Вайцзеккер), был призван в армейское оружейное ведомство 3-го рейха. Задачей, в рамках уранового проекта, было поставлено: найти возможность военного применения деления ядра. Но Гейзенберг осознавал, что создать атомную бомбу во время войны не удастся, хотя бы из-за того, что это потребует гигантских денежных затрат, которые Германия во время войны просто напросто не сможет себе позволить, разработка ядерных реакторов потребует на порядки меньше денежных средств и это не связано с оружием массового поражения, поэтому группа ученых во главе с Гейзенбергом и стали заниматься этой проблемой. Существует ошибочное мнение, что Гейзенберг разрабатывал атомную бомбу и поэтому остался в Германии во время войны.

Во времена нацизма Гейзенберг вступил в конфликт с «арийскими физиками», прежде всего с И. Штарком. Они («арийские физики») подвергали нападкам его теории под предлогом того, что они являются теоретическим формализмом и «духом от духа Эйнштейна». И. Штарк опубликовал в 1937 г. в газете СС «Чёрный корпус» статью «Белые евреи в науке», в которой нападал на Гейзенберга.

В сентябре 1941 года Гейзенберг приезжает в оккупированный нацистами Копенгаген. Гейзенберг возглавлял в то время ядерную программу Германии. В датской столице Гейзенберг встречается со старым другом и учителем Бором. Ученые встречались с глазу на глаз, и ничего достоверно не известно о содержании их беседы. После этой встречи от былой дружбы между Бором и Гейзенбергом не осталось и следа. По мотивам этого разговора М. Фрэйн написал в 1998 г. пьесу «Копенгаген», в которой различные размышления о содержании разговора произносятся и анализируются с точки зрения его участников (Гейзенберга, Бора и жены Бора).

После смерти в 1962 году Нильса Бора его близкие дали обещание не опубликовывать его личный архив в течение 50 лет, т.е. до 2012 года Но под давлением известных физиков документы были представлены на 10 лет раньше - в 2002 году. Они выложены на сайте: Архив Нильса Бора в трех видах: факсимиле, текст в печатном виде (на датском), перевод на английский.

Гейзенберг и многие его коллеги были арестованы после войны и провели несколько месяцев в плену в Англии. Позже он стал директором общества Макса Планка по физике и был очень активен как советник по научной политике правительства ФРГ. Гейзенберг был членом Саксонской академии наук в Лейпциге. Лев Ландау считал Гайзенберга первым физиком-теоретиком мира. В апреле 1957 г. Гейзенберг вместе с 17 ядерными физиками Германии выступил против вооружения ядерным оружием армии Германии (см. Гёттингенские восемнадцать).

Среди его трудов не по специальности особенно заметна его автобиография — «Часть и целое. Беседы вокруг атомной физики.» 1969 г. С расстояния почти в 40 лет показывает Гейзенберг, как в результате общения с друзьями учёными (Зоммерфельд, Бор, Паули и мн. др.) возникал его вклад в квантовую механику.

Среди знаменитых учеников Гейзенберга есть физик и философ К. Вайцзеккер, «отец водородной бомбы» Э. Теллер, будущий лауреат нобелевской премии Ф. Блох и химик Ф. Гунд.