Источник: Никеров В.А. Физика: Учебник и сборник задач, 2-е изд., перераб. и доп. ИТК Дашков и К. 2022. 580 стр. Одобрен Минобрнауки РФ.
Квантовая физика - раздел физики, изучающий квантовую оптику и квантовую теорию излучения, атомную и ядерную физику, а также дающий представление о современной физической картине мира. Толчок к созданию квантовой физики дало изучение свойств фотона на рубеже 19 и 20 веков.
В соответствии с современными представлениями, свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу: в одних явлениях свет обнаруживает свойства волн (о них говорилось выше), а в других - свойства частиц. Волновые и квантовые свойства неотъемлемо дополняют друг друга. Квантовые световые явления: фотоэффект, эффект Комптона, линейчатость спектров испускания и поглощения атомов и молекул – изучаются квантовой оптикой.
Альберт Эйнштейн предположил, что свет состоит из неделимых фотонов, энергия которых пропорциональна частоте с коэффициентом пропорциональности, равным постоянной Планка. При этом импульс фотона пропорционален волновому вектору с тем же коэффициентом пропорциональности.
В 1924 году французский физик Луи де Бройль предположил, что корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, и каждая материальная частица обладает волновыми свойствами, причем соотношения, связывающие волновые и корпускулярные характеристики частицы, остаются такими же, как и в случае фотонов. Эти соотношения позволили понять, почему волновые свойства реально проявляются лишь у микрочастиц - небольших частиц с небольшой энергией. Речь может идти, например об электронах и ядрах атомов, а также об атомах жидкого гелия.
Главной идеей квантовой физики можно считать неопределенность. Математически эту идею обычно выражают через приближенные неравенства, связывающие импульс с координатой и энергию со временем. В классической механике всякая частица движется по определенной траектории, так что в любой момент времени точно фиксированы ее координата и импульс. Но микрочастица проявляет волновые свойства, а волна – это протяженный в пространстве и времени объект. Поэтому нельзя определить точку, где она расположена, и момент времени, когда она прошла данную точку. Из-за дуализма нельзя говорить о движении микрочастицы по определенной траектории и об одновременном определении точных значениях ее координаты и импульса. Так, нельзя определить длину волны по значению напряженности в одной точке, поскольку волна является протяженным объектом. А монохроматическая волна задается бесконечной во времени и пространстве синусоидой и не имеет фиксированной координаты. И чем короче отрезок синусоиды, тем больше разброс длин волн и частот. Импульс однозначно связан с длиной волны де Бройля. Поэтому, чем больше мы получаем информации об импульсе микрочастицы, тем меньше имеем информации о ее координате. И наоборот. То же имеет место для энергии и времени.
Наиболее фундаментальный и одновременно наиболее простой подход к обоснованию, определению вида и интерпретация соотношений неопределенностей для импульса и энергии должно базироваться на детальном спектральном анализе типичной волны де Бройля с помощью преобразования Фурье. Спектральный анализ показывает, что чем длинней цуг синусоиды волны в пространстве и времени, тем монохроматичней волна и меньше неопределенность энергии и импульса, но при этом естественно волна больше размыта по пространству и времени. И наоборот. Иными словами, для того, чтобы точно измерить импульс (волновой вектор) и энергию (частоту) частицы-волны, надо иметь достаточно большой цуг волны в пространстве и времени, а значит, теряется информация о координате и времени. Выбранный подход сразу показывает, что соотношения неопределенностей для импульса и энергии имеют сходную природу.
Для описания различных видов волн де Бройля сформулировано уравнение Шредингера и получены его характерные решения. Так показано, что энергия частицы в потенциальном ящике с бесконечно высокими стенками принимает лишь определенные дискретные значения (квантуется).
Неопределенность энергии частицы может позволить ей пройти через высокий потенциальный барьер, через который она неспособна пройти в классической физике (туннельный эффект). А может позволить ей отразиться от низкого потенциального барьера, что также невозможно в классической физике. Важный пример туннельного эффекта — процесс термоядерного синтеза, питающий энергией звезды и являющийся перспективным неисчерпаемым источником энергии для человечества.
Сегодня все известные в природе силы являются продуктом четырех фундаментальных взаимодействий, которые можно расположить по убыванию интенсивности в следующем порядке:
сильное взаимодействие,
электромагнитное взаимодействие,
слабое взаимодействие,
гравитационное взаимодействие.
Фундаментальные взаимодействия переносятся элементарными частицами – переносчиками фундаментальных взаимодействий. Эти частицы называют калибровочными бозонами. Процесс фундаментальных взаимодействий тел можно представить следующим образом. Каждое из тел испускает частицы – переносчики взаимодействий, которые поглощаются другим телом. При этом тела испытывают взаимное влияние.
Сильное взаимодействие может возникать между протонами, нейтронами и прочими адронами. Оно является короткодействующим и характеризуется радиусом действия сил порядка 10-15 м. Переносчиком сильного взаимодействия между адронами являются пионы, причем длительность протекания взаимодействия составляет порядка 10-23 с.
Электромагнитное взаимодействие имеет на 4 порядка меньшую интенсивность по сравнению с сильным взаимодействием. Оно возникает между заряженными частицами. Электромагнитное взаимодействие является длиннодействующим и характеризуется бесконечным радиусом действия сил. Переносчиком электромагнитного взаимодействия являются фотоны, причем длительность протекания взаимодействия составляет порядка 10-20 с.
Слабое взаимодействие имеет на 20 порядков меньшую интенсивность по сравнению с сильным взаимодействием. Оно может возникать между адронами и лептонами. В число лептонов входят, в частности, электрон и нейтрино. Примером слабого взаимодействия является бета-распад нейтрона. Слабое взаимодействие является короткодействующим и характеризуется радиусом действия сил порядка 10-18 м. Переносчиком слабого взаимодействия являются векторные бозоны, причем длительность протекания взаимодействия составляет порядка 10-10 с.
Гравитационное взаимодействие имеет на 40 порядков меньшую интенсивность по сравнению с сильным взаимодействием. Оно возникает между всеми частицами. Гравитационное взаимодействие является длиннодействующим и характеризуется бесконечным радиусом действия сил. Переносчиком гравитационного взаимодействия, возможно, являются гравитоны. Эти частицы пока не найдены, что может быть связано с малой интенсивностью гравитационного взаимодействия. С малой интенсивностью гравитационного взаимодействия связано и то, что из-за малости масс элементарных частиц оно в процессах ядерной физики несущественно.
