Интерпретация квантовомеханических представлений с позиций волнового описания системности физических величин (стр. 4 из 7)

А1 = 1, В2 = 0,

и . (3.17)

Квадрат коэффициента В1 представляет собой коэффициент отражения R частицы от высокого потенциального порога, а квадрат коэффициента А2, представляет собой коэффициент прозрачности D, причем D = 1 – R.

Думается, что коэффициент прозрачности прямоугольного потенциального барьера, обычно представляемый в виде

(3.18)

лучше записывать по иному, в виде:

. (3.19)

Такая форма представления не только понятнее, но и проще для запоминания. Выражение (3.19) говорит и о том, что высокочастотные составляющие волновой функции проходят потенциальные барьеры с большими потерями. То есть волновые свойства микрочастицы, попадающей внутрь потенциальной стенки или потенциального барьера, становятся качественно иными. По-видимому, имеет место также и качественно иное изменение микрочастиц, при преодолении ими потенциального порога и освобождении из связанного состояния, например для электронов, покидающих атом.

4. СООТНОШЕНИЯ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ ГЕЙЗЕНБЕРГА, ИХ СИСТЕМНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ

Известные соотношения неопределенностей, сформулированные Вернером Гейзенбергом,

(4.1)

и

(4.2)

не только безупречны с точки зрения их системного представления, но и вполне могут быть расширены на соотношения неопределенностей иных пар ФВ.

Системная иллюстрация приведенных соотношений показана на рис.1. Другие возможные закономерные соотношения неопределенностей иных пар ФВ показаны на рис.2. Все эти соотношения представляют собой системные соотношения ФВ, называемой действием актуальным, элементарным квантом которой является постоянная Планка или ее половина.

Ниже приведены не только показанные на рисунках, но и другие возможные системные соотношения неопределенностей, проистекающие из действия актуального. Соотношения приведены в наименованиях пар ФВ, участвующих в соотношении неопределенностей данного типа. Эти пары ФВ в микромире дополнительны друг другу и их невозможно одновременно точно измерить, вот они:

Энергия – Время;

Импульс – Длина;

Момент инерции – Угловая скорость;

Вязкость динамическая – Объем пространства;

Масса – Вязкость кинематическая;

Ток (расход) массы – Площадь;

Гравитационный потенциал – Изменение (вращение) объема;

Действие потенциальное – Градиент времени;

Сила – Кинематическая физическая величина с размерностью LT;

Динамическая физическая величина с размерностью МL – скорость.

Можно привести и иные соотношения данного типа, в том числе с участием электромагнитных величин.

При обсуждении этих новых соотношений обычно возникает возражение – какой смысл в квантовой механике имеет момент инерции или угловая скорость? На эти возражения можно дать такой ответ: эти соотношения следуют из системы и, вероятнее всего, каждое из этих соотношений имеет свой определенный смысл, но мы эти смыслы пока не улавливаем.

Надо отметить, что традиционное в квантовой механике определение возможных и невозможных для одновременного и точного измерения пар ФВ, что обычно выполняется при помощи определения коммутируемости их операторов, обладает несравненно большей сложностью и количественной ограниченностью.

5. СИСТЕМНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ И АНАЛИЗ СТРОЕНИЯ ВОДОРОДОПОДОБНЫХ АТОМОВ

В системе ФВ по рис.3 - рис.6 потенциальным действием названа величина, представляющая собой произведение силы на площадь или энергии на длину. В микромире, судя по всему, данная величина относится к сохраняющимся и квантуемым (вернее, дискретным). Рассмотрим этот вопрос подробнее.

На рис.3 представлены возможные системные соотношения ФВ действие потенциальное, выполненные аналогично рассмотренным выше соотношениям неопределенностей с участием действия актуального.

Проследим происхождение ФВ потенциальное действие и рассмотрим ее свойства на примере боровской теории строения водородоподобного атома (иона атома, имеющего Z протонов в ядре и один орбитальный электрон с зарядом – e).

Приведем уравнение, описывающее условие вращения в атоме электрона массой me по круговой орбите радиуса r под действием кулоновской силы со стороны ядра, а также формулу Бора для квантования момента импульса электрона [1]:

(5.1)

. (5.2)

Обычно совместным решением этих двух уравнений, определяют радиусы допустимых (стационарных) орбит электрона в водородоподобном атоме:

, n = 1, 2, 3… (5.3)

Здесь буквой а обозначен радиус первой стационарной орбиты в атоме водорода, так называемый боровский радиус.

Из выражений (5.1) и (5.2) можно определить не радиус орбит, а скорость электрона, находящегося на n - ой орбите:

. (5.4)

Если применить известное соотношение между ФФП: постоянной Планка, зарядом электрона и электрической постоянной

× 2a с , (5.5)

то выражение (5.4) становится совсем простым

(5.6)

Учитывая, что последнее соотношение определяется только скоростью света – с, поскольку 2 и α (постоянная тонкой структуры) представляют собой числовые константы, то можно констатировать, что с изменением номера орбиты именно скорость электрона меняется упорядоченно и целочисленно кратно относительно некого значения, связанного со скоростью света. Поэтому истинно квантуемой величиной (в смысле первичности и упорядоченности квантования) для электрона, находящегося в составе атома, скорее всего, является его скорость.

Если при этом масса остается неизменной, то это означает квантование импульса. А если квантуется импульс, то это значит целочисленно дольно изменяются длины волн. Вернее целочисленно кратно изменяется количество дебройлевских полуволн, укладывающихся на данной орбите.

Отметим, что радиус электронной орбиты изменяется (в теории) более сложным образом - по квадратичной зависимости и, судя по всему, не может быть первоначально квантуемой величиной.

Обычно принято анализировать не скорости, а энергии электрона, находящегося на n – ой орбите атома. Полная энергия электрона складывается из его кинетической энергии

(5.7)

и потенциальной энергии кулоновского взаимодействия электрона с ядром

. (5.8)

Суммарная энергия электрона составляет:

. (5.9)

С использованием соотношения (5.5) последняя формула тоже упрощается, принимая более простой и понятный вид:

. (5.10)

Таким образом, заключаем, что энергия электрона, находящегося в составе атома на разных энергетических орбитах, почти полностью определяется зарядом ядра, порядковым номером орбиты (зависимость квадратична) и величиной внутренней энергии электрона.

Используя известное выражение для рационализированной постоянной Планка,

, (5.11)

выражение (5.10), без учета знака, можно преобразовать в следующее:

. (5.12)

Выражение (5.12) аналогично (1.4). Оно определяет дебройлевскую частоту обращения электрона, находящегося на орбите водородоподобного атома. Эта частота также как и энергия электрона, имеет квадратичную зависимость от n. Нетрудно заметить, что для электрона водородоподобного атома указанное соотношение (энергии и частоты) остается неизменным.

Действительно, при любых изменениях энергии и частоты электрона, находящегося на определенной орбите атома, их соотношение всегда остается неизменным, и это соотношение мы называем постоянной Планка. При переходах электрона с одной орбиты на другую указанное соотношение если и изменяется, то это изменение обязательно целочисленно кратно минимальной величине.

Поскольку дебройлевская частота электрона связана с его дебройлевской длиной волны, а последняя с импульсом, то постоянная Планка есть также и соотношение орбитального импульса электрона с его длиной волны. Соотношение, которое для определенного энергетического уровня тоже является неизменным, а с изменением номера орбиты изменяется целочисленно кратно.

Из вышеприведенных формул можно сделать и другие важные выводы:

- при ограничении максимальной орбитальной скорости электрона величиной скорости света, числовое значение Z (формулы 5.6 – 5.10) не может превышать величину 137 @ a –1. Таким образом, водородоподобный атом (с одним электроном) в основном состоянии (n = 1) не может иметь число протонов, превышающее это число. Значит, постоянная тонкой структуры a своим значением в определенной степени ограничивает количество химических элементов, потенциально возможных к существованию в природе (здесь надо отметить возможность поправки на релятивистский эффект изменения массы);