Головна

Поняття стану в класичній і квантовій фізиці

  1. I. 7. Що називається інтерференцією хвиль? Поясніть поняття когерентності, різниці ходу хвиль, умови max і min при інтерференції хвиль.
  2. I. Поняття про принципи ФВ і їх значення.
  3. II.1. Аналіз сучасного стану природних монополій та їх роль в економіці Росії.
  4. III 1. Поняття педагогічної технології, її основні ознаки
  5. III 1. Поняття уроку як цілісної системи, вимоги до уроку
  6. III 1. Поняття «засоби навчання», їх класифікації
  7. III 1. Поняття «засоби навчання», їх класифікації

У процесі загальної характеристики фізики як основної галузі природознавства часто вживався термін "стан фізичної системи". Розглянемо його більш детально.

Категорія стану склалася в античній філософії. У науці вона вперше знайшла широке застосування в ньютонівської механіці. Тут стан розглядалося як кількісна характеристика механічного руху. Значення механіки Ньютона для фізики далеко не в останню чергу визначається саме тим, що Ньютон першим зрозумів: стан систем матеріальних точок в будь-який заданий момент часуt повністю визначається значенням їх координат і імпульсів (а не ускорениями, взаємодіями і т.д.). Знаючи ці величини в момент t, Можна визначити еволюцію системи під впливом відомих сил в усі наступні моменти часу, вирішивши систему рівнянь Ньютона:

Уявімо собі тіло, яке з точки зору фізики можна назвати макроскопічними. Це може бути газ в посудині, піщинка, шматочок заліза і т.д. Іншими словами - це будь-яке тіло, що складається з дуже великого числа частинок.

Протягом понад 200 років вважалося, що механіка Ньютона описує переміщення тел будь-яких розмірів, тобто будь-яких розмірів мас один щодо одного. Але з цими тілами відбуваються і інші зміни, які пов'язані зі своїми макроскопічними переміщеннями. В першу чергу, це теплові процеси. Тіла можуть нагріватися і охолоджуватися. При цьому їх температура змінюється.

Температура - дуже важлива характеристика стану тел. Її зміни можуть викликати зміни тел набагато більш суттєві, ніж прості переміщення з однієї області простору в іншу. Так, газ може перетворитися в рідину, рідину - в тверде тіло (або навпаки), і т.д.

Подібного роду процеси описуються термодинаміки. Ця наука виникла слідом за класичною механікою. Термодинаміка вивчає теплові властивості макроскопічних систем, не звертаючись до їх мікроскопічному станом.

Стан тел може змінюватися не тільки зі зміною температури. Так, макроскопічні властивості шматка заліза змінюються, якщо його намагнітити. Відповідно вводиться величина, яка характеризує магнітне стан зразка - вектор намагнічування.

Електричне поле також змінює стан макроскопічного тіла (воно поляризується).

Отже, класична фізика вважала, що стан фізичної системи завжди задається фізичними параметрами. Це, наприклад, координата, імпульс, температура, вектор намагнічування і т.д. Стан системи - це значення таких параметрів системи в певний момент часу, які дозволяють вирішувати певні класи завдань по відношенню до даної системи. Безглуздо ставити стан фізичної системи безвідносно до класу поставлених по відношенню до системи завдань. Які саме параметри характеризують конкретний стан системи визначається законами, на підставі яких і вирішуються поставлені завдання.

Будь-яка система може бути описана лише з якоюсь мірою наближення. Це стосується і набору параметрів, які задають стан системи, і значення параметрів, які завжди, звичайно, наближені. Іншими словами, завжди існує різниця між справжнім станом системи і описом цього стану.

Всілякі стану, в яких може перебувати та чи інша речовина, перш за все, розбиваються на так звані агрегатні стани: тверде, рідке і газоподібне. Ці стану виділяються за основними фізичними властивостями речовини.

Слід врахувати, що у деяких речовин немає різкого розмежування між різними агрегатними станами. Наприклад, при нагріванні скла відбувається поступове його розм'якшення, і неможливо встановити, коли воно переходить з твердого стану в рідке. При дуже великому зовнішньому тиску тверді метали починають "текти", тобто подібно рідини, приймають форму посудини, в якому вони знаходяться.

Різні стану одного і того ж речовини можна було розрізняти також і за значеннями фізичних величин, які характеризують ці стани, наприклад, за значеннями обсягу, температури і тиску. Тому кожному агрегатному стані речовини відповідає безліч різних станів, які відрізняються один від одного різними значеннями обсягу, тиску, температури та інших фізичних величин. При зміні цих величин речовина переходить з одного стану в інший, залишаючись твердим, рідким або газоподібним.

Фізичні величини, що характеризують той чи інший стан речовини, іноді називають параметрами стану. Основні параметри: обсяг V, Зовнішній тиск Р і температура Т. Якщо між параметрами стану існує яке-небудь певне однозначне співвідношення, яке зберігається при переході з одного стану в інший, то це співвідношення називається рівнянням стану. Наприклад, для виряджених газів дотримується рівняння:

Це співвідношення пов'язує між собою значення обсягу, тиску і температури для безлічі відрізняються один від одного станів даної маси газоподібної речовини. Для інших агрегатних станів - твердого та рідкого - такі прості співвідношення між параметрами не знайдені.

Важливим властивістю термодинамічних систем (Термодинамическая система - макроскопічне тіло, виділене з навколишнього середовища за допомогою перегородок або оболонок, яке можна характеризувати макроскопічними параметрами: V, P, T і іншими; для цього термодинамічна система повинна складатися з досить великого числа частинок) є існування у них рівноважних станів, в яких вони можуть перебувати як завгодно довго. Для газу, укладеного в деякому посудині, рівноважним є стан, в якому температура, тиск і щільність (або число молекул в одиниці об'єму) в межах обсягу газу однакові. Якщо в якомусь місці цього обсягу викликати місцеве нагрівання або стиснення, то в системі почнеться процес вирівнювання температури і тиску. Цей процес буде відбуватися протягом того часу, поки є зовнішній вплив. Однак тільки після припинення цього впливу процес вирівнювання призведе систему до нового рівноважного стану.

Стану ізольованих термодинамічних систем, в яких вони, незважаючи на відсутність зовнішніх впливів, не можуть перебувати протягом кінцевих проміжків часу, називаються нерівновагими. Система, спочатку знаходиться в нерівноважному стані, з плином часу переходить в рівноважний стан. Час переходу з нерівноважного стану в рівноважний називається часом релаксації.

У фізиці широко використовується поняття стаціонарного стану. Стан фізичної системи, при якому деякі істотні для характеристики системи величини не змінюються з часом називається стаціонарним. Наприклад, стан потоку рідини стаціонарно, якщо швидкість руху (і інші характеристики) залишаються в кожній точці простору незмінними.

У квантовій механіці стаціонарним станом називається стан, в якому енергія має певне значення. Стаціонарний стан може бути рівноважним і нерівновагим.

Стаціонарним станом відкритої системи є рухлива рівновага, при якому всі макроскопічні величини залишаються незмінними, але безперервно тривають макроскопічні процеси введення і виведення речовини.

Стану мікрооб'єктів методами класичної фізики описати не можна. Це очевидно хоча б з співвідношення невизначеностей. Принцип невизначеності, встановлений В. Гейзенбергом в 1927 р, записується так:

де  виступає як неточність (невизначеність) значення координати х частинки;

 - Як невизначеність компоненти Px її імпульсу .

Принцип невизначеностей підкреслює відмінність в описі стану систем в класичній і в квантової теорії. Ми вже неодноразово підкреслювали, що стан класичної матеріальної точки описується за допомогою координат і імпульсу. Квантова ж частка в стані з певними координатами не володіє певним імпульсом. Іншими словами, для квантової частинки не існує станів, в яких її координати і імпульс мали б одночасно точне значення. Тому в квантовій теорії стан мікрооб'єктів, як уже підкреслювалося, описується принципово по-новому - за допомогою хвильової функції.



Динамічні і статистичні закономірності в природі. Класична і квантова статистика. Лапласовскій детермінізм. Фазові простору, мета їх введення в фізичне пізнання. | Роль законів збереження в розвитку фізичного знання. Закони збереження та принципи симетрії. Правила відбору фізики елементарних частинок

Інтеграція фундаментальних і прикладних досліджень | Наступність у розвитку наукових теорій | математизація природознавства | Єдність еволюційного і революційного шляхів розвитку природознавства. Поняття парадигми. Критичний аналіз концепції Т. Куна | Принцип абсолютності властивостей. Кількісна відносність властивостей. принцип додатковості | Дальність дії, блізкодейтвіе. Концепція силового поля як посередника при передачі взаємодії. Квантування поле. Поняття фізичного вакууму. | гравітаційна взаємодія | електромагнітна взаємодія | слабка взаємодія | Структурна фізика. Корпускулярний підхід до опису і пояснення природи. редукціонізм |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати