Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5  6  7  8 | Следующая страница реферата

E(p) = p2 / 2m - e2p / h.
Легко убедится, что функция E(p) имеет минимум при некотором значении р=р1; обозначим его через Е1. Величину Е1 можно рассматривать как оценку энергии основного состояния атома водорода, а величину r1 = h / p1 – как оценку линейных размеров атома. (в теории Бора это есть радиус первой орбиты).
Приравнивая к нулю производную , находим р1 = me2 / h. Отсюда немедленно получаем искомые оценки: r1 = h2 / me2, E1 = -me4 / 2h2.
Эти оценки полностью совпадают с результатами строгой теории. Конечно, к такому полному совпадению надо относится в известной мере как к случайному успеху. Всерьез здесь следует рассматривать лишь порядок величин.
Подчеркнем, что этот порядок, как мы видим, оценивается весьма просто: достаточно заменить в классическом выражении точными значениями динамических переменных величинами, характеризующими степень «размытия» этих переменных, т.е. их неопределенностями, а затем воспользоваться квантомеханическими соотношениями, связывающими указанные неопределенности.

Оценка энергии нулевых колебаний осциллятора. Будем действовать точно так же, как и в предыдущем примере. Энергия классического одномерного гармонического осциллятора описывается выражением

E = px2 / 2m + mщ2x2 / 2.
Рассматривая px и х как неопределенности импульса и координаты осциллирующего микрообъекта и пользуясь в качестве соотношения неопределенностей равенством pxх = h, получаем

Е(px) = px2 / 2m + mщ2h2 / 2px2 .
Приравнивая к нулю производную , находим величину р0 = mщh, при которой функция Е(px) принимает минимальное значение. Легко убедится, что это значение равно

Е = Е(p0) = hщ.
Этот результат весьма интересен. Он показывает, что в квантовой механике энергия осциллятора не может обратиться в нуль; ее минимальное значение оказывается порядка hщ. Это есть так называемая энергия нулевых колебаний.
Учитывая существование нулевых колебаний, можно прийти, в частности, к следующему интересному заключению: энергия колебательного движения атомов кристалла не обращается в не обращается в нуль даже при температуре абсолютного нуля.

Нулевые колебания иллюстрируют принципиальное общее обстоятельство: нельзя реализовать микрообъект на «дне потенциальной ямы», или, иначе говоря, «микрообъект не может упасть на дно потенциальной ямы». Этот вывод не зависит от вида потенциальной ямы, так как является прямым следствием соотношений неопределенности импульса; в этом случае неопределенность координаты должна стать сколь угодно большой, что противоречит самому факту пребывания микрообъекта в потенциальной яме.

Оценка величины «размытия» края полосы оптического поглощения в эффекте
Франца-Келдыша. Суть эффекта, исследованного в 1958 г. Келдышем и независимо от него Францем, состоит в следующем 6 во внешнем однородном электрическом поле минимум энергии электронов в зоне проводимости в полупроводнике смещается вниз по энергетической шкале, что приводит к
«размытию» края основной полосы оптического поглощения (в результате становится возможным поглощение фотонов, энергия которых меньше ширины поглощенной зоны). Характеризующая указанное «размытие» величина энергетических смещения электронных состояний может быть оценена таким же методом, каким были получены предыдущие оценки. Воспользуемся классическим выражением для энергии заряженной частицы в электрическом поле напряженностью е:

E = px2 / 2m - еex.
Здесь m – эффективная масса электрона в зоне проводимости. Рассматривая px и x как неопределенности импульса и координаты электрона и пользуясь в качестве соотношений неопределенностей равенством pxx = h, получаем

E(px) = px2 / 2m - еeh / px .
Далее, как обычно, приравниваем к нулю производную и находим значение р0 = - еehm, при котором функция Е(px) достигает минимума:

Е0 = 3/2 (еeh)2 / m (еeh)2 / m.
Это выражение как раз и дает оценку величины «размытия» края основной полосы оптического поглощения в эффекте Франца-Келдыша.

Почему электрон не падает на ядро? Постулируя стационарные состояния, теория Бора не объяснила, почему все-таки электрон, двигаясь ускоренно, не излучает и не падает в результате на ядро. Соотношение ДpxДx > h объясняет это обстоятельство. Падение электрона на ядро означало бы, очевидно, существенное уменьшение неопределенности его координаты: если до падения на ядро электрон был локализован в пределах атома, т.е. в области пространства, размеры которого порядка 10-8 см, то после падения на ядро электрон должен будет локализоваться в области с линейными размерами меньше
10-12 см. Более сильная локализация, как мы знаем, микрообъекта в пространстве связана с «размытием» его импульса, поэтому при падении на ядро среднее значение импульса электрона должно возрасти, для чего требуется затрата энергии. Получается, что нужно усилие отнюдь не для того, чтобы «удержать» электрон от падения на ядро, а совсем наоборот – нужно усилие, чтобы заставить электрон локализоваться в пределах ядра.
На примере нулевых колебаний осциллятора отмечалось, что микрообъект в потенциальной яме всегда имеет отличную от нуля минимальную энергию Е0.
Величина Е0 зависит, в частности, от пространственных размеров ямы (от ее ширины а, определяющей степень пространственной локализации микрообъекта).
Учитывая соотношения неопределенностей, легко сообразить, что

Е0 h2 / ma2.
Если а уменьшается, то Е0 растет. При достаточно малом а энергия Е0 может стать больше глубины потенциальной ямы. Ясно, что в такой яме микрообъект вообще не реализуется.
Падение электрона на ядро соответствует уменьшению ширины потенциальной ямы от 10-8 до 10-12 см. При этом минимальная энергия должна возрастать – от 10 до 109 эВ (и больше). В результате минимальная энергия электрона оказывается на несколько порядков больше энергии связи нуклона в атомном ядре. Это значит, что в ядерной потенциальной яме электрон вообще не реализуется, так что никаким образом даже «насильно» нельзя его заставить локализоваться в пределах ядра.
Тем самым не только снимается «проблема падения электрона на ядро», но и решается другой принципиальный вопрос: в состав атомного ядра электроны не входят.

О «траектории» микрообъекта. Чтобы начертить траекторию некоей частицы, надо, строго говоря, для каждого момента времени знать координату и импульс частицы. Поскольку, согласно соотношению неопределенностей ДpxДx > h, микрообъект не может иметь и определенную координату, и определенную соответствующую проекцию импульса, то отсюда следует вывод: понятие траектории к микрообъекту, строго говоря, неприменимо.
Отказ от траектории связан с наличием у микрообъектов волновых свойств, которые не позволяют рассматривать микрообъекты как классические корпускулы. С перемещением микрообъекта вдоль оси х нельзя сопоставлять дифференцируемую функцию х(t), столь широко используемую в механике классических объектов; по известному значению х в некоторый момент t нельзя предсказать значение координаты микрообъекта в момент t+dt.
В применении к теории Бора означенное обстоятельство означает отказ от самого понятия «орбита электрона в атоме». Можно говорить о локализации электрона в пределах атома в целом; орбита же требует существенно большей пространственной локализации. К чему может привести такая локализация, можно почувствовать, обратившись к рассмотренной выше проблеме «падения электрона на ядро». Планетарная модель атома оказалась таким образом, лишь некоторым промежуточным этапом в процессе развития наших представлений об атоме. Много позднее, в 50-е годы, сам Бор, смеясь, вспоминал, как после одной из лекций вышел студент и спросил: «Неужели действительно были такие идиоты, которые думали, что электрон вращается по орбите?»

Существуют, однако, ситуации, в которых понятием «траектория микрообъекта» пользоваться все же допустимо. В качестве примера рассмотрим движение электронов в кинескопе телевизоров. Импульс электрона вдоль оси трубки есть р = 2meU, где U – ускоряющее напряжение. Формирование пучка электронов означает определенную локализацию координаты в поперечном направлении; степень этой локализации характеризуется диаметром пучка d.
Согласно соотношению ДpxДx > h, должна существовать неопределенность импульса электрона в направлении, перпендикулярном оси пучка: Дp h / d.
В силу этой неопределенности электрон может отклонится от оси пучка в пределах угла Ди Дp / p h / pd. Пусть L – длина пути электрона в кинескопе; тогда неопределенность положения точки попадания электрона на экран будет характеризоваться величиной Дx LДи Lh / pd. Полагая
U=20 кВ, d=10-3 см, L=100 см находим отсюда Дx 10-5 см. Таким образом, обусловленное соотношением неопределенностей «размытие» точки попадания оказывается значительно меньше диаметра пучка. Ясно, что в таких условиях движение электрона можно рассматривать классически.

Возможность подбарьерного прохождения микрообъекта (туннельный эффект).
Предположим, что имеется потенциальный барьер, высота которого U больше, чем энергия частицы (рис.4). Поставим вопрос: может ли частица, находясь где-то слева от барьера, оказаться через некоторое время справа от него при условии, что она не получает энергии извне? Классическая механика

дает отрицательный ответ – классическая корпускула не

A U может «пройти» под барьером; если бы это случилось,
E то, например в точке А полная энергия частицы оказалась бы меньшей ее потенциальной энергии, что физически абсурдно.

рис.4 Остается ли этот запрет в силе и для микрообъектов?

Можно показать, что не остается – он снимается соотношением ДEДt > h. Пусть микрообъект движется откуда-то из бесконечности слева и встречается с потенциальным барьером. До этой встречи он находился в состоянии свободного движения сколь угодно долго и поэтому его энергия имела определенное значение. Но вот микрообъект вступает в взаимодействие с барьером, а точнее, с теми объектами, которые обусловили возникновение барьера. Предположим, что взаимодействие длится в течении времени Дt. Согласно соотношению ДEДt > h, энергия микрообъекта в состоянии взаимодействия с барьером уже не будет определенной, а будет характеризоваться неопределенностью ДE > h / Дt. Если эта неопределенность порядка высоты барьера U, то последний перестает быть для микрообъекта непреодолимым препятствием. Итак, микрообъект может «пройти» сквозь потенциальный барьер. Этот специфический квантовый эффект, который называют туннельным эффектом. Он объясняет, в частности, явление б-распада атомных ядер. Подчеркнем, что при рассмотрении туннельного эффекта уже нельзя представлять движение микрообъекта по пунктирной линии, изображенной на рис.4. ведь пунктирная линия соответствует классической траектории, а у микрообъектов траектории нет. Поэтому нет смысла пытаться «уличить» микрообъект в том, что он в какой-то момент времени «оказался под потенциальным барьером».

5. Невозможность классической интерпретации микрообъекта.

Микрообъект не является классической корпускулой. К микрообъектам приводит процесс «раздробления» окружающих нас тел на все более и более мелкие «частички». Поэтому вполне естественно, что микрообъекты ассоциируются прежде всего с корпускулами. Этому способствует и тот факт, что большинству микрообъектов характерна определенная масса покоя и определенные заряды. Бессмысленно говорить, например, о половине электрона, обладающей половинной массой и половинным электрическим зарядом целого электрона. в самих терминах «микрочастица», «элементарная частица» отражено представление о микрообъекте как о некоей частице (корпускуле).
Однако как это следует из предыдущего рассмотрения, микрообъект весьма существенно отличается от классической корпускулы. Прежде всего, он не имеет траектории, являющейся неизменным атрибутом классической корпускулы.
Использование при рассмотрении микрообъекта таких корпускулярных характеристик, как координата, импульс, момент, энергия, ограничивается рамками соотношений неопределенностей. Взаимопревращения микрообъектов, самопроизвольные распады, наличие специфического неуничтожаемого собственного момента (спина), способность проходить сквозь потенциальные барьеры – все это свидетельствует о том, что микрообъекты совершенно не похожи на классические корпускулы.

Корпускулярным представлениям противостоят волновые представления.
Неудивительно поэтому, что разительное отличие микрообъектов от классических корпускул объясняют наличием у них волновых свойств, тем более, микрообъекты что именно с волновыми свойствами связаны соотношения неопределенностей и все вытекающие отсюда следствия. Весьма показательно в этом отношении следующее замечание де Бройля: «В оптике в течении столетия слишком пренебрегали корпускулярным способом рассмотрения по сравнению с волновым. Не делалась ли в теории материи обратная ошибка? Не думали ли мы слишком много о картине «частиц» и не пренебрегали ли чрезмерно картиной волн?». Вопрос, поднятый де Бройлем, совершенно уместен. Однако следует опасаться чрезмерного увеличения волнового аспекта при рассмотрении микрообъектов. Необходимо помнить, что, если, с одной стороны, микрообъект не является классической корпускулой, то точно так же, с другой стороны, он не является и классической волной.

Микрообъект не является классической волной. Весьма поучителен анализ одной из поныне довольно распространенной ошибки, допускаемой при упрощенном рассмотрении квантовой механики. Продемонстрируем эту ошибку на двух примерах.
Первый пример. Утверждается, что волновые свойства электрона позволяют вывести условие квантования момента, которое в теории Бора постулируется.
Этот «вывод» делают следующим образом. Пусть 2rnр – длина n-ной боровской орбиты. По орбите движется электрон с дебройлевской длиной волны лn
= = 2рh / pn. Основное предположение состоит в том, что на длине орбиты должно укладываться n-раз длина волны электрона лn. Следовательно, 2rnр = nлn. Отсюда немедленно получается искомое условие квантования момента: pnrn = nh.
Второй пример. Утверждается, что волновые свойства электрона позволяют вывести формулу для энергетических уровней в потенциальной яме, если предположить, что различным стационарным состояниям отвечает определенное число полуволн де Бройля, укладывающееся на ширине ямы (по аналогии с числом полуволн, укладывающихся на длине струны, закрепленной на концах).
Обозначая через а ширину одномерной прямоугольной потенциальной ямы, записывают а = nлn / 2, откуда немедленно приходят к искомому результату:

En = n2р2h2 / 2ma2.
Оба конечных результата правильны, они следуют также из строгой теории.
Однако продемонстрированный здесь «вывод» этих результатов надо признать несостоятельным. В обоих случаях допущена одна и та же принципиальная ошибка: в основу положено неверное предположение, будто электрон в потенциальной яме имеет определенную длину волны де Бройля, или, иначе говоря, определенный импульс. Однако, согласно соотношению ДpxДx > h, импульс микрообъекта в связанном состоянии характеризуется неопределенностью Дp > h / а. Поскольку в приведенных выше примерах
Дp h / л h / a, то следовательно, импульс по порядку величины такой же, как и диктуемая соотношением ДpxДx > h неопределенность импульса. Ясно, что в таких условиях нельзя говорить о каком-то значении импульса электрона (а соответственно, и его дебройлевской длины волны) даже приблизительно.
Приведенные примеры явно демонстрируют преувеличение волнового аспекта.
Отождествление находящегося в потенциальной яме электрона с классической волной внутри некоего «резонатора» неправомерно. Образ электронной волны в
«резонаторе» есть такое же упрощение, как и образ электрона-шарика, движущегося по классической орбите. Следует знать, что под термином
«дебройлевская волна» отнюдь не скрывается какая-то классическая волна. Это всего лишь отражение в наших представлениях факта наличия у микрообъекта волновых свойств.

Попытки представить микрообъект как симбиоз корпускулы и волны. Если микрообъект не является ни корпускулой, ни волной, то, может быть, он представляет собой некий симбиоз корпускулы и волны? Предпринимались различные попытки модельно изобразить такой симбиоз и тем самым наглядно смоделировать корпускулярно-волновой дуализм. Одна из таких попыток связана с представлением микрообъекта как волнового образования, ограниченного в пространстве и во времени. Это может быть волновой пакет, о котором мы уже говорили. Это может быть и просто «обрывок» волны, называемый обычно волновым цугом. Другая попытка связана с использованием модели волны- пилота, согласно которой микрообъект есть некое «соединение» корпускулярной
«сердцевины» с некоторой волной, управляющей движением «сердцевины».
Один из вариантов модели волны-пилота рассмотрен в книге Д. Бома:
«Сначала постулируем, что с частицей (например, электроном) связано «тело», занимающее малую область пространства; в большинстве применений на ядерном уровне его можно рассматривать как материальную точку. В качестве следующего шага предположим, что с «телом» связана волна, без которой тело не обнаруживается. Эта волна представляет собой колебания некоего нового поля (ш-поля), до некоторой степени похожего на гравитационное и электромагнитное, но имеющее свои собственные характерные черты. Далее предполагаем, что ш-поле и «тело» взаимодействуют. Это взаимодействие должно будет приводить к тому, что «тело» будет стремится находится в области, где интенсивность ш-поля имеет наибольшее значение. Осуществлению этой тенденции движения электрона мешают неупорядоченные движения, испытываемые телом, которые могли бы возникнуть, например, в следствие флуктуаций самого ш-поля. Флуктуации вызывают тенденцию блуждания «тела» по всему доступному ему пространству. Но осуществлению этой тенденции мешает наличие «квантовой силы» которая устремляет «тело» в области, где интенсивность ш-поля наиболее высока. В итоге получим какое-то распределение «тел», преобладающее в областях с наибольшей интенсивностью ш- поля.»
Не исключено, что подобные модели могут показаться с первого взгляда привлекательными – хотя бы в силу своей наглядности. Однако необходимо сразу же подчеркнуть – все эти модели не состоятельны. Мы не будем выявлять, в чем именно заключается несостоятельность рассмотренной модели волны-пилота; отметим лишь громоздкость этой модели, использующей такие искусственные понятия, как «ш-поле», которое «до некоторой степени походе на гравитационное и электромагнитное», или «квантовая сила», отражающая взаимодействие некоего «тела» с ш-полем. Однако несостоятельность подобных моделей объясняется не частными, а глубокими, принципиальными причинами.
Следует заранее признать безуспешной всякую попытку буквального толкования корпускулярно-волнового дуализма, всякую попытку каким-то образом смоделировать симбиоз корпускулы и волны. Микрообъект не является симбиозом корпускулы и волны.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: доклад на тему язык, конспекты старшая группа.





Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5  6  7  8 | Следующая страница реферата