Historie vzniku kvantové fyziky

Vznik kvantové fyziky  je dlouhý a postupný proces, který trval více než 25 let. Od prvního objevení se konceptu kvanta po vývoj tzv. kodaňské interpretace kvantové mechaniky uplynulo 27 let, naplněných intenzivní prací vědců z celé Evropy. Na vývoji a pochopení kvantové teorie se podílelo mnoho lidí, jak starší generace - Max Born , Max Planck , Paul Ehrenfest , Erwin Schrödinger , tak velmi mladí, vrstevníci kvantové hypotézy - Werner Heisenberg (1901), Wolfgang Pauli (1900 ), Paul Dirac (1902) atd.

Prolog

50-60 léta XIX století.

William Rowan Hamilton (1805-1865), nespokojený s klasickou mechanikou v jejím standardním podání, se domnívá, že popisuje pohyb těles jen přibližně, jako geometrická optika, která popisuje pohyb světelných paprsků, zatímco světlo je vlastně vlna. Na základě svých myšlenek Hamilton staví úplnou obdobu geometrické optiky těles – Hamiltonův-Jacobiho formalismus klasické mechaniky.

1885

Švýcarský učitel Johann Jakob Balmer (1825-1893) ve sporu s přítelem najde empirický vzorec , který umožňuje s velkou přesností vypočítat vlnové délky všech tehdy známých spektrálních čar vodíku. Povaha objeveného vzoru zůstává záhadou.

1891

George Stoney (1826-1911) vydává zprávu „O příčinách dvojitých čar ve spektrech“ na kongresu British Association v Londýně . Tou dobou se již spektrální analýza stala exaktní vědou, byly objasněny základní zákony elektrolýzy a byla pečlivě vyvinuta elektromagnetická teorie světla. Právě tyto teorie vedou Stoneyho k závěru, že čáry ve spektrech chemických prvků a sloučenin mohou být způsobeny oscilačním pohybem elektronů – nejmenších částic elektrického náboje – v atomech a molekulách. Stoney také tvrdí, že nejpravděpodobnější příčinou spekter je orbitální pohyb elektronů v atomu: „Tento pohyb lze vyřešit Fourierovou větou jako superpozici dílčích pohybů, z nichž každý je jednoduchým oscilačním pohybem podél elipsy. a každý z těchto dílčích pohybů vytváří svou vlastní linii ve spektru. Stoney vysvětluje dvojité spektrální čáry precesí eliptických drah, způsobenou slabými přídavnými silami působícími v atomu.

1895

Wilhelm Konrad Roentgen (1845-1923) při svých studiích katodových paprsků zjišťuje, že místo, kde dopadají na sklo trubice, kromě fosforescence ve viditelném světle vyzařuje ještě nějaké další záření silně pronikavého charakteru. Roentgen nazývá jev, který objevil , rentgenové záření . Nevychylují se v magnetických a elektrických polích, tudíž nejsou nabité, ale otázka vlnové či korpuskulární povahy záření zůstává otevřená.

1896

Henri Becquerel (1852-1908), studující fosforescenci uranových solí aktivovaných slunečním zářením, zanechává o zamračeném víkendu vzorek soli v papírové obálce na fotografické desce a poté jej náhodně vyvolá. Na destičce jsou viditelné skvrny odpovídající poloze a velikosti ponechaných vzorků. Další studie ukazují, že spontánní emise solí uranu má stejné penetrační vlastnosti jako rentgenové záření. Objevený jev se nazývá radioaktivita .

Nizozemský fyzik Peter Zeeman (1865-1943) objevuje štěpení spektrálních čar v magnetickém poli - Zeemanův jev . Ve stejném roce ji Hendrik Anton Lorenz (1853-1928) interpretuje jako důsledek poruchy elektronů oscilujících v atomech magnetickým polem. O rok později Joseph Larmor (1857-1942) interpretuje normální Zeemanův efekt jako důsledek změny frekvencí elektronů na kruhových drahách kolem iontů v molekulách. Pak ukazuje, že podle zákonů elektrodynamiky musí vyzařovat urychlený náboj a odvozuje intenzitu tohoto záření.

1899

Hermann Gaga a Cornelius Harm Wind (1867-1911) získali první důkaz o vlnové povaze rentgenového záření. Vyfotografují úzkou klínovitou štěrbinu v platinové desce o tloušťce 0,5 mm a pozorují její difrakční rozšíření, jak se štěrbina zužuje. Odhad udává vlnovou délku v řádu 2 angstromů.

1900

Johannes Robert Rydberg (1854-1919) shrnuje 11 let pečlivého, vysoce přesného spektrálního měření a vyjadřuje získané zákonitosti v uspořádání čar ve spektrech alkalických kovů pomocí vzorců podobných Balmerovu vzorci. Stručně řečeno, Rydberg dochází k závěru, že frekvence všech jejich spektrálních čar mohou být reprezentovány s velkou přesností jako rozdíly dvou veličin - členů , převzatých z určité množiny, vlastních pro každý studovaný prvek. To je znepokojující, protože John William Rayleigh (1842-1919) o tři roky dříve ukázal, že všechny klasické zákony záření zahrnují frekvenční čtverce, nikoli jejich první mocniny.

1901

Jean Perrin (1870-1942) staví historicky první planetární model atomu a opouští jej pro absolutní nestabilitu takového systému z hlediska elektrodynamiky.

1902

William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907) ve svém článku "Atomized Aepinus" připomíná model atomu petrohradského akademika Franze Ulricha Theodora Aepinus (1724-1802), ve kterém je atom reprezentován jako koule jednotně. nabitý kladnou elektřinou, v jejímž středu je elektron .

1903

Joseph John Thomson (1856-1940) ve svých přednáškách na Yaleově univerzitě a v knize Electricity and Magnetism, aby vysvětlil anomálně nízkou ionizaci plynů rentgenovým zářením, naznačuje, že čelo vlny má zrnitou strukturu, tedy místa s aktivní energií se v ní střídají s místy nulové intenzity. „Potíže s vysvětlením této slabé ionizace zmizí, pokud místo toho, abychom uvažovali o přední části rentgenové vlny uniformy, předpokládáme, že se skládá z velmi jasných bodů oddělených mezerami, kde je jas velmi malý, protože v tomto případě nejen všechny molekuly, ale pravděpodobně i různé části téže molekuly jsou vystaveny různým podmínkám; tento případ je analogický svazku katodových paprsků procházejících plynem; v tomto případě může být počet molekul kolidujících s paprsky malou částí celkového počtu molekul.

Japonský fyzik Hantaro Nagaoka (1865-1950) navrhl planetární model atomu: ve středu je kladný náboj, kolem kterého krouží prstence elektronů jako prstence Saturnu. Spektrální čáry v tomto modelu odpovídají oscilacím elektronů při nepatrných posunech na jejich drahách. Frekvence vypočítané z modelu víceméně přibližně popisují spektrální čáry některých prvků.

Philip Lenard (1862-1947), studující průchod katodových paprsků tenkými kovovými deskami, dochází k závěru, že „v jednom krychlovém metru i té nejkompaktnější hmoty, jako je platina, je celkem méně než jeden krychlový milimetr ... neprostupný prostor.“ V tomto ohledu předkládá myšlenku struktury atomů sestávajících z dynamidů rozmístěných v prostoru - komplexů vázaných kladných a záporných nábojů.

1904

Joseph John Thomson ve zvláštním článku a o dva roky později na přednáškách pořádaných v Royal Institution a v knize „Corpuscular Theory of Matter“ navrhuje a rozvíjí svůj model atomu  – jak se tomu říká „pudingový model“. ". "Elektrony jsou nezbytnou součástí struktury atomů různých prvků." Jsou rozmístěny v kladně nabité části atomu, jehož tvar pro usnadnění výpočtů Thomson navrhuje brát jako rovnoměrně nabitý a kulový. Hlavní problém své teorie formuluje takto: „Jak by obecně mělo být uspořádáno n tělísek (jak Thomson nazývá elektrony), pokud jsou umístěny v kouli, a celkový počet záporných náboje na krvinkách se rovnají kladnému náboji v kouli." Thomson nenašel obecné řešení, ale v článku tento problém řeší v konkrétním případě, kdy všechny elektrony leží ve stejné rovině. Řešením je systém soustředných prstenců s rostoucím počtem elektronů v každém z nich. Podle Thomsona se počty elektronů v kruzích mění podle složitého částečně periodického zákona, který může podle jeho názoru vysvětlit opakovatelnost chemických a fyzikálních vlastností prvků. Kromě toho se elektronové prstence v atomu otáčejí a tělíska, která je skládají, mohou oscilovat, takže spektrum příbuzných prvků „by mělo odhalovat řadu čar, jejichž počty vibrací jsou ve vzájemném stálém vztahu“. Thomson zkoumá stabilitu kombinací elektronů a podává první fyzikální výklad valence .

William Henry Bragg (1862-1942) na setkání Australské asociace pro rozvoj věd na Novém Zélandu podává zprávu o průchodu α-částic hmotou a říká: „Atom je soubor elektronů oddělených prázdným prostorem. , jehož rozměry jsou velké ve srovnání s objemem samotných elektronů."

1905

25. září Wilhelm Wien hovoří na 77. kongresu německých přírodovědců a lékařů se zprávou o elektronech: „Vysvětlení spektrálních čar je také velkou obtíží pro elektronovou teorii. Protože každý prvek odpovídá určitému seskupení spektrálních čar, které vyzařuje, když je ve stavu luminiscence, musí být každý atom neměnným systémem. Nejjednodušším způsobem by bylo představit si atom jako planetární systém, skládající se z kladně nabitého středu, kolem kterého stejně jako planety obíhají záporné elektrony. Ale takový systém nemůže být nezměněn kvůli energii emitované elektrony. Proto jsme nuceni obrátit se k systému, ve kterém jsou elektrony relativně v klidu nebo mají zanedbatelné rychlosti – což je reprezentace, o které existuje mnoho pochybností.

Fáze 1. Quanta to Bohr

1900

Max Planck (1858-1947) po pěti letech výzkumu problému záření černého tělesa aplikoval na toto záření metodu maximální entropie Josiaha Willarda Gibbse (1839-1903). Pro výpočet entropie kontinua harmonických oscilátorů Planck používá umělou techniku: nahrazení spojitého spektra energetických stavů oscilátorů diskrétním s krokem úměrným frekvenci oscilátoru, Δε=hν, s úmyslem dále upravte hodnotu h na 0, aby se přešlo ke správnému spojitému rozdělení. Nejzajímavější je, že výsledný vzorec správně popisuje spektrum záření bez použití limitního přechodu. Planck se tento objev dlouho neodvážil zveřejnit. V rozhovorech se svým synem tvrdí, že má pocit, že jde buď o objev první řady, srovnatelný snad jen s newtonovskou mechanikou , nebo o naprostý omyl.

Na konci roku 1900 v Německé fyzikální společnosti Kurlbaum a Heinrich Rubens (1865-1922) četli zprávu o nových přesných měřeních spektra záření absolutně černého tělesa a stěžovali si, že jejich informace nelze srovnávat s teoretickými. nedostatek správné teorie tohoto záření. Planck pozve Rubense k sobě domů na šálek čaje a paralelně porovnávají své výsledky. Byla nalezena vynikající shoda mezi teorií a experimentem.

14. prosince 1900 na příštím zasedání Německé fyzikální společnosti v Berlíně zahajuje Max Planck novou éru fyziky - kvantovou fyziku . Věda zahrnuje druhou základní konstantu zavedenou Planckem - kvantum akce (první byla Boltzmannova konstanta ). Wienův posunový zákon a Stefan-Boltzmannův radiační zákon vyplývají z Planckova vzorce . Vztahuje Boltzmannovu konstantu, Planckovu konstantu, Avogadrovo číslo a náboj elektronu . Na základě měření Otto Lummera (1860-1925) a Ernsta Pringsheima (1859-1917), Kurlbauma a Heinricha Rubense a Friedricha Paschena (1865-1947) získává Planck hodnoty Avogadrovy konstanty a náboje elektronů s přesnost asi 5%, což je mnohem vyšší než přesnost jejich experimentálních definic v té době.

1900-1908.

Hendrik Anton Lorentz se na základě své elektronické teorie kovů v letech 1900-1905 pokouší zkonstruovat teorii záření zcela černého tělesa a dochází ke klasickému výsledku, který dává " ultrafialovou katastrofu " - neomezený nárůst intenzita záření při přechodu na stále kratší vlnové délky. K podobnému výsledku dospěl John William Rayleigh v roce 1900. Joseph John Thomson v letech 1905-1906 vycházel ze záření urychleného elektronu a vytvořil komplexní teorii rovnováhy kovu se zářením, která vedla ke stejnému závěru. Konečně v roce 1905 James Hopwood Jeans (1877-1946) ve svém článku „Rozdělení energie mezi hmotou a éterem“ staví termodynamickou teorii tepelného záření založenou na klasickém zákonu ekvipartice energie na stupních volnosti systému. (podobný přechodu Planckovy meze) a přichází k Rayleigh-Jeans , tedy opět k „ultrafialové katastrofě“. Poslední etapou této cesty byl důkaz nevyhnutelnosti získání Rayleigh-Jeansova vzorce z klasické statistiky a elektrodynamiky, který podal Lorentz v dubnu 1908 ve zprávě na 4. matematickém kongresu v Římě „Rozdělení energie mezi hmotou a éterem ".

1905

Málo známý německý vědec Albert Einstein (1879-1955) publikuje v 17. dílu " Annalen der Physik " tři články "O pohybu částic suspendovaných v kapalině v klidu, požadovaném molekulárně-kinetickou teorií tepla" - o Brownově pohybu, "O elektrodynamice pohybujících se médií" - o speciální teorii relativity a "O heuristickém pohledu týkajícím se vzniku a transformace světla" - o hypotéze světelných kvant.

Einstein zdůrazňuje, že vlnová teorie světla „je docela vhodná pro reprezentaci čistě optických jevů a nikdy nebude nahrazena jinou teorií“. Optické experimenty se ale netýkají okamžitých, ale časově zprůměrovaných hodnot, takže je dost možné, že optika stále špatně chápe takové okamžité procesy, jako je absorpce a emise světla. Einstein připouští, že energie světla „sestává z konečného počtu energetických kvant lokalizovaných v bodech v prostoru, které se pohybují bez dělení a mohou být absorbovány a vyzařovány jako celek“. Jak je vidět, Einstein přímo šíří atomistické myšlenky fyziky do světla.

Na podporu svého stanoviska považuje Wienův zákon empiricky stanovený pro záření černého tělesa o krátkých vlnových délkách a ukazuje, že v tomto případě „entropie monochromatického záření o dostatečně nízké hustotě se mění s objemem podle stejného zákona jako entropie ideální plyn nebo zředěný roztok." Z toho vyplývá, že „záření zanedbatelné hustoty... se chová termodynamicky, jako by se skládalo z energetických kvant nezávislých na sobě“.

Einstein pak aplikuje svou teorii na zákony luminiscence. Stokesovo pravidlo  - maximum luminiscenčního spektra leží na delších vlnových délkách než spektrum ozařujícího světla - dostává jasnou interpretaci ve smyslu ztráty energie světelnými kvanty. Další aplikací je teorie fotoelektrického jevu , jejíž předpovědi brilantně potvrdil Robert Andrews Millikan (1868-1953) v roce 1916 (při zahájení experimentů se Millikan chystal rozptýlit "tuto šílenou teorii světelných kvant"). Diskutována byla i problematika fotoionizace  - její ultrafialová mez, jejíž existence byla experimentálně potvrzena v roce 1908 úsilím Johannese Starka (1874-1957).

Walter Nernst (1864–1941) a jeho spolupracovníci při studiu tepelné kapacity těles při nízkých teplotách došli k závěru, že při teplotách absolutní nuly klesá k nule. To je v rozporu s teorémem o ekvipartici energie přes stupně volnosti klasické statistiky. Ve zprávě pro Göttingen Society for the Exact Sciences z 23. prosince 1905 Nernst uvádí: "Měrná tepelná kapacita prudce klesá při nízkých teplotách."

1907

Albert Einstein ve svém článku "Planck's Radiation Theory and Heat Capacity Theory" rozšiřuje Planckův vzorec energie oscilátoru na vibrace molekul v pevných látkách a získává Einsteinův vzorec pro tepelnou kapacitu, který přibližně vyhovuje Nernstovým experimentálním datům.

Arthur William Conway (1875-1950), aby vysvětlil původ spektrálních čar, předkládá hypotézu, že každý daný atom v daném okamžiku vyzařuje pouze jednu spektrální čáru a pro její emisi musí být ve speciálním, excitovaném stavu.

1909

17. dubna 1909 čte Hendrik Anton Lorenz na 12. kongresu holandských přírodovědců zprávu o průzkumu „The Hypothesis of Light Quanta“. Když Lorentz zmiňuje úspěchy teorie - vysvětlení Stokesova zákona, fotoelektrický jev, fotoionizace, podrobně se zabývá námitkami proti hypotéze. První námitka je fyziologická: podle studií Johanna Adolfa Krise (1853-1928) mohou zelené paprsky dráždit oko v množství pouhých 30-60 kvant. Lorentz nepovažuje tento počet kvant za dostatečný k vybuzení oněch složitých procesů, které se vyskytují v oku, ale souhlasí s tím, že taková námitka je diskutabilní. (Odkaz: Podle výzkumu Sergeje Ivanoviče Vavilova (1891-1951) je průměrný minimální práh vidění 25 fotonů o vlnové délce 510 nm.)

Lorentzovy fyzikální námitky se týkají velikosti světelných kvant. Jelikož jsou jednotlivá kvanta nezávislá, pro zajištění interference zasahuje kvanta sama do sebe, což s sebou nese jeho podstatnou délku – v řádu centimetrů. Pak ale vyvstává otázka: pokud je záření absorbováno pouze celými kvanty, tak kdy a jak se to stane, protože když atom dosáhne první vlny vlaku, nemůže vědět, že dále nese vlakový foton dostatek energie pro absorpci. Také kvantum musí mít dostatečné příčné rozměry, například kvantum záření ze vzdálené hvězdy má průřez řádově 100 centimetrů čtverečních. Do lidské zornice se pak dostane jen malá část kvanta a absorpce se musí provádět v celých kvantech, abychom hvězdy neviděli. (Nápověda: je to všechno o kvantové mechanice.)

21. září 1909 přednesl Albert Einstein na 81. kongresu německých přírodovědců a lékařů hlavní projev „O vývoji našich názorů na podstatu a strukturu záření“. Za prvé, Einstein zdůrazňuje, že jevy interference a difrakce vedou k závěru o vlnové struktuře světla. Existence vln však implikuje prostředí, ve kterém se šíří, tedy éter, a to moderní věda odmítá. Přitom podle teorie relativity, která eliminovala rozpory klasické elektrodynamiky, má světlo energii, tedy ekvivalent hmotnosti. Světlo tedy přenáší setrvačnou hmotu z tělesa na těleso, což činí tyto názory související s korpuskulární, nebo, jak to nazývá Einstein, emisní teorií světla. Zpráva říká: "Myslím... že další fáze vývoje teoretické fyziky nás přivede k teorii světla, kterou lze považovat za fúzi vlnové a emisní teorie světla." Na podporu této teze uvažuje následující výraz z Planckova vzorce pro kolísání hybnosti tenké desky umístěné v poli záření černého tělesa. Tento vzorec obsahuje dva pojmy, z nichž první je jediný, vyplývající z elektrodynamických úvah o interferenci náhodných vln, a druhý je jediný, vyplývající z uvažování světla jako souboru částic bez klidové hmotnosti - fotony. Obě teorie – vlnová i emisní dokonale vysvětlují svůj pojem, ale ustupují té druhé, která je obsažena ve vzorci, o jehož platnosti prakticky nelze pochybovat. Einstein uzavírá: "Kromě prostorových nepravidelností v distribuci hybnosti záření, vyplývajících z vlnové teorie, existují další nepravidelnosti... které při nízké hustotě energie záření výrazně převyšují vliv prvních nepravidelností." Einstein se přitom domnívá, že důvod obtíží vlnové teorie světla spočívá v ignorování směru elementárního aktu záření, což potvrzují experimenty s rentgenovým zářením.

1910

Peter Debye (1884-1966) odvozuje Planckův vzorec kvantováním nikoli energie stavů oscilátorů hmoty, ale energie stavů přirozených oscilací elektromagnetického pole v krabici.

1911

3. února 1911 Max Planck čte referát v Německé fyzikální společnosti. Připouští, že kvantová teorie je v rozporu s myšlenkami elektrodynamiky a elektronové teorie, ale zdůrazňuje její užitečnost v řadě studií, zvláště zdůrazňuje myšlenky Einsteina a Nernsta o tepelné kapacitě pevných a kapalných těles. Planck se snaží teorii vylepšit, aniž by se uchýlil k hypotéze světelných kvant, jejíž nekonzistentnost, jak se mu zdá, jasně ukázal Lorentz. K tomu Planck předpokládá, že oscilátor nepřetržitě absorbuje energii, ale vyzařuje pouze v kvantech. Matematicky to dává konstantní korekci průměrné energie oscilátoru - nulovou energii , kterou mu nelze odebrat ani při ochlazení na teplotu absolutní nuly . Protože je korekce konstantní, neovlivňuje hustotu záření černého tělesa v rovnováze s oscilátorem. V jedné ze svých poznámek Planck navrhuje, že interakce oscilátorů s elektrony může vést k přesně definovanému rozložení energie elektronů, které se nemění s teplotou, takže elektronový plyn nebude přispívat k tepelné kapacitě kovů. Dalším zajímavým bodem je předpoklad kvantové povahy procesů radioaktivity, na jehož potvrzení Planck uvádí konstantní rychlost α-částic radioaktivního rozpadu.

7. března 1911 Ernst Rutherford (1871-1937) čte zprávu „Rozptyl α- a β-paprsků a struktura atomu“ na Philosophical Society of Manchester. Nejprve zmiňuje výsledky aplikace sira Thomsonova modelu atomu na rozptyl α-částic, které byly potvrzeny v Grotherových experimentech. „Existuje však řada experimentů s rozptylem, které ukazují, že α- a β-částice někdy zažívají odchylky o více než 90° při jediné srážce. Například Geiger a Marsden (1909) zjistili, že malý zlomek alfa částic dopadajících na tenký plát zlata má vychýlení větší než pravý úhel. Tak velkou odchylku nelze vysvětlit teorií pravděpodobnosti s přihlédnutím k experimentálně pozorovanému malému rozptylu. Určitě se zdá, že k těmto velkým odchylkám dochází při jediné atomové srážce.

Pro vysvětlení těchto a dalších výsledků je nutné předpokládat, že elektrifikované částice procházejí intenzivním elektrickým polem v atomu. Rozptyl nabitých částic lze vysvětlit předpokladem atomu, který se skládá z centrálního elektrického náboje soustředěného v bodě a obklopeného rovnoměrným sférickým rozložením opačné elektřiny stejné velikosti. Při takovém uspořádání atomu dochází u α- a β-částic, když procházejí v těsné vzdálenosti od středu atomu, k velkým odchylkám, ačkoli pravděpodobnost velké odchylky je malá. … [Z této teorie] vyplývá, že počet rozptýlených částic na jednotku plochy pro konstantní vzdálenost od bodu dopadu svazku paprsků se mění jako [, φ  je úhel vychýlení částice]. Tento distribuční zákon byl experimentálně ověřen Geigerem pro α-částice a bylo zjištěno, že je platný v rámci experimentálních chyb.

Z diskuse o obecných výsledcích rozptylu různými materiály bylo zjištěno, že centrální náboj atomu je velmi těsně úměrný jeho atomové hmotnosti. Přesná hodnota náboje centrálního jádra nebyla stanovena, ale pro atom zlata je přibližně rovna 100 jednotkám náboje (Reference: Z(Au)=79)“.

25. září 1911 byly na 83. kongresu německých přírodovědců a lékařů přečteny dvě zprávy o kvantové teorii. První zpráva Friedricha Hasenorla (1874-1915) „O základech mechanické teorie tepla“ je zajímavá jako první pokus o kvantové vysvětlení spekter atomů. Gazenorl aplikuje Planckovu teorii na anharmonický oscilátor a používá fázový prostor ke kvantování jeho energetických hladin , zvýrazněním konstantních energetických křivek v něm. Z nich považuje za přípustné pouze ty, u nichž je integrál periody kmitání vzhledem k energii roven celočíselnému násobku Planckovy konstanty ∫τdE=nh. Přirozeně volbou formy závislosti periody oscilací na energii lze podle této teorie získat naprosto jakoukoli sadu energetických hladin, což prokázal Gazenorl na příkladu Balmerovy řady.

Druhou zprávu četl Arnold Sommerfeld a jmenovala se „Planck's Action Quantum and its General Significance in Molecular Physics“. Sommerfeld byl pozván, aby na kongresu vystoupil se zprávou o teorii relativity, ale zvolil kvantovou teorii s argumentem, že teorie relativity, stará šest let, se stala klasickou a její téměř dvakrát starší sestra, kvantová teorie, byla taková. smůla: „Tady jsou hlavní koncepty v pohybu a problémů je nespočet. … Nic nemůže být pro moderní fyziku naléhavější než vyjasnění názorů na tuto problematiku. Zde leží klíč situace, klíč nejen pro teorii záření, ale také pro molekulární strukturu hmoty, a tento klíč je dnes ještě daleko skrytý. Sommerfeld poukazuje na rozpory v odvozování Planckova vzorce, který se zčásti opírá o kvantové a zčásti o klasické názory. Zejména použití jednotlivých částí energie jde proti klasickému vzorci pro vztah mezi průměrnou energií oscilátoru a hustotou záření.

Sommerfeld poté diskutuje o aplikacích kvantové teorie na tepelnou kapacitu od Einsteina a Nernsta. Právě z této otázky získává kvantová teorie univerzálnost a Planckova konstanta se stává stejně zásadní jako rychlost světla. Sommerfeld uvádí: „Samotná existence molekul je považována za funkci a důsledek kvanta působení. Jakékoli elektromagnetické nebo mechanické vysvětlení mi připadá stejně málo relevantní a neperspektivní jako mechanické vysvětlení Maxwellových rovnic. ... Mnohem užitečnější by bylo vysledovat hypotézu ve všech jejích četných důsledcích a redukovat na ni další jevy. Pokud naše fyzika potřebuje, o čemž lze jen stěží pochybovat, nové fundamentální hypotézy, které by byly přidány jako něco neobvyklého do elektromagnetického obrazu světa, pak se mi zdá, že hypotéza kvanta akce je více než jiná.

Ve zbytku zprávy Sommerfeld poukazuje na další aplikace kvantové teorie: teorii fotoelektrického jevu, Starkovu hypotézu o vztahu mezi ionizačním potenciálem a fialovým okrajem pruhovaného spektra plynů a některé další jevy, které se vyskytují při nízkých teplotách, jako je supravodivost , objevená v roce 1911 holandským fyzikem Heike Kamerling-Onnes (1853-1926). Nakonec Sommerfeld nabízí vlastní formu kvantového principu: "V každém molekulárním procesu molekula absorbuje nebo vydává určité množství akce, které má hodnotu Planckovy konstanty dělené dvěma pí."

Od 3. října do 3. listopadu 1911 se konal první Solvayův kongres „Záření a kvanta“. Jeho historie si zaslouží samostatný příběh. Belgický průmyslník Ernst Solvay (1838-1922), vynálezce čpavkové metody na výrobu sody , byl blízkým přítelem Waltera Nernsta a Hendrika Antona Lorentze. Neustále od nich slyšel o tíživé situaci teoretické fyziky, uchopil myšlenku, kterou náhodou vyslovil Nernst, organizovat kongresy o palčivých problémech fyziky a podle Lorentze shromáždil „malý kruh fyziků z různých zemí, aby diskutovali o nejdůležitější problémy moderní přírodní vědy ve vícedenních lekcích.“ Na konci kongresu Solvay založil Mezinárodní institut fyziky se schváleným kapitálem ve výši jednoho milionu belgických franků za účelem materiální podpory vědeckého výzkumu ve fyzice. V čele ústavu stál výbor ve složení: Hendrik Anton Lorentz  - předseda, Maria Curie-Sklodowska a Marcel Brillouin  - zástupci Francie, Emil Warburg a Walter Nernst  - Německo, Heike Kamerling-Onnes  - Holandsko, Ernest Rutherford  - Anglie a Martin Knudsen  - zástupce Dánska .

Hlavní událostí kongresu byla zpráva Maxe Plancka , ve které představil nám již známou verzi teorie s nulovou energií a v souvislosti s touto teorií novou kvantizační metodu. Předpokládá, že ve fázovém prostoru systému nelze mluvit o různých stavech, pokud spadají do „elementární oblasti“, která již není nekonečně malá jako v klasické statistice, ale má plochu rovnou Planckově konstantě. Podle nové teorie přípustné periodické trajektorie obklopují oblasti, které jsou násobky „elementární oblasti“. Pro oscilátor to dává již známé kvantovací pravidlo E=nhν . Planck poznamenal, že v tomto bodě se jeho teorie spojuje se Sommerfeldovou teorií.

Po kongresu 16. prosince 1911 uvádí Planck ve své zprávě pro Německou chemickou společnost „O nových termodynamických teoriích“ nejúplnější a nejplodnější formulaci třetího termodynamického zákona – Nernstovy věty: „Entropie kondenzovaného (tj. pevná nebo kapalná) chemicky homogenní látka při nulové absolutní teplotě je nula." Pro chemicky homogenní plyn ponechala klasická termodynamika ve výrazu pro entropii aditivní konstantu, která byla spojena s nejistotou elementárního objemu fázového prostoru. Kvantová teorie odstraňuje tuto svévoli zavedením přesného minimálního objemu fázového prostoru a Planck pokládá základy kvantové statistiky.

1912

Peter Debye v „O teorii specifických teplot“, Max Born (1882-1970) a Theodor Karman (1881-1963) v pracích „O vibracích prostorové mřížky“, „O teorii distribuce přirozených vibrací a Point Lattice“ a „On the Theory of Specific Heat“ (1913) rozvíjejí teorii tepelné kapacity pevných látek blízkou moderní, založenou na Planckově vzorci pro průměrnou energii jednoho oscilátoru – přirozené vibrace krystalové mřížky .

O. Sakkur (1880-1914) a současně G. Tetrode z měření elasticity par argonu a rtuti usuzují, že objem prvku ve fázovém prostoru atomů plynu je roven . Následující rok Max Planck ve zprávě „Moderní význam kvantové hypotézy pro kinetickou teorii plynů“ zdůrazňuje, že pokud je to pravda, „je to výsledek tak zásadního významu pro celou termodynamiku a celou doktrínu dojde k získání chemické afinity, na kterou se zde chci obrátit na všechny, kteří jsou schopni taková měření provést, aby tato zásadní otázka byla co nejdříve a co nejdůkladněji vyřešena. Sakkur je také první, kdo zapsal vztah neurčitosti z následujících úvah: uvažujme velký atomový systém. Pravděpodobnost nalezení jednoho atomu v energetickém rozsahu od ε do ε+Δε v čase od t do t+Δt bude úměrná součinu Δε Δt , ale stejná pravděpodobnost se podle ergodické hypotézy rovná konstantě číslo, proto Δε Δt=const=h . Saccourt to bere jako definici Planckovy konstanty a odvozuje z toho Planckův zákon záření, Einsteinovu rovnici pro tepelnou kapacitu a entropii ideálního plynu.

Max Laue (1879-1960) na základě předběžných údajů o vlnové délce rentgenového záření z experimentů Waltera a Pohla v roce 1908 navrhuje pro ně jako difrakční mřížku použít látky krystalické struktury. Walter Friedrich a Paul Knipping využili této myšlenky a poprvé demonstrovali rentgenovou difrakci na krystalech zinkové směsi, kamenné soli a lesku olova. Následujícího roku vyšel v Annalen der Physik článek „Interferenční jevy v rentgenovém záření“, skládající se z teoretické (Laue) a experimentální (Friedrich a Knipping) části.

Na podzim přednáší syn Williama Henryho Bragga William Lawrence Bragg (nar. 1890) s Cambridge Philosophical Society přednášku obsahující zjednodušenou teorii difrakce rentgenového záření krystaly jako soubory atomových rovin.

Mladý postgraduální student Niels Bohr (1885-1962) přijíždí do Rutherfordovy laboratoře v Manchesteru a předkládá myšlenku, že izotopy se liší hmotností a strukturou jádra, z čehož automaticky odvozuje empiricky stanovený Soddyho posunovací zákon .

1913

Henry Moseley (1887-1915), aplikující techniku ​​Braggovy spektrální analýzy na rentgenové záření, zjistil, že antikatody rentgenových trubic vyrobených z různých kovů mají různá sériová spektra a frekvenci sériových čar lze vyjádřit pomocí Moseleyho ' s zákon , kde  je číslo prvku v tabulce Mendělejev a  je konstanta, která má různé hodnoty pro různé řady a . Všechny pochybnosti o pozicích chemických prvků v periodické tabulce jsou rozptýleny.

Planck, Nernst, Rubens a Warburg nominují Alberta Einsteina do berlínské Akademie věd a ve své odpovědi mimo jiné píší: „Skutečnost, že [Einstein] ve svých úvahách někdy přesahuje cíl, například ve své hypotéze světelných kvant, nenásleduje příliš důrazně mu vytýkat.“ (?!)

Fáze 2. Bohrův model

1913

Niels Bohr (1885-1962) v článku o Rutherfordovi: „Moje dopisy Rutherfordovi, napsané na podzim roku 1912, jsou věnovány pokračujícím snahám objasnit roli akčního kvanta v elektronické struktuře atomu Rutherford, včetně zde problém molekulární vazby, stejně jako otázky záření a magnetických účinků. Problémy stability, které se při takových úvahách nevyhnutelně objevují, však prudce zvýšily obtíže a donutily nás hledat spolehlivější základ pro řešení problému. Po četných pokusech o použití kvantových myšlenek v preciznější podobě mě na začátku jara 1913 napadlo, že klíč k vyřešení problému atomové stability, přímo aplikovatelný na Rutherfordův atom, spočívá v úžasně jednoduchých zákonech, které určují optické spektrum prvků.

V březnu 1913 poslal Bohr Rutherfordovi návrh své první práce o struktuře atomu. Rutherford v dopise Bohrovi z 20. března 1913: „Vaše představy o příčinách spektra atomu vodíku jsou vtipné a zdají se dobře promyšlené, ale kombinace Planckových myšlenek se starou mechanikou vytváří značné potíže v pochopení toho, co základem takové úvahy. V souvislosti s vaší hypotézou jsem objevil vážnou potíž, které si nepochybně plně uvědomujete; jde o toto: jak může elektron vědět, na jaké frekvenci má kmitat, když přechází z jednoho stacionárního stavu do druhého? Zdá se mi, že jste nuceni předpokládat, že elektron předem ví, kde se zastaví."

Rutherford se také vyjádřil k délce článku, ale Bohr se snížením nesouhlasil a osobně odjel do Manchesteru, kde přesvědčil Rutherforda, aby článek vytiskl v plném znění. Vyšel ve 26. ročníku Filosofického časopisu a vyšel ve třech částech v červencovém, zářijovém a listopadovém čísle. Z úvodu: „Tento článek je pokusem dokázat, že aplikace [Planckovy konstanty] na Rutherfordův model atomu může být základem teorie struktury atomů. Dále bude ukázáno, že z této teorie můžeme dospět k teorii struktury molekul.

Bohr začíná úvahou o nejjednodušším systému: kladně nabitém masivním jádru a elektronu, který kolem něj popisuje uzavřené dráhy rychlostí mnohem menší, než je rychlost světla. V tomto případě je možné použít nerelativistickou klasickou mechaniku. Bohr dále bez velkého důrazu píše: „Předpokládejme jako první předpoklad, že neexistuje žádná energie záření. V tomto případě bude elektron popisovat stacionární eliptické dráhy. Žádné vysvětlení, jen spekulace.

Z této pozice se Bohr domnívá, že když se elektron pohybuje z nekonečna na stacionární dráhu, emituje kvanta energie τ s frekvencí rovnou polovině frekvence jeho oběhu po této dráze (analogie s harmonickým oscilátorem). Poté získá kvantové podmínky pro stacionární dráhy, z jejichž energií se získávají všechny známé spektrální řady vodíku a předpovídá se jedna dosud neznámá v ultrafialové oblasti spektra. Bohr dále formuluje svá hlavní ustanovení opět v následující podobě: „1) dynamickou rovnováhu systémů ve stacionárních stavech lze uvažovat pomocí běžné mechaniky, přičemž na tomto základě nelze uvažovat přechody systému mezi různými stacionárními stavy; 2) posledně jmenovaný proces zahrnuje emisi homogenního záření, pro které bude vztah mezi frekvencí a velikostí vyzařované energie dán Planckovou teorií.

Při diskuzi o spektru atomu vodíku Bohr uvádí ve prospěch své teorie následující argument: ve spektrech nebeských těles je pozorováno až 33 čar Balmerovy řady a za laboratorních podmínek jich není získáno více než 12. Tento rozdíl pouze ukazuje, že plyn na hvězdách je velmi řídký, protože i dostatečně velké atomy s nízkou vazebnou energií jsou zde zachovány beze změny.

Pokud jde o další prvky, Bohr identifikuje Rydberg-Ritzovy termíny se stacionárními stavy a předkládá myšlenku přibližného popisu mnohaelektronových systémů atomů a molekul pomocí modelu pláště, který souvisí s Thomsonovým. Bohr se také vrací k otázce odůvodnění volby polofrekvenčního záření. Zde poprvé používá svůj slavný korespondenční princip . Pro slabě vázané systémy s velkým počtem emitovaných fotonů τ (velké číslo úrovně) získá výrazy pro frekvenci fotonů emitovaných při přechodu na sousední úroveň a přirovná je k blízkým frekvencím elektronů na drahách, přičemž se domnívá, že pro takové musí být splněna pravidla klasické elektrodynamiky, to znamená, že frekvence záření se musí shodovat s frekvencí kmitání. Aplikováním principů klasické mechaniky získává Bohr také pozoruhodnou vlastnost stacionárních drah - násobnost momentu hybnosti elektronu na nich je h / 2π.

Bohr uvažuje o důsledcích dříve formulovaných principů a dochází k myšlence rezonanční absorpce: „Předpokládejme, že uvažujeme záření emitované při přechodu soustavy mezi stacionárními stavy 1 a 2... Protože nezbytnou podmínkou pro emisi uvažovaným zářením byla přítomnost systémů ve stavu 1, pak musíme přijmout, že nezbytnou podmínkou pro absorpci je přítomnost systémů ve stavu 2. Bohr zdůrazňuje, že takové hledisko je v rozporu s běžnou elektrodynamikou, protože je v ní možná i absorpce nerezonančních frekvencí. Na podporu svého názoru Bohr uvádí výsledky experimentů vynikajícího amerického experimentálního fyzika Roberta Wooda (1868-1955) o absorpci světla sodíkovými parami. Bohr dále rozšiřuje svou myšlenku na interakce elektronů a považuje je za podřízené kvantovým zákonům: při srážce „vázaný elektron nemůže spotřebovat méně energie, než je energetický rozdíl mezi dvěma po sobě jdoucími stacionárními stavy, a tedy volný elektron. nemůže ztratit energii méně, než je tato hodnota“.

Ve druhé části článku se Bohr zabývá mnohaelektronovými atomy a vyvíjí originální model obalu. Ve třetí části, podobně jako ve druhé, jsou uvažovány molekuly a diskutována povaha chemické vazby.

Dne 20. prosince 1913 ve Fyzikální společnosti v Kodani Bohr přečetl zprávu „O spektru vodíku“: „Je třeba si myslet, že během záření systém přechází z jednoho stavu do druhého; budeme tyto stavy nazývat stacionární, což znamená, že se jedná o zastávky, mezi kterými dochází k emisi energie odpovídající dané spektrální čáře ... Nemáme právo očekávat ... jednoduchý vztah mezi počtem otáček elektronu a frekvence kmitů záření ... Jak a proč záření vzniká - o tom se v našich úvahách nemluví ... Pouze v jednu chvíli můžeme očekávat souvislost s našimi obvyklými představami. Dá se očekávat, že záření dlouhých elektromagnetických vln lze vypočítat podle klasické elektrodynamiky. Bohr pomocí nové metody, založené na korespondenci vypočtených hladin atomu vodíku s pozorovanými a opět využívající princip korespondence, získává strukturu energetických hladin atomu vodíku a vysvětluje původ „poloviny“ řady ve spektru směsi vodíku a helia, ztotožňuje je s čarami ionizovaného helia a po zohlednění přechodu do redukované hmotnosti elektronu se teorie shoduje s experimentem až na páté desetinné místo. Byl to triumf Bohrovy teorie, první z mnoha.

Paralelně se Thomson 11. září 1913 pokouší propojit svůj model atomu s kvantovými vlastnostmi atomových systémů. Speciálně vybranými silami získává Planckův vztah mezi energií a frekvencí, ale ve srovnání s Bohrovým modelem vypadá Thomsonův model spíše uměle.

Současně již zmíněný Conway publikuje článek „The Electromagnetic Hypothesis of the Origin of Spectral Series“, ve kterém rozvíjí Thomsonův model atomu za předpokladu jeho rotace a vnitřních oscilací, podobných těm ideálního plyn v uzavřené nádobě. Myšlenka je stejná - získat Planckův poměr.

Ve stejném 26. svazku Filosofického časopisu v prosincovém čísle Moseley publikuje článek, který uvádí, že konstanta v Moseleyho zákonu je rovna ¾ Rydbergovy konstanty , která přirozeně vstoupila do Bohrovy teorie, s velkou přesností.

Johannes Stark objevuje dlouho očekávaný efekt rozdělení spektrální čáry v elektrickém poli. Emil Warburg (1846-1931) se snaží na základě původní Bohrovy teorie vybudovat teorii Starkova jevu pomocí Bohrovy frekvenční podmínky a získává rozdělení vodíkových čar na dvě složky, přičemž experiment dává pět složek. Warburg dochází k závěru, že Bohrovu teorii je třeba doplnit a rozšířit.

1914

James Frank (1882-1964) a Gustav Hertz (1887-1975) provádějí svůj slavný experiment , ale špatně si ho vykládají. Správně připisují pokles proudu při elektronové energii 4,9 eV nepružným srážkám s atomy rtuti, při těchto srážkách však nedochází k ionizaci, jak navrhují Frank a Hertz, ale dochází k excitaci atomů rtuti na první rezonanční úroveň, doprovázené vzhled rezonančních čar 253,7 nm, jak ukázal William Morris Davis (1850-1934) a F. S. Gouche v roce 1917.

1915

William Wilson v Anglii, Arnold Sommerfeld v Německu a Jun Ishiwara v Japonsku současně uvažují o Bohrově teorii s nekruhovými drahami s použitím kvantovacích pravidel ve tvaru ∫pdq =nh v každé ze souřadnic ( Sakkurův [1]  -Planckův princip ) .

William Duane [2] (1872-1935) a F. L. Hunt objevují zákon, který určuje krátkovlnnou hranici rentgenového spektra, odpovídající Einsteinově předpovědi z roku 1909.

1916

Sommerfeld ve své práci „O kvantové teorii spektrálních čar“ odděluje radiální a úhlové proměnné pro elektron v atomu a pro každou zavádí své vlastní kvantové číslo. V konečné podobě energie jsou však tato čísla zahrnuta jako součet. Poprvé se objevuje kvantová degenerace úrovní. Aby omezil počet přechodů, zavádí Sommerfeld koncept výběrových pravidel, ale důvody jejich vzniku jsou zatím spíše spekulativní. Sommerfeld uvažuje také o prostorovém kvantování drah, přičemž problém uvažuje ve třech rozměrech a dochází k závěru, že existuje pouze konečný počet možných úhlů průmětu dráhy na libovolnou osu v prostoru - pro dráhu s hlavním kvantem číslo n, konkrétně existuje pouze 2n + 1 různých projekcí . S použitím tohoto výsledku Sommerfeld ve své práci „O teorii Zeemanova efektu vodíkových čar s dodatkem o Starkově jevu“ vysvětluje normální Zeemanův efekt pro vodík. Teorii Starkova efektu nezávisle na sobě vypracovali Pavel Zigmundovič Epshtein a Karl Schwarzschild (1873-1916). Ukazuje se, že degenerace je částečně odstraněna pro vodík a skutečný vzorec štěpení se shoduje s teoretickým. Sommerfeld analyzuje oba závěry a poznamenává, že v obou případech se Hamilton-Jacobiho formalismus ukázal jako plodný. V druhé části své práce Sommerfeld uvažuje o relativistických efektech pro atom vodíku a zjišťuje, že přímo souvisí s konstantou jemné struktury . Sommerfeld vysvětluje jemnou strukturu vodíkových čar a dubletových čar charakteristického rentgenového spektra.

Pavel Sigismundovich Ehrenfest (1880-1933) v článku „Adiabatické invarianty a kvantová teorie“ konečně formuluje hypotézu adiabatických invariantů, které se staly jednou z nejsilnějších metod kvantové teorie před nástupem kvantové mechaniky. Stručně řečeno, adiabatická hypotéza se redukuje na omezení výběru kvantit, které mají být v daném systému kvantizovány: lze kvantovat pouze adiabatické invarianty, tedy veličiny, které zůstávají nezměněny při pomalém (adiabatickém) dopadu na systém.

1917

Albert Einstein ve svém článku „O kvantové teorii záření“ uvádí slavné hypotézy o výměně energie zářením: hypotézu spontánní emise a hypotézu ozáření. Einstein zavádí koncept stimulované emise a na základě zavedení tzv. Einsteinových koeficientů odvodí Planckův vzorec. Dále na základě uvážení fluktuací záření a předpokladu, že Maxwellova statistika není narušena, když je látka v rovnováze se zářením, dochází k závěru, že při vyzařování dostává molekula zpětnou hybnost rovnající se energii dělené rychlostí světla. která slouží jako další potvrzení hypotézy světelných kvant. Einstein přitom není spokojen: nová teorie neumožňuje předpovědět směr emise světelného kvanta.

1918

Bohr vystupuje v Kodani se zprávou „O kvantové teorii liniových spekter“. Bohr na základě korespondenčního principu používaného již v teorii atomu vodíku dochází k závěru, že pro velká kvantová čísla bude nejen frekvence, ale i intenzita záření rovna odpovídající klasickému záření, a „další úvaha vede nás k tomu, že toto zvláštní spojení je obecným zákonem přechodů mezi stacionárními stavy; musíme předpokládat, že možnost přechodu mezi dvěma stacionárními stavy je spojena s přítomností určité harmonické složky v pohybu systému.“ Toto pravidlo umožnilo objasnit dříve vágní význam výběrových pravidel nalezených v témže roce A. Rubinovičem: jsou možné pouze takové přechody, u nichž změna azimutálního kvantového čísla není větší než 1 v absolutní hodnotě. Navíc to umožnilo vysvětlit pozorované polarizace a dokonce i intenzity štěpících složek spektrálních čar v Zeemanově a Starkově jevu.

1919-1924 let.

Počet prací o měření potenciálů excitace a ionizace atomů dopadem elektronů po první světové válce roste jako sněhová koule. Ionizační potenciál helia byl nakonec stanoven na 24,5 eV. Je v ostrém rozporu s Bohrovým modelem, který dává 28,75 eV. Zároveň exponenciálně narůstá počet Bohrových modelů s různým uspořádáním elektronů. Tyto modely obsluhují: Smekal, Kossel, Lewis, sám Bohr, Sommerfeld, Langmuir, Born, Lande, Heisenberg, Kramers, Rožděstvensky atd.

1920

Sommerfeld zavádí nové kvantové číslo, vnitřní j, aby vysvětlil vzhled dubletů a tripletů. Může se měnit podle výběrových pravidel Δj=0,±1, je větší než nula a rovná se j=k±1/2.

1921

Otto Stern (1888-1969) a Walter Gerlach (1889-1979) provedli slavný experiment s průchodem molekulárního paprsku nehomogenním magnetickým polem. Paprsek atomů stříbra se rozdělí na dva, což odpovídá magnetickému momentu atomu v 1 Bohrově magnetonu. Sommerfeld, který podobný efekt prostorového kvantování předpověděl již dříve, nazývá tento jev kvantováním směru. Nabízí se otázka, proč jsou experimentálně pozorovány pouze dvě ze tří předpokládaných složek.

Erwin Schrödinger (1887-1960), aby vysvětlil rysy spekter alkalických kovů, zavádí rozdíl mezi pronikajícími a nepenetrujícími dráhami vnějšího elektronu, které vstupují a nevstupují do elektronového oblaku jiných elektronů.

Alfred Lande (1888-1976) rozvíjí myšlenky Sommerfelda a formálně popisuje anomální Zeemanův jev prostřednictvím vektorového modelu atomu a zavádí Landeův multiplikátor .

1922

Arthur Compton (1892-1962) objevuje Comptonův jev  – rozptyl rentgenového záření elektrony se změnou vlnové délky. O něco později, nezávisle na něm, aby vysvětlil jevy pozorované během rozptylu rentgenového záření na krystalech, Debye navrhuje podobnou teorii. Toto je cup de gras (dokončovací rána) pro vlnovou teorii. Rozpor mezi vlnovou a korpuskulární teorií světla dosahuje vrcholu.

1923

Rudolf Ladenburg (1882-1952) ve svém článku „Absorpce, rozptyl a disperze v Bohrově teorii atomu“ rozvíjí obecný disperzní přístup v duchu Einsteinova přístupu k záření. Hendrik Antoni Kramers dovádí tento přístup na své limity a odvozuje Kramersův disperzní vzorec, „kvantovou mechaniku bez kvantové mechaniky“.

Louis de Broglie ve třech článcích a disertační práci (1924) rozvíjí vlnovou teorii hmoty. Spojuje vlny s částicemi a zapisuje relativistickou vlnovou rovnici pro volnou částici. Na jeho základě de Broglie odvozuje Planckův vzorec, entropii ideálního plynu, řeší rozpor s rychlostmi: fázová rychlost „vln hmoty“ je větší než rychlost světla, ale skupinová rychlost je menší.

1924

V Leningradu Abram Fedorovič Ioffe (1880-1960) a Nikolaj Ivanovič Dobronravov (1891-1949) referují o experimentu se zrnkem prachu v kondenzátoru. Nabité zrnko prachu, viditelné mikroskopem, visí v kondenzátoru, podporované elektrickým polem. Čas od času jsou na mikro rentgenku přiváděny proudové impulsy. Pokud by se záření šířilo rovnoměrně všemi směry, pak by se jedno kvantum potřebné k vytažení elektronu ze zrnka prachu mohlo nashromáždit pouze v milionu inkluzí, přičemž prachová zrna jsou ve skutečnosti ionizována mnohem dříve. Proto se záření musí šířit v kompaktních kvantech.

Max Born a Werner Heisenberg počítají korekce na členy alkalických kovů pomocí teorie poruch za předpokladu, že poruchy působící na vnější optický elektron vznikají proto, že polarizuje jinak symetrické jádro atomu. Teorie dává správné výsledky, ale pro zlomkové hodnoty orbitální hybnosti vnějšího elektronu. (Odkaz: rotace nebyla brána v úvahu.)

Wolfgang Pauli zavádí pojem „kvantová nejednoznačnost, která se vymyká klasickému popisu“, aby vysvětlil spektra.

K odstranění rozporů mezi vlnovou a kvantovou teorií světla předložili Bohr, Kramers a Slater tezi o nepřesnosti zákona zachování energie a rozvinuli teorii „virtuálních vln“. Údajně je nepřetržitě emituje elektron, který se pohybuje po stacionární dráze bez ztráty energie. Energii tedy tyto vlny nenesou, ale indukují schopnost elektronu kvantových skoků . Energie se při skoku nevyzařuje, prostě se buď objeví odnikud, nebo nikam neodchází, ale vyzařované virtuální vlny dělají v průměru splněný zákon zachování energie, neplatí to jen pro tento konkrétní atom, elektron atd. .

Niels Bohr je ke kvantové povaze světla stále skeptický: „I když mi Einstein pošle telegram se zprávou o konečném důkazu reality světelných kvant, dostane se ke mně jen díky existenci rádiových vln.“ [3]

1925

Ralph Kronig se dozvídá o Pauliho dopise Landovi, ve kterém popisuje stav elektronů v atomu v magnetickém poli pomocí 4 kvantových čísel: hlavního , azimutálního , magnetického a čísla, které charakterizuje interakci elektronu s magnetickým polem, a elektrony nemohou být současně ve stavech, ve kterých se všechna čísla shodují. Kronig navrhuje rotující elektron jako model s takovou charakteristikou. Řekl to Paulimu, na který odpověděl: „toto je velmi vtipný vynález“, ale nepodpořil ho, protože si byl naprosto jistý, že jeho „dvojsmyslnost“ není přístupná modelovým myšlenkám. Kronig, který se nesetkal s pochopením ani od Heisenberga, Kramerse a Bohra, od této myšlenky upustil.

George Eugene Uhlenbeck a Samuel Abraham Goudsmit měli v tomto ohledu větší štěstí. Setkali se na Ehrenfestu v létě 1925. Goudsmit byl již odborníkem na komplexní spektra a podařilo se mu poněkud zjednodušit Pauliho teorii tím, že jeho poslední dvě kvantová čísla nahradil magnetickými Landeovými čísly. Když se nad touto prací zamysleli, ukázalo se, že si to lze představit jako čtvrtý stupeň volnosti elektronu, který lze znázornit spinem  – rotací elektronu. Napsali o tom krátkou zprávu a Ehrenfest ji okamžitě poslal Naturwissenschaften. Uhlenbeck a Goudsmit se rozhodli poradit se s Lorenzem. Vřele je přijal, a když pochopil, o co jde, řekl, že o tom sám přemýšlel, ale aby měl elektron takový magnetický moment, musí se jeho povrch otáčet rychlostí větší, než je rychlost světla. Uhlenbeck a Goudsmit byli zděšeni a požadovali papír zpět, na což Ehrenfest řekl, že je příliš pozdě, a: "Oba jste dost mladí na to, abyste si mohli dovolit dělat hlouposti." Thomas později napsal v dopise Goudsmitovi: „Myslím, že vy a Uhlenbeck máte velké štěstí, že vaše práce o rotujícím elektronu byla zveřejněna dříve, než se o ní Pauli doslechl. Zdá se, že Kronig před více než rokem uvažoval o rotujícím elektronu a něco na tuto problematiku vyvinul. První, komu to ukázal, byl Pauli. Pauli případ zesměšnil do té míry, že první se stal posledním a nikdo jiný o tom nic neslyšel.

Pauli publikuje článek „O spojení mezi plněním atomových obalů v atomu a složitou strukturou pole“, ve kterém nachází své konečné vyjádření Pauliho vylučovací princip .

Shatyendranath Bose posílá Einsteinovi práci „Planckův zákon a hypotéza světelných kvant“, ve které je poprvé rozpracována teorie nerozlišitelných částic ve fázovém prostoru. Einstein to přeloží a publikuje a poté tuto metodu aplikuje na ideální plyn. Je vyvinuta první správná kvantová statistika.

Experimenty Waltera Bothe (1891-1957) a Hanse Geigera (1882-1945) potvrzují platnost zákonů zachování pro každý jednotlivý akt interakce rentgenového záření s hmotou počítáním korelovaných fotoelektronů a radiačních kvant ... Bohr -Kramers-Slaterova teorie padá.

Pauli píše Kronigovi v dopise z 21. května 1925: „Fyzika je nyní opět na mrtvém bodě, každopádně je pro mě příliš těžká a raději bych byl komediant ve filmech nebo něco takového a neslyšel nic o fyzice. »

Fáze 3. Kvantová mechanika

1925

Během této doby se Heisenberg léčí na ostrově Helholland (po útěku před sennou rýmou ). Zde se ujal problému anharmonického oscilátoru . Heisenberg Kronigovi 5. června 1925: „Nejvíc se mi na tomto schématu líbí, že všechny interakce atomu s vnějším světem lze ve skutečnosti zredukovat na pravděpodobnost přechodu (ignorovat případy degenerace). Za prvé se mi nelíbí matematická stránka... Fyzikální význam výše uvedeného schématu pro výpočet intenzit také vypadá velmi zvláštně.“

Heisenberg-Pauli z 24. června 1925: "Základním axiomem je, že při výpočtu jakýchkoli veličin, např. energie, frekvence atd., se mají používat pouze vztahy mezi fundamentálně pozorovatelnými veličinami."

Paulimu se tento postoj líbil a povzbudil Heisenberga, aby pracoval stejným směrem. 29. června 1925 Heisenberg zaslal článek „O kvantové teoretické interpretaci kinematických a mechanických vztahů“ redakci časopisu Zeitschrift für Physik . Toto je první pokus uvažovat o anharmonickém oscilátoru pomocí moderní kvantové mechaniky. Heisenbergovy pozorovatelné veličiny jsou matice, které se násobí podle pravidel maticového počtu, které Heisenberg neznal, takže se velmi obával, aby jejich součin nebyl komutativní. Born a Pascual Jordan poslali 27. září do stejného časopisu článek s obecnějším představením základů kvantové mechaniky a 16. listopadu článek s obecným vývojem matematického aparátu maticového formalismu.

Pauli Kronigovi 9. října 1925: „Heisenbergovi mechanici mi dali opět radost a naději. Neposkytuje sice řešení hádanky, ale věřím, že nyní je možné se opět posunout vpřed. Nejprve je nutné osvobodit Heisenbergovu mechaniku z goettingenské formální skořápky, aby se lépe odhalil její fyzický obsah.

Heisenberg: „Sám jsem byl pak poněkud sklíčený skutečností, že jsem nemohl uspět v odvození jednoduchého spektra vodíku z nové teorie. Již v říjnu téhož roku mi však Pauli dal překvapení: kompletní kvantovou mechaniku atomu vodíku. Moje odpověď z 3. listopadu začínala slovy: „Snad není třeba psát, jak se raduji z nové teorie atomu vodíku a jak moc mě překvapuje, že jste ji dokázali tak rychle rozvinout.“

Ve stejném roce představil Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984) svůj výklad kvantové mechaniky prostřednictvím algebry stavových vektorů a lineárních operátorů nad nimi.

1926

Po vytvoření maticové kvantové mechaniky se Max Born a Werner Heisenberg rozhodli poradit se s Hilbertem , zda existuje odvětví matematiky, ve kterém by se podobný formalismus uplatnil . Hilbert jim odpověděl, že se setkal s podobnými maticemi , když analyzoval existenci řešení parciálních diferenciálních rovnic druhého řádu . Fyzikům se zdálo, že jim matematik nerozumí, a rozhodli se tuto problematiku dále nestudovat. O méně než půl roku později vytvořil Erwin Schrödinger vlnovou kvantovou mechaniku, jejíž hlavní rovnicí je Schrödingerova rovnice , což je parciální diferenciální rovnice druhého řádu , a dokázal ekvivalenci obou přístupů: staré matice a nové vlny.

27. ledna 1926 přichází do redakce časopisu Annalen článek Erwina Schrödingera (1887-1960) „Kvantizace jako problém vlastních hodnot“ o hledání energetických hladin atomu vodíku jako vlastních hodnot diferenciální rovnice . der Physik . 23. února posílá Schrödinger druhou zprávu, ve které odvodí Schrödingerovu rovnici v obecném tvaru.

18. března 1926 Schrödinger dokazuje ekvivalenci maticové a vlnové mechaniky. 10. května - nové sdělení Schrödingera: teorie poruch a Starkův jev. Schrodinger se pokouší interpretovat vlnovou funkci jako základní fyzikální koncept – pole a částice – jako vlnové balíčky, ale naráží na potíže – vlnové balíčky se v průběhu času rozmazávají. Následovala ostrá dlouhodobá (čtvrt století) diskuse – co je podstatou Schrödingerových vln? Co přesně kmitá v prostoru obklopujícím jádro atomu vodíku? Co je to elektron v atomu - vlnový balíček nebo elementární částice? Teprve v roce 1950 se Schrödinger připojil k pravděpodobnostní interpretaci podstaty vln.

Born publikuje pravděpodobnostní interpretaci Schrödingerovy vlnové funkce .

Enrico Fermi (1901-1954) a nezávisle Dirac odvozují statistiku částic s antisymetrickými vlnovými funkcemi, druhou správnou kvantovou statistiku.

1927

Werner Heisenberg publikuje článek „O vizuálním obsahu kvantové teoretické kinematiky a mechaniky“, ve kterém je elementárně odvozen vztah neurčitosti.

Bohr publikuje princip komplementarity , který zobecňuje vztahy neurčitosti a odhaluje dualitu vlny a částic .

Pauli publikuje článek, ve kterém zavádí spin do Schrödingerovy rovnice (koeficient 2 se vkládá ručně) - Pauliho rovnice.

Dirac zavádí metodu druhého kvantování do kvantové mechaniky.

1928

Dirac po dlouhých pokusech extrahuje druhou odmocninu d'Alembertova operátoru a získá základní rovnici kvantové mechaniky - Diracovu rovnici , ze které jako z roh hojnosti vylévá: koeficient 2 , pozitrony , nekonečné energie , renormalizace , kvantová elektrodynamika , Dyson , Schwinger , Feynman a urychlovače .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Otto Sackur Archivováno 10. září 2016 na Wayback Machine
  2. ↑ William Duane Archivováno 27. září 2016 na Wayback Machine .
  3. ↑ Ponomarev L. I. Ve znamení kvanta . - M. : FIZMATLIT, 2005. - S.  164 . — 416 s. — ISBN 5-9221-0653-8 .

Literatura