Элементы квантовой физики

    Ядерная физика оказала большое влияние на развитие ряда других областей физики (в частности, астрофизики и физики твёрдого тела) и других наук (химии, биологии, биофизики).

             Прикладное значение ядерной  физики в жизни современного общества огромно, её практические приложения фантастически разнообразны — от ядерного оружия и ядерной энергетики до диагностики и терапии в медицине. Вместе с тем она остаётся той фундаментальной наукой, от прогресса которой можно ожидать выяснения глубоких свойств строения материи и открытия новых общих законов природы.

2. Физика элементарных частиц

    Физика  элементарных частиц - раздел физики, изучающий структуру и свойства элементарных частиц и их взаимодействия.

    Теоретическая физика элементарных частиц строит теоретические модели для объяснения данных, полученных в действующих экспериментах, получения предсказаний для будущих экспериментов и разработки математического инструментария для проведения исследований такого рода. На сегодняшний день основным орудием в теоретической физике элементарных частиц является квантовая теория поля.

    3.3 Физика высоких энергий

    Физика  высоких энергий - раздел физики элементарных частиц, изучающий взаимодействия элементарных частиц и/или ядер атомов при энергиях столкновения, существенно выше, чем массы самих сталкивающихся частиц.

    Эксперименты  по физике высоких энергий проводятся с помощью ускорителей заряженных частиц и ядерных реакторов. Также  источником частиц высоких энергий  являются космические лучи (элементарные частицы и ядра атомов, родившиеся и ускоренные до высоких энергий во Вселенной). В неускорительных экспериментах с космическими лучами изучают, в основном, свойства нейтрино и поведение частиц при сверхвысоких энергиях (широкие космические ливни).

4. Квантовая статистическая физика

    Квантовая статистика - раздел статистической физики, исследующий системы множества частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.

    Одновременно  с развитием волновой и квантовой  механики развивалась другая составная  часть квантовой теории - квантовая  статистика или статистическая физика квантовых систем, состоящих из большого числа частиц. На основе классических законов движения отдельных частиц была создана теория поведения их совокупности - классическая статистика. Аналогично этому на основе квантовых  законов движения частиц была создана  квантовая статистика, описывающая  поведение макрообъектов в случаях  когда законы классической механики не применимы для описания движения составляющих их микрочастиц - в данном случае квантовые свойства проявляются  в свойствах макрообъектов. Важно  иметь в виду, что под системой в данном случае понимаются лишь взаимодействующие  друг с другом частицы. Квантовая  система при этом не может рассматриваться  как совокупность частиц, сохраняющих  свою индивидуальность. Иными словами, квантовая статистика требует отказа от представления различимости частиц - это получило название принципа тождественности. В атомной физике две частицы  одной природы считались тождественными. Однако эта тождественность не признавалась абсолютной. Так, две частицы одной  природы можно было различать  хотя бы мысленно.

    В квантовой статистике возможность  различить две частицы одинаковой природы полностью отсутствует. Квантовая статистика исходит из того, что два состояния системы, которые отличаются друг от друга  лишь перестановкой двух частиц одинаковой природы, тождественны и неразличимы. Таким образом, основное положение  квантовой статистики - принцип тождественности  одинаковых частиц, входящих в квантовую  систему. Этим квантовые системы  отличаются от классических систем. 
 

5. Квантовая теория конденсированных сред

    Физика  конденсированного состояния — большая ветвь физики, изучающая поведение сложных систем (то есть систем с большим числом степеней свободы) с сильной связью. Принципиальная особенность эволюции таких систем заключается в том, что её (эволюцию всей системы) не удается «разделить» на эволюцию отдельных частиц. «Разбираться» приходится со всей системой в целом. Как результат, часто вместо движения отдельных частиц приходится рассматривать коллективные колебания. При квантовом описании, эти коллективные степени свободы становятся квазичастицами.

    Физика  конденсированных сред — богатейшая область физики, как с точки  зрения математических моделей, так  и с точки зрения приложений к  реальности. Конденсированные среды  с самыми разнообразными свойствами встречаются повсюду: обычные жидкости, кристаллы и аморфные тела, материалы  со сложной внутренней структурой (к  которым относятся и мягкие конденсированные среды), квантовые жидкости (электронная  жидкость в металлах, нейтронная —  в нейтронных звездах, сверхтекучие среды, атомные ядра), магнитные моменты, сложные сети и т. д. Часто их свойства бывают столь сложны и многогранны, что приходится предварительно рассматривать  их упрощенные математические модели. В результате поиск и исследование точно решаемых математических моделей  конденсированных сред стал одним из наиболее активных направлений в  физике конденсированных сред.

    Квантовая теория позволила не только объяснить  атомные спектры, но и разгадать  многие загадки в поведении твёрдых  тел, прежде всего кристаллов. Казалось бы, кристалл, содержащий миллионы атомов, исследовать в миллионы раз труднее, чем отдельный атом. Но на самом  деле задача не так уж и сложна, если посмотреть на неё с другой точки  зрения. Структура кристалла весьма упорядочена — это кристаллическая  решётка. Внутри его по любой прямой линии через равные промежутки находятся  одни и те же атомы (или ионы, или молекулы). Кристалл обладает свойством периодичности по любому направлению. Потому-то при исследовании кристаллов помогает в первую очередь именно упорядоченность, а не свойства отдельных атомов (молекул). 

6. Квантовая теория твёрдого тела

    Физика  твердого тела - раздел физики конденсированного состояния, задачей которого является описание физических свойств твёрдых тел с точки зрения их атомарного строения. Интенсивно развивалась в XX веке после открытия квантовой механики. Развитие стимулировалась широким спектром важных задач прикладного характера, в частности, развитием полупроводниковой техники.

    Основой современной теории твердых тел является зонная теория.

    Зонная  теория твёрдого тела, раздел квантовой  механики, рассматривающий движение электронов в твёрдом теле. Свободные  электроны могут иметь любую  энергию — их энергетический спектр непрерывен. Электроны, принадлежащие  изолированным атомам, имеют определённые дискретные значения энергии. В твёрдом теле энергетический спектр электронов существенно иной, он состоит из отдельных разрешенных зон, разделённых зонами запрещенных энергий.

    В основе зонной теории лежит сведение многоэлектронной задачи к задаче одноэлектронной. Зонная теория – это теория одного электрона.

    Зонная  теория является основой современных  представлений о механизмах различных  физических явлений, происходящих в  твердом кристаллическом веществе при воздействии на него электромагнитного  поля.

    Зонная  теория первоначально была разработана  для кристаллических твердых  тел, однако в последние годы ее представления  стали распространяться и на аморфные вещества. 
 

7. Квантовая оптика

    Квантовой оптикой называют раздел оптики, занимающийся изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства света. К таким явлениям относятся: тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона, эффект Рамана, фотохимические процессы, вынужденное излучение (и, соответственно, физика лазеров) и др.

    Квантовая оптика является более общей теорией, чем классическая оптика. Основная проблема, затрагиваемая квантовой  оптикой — описание взаимодействия света с веществом с учётом квантовой природы объектов, а  также описания распространения  света в специфических условиях. Для того чтобы точно решить эти  задачи требуется описывать и  вещество (среду распространения, включая  вакуум) и свет исключительно с  квантовых позиций, однако часто  прибегают к упрощениям: одну из компонент системы (свет или вещество) описывают как классический объект. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    В XX начале века начала создаваться, а к концу первой трети столетия обрела достаточную стройность другая фундаментальная физическая теория XX в. — квантовая теория. Если теория относительности эффектно завершала предшествовавший этап развития физики, то квантовая теория, решительно порывая с классической физикой, открывала качественно новый этап в познании человеком материи. «Для квантовой теории характерен именно разрыв с классикой,— писал Вайскопф.— Это шаг в неизведанное, в мир явлений, которые не умещались в рамки идей физики XIX в. Надо было создать новые приемы мышления, чтобы понять мир атомов и молекул с его дискретными энергетическими состояниями и характерными  особенностями спектров  и химических   связей»

      Используя квантовую теорию, физики  совершили в XX в. в буквальном смысле слова прорыв в понимании вопросов, касающихся моля и вещества, строения и свойств кристаллов, молекул, атомов, атомных ядер, взаимопревращений элементарных частиц. Возникли новые разделы физики, такие, как физика твердого тела, физика плазмы, атомная и молекулярная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц. А в традиционных разделах, например оптике, появились совершенно новые главы: квантовая оптика, нелинейная оптика, голография и др. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

1. Матвеев А. Н. - Атомная физика: Учеб. пособие для студентов вузов. – М.: Высш. шк., 1989. – 439 с.: ил.
2. Трофимова Т. И. - Курс фзики: учеб. пособие для вузов – 11-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 560 с.
3. Иродов И. Е. - Квантовая физика. Основные законы: Учебное пособие для студентов вузов. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010 г. – 256 с.
4. Савельев И. В. – Основы теоретической физики; том 2:  Квантовая механика. -  М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1977 г. – 352 с.
5. Мессиа А. – Квантовая механика (перевод с французского) под ред. Л. Д. Фарадеева. – Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1978 г. – 479 с.
6. Астахов А. В., Широков Ю. М. – Курс физики. Том 3. Квантовая физика. – М.: Наука, 1983г. – 240 с.