Kvant mexanika eksperimental asoslari Reja

Kvant mexanika eksperimental asoslari

Reja:

1. Kirish. Klassik fizikaning asosiy qiyinchiliklari.

2. Kvant mexanika faninig predmeti va vazifalari.
3. Mikroobektlarning xossalvrini tavsiflashda klassik fizikaning zaifligi.

XIX asrning oxiri – XX asrning boshiga kelib klassik nazariyada asosan fizikaviy sistema holatini rivojlanishini tola ifodalash uchun mustaqil kattaliklardan foydalanilgan va ular muayyan vaqt momentidagi dinamik o’zgaruvchilar deb nomlangan. Ushbu kattaliklar vaqtning har bir momentida aniq qiymatga ega bo’lib, ularning qiymatlari to’plami sistemaning dinamik holatini aniqlab beradi. Bundan tashqari, agar fizikaviy sistemaning holati uchun barcha koordinatalarning holati vaqtining boshlangich momentida ham berilgan bo’lsa, u xolda fizikaviy sistemani vaqt bo’yicha rivojlanishini to’la to’kis aniqlangan bo’ladi va uning keyingi harakatini ham oldindan aytib berishga imkon yaratiladi. Matematik nuqtai nazardan qaraganda, dinamik o’zgaruvchilar vaqtning funksiyasi bo’lib ikkinchi tartibli differensial tenglamalar sistemasiga bo’ysunadi. Shunday qilib, klassik norelyativistik nazariyaning asosiy maqsadi tekshirilayotgan sistemaning dinamik o’zgaruvchilarini aniqlab olib, vaqt bo’yicha ularning o’zgarishini ifodalovchi harakat tenglamalarini tuzishdan iborat.

Klassik mexanikaning asosiy qonunlari Nyuton tomonidan ta’riflab berilgandan boshlab XIX asrning oxirigacha ushbu dastur muvaffaqiyatli rivojlanib keldi va yangi eksperimental natijalarni paydo bo’lishi, nazariy jihatdan, yangi dinamik o’zgaruvchilarni va yangi tenglamalarni paydo bo’lishiga olib keldi. Shu bilan bir qatorda yangi hodisani, yoki yangi jarayonni umumiy nazariy sxemaga kiritish katta kiyinchiklar tug’dirmadi. Shu davr ichida biror bir eksperimental natija yo’ki fizik kashiriyot yuqoridagi qayd etilgan dasturni to’g’riligiga shubha tug’dirmadi. Bu rivojlanish 1900 yilgacha muvaffaqiyatli davom ettirildi, lekin mikroskopik darajadagi fizikaviy hodisalar to’g’risidagi bilimlarimizni borgan sari ko’payishi va chuqurlashishi natijasida klassik fizika bir qator qiyinchiliklar va qarama-qarshiliklarga duch keldi.
Juda tez ma’lum bo’ldiki, klassik fizika asosida atom hamda subatom darajasidagi fizikaviy hodisalarni va ulardagi bo’ladigan jarayonlarni aniq ifodalash mumkin bo’lmay qoldi va ularni to’g’ri talqin qilish uchun principial yangi nazariyani yaratish ehtiyoji tug’ildi.
Ma’lumki, bizni kurshab olgan koinotda ikki hil ob’yektlarni farq qilamiz: modda va nurlanish. Modda aniq koordinatalarga ega bo’lgan korpuskulalardan tashkil topgan bo’lib, ularning harakati Nyuton mexanikasining qonunlariga bo’ysinadi, vaqtning berilgan momentida har bir korpuskulani holati uning joylashishi va tezligi bilan aniqlanadi, ya’ni oltita mustaqil dinamik o’zgaruvchilar bilan ifodalahadi. Moddaning korpuskulyar nazariyasi koinotdagi jismlarning va katta ulchamdagi ob’yektlarning mexanikasi bilan chegaralanadi.
Keyinchilik modda tuzilishining atom gipotezasi paydo bo’lishi bilan, korpuskulyar nazariya yordamida mikroskopik darajadagi barcha fizikaviy hodisalarni ham tushuntirishga xarakat qilindi. To’g’ridan to’gri atom gipotezasini tekshirishga imkoniyat bo’maganligi sababli, juda ko’p vaqt va e’tibor bilvosita xarakterga ega bo’lgan isbotlarga qaratildi, ya’ni molekulalardan tashkil topgan moddiy jismlarning makroskopik xususiyatlarini tekshirishda alohida har bir molekulani harakat qonunlaridan kelib chiqildi. Matematik jihatdan bu masala nihoyatda murakkabdir, chunki biz erkinlik darajasi soni juda ko’p bo’lgan sistemaning dinamik o’zgaruvchilarini o’rtacha qiymatini hisobga olishimiz kerak. Eslatib o’taylik bir molga to’g’ri keladigan molekulalar soni N=6,02 · 10²³ (Avagadro soni) ga teng.
Bunday sistemani harakat tenglamalarini aniq echish mumkin emas va biz tadqiqotlarni statistik usullar yordamida yechishimiz kerak. Shunday qilib, yangi fan-statistik mexanika vujudga keldi. Gazlar harakatini tekshirish (gazlarning kinetik nazariyasi) va termodinamikadan (statistik termodinamika) olingan yangi natijalar moddaning korpuskulyar nazariyasining asosiy qoidalarini sifatli va imkoniyat darajasida aniq miqdoriy hisoblashlarga imkon yaratadi.
Shu paytning o’zida fizikaning boshqa bo’limlari bilan birga elektr va magnit hodisalar haqidagi ta’limot ham tez sur’atlarda rivojlana boshladi. Bu sohada katta muvaffaqiyatlarga ingliz fizigi J.Maksvell erishdi. 1865 yilda elektromagnit nazariyasining asosiy qonunlarini va ularni ifodalovchi tenglamalarni keltirib chiqardi. Mexanikada Nyuton qonunlari qanday rol o’ynasa, elektromagnetizm sohasida J.Maksvell tenglamalari ham shunday ahamiyat kasb etadi.
Nurlanish hodisasi esa, Maksvell tomonidan kashf etilgan elektromagnit nazariyasining qonunlariga bo’ysunadi hamda nurlanishni dinamik o’zgaruvchilar soni cheksiz ko’p bo’lib, fazoning har bir nuqtasidagi elektr va magnit maydonlar orqali namoyon bo’ladi. Moddadan farqliroq, nurlanishni alohida-alohida korpuskulalarga ajratish mumkin emas, nurlanish to’lqin xususiyatga ega bo’lib, interferensiya va difraksiya kabi hodisalar orqali o’zini namoyon etadi. Nurlanishning to’lqin nazariyasi XIX asrning birinchi yarmida fransuz fizigi Frenel tomonidan asoslab berildi. To’lqin tarqalish muammolarini to’g’ri hal etilgandan keyin, to’lqin ginotezisidan kelib chiqadigan barcha natijalarni tekshirishga va bu gipoteza asosida ma’lum bo’lgan yorug’lik hodisalarini, shu jumladan geometrik optikani ham tushuntirishga imkon yaratildi. Optika sohasida yorug’likning to’lqin nazariyasi asosida o’tkazilgan qator mashhur ishlar to’lqin nazariyasini tutgan o’rnini yanada mustahkamladi.
Yorug’likni elektromagnetizm nazariyasini yaratishga XIX asr o’rtalarida kashf etilgan bir qator hodisalar salmoqli o’rin tutdi. Fazoda elektromagnit maydon yorug’likning vakuumdagi tezligiga teng bo’lgan tezlik bilan to’lqin tarzda tarqalishi bevosita Maksvell tenglamalaridan kelib chiqadi. Shunday qilib, elektromagnit to’lqinlarning bo’sh fazoda, yani vakuumda, tarqalishi Maksvell tomonidan nazariy ravishda oldindan keltirib chiqarildi va yorug’likning elektromagnit nazariyasi yaratdi. Bu nazariyaga ko’ra, yorug’lik juda kichik to’lqin uzunligiga ega bo’lib, elektromagnit to’lqinlardan iboratdir. Keyinchalik nemis fizigi G.Gerts bo’sh fazoda elektromagnit to’lqinlarni eksperimental ravishda mavjudligini isbotladi. Shu bilan optika va elektromagnetizmni uzviy bog’liqligi isbotlandi.
Bizga ma’lumki, optikadagi muhim hodisalardan biri nurlanish hodisasidir va uning turli xillari mavjud. Masalan, gazlardan elektr toki o’tishi jarayonida vujudga keladigan nurlanish, oksidlanayotgan fosforni nurlanishi, elektronlar bilan qattiq jismlarni bombardimon qilish natijasida vujudga keladigan nurlanish, qizdirilgan jismning nurlanishi, yani issiklik nurlanishi va hokazo. Yoqoridagi qayd etilgan nurlanishlar bir-biridan o’zlarining vujudga kelishi tabiati bilan ajralib turadi. Har qanday nurlanish jarayonida energiyaning biror turi nurlanish energiyasiga aylandi va jumladan issikliq nurlanishida energiyaning bir qismi elektromagnit to’lqin tarzida nurlanadi. Issiklik nurlanishi o’zining xusussiyati bilan boshqa nurlanishlardan keskin farq qiladi, chunki bu nurlanish muvozanatli holatga tegishli bo’lgan nurlanishdir.
Jismlarning issiqlik nurlanishi qonuniyatlarini nazariy nuqtai tomonidan tushuntirish XIX asr oxiri- XX asr boshlariga kelib klassik fizikadagi eng muhim muammoga aylangan edi.Elektromagnit nurlanishning intensivligi va spektrlar ustida olib borilgan izlanishlarda klassik fizika birinchi bor jiddiy mag’lubiyatga uchradi.
Biz bilamizki, agar jism sirtiga nurlanish tushsa, u xolda ikki xil hodisa ro’y beradi: nurlanishning ma’lum bir qismi jism tomonidan yutiladi, qolgan qismi esa jism sirtidan qaytadi. Jism nurlarni qancha kam qaytarsa, u shuncha qoraroq tuyiladi. Agar o’ziga tushgan nurlanishni jism qaytarmasdan to’la yutib qolsa, u bizga mutlaqo qora tuyuladi.Yoqorida qayd etilgan xususiyatga ega bo’lgan jismlarni biz absolyut qora jism deymiz. “Absolyut qora jism”deb, unga tushayotgan har qanday chastotali yorug’likni batamon yutish qobiliyatiga ega bo’lgan jismga aytiladi.
Kvant nazariyasining paydo bo’lish tarixi absolyut qora jismning issiqlik nurlanishi spektrini hisoblashdagi urinishlar bilan bog’liqdir. (1-rasm) Bunday jismlarning issiqlik nurlanishi ajoyib xususiyatga ega: ularning spektri, ya’ni nurlanishning chastotalar bo’yicha tahsimlanishi, jismning tabiati bilan mutlaqo bog’liq emas. Masalan, har qanday yopiq bo’shliqni, yoki qora kuyani absolyut qora jism deb qarasak bo’ladi, chunki ularning nurlanish spektri bir xil, sababi ularning har ikkalasi ham o’ziga tushayutgan yorug’likni to’liq yutadilar. Ana shu xususiyat tufayli nazariy jihatdan absolyut qora jismning nurlanish spektrini statistik fizikadagi metodlar yordamida hisoblash mumkin.