Өрістің Кванттық Теориясы

Өрістің Кванттық Теориясы

Қазiргi физиканың өрiстерi.

Өрістің Кванттық Теориясы– еркіндік дәрежесінің саны шексіз көп болатын физикалық жүйенің релятивистік кванттық теория. Өрістің кванттық теориясы элементар бөлшектер физикасының негізгі аппараты болып табылады. Бұл теорияда әрбір өрісті бөлшектер коллективімен, әрбір бөлшектер жиынтығын өріске теңеп сипаттайды. Осы бөлшектердің өзара әсерлесуінен жаңа бөлшектер туып немесе бөлшектер жойылып жатады. Ең алғашқы мұндай процеске электрмагнит өрісінің (оның бөлшектерінің) сәуле шығарып немесе жұтылуы жатады. Сондықтан алғашқы өрістің кванттық теориясын кванттық электрдинамика деп атады. Ол электрондар мен фотондардыңәсерлесу теориясы. Өрістің кванттық теориясын жасаудағы алғашқы қадамның бірі Фермидің 1934 жылы құрған b-ыдырау теориясы болды. Өрістің кванттық теориясында барлық физикалық өрістер бөлшектердің толқындық функциясынан құрылған операторлармен және солардың арасындағы орын ауыстыру қатынастарымен сипатталады. Бұл оператордан құралған бас бөлшектер энергиясы мен олардың әсерлесу энергия операторлары мынадай түрлендіруге инвариантты болу керек: 
1) Лоренц түрлендіруі; 
2) СРТ – түрлендіруі; 
3) колибрлік түрлендіруі; 
4) Эрмиттілігі. 
Теорияның негізгі теңдеулері көбінесе әсерлесу энергиясын бос бөлшектер энергиясынан өте аз деп есептейтін жуықтау теориясында ғана шешіледі. Бұл теория шашырау матрицасын кез келген жуықтауда есептеуге мүмкіндік береді. Бірақ, жоғары жуықтау мүшелерін есептегенде үлкен қиындықтар кездеседі. Ол мүшелердің қорытындылары шексізге ұмтылып, оның мағынасы жойылады. Қазіргі кезде ол қиындықтан шығу жолдары жасалды. Бұл әсіресе кванттық электрдинамикада іске асты. Бірақ бұл жол күшті әсерлесетін (нуклондар, мезондар) бөлшектердің динамик. қасиеті үшін тіптен үйлеспейтін болып шықты. Сондықтан өрістің кванттық теориясында да әзірге шешілмеген мәселелер бар. Сондықтан бұл теорияны толығымен құрылып бітті деп айтуға болмайды. Дегенмен Өрістің кванттық теориясында электр бөлшектердің қасиеті туралы көптеген жаңа, пайдалы қатыстар және тәжірибемен сәйкес келетін дәл есептеулер жасалды. Осы кезде бұл теорияның негізін құрайтын қағидалардың дұрыстығына дәл көз жеткізу қиын.

Кванттық  механика

Уикипедия — ашық энциклопедиясынан алынған мәлімет

Кванттық  механика, толқындық механика – микробөлшектердің (элементар бөлшектердің, атомдардың,молекулалардың, атом ядроларының) және олардың жүйелерінің (мысалы, кристалддардың) қозғалу заңдылықтарын анықтайтын, сондай-ақ, бөлшектер мен жүйелерді сипаттайтын физикалық шамалардымакроскопиялық тәжірибеде тікелей өлшенетін шамалармен байланыстыратын теория.

Ол өрістің кванттық теориясында, кванттық химияда, кванттық статистикада, т.б. қолданылады. Кванттық механикабейрелятивистік (жарық жылдамдығымен салыстырғанда төмен жылдамдықтағы с) және релятивистік(жарық жылдамдығымен салыстыруға болатын жоғары жылдамдықтағы с) болып бөлінеді.

Бейрелятивистік кванттық механика (өзінің қолданылу аймағындағы Ньютон механикасы сияқты) – толық аяқталған, қайшылықтары жоқ, өз саласында кез  келген есептерді шешуге мүмкіндігі бар теория. Керісінше, релятивистік кванттық механиканы мұндай теория қатарына жатқызуға болмайды. Классикалық  механика кванттық механиканың жуықталған дербес түрі болып саналады.

20 ғасырдың бас кезінде классикалық физикада түсінік таппаған бірнеше құбылыстар (қызған дененің сәуле шығаруы, фотоэффект, Резерфорд атомының орнықтылығы, т. б.) тәжірибе жүзінде ашылды. Тәжірибеде қызған денеден шыққан сәуле қарқындылығының (интенсивтігінің) максимумы әр уақытта белгілі бір толқын ұзындығына сәйкес келетіндігі және ол максимум температура жоғарылаған сайын [[қысқа толқындар[[ жағына ығысатындығы байқалады. Мысалы, қызған темірдің түсі күрең қызылдан бастап, температура жоғарылаған сайын ашық түске боялып, соңынан ағарып кетеді. Демек температура жоғарылаған сайын қысқа толқынды жарық сәулесінің спектрдегі үлесі артады. Классиклық физика жылулық сәуле шығарудың спектрінде байқалатын заңдылықты мүлдем түсіндіре алмады. Оған себеп классиклық физика бойынша қызған дене әр уақытта қысқа толқынды сәуле шығаруға тиіс. Сонымен қатар классиклық физика тұрғысынан түсінік таппаған тағы бір құбылыс –фотоэффект құбылысы. Бұл құбылыс кезінде зат бетіне түскен сәуле, одан электрондар бөліп шығарады; ұшып шыққан электрондардың энергиясы зат бетінде жұтылған сәуленің қарқындылығына байланысты болмай, оның жиілігіне тәуелді болуы түсініксіз болды. Егер түскен сәуленің жиілігі белгілі бір шамадан кем болса, онда жарықтың қарқындылығы қаншалықты артқанымен, электрондар заттан сыртқа қарай ұшып шыға алмайды. Ал классиклық физика тұрғысынан электрондардың энергиясы жарықтың қарқындылығына, яғни затқа түскен сәуле толқынының энергиясына байланысты болуы керек. Жылулық сәуле шығару және фотоэффект құбылыстарын түсіндіру нәтижесінде жаңа теорияның, яғни кванттық механиканың негізі қаланды. Кванттық ұғымдарды (қараңызКвант) алғаш рет 1900 жылы М. Планк қызған денелердің жылулық сәуле шығаруын толық түсіндіретін еңбектерінде (теориясында) жариялады. Бұл теория бойынша жарық үздіксіз түрде емес (классикалық теориябойынша) белгілі бір үлеспен үздікті (дискретті) кванттар түрінде шығарылады немесе жұтылады. Бұл кванттың энергиясын Планк: =hn (1) өрнегімен анықтады, мұндағы h=6,62×10-34 Джс – Планк тұрақтысы, n–шығарылатын (жұтылатын) жарықтың жиілігі. Планктың осы еңбегін ескере отырып 1905 жылы А. Эйнштейн фотоэффект теориясын ашты. Бұл теориясында Эйнштейн Планк идеясын дамыта отырып, мынадай болжам ұсынды: жарық тек үздікті түрде шығарылып (жұтылып) қана қоймай, ол кеңістікте үздікті кванттар ағыны түрінде тарайды. Үздіктілік(дискреттік) – жарықтың өзіне тән қасиет. Кейіннен кванттарфотондар деп аталды. Жарық фотоны басқа бөлшектермен тұтас бөлшек ретінде әсерлеседі, яғни жарыққакорпускулалық қасиет те тән. Жарықтың корпускулалық қасиетінің екінші бір қырын 1922 жылы америкалық физикА. Комптон (1892–1962) жарықтың бос электрондарда шашырау құбылысында (қараңыз Комптон эффектісі), фотон мен электронның серпімді соқтығысуын зерттейтін тәжірибеде байқады. Мұндай соқтығысудыңкинематикасы мен динамикасы энергия мен импульстің сақталу заңдарымен анықталады. Осыдан барып фотонның =hn энергиясынан басқа p=h/l=hn/c импульсінің болуы керектігі туындайды (l – толқын ұзындығы, с – жарық жылдамдығы). Фотонның энергиясы мен импульсі =p×c өрнегімен байланысқан. Сонымен қатаринтерференция, дифракция, поляризация құбылыстарын зерттеу кезінде жарықтың толқындық қасиеті де анық байқалған. Жарықтың екі жақтылық қасиетін =hn өрнегінен байқауға болады. Бұл өрнекте – бөлшекке, ал n – толқынға тән шамалар. Бұдан логикалық қайшылық туындайды: бір құбылысты түсіну үшін жарық – бөлшек, ал екіншісін түсіну үшін жарық – толқын ретінде қарастырылуы тиіс. Жарықтың осы қасиетінің микробөлшектерге де тән екендігі жөнінде 1924 жылы француз физигі Луй де Бройль (1892–1987) толқындық қасиет – тек жарық фотондарына ғана емес, материяны құрайтын барлық бөлшектерге (электрондар, протондар, мезондар, т.б.) тән қасиет деген болжам айтты (қараңыз Де Бройль толқындары).

Микробөлшектердің толқындық  қасиеттері туннельдік эффект кезінде айқын байқалады. Бұл эффектіні түсіндіру арқылы классикалық физикада түсінік таппаған көптеген құбылыстардың (автоэлектрондық эмиссия, атом ядросының a-ыдырауы, т.б.) сыры ашылды.Осы қайшылықтарды шешу кванттық механиканың физикалық негіздерін жасауға мүмкіндік берді. Микродүниенің басқа да құбылыстарын зерттеу кезінде, әсіресе, атом құрылысын зерттеу кезінде, атом ішіндегі электрон қозғалысының классикалық физика заңдарына бағынбайтындығы және олардың энергияларының мүмкін болатын мәндері үздіксіз өзгермей, тек энергия деңгейлерінің дискретті қатарын құрайтындығы анықталды. Оң зарядты нүктелік ядро туғызатын өрісте қозғалатын электронға классикалық механиканың теңдеулерін қолдануға болмайды, яғни механика мен электрдинамиказаңдарына негізделген Э. Резерфорд пен Н. Бор жасаған атом моделі орнықсыз болуға тиіс. Бірақ тәжірибе жүзінде атомның орнықты жүйе екендігі дәлелденді. Атомдарда стационар күйлер мен энергия деңгейлерінің бар екендігі Франк-Герц тәжірибесінде (1913–14) дәлелденді. Тәжірибеде байқалған атомдық құбылыстарды үйлестіру мақсатында Бор 1913 жылы екі қағида (постулат) (қараңыз Бор қағидалары) және оларға қосымшасәйкестік принципін ұсынды. Бұл принцип бойынша шектік жағдайда (кванттық сандардың үлкен мәндерінде) теориялық жолмен алынған формулалар классикалық физиканың заңдарына айналады. Бор квант тұрақтысы h-ты пайдалана отырып, заңдары классикалық механика заңдарынан өзгеше, сутек және сутек типтес атомдағы электрондардың қозғалысын анықтады. Сонымен қатар Бор теориясының жетістіктерімен бірге кемшіліктері де байқалды. Бұл теория электрондардың күрделі атомдардағы қозғалысын, атомдардың бір-бірімен байланысып молекулалар түзетіндігін, т.б. түсіндіре алмады. Атом теориясының одан әрі дамуына классикалық теорияның ұғымдары (траектория, орбита, т.б.) кедергі болды. Сондықтан электрондардың атомдағы қозғалысын толық сипаттау үшін атомның алғашқы және кейінгі стационар күйлеріне тәуелді шамалар ғана енетін жаңа теория жасау қажет болды. Осындай теорияны 1925 жылы неміс физигі В. Гейзенберг электронның координаттары мен жылдамдығының орнына абстрактылы алгебралық шамалар – матрицалар ғана енетін матрицалық механика жасау арқылы жүзеге асырды. Гейзенбергтің бұл жұмысын М. Борн мен П. Иордан одан әрі қарай дамытты. М. Борн1926 жылы де Бройль толқынын ықтималдық теория тұрғысынан түсіндіру арқылы Гейзенбергтің матрицалық механикасы мен Э. Шредингердің толқындық механикасының эквиваленті екендігін дәлелдеді. Шредингер теңдеуісалыстырмалық теориясының талабын қанағаттандырмайды, ол жарық жылдамдығынан әлдеқайда төмен жылдамдықпен қозғалатын жүйенің күйін сипаттайды. Релятивистік тұрғыдан жалпыланған теңдеуді (қ. Дирак теңдеуі) 1928 жылы П. Дирак ұсынды. Дирак теңдеуі электронның спинінің (меншікті импульс моменті) болу себебін түсіндірді. Сонымен қатар Дирак теңдеуінен, массасы электронның массасына тең, оң бөлшектердің болатындығы анықталды. Электронның антибөлшегі “позитрон” деп аталды. Кейінірек табиғаттағы бөлшектердің көбінің антибөлшектері болатындығы айқындалды. Микробөлшектер классикалық статистикадан өзгеше кванттық статистикаға бағынады. Кванттық бөлшектердің статистикасы Ферми–Дирак статистикасы және Бозе–Эйнштейн статистикасы болып екіге ажыратылады. Спиндері жартылай бүтін бөлшектер (электрондар, протондар, нейтрондар, m-мезондар, т.б. – “фермиондар”) Ферми–Дирак статистикасының заңдарына бағынады. Кванттық статистиканың басты ерекшелігі – фермиондардың Паули принципіне бағынатындығы. Бұл принцип бойынша кванттық сандары бірдей екі фермион бір мезетте, бір күйде бола алмайды. Спиндері бүтін санға тең бөлшектер (фотондар, p-мезондар, т.б. – “бозондар”) Бозе–Эйнштейн статистикасына бағынады. Бозондар Паули принципіне бағынбайды, яғни кез келген күйде бір мезгілде қанша бөлшек болса да орналаса береді. Көп электронды күрделі атомдар үшін, кванттық механика есептерінің күрделілігі сонша, Шредингер теңдеуініңаналитикалық дәл шешімі табылмайды. Әр түрлі тәсілдердің көмегімен оның тек жуық шешімдері ғана алынады. Атомның энергия деңгейлері әр түрлі физикалық шамалармен сипатталатын төрт кванттық сандармен (қараңызКванттық сандар) анықталады. Электрондар Паули принципін сақтай отырып, әр энергия деңгейінде тек бір-бірден ғана орналасады. Атомның электрондық қабығының осылайша түзілуі химиялық элементтердің периодтық жүйесіндегі орналасу тәртібін түсіндіруге мүмкіндік береді. Кванттық механика – табиғаттың бұл заңдылығын алғаш түсіндірген бірден бір теория. Жылулық сәуле Бозе – Эйнштейн статистикасына бағынатын фотондардан тұратын жүйе ретінде қарастырылады. Мұндай тәсілді пайдаланып жылулық сәуленің спектрі бойынша энергияның таралу (үлестірілу) заңын анықтауға болады. Кванттық механика заңдары классикалық механиканың заңдарынан өзгеше болғанымен классикалық физиканың заңдарын жоққа шығармайды, оларды толықтырады. Кванттық механиканың кеңінен қолданыс тапқан бір саласы – соқтығысу теориясы. Әр түрлі соқтығысу және шашырау құбылыстарын зерттеуге кванттық механиканы пайдаланып, бөлшектердің бір-бірімен әсерлесу кезіндегі эффективтік қимасынесептеп шығаруға болады. Кванттық механика атомдармен қатар молекулалардың қасиетіндегі ерекшеліктерді,валенттілік теориясы мен химиялық күштердің табиғатын, қатты денелермен сұйықтықтардың көптеген қасиеттерін:асқын өткізгіштік пен ферромагнетизмді және асқын аққыштықты, т.б. толығымен түсіндірді. Кванттық механиканырелятивистік тұрғыдан жалпылау нәтижесінде сәуле шығарудың және әлі де болса қалыптасып бітпеген өрістіңкванттық теориясы пайда болды. Кванттық механика физиканың көптеген саласында кеңінен пайдаланылып, елеулі нәтижелер беруде. Ол ядролық энергетиканың, радиоэлектрониканың, т.б-дың негізі болып саналады. Қазіргі кезде кванттық механика – физикалық негіздері түсінікті, математикалық аппараты жетілген, іргелі физикалық проблемаларды толық шешуге мүмкіндігі бар, дәйекті де жүйелі теория қатарына жатады. ^{[1] [2] [3] [4]}

Квант физикасы

Уикипедия — ашық энциклопедиясынан алынған мәлімет

Макс Планк (1858-1947)

Теватрон коллайдері және Бас инжектордың  сақинасы

Квант (нем. Quant, лат. quantum – қанша) – физиканың бөлінбес негізгі бөлімі.

1. табиғаты дискретті (үзілісті) физикалық шаманың мүмкін болатын өзгеруінің ең кіші мөлшері;
2. әсер кванты – негізгі физикалық тұрақтылардың бірі;
3. қандай да бір физикалық өрістің қасиетін тасушы бөлшек.

(мысалы, электрмагниттік өрістің кванты – фотон, дыбыс тербелістері өрісінің кванты – фонон).

Физикада болған ең ұлы төңкерiс ХХ ғасырдың бас кезiне дәл келедi. Тәжiрибеде байқалған жылудың сәуле шығару (қызған дененің электромагниттiк толқындар шығаруы) спектрлерiне энергияның үлестiрiлу заңдылықтарын түсiндiру мүмкiн болмады. Максвеллдiң сан рет тексерiлген электромагнетизм заңдарын заттың қысқа электромагниттiк толқындаршығару проблемасына қолданбақшы болғанда, кенет «қарсылық керсеттi». Бұл заңдардың антеннаның радиотолқындар шығаруын тамаша сипаттауы және өз кезінде электромагниттiк толқындардың барын осы зандар негiзiнде алдын ала айтуы таңқаларлық едi.

Максвеллдiң қызған дене электромагниттiк  толқындар шығару салдарынан унемi энергия жұмсап шығындана отырып, абсолют нөлге дейiн салқындауы тиiс деген электродинамикасы  мағынасыз тұжырым жасауға келтiрiлген-дi.

Классикалық теория бойынша зат пен толкын шығару арасында жылулық тепе-теңдiк болуы мүмкiн емес. Алайда күнделiктi тәжiрибеде шындығында мұндай ешнәрсе жоқ екенiн керсетедi. Кызған дене озiнiң барлық энергиясын электромагниттiк толқын шығаруға жұмсайды.

Физикада болған ең ұлы революция ХХ ғасырдыңі бас кезіне келеді тәжірибеде байқалған жылулық сәуле шығару спектрлерінде энергияның үлестірілу заңжылықтарын түсіндіру мүмкін болмады. Максвеллдің сан рет тексерілген электромагнитизм заңдарын заттардың

Классикалық теория бойынша  зат пен толқын шығару арасында жылулық  тепе-теңдік болуы мүмкін емес. Алайда күнделікті тәжірибеде шындығында мұндай ешнәрсе жоқ екенін көрсетеді. Қызған дене өзінің барлық энергиясын электромагниттік толқын шығаруға жұмсамайды.

Теория мен тәжірибе арасындағы осы қарама- қайшылықтан шығудың  жолын іздеу барысында неміс  физигі Макс Планк атомдар электромагниттік энергияны жеке порциялармен – кванттармен  шығарады деп болжаған.

Әрбір порцияның Е энергиясы  оны шығару жиілігі v-ге

E=hv

Пропорционалдық коэфиценті Һ Планк тұрақтысы деп аталады.

Мазмұны   [жасыру]  1 Жарық қысымы 2 Жарықтың химиялық әсері 3 Фотосурет 4 Бордың кванттық постулаттары 5 Атом ядросының физикасы 6 Радиокактивтіктің ашылуы 7 Изотоптар 8 Ядролық реактор 9 Термоядролық реакциялар 10 Тағы қараңыз 11 Дереккөздер

[өңдеу]Жарық қысымы

Жарық қысымын П.Н. Лебедев өлшеді.

Толқынның электр өрісінің әсерінен денедегі электрондар тербеліс жасайды. Электр тогы пайда болады. Бұл ток  элктр өрісі кернеулігінің бойымен  бағытталған. Реттелген қозғалыстағы электрон – дарға магнит өрісі  тарапынан Лоренц күші әсер етеді. Сол  қол ережесі бойынша Лоренц күші толқынның таралу бағытына қарай  бағытталған.Жарық қысымының күші деген сол.

Максвелл  теориясының дұрыстығын делелдеу үшiн жарық қысымын өлшеу маңызды болады. Көптеген ғалымдар солай жасамақшы едi, бiрақ жарық к,ысымы өте аз болғандыктан, оның сәтi келмедi. Ашық күндерi бір метрге не бары 4 . 10-6 Н күш әсер етеді. Жарык қысымын алғашкы рет атақты орыс физигi Петр Николаевич Лебедев 1900 ж. өлшедi.

[өңдеу]Жарықтың химиялық әсері

Молекулалардың - кез келген түрленуi — химиялық процесс. Көбiнесе жарықтың әсерiнен молекула ыдырағанда, тiзбектелген химиялық түрленулер басталады. Күн сәулелерiнiң әсерiнен матаның оңуы және күнге тотығу — бұлар жарыктың химиялық әсерінің мысалдары.

 
Ағаштар мен шөптiң жасыл жапырақтарында, қылқан жапырақтылардың қылқандарында, тағы басқа көптеген микроорганизмдерде жарықтың әсерiнен аса маңызды химиялық реакциялар жүредi. Күннің әсерiнен жасыл жапырақтарда Жердегi барлык тiршiлiк үшін қажеттi процестер журедi. Олар бiзге қорек бередi, сондай-ақ бiзге дем алу үшін оттегiн бередi.

Жапырақтар ауадан көмiрқышқыл газды жұтады да, оның молекулала- рын құрама бөлiктерiне: көміртегi мен оттегiне ыдыратады. Орыс биологы Климент Аркадьевич Тимирязев анықтағандай, бұл хлорофилл молекулаларында күн спектрiнiң қызыл сәулелерiнiң әсерiнен орындалады. Көмiртегi тiзбегiне жерден тамыр арқылы алынатын басқа элементтер атомын бiрiктiре отырып, өсiмдiктер адам мен жануарлар үшін қореқ — белоктардың, майдың және коміртегінің молекулаларын құрастырады.