петък, 4 май 2012 г.

Приказка за това как била зачената и как се родила квантовата физика

...


“Едно от най-големите предизвикателства пред съвременната наука е да проследи смесването на простотата и сложността, на закономерност и случайност, на ред и безредие нагоре по стълбата от физиката на елементарните частици и космологията до сферата на сложните адаптивни системи”

Мъри Гел-Ман










История за възникването на квантовите идеи




От незапомнени времена човекът търси закономерности в поведението на света.

Научните закони почиват на наблюдения и на теоретични предположения относно определено явление, както и са валидни докато не бъдат опровергани от други наблюдения или нови теории.

Светлината е предизвикала по-вече дискусии от всеки друг феномен.

Историята на квантовата механика води началото си още от 1838 година, когато Майкъл Фарадей открива катодните лъчи.

Около 1874 Исак Нютон постулира, че светлината се състои от частици. Кристиан Хюйгенс пък заявява, че светлината се състои от вълни. Накрая е приет моделът на Нютон, докато английският физик Томас Йънг не доказва обратното. Той демонстрира, че светлината се разпространява подобно на смущенията във вода под формата на вълни. Вълновата теория успява да обясни почти всички оптични и електромагнитни явления и е голям успех на физиката на 19-ти век.

В края на 19-ти век обаче, се оказва, че съществува един минимален брой явления, които не могат да бъдат обяснени или са в пряк конфликт с тази теория. Една от тези аномалии е противоречието, свързано със скоростта на светлината. Постоянната скорост на светлината, изведена от уравненията на Максуел и потвърдена от опитите на Майкелсън-Морли противоречи на законите на механиката, известни и непроменени още от времето на Галилео Галилей, които постулират, че всички скорости са относителни по отношения на наблюдателя.

През 1905 година Алберт Айнщайн разрешава този парадокс като ревизира модела на Галилео за време и пространство и законите на Нютон за движение с добавката за постоянна скорост на светлината. Айнщайн формулира своите идеи в специалната теория на относителността - СТО, която дава съвсем нов поглед върху понятията време и пространство. Айнщайн също така показва равностойността на маса и енергия с широко популярното си уравнение: , където E е енргията, m е обикновено масата в покой или релативистката маса и c е скоростта на светлината във вакуум.








В края на 19 в. осветлението на ток, вече завладява пазара. За да разработят стандарти за крушките, физиците търсят законите по силата на които нагретите тела излъчват топлина и светлина.

Класическата физика допуска, че с нагряването си, тялото трябва да излъчва все повече светлина. Изследванията обаче опровергават това твърдение или поне показват, че не е съвсем точно. При различни температури напр. стоманата свети в различни цветове. Наблюдава се трансформация на топлинна в светлинна енергия. Според класическата физика с повишаване на температурата светлинната енергия трябва да расте докато стигне до ултравиолетово лъчение, недоловимо за човешкото око. Иначе казано, стоманата би трябвало да става невидима. Това допускане обаче, не може да се потвърди експериментално. Стоманата винаги остава видима. Учените започват да се дразнят от това явно противоречие.








Един от многото търсещи обяснение на радиационните процеси е Макс Планк.
Роден в Кил – Германия на 23.04. 1858 г., той е шестото дете в семейство, в което уважението, честността и благонадеждността са важни ценности. Всестранно развит и надарен е. Голямата му страст е пианото и това не се променя до края на живота му. През 1874 г. е приет да учи физика в Мюнхенския университет, макар да го разубеждават. Професорът му по физика в Мюнхен го съветва да не се посвещава на физиката, защото по неговите думи „почти всичко в тази наука вече е открито“, на което Планк отговаря, че той не иска да открива нови неща, а да разбере съществуващите - из основи. Макс Планк се интересува от термодинамика и решава да защити докторска дисертация по темата. През 1894 той започва да работи над проблема на абсолютното черно тяло. Над този проблем работи още Кирхоф през 1859 г. търсейки отговор на въпроси като този - каква е зависимостта на интензитета на излъчването на абсолютно черно тяло от честотата (цвета) и температурата. Експерименталните данни не съвпадат с теорията, предложена от няколко специалисти. Вилхелм Вин предлага формула която добре обяснява поведението при високи честоти, но е невалидна при ниските. Формулата на Релей от друга страна прави точно обратното и създава така наречената ултравиолетова катастрофа.

През 1899, Планк също предлага нов закон, но се оказва, че той не се потвърждава от експериментите, както и другите преди него. 1900 г., формулира закон за излъчването на абсолютно черно тяло, но този първи вариант не взима предвид квантуването на енергията и не употребява статистическа механика. Т.е по този начин формулирания от него закон отново не дава задоволителен отговор. В продължение на пет години Планк се опитва да обясни този феномен с помощта на инструментите на класическата физика и в един момент зарязва „здравият разум” пренебрегвайки до сега установените физични закони, които добре познава и в които дълбоко вярва и ревизира пресмятанията си, благодарение на което, през ноември същата година променя формулата, включвайки статистическата интерпретация на Болцман на втория закон на термодинамиката. В отчаянието си, той отхвърля предишните си убеждения и допуска, че радиацията не се излъчва непрекъснато, а под формата на малки „пакетчета” енергия, които нарича „кванти”. Т.е

Той предполага, че енергията е квантизирана като водата, която тече на капки, а не като непрекъсната струя и общата енергия може да бъде само кратно на кванта на действието - константа обозначавана с h – черта. Така се появява на бял сват закона, който гласи, че енергията е продукт на константата h и честотата на лъчението. Честотата и енергията са известни величини, но епохалното постижение на Планк е въвеждането на константата. По формулата E=hv, излъчената енергия може да бъде само с дискретни (определени, целочислено) кратни на h стойности. Планк обаче, дълго време възприема собствената си идея само като чисто математически подход, който няма съответствие в обективната действителност. За него това е само удобен начин да се опише физичната реалност. Тъй като специалността на Планк всъщност била в областта на теоретичната физика, поради което, той разчитал на приложните физици да изпитат теорията му. Те наистина я потвърждават като дори пресмятат стойността на константата. h = 6,63.10"34 J.s. Според самия Планк, уравнението е само свойство на поглъщането и излъчването на лъчения, което не е свързано с характера на самата енергия.











В разрез с дълбоките убеждения на Планк във верността на досега определените от физиката закони, чрез тази константа той открива, че природата действа „на скокове”. Откритието дълбоко го смущава. И като повечето си колеги и той не може да повярва. Тайно се надява рано или късно да открие нов закон за излъчването в съответствие с принципа за запазването на енергията, който да направи константата излишна. Все пак, коренът на научният живот на Планк е бил в класическата термодинамика и стремежите му били насочени натам. Независимо от това, немското физично общество се събира на 14.12.1900 г. и Планк обявява своя закон – константата, по-късно кръстена на него в негова чест. Този ден се приема като рожден ден за квантовата физика.
След Първата Световна Война получава нобелова награда за физика (1918) като признание за заслугите му за развитието на физиката, чрез откриването на „кванта на действието”, познат още и като „енергийния квант".

След тази си заслуга, той се отдава на научна политика и става ректор на университета „Фридрих Вилхелм”, както и секретар на пруската академия на науките.

Планк посява семенцето за зачеването на квантовата физика, но един друг гений подсигурява почвата, за зачеването на квантовата механика.

Публикацията на СТО(специалната теория на отнозителността) привлича вниманието му и той я популяризира сред физиците в Берлин. Планк не само разпознава гения у Айнщайн, но и съдейства за привличането му в „Пруската Академия на Науките.” Въпреки многобройните разногласия по научни въпроси, Планк и Айнщайн се свързват от дълбоко приятелство. През 1905 г. Айнщайн използва „кванта на действието” , за да обясни фотоелектричния ефект, така той ПРЪВ ИНТЕРПРЕТИРА И ПРИЛАГА КОНСТАНТАТА ПЛАНК ПРАВИЛНО.









Фотоелектричният ефект разкрива други трудности на досегашните физични закони да обяснят явленията, при които, ако повърхността на метал се освети, се освобождават електрони от тази повърхност и протича електрически ток. Експериментите показват, че енергията на индивидуалните електрони е пропорционална на честотата, вместо на интензитета на източника на светлина. Под една определена честота, в зависимост от метала, не протича електрически ток, независимо от интензитета. Това противоречи на вълновата теория и върху този проблем физиците работят в продължение на много години, за да намерят обяснение.

Падащата върху метална пластина светлина може да избива електрони. Очевидно виолетовата светлина или високочестотната светлина с по-къса вълна го може, докато нискочестотната – червена – не, без значение колко (какво количество) червена светлина попада върху металната пластина. Този факт не може да бъде обяснен от „вълновата теория на светлината”.

Поради това, Айнщайн допуска, че светлината е и поток от частици – фотони. Всеки фотон отдава енергията си само на един електрон. Ако тази енергия е достатъчна електронът ще бъде избит. „Виолетовите” фотони имат по-голяма честота и съответно по-голяма енергия от червените, и един виолетов фотон прави това, което безчет червени не могат. За да изчисли нужната енергия за всеки случай, Айнщайн приема, че фотонната, както радиационната енергия, е продукт на тяхната честота и константата на Планк – h.

Американският физик Робърт Миликан доказва опитно тази теория. През 1921 г., след което Айнщайн получава нобелова награда за откриването на закона за фотоелектричния ефект.

Това приложение на квантовата теория показва, че светлината е и вълна и частица. Старият спор за естеството на светлината остава в миналото.
Постепенно квантовата теория се развива и намира приложение във все повече сфери, с което учените започват да се отърсват от опасенията си.

Изследвайки фотоелектричния ефект на основата на квантовата ХИПОТЕЗА, Алберт Айнщайн използва и обобщава идеята на Планк. Неговото допускане, че енергията не само се излъчва и поглъща на „порции“ т. е. на кванти, но и се разпространява по същия начин, довежда до съвременното схващане, че светлината представлява поток от кванти, които впоследствие са наречени фотони, т.е, че светлината е вълна и поток(въкна) от частици едновременно. (така наречената двойствена природа на светлината –корпускулярно- вълновата теория).






Айнщайн разрешава и тази загадка, този път с помощта на забравената и отхвърлена корпускулярна теория на светлината. Поради този факт обаче, идеите на Алберт Айнщайн в началото са посрещнати с голяма доза скептицизъм в средата на известните физици. Но неговото обяснение постепенно се утвърждава, той дори получава Нобеловата си награда именно заради фотоелектичния ефект. Всичко това създава основата за корпускулярно-вълновия дуализъм и една голяма част от квантовата механика. Именно от този постулат на Айнщайн се ражда "широкото поле" на обсъждания, теоретични работи и експерименти, в резултат на което възниква новата област от физиката, така наречената квантовата физика.
Чрез обяснението на фотоелектричният ефект, което предлага Айнщайн убедително показва, че енергията на фотона е пропорционална на неговата честота. Неговата теория изказва становището, че въобще всичко има вълнова и корпускулярна същност и че могат да се проведат различни опити, които да показват едната или другата същност.

Корпускулярната същност е видна повече при обекти с голяма маса. През 1924 година Луи дьо Бройл прави предположение, което кара научната общност да осъзнае, че електроните също проявяват този дуализъм и са едновременно частица и вълна. Вълновата природа на електрона е експериментално потвърдена от Дейвисън и Джермър през 1927 година. Айнщайн получава Нобелова награда през 1921 година за работата си над дуализма на фотона и по-специално заради обяснението си на фотоелектричния ефект. През 1929 година дьо Бройл получава Нобелова награда заради своето предположение, че корпускулярно-вълновият дуализъм е характерен и за други елементарни частици.










В основата на квантовата меха¬ника заляга идеята за корпускулярно-вълновия дуализъм. Според тази идея електронът притежава и вълнови свойства. Това прави описанието на неговото движение по орбита несъстоятелно. Но такова описание се използва и до днес за онагледяване на процесите в атома и поради тази причина моделът на Ръдърфорд-Бор и днес се прилага в обучението по физика. Нещо повече, поради своята нагледност и поради важната роля, която квантовата физика играе през последното столетие, този модел се превърна в своеобразна емблема на научно-техническия прогрес.

Ще разкажа за това как се стига до там, датският физик Нилс Бор да използва идеята за светлинните кванти, за да обясни стабилността на атома и каква е историята на неговата теория.

След продължителни експерименти, в които се изучавало разсейването на а-частици от тънки метални пластинки, през 1911 г. английският физик Ърнест Ръдърфорд предложил модел на атома, известен като планетарен (или ядрен). В него атомът се представял като миниатюрна слънчева система, в центъра на която се намира положително заредено ядро около което обикалят електрони.

Проведените опити потвърдили съществуването на атомни ядра и позволили да се определят някои техни свойства: маса, електричен заряд, размери.

Въпреки тези положителни резултати, моделът на Ръдърфорд не предлагал подходящо обяснение за устойчивостта на атомите и дискретния (линеен) характер на техните спектри.

От детайлният анализ на предложената от Ръдърфорд теория – модел следва, че
въртящият се около ядрото електрон трябва да излъчва електромагнитни вълни и следователно енергията му непрекъснато да намалява. В резултат на това да намалява и радиуса на неговата орбита и за време по-малко от микросекундата той да „падне” върху ядрото. При такова движение на електроните, спектърът на излъчване излиза, че е не¬прекъснат, а атомът - неустойчив. И двата извода са в рязко противоречие с известните свойства на атомите.

Това означавало, че законите на Нютоновата физика, валидни за движението на планетите, не са приложими за движението на електроните в атома.

Датският учен Нилс Бор пръв измежду физиците осъзнава, че поведението на електрона се различава от поведението на големи¬те тела и, че неговото движение не е механично движение.

През 1913 г. Нилс Бор предлага нова теория за строежа и свойствата на атома.

В нейната основа той поставя планетарния модел на Ръдърфорд, но допълнен с идеята на Планк и Айнщайн за квантовия характер на излъчването и поглъщането на светлината.

Бор допуснка, че вътрешната енергия на атомите, подобно на енергията на светлината, се квантува - може да заема само определени стойности. Такива състояния на атома, в които неговата енергия има определени, неизменящи се във времето стойности, се наричат стационарни.

Бор свързва стационарните състояния на атомите с движението на електроните по определени орбити. За да обясни устойчивостта на атомите и наблюдаваните линейни спектри, той допуска съществуването на нови закони за движение на електроните около ядрото.


Тези закони са известни като постулати на Бор:

1. Електроните могат да се движат само по опреде¬лени орбити, наречени стационарни.

2. При своето движение около ядрото електроните не излъчват електромагнитни вълни.

3. Атомите излъчват или поглъщат светлина само при преход на електроните от една стационарна орбита в друга.

4. Енергията, която се излъчва или поглъща, е равна на разликата между енергиите на съответните стационарни състояния.


Нилс Бор прилага своите постулати за обяснение на спектъра на най-простия атом - водородния. Той се състои от положително за¬реден протон (ядро), около който обикаля електрон. Електронът може да се движи само по стационарни орбити, които съответстват на енергетични състояния Еь Ег, Ек, Еп, ... Всяка стационарна орбита се характеризира с кван¬тово число п, което заема цели стойности п = 1, 2,... Най-близката до ядрото орбита притежава квантово число п = 1.

С увеличаване на квантовото число радиусът на орбитите расте. Според теорията на Бор енергията на електрона расте с увеличаване на разстоянието му до ядрото (радиуса на орбитата).

Атомът излъчва светлина, когато електронът извърш¬ва преход от стационарна орбита
с по-голям радиус към орбита с по-малък радиус. При това честотата на излъчената светлина, в съответствие с формулата на Планк, удовлетворява равенството: hv = En-Ek.

Обратно, атомът може да погълне светлина, ако енергията, която тя му придава е достатъчна, за да се осъществи преход на електрона от една стационарна орбита в друга, с по-голям радиус.

С помощта на приетите постулати за движенията на електрона, Бор получил формула за честотата на излъчената или погълната светлина, подобна на изразите, описващи закономерностите в спектралните серии на водородния атом. Оказало се, че пресметнатата според теорията на Бор константа удивително точно съвпадала с опитно определената константа на Ридберг.

Следователно тази теория може да опише всички известни спектрални закономерности за водородния атом. Стационарните състояния на атома могат да се онагледят графично с помощта на система от хоризонтални линии, които се характеризират с определени стойности на квантовите числа. Прието е тези линии да се наричат енергетични нива. Разстоянието между всеки две от тези нива е пропорционално на излъчената при съответния преход енергия.








Казано по друг начин, Бор се опитва да обясни стабилността на атома, допускайки, че електроните не обикалят ядрото БЕЗРАЗБОРНО, А ПО ТОЧНО ОПРЕДЕЛЕНИ ОРБИТИ, по които не могат да губят енергия. Той предполага, че близо до ядрото енергийните нива са по-ниски от периферните. Ако прескочи на „по-горна”(по-външна) орбита, електронът трябва да погълне един квант енергия, т.е фотон, когато се върне, излъчва кванта енергия обратно. Това е прочутият така наречен „квантов скок”, който твърди, че количеството енергия съответства на продукта на константата на Планк и на честотата на фотона. През 1923 г. въз основа на своя модел на атома той първи успява да обясни периодичната система на елементите на Менделеев.

Количествено обяснение на многообразието на явленията в атомния свят дава квантовата механика, за чието същинско развитие заслугата на Бор и неговият институт е голяма. Главната идея на Бор се състои в това, че заимстваните от класическата физика динамични характеристики на микрочастиците - координати, импулс, енергия, не са присъщи на самата частица. Те се разкриват във взаимните им връзки с класическите обекти, за които тези величини имат определен смисъл.

В резултат се създадава обща теория, която обяснява всички процеси в микросвета в нерелативистката област и като граничен случай автоматично води до класическите закони и понятия. Поставени са и основите на релативистката теория. През 1927 г. Бор формулира най-важния принцип във физиката - принципа на допълнителността, а през 1936 г. - фундаменталната за ядрената физика представа за протичането на ядрените реакции - модела на сложните ядра. През 1939 г. съвместно с Дж. А. Уилър развива теорията за деленето на ядрото - процеса, при който се освобождават огромни количества ядрена енергия. Основател е на Института по теоретична физика в Копенхаген и създава там световна научна школа. Израсналите в неговия научен институт физици работят по целия свят. Любимият му ученик и близък приятел е Е. Ландау. Член е на Датското кралско научно дружество, а също и на много други научни дружества и академии. Получава Нобелова награда за физика през 1922 г. От 1920 до 1962 г. е негов директор. През годините 1943 - 1945 работи в САЩ. Участва в проекта Манхатън за създаването на атомната бомба.

С напредването на идеите и опитът обаче, се оказва, че „атомния модел на Бор”, е непълен и вътрешно противоречив, защото механично обединява понятия и закони от класическата физика с квантови условия. Според теорията му, електронът се движи по орбити съгласно с представите на нютоновата механика, но не излъчва енергия, както повелява електромагнитната теория. Освен това теорията на Бор се оказва неприложима за по-сложни атоми - с два, три или повече електрона.

Т.е, той се явява смес от нови постулати и стари методи - планетарият модел на атома, квантовите представи и предложените от Бор постулати, което на свой ред създава предпоставки за съдържащите се теоретични противоречия. Въпреки редицата си недостатъци обаче, той изиг¬рава огромна роля в историята на физиката, показвайки необходимостта от отхвърляне на привичните представи, характерни за физиката на XIX век. Неговата „преходна роля” е исторически обоснована като етап в развитието на всяка една нова идея в теория. При прехода от стари към радикално нови модели и представи, чрез които намираме начин да описваме… да създаваме картина на света, началните хипотези и теории търпят развитие, промяна, несъвършенства, но това не омаловажава важността им.

Великата заслуга на Бор е, че посочва пътя, по който трябва да се създаде нова теория за атома.









Тази теория се създава десетина години след смъртта му и е известна като квантова механика. В квантовата теория на атома постулатите на Бор получават изчерпателна обосновка.

Но Планк със своя "квант на действието”, Алберт Айнщайн с корпускулярно-вълновата теория и Нилс Бор със своя атомен модел изливат основите на една нова физика, легитимирайки първите квантови идеи, създавайки условията за развитието на квантовата физика, която обяснява процесите протичащи в атомните и субатомните частици.

Много от днешните си технологични постижения дължим на квантовата теория.
Сред тях са компютърът, лазерът с множеството си приложения, електронните микроскопи, електрониката въобще. Без квантовата теория медицинската технология днес, би била немислима, като напр. ядрено-магнитния резонанс. Той показва образ на цялото тяло спестявайки на пациента поредицата от отделни прегледи. Позитронно-емисионната томография пък онагледява метаболизма. Тя локализира ракови клетки тъй като различава метаболизма им от този на здравите клетки.

Квантовата физика допринася за възникването и развитието на нанотехнологиите., както и за прогресивното смаляване на съставните части на компютрите, които в резултат ще стават все по-бързи и все по-мощни. Вече има успешни разработки на квантови компютри на бъдещето.








...

...

Няма коментари:

Публикуване на коментар