Предпосылки создания квантовой физики

В начале двадцатого века были обнаружены группы явлений, которые не находили своего объяснения в рамках классической физики: эмпирические законы теплового излучения и фотоэлектрического эффекта, эффект Комптона, указывающий на корпускулярную природу света, явление дифракции электронов на металлических фольгах, открытое в экспериментах Девиссона и Джермера, а также проблема стабильности атомов. К настоящему времени круг таких явлений и фактов существенно вырос: сверхпроводимость, сверхтекучесть, ферромагнетизм, альфа-распад, образование гомеополярной химической связи, дисперсионные силы взаимодействия атомов, прыжковая проводимость полупроводников при низких температурах, электрическая прочность полупроводников и диэлектриков и др. Эти и многие другие явления находят объяснение с позиций квантовой механики, которая составляет в настоящее время фундамент наук о строении вещества.

Впервые квантовые представления были введены М. Планком в 1900 г. Существовавшая к тому времени теория теплового излучения, построенная на основе классической электродинамики и статистической физики приводила к бессмысленному выводу о невозможности термодинамического равновесия между излучением и веществом, так как вся энергия должна перейти в излучение. Ключевой идеей Планка было предположение, что свет испускается и поглощается не непрерывно (как это следовало из классических представлений), а дискретными порциями - квантами. На основе постулируемого распределения по энергиям квантов света он построил первую квантовую теорию излучения, которая объясняет эмпирические законы излучения абсолютно черного тела: закон Стефана-Больцмана, Вина и др. Развивая идею М. Планка, А. Эйнштейн в 1905 г. предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами - фотонами («частицами света»), что рассеяние рентгеновских лучей свободными электронами происходит по законам упругого столкновения частиц: фотона и электрона (эффект Комптона) и фотону наряду с энергией следует приписать импульс.

В 1924 г. Л. де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщности квантово-корпускулярного дуализма. Согласно де Бройлю любой частице, независимо от ее природы следует сопоставить длину волны. В 1927 году Девиссон и Джермер экспериментально подтвердили справедливость этой гипотезы в опытах по дифракции электронов на монокристаллах никеля. Они использовали интенсивные пучки электронов и получили дифракционную картину, не зависящую от интенсивности пучка. Поэтому оставался открытым вопрос: являются ли волновые свойства коллективным эффектом или они присуще отдельному электрону. В 1949 г. в опытах Бибермана, Сушкина и Фабриканта (проведенных в МЭИ) по дифракции одиночных электронов была окончательно экспериментально доказана волновая природа частиц.

Другая группа явлений, свидетельствующая о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики, была связана с невозможностью объяснить на основе классических представлений существование устойчивых атомов и их оптические спектры. Согласно классической планетарной модели атома, которая следовала из опытов Резерфорда (1911 г.), в центре атома находится положительное ядро, вокруг которого по орбитам вращаются электроны. Однако движущийся с центростремительным ускорением электрон должен излучать электромагнитные волны и радиус его орбиты должен непрерывно уменьшаться пока электрон не упадет на ядро. В 1913 г. Н. Бор применил идею квантования энергии к планетарной модели атома. Он предположил, что электроны в атоме водорода движутся по стационарным орбитам, не излучая и не поглощая энергии, а излучение (поглощение) происходит при переходе с одной стационарной орбиты на другую: при этом рождается (поглощается) фотон с энергией, равной разности уровней энергий, соответствующих этим стационарным орбитам. Теория Бора, однако, не смогла объяснить спектры сложных атомов и образование химической связи.

Математические основы квантовой механики были созданы в 1925-26 гг. В 1925 г. Гейзенберг предложил матричную механику, которая затем была развита в работах М. Борна и П. Йордана. В 1926 г. Э. Шрёдингер постулировал уравнение, описывающее поведение частицы-волны во внешнем силовом поле, а М. Борн дал им статистическую, вероятностную интерпретацию. Так возникла волновая механика. Позже П. Дирак доказал математическую эквивалентность матричной и волновой механики.

После создания квантовой механики стали возникать различные разделы физики, использующие методы квантовой механики: квантовая химия, квантовая оптика, квантовая физика кристаллов, релятивистская квантовая теория, квантовая теория поля, квантовая физика ядра и элементарных частиц, которые составляют фундаментальную основу современных представлений о строении материи: вещества и физических полей.