Методические рекомендации. Квантовая оптика. Квантовая механика

Квантовая оптика. Квантовая механика

методические рекомендации по выполнению РГР

У т в е р ж д е н о

Ученым советом университета

Севастополь

530.145 (076.5)

М 348

УДК.530.145:535.1 (076.5)

Матузаева О.В., Гарматенко Т.И., Мирошниченко Е.В.

М 348 Квантовая оптика. Квантовая механика:учеб.-метод. пособие. – Севастополь: СНУЯЭиП, 2012. - 80 с.: ил.

Предназначено для студентов II курса. Данное пособие включает в себя набор задач, которые полностью отражают содержание 3 семестра курса физики по теме “Квантовая оптика. Квантовая механика”. Эти задачи предлагаются для самостоятельной проработки студентам II курса очной формы обучения всех специальностей с последующей защитой у преподавателя.

Содержание, изложение и характер предлагаемых задач позволяет рекомендовать пособие для проведения практических занятий, самостоятельной работы и подготовки к экзамену по дисциплине “Физика”.

Рецензенты: доктор ф-м наук Л.В. Третьякова

к.т.н, доцент А.Г. Рипп

доцент И.Б. Стаценко

Издание СНУЯЭиП, 2012

ПРЕДИСЛОВИЕ

Созданное к концу XIX столетия здание классической физики было очень стройным. Однако в нем начали проявляться слабые места. Одним из слабых мест классической физики явилась теория излучения абсолютно черного тела. Попытки построить ее с помощью классических законов оказались безуспешными. Для того, чтобы решить эту проблему, пришлось коренным образом пересмотреть сложившиеся, привычные представления и ввести понятия, чуждые духу классической физики.

Введя представление об испускании света отдельными порциями - квантами, Макс Планк в 1900 году решил задачу об излучении абсолютно черного тела. Таким образом, на пороге XX столетия появилось понятие кванта.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн, развивая идеи М. Планка, предположил, что свет не только излучается порциями - квантами, но и поглощается квантами. На основе квантовых представлений А. Эйнштейн разработал теорию фотоэффекта, которая позволила объяснить второй и третий законы фотоэффекта.

Начало XX века характеризуется настойчивыми попытками проникнуть во внутреннее строение атомов. Открытие ядра позволило Резерфорду разработать модель атома, в котором электроны вокруг ядра вращаются подобно тому, как движутся планеты вокруг Солнца. Однако такая модель не могла объяснить ряд экспериментальных фактов.

Излучение атома водорода имеет вид бесконечной последовательности резко выраженных спектральных линий. В атоме водорода имеется лишь один вращающийся вокруг ядра электрон. По законам электродинамики такой электрон должен непрерывно излучать, а стало быть терять энергию. Поэтому в процессе движения он обязан был бы неизбежно приближаться к ядру все ближе и ближе и в конце концов упасть на него.

Первоначально электрон, обладая какой-то определенной частотой, должен излучать свет именно этой частоты. Когда частота его движения плавно изменится из-за энергетических потерь, должна измениться и частота излучения. Это противоречит опытному спектру поглощения водорода, состоящего из отдельных линий поглощения.

Первый разительный успех в объяснении наблюдаемых спектров принесла теория атома, развитая Нильсом Бором в 1913 г. Однако эта теория носила явные черты непоследовательности: наряду с подчинением движения электрона в атоме законам классической механики она налагала на это движение специальные квантовые ограничения. За эту непоследовательность теории вскоре пришлось расплатиться. После первых успехов в объяснении спектра простейшего атома - водорода обнаружилась неспособность теории Бора объяснить поведение атомов с двумя и большим числом электронов.

Назрела необходимость создания новой целостной теории атомов. Начало созданию такой теории было положено в 1924 г. гипотезой Луи де Бройля о том, что частицы вещества должны обнаруживать при определенных условиях волновые свойства. Опытное подтверждение этой гипотезы создало предпосылки для создания новой физической теории- волновой или квантовой механики. Квантовая механика достигла поразительных успехов в объяснении атомных процессов и строения вещества.

Каково же соотношение между квантовой и классической механикой? Квантовая механика является более общей теорией, чем механика Ньютона. Последняя содержится в ней как приближенный предельный случай. Квантовая механика переходит в механику Ньютона в случае тел достаточно больших масс. Поэтому механика Ньютона, как и вся классическая физика, своего значения не утратила.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ