11.4.
Оптико–механическая аналогия: взаимосвязь между принципами Ферма и Мопертюи.
Постоянная Планка, длина волны де Бройля. Уравнение Шреденгера. Соотношение
неопределенностей Гейзенберга. Радиус Бора Луч в геометрической оптике подобен траектории материальной частицы в
механике. Существует аналогия между принципом Ферма в геометрической оптике и
принципом Мопертюи в механике. Принцип Ферма утверждает минимальность
оптического пути высокочастотного электромагнитного поля (света). Интеграл,
взятый вдоль луча между двумя точками минимален по сравнению с оптическим
путем, вычисленным вдоль любой другой кривой, соединяющей те же точки и 2:
,
где
- волновой вектор,
-
частота волны,
, волновой вектор направлен по
касательной к лучу.
Принцип Мопертюи утверждает минимальность интеграла действия
,
взятого вдоль истинной траектории частицы, по сравнению с таким же интегралом, взятом вдоль любой другой кривой, соединяющей те же две точки.
Уравнение движения частицы в потенциальном поле в нерелятивистском случае имеет вид
Здесь
- масса частицы,
-
потенциальная энергия.
Так
как (здесь штрихом обозначена производная по
времени), то из уравнения движения следует закон сохранения энергии
,
или
.
- импульс частицы, он направлен по
касательной к траектории частицы,
- энергия частицы.
Имеет место аналогия .
Аналогом материальной точки в механике является волновой пакет в геометрической
оптике. Должна иметься аналогия
(
- скорость частицы),
. Отсюда следует аналогия
. Количественная формулировка
оптико-механической аналогии выглядит следующим образом
,
где
- постоянная Планка. В частности
имеем
или
- длина
волны де Бройля. Фазовая скорость имеет представление
. Волновому уравнению в электродинамике
сопоставим аналогичное волновое уравнение для механики
,
где
- волновая функция, описывающая
монохроматическую волну
, для которой волновое
уравнение приводится к виду уравнения с переменным коэффициентом
:
.
Это
уравнение Шреденгера для комплексной амплитуды волновой функции в
квантовой механике. Величина описывает распределение
вероятностей нахождения частицы в том или ином месте пространства. Возникает
вопрос, почему имеет место квантование? Это обусловлено тем, что при заданной
потенциальной энергии
уравнение Шредингера допускает
решение не при всех, а только при определенных значениях энергии
. Этот набор энергий называется спектром
энергий. Спектр может быть дискретным (наличие квантования) и может быть
сплошным. Если в качестве примера взять
(это
соответствует потенциальной энергии электрона в поле протона), то можно
получить энергетический спектр атома водорода.
Для волнового пакета (квазимонохромата) имели место соотношения
.
Аналогами их в квантовой механике будут соотношения неопределенности Гейзенберга
.
Если
частица локализована в интервале по оси
, то проекция ее импульса на эту ось не
может иметь определенного значения, а лежит в интервале
при
выполнении условия
(аналогично для осей
и
). Если
частица нестационарна в течение времени
, то это
состояние не может быть моноэнергетическим. Мера немоноэнергетичности
связана с
соотношением
Гейзенберга.
Оценку
величины радиуса самого легкого атома – атома водорода можно получить на основе
предельной ситуации, заменяя неравенство Гейзенберга равенством , сделав дополнительно четыре допущения:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.