Квантова фізика

Визначення і загальна характеристика

КВА́НТОВА ФІ́ЗИКА — галузь фізики, яка ви­вчає явища, повʼязані з по­глина­н­ням і ви­промінюва­н­ням енергії дис­кретними порціями (квантами). Квантові явища виникають тоді, коли дія фізичної системи має порядок або менша за сталу Планка h = 6,626×10⁻³⁴ Дж·сек. (її також називають квантом дії; увів 1900 німецький фізик М. Планк). Часто використовують редуковану сталу Планка ħ = h/2ϖ = 1,054×10⁻³⁴ Дж·сек. У випадку, коли дія системи набагато більша за сталу Планка, К. ф. пере­ходить у класичну фізику.

Характерні положе­н­ня, які від­діляють К. ф. від класичної: квантува­н­ня, тобто дис­кретизація деяких фізичних величин, на­приклад, енергії, моменту кількості руху та ін.; корпускулярно-хвильовий дуалізм, тобто принцип, згідно з яким обʼєкти мікросвіту мають одночасно властивості частинки та хвилі; принцип суперпозиції, який вказує на те, що фізична система може одночасно існувати в усіх її квантових станах, причому в результаті вимірюва­н­ня роз­різняється один із цих станів, а математично це означає, що якщо фізична система існує, на­приклад, у станах, яким від­повід­ають хвильові функції |ψ₁〉 та |ψ₂〉, то вона може також існувати у стані, якому від­повід­ає хвильова функція α|ψ₁〉 + β|ψ₂〉, де α і β — довільні комплексні числа; принцип неви­значеності, який стверджує, що низка фізичних величин апріорі не можуть бути одночасно виміряні з довільною точністю, зокрема точність ∆p та ∆x одночасного вимірюва­н­ня імпульсу та координати частинки обмежені умовою ∆x∆p ≥ ħ/2; принцип нерозрізнюваності частинок, який полягає в тому, що частинки одного сорту (електрони, фотони, протони, нейтрони та ін.) не можна жодним чином від­різнити одну від одної (з цього витікає принцип, сформульований 1925 швейцарським фізиком В. Паулі, — в одному квантовому стані не можуть одночасно пере­бувати 2 ферміони — частинки, спін яких дорівнює пів­цілому числу ħ).

К. ф. лежить в основі сучасних уявлень про будову речовини та за­стосовується практично в усіх роз­ділах сучасної фізики — атомній фізиці, молекулярній фізиці, ядерній фізиці, фізиці елементарних частинок, статистичній фізиці, фізиці конденсованого стану, фізиці твердого тіла, оптиці, нанофізиці. Ві­ді­грає також значну роль у астрофізиці, зокрема від­повід­ає за процеси горі­н­ня зірок, природу таких астрофізичних утворень, як нейтрон­ні зірки, білі карлики тощо. У сучасній хімії (див. Квантова хімія) вона дає змогу роз­рахувати з високою точністю роз­ташува­н­ня атомів у молекулах, теплоту хімічних реакцій, енергію основного стану молекул, ви­значити направленість хімічних звʼязків.

К. ф. лежить в основі низки найважливіших технічних досягнень 20 та поч. 21 ст. — ядерної енергетики (див. Атомна енергетика), напів­провід­никової техніки, квантової електроніки, створен­ні потужних носіїв інформації, нових матеріалів. У остан­ні роки широко обговорюють можливості створе­н­ня квантових компʼютерів — принципово нових обчислювальних при­строїв, які б працювали на основі квантових законів. Хоча найбільше квантові явища проявляються у мікросистемах, проте при деяких умовах вони спо­стерігаються й в макросистемах. До остан­ніх можна від­нести явища над­провід­ності, надплин­ності та ін. Для опису квантових явищ використовують апарат квантової механіки та квантової теорії поля. Історія становле­н­ня та роз­витку К. ф. починається 1900, коли М. Планк роз­робив квантову теорію теплового ви­промінюва­н­ня світла. Наявна до цього часу теорія, яка ґрунтувалася на положе­н­нях класичної електродинаміки та статистичної фізики, призводила до так званої ультрафіолетової ката­строфи (полягає в тому, що спектральна густина потужності ви­промінюва­н­ня необмежено зро­стає, коли довжина хвилі необмежено зменшується).

М. Планк висунув гіпотезу, що, на від­міну від класичного положе­н­ня, енергія ви­промінюється та по­глинається атомами не без­перервно, а квантовими порціями, причому енергія остан­ніх пропорційна частоті ви­промінюва­н­ня Е = hv. 1905 для поясне­н­ня законів фотоефекту німецький та американський фізик А. Айнштайн роз­винув цю гіпотезу. Він зробив припуще­н­ня, що не­зважаючи на те, що в багатьох екс­периментах світло проявляє властивості хвилі, при деяких об­ставинах (на­приклад, в явищі фотоефекту — вибиван­ні світлом електронів з атомів) саме світло також слід роз­глядати як потік корпускул (одержали назву «фотони»). Тим самим А. Айнштайн висунув гіпотезу про корпускулярно-хвильову природу світла. 1923 її у своїх дослідах із роз­сія­н­ня рентгенівських променів на електронах екс­периментально під­твердив американський фізик А.-Г. Комптон. Того ж року французький фізик Л. де Бройль зробив припуще­н­ня, що усім мікрочастинкам притаман­ні також властивості хвилі, та встановив, що довжина хвилі λ для частинки, яка має імпульс p, ви­значається залежністю λ = h/p (ці хвилі були на­звані його імʼям). Частоту хвилі де Бройля роз­раховують через енергію E частинки v = E/h.

1927 американські фізики К.-Дж. Девіс­сон і Л. Джермер спо­стерігали явище дифракції електронів, від­битих від кри­сталу нікелю, чим екс­периментально довели існува­н­ня хвиль де Бройля. Пізніше різноманітні явища дифракції та інтерференції для багатьох мікрочастинок (нейтронів, атомів та ін.) спо­стерігалися в різних лабораторіях світу. 1913 данський фізик Н.-Г. Бор, роз­виваючи ідею Планка, постулював існува­н­ня квантува­н­ня електрон­них орбіт і тим самим квантува­н­ня енергії в атомах. При пере­ходах атома з одного квантового рівня на інший ви­промінюється або по­глинається квант світла, частота якого виражається через різницю енергетичних рівнів v = (E₁–E₂)/h. Ця теорія до­зволила пояснити існува­н­ня лінійчастого спектра, що є основною особливістю атомних спектрів. Екс­периментально існува­н­ня дис­кретних енергетичних рівнів в атомі під­твердили 1914 німецькі фізики Дж. Франк і Г. Герц. Власне, енергетичні рівні роз­раховують на основі рівня­н­ня Шредінґера, одного з головних рівнянь квантової механіки (на­звано на честь ав­стрійського фізика Е. Шредінґера, який сформулював його 1926).

Здобутки К. ф. важливі для поясне­н­ня властивостей твердих тіл. Так, 1907 А. Айнштайн встановив, що залежність теплоємності твердих тіл від температури повʼязана з квантовою природою коливань кри­сталічної ґратки. 1912 німецький та американський фізик П. Дебай удосконалив квантову теорію теплоємності, внаслідок чого кількісним методом було описано наявні екс­периментальні дані. Квантовий під­хід до опису поведінки електрона в кри­сталічній ґратці уможливив пояснити, чому тверді тіла діляться на метали, ді­електрики та напів­провід­ники, а також низку інших властивостей твердих тіл.

Одним із явищ К. ф., якому немає аналога у класичній фізиці, є тунельний ефект, який полягає в тому, що квантовий обʼєкт може подолати потенційний барʼєр, величина якого пере­вищує кінетичну енергію самого обʼєкта. Яскравий приклад цього явища — α-роз­пад ядер, теорію якого 1928 роз­робив український та американський вчений Дж. Ґамов. Тунельний ефект також лежить в основі таких явищ, як спонтан­ний поділ ядер, термо­ядерний синтез, його за­стосовують в роботі тунельного мікро­скопа, роз­ряджен­ні елементів флеш-памʼяті тощо. По­єд­на­н­ня квантової механіки та спеціальної теорії від­носності до­зволило значно роз­ширити можливості квантової теорії. Проте повністю провести таке обʼ­єд­на­н­ня вдалося лише в рамках квантової теорії поля, яка вимагає квантува­н­ня полів. Першою закінченою квантовою теорією поля була квантова електродинаміка. На основі квантової калібрувальної теорії вдалося обʼ­єд­нати електромагнітні та слабкі взаємодії в одну теорію (слабо­електродинаміка), головні перед­баче­н­ня якої були повністю під­тверджені екс­периментально, зокрема доведено існува­н­ня W- та Z-бозонів — носіїв слабких взаємодій. Квантова теорія сильних (ядерних) взаємодій формулюється на основі квантової хромодинаміки — квантової теорії поля для кварків та глюонів, з яких складаються протони, нейтрони та ін. сильно взаємодіючі частинки. Нині вчені намагаються обʼ­єд­нати слабо­електродинаміку з квантовою хромодинамікою.

Літ.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 3. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. Москва, 1974; Федорченко А. М. Теоретична фізика. Квантова механіка, термодинаміка і статистична фізика. Т. 2. К., 1993; Любимов А., Киш Д. Введение в экспериментальную физику частиц. Москва, 2001; Юхновський І. Р. Основи квантової механіки. К., 2002; Пінкевич І. П., Сугаков В. Й. Теорія твердого тіла. К., 2006; Білий М. У., Охрименко Б. А. Атомна фізика. К., 2009; Давидов О. С. Квантова механіка. Л., 2012.

О. П. Кобушкін

Завантажити статтю