Микромир, элементарные частицы, вакуум: различия между версиями

Выход из противоречия состоял в синтезе двух точек зрения, в признании того факта, что свет может вести себя и как волна, и как частица. Волновая природа света проявляется в процессах его распространения, в таких явления, как интерференция и дифракция. Корпускулярная же природа света проявляется в процессах его взаимодействия с веществом. Необходимость такого синтеза подтвердилась при анализе равновесного теплового излучения (излучения абсолютно черного тела). В 1900 г. М. Планк выдвинул гипотезу, что свет испускается и поглощается конечными порциями, квантами, причем энергия E кванта связана с частотой формулой <math>E = \hbar \omega </math> , в которой <math>\hbar = 1,055 \cdot 10^{ - 27}</math> эрг <math>\cdot c^{ - 1}</math> – некоторая постоянная, названная впоследствии постоянной Планка. Исходя из этой гипотезы, Планк получил спектр{{Ref|spectr}} теплового излучения. Выводы теории были блестяще подтверждены многочисленными экспериментами.

В 1911 г. Э. Резерфорд, исследуя рассеяние <math>\alpha</math> - частиц на тонких металлических пластинах, пришёл к планетарной модели атома: вокруг небольшого по объёму тяжелого ядра вращаются электроны. Однако в рамках классической электродинамики такие атомы не имели права на существование: электроны, двигаясь ускоренно (криволинейное движение!), обязаны были бы излучить всю свою энергию и упасть на ядро.

# электроныЭлектроны в атомах могут находиться только на определённых орбитах, на которых они не излучают;.

# приПри переходе атома из одного энергетического состояния <math>E_n</math> в другое <math>E_m</math> происходит излучение кванта света с частотой <math>\omega _{nm} = {(E_n - E_m )} / \hbar</math>.

Второе соотношение показывает, что за время <math>\sim \Delta t</math> невозможно измерить энергию частицы с точностью большей, чем <math>\Delta E \sim 2\pi \hbar / \Delta t </math>. Это же соотношение допускает ещё одну интерпретацию: само измерение энергии продолжительностью <math>\sim \Delta t</math> вносит неконтролируемое изменение энергии на величину чем <math>\Delta E \sim 2\pi \hbar / \Delta t </math>. С соотношением неопределённостей «время–энергия» связано представление о виртуальных частицах. Так называют частицы, имеющие все характеристики обычных, реальных частиц за исключением того, что для них связь энергии E и импульса p не передается формулой эйнштейновской механики <math>E^2 = p^2 c^2 + m^2 c^4 </math> (или, при малых скоростях <math>v \ll c</math>, формулой ньютоновской механики <math>E = p^2 / 2m</math>). Иногда нестрого говорят, что в течение времени <math>\Delta t \sim 2\pi \hbar / \Delta E </math>может иметь место нарушение закона сохранения энергии. Следует, однако, иметь в виду, что никакого реального нарушения этого закона не происходит. Дело в том, что само измерение в течение короткого времени не позволяет проверить справедливость закона с достаточной точностью: требуется более длительное измерение.

В рамках квантовой механики получила исчерпывающее решение проблема теплоёмкостей. В самом деле, поглощение и испускание энергии молекулами происходит квантами. Например, величина кванта, отвечающего переходу между колебательными уровнями энергии, равна <math>\hbar \omega</math> , где

<math>\omega</math> — классическая частота колебаний атомов в молекуле. Соответственно, колебательные степени свободы «включаются» при достаточно высоких температурах, <math>kT > \hbar \omega </math> , когда имеется много молекул с энергией, превышающей минимальную порцию ( <math>\hbar \omega</math> ), необходимую для возбуждения колебаний (k – постоянная Больцмана). Точно так же и другие степени свободы молекул дают вклад в теплоёмкость лишь при достаточно высоких температурах.