Приглашаем посетить сайт
Квантовая теория
Квантовая теория
Другой путь исследований - изучение взаимодействия материи и радиации. Термин «квант» связывают с именем М. Планка (1858-1947). Это проблема «черного тела» (абстрактное математическое понятие для обозначения объекта, аккумулирующего всю энергию и превращающего ее в тепло). Функция, выражающая энергию абсолютно «черного тела», изменяющего температуру, оказалась несовместимой с термодинамикой, а значит, и классической механикой.
Решение Планка состояло в гипотезе, что энергия выделяется и аккумулируется материей не в форме непрерывной радиации, а только множеством порций определенного количества, пропорционального частоте радиации v и некой постоянной h (постоянная Планка). Количество hv названо «квантом энергии», а постоянная h - «квантом действия». Интересно с концептуальной точки зрения то, что Планк (как и Эйнштейн) не пытался согласовать свое открытие с экспериментальной очевидностью. Именно Эйнштейн дал первое обоснование теории Планка Он предположил, что любая радиация квантуется. Частицу, соответствующую радиации с частотой v, имеющую энергию hv и количество движения h v/с, назвали фотоном. Так фотоэлектронный эффект был вписан в общую теорию и ею подтвержден.
В 1923 г. решена аналогичная проблема относительно испускания электронами гамма-лучей (эффект Комптона). Изучение структуры атома начато Томсоном (1856-1940) в 1897 г. с открытия электрона, заряд которого был определен в 1911 г. Р. Милликеном (1868-1953). Были предложены две различные модели. Согласно первой (Пер-рен), атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны (1901). Согласно второй (Кельвин), в положительно заряженном атоме электроны находятся в условиях равновесия (1902). Мы перед лицом двух соперничающих теорий - ядерной и неядерной. Первая теория победила благодаря историческому эксперименту Резерфор-да (1871-1937) с пучком частиц (ядер гелия) и тончайшей золотой пластинкой.
Ситуацию с электронами попытался прояснить Н. Бор (1885- 1962). Он предположил, что электроны вращаются по круговым орбитам, рассчитываемым согласно законам энергетического квантования, и атомы принимают и испускают энергию с помощью электронов, прыгающих с одной орбиты на другую. Эта модель была усовершенствована Зоммерфельдом (1868-1951).
Первые подтверждения и частичные фальсификации были получены из спектроскопии. Однако опыты Штерна и Герлаха укрепили теорию Бора. Ясно, что эти идеи не могут не контрастировать с идеями Максвелла для макроскопических явлений. Но сам Н. Бор в 1916 г. во избежание потенциального противоречия предложил считать теорию Максвелла статическим описанием поведения большого числа элементарных компонентов. Это первая формулировка «принципа соответствия», ключевого для понимания и применения квантовой теории. Ситуация не слишком отличалась от характерной для прошлого века попытки преодолеть разрыв между макроскопической термодинамикой и микроскопической классической механикой.
В 1924 г. Луи де Бройль предположил, что каждой электромагнитной волне соответствует частица, и наоборот, любой частице с массой покоя т0 и скоростью v соответствует волна длиной Х = h/m (0). Так было положено начало волновой механике. Основываясь на все более широкой экспериментальной базе, Бор предложил рассматривать каждый феномен в двух аспектах - корпускулярном и волновом, считая оба истинными и взаимодополняющими. Принцип дополнительности был сформулирован В. Гейзенбергом (1901- 1976), установившим точные пределы возможно одновременного определения величин, относящихся к двум дополнительным аспектам. Из принципа дополнительности следовало, например, что нельзя одновременно и точно определить импульс и координаты частицы. Волновая механика была систематизирована Шрёдингером (1887-1961) и М. Борном (1882-1960).
В книге «Логика научного открытия» Поппер, характеризуя этот тип концепций, заметил, что он накладывает принципиальные ограничения на возможности научного познания (подобно пределу, налагаемому скоростью света). Стало очевидным, что движение вперед теперь невозможно, если не поставить задачу выхода за пределы достигнутых рубежей. Для физической теории настал период «нормальной» науки, хотя скорее с двумя парадигмами, чем с одной.