Все словари русского языка: Толковый словарь, Словарь синонимов, Словарь антонимов, Энциклопедический словарь, Академический словарь, Словарь существительных, Поговорки, Словарь русского арго, Орфографический словарь, Словарь ударений, Трудности произношения и ударения, Формы слов, Синонимы, Тезаурус русской деловой лексики, Морфемно-орфографический словарь, Этимология, Этимологический словарь, Грамматический словарь, Идеография, Пословицы и поговорки, Этимологический словарь русского языка.

квантование

Орфографический словарь

Словарь ударений

Формы слов для слова квантование

Морфемно-орфографический словарь

квант/ова́/ни/е [й/э].

Грамматический словарь

Новый словарь иностранных слов

Сканворды для слова квантование

Полезные сервисы

квантование вторичное

Энциклопедический словарь

Квантова́ние втори́чное - метод исследования квантовых систем многих или бесконечного числа частиц (либо квазичастиц); особенно важен в квантовой теории поля, рассматривающей системы с изменяющимся числом частиц. В методе квантования вторичного состояние системы описывается с помощью чисел заполнения. Изменение состояния интерпретируется как процессы рождения и уничтожения частиц.

* * *

КВАНТОВАНИЕ ВТОРИЧНОЕ - КВАНТОВА́НИЕ ВТОРИ́ЧНОЕ, метод исследования квантовых систем многих или бесконечного числа частиц (либо квазичастиц (см. КВАЗИЧАСТИЦЫ)); особенно важен в квантовой теории поля (см. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ), рассматривающей системы с изменяющимся числом частиц. В методе квантования вторичного состояние системы описывается с помощью чисел заполнения (см. ЧИСЛА ЗАПОЛНЕНИЯ). Изменение состояния интерпретируется как процессы рождения и уничтожения частиц.

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантование магнитного потока

Энциклопедический словарь

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантование сигнала

Энциклопедический словарь

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовая жидкость

Энциклопедический словарь

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовая запутанность

квантовая механика

Энциклопедический словарь

Ква́нтовая меха́ника (волновая механика), теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц в заданных внешних полях; один из основных разделов квантовой теории. Квантовая механика впервые позволила описать структуру атомов и понять их спектры, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов и т. д. Так как свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием образующих их частиц, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Так, квантовая механика позволила понять многие свойства твёрдых тел, объяснить явления сверхпроводимости, ферромагнетизма, сверхтекучести и многое другое; квантовомеханические законы лежат в основе ядерной энергетики, квантовой электроники и т. д. В отличие от классической теории, все частицы выступают в квантовой механике как носители и корпускулярных, и волновых свойств, которые не исключают, а дополняют друг друга. Волновая природа электронов, протонов и других частиц подтверждена опытами по дифракции частиц. Корпускулярно-волновой дуализм материи потребовал нового подхода к описанию состояния физических систем и их изменения со временем. Состояние квантовой системы описывается волновой функцией, квадрат модуля которой определяет вероятность данного состояния и, следовательно, вероятности для значений физических величин, его характеризующих; из квантовой механики вытекает, что не все физические величины могут одновременно иметь точные значения (см. Неопределённости принцип). Волновая функция подчиняется суперпозиции принципу, что и объясняет, в частности, дифракцию частиц. Отличительная черта квантовой теории - дискретность возможных значений для ряда физических величин: энергии электронов в атомах, момента количества движения и его проекции на произвольное направление и т. д.; в классической теории все эти величины могут изменяться лишь непрерывно. Фундаментальную роль в квантовой механике играет Планка постоянная ħ - один из основных масштабов природы, разграничивающий области явлений, которые можно описывать классической физикойэтих случаях можно считать ħ = 0), от областей, для правильного истолкования которых необходима квантовая теория. Нерелятивистская (относящаяся к малым скоростям движения частиц по сравнению со скоростью света) Квантовая механика - законченная, логически непротиворечивая теория, полностью согласующаяся с опытом для того круга явлений и процессов, в которых не происходит рождения, уничтожения или взаимопревращения частиц.

* * *

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА - КВА́НТОВАЯ МЕХА́НИКА (волновая механика), теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц в заданных внешних полях; один из основных разделов квантовой теории. Квантовая механика впервые позволила описать структуру атомов и понять их спектры, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов и т. д. Т. к. свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием образующих их частиц, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Так, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых тел, объяснить явления сверхпроводимости, ферромагнетизма, сверхтекучести и многое др.; квантовомеханические законы лежат в основе ядерной энергетики, квантовой электроники и т. д. В отличие от классической теории, все частицы выступают в квантовой механике как носители и корпускулярных, и волновых свойств, которые не исключают, а дополняют друг друга. Волновая природа электронов, протонов и других «частиц» подтверждена опытами по дифракции частиц. Корпускулярно-волновой дуализм материи потребовал нового подхода к описанию состояния физических систем и их изменения со временем. Состояние квантовой системы описывается волновой функцией, квадрат модуля которой определяет вероятность данного состояния и, следовательно, вероятности для значений физических величин, его характеризующих; из квантовой механики вытекает, что не все физические величины могут одновременно иметь точные значения (см. Неопределенности принцип (см. НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ПРИНЦИП)). Волновая функция подчиняется суперпозиции принципу (см. СУПЕРПОЗИЦИИ ПРИНЦИП), что и объясняет, в частности, дифракцию частиц. Отличительная черта квантовой теории - дискретность возможных значений для ряда физических величин: энергии электронов в атомах, момента количества движения и его проекции на произвольное направление и т. д.; в классической теории все эти величины могут изменяться лишь непрерывно. Фундаментальную роль в квантовой механике играет Планка постоянная (см. ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ) ћ - один из основных масштабов природы, разграничивающий области явлений, которые можно описывать классической физикойэтих случаях можно считать j=0), от областей, для правильного истолкования которых необходима квантовая теория. Нерелятивистская (относящаяся к малым скоростям движения частиц по сравнению со скоростью света) квантовая механика - законченная, логически непротиворечивая теория, полностью согласующаяся с опытом для того круга явлений и процессов, в которых не происходит рождения, уничтожения или взаимопревращения частиц.

Большой энциклопедический словарь

КВАНТОВАЯ механика (волновая механика) - теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц в заданных внешних полях; один из основных разделов квантовой теории. Квантовая механика впервые позволила описать структуру атомов и понять их спектры, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов и т. д. Т. к. свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием образующих их частиц, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Так, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых тел, объяснить явления сверхпроводимости, ферромагнетизма, сверхтекучести и многое др.; квантовомеханические законы лежат в основе ядерной энергетики, квантовой электроники и т.

д. В отличие от классической теории, все частицы выступают в квантовой механике как носители и корпускулярных, и волновых свойств, которые не исключают, а дополняют друг друга. Волновая природа электронов, протонов и других "частиц" подтверждена опытами по дифракции частиц. Корпускулярно-волновой дуализм материи потребовал нового подхода к описанию состояния физических систем и их изменения со временем. Состояние квантовой системы описывается волновой функцией, квадрат модуля которой определяет вероятность данного состояния и, следовательно, вероятности для значений физических величин, его характеризующих; из квантовой механики вытекает, что не все физические величины могут одновременно иметь точные значения (см. Неопределенности принцип). Волновая функция подчиняется суперпозиции принципу, что и объясняет, в частности, дифракцию частиц. Отличительная черта квантовой теории - дискретность возможных значений для ряда физических величин: энергии электронов в атомах, момента количества движения и его проекции на произвольное направление и т. д.; в классической теории все эти величины могут изменяться лишь непрерывно. Фундаментальную роль в квантовой механике играет Планка постоянная . - один из основных масштабов природы, разграничивающий области явлений, которые можно описывать классической физикойэтих случаях можно считать ??0), от областей, для правильного истолкования которых необходима квантовая теория. Нерелятивистская (относящаяся к малым скоростям движения частиц по сравнению со скоростью света) квантовая механика - законченная, логически непротиворечивая теория, полностью согласующаяся с опытом для того круга явлений и процессов, в которых не происходит рождения, уничтожения или взаимопревращения частиц.

Энциклопедия Кольера

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА - фундаментальная физическая теория динамического поведения всех элементарных форм вещества и излучения, а также их взаимодействий. Квантовая механика представляет собой теоретическую основу, на которой строится современная теория атомов, атомных ядер, молекул и физических тел, а также элементарных частиц, из которых все это состоит. Квантовая механика была создана учеными, стремившимися понять, как устроен атом. Атомные процессы в течение многих лет изучали физики и особенно химики; при изложении данного вопроса мы будем, не вдаваясь в подробности теории, следовать историческому ходу развития предмета. См. также АТОМ.

Зарождение теории. Когда Э.Резерфорд и Н.Бор предложили в 1911 ядерную модель атома, это было подобно чуду. В самом деле, она была построена из того, что было известно уже более 200 лет. Это была, в сущности, коперниковская модель Солнечной системы, воспроизведенная в микроскопическом масштабе: в центре находится тяжелая масса, вскоре получившая название ядра, вокруг которой вращаются электроны, числом которых определяются химические свойства атома. Но мало того, за этой наглядной моделью стояла теория, которая позволила начать расчеты некоторых химических и физических свойств веществ, по крайней мере построенных из наименьших и наиболее простых атомов. Теория Бора - Резерфорда содержала ряд положений, которые здесь полезно напомнить, поскольку все они в том или ином виде сохранились и в современной теории. Во-первых, важен вопрос о природе сил, связывающих атом. С 18 в. было известно, что электрически заряженные тела притягивают или отталкивают друг друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Используя в качестве пробных тел альфа-частицы, возникающие в результате радиоактивных превращений, Резерфорд показал, что тот же самый закон электрического взаимодействия (закон Кулона) справедлив в масштабах, в миллион миллионов раз меньших тех, для которых он был первоначально экспериментально установлен. Во-вторых, нужно было ответить на вопрос о том, как электроны движутся по орбитам под действием этих сил. Здесь вновь опыты Резерфорда, казалось бы, показывалиБор принял это в своей теории), что законы движения Ньютона, сформулированные в его Началах (Principia Mathematica, 1687), можно использовать для описания движения частиц в этих новых масштабах микромира. В-третьих, вставал вопрос о стабильности. В ньютоновско-кулоновском атоме, как и в Солнечной системе, размеры орбит произвольны и зависят лишь от того, каким образом система была первоначально приведена в движение. Однако все атомы одного вещества одинаковы и к тому же стабильны, что совсем необъяснимо с точки зрения старых представлений. Бор высказал предположение, что атомные электроны следует рассматривать как движущиеся вокруг ядра лишь по определенным орбитам, которым отвечают определенные энергетические уровни, причем они должны испускать квант энергии в виде света, переходя с орбиты с более высокой энергией на орбиту с меньшей энергией. Такие "условия квантования" не вытекали ни из каких экспериментальных данных или теорий; они были приняты как постулаты. На основе этих концептуальных элементов, дополненных только что развитыми в то время представлениями М.Планка и А.Эйнштейна о природе света, Бору удалось количественно объяснить весь спектр излучения атомов водорода в газоразрядной трубке и дать качественное объяснение всех основных закономерностей периодической системы элементов. К 1920 пришло время взяться за проблему спектра излучения более тяжелых атомов и вычислить интенсивность химических сил, связывающих атомы в соединениях. Но здесь иллюзия успеха померкла. На протяжении ряда лет Бор и другие исследователи безуспешно пытались рассчитать спектр гелия - следующего за водородом простейшего атома с двумя электронами. Сначала вообще ничего не получалось; в конце концов несколько исследователей различными способами решили эту задачу, но ответ оказался неверным - он противоречил эксперименту. Затем выяснилось, что вообще невозможно построить сколько-нибудь приемлемую теорию химического взаимодействия. К началу 1920-х годов теория Бора исчерпала себя. Пришло время признать справедливость пророческого замечания, которое Бор еще в 1914 сделал в письме другу в присущем ему замысловатом стиле: "Я склонен полагать, что проблема связана с исключительно большими трудностями, которые можно будет преодолеть, лишь гораздо дальше отойдя от обычных соображений, чем требовалось до сих пор, и что достигнутый ранее успех был обусловлен исключительно простотой рассматривавшихся систем".

См. также

БОР Нильс Хенрик Давид;

СВЕТ;

РЕЗЕРФОРД Эрнест;

СПЕКТРОСКОПИЯ.

Первые шаги. Поскольку использованная Бором комбинация существовавших ранее представлений из области электричества и механики с условиями квантования привела к неверным результатам, все это нужно было полностью или частично изменить. Основные положения теории Бора были приведены выше, а для соответствующих расчетов было достаточно не очень сложных выкладок с использованием обычной алгебры и математического анализа. В 1925 молодой немецкий физик В.Гейзенберг посетил Бора в Копенгагене, где провел с ним долгие часы в беседах, выясняя, что из теории Бора обязательно должно войти в будущую теорию, а от чего в принципе можно и отказаться. Бор и Гейзенберг сразу же согласились, что в будущей теории обязательно должно быть представлено все непосредственно наблюдаемое, а все не поддающееся наблюдению может быть изменено или исключено из рассмотрения. С самого начала Гейзенберг считал, что следует сохранить атомы, но орбиту электрона в атоме считать абстрактной идеей, поскольку ни один эксперимент не позволяет определить электронную орбиту по результатам измерений наподобие того, как это можно сделать для орбит планет. Читатель может заметить, что тут есть определенная нелогичность: строго говоря, атом столь же ненаблюдаем непосредственно, как и электронные орбиты, и вообще в нашем восприятии окружающего мира нет ни одного ощущения, которое не требовало бы разъяснения. В наши дни физики все чаще цитируют известный афоризм, который был впервые произнесен Эйнштейном в беседе с Гейзенбергом: "Что именно мы наблюдаем, нам говорит теория". Таким образом, различие между наблюдаемыми и ненаблюдаемыми величинами носит чисто практический характер, не имея никакого обоснования ни в строгой логике, ни в психологии, причем это различие, как бы оно ни проводилось, должно рассматриваться как часть самой теории. Поэтому гейзенберговский идеал теории, очищенной от всего ненаблюдаемого, есть некое направление мысли, но отнюдь не последовательный научный подход. Тем не менее он доминировал в атомной теории почти полвека после того, как был впервые сформулирован. Мы уже напоминали о составных элементах ранней модели Бора, таких, как закон Кулона для электрических сил, законы динамики Ньютона и обычные правила алгебры. Путем тонкого анализа Гейзенберг показал, что можно сохранить известные законы электричества и динамики, если найти надлежащее выражение для динамики Ньютона, а затем изменить правила алгебры. В частности, Гейзенберг высказал мысль, что, поскольку ни положение q, ни импульс p электрона не являются измеримыми величинами в том смысле, в каком ими являются, например, положение и импульс автомобиля, мы можем при желании сохранить их в теории, лишь рассматривая как математические символы, обозначаемые буквами, но не как числа. Он принял для p и q алгебраические правила, согласно которым произведение pq не совпадает с произведением qp. Гейзенберг показал, что простые расчеты атомных систем дают приемлемые результаты, если принять, что для положения q и импульса p выполняется соотношение

<a href='/dict/квантовая' class='wordLink' target='_blank'>КВАНТОВАЯ</a> <a href='/dict/механика' class='wordLink' target='_blank'>МЕХАНИКА</a>

где h - постоянная Планка, уже известная из квантовой теории излучения и фигурировавшая в теории Бора, а . Постоянная Планка h представляет собой обычное число, но очень малое, приблизительно 6,6Ч10-34 Дж*с. Таким образом, если p и q - величины обычного масштаба, то разность произведений pq и qp будет крайне мала по сравнению с самими этими произведениями, так что p и q можно считать обычными числами. Построенная для описания явлений микромира, теория Гейзенберга почти полностью согласуется с механикой Ньютона, когда ее применяют к макроскопическим объектам. Уже в самых ранних работах Гейзенберга было показано, что при всей неясности физического содержания новой теории она предсказывает существование дискретных энергетических состояний, характерных для квантовых явлений (например, для испускания света атомом). В более поздней работе, выполненной совместно с М. Борном и П. Йорданом в Геттингене, Гейзенберг развил формальный математический аппарат теории. Практические вычисления остались, однако, крайне сложными. После нескольких недель напряженной работы В.Паули вывел формулу для энергетических уровней атома водорода, совпадающую с формулой Бора. Но прежде чем удалось упростить вычисления, появились новые и совершенно неожиданные идеи. См. также

АЛГЕБРА АБСТРАКТНАЯ;

ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ.

Частицы и волны. К 1920 физики были уже довольно хорошо знакомы с двойственной природой света: результаты одних экспериментов со светом можно было объяснить, предполагая, что свет представляет собой волны, а в других он вел себя подобно потоку частиц. Поскольку казалось очевидным, что ничто не может быть в одно и тоже время и волной, и частицей, ситуация оставалась непонятной, вызывая горячие споры в среде специалистов. В 1923 французский физик Л.де Бройль в опубликованных им заметках высказал предположение, что столь парадоксальное поведение, может быть, не является спецификой света, но и вещество тоже может в одних случаях вести себя подобно частицам, а в других подобно волнам. Исходя из теории относительности, де Бройль показал, что если импульс частицы равен p, то "ассоциированная" с этой частицей волна должна иметь длину волны l = h/p. Это соотношение аналогично впервые полученному Планком и Эйнштейном соотношению E = hn между энергией светового кванта Е и частотой n соответствующей волны. Де Бройль показал также, что эту гипотезу можно легко проверить в экспериментах, аналогичных опыту, демонстрирующему волновую природу света, и настойчиво призывал к проведению таких опытов. Заметки де Бройля привлекли внимание Эйнштейна, и к 1927 К.Дэвиссон и Л.Джермер в Соединенных Штатах, а также Дж. Томсон в Англии подтвердили для электронов не только основную идею де Бройля, но и его формулу для длины волны. В 1926 работавший тогда в Цюрихе австрийский физик Э. Шредингер, прослышав о работе де Бройля и предварительных результатах экспериментов, подтверждавших ее, опубликовал четыре статьи, в которых представил новую теорию, явившуюся прочным математическим обоснованием этих идей. Такая ситуация имеет свой аналог в истории оптики. Одной уверенности в том, что свет есть волна определенной длины, недостаточно для детального описания поведения света. Необходимо еще написать и решить выведенные Дж.Максвеллом дифференциальные уравнения, подробно описывающие процессы взаимодействия света с веществом и распространение света в пространстве в виде электромагнитного поля. Шредингер написал дифференциальное уравнение для материальных волн де Бройля, аналогичное уравнениям Максвелла для света. Уравнение Шредингера для одной частицы имеет вид

<a href='/dict/квантовая' class='wordLink' target='_blank'>КВАНТОВАЯ</a> <a href='/dict/механика' class='wordLink' target='_blank'>МЕХАНИКА</a>

где m - масса частицы, Е - ее полная энергия, V(x) - потенциальная энергия, а y - величина, описывающая электронную волну. В ряде работ Шредингер показал, как можно использовать его уравнение для вычисления энергетических уровней атома водорода. Он установил также, что существуют простые и эффективные способы приближенного решения задач, не поддающихся точному решению, и что его теория волн материи в математическом отношении полностью эквивалентна алгебраической теории наблюдаемых величин Гейзенберга и во всех случаях приводит к тем же результатам. П.Дирак из Кембриджского университета показал, что теории Гейзенберга и Шредингера представляют собой лишь две из множества возможных форм теории. Теория преобразований Дирака, в которой важнейшую роль играет соотношение (1), обеспечила ясную общую формулировку квантовой механики, охватывающую все остальные ее формулировки в качестве частных случаев. Вскоре Дирак добился неожиданно крупного успеха, продемонстрировав, каким образом квантовая механика обобщается на область очень больших скоростей, т.е. приобретает вид, удовлетворяющий требованиям теории относительности. Постепенно стало ясно, что существует несколько релятивистских волновых уравнений, каждое из которых в случае малых скоростей можно аппрокcимировать уравнением Шредингера, и что эти уравнения описывают частицы совершенно разных типов. Например, частицы могут иметь разный "спин"; это предусматривается теорией Дирака. Кроме того, согласно релятивистской теории, каждой из частиц должна соответствовать античастица с противоположным знаком электрического заряда. В то время, когда вышла работа Дирака, были известны только три элементарные частицы: фотон, электрон и протон. В 1932 была открыта античастица электрона - позитрон. На протяжении нескольких последующих десятилетий было обнаружено много других античастиц, большинство из которых, как оказалось, удовлетворяли уравнению Дирака или его обобщениям. Созданная в 1925-1928 усилиями выдающихся физиков квантовая механика не претерпела с тех пор в своих основах каких-либо существенных изменений.

См. также АНТИВЕЩЕСТВО.

Приложения. Во всех разделах физики, биологии, химии и техники, в которых существенны свойства вещества в малых масштабах, теперь систематически обращаются к квантовой механике. Приведем несколько примеров. Всесторонне исследована структура электронных орбит, наиболее удаленных от ядра атомов. Методы квантовой механики были применены к проблемам строения молекул, что привело к революции в химии. Структура молекул обусловлена химическими связями атомов, и сегодня сложные задачи, возникающие при последовательном применении квантовой механики в этой области, решаются с помощью компьютеров. Большое внимание привлекли к себе теория кристаллической структуры твердых тел и особенно теория электрических свойств кристаллов. Практические результаты впечатляют: примерами их могут служить изобретение лазеров и транзисторов, а также значительные успехи в объяснении явления сверхпроводимости.

См. также

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА;

ЛАЗЕР;

ТРАНЗИСТОР;

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ. Многие проблемы еще не решены. Это касается структуры атомного ядра и физики элементарных частиц. Время от времени обсуждается вопрос о том, не лежат ли проблемы физики элементарных частиц за пределами квантовой механики, подобно тому как структура атомов оказалась вне области применимости динамики Ньютона. Однако до сих пор нет никаких указаний на то, что принципы квантовой механики или ее обобщения в области динамики полей где-то оказались неприменимыми. Более полувека квантовая механика остается научным инструментом с уникальной "объясняющей способностью" и не требует существенных изменений своей математической структуры. Поэтому может показаться удивительным, что до сих пор ведутся острые дебаты (см. ниже) по поводу физического смысла квантовой механики и ее истолкования.

См. также

АТОМА СТРОЕНИЕ;

АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ;

МОЛЕКУЛ СТРОЕНИЕ;

ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ.

Вопрос о физическом смысле. Корпускулярно-волновой дуализм, столь очевидный в эксперименте, создает одну из самых трудных проблем физической интерпретации математического формализма квантовой механики. Рассмотрим, например, волновую функцию, которая описывает частицу, свободно движущуюся в пространстве. Традиционное представление о частице, помимо прочего, предполагает, что она движется по определенной траектории с определенным импульсом p. Волновой функции приписывается длина волны де Бройля l = h/p, но это характеристика такой волны, которая бесконечна в пространстве, а потому не несет информации о местонахождении частицы. Волновую функцию, локализующую частицу в определенной области пространства протяженностью Dx, можно построить в виде суперпозиции (пакета) волн с соответствующим набором импульсов, и если искомый диапазон импульсов равен Dp, то довольно просто показать, что для величин Dx и Dp должно выполняться соотношение DxDp і h/4p. Этим соотношением, впервые полученным в 1927 Гейзенбергом, выражается известный принцип неопределенности: чем точнее задана одна из двух переменных x и p, тем меньше точность, с которой теория позволяет определить другую.

<a href='/dict/импульс' class='wordLink' target='_blank'>ИМПУЛЬС</a> И <a href='/dict/положение' class='wordLink' target='_blank'>ПОЛОЖЕНИЕ</a> <a href='/dict/частицы' class='wordLink' target='_blank'>частицы</a> не <a href='/dict/могут' class='wordLink' target='_blank'>могут</a> <a href='/dict/быть' class='wordLink' target='_blank'>быть</a> <a href='/dict/известны' class='wordLink' target='_blank'>известны</a> <a href='/dict/одновременно' class='wordLink' target='_blank'>одновременно</a>. <a href='/dict/если' class='wordLink' target='_blank'>Если</a> <a href='/dict/импульс' class='wordLink' target='_blank'>импульс</a> <a href='/dict/точно' class='wordLink' target='_blank'>точно</a> <a href='/dict/известен' class='wordLink' target='_blank'>известен</a>, то <a href='/dict/частица' class='wordLink' target='_blank'>частица</a> <a href='/dict/может' class='wordLink' target='_blank'>может</a> <a href='/dict/находиться' class='wordLink' target='_blank'>находиться</a> <a href='/dict/где' class='wordLink' target='_blank'>где</a> <a href='/dict/угодно' class='wordLink' target='_blank'>угодно</a> на <a href='/dict/волне' class='wordLink' target='_blank'>волне</a>, <a href='/dict/уходящей' class='wordLink' target='_blank'>уходящей</a> в <a href='/dict/бесконечность' class='wordLink' target='_blank'>бесконечность</a>. <a href='/dict/если' class='wordLink' target='_blank'>Если</a> же <a href='/dict/импульс' class='wordLink' target='_blank'>импульс</a> <a href='/dict/точно' class='wordLink' target='_blank'>точно</a> не <a href='/dict/известен' class='wordLink' target='_blank'>известен</a>, то <a href='/dict/частица' class='wordLink' target='_blank'>частица</a> <a href='/dict/может' class='wordLink' target='_blank'>может</a> <a href='/dict/быть' class='wordLink' target='_blank'>быть</a> <a href='/dict/локализована' class='wordLink' target='_blank'>локализована</a> с <a href='/dict/точностью' class='wordLink' target='_blank'>точностью</a>, <a href='/dict/соответствующей' class='wordLink' target='_blank'>соответствующей</a> <a href='/dict/интервалу' class='wordLink' target='_blank'>интервалу</a> <a href='/dict/длины' class='wordLink' target='_blank'>длины</a> Dx.

ИМПУЛЬС И ПОЛОЖЕНИЕ частицы не могут быть известны одновременно. Если импульс точно известен, то частица может находиться где угодно на волне, уходящей в бесконечность. Если же импульс точно не известен, то частица может быть локализована с точностью, соответствующей интервалу длины Dx.

Соотношение Гейзенберга могло бы рассматриваться просто как недостаток теории, но, как показали Гейзенберг и Бор, оно соответствует глубокому и ранее не замечавшемуся закону природы: даже в принципе ни один эксперимент не позволит определить величины x и p реальной частицы точнее, чем это допускает соотношение Гейзенберга. Гейзенберг и Бор разошлись в интерпретации этого вывода. Гейзенберг рассматривал его как напоминание о том, что все наши знания по своему происхождению - экспериментальные и что эксперимент неизбежно вносит в исследуемую систему возмущение, а Бор рассматривал его как ограничение точности, с которой само представление о волне и частице применимо к миру атома. Гораздо более широким оказывается спектр мнений о природе самой статиcтичеcкой неопределенности. В этих неопределенностях нет ничего нового; они присущи почти каждому измерению, но обычно считают, что они обусловлены недостатками используемых приборов или методов: точное значение существует, однако найти его практически очень трудно, и потому мы рассматриваем полученные результаты как вероятные значения с присущей им статистической неопределенностью. Одна из школ физико-философской мысли, возглавлявшаяся в свое время Эйнштейном, считает, что то же самое имеет место и для микромира, и что квантовая механика с ее статистическими результатами дает лишь средние значения, которые были бы получены при многократном повторении рассматриваемого эксперимента с небольшими различиями из-за несовершенства нашего контроля. При таком воззрении точная теория каждого отдельного случая в принципе существует, просто она еще не найдена. Другая школа, исторически связанная с именем Бора, стоит на том, что индетерминизм присущ самой природе вещей и что квантовая механика - теория, наилучшим образом описывающая каждый отдельный случай, а в неопределенности физической величины находит отражение та точность, с которой эта величина может определяться и использоваться. Мнение большинства физиков склонялось в пользу Бора. В 1964 Дж. Белл, работавший тогда в ЦЕРНе (Женева), показал, что в принципе эту проблему можно решить экспериментально. Результат Белла явился, пожалуй, важнейшим с 1920-х годов сдвигом в поисках физического смысла квантовой механики. Теорема Белла, как сейчас называют этот результат, утверждает, что некоторые предсказания, сделанные на основе квантовой механики, невозможно воспроизвести путем вычислений на основе какой-либо точной, детерминированной теории с последующим усреднением результатов. Поскольку два таких метода вычислений должны давать разные результаты, появляется возможность экспериментальной проверки. Измерения, выполненные в 1970-х годах, убедительно подтвердили адекватность квантовой механики. И все же было бы преждевременно утверждать, что эксперимент подвел окончательную черту под дебатами Бора и Эйнштейна, поскольку такого рода проблемы нередко возникают как бы заново, в другом языковом обличье каждый раз, когда, казалось бы, все ответы уже найдены. Как бы то ни было, остаются и другие головоломки, напоминающие нам, что физические теории - это не только уравнения, но и словесные объяснения, связывающие кристальную сферу математики с туманными областями языка и чувственного опыта, и что это зачастую и есть самое трудное.

ЛИТЕРАТУРА

Вихман Э. Квантовая физика. М., 1977 Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. М., 1985 Мигдал А.Б. Квантовая физика для больших и маленьких. М., 1989 Волкова Е.Л. и др. Квантовая механика на персональном компьютере. М., 1995

Синонимы к слову квантовая механика

сущ., кол-во синонимов: 2

Полезные сервисы

квантовая оптика

Энциклопедический словарь

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовая радиофизика

квантовая статистика

Энциклопедический словарь

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовая телепортация

квантовая теория

Энциклопедический словарь

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовая теория поля

Энциклопедический словарь

Ква́нтовая тео́рия по́ля - релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы (релятивистских полей). Квантовая теория поля является основным аппаратом физики элементарных частиц, их взаимодействий и взаимопревращений. Включает теорию электромагнитного (квантовую электродинамику) и слабого взаимодействий, выступающих в современной теории как единое целое (электрослабое взаимодействие), и теорию сильного (ядерного) взаимодействия (квантовую хромодинамику).

* * *

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ - КВА́НТОВАЯ ТЕО́РИЯ ПО́ЛЯ (полей) (КТП), область современной физики, описывающая основные свойства и процессы взаимодействия элементарных частиц, из которых построены все физические объекты мира. Основные положения этой теории были сформулированы в середине 20 в. В ней произошло объединение релятивистских представлений, развитых А. Эйнштейном (см. ЭЙНШТЕЙН Альберт) в теории относительности (см. ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ТЕОРИЯ), и квантовых идей, появившихся в физике с рождением теории атома, созданной Н. Бором (см. БОР Нильс), В. Гейзенбергом (см. ГЕЙЗЕНБЕРГ Вернер), Э. Шредингером (см. ШРЕДИНГЕР Эрвин) и П. Дираком (см. ДИРАК Поль) в 1920-х гг. В основе КТП лежит представление о существовании элементарных частиц, свойства которых описываются теорией относительности, и которые в физических процессах, происходящих в микромире, рождаются и уничтожаются как целое, при этом величины их физических характеристик строго фиксированы, квантованы.

Характеристики частиц

Важнейшей физической характеристикой элементарных частиц является их масса. Сегодня массы измерены с большой точностью. Например, масса электрона имеет величину me = 9,1093897(54) 10-28 г = 0,51099906(15) Мэв2, а масса протона (ядра атома водорода) - mp = 1,6726231(10) 10-24 г = 938,27231(28) Мэв2.

Второй важной физической характеристикой частицы является ее собственный механический момент, называемый спином (см. СПИН). Спины частиц квантованы - они всегда кратны половине величины, называемой постоянной Планка ђ= 1,05457266(63) 10-27эрг с = 6,5821220(20) 10-22 Мэв с, так что они могут быть либо целыми (0, 1, 2…), либо полуцелыми (1/2, 3/2, 5/2…). Частицы с целыми спинами называют бозонами (см. БОЗОН), с полуцелыми - фермионами (см. ФЕРМИОН), их статистические свойства резко отличаются: количество бозонов, которые могут находиться в одинаковых состояниях, не ограничено, а два фермиона занимать одно и то же состояние не могут. Первые описываются статистикой Бозе - Эйнштейна (см. БОЗЕ - ЭЙНШТЕЙНА СТАТИСТИКА), вторые - статистикой Ферми - Дирака (см. ФЕРМИ-ДИРАКА СТАТИСТИКА).

Электрические заряды элементарных частиц всегда квантованы и кратны величине элементарного заряда е = 1,60217733(49) 10-19 кулона или его определенной частислучае кварков - 1/3 е).

Важной характеристикой элементарной частицы является ее время жизни. Среди наблюдаемых элементарных частиц в настоящее время стабильнымибесконечно большим временем жизни) считаются: электрон (см. ЭЛЕКТРОН (частица)), фотон (см. ФОТОН (элементарная частица)), нейтрино (см. НЕЙТРИНО) (разных типов) и протон (см. ПРОТОН (элементарная частица)), причем в ряде моделей предполагается, что последний может быть нестабильным. Остальные частицы нестабильны и распадаются по экспоненциальному закону, так что за время t их количество убывает в e-t/t раз, при этом их время жизни t для разных частиц варьируется в очень широком диапазоне (например, у нейтрального пиона (см. ПИ-МЕЗОНЫ) - 10-16 с, а у нейтрона - 10 мин).

Взаимодействие между частицами

Нестабильность элементарных частиц есть одно из проявлений их общего свойства взаимопревращаемости и является следствием взаимодействия их фундаментальных составляющих. Сегодня известны четыре базовых типа взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное, различающиеся по силе (константе) взаимодействия. Взаимодействие между частицами ведет либо к превращению одних частиц в другие, либо к возникновению составных комплексов, таких как ядра атомов, атомы и молекулы, причем такие процессы подчиняются определенным законам сохранения. Это - законы сохранения энергии-импульса (см. ЭНЕРГИИ СОХРАНЕНИЯ ЗАКОН), момента количества движения, связанные с симметрией пространственно-временного континуума, а также сохранения электрического и других типов зарядов, относящиеся к различным, так называемым внутренним симметриям физических систем. При этом с каждым типом базового взаимодействия связаны свои законы сохранения, позволяющие различать их в практических экспериментах.

Квантовые поля

Понятие квантового поля возникло в физике как синтез представлений о физических полях типа электромагнитного поля (см. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ) Фарадея - Максвелла и полей вероятностей, описываемых волновыми функциями в квантовой механике. Физические поля были введены, когда возникла необходимость отказаться от принципа мгновенного действия сил, существовавшего в механике Ньютона (см. КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА). Предполагается, что пространство между двумя взаимодействующими частицами (например, двумя электрическими зарядами) заполнено полем, которое служит переносчиком взаимодействия с одной из частиц на другую, причем перенос этот идет с определенной скоростью. Так электромагнитное поле передает действие одной заряженной частицы на другую со скоростью света и тем самым служит переносчиком электромагнитного взаимодействия между частицами. В случае квантовых полей происходит тот же процесс передачи взаимодействия, но и он происходит квантами - порциями, при этом в качестве последних выступают элементарные частицы, имеющие строго фиксированные характеристики массы, спина, заряда и др. Таким образом, с одной стороны, сами взаимодействующие частицы имеют квантованные характеристики массы, спина, заряда, а с другой стороны, взаимодействие между ними передается квантовым полем специального типа со своими квантованными характеристиками.

Квантовая электродинамика

Исторически первой физической теорией, созданной на основе этих представлений, стала квантовая электродинамика, построенная в конце 1940-х гг. С. Томонагой (см. ТОМОНАГА Синъитиро), Р. Фейнманом (см. ФЕЙНМАН Ричард Филлипс) и Дж. Швингером (см. ШВИНГЕР Джулиус). Она описывает процессы электромагнитного взаимодействия, в которых участвуют элементарные электрически заряженные частицы: электроны (см. ЭЛЕКТРОН (частица)) (и/или их античастицы - позитроны (см. ПОЗИТРОН)) и гамма-кванты (см. ГАММА-КВАНТ) (частными примерами которых являются видимый свет, радиоволны и гамма-излучение (см. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ), испускаемое радиоактивными ядрами). Первые из них имеют спин 1/2 и отличную от нуля массу, одинаковую для электронов и позитронов. Вторые характеризуются спином, равным единице и нулевой массой.

Простейшим примером электромагнитных процессов является рассеяние одного электрона (позитрона) на другом, происходящее с обменом гамма-квантом. Очевидно, что он физически эквивалентен процессу обычного кулоновского рассеяния, при этом обменный гамма-квант, не регистрируемый явно на эксперименте, называют виртуальным. Именно с такими квантами связывается кулоновское поле, при этом свойство его дальнодействия (точнее, бесконечного радиуса действия) есть прямое следствие того, что масса гамма-кванта равна нулю. Другим важным примером является процесс рождения электрон-позитронной пары из гамма-кванта в кулоновском поле ядер атомов или обратный этому процесс аннигиляции позитрона с электроном с рождением двух или трех гамма-квантов.

Для описания таких элементарных и более сложных процессов в квантовой электродинамике была разработана специальная техника фейнмановских диаграмм - графических рисунков, на которых свободные частицы описываются линиями, а их взаимодействие - пересечениями линий, узлами. Устанавливается строгое соответствие между диаграммой (любой степени сложности) и математическим выражением, которое позволяет рассчитать все физические характеристики описываемого этой диаграммой процесса. При этом элементарный акт электромагнитного взаимодействия, соответствующий рождению электроном (позитроном) реального или виртуального гамма-кванта, связывается с электрическим зарядом электрона е. При расчете физических характеристик процессов это приводит к появлению в их выражениях базовой константы электромагнитного взаимодействия б («постоянная тонкой структуры»), имеющей величину a = е2/4pђc= 1/137,0360037(33). Эта универсальная константа фактически определяет силу электромагнитного взаимодействия и является его главной характеристикой.

Квантовая теория слабого взаимодействия

Построенная позже, в середине 1960-х гг., квантовая теория слабого взаимодействия во многом аналогична квантовой электродинамике. К слабым процессам в физике относят процессы бета-распада ядер и элементарных частиц (например, нейтрона), в которых происходит рождение электрон-нейтринных (точнее, антинейтринных) или позитрон-нейтринных пар, процессы захвата ядрами электронов или мюонов, а также процессы рассеяния нейтрино на электронах, протонах или ядрах атомов (существуют также аналогичные процессы слабого рассеяния электронов). С точки зрения КТП элементарным актом слабого взаимодействия является процесс рождения нуклоном (протоном или нейтроном) или электроном (мюоном, тау-мезоном) тяжелого заряженного (W+, W-) или нейтрального (Z0) бозона, который затем мгновенно распадается на пару легких частиц, наблюдаемых в этом процессе экспериментально. При этом тяжелый промежуточный бозон служит в слабом процессе таким же передаточным звеном, каким в электромагнитном процессе является виртуальный гамма-квант. Однако, в отличие от последнего, бозоны имеют большую массу, и радиус их взаимодействия оказывается чрезвычайно малым, порядка 10-17 см. Это и есть радиус слабого взаимодействия. Вместе с тем тот факт, что физическая картина электромагнитного и слабого взаимодействий оказывается аналогичной, позволил физикам создать объединенную теорию, в которой оба взаимодействия при высоких энергиях частиц соединяются в единое, электрослабое. Различие между ними возникает при переходе от больших энергий к малым, в области же высоких энергий оно практически исчезает. При этом все четыре бозона (g-квант, W+, W-, и Z0-бозон), ответственных за процессы переноса обменных полей, становятся членом единого семейства, обладающего определенной внутренней симметрией и соответствующими ей зарядами.

Теория сильного взаимодействия

По этому же принципу построена квантовая теория сильного взаимодействия, лежащая в основе современных представлений о структуре элементарных частиц. Согласно этой теории, элементарные частицы - мезоны (см. МЕЗОНЫ) и барионы (см. БАРИОНЫ), наблюдаемые во время эксперимента, - построены из кварков, взаимодействие между которыми происходит путем обмена так называемыми глюонами (см. ГЛЮОНЫ), имеющими массу 0 и спин 1. Кварки (см. КВАРКИ) имеют спин 1/2 и отличную от нуля массу, электрический заряд кварков составляет -1/3 или +2/3 заряда электрона, кроме того они обладают дополнительными зарядами, называемыми «цветом», «изоспином», «странностью» и др., причем обмен глюонами при взаимодействии изменяет их «цветовую» характеристику. Существует 6 типов различных кварков: u, d, s, c, b, t. Структурно барионы (например, протоны или нейтроны) построены из трех кварков разных цветов, но в целом бесцветны (т. е. имеют нулевой цветовой заряд), а мезоны - из кварков и антикварков и также как целое бесцветны. В современных теоретических схемах предполагается, что кварки всегда находятся только внутри элементарных частиц - мезонов и барионов - и в свободном виде не существуют. Исключением является специальное состояние материи при максимально высоких температурах и давлениях, когда барионов и мезонов не существует, а составляющие их кварковые и глюонные поля образуют так называемую кварк-глюонную плазму - особое состояние, которое, согласно современным представлениям, существовало во Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва (см. БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ). При понижении температуры эта плазма распалась на отдельные элементарные частицы, из которых в дальнейшем были построены ядра, атомы и все другие объекты Вселенной.

Стандартная модель

Квантовая теория сильного взаимодействия на уровне кварков может быть объединена с теорией электрослабого взаимодействия в общую теоретическую схему, называемую Стандартной моделью (Ш. Глэшоу (см. ГЛЭШОУ Шелдон), А. Салам (см. САЛАМ Абдус), С. Вайнберг (см. ВАЙНБЕРГ Стивен)). В такой модели кварки образуют общее семейство с лептонами (см. ЛЕПТОНЫ), в число которых входят электрон, мюон, тау-мезон и три типа нейтрино (см. НЕЙТРИНО) (называемых соответственно электронным, мюонным и тауонным), а гамма-квант и три промежуточных бозона, ответственных за слабое взаимодействие, объединяются в общее семейство с глюонами - переносчиками сильного.

Будущее КТП

Эта модель, основанная на общих постулатах квантовой теории поля, позволила объяснить массу экспериментальных фактов, однако в конце 1990-х и в начале 2000-х гг. были открыты новые явления, не описываемые Стандартной моделью, что указывает на необходимость дальнейшего развития квантово-теоретических представлений. Предполагается, что они будут связаны с открытием новых типов симметрии квантового микромира, например, симметрии между фермионами - частицами спина 1/2, играющими роль базовых, и бозонами - частицами спина 1, исполняющими роль передающих взаимодействия. В этом случае возникают теоретические схемы, называемые суперсимметричными. Однако новых частиц, предсказываемых ими, пока экспериментально не найдено.

Наряду с этим сегодня широко исследуются возможности объединения Стандартной модели с квантовой теорией гравитации, в которой силы тяготения описываются как поля своих «элементарных частиц» - гравитонов.

Пройдя путь от квантовой электродинамики до Стандартной модели элементарных частиц, квантовая теория поля доказала, что она является одним из важнейших инструментов познания мира, соединяющим физические модели с высшими областями математики. Сегодня она применяется не только в физике микромира - она используется во многих областях теоретической физики: теории твердого тела, физике полимеров, теории турбулентности, теории критических явлений, статистической физике и других.

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовая характеристика

квантовая химия

Энциклопедический словарь

Ква́нтовая хи́мия - раздел теоретической химии, в котором строение и свойства химических соединений, реакционная способность, кинетика и механизм химических реакций рассматриваются на основе представлений квантовой механики. Сложность исследуемых объектов и процессов приводит к необходимости применять в квантовой химии приближённые методы расчёта (например, молекулярных орбиталей метод) и широко привлекать данные эксперимента.

* * *

КВАНТОВАЯ ХИМИЯ - КВА́НТОВАЯ ХИ́МИЯ, раздел теоретической химии, в котором строение и свойства химических соединений, реакционная способность, кинетика и механизм химических реакций рассматриваются на основе представлений квантовой механики. Сложность исследуемых объектов и процессов приводит к необходимости применять в квантовой химии приближенные методы расчета (напр., молекулярных орбиталей метод (см. МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРБИТАЛЕЙ МЕТОД)) и широко привлекать данные эксперимента.

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовая хромодинамика

Энциклопедический словарь

Ква́нтовая хромодина́мика - квантовополевая теория сильного взаимодействия кварков и глюонов, которое осуществляется путём обмена между ними глюонами (аналогом фотонов в квантовой электродинамике). В отличие от фотонов, глюоны взаимодействуют друг с другом, что приводит, в частности, к росту силы взаимодействия между кварками и глюонами при удалении их друг от друга. Предполагается, что именно это свойство определяет короткодействие ядерных сил и отсутствие в природе свободных кварков и глюонов.

* * *

КВАНТОВАЯ ХРОМОДИНАМИКА - КВА́НТОВАЯ ХРОМОДИНА́МИКА, квантовополевая теория сильного взаимодействия кварков (см. КВАРКИ) и глюонов (см. ГЛЮОНЫ), которое осуществляется путем обмена между ними - глюонами (аналогом фотонов в квантовой электродинамике). В отличие от фотонов, глюоны взаимодействуют друг с другом, что приводит, в частности, к росту силы взаимодействия между кварками и глюонами при удалении их друг от друга. Предполагается, что именно это свойство определяет короткодействие ядерных сил и отсутствие в природе свободных кварков и глюонов.

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовая электродинамика

Энциклопедический словарь

Ква́нтовая электродина́мика - квантовая теория электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами (главным образом электронами и позитронами, мюонами). В основе квантовой электродинамики лежит подтверждённое на опыте представление о дискретности электромагнитного излучения. Кванты электромагнитного поля - фотоны - являются носителями минимально возможных при данной частоте ν поля энергии ε = hν и импульса p = h/λ, где h - Планка постоянная, λ = c/ν - длина волны, с - скорость света. Таким образом, электромагнитному излучению присущи не только волновые (характеризуемые величинами ν и λ), но и дискретные, корпускулярные свойства. Взаимодействие электромагнитного излучения с заряженными частицами рассматривается в квантовой электродинамике как поглощение и испускание частицами фотонов. Обмен фотонами обусловливает электромагнитное взаимодействие заряженных частиц. Частица может испустить фотоны, а затем сама их поглотить; такое самодействие, или взаимодействие заряженной частицы с собственным полем, приводит к наблюдаемым эффектам: лэмбовскому сдвигу уровней энергии в атомах, поправках к сечениям рассеяния и др. Квантовая электродинамика чрезвычайно точно описывает все относящиеся к области её компетенции явления: испускание, поглощение и рассеяние излучения веществом, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами и др. Справедливость квантовой электродинамики подтверждена до расстояний ≥10-16 см.

* * *

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА - КВА́НТОВАЯ ЭЛЕКТРОДИНА́МИКА, квантовая теория электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами (главным образом электронами и позитронами, мюонами). В основе квантовой электродинамики лежит подтвержденное на опыте представление о дискретности электромагнитного излучения. Кванты электромагнитного поля - фотоны - являются носителями минимально возможных при данной частоте n поля энергии и импульса , где - Планка постоянная (см. ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ), l=c/n - длина волны, с - скорость света. Таким образом, электромагнитному излучению присущи не только волновые (характеризуемые величинами n и l), но и дискретные, корпускулярные свойства. Взаимодействие электромагнитного излучения с заряженными частицами рассматривается в квантовой электродинамике как поглощение и испускание частицами фотонов. Обмен фотонами обусловливает электромагнитное взаимодействие заряженных частиц. Частица может испустить фотоны, а затем сама их поглотить; такое самодействие, или взаимодействие заряженной частицы с собственным полем, приводит к наблюдаемым эффектам: лэмбовскому сдвигу (см. ЛЭМБОВСКИЙ СДВИГ) уровней энергии в атомах, поправках к сечениям рассеяния и др. Квантовая электродинамика чрезвычайно точно описывает все относящиеся к области ее компетенции явления: испускание, поглощение и рассеяние излучения веществом, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами и др. Справедливость квантовой электродинамики подтверждена до расстояний 10-16 см.

Большой энциклопедический словарь

КВАНТОВАЯ электродинамика - квантовая теория электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами (главным образом электронами и позитронами, мюонами). В основе квантовой электродинамики лежит подтвержденное на опыте представление о дискретности электромагнитного излучения. Кванты электромагнитного поля - фотоны - являются носителями минимально возможных при данной частоте n поля энергии и импульса , где - Планка постоянная,?=c/? - длина волны, с - скорость света. Таким образом, электромагнитному излучению присущи не только волновые (характеризуемые величинами ? и ?), но и дискретные, корпускулярные свойства. взаимодействие электромагнитного излучения с заряженными частицами рассматривается в квантовой электродинамике как поглощение и испускание частицами фотонов. Обмен фотонами обусловливает электромагнитное взаимодействие заряженных частиц. Частица может испустить фотоны, а затем сама их поглотить; такое самодействие, или взаимодействие заряженной частицы с собственным полем, приводит к наблюдаемым эффектам: лэмбовскому сдвигу уровней энергии в атомах, поправках к сечениям рассеяния и др. Квантовая электродинамика чрезвычайно точно описывает все относящиеся к области ее компетенции явления: испускание, поглощение и рассеяние излучения веществом, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами и др. Справедливость квантовой электродинамики подтверждена до расстояний 10-16 см.

Полезные сервисы

квантовая электроника

Энциклопедический словарь

Ква́нтовая электро́ника (квантовая радиофизика), область науки и техники, охватывающая исследования принципов действия, конструирование и применение генераторов, усилителей, преобразователей частоты электромагнитного излучения, действие которых основано на вынужденном излучении или на нелинейном взаимодействии излучения с веществом. К устройствам квантовой электроники относятся квантовые усилители СВЧ, лазеры, квантовые стандарты частоты, квантовые магнитометры, лазерные гироскопы и др.

* * *

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА - КВА́НТОВАЯ ЭЛЕКТРО́НИКА (квантовая радиофизика), область науки и техники, охватывающая исследования принципов действия, конструирование и применение генераторов, усилителей, преобразователей частоты электромагнитного излучения, действие которых основано на вынужденном излучении (см. ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ) или на нелинейном взаимодействии излучения с веществом. К устройствам квантовой электроники относятся квантовые усилители сверхвысокой частоты, лазеры, квантовые стандарты частоты, квантовые магнитометры, лазерные гироскопы и др.

-----------------------------------

«Ква́нтовая электро́ника» - ежемесячный научный журнал РАН, с 1971, Москва. Учредители (1998) - Институт общей физики РАН, Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, НПО космического приборостроения и др.

Большой энциклопедический словарь

Иллюстрированный энциклопедический словарь

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, область науки и техники, охватывающая исследование и применение генераторов и усилителей электромагнитных волн, действие которых основано на явлении вынужденного излучения. К устройствам квантовой электроники относятся мазеры, лазеры, квантовые стандарты частоты, квантовые магнитометры и др. Первый прибор квантовой электроники - генератор когерентного излучения СВЧ (мазер) на пучке молекул аммиака в качестве активной среды - был создан Н.Г. Басовым, А.М. Прохоровым (СССР) и Дж. Гордоном, Г. Зейгером и Ч. Таунсом (США) в 1954 - 55. Переход к оптическому диапазону стал возможен с созданием так называемого открытого резонатора и использованием метода трех уровней (Басов, Прохоров, 1955). Первый лазер (на рубине) был создан Т. Мейманом (США) в 1960. В 1956 американский физик Н. Бломберген (США) предложил этот путь для создания парамагнитных квантовых усилителей диапазона СВЧ, чем существенно расширил область использования квантовой электроники. Дальнейший прогресс в квантовой электронике связан с развитием нелинейной оптики, физики полупроводников и твердого тела и др.

Полезные сервисы

квантово-

квантово-механический

Слитно. Раздельно. Через дефис

Орфографический словарь

Синонимы к слову квантово-механический

прил., кол-во синонимов: 1

Морфемно-орфографический словарь

Полезные сервисы

квантово-оптический

Слитно. Раздельно. Через дефис

Орфографический словарь

Морфемно-орфографический словарь

Полезные сервисы

квантово-химический

Орфографический словарь

Синонимы к слову квантово-химический

прил., кол-во синонимов: 1

Морфемно-орфографический словарь

Полезные сервисы

квантово-электронный

Слитно. Раздельно. Через дефис

Полезные сервисы

квантовомеханический

Синонимы к слову квантовомеханический

прил., кол-во синонимов: 1

Полезные сервисы

квантовохимический

Синонимы к слову квантовохимический

прил., кол-во синонимов: 1

Полезные сервисы

квантовые генераторы и усилители

Энциклопедия Кольера

КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ - генераторы и усилители электромагнитных волн, основанные на явлении вынужденного (индуцированного) излучения. Принцип действия квантового генератора СВЧ-диапазона, названного мазером (аббревиатура от английских слов Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, означающих "микроволновое усиление за счет вынужденного излучения"), был предложен в 1954 Ч.Таунсом. (Этот же принцип лежит в основе оптических квантовых усилителей и лазеров-генераторов.) Поскольку частота излучения на выходе квантового генератора определяется строго фиксированными, дискретными энергетическими уровнями атомов или молекул активной среды, используемой в таком генераторе, она имеет точно определенное и постоянное значение.

Спонтанное и вынужденное излучение. Энергия электромагнитного излучения выделяется или поглощается в виде отдельных "порций", называемых квантами или фотонами, причем энергия одного кванта равна hn, где h - постоянная Планка, а n - частота излучения. Когда атом поглощает квант энергии, он переходит на более высокий энергетический уровень, т.е. один из его электронов перескакивает на орбиту, более удаленную от ядра. Принято говорить, что атом при этом переходит в возбужденное состояние. Оказавшийся в возбужденном состоянии атом может отдать запасенную энергию разными путями. Один возможный путь - спонтанно испустить квант с той же самой частотой, после чего он возвращается в исходное состояние. Это - процесс спонтанного излучения (испускания), схематически изображенный на рис. 1,б. На высоких частотах, т.е. при малых длинах волн, соответствующих видимому свету, спонтанное излучение происходит очень быстро. Возбужденный атом, поглотив фотон видимого света, обычно теряет приобретенную энергию в результате спонтанного излучения менее чем через одну миллионную секунды. Процесс спонтанного излучения на меньших частотах задерживается. Кроме того, атом может перейти в некое промежуточное состояние, потеряв лишь часть своей энергии в виде испущенного им фотона меньшей энергии.

<a href='/dict/энциклопедия' class='wordLink' target='_blank'>Энциклопедия</a> <a href='/dict/кольера' class='wordLink' target='_blank'>Кольера</a> <a href='/dict/квантовые' class='wordLink' target='_blank'>КВАНТОВЫЕ</a> <a href='/dict/генераторы' class='wordLink' target='_blank'>ГЕНЕРАТОРЫ</a> И <a href='/dict/усилители' class='wordLink' target='_blank'>УСИЛИТЕЛИ</a>

1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ электромагнитного излучения с веществом. а - фотон (квант энергии, равный разности двух энергетических уровней атома) поглощается атомом, находящимся на нижнем энергетическом уровне (внутренняя окружность). При этом атом возбуждается, переходя на верхний энергетический уровень (внешняя окружность); б - возбужденный атом (на верхнем энергетическом уровне) испускает фотон и переходит на нижний энергетический уровень; состояние с меньшей энергией более устойчиво; в - атом, находящийся на верхнем энергетическом уровне, в процессе вынужденного излучения поглощает фотон, переходит на нижний энергетический уровень и испускает два фотона с той же самой длиной волны.">

Рис. 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ электромагнитного излучения с веществом. а - фотон (квант энергии, равный разности двух энергетических уровней атома) поглощается атомом, находящимся на нижнем энергетическом уровне (внутренняя окружность). При этом атом возбуждается, переходя на верхний энергетический уровень (внешняя окружность); б - возбужденный атом (на верхнем энергетическом уровне) испускает фотон и переходит на нижний энергетический уровень; состояние с меньшей энергией более устойчиво; в - атом, находящийся на верхнем энергетическом уровне, в процессе вынужденного излучения поглощает фотон, переходит на нижний энергетический уровень и испускает два фотона с той же самой длиной волны.

Есть еще один процесс, приводящий к тому, что возбужденный атом испускает эту запасенную энергию. Если на атом падает излучение определенной частоты (как на рис. 1,в), то оно вынуждает атом испустить фотон и перейти на более низкий уровень. Таким образом, приходит один фотон, а уходят два. Вынужденное излучение всегда происходит на той же частоте и с той же фазой, что и у приходящей волны, а потому, проходя мимо возбужденного атома, волна наращивает свою интенсивность. Итак, волна соответствующей частоты, проходя через среду, в которой имеется избыток возбужденных атомов, усиливается за счет энергии вынужденного излучения этих атомов. Однако, если в среде имеются невозбужденные атомы, они могут поглощать энергию волны. Очевидно, что усиление за счет вынужденного излучения противоположно поглощению, и перевес одного из процессов над другим зависит от того, каких атомов больше на пути волны - возбужденных или невозбужденных. То, что наряду со спонтанным излучением должно быть и вынужденное, постулировал Альберт Эйнштейн в 1916, приняв, что происходят все три процесса - поглощение, вынужденное и спонтанное излучение. На основании статистических соображений он вывел формулу, описывающую частотный спектр излучения, испускаемого веществом. Использовать вынужденное излучение для создания генераторов электромагнитных волн предложили Ч. Таунс в США и независимо от него русские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров. Все трое за эту работу были удостоены Нобелевской премии по физике (1964).

Квантовый усилитель. Как говорилось выше, можно усиливать излучение, просто пропуская его через подходящую активную среду. Однако при этом коэффициент усиления зачастую бывает незначителен - порядка 1%. Чтобы увеличить усиление, нужно дольше удерживать излучение в контакте с активной средой. Для этого можно заключить активную среду в камеру с отражающими стенками. Тогда поперечная волна будет отражаться от стенки к стенке, немного усиливаясь при каждом проходе. Когда же она достаточно усилится, часть излучения можно выпустить из камеры в качестве выходного. В диапазоне СВЧ (сверхвысокочастотном), т.е. когда длина волны находится в диапазоне от 0,1 до 100 см, размеры камеры обычно сравнимы с длиной волны. Камера, настраиваемая на нужную частоту путем изменения размеров (ее длина должна быть равна длине волны), называется объемным резонатором. Если же длина волны излучения составляет примерно 1 мм или меньше, то такой резонатор даже трудно изготовить. Однако можно сделать объемный резонатор для инфракрасного или коротковолнового видимого света так, чтобы его длина была намного больше длины волны, - например, в виде двух параллельных зеркальных пластин (рис. 2). В таком устройстве поперечная пластинам волна, поочередно отражаясь от зеркал, будет оставаться в активной среде и нарастать за счет вынужденного излучения. Волна же, распространяющаяся в любом другом направлении, быстро уходит из резонатора почти без усиления.

<a href='/dict/рис' class='wordLink' target='_blank'>Рис</a>. 2. <a href='/dict/резонатор' class='wordLink' target='_blank'>РЕЗОНАТОР</a> <a href='/dict/квантового' class='wordLink' target='_blank'>квантового</a> <a href='/dict/генератора' class='wordLink' target='_blank'>генератора</a> (<a href='/dict/усилителя' class='wordLink' target='_blank'>усилителя</a>) в <a href='/dict/виде' class='wordLink' target='_blank'>виде</a> <a href='/dict/пары' class='wordLink' target='_blank'>пары</a> <a href='/dict/плоских' class='wordLink' target='_blank'>плоских</a> <a href='/dict/параллельных' class='wordLink' target='_blank'>параллельных</a> <a href='/dict/зеркальных' class='wordLink' target='_blank'>зеркальных</a> <a href='/dict/пластин' class='wordLink' target='_blank'>пластин</a>. <a href='/dict/существенно' class='wordLink' target='_blank'>Существенно</a> <a href='/dict/усиленным' class='wordLink' target='_blank'>усиленным</a> <a href='/dict/оказывается' class='wordLink' target='_blank'>оказывается</a> <a href='/dict/только' class='wordLink' target='_blank'>только</a> то <a href='/dict/излучение' class='wordLink' target='_blank'>излучение</a>, <a href='/dict/которое' class='wordLink' target='_blank'>которое</a> в <a href='/dict/конце' class='wordLink' target='_blank'>конце</a> <a href='/dict/концов' class='wordLink' target='_blank'>концов</a> <a href='/dict/выходит' class='wordLink' target='_blank'>выходит</a> <a href='/dict/через' class='wordLink' target='_blank'>через</a> <a href='/dict/полупрозрачную' class='wordLink' target='_blank'>полупрозрачную</a> <a href='/dict/платину' class='wordLink' target='_blank'>платину</a>; <a href='/dict/оно' class='wordLink' target='_blank'>оно</a> и <a href='/dict/является' class='wordLink' target='_blank'>является</a> <a href='/dict/выходным' class='wordLink' target='_blank'>выходным</a> <a href='/dict/излучением' class='wordLink' target='_blank'>излучением</a> <a href='/dict/квантового' class='wordLink' target='_blank'>квантового</a> <a href='/dict/генератора' class='wordLink' target='_blank'>генератора</a>.

Рис. 2. РЕЗОНАТОР квантового генератора (усилителя) в виде пары плоских параллельных зеркальных пластин. Существенно усиленным оказывается только то излучение, которое в конце концов выходит через полупрозрачную платину; оно и является выходным излучением квантового генератора.

Такое направленное действие системы двух параллельных пластин особенно важно для квантовых генераторов электромагнитного излучения с очень малой длиной волны. В этом случае усиление в активной среде должно быть достаточно большим, чтобы при прохождении волны от одной пластины к другой оно с лихвой возмещало неизбежные потери, претерпеваемые ею при отражении от зеркала. Непрерывное нарастание волны приводит к тому, что в промежутке между зеркалами устанавливаются резонансные электромагнитные колебания. Волны, распространяющиеся в любых других направлениях, не усиливаются настолько, чтобы компенсировались потери. И хотя в закрытой камере такого размера могли бы устанавливаться и поддерживаться миллионы разных видов колебаний и их быстро меняющихся сочетаний, система двух параллельных пластин выбирает из них только поперечные волны (остальные затухают). Поскольку такая система особенно подходит для выделения колебаний с определенной малой длиной волны, она широко применяется в квантовых генераторах инфракрасного и видимого светового диапазона - лазерах. Чтобы часть света могла выходить из резонатора лазера, одна из пластин должна быть полупрозрачной, т.е. пропускающей часть падающего на нее света и отражающей свет с другими длинами волн. Свет, проходящий через полупрозрачную пластину, образует узко направленный луч. Такое устройство лазера предложено Таунсом и А. Шавловым. Можно также выводить излучение через малое отверстие в одной из отражающих стенок. Эта схема часто применяется в квантовых генераторах сантиметрового (СВЧ) диапазона длин волн. В лазерах же она не дает столь высокой направленности выходного луча.

Активная среда. Для резонансного поглощения и усиления за счет вынужденного излучения необходимо, чтобы волна проходила сквозь материал, атомы или системы атомов которого "настроены" на нужную частоту. Иначе говоря, разность энергетических уровней E2 - E1 для атомов материала должна быть равна частоте электромагнитной волны, умноженной на постоянную Планка: E2 - E1 = hn. Далее, для того чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, атомов на верхнем энергетическом уровне должно быть больше, чем на нижнем. Обычно этого не бывает. Более того, всякая система атомов, на достаточно длительное время предоставленная самой себе, приходит в равновесие со своим окружением при низкой температуре, т.е. достигает состояния наинизшей энергии. При повышенных температурах часть атомов системы возбуждается тепловым движением. При бесконечно высокой температуре все квантовые состояния были бы одинаково заполнены. Но поскольку температура всегда конечна, преобладающая доля атомов находится в низшем состоянии, и чем выше состояния, тем менее они заполнены. Если при абсолютной температуре T в низшем состоянии находится n0 атомов, то число атомов в возбужденном состоянии, энергия которого на величину E превышает энергию низшего состояния, дается распределением Больцмана: n = n0e-E/kT, где k - постоянная Больцмана. Поскольку атомов, находящихся в низших состояниях, в условиях равновесия всегда больше, чем в высших, в таких условиях всегда преобладает поглощение, а не усиление за счет вынужденного излучения. Избыток атомов в определенном возбужденном состоянии можно создавать и поддерживать, только искусственно переводя их в это состояние, причем быстрее, чем они возвращаются к тепловому равновесию. Система, в которой имеется избыток возбужденных атомов, стремится к тепловому равновесию, и ее необходимо поддерживать в неравновесном состоянии, создавая в ней такие атомы.

Трехуровневый квантовый генератор. Метод создания и поддержания избытка атомов в возбужденном состоянии для газов (метод трехуровневой системы) предложен Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым, а для твердых материалов - Н.Бломбергеном. Первый трехуровневый квантовый усилитель создали Д.Сковил, Дж.Феер и Г.Зайдель. Трехуровневая система схематически представлена на рис. 3. Первоначально все атомы находятся на самом низком уровне E1, а уровни E2 и E3 не заполнены. Энергетическое расстояние между уровнями E2 и E3 не равно расстоянию между уровнями E1 и E2. Лампа или генератор "накачки" (в зависимости от того, о каком диапазоне идет речь - оптическом или радиочастотном) дает излучение с частотой, соответствующей переходу с нижнего уровня на верхний. Поглощая это излучение, атомы возбуждаются и переходят с нижнего уровня на верхний. Поскольку первоначально на промежуточном уровне E2 нет атомов, на уровне E3 их оказывается больше. Когда на уровне E3 накопится достаточно много атомов, начинается генерация на частоте, соответствующей переходу с верхнего уровня на промежуточный. Для того чтобы квантовая генерация происходила непрерывно, уровень E2 должен быстро опустошаться, т.е. атомы должны удаляться с него быстрее, чем они создаются за счет вынужденного излучения с уровня E3. Уровень E2 может опустошаться разными процессами, такими, как столкновения с другими атомами и передача энергии кристаллической решетке (если активная среда твердая). Во всех случаях энергия преобразуется в тепло, так что необходимо охлаждение прибора.

<a href='/dict/рис' class='wordLink' target='_blank'>Рис</a>. 3. <a href='/dict/трехуровневый' class='wordLink' target='_blank'>ТРЕХУРОВНЕВЫЙ</a> <a href='/dict/принцип' class='wordLink' target='_blank'>ПРИНЦИП</a>

Рис. 3. ТРЕХУРОВНЕВЫЙ ПРИНЦИП

(три энергетических уровня атомов активной среды квантового генератора).

Сначала все атомы находятся на нижнем уровне E1. Излучение накачки с соответствующей частотой заставляет атомы перескакивать на верхний уровень E3. При переходе атомов с верхнего уровня на промежуточный E2 происходит квантовая генерация на частоте, соответствующей этому переходу. Такая квантовая генерация, в отличие от двухуровневой, может осуществляться в непрерывном режиме, если систему охлаждать.

Накачкой можно перевести с уровня E1 на E3 не более половины атомов, так как далее эффект вынужденного излучения заставляет их возвращаться на нижний уровень. Но если вследствие столкновений или других процессов атомы с уровня E3 быстро переходят на уровень E2, то накачка их на верхний уровень с последующим переходом на промежуточный может продолжаться. Таким путем можно перекачать на уровень E3 больше половины атомовдаже все). Тогда на промежуточном уровне оказывается больше атомов, чем на нижнем, и начинается генерация на частоте, соответствующей переходу Применение находят обе схемы трехуровневого квантового генератора и усилителя, причем та или другая выбирается в зависимости от свойств имеющегося материала с резонансами на нужных частотах. Вообще говоря, желательно, чтобы активная среда, удовлетворяя всем прочим требованиям, имела высокие резонансы. Если квантовый генератор предполагается использовать в качестве эталона частоты, то резонансы должны быть к тому же острыми. Такие резонансы характерны для спектров свободных атомов и молекул в газах. Резонансы же твердых материалов обычно довольно широкие, хотя ионы редкоземельных элементов и переходных металлов, таких как хром, в кристаллах имеют подходящие спектрынекоторых материалов такого рода отмечаются высокие и острые резонансы как в СВЧ-, так и в оптическом диапазоне. Например, рубин (оксид алюминия), в котором какая-то доля процента ионов алюминия заменена ионами хрома, может служить активной средой для трехуровневого квантового генератора СВЧ-диапазона. Мейман показал, что рубин пригоден также для изготовления лазера. В обоих случаях используются энергетические уровни ионов хрома.

Лазер. Лазерами называются оптические квантовые генераторы, которые дают излучение, относящееся к видимой и инфракрасной областям спектра (где длины волн меньше 1 мм). По интенсивности такие генераторы намного превосходят все другие виды источников подобного излучения. Кроме того, их выходное излучение приходится на очень узкую полосу частот и имеет форму почти нерасходящегося пучка. К тому же лазерные лучи можно фокусировать в очень малое пятно, в котором плотность световой мощности и напряженность электрического поля колоссальны по сравнению с тем, что могут дать другие источники света. Выходное излучение почти полностью монохроматично и, что еще важнее, когерентно, т.е. полностью согласовано по фазе и лишено хаотической разупорядоченности обычного света. См. также ЛАЗЕР.

Молекулярный квантовый генератор. В первом квантовом генераторе, разработанном Гордоном, Цайгером и Таунсом, использовалась откачанная камера с пучком молекул аммиака. Молекулы пучка, находящиеся в нижнем энергетическом состоянии, выводились из пучка путем их отклонения в неоднородном электрическом поле. Молекулы же, находящиеся в верхнем энергетическом состоянии, фокусировались в объемном резонаторе, где и происходило вынужденное излучение (рис. 4).

<a href='/dict/рис' class='wordLink' target='_blank'>Рис</a>. 4. <a href='/dict/аммиачный' class='wordLink' target='_blank'>АММИАЧНЫЙ</a> <a href='/dict/квантовый' class='wordLink' target='_blank'>КВАНТОВЫЙ</a> <a href='/dict/свч-генератор' class='wordLink' target='_blank'>СВЧ-ГЕНЕРАТОР</a> - <a href='/dict/первый' class='wordLink' target='_blank'>первый</a> <a href='/dict/мазер' class='wordLink' target='_blank'>мазер</a>. <a href='/dict/состоит' class='wordLink' target='_blank'>Состоит</a> из <a href='/dict/источника' class='wordLink' target='_blank'>источника</a> <a href='/dict/молекул' class='wordLink' target='_blank'>молекул</a> <a href='/dict/аммиака' class='wordLink' target='_blank'>аммиака</a>, <a href='/dict/фокусирующего' class='wordLink' target='_blank'>фокусирующего</a> <a href='/dict/устройства' class='wordLink' target='_blank'>устройства</a> и <a href='/dict/объемного' class='wordLink' target='_blank'>объемного</a> <a href='/dict/резонатора' class='wordLink' target='_blank'>резонатора</a>. <a href='/dict/высокоэнергетичные' class='wordLink' target='_blank'>Высокоэнергетичные</a> <a href='/dict/молекулы' class='wordLink' target='_blank'>молекулы</a>, <a href='/dict/выходящие' class='wordLink' target='_blank'>выходящие</a> из <a href='/dict/источника' class='wordLink' target='_blank'>источника</a>, <a href='/dict/обозначены' class='wordLink' target='_blank'>обозначены</a> <a href='/dict/темными' class='wordLink' target='_blank'>темными</a> <a href='/dict/кружками' class='wordLink' target='_blank'>кружками</a>, <a href='/dict/низкоэнергетичные' class='wordLink' target='_blank'>низкоэнергетичные</a> - <a href='/dict/светлыми' class='wordLink' target='_blank'>светлыми</a> <a href='/dict/кружками' class='wordLink' target='_blank'>кружками</a>. В <a href='/dict/неоднородном' class='wordLink' target='_blank'>неоднородном</a> <a href='/dict/электрическом' class='wordLink' target='_blank'>электрическом</a> <a href='/dict/поле' class='wordLink' target='_blank'>поле</a> <a href='/dict/фокусирующего' class='wordLink' target='_blank'>фокусирующего</a> <a href='/dict/устройства' class='wordLink' target='_blank'>устройства</a> <a href='/dict/молекулы' class='wordLink' target='_blank'>молекулы</a> с <a href='/dict/низкой' class='wordLink' target='_blank'>низкой</a> <a href='/dict/энергией' class='wordLink' target='_blank'>энергией</a> <a href='/dict/отклоняются' class='wordLink' target='_blank'>отклоняются</a> от <a href='/dict/оси' class='wordLink' target='_blank'>оси</a> <a href='/dict/системы' class='wordLink' target='_blank'>системы</a> и <a href='/dict/удаляются' class='wordLink' target='_blank'>удаляются</a>. <a href='/dict/молекулы' class='wordLink' target='_blank'>Молекулы</a> с <a href='/dict/высокой' class='wordLink' target='_blank'>высокой</a> <a href='/dict/энергией' class='wordLink' target='_blank'>энергией</a> <a href='/dict/попадают' class='wordLink' target='_blank'>попадают</a> в <a href='/dict/объемный' class='wordLink' target='_blank'>объемный</a> <a href='/dict/резонатор' class='wordLink' target='_blank'>резонатор</a>, <a href='/dict/где' class='wordLink' target='_blank'>где</a> <a href='/dict/они' class='wordLink' target='_blank'>они</a> <a href='/dict/вынужденно' class='wordLink' target='_blank'>вынужденно</a> <a href='/dict/излучают' class='wordLink' target='_blank'>излучают</a>.

Рис. 4. АММИАЧНЫЙ КВАНТОВЫЙ СВЧ-ГЕНЕРАТОР - первый мазер. Состоит из источника молекул аммиака, фокусирующего устройства и объемного резонатора. Высокоэнергетичные молекулы, выходящие из источника, обозначены темными кружками, низкоэнергетичные - светлыми кружками. В неоднородном электрическом поле фокусирующего устройства молекулы с низкой энергией отклоняются от оси системы и удаляются. Молекулы с высокой энергией попадают в объемный резонатор, где они вынужденно излучают.

Квантовый генератор с молекулярным пучком дает излучение с резко выделенной выходной частотой. Отчасти это обусловлено тем, что в пучке сравнительно мало молекул и они не могут влиять друг на друга. По причине малости числа молекул мала и выходная мощность.

Газоразрядный лазер. Активной средой газоразрядного лазера является смесь благородных газов, таких, как гелий и неон. У атома гелия имеется возбужденное состояние с большим временем жизни, и атомы, возбужденные до этого "метастабильного" состояния, не могут отдать свою энергию возбуждения путем спонтанного излучения. Однако они могут передавать ее в атомных столкновениях невозбужденным атомам неона. После такого столкновения атом гелия оказывается в своем основном состоянии, а атом неона - в возбужденном. Генерация происходит за счет вынужденных переходов с этого энергетического уровня на пустой более низкий уровень атомов неона.

Применение. Квантово-электронные приборы с атомарными и молекулярными системами в качестве активных сред используются в качестве усилителей и генераторов. На более низких частотах такие функции выполняют электронные лампы и транзисторы. Неудивительно, что семейство квантово-электронных приборов уже сейчас может поспорить в отношении многочисленности и разнообразия с более старыми электронными. Квантово-электронные приборы нашли ряд применений, для которых другие электронные приборы подходят плохо или вообще не годятся. Это функции СВЧ-усилителей с низким уровнем шумов, первичных эталонов частоты и времени, а также генераторов и усилителей излучения инфракрасной и видимой области спектра.

Малошумящие СВЧ-усилители. Назначение усилителя состоит в том, чтобы усиливать слабые сигналы, не искажая их при этом и не внося шума (хаотической составляющей). Электронные усилители всегда добавляют к сигналу собственный шум. При работе с крайне слабыми радиосигналами важно, чтобы усилитель вносил как можно меньше шума. Таковы радиосигналы, получаемые от небесных объектов, и радиолокационные сигналы, отраженные от предметов, удаленных на большие расстояния. В этих двух случаях сигнал наблюдается на фоне неба, которое вносит лишь незначительный шум. Это позволяет обнаружить очень слабый сигнал, если он не маскируется шумами самого приемника. Обычные усилители не отвечают требованиям такой задачи, и на помощь приходят квантовые усилители, почти не вносящие шума. Заменив на входе приемника усилитель на электронных лампах квантовым, можно повысить в сто раз чувствительность приемника в СВЧ-диапазоне. СВЧ-приемники с квантовыми усилителями столь чувствительны, что позволяют регистрировать тепловое излучение других планет и определять температуру их поверхности.

Эталоны частоты и атомные часы. Атомы и системы атомов, как уже говорилось, могут поглощать и испускать излучение только с некоторыми определенными частотами или длинами волн. Эти резонансы нередко имеют форму пиков, что позволяет измерять их частоту с высокой точностью. Соответствующие частоты являются характеристическими для тех или иных атомов и молекул и в отличие от построенных человеком эталонов не изменяются со временем. Поэтому такие резонансы могут служить эталонами частоты, длины волны и времени. Частоту внешнего электронного генератора можно проверять для калибровки даже по резонансам поглощения. Квантовые же генераторы непосредственно дают излучение эталонной частоты. При правильной настройке квантового генератора частота на его выходе постоянна. Ее можно использовать для контроля за ходом точных часов или более сложного устройства, предназначенного для измерения с высокой точностью временных интервалов. Активной средой одного из самых точных квантовых генераторов служит атомарный водород (система аналогична устройству первого квантового генератора - мазера - с молекулярным пучком аммиака). Точность его частоты составляет 10-10 %, что соответствует погрешности "хода часов", равной одной секунде за 30 000 лет.

ЛИТЕРАТУРА

Сигмен Э. Мазеры. М., 1966 Ярив А. Квантовая электроника. М., 1980 Рябов С.Г., Торопкин Г.Н., Усольцев И.Ф. Приборы квантовой электроники. М., 1985 Херман Й., Вильгельми Б. Лазеры для генерации сверхкоротких световых импульсов. М., 1986

Полезные сервисы

квантовые переходы

Энциклопедический словарь

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовые стандарты частоты

Энциклопедический словарь

Ква́нтовые станда́рты частоты́ - устройства для точного измерения частоты колебаний, основанные на измерении частоты квантовых переходовСВЧ- и оптических спектрах) атомов, ионов или молекул из одного состояния в другое. В пассивных квантовых стандартах частоты используются частоты спектральных линий поглощения, а в активных - вынужденное испускание фотонов частицами. Известны активные квантовые стандарты частоты на пучке молекул аммиака (молекулярный генератор), атомов водорода (водородный генератор), пассивные квантовые стандарты частоты на пучке атомов Cs (цезиевая атомно-лучевая трубка), активные и пассивные квантовые стандарты частоты с оптической накачкой паров Cs или Rb. Стабильность частоты атомно-лучевого квантового стандарта частоты достигает 10-14. Квантовые стандарты частоты используются в навигации и службе времени в качестве эталонов частоты (времени).

* * *

КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ - КВА́НТОВЫЕ СТАНДА́РТЫ ЧАСТОТЫ́, устройства для точного измерения частоты колебаний, основанное на измерении частоты квантовых переходовсверхвысокочастотных и оптических спектрах) атомов, ионов или молекул из одного состояния в другое. В пассивных квантовых стандартах частоты используются частоты спектральных линий поглощения, а в активных - вынужденное испускание фотонов частицами. Известны активные квантовые стандарты частоты на пучке молекул аммиака (молекулярный генератор), атомов водорода (водородный генератор), пассивные квантовые стандарты частоты на пучке атомов Cs (цезиевая атомно-лучевая трубка), активные и пассивные квантовые стандарты частоты с оптической накачкой паров Cs или Rb. Стабильность частоты атомно-лучевого квантового стандарта частоты достигает 10-14. Квантовые стандарты частоты используются в навигации и службе времени в качестве эталонов частоты (времени).

Большой энциклопедический словарь

КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ - устройства для точного измерения частоты колебаний, основанное на измерении частоты квантовых переходовсверхвысокочастотных и оптических спектрах) атомов, ионов или молекул из одного состояния в другое. В пассивных квантовых стандартах частоты используются частоты спектральных линий поглощения, а в активных - вынужденное испускание фотонов частицами. Известны активные квантовые стандарты частоты на пучке молекул аммиака (молекулярный генератор), атомов водорода (водородный генератор), пассивные квантовые стандарты частоты на пучке атомов Cs (цезиевая атомно-лучевая трубка), активные и пассивные квантовые стандарты частоты с оптической накачкой паров Cs или Rb. Стабильность частоты атомно-лучевого квантового стандарта частоты достигает 10-14. Квантовые стандарты частоты используются в навигации и службе времени в качестве эталонов частоты (времени).

Иллюстрированный энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовые часы

Энциклопедический словарь

Ква́нтовые часы́ (атомные часы), устройство для измерения времени, содержащее кварцевый генератор, управляемый квантовым стандартом частоты. Роль «маятника» в квантовых часах играют атомы. Частота излучения атомов при переходе их с одного уровня энергии на другой регулирует ход квантовых часов. Эта частота настолько стабильна (относительная погрешность 10-11-10-13), что квантовые часы позволяют измерять время точнее, чем астрономические методы (см. Время, Секунда).

* * *

КВАНТОВЫЕ ЧАСЫ - КВА́НТОВЫЕ ЧАСЫ́ (атомные часы), устройство для измерения времени, содержащее кварцевый генератор, управляемый квантовым стандартом частоты (см. КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ). Роль «маятника» в квантовых часах играют атомы. Частота излучения атомов при переходе их с одного уровня энергии на другой регулирует ход квантовых часов. Эта частота настолько стабильна (погрешность 10-11-10-13), что квантовые часы позволяют измерять время точнее, чем астрономические методы (см. Время (см. ВРЕМЯ (системы измерения)), Секунда (см. СЕКУНДА)).

Большой энциклопедический словарь

Иллюстрированный энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовые числа

Энциклопедический словарь

Большой энциклопедический словарь

Иллюстрированный энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовый

Толковый словарь

Толковый словарь Ушакова

Толковый словарь Ожегова

Энциклопедический словарь

Академический словарь

-ая, -ое. физ.

прил. к квант.

- квантовая механика

Орфографический словарь

Словарь ударений

Формы слов для слова квантовый

Синонимы к слову квантовый

прил., кол-во синонимов: 1

Морфемно-орфографический словарь

ква́нт/ов/ый.

Грамматический словарь

Новый словарь иностранных слов

ква́нтовый

- прил. от сл. квант;

к-ая механика (волновая механика)- раздел физики, изучающий законы движения и взаимодействия частиц очень малой массы, напр. электронов, протонов, атомов и т. д., лежащие в основе современного понимания строения материи на уровне атомов;

к-ая теория полей - теория, исследующая на основе квантовых представлений физ. поля, рождение и взаимодействие частиц -квантов этих полей, включает к-ую электродинамику - теорию взаимодействия электромагнитного поля с электронами и другими элементарными частицами;

к-ая система - система частиц, поведение которых описывается законами к-ой механики (напр., атом);

к. переход - скачкообразный переход квантовой системы из одного состояния в другое, вызванный поглощением или испусканием системой каких. квантов;

к-ая химия - раздел теоретической химии, в котором на основе к-ой механики исследуются хим. связь, строение в свойства молекул;

к-ая электроника - раздел физики, исследующий:

а) вынужденное излучение атомов, молекул и твердых тел, т. е. испускание ими электромагнитных волн под влиянием падающего извне излучения в потому одинаковое с ним по частоте и направлению;

б) электронные устройства - генераторы и усилители электромагнитных волн, действие которых основано на использовании вынужденного излучения (напр., лазеры, мазеры).

Полезные сервисы

квантовый газ

Энциклопедический словарь

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовый генератор

Энциклопедический словарь

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовый кристалл

Энциклопедический словарь

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовый магнитометр

Энциклопедический словарь

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовый усилитель

Энциклопедический словарь

Ква́нтовый усили́тель - устройство, в котором усиление электромагнитной волны происходит в результате её взаимодействия с активной средой, испускающей фотоны с той же частотой, поляризацией и фазой и в том же направлении, что и усиливаемая волна. В радиоастрономии и радиолокации применяются парамагнитные квантовые усилители с низким уровнем собственных шумов (мазеры). Лазер также может работать в режиме квантового усилителя.

* * *

КВАНТОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ - КВА́НТОВЫЙ УСИЛИ́ТЕЛЬ, устройство, в котором усиление электромагнитной волны происходит в результате ее взаимодействия с активной средой (см. АКТИВНАЯ СРЕДА), испускающей фотоны с той же частотой, поляризацией и фазой и в том же направлении, что и усиливаемая волна. В радиоастрономии и радиолокации применяются парамагнитные квантовые усилители с низким уровнем собственных шумов (мазеры (см. МАЗЕР)). Лазер (см. ЛАЗЕР) также может работать в режиме квантового усилителя.

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы

квантовый эффект холла

Энциклопедический словарь

Ква́нтовый эффе́кт Хо́лла - макроскопический квантовый эффект, наблюдаемый при низких температурах в тонком поверхностном слое полупроводника, помещённого в сильное магнитное поле Н, перпендикулярное поверхности слоя. При этом сопротивление, обусловленное Холла эффектом, в плоскости слоя принимает дискретные значения 2πħ/ne2, где п - целые и дробные рациональные числа, а в перпендикулярном направлении равно 0. Квантовый эффект Холла можно использовать для определения отношения ħ/е (ħ - Планка постоянная, е - заряд электрона) или как эталон сопротивления. Открыт К. фон Клитцингом в 1980.

* * *

КВАНТОВЫЙ ЭФФЕКТ ХОЛЛА - КВА́НТОВЫЙ ЭФФЕ́КТ ХО́ЛЛА, макроскопический квантовый эффект, наблюдаемый при низких температурах в тонком поверхностном слое полупроводника, помещенного в сильное магнитное поле Н, перпендикулярное поверхности слоя. При этом сопротивление, обусловленное Холла эффектом (см. ХОЛЛА ЭФФЕКТ), в плоскости слоя принимает дискретные значения , где n - целые и дробные рациональные числа, а в перпендикулярном направлении равно 0. Квантовый эффект Холла можно использовать для определения отношения /e ( - Планка постоянная (см. ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ), е - заряд электрона) или как эталон сопротивления. Открыт К. фон Клитцингом в 1980.

Большой энциклопедический словарь

Полезные сервисы