www.wikidata.uk-ua.nina.az
Stara kva ntova teo riya inodi stara kva ntova meha nika 1 pidhid do opisu atomnih yavish sho buv rozvinutij u 1900 1924 rokah i pereduvav kvantovij mehanici Harakterna risa teoriyi vikoristannya klasichnoyi mehaniki ta deyakih pripushen sho superechili yij Osnovoyu staroyi kvantovoyi teoriyi bula model atoma Bora do yakoyi piznishe Arnold Zommerfeld 2 dodav kvantuvannya z komponenti kutovogo momentu yake nevdalo nazvali prostorovim kvantuvannyam Kvantuvannya z komponenti dalo zmogu vvesti eliptichni elektronni orbiti j zaproponuvati ideyu energetichnogo virodzhennya Uspihom staroyi kvantovoyi teoriyi buv korektnij opis atoma vodnyu ta normalnogo efektu Zeemana Osnovnij instrument staroyi kvantovoyi teoriyi kvantuvannya Bora Zommerfelda procedura sho formuye deyakij diskretnij nabir staniv integrovnogo ruhu klasichnoyi sistemi j viznachaye yih yak dozvoleni stani ciyeyi sistemi analogichno do dozvolenih orbit u modeli Bora Sistema mozhe perebuvati lishe v cih stanah i v zhodnih inshih Cya teoriya nespromozhna opisuvati haotichnij ruh oskilki vimagaye povnoyi zamknenosti trayektorij ruhu klasichnoyi sistemi Zmist 1 Istoriya 2 Osnovni principi 3 Eksperimentalna baza 3 1 Viprominyuvannya absolyutno chornogo tila 3 2 Fotoefekt 3 3 Doslid Franka Gerca 4 Prikladi zastosuvannya 4 1 Teplovi vlastivosti garmonichnogo oscilyatora 4 2 Odnovimirnij potencial 4 2 1 Pryamokutna potencialna yama 4 2 2 Linijnij potencial 4 2 3 Kvadratichnij potencial 4 3 Rotator 4 4 Atom vodnyu 4 5 Relyativistska orbita keplerivska problema 5 Hvili de Brojlya 6 Matricya perehodiv Kramersa 7 Obmezhennya staroyi kvantovoyi teoriyi 8 Div takozh 9 Dzherela 10 LiteraturaIstoriya Redaguvati nbsp Maks Plank nbsp Nils BorTochkoyu vidliku staroyi kvantovoyi teoriyi i kvantovoyi mehaniki vzagali vvazhayetsya poyava robit Maksa Planka z viprominyuvannya ta poglinannya svitla na samomu pochatku XX stolittya 3 4 Bezposerednya rozrobka kvantovoyi teoriyi pochalasya z vprovadzhennyam Ejnshtejnom kvantovoyi modeli teployemnosti tverdogo tila U modeli Ejnshtejna vvazhayetsya sho kozhen atom u gratci ye nezalezhnim kvantovanim garmonichnim oscilyatorom sho daye mozhlivist poyasniti poryad iz klasichnim zakonom Dyulonga Pti za visokih temperatur padinnya teployemnosti za nizkih U takij sposib kvantovi principi buli poshireni na ruh atomiv Piznishe Debaj vdoskonaliv cyu model U 1913 roci Nils Bor vikoristav mirkuvannya yaki vin zgodom sformulyuvav yak princip vidpovidnosti j rozrobiv model atoma vodnyu sho mogla poyasniti jogo diskretnij spektr sformulyuvavshi dva vidomih postulati Piznishe Arnold Zommerfeld rozvinuv ideyi Bora poshirivshi jogo model na dovilni integrovni sistemi vikoristovuyuchi princip adiabatichnoyi invariantnosti kvantovih chisel Model Zommerfelda bula znachno blizhchoyu do suchasnoyi kvantovoyi mehaniki nizh model Bora Protyagom 1910 h ta na pochatku 1920 h rokiv za dopomogi staroyi kvantovoyi teoriyi bulo uspishno rozv yazano bagato zadach Stala zrozumiloyu priroda kolivalnih ta obertalnih spektriv molekul vidkritij spin elektrona sho poyasnilo isnuvannya napivcilih kvantovih chisel Plank uviv nulovi kolivannya Zommerfeld uspishno zastosuvav model Bora do relyativistskogo atoma vodnyu a Gendrik Kramers poyasniv efekt Shtarka Boze ta Ejnshtejn zaproponuvali kvantovu statistiku dlya fotoniv Kramers zaproponuvav metod rozrahunku jmovirnostej perehodu mizh kvantovimi stanami z vikoristannyam fur ye komponent ruhu yakij vin razom iz Vernerom Gejzenbergom rozvinuv piznishe u matrichne napivklasichne zobrazhennya jmovirnostej perehodu Potim na osnovi cih idej Gejzenberg pobuduvav matrichnu mehaniku formulyuvannya kvantovoyi mehaniki na osnovi matric perehodu U 1924 roci Luyi de Brojl rozrobiv hvilovu teoriyu materiyi yaku trohi piznishe rozvinuv Ejnshtejn vivivshi napivklasichne rivnyannya dlya hvil materiyi U 1926 roci Ervin Shredinger zaproponuvav kvantovomehanichne hvilove rivnyannya sho dalo zmogu zibrati dokupi vsi rezultati staroyi kvantovoyi teoriyi bez bud yakih neuzgodzhenostej Hvilova mehanika Shredingera rozvivalasya nezalezhno vid matrichnoyi mehaniki Gejzenberga ale v eksperimentah bulo vidno sho obidva metodi peredbachayut odnakovi rezultati Pol Dirak u 1926 roci pokazav sho obidvi kartini ye ekvivalentnimi i vitikayut iz bilsh zagalnogo metodu teoriyi predstavlen 5 Poyava matrichnoyi ta hvilovoyi mehaniki oznamenuvali kinec staroyi kvantovoyi teoriyi Osnovni principi RedaguvatiOsnovnoyu ideyeyu staroyi kvantovoyi teoriyi ye te sho ruh atomnoyi sistemi ye kvantovanim diskretnim Sistema pidkoryayetsya zakonam klasichnoyi mehaniki za yedinim vinyatkom ne vsi ruhi sistemi dozvoleni a lishe ti sho vidpovidayut takomu pravilu H p q E p i d q i n i h displaystyle oint limits mathcal H p q E p i dq i n i h nbsp de p i displaystyle p i nbsp kanonichni impulsi q i displaystyle q i nbsp spryazheni do nih koordinati n i displaystyle n i nbsp kvantovi chisla sho ye cilimi Integral beretsya za zamknenoyu trayektoriyeyu ruhu sho vidpovidaye postijnij energiyi E displaystyle E nbsp yaka opisuyetsya funkciyeyu Gamiltona H displaystyle mathcal H nbsp Krim togo integral ye plosheyu v fazovomu prostori yaka vidpovidaye klasichnij diyi Ale diya ye kvantovanoyu v odinicyah staloyi Planka tomu chasto stalu Planka nazivayut kvantom diyi Dlya togo shob umova kvantuvannya mala sens klasichnij ruh maye vidokremlyuvatisya tobto mayut isnuvati koordinati q i displaystyle q i nbsp taki sho ruh u takih koordinatah bude periodichnim Stara kvantova teoriya pidkoryuyetsya principovi vidpovidnosti yakij osnovanij na tih sposterezhennyah sho velichini yaki kvantuyutsya mayut buti adiabatichnimi invariantami Eksperimentalna baza RedaguvatiViprominyuvannya absolyutno chornogo tila Redaguvati Dokladnishe Absolyutno chorne tilo nbsp Pri zmenshenni temperaturi maksimum spektralnoyi intensivnosti viprominyuvannya absolyutno chornogo tila zsuvayetsya do bilsh dovgih dovzhin hvili a jogo visota zmenshuyetsya Krim togo krivi spektralnoyi intensivnosti zliva porivnyuyutsya z klasichnoyu formuloyu Releya Dzhinsa sprava Odniyeyu z golovnih zadach fiziki kincya XIX stolittya bula problema viprominyuvannya absolyutno chornogo tila Absolyutno chorne tilo ce fizichna idealizaciya tilo sho povnistyu poglinaye padayuche viprominyuvannya bud yakih dovzhin hvil Najbilsh chorni realni rechovini napriklad sazha poglinayut do 99 padayuchogo viprominyuvannya u vidimomu diapazoni dovzhin hvil odnak infrachervone viprominyuvannya poglinayetsya nimi znachno girshe Sered til Sonyachnoyi sistemi absolyutno chornomu tilu najbilsh vidpovidaye Sonce Za klasichnoyu termodinamikoyu spektralna intensivnist I n viprominyuvannya maye buti odnakovoyu dlya bud yakih absolyutno chornih til nagritih do odnakovoyi temperaturi Take peredbachennya pidtverdzhuyetsya eksperimentom Spektralna intensivnist dosyagaye maksimumu za deyakoyi chastoti nmax a z obidvoh bokiv vid maksimumu padaye do nulya Chastota maksimumu nmax yak i jogo visota zbilshuyetsya z temperaturoyu Sprobi teoretichno peredbachiti formu eksperimentalnoyi krivoyi spektralnoyi intensivnosti absolyutno chornogo tila na osnovi zakoniv klasichnoyi fiziki priveli do formuli Releya Dzhinsa 6 7 I n 2 p c 2 k T n 2 displaystyle I nu frac 2 pi c 2 kT nu 2 nbsp Okrim oblasti malih chastot zakon formuli Releya Dzhinsa ne uzgodzhuyetsya z eksperimentom Vin peredbachaye sho povna intensivnist viprominenoyi energiyi bezmezhno zrostaye ultrafioletova katastrofa ale v dijsnosti povna intensivnist skinchenna V 1900 roci Maks Plank postulyuvav 4 sho obmin energiyeyu mizh atomami j vipushenim nimi elektromagnitnim viprominyuvannyam vidbuvayetsya diskretnimi porciyami energiyi a najmensha porciya energiyi pri zadanij chastoti n dorivnyuye E h n displaystyle E h nu nbsp de h konstanta Planka Tilki cili kratni energiyi hn mozhut peredavatisya pri vzayemodiyi atomiv i viprominyuvannya Vikoristovuyuchi cej postulat Plank viviv formulu dlya spektralnoyi intensivnosti teplovogo rivnovazhnogo elektromagnitnogo viprominyuvannya absolyutno chornogo tila I n 2 p n 2 c 2 h n e h n k T 1 displaystyle I nu frac 2 pi nu 2 c 2 frac h nu e frac h nu kT 1 nbsp sho prekrasno uzgodzhuyetsya z eksperimentom Takim chinom Plank rozv yazav problemu viprominyuvannya absolyutno chornogo tila vikoristovuyuchi superechnu klasichnij fizici ideyu pro kvantuvannya energiyi Fotoefekt Redaguvati Dokladnishe FotoefektFotoefekt yavishe viprominyuvannya rechovinoyu elektroniv pid diyeyu svitla i zagalom kazhuchi bud yakogo elektromagnitnogo viprominyuvannya Pershi sistematichni doslidzhennya fotoefektu vikonav rosijskij fizik Stolyetov 1888 roku vstanovivshi dekilka vazhlivih zakonomirnostej Klyuchovim momentom viyavivsya toj fakt sho energiya fotoelektroniv absolyutno ne zalezhit vid intensivnosti padayuchogo svitla pidvishennya intensivnosti lishe zbilshuye chislo elektroniv ale ne yihnyu shvidkist Prote viyavilosya sho shvidkist elektroniv zalezhit vid chastoti viprominyuvannya prichomu zi zbilshennyam chastoti energiya fotoelektroniv pidvishuyetsya linijno Taki yavisha buli nezrozumilimi z poziciyi klasichnoyi elektrodinamiki Teoretichne poyasnennya fotoefektu dav Albert Ejnshtejn u 1905 roci Vikoristovuyuchi gipotezu Planka vin pripustiv sho svitlo ne tilki viprominyuyetsya porciyami kvantami a j vzagali yavlyaye soboyu potik kvantiv fotoniv iz energiyeyu hn Pri fotoefekti chastina padayuchogo svitla vidbivayetsya vid poverhni a insha chastina pronikaye vseredinu poverhnevogo sharu metalu j poglinayetsya tam Koli elektron poglinaye foton vin otrimuye vid nogo energiyu i zdijsnyuyuchi robotu vihodu Aout pokidaye metal Otozh mayemo rivnyannya Ejnshtejna dlya fotoefektu h n A o u t P e V displaystyle h nu A out P eV nbsp de P energiya ionizaciyi yaku mozhna vvazhati dlya metaliv rivnoyu nulyu oskilki metal maye veliku kilkist vilnih elektroniv eV kinetichna energiya fotoelektrona Otzhe yavishe fotoefektu ye eksperimentalnim pidtverdzhennyam gipotezi Planka ta nayavnosti v svitla korpuskulyarnih vlastivostej Doslid Franka Gerca Redaguvati Dokladnishe Doslid Franka GercaEksperiment z nepruzhnogo rozsiyannya elektroniv na atomah buv postavlenij u 1913 1914 rokah Dzhejmsom Frankom ta Gustavom Lyudvigom Gercom 8 Vin pidtverdiv spravedlivist postulativ Bora U comu doslidi atomi abo molekuli bilsh mensh rozridzhenogo gazu bombarduyutsya povilnimi elektronami Pri comu doslidzhuyetsya rozpodil shvidkostej do j pislya zitknen Yaksho zitknennya pruzhni to rozpodil shvidkostej ne zminyuyetsya i navpaki u vipadku nepruzhnih zitknen chastina elektroniv vtrachaye svoyu energiyu viddayuchi yiyi atomam z yakimi voni zaznali zitknen tozh rozpodil shvidkostej zminyuyetsya V rezultati doslidu Franka Gerca viyavilosya sho pri shvidkostyah elektroniv sho menshi za deyaku kritichnu shvidkist zitknennya ye cilkom pruzhnim tobto elektron ne peredaye atomu svoyu energiyu ale vidskakuye vid nogo zminyuyuchi lishe napryam svoyeyi shvidkosti pri shvidkostyah sho dosyagayut kritichnoyi shvidkosti udar ye nepruzhnim tobto elektron vtrachaye svoyu energiyu i peredaye yiyi atomu yakij pri comu perehodit do inshogo stacionarnogo stanu sho harakterizuyetsya bilshoyu energiyeyu Prikladi zastosuvannya RedaguvatiTeplovi vlastivosti garmonichnogo oscilyatora Redaguvati Garmonichnij oscilyator najprostisha sistema staroyi kvantovoyi teoriyi Zapishemo gamiltonian H p 2 2 m m w 2 q 2 2 displaystyle mathcal H frac p 2 2m frac m omega 2 q 2 2 nbsp Energetichni rivni sistemi viznachayutsya orbitami ruhu a orbiti vidbirayutsya za tim kvantovim pravilom sho plosha v fazovomu prostori yaku pokrivaye kozhna orbita maye buti ciloyu Zvidsi viplivaye sho energiya kvantuyetsya za pravilom Planka E n n ℏ w displaystyle E n n hbar omega nbsp vidomij rezultat za yakim formulyuyetsya pravilo kvantuvannya staroyi kvantovoyi teoriyi Slid zaznachiti sho cej rezultat vidriznyayetsya vid spravzhnogo na ℏ w 2 displaystyle hbar omega 2 nbsp oskilki z kvantovoyi mehaniki vidomo sho nulovij riven dlya garmonichnogo oscilyatora maye energiyu ℏ w 2 displaystyle hbar omega 2 nbsp Termodinamichni velichini dlya kvantovanogo garmonichnogo oscilyatora mozhna viznachiti za dopomogoyu userednennya energiyi v kozhnomu z diskretnih staniv U 1 Z n n ℏ w e n ℏ w k T ℏ w e ℏ w k T 1 e ℏ w k T displaystyle U frac 1 Z sum limits n n hbar omega e frac n hbar omega kT hbar omega e frac hbar omega kT over 1 e frac hbar omega kT nbsp de k displaystyle k nbsp konstanta Bolcmana T displaystyle T nbsp absolyutna temperatura yaka vimiryuyetsya u prirodnishih energetichnih odinicyah Z n e n ℏ w k T displaystyle Z sum limits n e frac n hbar omega kT nbsp statistichna suma Legko bachiti sho pri duzhe nizkih temperaturah tobto velichina b 1 k T displaystyle beta frac 1 kT nbsp ye velikoyu serednya energiya garmonichna energiya garmonichnogo oscilyatora U displaystyle U nbsp duzhe shvidko dosyagaye nulya eksponencialno Prichina polyagaye v tomu sho k T displaystyle kT nbsp ye harakternoyu energiyeyu dovilnogo ruhu za temperaturi T displaystyle T nbsp i yaksho vona ye menshoyu za ℏ w displaystyle hbar omega nbsp yiyi ne vistachaye dlya togo shob peredati oscilyatoru hocha b odin kvant energiyi Tozh garmonichnij oscilyator zalishayetsya v osnovnomu stani Ce oznachaye sho za duzhe nizkih temperatur zmina energiyi vidnosno b displaystyle beta nbsp i zrozumilo temperaturi ye maloyu Zmina energiyi vidnosno temperaturi ye teployemnistyu tozh teployemnist ye maloyu za nizkih temperatur pryamuyuchi do nulya yak e ℏ w k T displaystyle e frac hbar omega kT nbsp Za visokih temperatur tobto pri malih b displaystyle beta nbsp serednya energiya U displaystyle U nbsp dorivnyuye k T displaystyle kT nbsp Cej fakt uzgodzhuyetsya iz zakonom rivnorozpodilu klasichnoyi termodinamiki kozhnij garmonichnij oscilyator za temperaturi T displaystyle T nbsp maye serednyu energiyu k T displaystyle kT nbsp Ce oznachaye sho teployemnist oscilyatora postijna v klasichnij mehanici j dorivnyuye konstanti Bolcmana k displaystyle k nbsp Dlya sukupnosti atomiv sho z yednani pruzhinami prijnyatna model tverdogo tila povna teployemnist dorivnyuye N k displaystyle Nk nbsp de N displaystyle N nbsp kilkist oscilyatoriv V cilomu kozhnomu atomovi zistavlyayut tri oscilyatori vrahovuyuchi tri mozhlivi napryamki oscilyacij u troh vimirah Tomu teployemnist klasichnogo tverdogo tila dorivnyuye 3 k displaystyle 3k nbsp na atom abo 3 R displaystyle 3R nbsp na mol Odnoatomni tverdi tila za kimnatnih temperatur mayut priblizno taku samu teployemnist 3 k displaystyle 3k nbsp na atom ale za nizkih temperatur ce ne tak Zi zmenshennyam temperaturi teployemnist takozh zmenshuyetsya i dosyagaye nulya pri absolyutnomu nuli temperatur Cej fakt spravdzhuyetsya dlya vsih materialnih sistem i skladaye tretij zakon termodinamiki Klasichna mehanika ne mozhe poyasniti tretij zakon termodinamiki oskilki v yiyi ramkah vvazhayetsya sho teployemnist ne zalezhit vid temperaturi Ce protirichchya mizh klasichnoyu mehanikoyu ta teployemnistyu holodnih til bulo pomichene Maksvellom u XIX stolitti usunennya cogo protirichchya bulo skladnoyu zadacheyu dlya tih hto vidstoyuvav atomarnu teoriyu materiyi Ejnshtejn rozv yazav cyu problemu v 1906 roci zaproponuvavshi ideyu kvantuvannya atomarnogo ruhu model Ejnshtejna Ce bulo pershim zastosuvannyam kvantovoyi teoriyi do mehanichnih sistem Trohi piznishe Debaj rozvinuv kilkisnu teoriyu teployemnosti tverdih til na osnovi kvantovanih garmonichnih oscilyatoriv iz riznimi chastotami model Debaya Odnovimirnij potencial Redaguvati Za bud yakoyi energiyi E mozhna legko znajti impuls p za dopomogi zakonu zberezhennya energiyi p 2 m E V q displaystyle p sqrt 2m E V q nbsp Cej viraz integruyetsya za vsima znachennyami q mizh klasichnimi tochkami povorotu de impuls dorivnyuye nulyu Pryamokutna potencialna yama Redaguvati Najprostishij vipadok chastinka v pryamokutnij potencialnij yami dovzhinoyu L dlya yakoyi umova kvantuvannya maye takij viglyad 2 0 L p d q n h displaystyle 2 int 0 L pdq nh nbsp zvidki impuls p n h 2 L displaystyle p frac nh 2L nbsp Integruyuchi pravu chastinu rivnyannya dlya impulsu mozhna znajti energetichni rivni E n n 2 h 2 8 m L 2 displaystyle E n frac n 2 h 2 8mL 2 nbsp Linijnij potencial Redaguvati Rozglyanemo inshij potencial linijnij yakij vidpovidaye postijnij sili F Taka zadacha dovoli skladna v kvantovomehanichnomu formulyuvanni j na vidminu vid inshih vipadkiv napivklasichnij rezultat ne ye tochnim ale nablizhayetsya do takogo pri zbilshenni znachen kvantovih chisel Mayemo 2 0 E F 2 m E F x d x n h displaystyle 2 int 0 frac E F sqrt 2m E Fx dx nh nbsp sho daye umovu kvantuvannya 4 3 2 m E 3 2 F n h displaystyle 4 over 3 sqrt 2m E 3 2 over F nh nbsp zvidki mozhna viznachiti energetichni rivni E n 3 F 4 2 m n h 2 3 displaystyle E n left frac 3F 4 sqrt 2m nh right 2 3 nbsp Kvadratichnij potencial Redaguvati Napivklasichnij rezultat ciyeyi zadachi zbigayetsya iz kvantovomehanichnim u vipadku obchislennya energiyi osnovnogo stanu Umova kvantuvannya matime viglyad 2 2 E k 2 E k 2 m E 1 2 k x 2 d x n h displaystyle 2 int sqrt frac 2E k sqrt frac 2E k sqrt 2m left E frac 1 2 kx 2 right dx nh nbsp zvidki viznachayemo energetichni rivni E n h 2 p k m n ℏ w displaystyle E n frac h 2 pi sqrt frac k m n hbar omega nbsp de w displaystyle omega nbsp kutova chastota Rotator Redaguvati Rotator skladayetsya z tila masi M sho zakriplene na bezmasovomu zhorstkomu strizhni dovzhinoyu R ta opisuyetsya nastupnim dvovimirnim lagranzhianom L 2 D M R 2 f 2 2 displaystyle mathcal L 2D frac MR 2 dot varphi 2 2 nbsp z yakogo mozhna viraziti kutovij moment L displaystyle L nbsp sho zalezhit vid polyarnogo kuta f displaystyle varphi nbsp L M R 2 f displaystyle L MR 2 dot varphi nbsp Stara kvantova teoriya vimagaye shob kutovij moment buv kvantovanim L n ℏ displaystyle L n hbar nbsp V modeli Bora takoyi umovi kvantuvannya sho nakladayetsya na kolovi orbiti vistachaye dlya viznachennya energetichnogo spektru Trivimirnij zhorstkij rotator opisuyetsya dvoma kutami 8 i f sferichnoyi sistemi koordinat vidnosno dovilno obranoyi osi Oz Znovu do lagranzhianu vhodit lishe kinetichna energiya L 3 D M R 2 8 2 2 M R 2 f sin 8 2 2 displaystyle mathcal L 3D frac MR 2 dot theta 2 2 frac MR 2 dot varphi sin theta 2 2 nbsp Kanonichni impulsi matimut viglyad p 8 8 displaystyle p theta dot theta nbsp p f f sin 2 8 displaystyle p varphi dot varphi sin 2 theta nbsp Rivnyannya dlya f trivialne p f displaystyle p varphi nbsp ye konstantoyu p f l f displaystyle p varphi l varphi nbsp sho dorivnyuye z komponenti kutovogo momentu Dali z umovi kvantuvannya viplivaye sho pislya integruvannya za kutom f vid 0 do 2p l f m ℏ displaystyle l varphi m hbar nbsp de m tak zvane magnitne kvantove chislo Nazva pohodit vid togo sho z komponenta kutovogo momentu dorivnyuye magnitnomu momentu rotatora vzdovzh osi Oz ochevidno yaksho chastinka na kinci rotatora zaryadzhena Povnij kutovij moment trivimirnogo rotatora kvantovanij analogichno do dvovimirnogo Dvi umovi kvantuvannya viznachayut dovilni znachennya povnogo kutovogo momentu ta jogo z komponenti za dopomogi kvantovih chisel l m Ci umovi prisutni j u kvantovij mehanici ale v chasi panuvannya staroyi kvantovoyi teoriyi bulo nezrozumilo yak mozhe buti kvantovanoyu oriyentaciya kutovogo momentu vidnosno dovilno obranoyi osi Oz Zdavalosya sho zvidsi viplivaye isnuvannya deyakogo vidilenogo napryamku v prostori Ce yavishe otrimalo nazvu prostorovogo kvantuvannya ale zdavalosya nesumisnim iz izotropnistyu prostoru V kvantovij mehanici kutovij moment kvantuyetsya takim samim chinom ale jogo diskretni stani vzdovzh odniyeyi osi ye superpoziciyeyu staniv vzdovzh inshih osej tomu v procesi kvantuvannya ne vinikaye deyakij vidilenij napryam u prostori Tomu zaraz termin prostorovogo kvantuvannya ne vzhivayetsya zamist nogo vikoristovuyut termin kvantuvannya kutovogo momentu Atom vodnyu Redaguvati Kutova chastina atoma vodnyu ce rotator sho harakterizuyetsya kvantovimi chislami l m Zalishayetsya nevidomoyu lishe radialna koordinata sho zadayetsya odnovimirnim periodichnim ruhom Pri fiksovanomu znachenni povnogo kutovogo momentu L funkciya Gamiltona klasichnoyi zadachi Keplera maye viglyad tut zminni obrani takim chinom shob masa ta energiya znikali z rivnyannya H p 2 2 l 2 2 r 2 1 r displaystyle mathcal H frac p 2 2 frac l 2 2r 2 frac 1 r nbsp Fiksuyuchi energiyu yak vid yemnu konstantu ta rozv yazuyuchi otrimane rivnyannya vidnosno impulsu p mayemo umovu kvantuvannya 2 2 E l 2 r 2 2 r d r k h displaystyle 2 int sqrt 2E frac l 2 r 2 frac 2 r dr kh nbsp sho viznachaye nove kvantove chislo k yake v sukupnosti z chislom l viznachaye energetichni rivni E k l 1 2 k l 2 displaystyle E k l frac 1 2 k l 2 nbsp Legko bachiti sho energiya zalezhit vid sumi kvantovih chisel k i l yaku mozhna oznachiti yak she odne kvantove chislo n yake nazivayetsya golovnim kvantovim chislom Yaksho k nevid yemne to dozvoleni znachennya chisla l pri zadanomu n mozhut buti ne bilshimi za dane znachennya n Napivklasichnij atom vodnyu maye nazvu modeli Zommerfelda v yakij orbiti ye elipsami Model Zommerfelda peredbachala toj fakt sho magnitnij moment atoma yakij vimiryuyetsya vzdovzh deyakoyi osi matime lishe diskretni znachennya Cej rezultat nibito superechiv izotropnosti prostoru ale buv pidtverdzhenij doslidom Shterna Gerlaha Teoriya Bora Zommerfelda bula odnim iz najvazhlivishih etapiv rozvitku kvantovoyi mehaniki oskilki opisuvala mozhlivist rozsheplennya energetichnih rivniv atoma v magnitnomu poli tobto poyasnyuvala efekt Zeemana Relyativistska orbita keplerivska problema Redaguvati Relyativistskij rozv yazok dlya energetichnih rivniv atoma buv otrimanij Arnoldom Zommerfeldom 2 Zapishemo relyativistske rivnyannya dlya energiyi z elektrostatichnim potencialom E m 0 c 2 1 1 v 2 c 2 1 k Z e 2 r displaystyle E m 0 c 2 left frac 1 sqrt 1 frac v 2 c 2 1 right k frac Ze 2 r nbsp i zrobimo zaminu u 1 r displaystyle u frac 1 r nbsp 1 1 v 2 c 2 1 E m 0 c 2 k Z e 2 m 0 c 2 u displaystyle frac 1 sqrt 1 frac v 2 c 2 1 frac E m 0 c 2 k frac Ze 2 m 0 c 2 u nbsp Vipishemo virazi dlya impulsiv p r m r displaystyle p r m dot r nbsp p f m r 2 f displaystyle p varphi mr 2 dot varphi nbsp todi yih vidnoshennya dorivnyuvatime p r p f d u d f displaystyle frac p r p varphi frac du d varphi nbsp i zvidsi mozhna otrimati rivnyannya ruhu rivnyannya Bine d 2 u d f 2 1 k 2 Z 2 e 4 c 2 p f 2 u m 0 k Z e 2 p f 2 1 E m 0 c 2 w 0 2 u K displaystyle frac d 2 u d varphi 2 left 1 k 2 frac Z 2 e 4 c 2 p varphi 2 right u frac m 0 kZe 2 p varphi 2 left 1 frac E m 0 c 2 right omega 0 2 u K nbsp rozv yazok yakogo maye viglyad u 1 r K A cos w 0 f displaystyle u frac 1 r K A cos omega 0 varphi nbsp Kutovij zsuv pericentru za odin period skladaye D f 2 p 1 w 0 1 displaystyle Delta varphi 2 pi left frac 1 omega 0 1 right nbsp Umovi kvantuvannya v nashomu vipadku matimut takij viglyad p f d f 2 p p f n f h displaystyle oint p varphi d varphi 2 pi p varphi n varphi h nbsp p r d r p f 1 r d r d f 2 d f n r h displaystyle oint p r dr p varphi oint left frac 1 r frac dr d varphi right 2 d varphi n r h nbsp zvidki mozhna obchisliti energetichni rivni E n r n f m 0 c 2 1 a 2 Z 2 n r n f 2 a 2 Z 2 2 1 2 1 displaystyle frac E n r n varphi m 0 c 2 left 1 frac alpha 2 Z 2 n r sqrt n varphi 2 alpha 2 Z 2 2 right 1 2 1 nbsp de a 2 p k e 2 h c displaystyle alpha frac 2 pi ke 2 hc nbsp stala tonkoyi strukturi Cej rezultat zbigayetsya z rozv yazkom rivnyannya Diraka 9 Krim togo yaksho zrobiti zamini kvantovih chisel n r n r 1 2 displaystyle n r to n r 1 2 nbsp ta n f l 1 2 displaystyle n varphi to l 1 2 nbsp to otrimana formula zbigatimetsya z tochnim rozv yazkom rivnyannya Klejna Gordona 10 Hvili de Brojlya Redaguvati nbsp Luyi de BrojlV 1905 roci Ejnshtejn pomitiv sho entropiya elektromagnitnogo polya v skrinci yake za Plankom zobrazhayetsya kvantovanimi garmonichnimi oscilyatorami dlya vipadku korotkih hvil dorivnyuye entropiyi gazu tochkovih chastinok u takij samij skrinci prichomu kilkist chastinok dorivnyuye kilkosti kvantiv Tozh Ejnshtejn dijshov visnovku sho kvant mozhna interpretuvati yak lokalizovanu chastinku 11 chastinku svitla foton Argumentaciya Ejnshtejna gruntuvalasya na termodinamici na pidrahunku chisla staniv tomu bula dovoli neperekonlivoyu Nezvazhayuchi na ce vin visunuv gipotezu pro te sho svitlo maye yak hvilovi tak i korpuskulyarni vlastivosti tochnishe ce stoyacha elektromagnitna hvilya z chastotoyu w displaystyle omega nbsp ta kvantovanoyu energiyeyu E n ℏ w displaystyle E n hbar omega nbsp yaku mozhna predstaviti u viglyadi n fotoniv iz energiyami ℏ w displaystyle hbar omega nbsp Ale Ejnshtejn ne mig poyasniti yakim chinom fotoni pov yazani z hvileyu Fotoni mayut energiyu ta impuls sho dorivnyuye ℏ k displaystyle hbar mathbf k nbsp de k displaystyle mathbf k nbsp hvilovij vektor elektromagnitnoyi hvili Cogo vimagaye teoriya vidnosnosti za yakoyu impuls ta energiya utvoryuyut 4 vektor yak i chastota z hvilovim vektorom V 1924 roci Luyi de Brojl visunuv gipotezu pro te sho materiya zokrema elektron analogichno do fotona opisuyetsya hvileyu sho zadovolnyaye nastupne spivvidnoshennya p ℏ k displaystyle p hbar k nbsp abo zapisuyuchi hvilove chislo k displaystyle k nbsp cherez dovzhinu hvili l displaystyle lambda nbsp p h l displaystyle p frac h lambda nbsp Potim vin pomitiv sho umova kvantuvannya p d x ℏ k d x 2 p ℏ n displaystyle int pdx hbar int kdx 2 pi hbar n nbsp viznachaye zminu fazi hvili koli vona prohodit uzdovzh klasichnoyi orbiti Tozh chislo dovzhin hvil yake umishayetsya na klasichnij orbiti maye buti cilim Taka umova poyasnyuye fakt sho orbiti mayut buti kvantovanimi hvili materiyi utvoryuyut stoyachi hvili tilki pri deyakih diskretnih chastotah ta energiyah Napriklad dlya chastinki yaka pomishena do skrinki stoyacha hvilya maye umishuvati cile chislo dovzhin hvili mizh stinkami skrinki Todi umova kvantuvannya maye viglyad n l 2 L displaystyle n lambda 2L nbsp tomu impuls kvantuyetsya tak p n h 2 L displaystyle p frac nh 2L nbsp viznachayuchi tim samim energetichni rivni Ejnshtejn rozvinuv cyu gipotezu dali j nadav yij bilsh matematichnoyi formi pomitivshi sho fazovu funkciyu dlya hvil v mehanichnij sistemi slid ototozhniti z rozv yazkom rivnyannya Gamiltona Yakobi Piznishe na osnovi cih idej Shredinger zaproponuvav svoye kvantovomehanichne rivnyannya zaklavshi tim samim osnovi hvilovoyi mehaniki Matricya perehodiv Kramersa Redaguvati nbsp Gendrik KramersStara kvantova teoriya bula sformulovana lishe dlya deyakogo klasu mehanichnih sistem Napriklad vona ne pracyuvala z poglinannyam ta emisiyeyu viprominennya Odnak Gendrik Kramers sprobuvav znajti pravila za yakimi mozhna rozrahovuvati poglinannya ta viprominyuvannya 12 13 14 Kramers dopustiv sho orbitu kvantovoyi sistemi mozhna rozklasti v ryad Fur ye za garmonikami iz kratnimi do chastoti w displaystyle omega nbsp orbiti chastotami X n t k e i k w t X n k displaystyle X n t sum k infty infty e ik omega t X nk nbsp Tut pid indeksom n mayetsya na uvazi nabir kvantovih chisel sho harakterizuye orbitu i maye zbigatisya z naborom n l m modeli Zommerfelda Chastota w 2 p T n displaystyle omega 2 pi T n nbsp ce kutova chastota orbiti k indeks fur ye komponenti Bor dopuskav sho k ta garmonika klasichnogo ruhu vidpovidaye perehodu z rivnya n na riven n k Kramers vvazhav sho perehid mizh stanami analogichnij do klasichnoyi emisiyi viprominennya sho vidbuvayetsya z chastotami kratnimi do orbitalnih chastot Intensivnist viprominyuvannya bude proporcijnoyu do X k 2 displaystyle X k 2 nbsp yak i maye buti v klasichnij mehanici Ale takij opis netochnij yaksho chastoti fur ye komponent ne vidpovidayut tochno energiyam perehodu mizh rivnyami Piznishe ci ideyi buli rozvinuti Gejzenbergom Bornom i Jordanom 15 16 17 sho prizvelo do poyavi matrichnoyi mehaniki Obmezhennya staroyi kvantovoyi teoriyi RedaguvatiStara kvantova teoriya i zokrema model Bora buli vazhlivim krokom u rozvitku teoriyi budovi atoma Na pochatku XX stolittya koli zastosuvannya kvantovih gipotez bulo radshe mistectvom nizh naukoyu uspihi staroyi kvantovoyi teoriyi spravlyali gliboke vrazhennya Vona pokazala nezastosovnist klasichnoyi fiziki do vnutrishnoatomnih yavish ta velike znachennya kvantovih zakoniv na mikroskopichnomu rivni Ale stara kvantova teoriya ye lishe perehidnim etapom do stvorennya poslidovnoyi teoriyi atomnih yavish oskilki v yiyi ramkah mozhna rozv yazati lishe obmezhene kolo zadach Osnovnimi prichinami krizi staroyi kvantovoyi teoriyi yaka prizvela do neobhidnosti buduvannya novoyi kvantovoyi mehaniki buli 18 vnutrishnye logichne protirichchya teoriya ne ye ani poslidovno kvantovoyu ani poslidovno klasichnoyu nespromozhnist poyasniti anomalnij efekt Zeemana nemozhlivist rozrahunku intensivnosti spektralnih linij nemozhlivist pobudovi teoriyi bagatoelektronnogo atoma zokrema atoma geliyu Piznishe stalo zrozumilim sho stara kvantova teoriya faktichno ye kvaziklasichnim nablizhennyam rivnyannya Shredingera 19 Div takozh RedaguvatiKvaziklasichne nablizhennya Kvantova mehanika Matrichna mehanika Postulati BoraDzherela Redaguvati Tipler P A Lluellin R A Sovremennaya fizika M Mir 2007 T 1 496 s a b Zommerfeld A Stroenie atoma i spektry M GITTL 1956 592 696 s Planck M Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum Verhandl Deutsch phys Ges 1900 Bd 2 S 237 ros pereklad Plank M K teorii raspredeleniya energii izlucheniya normalnogo spektra Izbrannye trudy M Nauka 1975 788 s a b Planck M Uber das Gesetz der Energieverteilung in Normalspektrum Ann Physik 1901 Bd 4 S 553 ros pereklad Plank M O zakone raspredeleniya energii v normalnom spektre Izbrannye trudy M Nauka 1975 788 s Dirac P A M The Physical Interpretation of the Quantum Dynamics Proc R Soc Lond A 1927 Vol 113 P 621 641 ros pereklad Dirak P A M Fizicheskaya interpretaciya kvantovoj dinamiki Sobranie nauchnyh trudov M Fizmatlit 2003 T 2 848 s Strutt J W Rayleigh Remarks upon the law of complete radiation Phil Mag 1900 Vol 49 P 539 540 Jeans J H On the laws of radiation Proc R Soc Lond A 1905 Vol 76 P 545 552 Franck J Hertz G L Uber Zusammenstosse zwischen Elektronen und Molekulen des Quecksilberdampfes und die Ionisierungsspannung desselben Verh Dtsch Phys Ges 1914 Bd 16 S 457 467 Granovskij Ya I Formula Zommerfelda i teoriya Diraka UFN 2004 T 174 vip 5 S 577 578 Vakarchuk I O Kvantova mehanika 4 e vidannya dopovnene L LNU im Ivana Franka 2012 872 s Einstein A Uber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt Ann Physik 1905 Bd 17 H 6 S 132 ros pereklad Ejnshtejn A Ob odnoj evristicheskoj tochke zreniya kasayushejsya vozniknoveniya i prevrasheniya sveta Sobranie nauchnyh trudov M Nauka 1966 T 3 632 s Kramers H A Intensities of Spectral Lines On the Application of the Quantum Theory to the Problem of Relative Intensities of the Components of the Fine Structure and of the Stark Effect of the Lines of the Hydrogen Spectrum Roy Danish Academy 1919 P 287 Kramers H A Uber den Einfluss eines elektrischen Feldes auf die Feinstruktur der Wasserstofflinien Zs Phys 1920 Bd 3 S 199 223 Kramers H A The Law of Dispersion and Bohr s Theory of Spectra Nature 1924 Vol 113 P 673 674 Heisenberg W Uber quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen Zs Phys 1925 Bd 33 S 879 893 ros pereklad Gejzenberg V O kvantovoteoreticheskoj interpretacii kinematicheskih i mehanicheskih sootnoshenij Izbrannye trudy V Gejzenberg M URSS 2001 616 s Born M Jordan P Zur Quantenmechanik Zs Phys 1925 Bd 34 S 858 888 ros pereklad Born M Jordan P K kvantovoj mehanike Izbrannye trudy V Gejzenberg M URSS 2001 616 s Heisenberg W Born M Jordan P Zur Quantenmechanik II Zs Phys 1926 Bd 35 S 557 615 ros pereklad Gejzenberg V Born M Jordan P K kvantovoj mehanike II Izbrannye trudy V Gejzenberg M URSS 2001 616 s Shpolskij E Atomnaya fizika M Nauka 1974 T 1 576 s Landau L D Lifshic E M Kvantovaya mehanika Nerelyativistskaya teoriya Teoreticheskaya fizika M Fizmatlit 2008 T 3 800 s Literatura RedaguvatiVakarchuk I O Kvantova mehanika 4 e vidannya dopovnene L LNU im Ivana Franka 2012 872 s Bom D Kvantovaya teoriya Quantum Theory M Nauka 1965 728 s Born M Atomnaya fizika Atomic Physics Moderne Physik M Mir 1970 592 s Dzhemmer M Evolyuciya ponyatij kvantovoj mehaniki The Conceptual Development of Quantum Mechanics M Nauka 1985 384 s Klajn B V poiskah Fiziki i kvantovaya teoriya The Questioners Physicists and the Quantum Theory M Atomizdat 1971 288 s Messia A Kvantovaya mehanika Mecanique quantique M Nauka 1978 T 1 480 s Tipler P A Lluellin R A Sovremennaya fizika Modern Physics M Mir 2007 T 1 496 s Trejman S Etot strannyj kvantovyj mir The Odd Quantum Izhevsk RHD 2002 224 s Shpolskij E Atomnaya fizika M Nauka 1974 T 1 576 s ter Haar D The Old Quantum Theory Pergamon Press 1967 Cya stattya nalezhit do vibranih statej Ukrayinskoyi Vikipediyi Otrimano z https uk wikipedia org w index php title Stara kvantova teoriya amp oldid 31610978