Основные положения квантовой теории кратко
Обновлено: 03.07.2024
1.Принцип квантово-волнового дуализма:Для описания процессов в микромире и для проведения измерений необходимо учитывать, что электроны и фотоны обнаруживают как свойство волн, так и свойство частиц.
2.Принцип дополнительности: Для полного описания процесса в микромире используются формулы как из волновой, так и из квантовой теорий.
3.Принцип неопределенности: В микромире не существует состояний, в которых место положения и количество движения частиц имели бы определенное значение, т.е. одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному. Поэтому законы квантовой механики носят статистический характер.
Микроуровень организации материи
К 30-м годам 20 века были известны 4 типа элементарных частиц:
1. .ПРОТОНЫ - положительно заряженные частицы атомного ядра.
2. . НЕЙТРОНЫ - не имеющие заряда частицы атомного ядра, близкие по массе протону.
3. . ЭЛЕКТРОНЫ - отрицательно заряженные частицы периферии атомов.
4. .ФОТОНЫ - сгустки энергии электромагнитных излучений.
С помощью этих частиц удалось объяснить природу химических элементов, периодический закон, природу химической связи и радиоактивности.
В 40-е годы была открыта частица нейтрино -близкая по массе к электрону, но не имеющая заряда, которая приводила процесс бетта - распада в соответствие с законом сохранения энергии.
В 50-е годы была открыта частица позитрон - равная по массе электрону, но имеющая положительный заряд, т.е. античастица.
При столкновении электрона с позитроном происходит аннигиляция, т.е. в соответствии с формулой Эйнштейна, масса обеих частиц полностью переходит в энергию в виде 2-х фотонов.
Облучение различных веществ космическими лучами привело к открытию около 100 частиц малой массы, входящих в атомные ядра - мезоны. Кроме этого предполагалось, что протоны не являются неделимой элементарной частицей и должны состоять как минимум из 6 элементарных частиц.
В 80-90 х годах эти частицы -кварки- были обнаружены.
В основу классификации частиц было положено представление о фундаментальных физических силах в природе:
1.Принцип квантово-волнового дуализма:Для описания процессов в микромире и для проведения измерений необходимо учитывать, что электроны и фотоны обнаруживают как свойство волн, так и свойство частиц.
2.Принцип дополнительности: Для полного описания процесса в микромире используются формулы как из волновой, так и из квантовой теорий.
3.Принцип неопределенности: В микромире не существует состояний, в которых место положения и количество движения частиц имели бы определенное значение, т.е. одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному. Поэтому законы квантовой механики носят статистический характер.
Микроуровень организации материи
К 30-м годам 20 века были известны 4 типа элементарных частиц:
1. .ПРОТОНЫ - положительно заряженные частицы атомного ядра.
2. . НЕЙТРОНЫ - не имеющие заряда частицы атомного ядра, близкие по массе протону.
3. . ЭЛЕКТРОНЫ - отрицательно заряженные частицы периферии атомов.
4. .ФОТОНЫ - сгустки энергии электромагнитных излучений.
С помощью этих частиц удалось объяснить природу химических элементов, периодический закон, природу химической связи и радиоактивности.
В 40-е годы была открыта частица нейтрино -близкая по массе к электрону, но не имеющая заряда, которая приводила процесс бетта - распада в соответствие с законом сохранения энергии.
В 50-е годы была открыта частица позитрон - равная по массе электрону, но имеющая положительный заряд, т.е. античастица.
При столкновении электрона с позитроном происходит аннигиляция, т.е. в соответствии с формулой Эйнштейна, масса обеих частиц полностью переходит в энергию в виде 2-х фотонов.
Облучение различных веществ космическими лучами привело к открытию около 100 частиц малой массы, входящих в атомные ядра - мезоны. Кроме этого предполагалось, что протоны не являются неделимой элементарной частицей и должны состоять как минимум из 6 элементарных частиц.
В 80-90 х годах эти частицы -кварки- были обнаружены.
В основу классификации частиц было положено представление о фундаментальных физических силах в природе:
Физика дает нам объективное понимание окружающего мира, а ее законы абсолютны и действуют на всех людей без исключения, невзирая на социальный статус и лица.
Рисунок 1. Суть квантовой теории. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Но такое понимание указанной науки было не всегда. В конце XIX столетия были сделаны первые несостоятельные шаги к созданию теории излучения черного физического тела на основе законов классической физики. Из законов данной теории следовало, что вещество обязано отдавать определенные электромагнитные волны при любой температуре, снижать амплитуду до абсолютного нуля и терять свои свойства. Другими словами, тепловое равновесие между излучением и конкретным элементом было невозможно. Однако такое утверждение находилось в противоречии с реальным повседневным опытом.
Более детализировано и понятно квантовую физику можно пояснить следующим образом. Существует определение абсолютно черного тела, которое способно поглощать электромагнитное излучение любого спектра волны. Длина его излучения определяется только его температурой. В природе не может быть абсолютно черных тел, которые соответствуют непрозрачному замкнутому веществу с отверстием. Любой кусок элемента при нагревании начинает светиться светится, а при дальнейшем повышении градуса окрашивается сначала красным, а затем - белым. Цвет от свойств вещества практически не зависит, для абсолютно черного тела он характеризуется исключительно его температурой.
Следующим этапом в развитии квантовой концепции было учение А. Эйнштейна, которое известно под гипотезой Планка.
Данная теория дала возможность ученому объяснить все закономерности уникального фотоэффекта, не укладывающиеся в пределы классической физики. Сущность указанного процесса заключается в исчезновении вещества под воздействием быстрых электронов электромагнитного излучения. Энергия испускаемых элементов не зависит от коэффициента поглощаемого излучения и определяется его характеристиками. Однако от насыщенности лучей зависит количество испускаемых электронов
Готовые работы на аналогичную тему
Многократные эксперименты вскоре подтвердили учение Эйнштейна, причем не только с фотоэффектом и светом, но и с рентгеновскими и гамма-лучами. Эффект А. Комптона, который был найден в 1923 году, представил общественности новые факты существования неких фотонов посредством расположения упругого рассеяния электромагнитных излучений на свободных, малых электронах, сопровождаемые повышением диапазона и длины волны.
Квантовая теория поля
Квантовая теория поля — это концепция описания элементарных микрочастиц, а также их свойств и поведения в пространстве, взаимосвязей и взаимопревращений.
Данное учение позволяет определить процесс внедрения квантовых систем в рамки, называемых в науке степеней свободы, предполагающих определенное количество независимых координат, которые крайне важны для обозначения общего движения механической концепции.
Простыми словами, эти показатели являются основными характеристиками движения. Стоит отметить, что интересные открытия в сфере гармоничного взаимодействия элементарных частиц сделал исследователь Стивен Вайнберг, который открыл нейтральный ток, а именно принцип взаимосвязи между лептонами и кварками. За свое открытие в 1979-ом году физик стал лауреатом Нобелевской премии.
В квантовой теории атом состоит из ядра и конкретного облака электронов. Основа данного элемента включает в себя практически всю массу самого атома — более 95 процентов. Ядро обладает исключительно положительным зарядом, определяющий химический элемент, частью которого является сам атом. Самым необычным в строение атома является то, что ядро хоть и составляет почти всю его массу, но содержит всего одну десятитысячную его объема. Из этого следует, что плотного вещества в атоме действительно очень мало, а все остальное пространство занимает электронное облако.
Интерпретации квантовой теории - принцип дополнительности
Стремительное развитие квантовой теории привело к кардинальному изменению классических представлений о таких элементах:
- структуре материи;
- движении элементарных частиц;
- причинности;
- пространстве;
- времени;
- характере познания.
Такие перемены в сознании людей способствовали коренной трансформации картины мира в более четкое понятие. Для классической интерпретации материальной частицы было свойственно внезапное выделение из окружающей среды, наличие собственного движения и конкретное месторасположение в пространстве.
В квантовой теории элементарная частица стала представляться как важнейшая часть системы, в которую она была включена, однако при этом не имела собственных координат и импульса. В классическом познании движения предлагался перенос элементов, которые оставались тождественными сами себе, по заранее спланированной траектории.
Неоднозначный характер деления частицы обусловил надобность отказа от такого видения движения. Классический детерминизм уступил лидирующую позицию статистическому направлению. Если ранее все целое в элементе воспринималось как общее количество составляющих частей, то квантовая теория определила зависимость отдельных свойств атома от системы.
Классическое понимание интеллектуального процесса было напрямую связано с пониманием материального предмета как полноценно существующего самого по себе.
Квантовая теория продемонстрировала:
- зависимость знания об объекте;
- самостоятельность исследовательских процедур;
- завершенность действий на ряде гипотез.
Смысл этих концепций изначально был далеко не ясен, а поэтому основные положения квантовой теории всегда получали разное истолкование, а также разнообразные интерпретации.
Квантовая статистика
Рисунок 2. Квантовая физика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Параллельно с развитием квантовой и волновой механики стремительно развивались другие составные элементы квантовой теории - статистика и статистическая физика квантовых систем, которые включали в себя огромное количество частиц. На базе классических методов движения конкретных элементов была создана теория поведения их целостности- классическая статистика.
В квантовой статистике полностью отсутствует вероятность различить две частицы одинаковой природы, так как два состояния этой нестабильной концепции отличаются друг от друга только перестановкой частиц идентичной мощности влияний на сам принцип тождественности. Этим квантовые системы в основном и отличаются от классических научных систем.
Важным итогом в открытии квантовой статистики считается положение о том, что каждая частица, которая входит в какую-либо систему, не тождественна такому же элементу. Отсюда следует значимость задачи определения специфики материального предмета в конкретном сегменте систем.
Отличие квантовой физики от классической
Итак, постепенный отход квантовой физики от классической состоит в отказе от того, чтобы объяснять происходящие во времени и пространстве индивидуальные события, и применении статистического способа с его волнами вероятности.
Целью классической физики является описание отдельных объектов в определенной сфере и формирование законов, управляющих изменением этих предметов во времени.
Квантовая физика в глобальном понимании физических идей занимает особое место в науке. К числу самых запоминающихся созданий человеческого ума относится теория относительности – общая и специальная, которая представляет собой абсолютно новую концепцию направлений, объединяющую электродинамику, механику и теорию тяготения.
Квантовая теория смогла окончательно разорвать связи с классическими традициями, создав новый, универсальный язык и необычный стиль мышления, позволяющий ученым проникнуть в микромир с его энергетическими составляющими и дать его полное описание посредством введения специфик, отсутствовавших в классической физике. Все эти методы в конечном итоге позволили более детализировано понять сущность всех атомных процессов, и вместе с тем именно эта теория внесла в науку элемент случайности и непредсказуемости.
Квантовые постулаты Бора, объясняющие до этого не понимаемые физиками процессы, происходящие в атомах, стали фундаментом, на котором впоследствии выросла квантовая физика. В основу квантовой теории, разработанной Нильсом Бором, входят три постулата, сформулированные им в результате экспериментов либо наблюдений за поведением атомов различных веществ, правило квантования, выведенное на основе изучения атома водорода, и несколько формул, математически объясняющих постулаты Бора.
Видео поможет вам лучше понять теорию, если во время чтения статьи возникнут вопросы. Посмотреть видео о правилах теории отца квантовой физики вы можете, перейдя по ссылкам:
Постулаты, входящие в квантовую теорию Бора
Первое правило
Первое правило гласит, что энергия En в системах, образованных из атомов, может существовать, только если эти атомы находятся в специализированных или, иными словами, квантовых состояниях. В других случаях атом не отдаёт свою энергию в окружающую его среду.
Это правило, выведенное учёным, абсолютно противоречит знаниям, накопленным классической механикой. Согласно аксиомам классической механики, любые атомы либо электроны, которые в настоящее время движутся, обладают энергией, и эта энергия может быть любого рода.
Кроме того, основной вывод из первого постулата одного из отцов квантовой физики в корне противоречит знаниям в области электромагнетизма, полученным Максвеллом в девятнадцатом веке, поскольку допускает возможность движения молекулярных частиц без излучения в окружающее пространство электромагнитных импульсов.
Второе правило теории
Оно гласит, что свет, который излучает атом, является результатом его перехода из состояния, во время которого он обладал большей энергией Ek, в состояние, в котором он обладает уже меньшей энергией En. Формула, рассчитывающая количество энергии, которую излучает в окружающее пространство фотон, представляет собой разность Ek — En.
Исходя из этой формулы, легко рассчитать какова будет частота света, излучаемого фотоном. Для этого нужно разделить разность Ek — En на постоянную Планка.
Второе правило теории Бора предусматривает, что возможен обратный процесс, т. е. атом может вернуться в состояние, где он хранит в себе больший запас энергии, чем был у него ранее, если перед этим он поглотит некоторое количество энергии света.
Третий постулат Бора
Суть его состоит в том, что электрон в атоме либо атом в молекуле переходят с одной орбиты на другую и во время этого либо испускают, либо поглощают энергию. Эта энергия выделяется из них так называемыми квантами или порциями, которые наука может измерить и вычислить.
Третье правило, обнаруженное Бором, было изучено другими известными физиками и подтверждено в результате эксперимента, проведённого учёными Франком и Герцем.
Третий постулат сыграл значительную роль в развитии оптики, поскольку доказал, что атомы испускают только те спектры света, которые способны также и поглотить.
Атом водорода и правило квантования
Для того чтобы разработать модель атома простейшего из известных в настоящее время элементов, водорода, Бор постулировал правило квантования или, иными словами, закономерность, согласно которой определяются уровни энергии электрона в зависимости от его стационарных значений, занимаемых им на орбите.
Отсюда следует, что в зависимости от того, на какой орбите находится электрон в атоме или атом в молекуле определяется коэффициент обладаемой ими энергии.
При помощи правила квантования, опираясь на выведенные Ньютоном законы механики, Нильс Бор смог вычислить значение минимального возможного радиуса орбиты электрона в атоме, а также значения энергии, которые имеют атомы и электроны, находясь в стационарных состояниях.
Значение постулатов и их влияние на научный мир
Несмотря на то что некоторые предположения и мнения, высказанные Бором, в дальнейшем оказались неправильными и ошибочными, за что его нещадно критиковали коллеги по научному цеху и в том числе сам Альберт Эйнштейн, тем не менее его постулаты сыграли важную роль в физике:
- Они стали на тот момент единственным логическим и выверенным объяснением того, что происходит в нашем мире на микроуровне, как протекают в нём процессы и каким закономерностям они подчиняются.
- Правило квантования и постулаты помогли учёным прояснить некоторые замеченные ими закономерности рентгеновского спектра излучения, а также подтвердить истинность таблицы Менделеева с точки зрения физической науки.
- Научное знание, которое Бор передал науке, позволило следующему поколению физиков разрешить вопрос, касающийся деления ядра атома, понять, как можно измерить скорость деления ядра и, самое главное, понять, как можно контролировать этот процесс.
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Описание презентации по отдельным слайдам:
Становление квантовых идей от М.Планка до Н.Бора
Работу выполнил:
Студент гр. Ф-113
Пфау Владислав
Сергеевич
Становление квантовых идей от М.Планка до Н.Бора
Открытие элементарных частиц
1897 год – открытие Дж. Томсоном электрона.
Дж. Томсон
Э. Резерфорд
Дж. Чедвик
1919 год – Э. Резерфорд обнаружил протоны.
1932 год – Дж. Чедвик открыл нейтрон.
Хронология становления квантовой теории
1900 г. Макс Планк пришёл к заключению, что энергия осциллятора (механической системы) - частицы, колеблющейся около положения равновесия - изменяется дискретно.
1905 - А. Эйнштейн выдвинул гипотезу световых квантов и показал, что она объясняет феномен фотоэффекта, непонятный с позиций волновой теории распространения света.
Хронология становления квантовой теории
1927 - В. Гейзенберг получает соотношение неопределённостей.
1927 - П. Дирак применил квантовую механику к электромагнитному полю.
1928 - П. Дирак обобщил уравнение Шредингера для электронов, движущихся с произвольными скоростями.
М.Планк
ПЛАНК МАКС (1858–1947), немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой теории. Родился 23 апреля 1858 в Киле. Учился в Мюнхенском и Берлинском университетах, в последнем прослушал курс лекций физиков Гельмгольца и Кирхгофа и математика Вейерштрасса.
Рассмотрим замкнутую полость, поддерживаемую при постоянной температуре.
Обмен энергией внутри рассматриваемой полости должен приводить к передаче энергии от любой длины волны к более короткой до тех пор, пока практически вся энергия не окажется в ультрафиолете или ещё дальше.
Согласно закону Рэлея, спектральная плотность энергии должна возрастать с увеличением частоты.
Эксперименты определенно указывали на то, что с увеличением частоты спектральная плотность вначале растет, а затем, начиная с некоторой частоты, соответствующей максимуму плотности, падает, стремясь к нулю, когда частота стремится к бесконечности.
М. Планк, приступая к решению этой задачи, располагал только той самой экспериментальной колоколообразной кривой.
Возникал вопрос: как нужно минимально изменить (модифицировать) теорию, чтобы согласовать её с фактами?
Квантовые идеи Эйнштейна.
Дальнейшим подтверждением квантовой теории были работы А.Эйнштейна о фотоэффекте (1905 г). Фотоэффект – испускание веществом быстрых электронов под воздействием излучения.
Эйнштейн развил идеи Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями.
Нильс Бор
Нильс Бор (1885-1962) — датский физик, один из создателей современной физики. Основатель и руководитель Института теоретической физики в Копенгагене (Институт Нильса Бора); создатель мировой научной школы, иностранный член АН СССР (1929). В 1943-45 работал в США
Идеи Н.Бора
В 1909—1910 гг. Э. Резерфордом были проведены экспериментальные исследования рассеяния α-частиц тонким слоем вещества.
Результаты этого исследования позволили Резерфорду в 1911 г. сформулировать планетарную модель атома.
Но модель Резерфорда не объясняла многих выявленных к тому времени закономерностей излучения атомов, вид атомных спектров и др.
Более совершенную квантовую модель атома предложил в 1913 г. молодой датский физик Н. Бор, работавший в лаборатории Резерфорда.
1. Каждый электрон в атоме может совершать устойчивое орбитальное движение по определенной орбите, с определенным значением энергии, не испуская и не поглощая электромагнитного излучения.
2. Электрон способен переходить с одной стационарной орбиты на другую.
Эти постулаты Бор использовал для расчета простейшего атома (водорода), рассматривая первоначально наиболее простую его модель: неподвижное ядро, вокруг которого по круговой орбите вращается электрон. Объяснение спектра водорода было большим успехом теории Бора.
Основные положения квантовой теории:
- электрон имеет двойственную природу – обладает свойствами частицы и волны;
- как частица имеет массу и заряд, однако движение электрона – волновой процесс (например дифракция электронов).
Основные идеи квантовой теории:
- атомы или молекулы испускают или поглощают электромагнитное излучение при изменении своего энергетического состояния;
- атомы или молекулы могут существовать только в определенных энергетических состояниях.;
- энергетическое состояние атома или молекулы может быть описано при помощи определенного набора чисел, называемых квантовыми числами.
Заключение
Квантовые частицы подчиняются определенным законам, являясь чем-то средним между обычными частицами и волнами. Для описания состояния электрона используется комплексная вероятность. Чем больше допустимая неопределенность импульса, тем точнее можно определить координату микрочастицы и наоборот. Квантовые частицы не всегда могут находиться в произвольном состоянии. Основное уравнение квантовой механики – уравнение Шредингера, математический аппарат – теория матриц, теория групп, операторы, теория вероятностей.
СПАСИБО
ЗА ВНИМАНИЕ!
Краткое описание документа:
Презентация включает в себя основные исторические факты об открытиях в квантовой науке. Содержатся краткие данные об ученных -открывателях. Изложены кратко главные принципы квантовой теории.Презентация предназначена для учащихся 11 классов, проходящих профильное обучение.Презентация была представлена в Кемеровском Государственном университете и получила рекомендацию к использованию на уроках и факультативных курсах.
- подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
- по всем предметам 1-11 классов
Курс повышения квалификации
Дистанционное обучение как современный формат преподавания
Курс повышения квалификации
Инструменты онлайн-обучения на примере программ Zoom, Skype, Microsoft Teams, Bandicam
- Курс добавлен 31.01.2022
- Сейчас обучается 29 человек из 18 регионов
Курс повышения квалификации
Педагогическая деятельность в контексте профессионального стандарта педагога и ФГОС
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Дистанционные курсы для педагогов
Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:
5 612 008 материалов в базе
- ЗП до 91 000 руб.
- Гибкий график
- Удаленная работа
Самые массовые международные дистанционные
Школьные Инфоконкурсы 2022
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Другие материалы
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
- 18.11.2020 256
- PPTX 1.3 мбайт
- 1 скачивание
- Оцените материал:
Настоящий материал опубликован пользователем Паршина Кира Максимовна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Автор материала
40%
- Подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
- Для учеников 1-11 классов
Московский институт профессиональной
переподготовки и повышения
квалификации педагогов
Дистанционные курсы
для педагогов
663 курса от 690 рублей
Выбрать курс со скидкой
Выдаём документы
установленного образца!
Учителя о ЕГЭ: секреты успешной подготовки
Время чтения: 11 минут
Школы граничащих с Украиной районов Крыма досрочно уйдут на каникулы
Время чтения: 0 минут
Новые курсы: преподавание блогинга и архитектуры, подготовка аспирантов и другие
Время чтения: 16 минут
В Россию приехали 10 тысяч детей из Луганской и Донецкой Народных республик
Время чтения: 2 минуты
Время чтения: 2 минуты
Рособрнадзор предложил дать возможность детям из ДНР и ЛНР поступать в вузы без сдачи ЕГЭ
Время чтения: 1 минута
Отчисленные за рубежом студенты смогут бесплатно учиться в России
Время чтения: 1 минута
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.
Читайте также: