Принцип причинности в квантовой механике

Из соотношения неопределенностей часто делают идеалистический вывод о непри­менимости принципа причинности к явле­ниям, происходящим в микромире. При этом основываются на следующих сообра­жениях. В классической механике, соглас­но принципу причинности — принципу классического детерминизма,по известно­му состоянию системы в некоторый момент времени (полностью определяется значе­ниями координат и импульсов всех частиц системы) и силам, приложенным к ней, можно абсолютно точно задать ее состоя­ние в любой последующий момент. Следо­вательно, классическая физика основыва­ется на следующем понимании причинно­сти: состояние механической системы в начальный момент времени с известным законом взаимодействия частиц есть при­чина, а ее состояние в последующий мо­мент — следствие.

С другой стороны, микрообъекты не могут иметь одновременно и определенную координату, и определенную соответству­ющую проекцию импульса (задаются со­отношением неопределенностей (215.1)), поэтому и делается вывод о том, что в на­чальный момент времени состояние систе­мы точно не определяется. Если же со­стояние системы не определено в началь­ный момент времени, то не могут быть предсказаны и последующие состоя­ния, т. е. нарушается принцип причин­ности.

Необходимо, однако, отдавать себе отчет в том, что никакого нарушения принципа причинности применительно к микрообъектам не наблюдается, по­скольку в квантовой механике понятие состояния микрообъекта приобретает со­вершенно иной смысл, чем в классической механике. В квантовой механике состоя­ние микрообъекта полностью определяет­ся волновой функцией y(х, у, z, t), квад­рат модуля которой ½y(x, у, z, t)½² задает плотность вероятности нахождения части­цы в точке с координатами х, у, z.

В свою очередь, волновая функция y(х, у, z, t) удовлетворяет уравнению Шредингера (217.1), содержащему пер­вую производную функции y по времени. Это же означает, что задание функции y₀ (для момента времени to) определяет ее значение в последующие моменты. Следо­вательно, в квантовой механике начальное состояние y₀ есть причина, а состояние y в последующий момент — следствие. Это и есть форма принципа причинности в квантовой механике, т. е. задание функ­ции y₀ предопределяет ее значения для любых последующих моментов. Таким об­разом, состояние системы микрочастиц, определенное в квантовой механике, однозначно вытекает из предшествующего со­стояния, как того требует принцип при­чинности.

40.Квантовые числа. Энергетические уровни.

Главное квантовое число (n). Определяет энергетический уровень электрона, удаленность уровня от ядра, размер электронного облака. Принимает целые значения (n = 1, 2, 3 ...) и соответствует номеру периода. Из периодической системы для любого элемента по номеру периода можно определить число энергетических уровней атома и какой энергетический уровень является внешним.

Орбитальное квантовое число (l) характеризует геометрическую форму орбитали. Принимает значение целых чисел от 0 до (n - 1). Независимо от номера энергетического уровня, каждому значению орбитального квантового числа соответствует орбиталь особой формы. Набор орбиталей с одинаковыми значениямиn называется энергетическим уровнем, c одинаковыми n и l - подуровнем.

Магнитное квантовое число (m) характеризует положение электронной орбитали в пространстве и принимает целочисленные значения от -I до +I, включая 0. Это означает, что для каждой формы орбитали существует (2l + 1) энергетически равноценных ориентации в пространстве.

Спиновое квантовое число (s) характеризует магнитный момент, возникающий при вращении электрона вокруг своей оси. Принимает только два значения +1/2 и –1/2 соответствующие противоположным направлениям вращения.

В современном понятии об орбитальной модели атома, электроны в атоме способны обладать лишь определёнными величинами энергии, и переходить с одного энергетического уровня на другой лишь скачком. Разница между энергетическими уровнями определяет частоту кванта света, выделяемого или поглощаемого при переходе. Каждой паре значений главного квантового числа n и орбитального квантового числа l соответствует определённый уровень энергии, которой может обладать электрон.

Главные энергетические уровни атома — это совокупности атомных орбиталей, имеющих одинаковые значения главного квантового числа. Число таких энергетических уровней в атоме равно номеру периода, в котором расположен соответствующий химический элемент. Например, калий — элемент четвёртого периода, следовательно, его атом имеет 4 основных энергетических уровня (n = 4).

Каждый главный энергетический уровень в атоме расщеплён на подуровни (s-, p-, d-, f-орбитали), соответствующие изменениям орбитального квантового числа. В достаточно сильных магнитных полях можно обнаружить расщепление этих подуровней на отдельные состояния, соответствующие различным значениям магнитного квантового числа.