Название: Лекции по квантовой физике Автор: Суханов А.Д. Издательство: М.: Высш. шк. Год: 2006 Формат: pdf Страниц: 528 Размер: 39 mb Язык: русский
В пособии изложены фундаментальные законы квантовой физики и их взаимосвязи с законами классической физики. Рассмотрение физических основ квантовой механики, проводимое на простейших моделях, удачно сочетается с доступным изложением проблем квантовой динамики вещества и физики элементарных частиц. Главное внимание уделено выяснению физического смысла основных понятий и особенностей наблюдаемых явлений в микромире. Материал изложен без использования громоздкого математического аппарата. Для студентов технических специальностей вузов.
Главная задача курса — показать, что квантовая механика вовсе не сводится к корпускулярно-волновому дуализму, а составляет основу более глубокого взгляда на природу, базирующегося на фундаментальном понятии состояния микросистемы и динамике как описании переходов между этими состояниями. Следуя этой линии, в основу изложения квантовой физики вещества положена идея о целостном квантовом состоянии системы микрочастиц. При этом вопросы квантовой физики атомов и молекул рассматриваются относительно кратко. Вместо этого более подробно обсуждаются те вопросы квантовой динамики вещества, в которых тепловые эффекты несущественны. Это позволяет отделить изучение достаточно сложных квантовых эффектов в веществе от тепловых эффектов, которые, согласно новой программе, предпочтительнее рассматривать в рамках статистической физики.
В пособии доступно изложены квантовые основы такого экзотического явления как сверхпроводимость. Что касается элементов физики высоких энергий, включающих релятивистское квантовое описание ядер атомов и элементарных частиц вплоть до уровня кварков и лептонов, то подобные вопросы в столь полном объеме включены в учебное пособие по квантовой физике для студентов нефизических специальностей впервые. При их подготовке были частично использованы материалы ряда ранее опубликованных авторами пособий. Данное учебное пособие предназначено для студентов технических и естественнонаучных направлений и специальностей университетов, втузов и педвузов, и, прежде всего, для студентов специализации «инженер-исследователь». Оно основано на полномасштабном курсе общей физики, который в течение многих лет авторы читали на кафедрах физики. В нем была предпринята попытка дать современное и вместе с тем доступное изложение проблем квантовой физики. Первый раздел этих лекций содержит физические основы квантовой механики, второй — их приложения к наиболее интересным вопросам физики вещества, третий раздел посвящен элементам квантовой физики высоких энергий. Как всякий курс лекций он отражает специфический подход авторов. Представленный в пособии материал достаточно полон и по опыту авторов может быть изложен и освоен студентами за один семестр. Что же касается математики, то данный раздел курса оказывается проще традиционного изложения разделов, посвященных классической физике.
Предисловие Элементы квантовой механики Лекция 1. Постоянная Планка. Фотоны Принцип атомизма и классическая физика Существование элементарного кванта действия как фундаментальный закон природы Квантовые свойства электромагнитного излучения. Фотон как частица Типы поляризации фотона и вероятности Понятие о состоянии поляризации фотона Поступательное движение фотона. Понятие об амплитуде вероятности Лекция 2. Микрочастицы с ненулевой массой Квантовые свойства атомов вещества Волновые свойства свободной микрочастицы Волны де Бройля как амплитуды вероятности Понятие об ансамбле «одинаковых» микрочастиц. Соотношения неопределенностей Гейзенберга Спин. Понятие о спиновом состоянии электрона Лекция 3. Плотность вероятности и поток вероятности Волны де Бройля при нерелятивистском движении. Плотность вероятности Стационарный поток вероятности Отражение и прохождение микрочастицы через потенциальный барьер Туннельный эффект Отклонение микрочастицы внешним полем в лучевом приближении Лекция 4. Стационарные состояния и уровни энергии Типы стационарных состояний одномерного движения микрочастицы Микрочастица в потенциальной яме. Уровни энергии Стационарное уравнение Шредингера Уровни энергии и основное состояние гармонического осциллятора Уровни энергии и основное состояние электрона в атоме водорода Лекция 5. Физические характеристики микрочастицы в стационарном состоянии Средние значения радиуса-вектора и потенциальной энергии. Понятие о квадратичном отклонении Средние значения импульса Средние значения кинетической и механической энергий Понятие об операторах физических величин Момент импульса микрочастицы Средние значения проекций и квадрата модуля вектора момента импульса Лекция 6. Квантовые состояния Недостаточность волновой функции в реальном пространстве для описания микромира. Понятие о базисных волновых функциях Различные способы описания квантового состояния микрочастицы Переход к универсальным обозначениям Состояния поляризации фотона и спиновые состояния электрона Физический смысл базисных состояний. Основные принципы квантовой динамики Лекция 7. Основное уравнение квантовой динамики Необходимость нестационарных квантовых состояний для описания микромира. Соотношение неопределенностей Гейзенберга для энергии и времени Нестационарное уравнение Шредингера. Понятие о гамильтониане Изменение со временем средних значений физических величин Гамильтонова матрица. Система уравнений для амплитуд вероятности перехода Причинно-следственные связи и переходы между квантовыми состояниями Лекция 8. Переходы между квантовыми состояниями Двухуровневые системы в квантовой динамике Спин электрона в магнитном поле. Гамильтонова матрица и описание эволюции состояния системы со временем Вероятности перехода между базисными состояниями. Переходы под действием постоянного возмущения Переходы под действием переменного возмущения. Взаимосвязь поглощения и вынужденного испускания фотона Переходы в условиях резонанса. Понятие о мазере Раздел II. Квантовая динамика вещества Лекция 9. Вещество как система микрочастиц Особенности системы невзаимодействующих микрочастиц Тождественность одинаковых микрочастиц Бозоны и фермионы. Базисные состояния системы одинаковых микрочастиц Фотоны как бозоны. Взаимосвязь спонтанного и вынужденного испускания Электроны как фермионы. Энергия Ферми Лекция 10. Атомы Квантовые состояния электрона в атоме водорода. Движение по сфере Квантовые состояния электрона в атоме водорода. Радиальное движение Испускание и поглощение электромагнитного излучения в атоме водорода. Понятие о правилах отбора Электроны в многоэлектронных атомах. Особенности Периодической системы элементов Полный момент атома. Квантовые состояния атома в целом Лекция 11. Молекулы Молекулярный ион водорода. Обменное взаимодействие Молекула водорода. Понятие о валентности Направленность химических связей. Понятие о кратных и нелокализованных связях Учет движения ядер. Квантовые состояния молекулы в целом Межмолекулярное взаимодействие Лекция 12. Электроны в кристаллах Кристаллы в квантовой динамике. Квантовые состояния электрона в кристалле Стационарные состояния электрона в кристалле в приближении сильной связи Закон дисперсии. Почти свободные электроны в кристалле Влияние нерегулярностей решетки на движение электрона в кристалле Заполнение энергетических зон электронами Лекция 13. Квазичастицы Электроны в кристалле как квазичастицы. Понятие об эффективной массе Дырки как квазичастицы Носители заряда в полупроводниках Концепция квазичастиц в квантовой динамике. Магноны как квазичастицы Фононы как квазичастицы. Квантовое состояние кристалла в целом Лекция 14. Сверхпроводимость как макроскопическое квантовое явление Понятие о макроскопических квантовых явлениях Куперовские пары как квазичастицы Макроскопическая волновая функция и «сверхток» Квантование магнитного потока Эффекты Джозефсона Раздел III. Элементы физики высоких энергии Лекция 15. Фундаментальные понятия и законы релятивистской физики На пути к Стандартной Модели элементарных частиц Необходимость релятивистского описания Релятивистский импульс и релятивистская энергия Импульс и энергия изолированной системы. Фундаментальные законы сохранения импульса и энергии Момент и электрический заряд. Фундаментальные законы сохранения момента и электрического заряда Лекция 16. Столкновения атомных ядер и элементарных частиц Неаддитивность массы. Возможность изменения числа и сорта частиц в изолированной системе Распады ядер и элементарных частиц Ядерные реакции Рождение элементарных частиц Лекция 17. Элементы релятивистской квантовой механики Квантовые состояния с переменными числами микрочастиц Частицы и античастицы. Принцип перекрестной симметрии Описание фундаментальных взаимодействий. Понятие о калибровочной симметрии Фундаментальное электромагнитное взаимодействие Лекция 18. Структура ядер и ядерные состояния Нуклоны Сильный изоспин и его проекции Понятие об изотопической инвариантности. Сохранение барионного числа Лекция 19. «Слабые» и «сильные» ядерные силы Электромагнитные и слабые переходы между ядерными состояниями Различия между нейтрино и антинейтрино Сохранение лептонного числа. Понятие о слабом изоспине Нарушение симметрии в слабых ядерных переходах Обменное взаимодействие в ядрах. Пионы Нефундаментальность «сильных» ядерных сил. Модели ядер Адроны и кварки. Фундаментальное сильное взаимодействие Структура адронов Кварки Цвет как характеристика состояния кварков Фундаментальное сильное взаимодействие. Глюоны Асимптотическая свобода и невылетание кварков и глюонов Лекция 21. Лептоны и кварки. Фундаментальное электрослабое взаимодействие Слабые процессы с участием кварков и лептонов Сходство слабых и электромагнитных взаимодействий лептонов Фундаментальное электрослабое взаимодействие. Промежуточные бозоны Электрослабое взаимодействие при низких энергиях Лекция 22. Стандартная Модель элементарных частиц Понятие о спонтанном нарушении симметрии Другие лептоны. Электрослабое взаимодействие с участием всех лептонов Массивные кварки с различными «ароматами» и их сильное взаимодействие Электрослабое взаимодействие с участием всех кварков Основные контуры Стандартной Модели Литература Предметный указатель
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.
