Второе направление (Ф. системы электронов в кристалле) начало развиваться сразу после открытия электрона как электронная теория металлов и др. твёрдых тел. В этой теории электроны в металле рассматривались как заполняющий кристаллическую решётку газ свободных электронов, подобный обычному разреженному молекулярному газу, подчиняющемуся классической. статистике Больцмана. Электронная теория позволила дать объяснение законов Ома и Видемана – Франца (П. Друде ), заложила основы теории дисперсии света в кристаллах и др. Однако не все факты укладывались в рамки классической электронной теории. Так, не получила объяснения зависимость удельного сопротивления металлов от температуры, оставалось неясным, почему электронный газ не вносит заметного вклада в теплоёмкость металлов и т.д. Выход из создавшихся трудностей был найден лишь после построения квантовой механики.
Созданный Бором первый вариант квантовой теории был внутренне противоречивым: используя для движения электронов законы механики Ньютона, Бор в то же время искусственно накладывал на возможные движения электронов квантовые ограничения, чуждые классической Ф.
Достоверно установленная дискретность действия и её количественная мера – постоянная Планка h – универсальная мировая постоянная, играющая роль естественного масштаба явлений природы, требовали радикальной перестройки как законов механики, так и законов электродинамики. Классические законы справедливы лишь при рассмотрении движения объектов достаточно большой массы, когда величины размерности действия велики по сравнению с h и дискретностью действия можно пренебречь.
В 20-е гг. 20 в. была создана самая глубокая и всеобъемлющая из современных физических теорий – квантовая, или волновая, механика – последовательная, логически завершенная нерелятивистская теория движения микрочастиц, которая позволила также объяснить многие свойства макроскопических тел и происходящие в них явления. В основу квантовой механики легли идея квантования Планка – Эйнштейна – Бора и выдвинутая Л. де Бройлем гипотеза (1924), что двойственная корпускулярно-волновая природа свойственна не только электромагнитному излучению (фотонам), но и любым др. видам материи. Все микрочастицы (электроны, протоны, атомы и т.д.) обладают наряду с корпускулярными и волновыми свойствами: каждой из них можно поставить в соответствие волну (длина которой равна отношению постоянной Планка h к импульсу частицы, а частота – отношению энергии частицы к h ). Волны де Бройля описывают свободные частицы. В 1927 впервые наблюдалась дифракция электронов, экспериментально подтвердившая наличие у них волновых свойств. Позднее дифракция наблюдалась и у др. микрочастиц, включая молекулы (см. Дифракция частиц ).
В 1926 Шрёдингер, пытаясь получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового типа, сформулировал основное уравнение квантовой механики, названное его именем. В. Гейзенберг и Борн (1925) построили квантовую механику в др. математической форме – т. н. матричную механику.
В 1925 Дж. Ю. Уленбек и С. А. Гаудсмит на основании экспериментальных (спектроскопических) данных открыли существование у электрона собственного момента количества движения – спина (а следовательно, и связанного с ним собственного, спинового, магнитного момента), равного 1 /2 . (Величина спина обычно выражается в единицах = h /2p, которая, как и h, называется постоянной Планка; в этих единицах спин электрона равен 1 /2 .) В. Паули записал уравнение движения нерелятивистского электрона во внешнем электромагнитном поле с учётом взаимодействия спинового магнитного момента электрона с магнитным полем. В 1925 он же сформулировал т. н. принцип запрета, согласно которому в одном квантовом состоянии не может находиться больше одного электрона (Паули принцип ). Этот принцип сыграл важнейшую роль в построении квантовой теории систем многих частиц, в частности объяснил закономерности заполнения электронами оболочек и слоев в многоэлектронных атомах и т. о. дал теоретическое обоснование периодической системе элементов Менделеева.
В 1928 П. А. М. Дирак получил квантовое релятивистское уравнение движения электрона (см. Дирака уравнение ), из которого естественно вытекало наличие у электрона спина. На основании этого уравнения Дирак в 1931 предсказал существование позитрона (первой античастицы ), в 1932 открытого К. Д. Андерсоном в космических лучах . [Античастицы других структурных единиц вещества (протона и нейтрона) – антипротон и антинейтрон были экспериментально открыты соответственно в 1955 и 1956.]
Параллельно с развитием квантовой механики шло развитие квантовой статистики – квантовой теории поведения физических систем (в частности, макроскопических тел), состоящих из огромного числа микрочастиц. В 1924 Ш. Бозе , применив принципы квантовой статистики к фотонам – частицам со спином 1, вывел формулу Планка распределения энергии в спектре равновесного излучения, а Эйнштейн получил формулу распределения энергии для идеального газа молекул (Бозе – Эйнштейна статистика ). В 1926 П. А. М. Дирак и Э. Ферми показали, что совокупность электронов (и др. одинаковых частиц со спином 1 /2 ), для которых справедлив принцип Паули, подчиняется др. статистике – Ферми – Дирака статистике . В 1940 Паули установил связь спина со статистикой.
Квантовая статистика сыграла важнейшую роль в развитии Ф. конденсированных сред и в первую очередь в построении Ф. твёрдого тела. На квантовом языке тепловые колебания атомов кристалла можно рассматривать как совокупность своего рода «частиц», точнее квазичастиц , – фононов (введены И. Е. Таммом в 1929). Такой подход объяснил, в частности, спад теплоёмкости металлов (по закону T 3 ) c понижением температуры Т в области низких температур, а также показал, что причина электрического сопротивления металлов – рассеяние электронов не на ионах, а в основном на фононах. Позднее были введены др. квазичастицы. Метод квазичастиц оказался весьма эффективным для исследования свойств сложных макроскопических систем в конденсированном состоянии.
В 1928 А. Зоммерфельд применил функцию распределения Ферми – Дирака для описания процессов переноса в металлах. Это разрешило ряд трудностей классической теории и создало основу для дальнейшего развития квантовой теории кинетических явлений (электро- и теплопроводности, термоэлектрических, гальваномагнитных и др. эффектов) в твёрдых телах, особенно в металлах и полупроводниках .
Согласно принципу Паули, энергия всей совокупности свободных электронов металла даже при абсолютном нуле отлична от нуля. В невозбуждённом состоянии все уровни энергии, начиная с нулевого и кончая некоторым максимальным уровнем (уровнем Ферми), оказываются занятыми электронами. Эта картина позволила Зоммерфельду объяснить малость вклада электронов в теплоёмкость металлов: при нагревании возбуждаются только электроны вблизи уровня Ферми.
В работах Ф. Блоха , Х. А. Бете и Л. Бриллюэна (1928–34) была разработана теория зонной энергетической структуры кристаллов, которая дала естественное объяснение различиям в электрических свойствах диэлектриков и металлов. Описанный подход, получивший название одноэлектронного приближения, имел дальнейшее развитие и широкое применение, особенно в Ф. полупроводников.
В 1928 Я. И. Френкель и Гейзенберг показали, что в основе ферромагнетизма лежит квантовое обменное взаимодействие (которое на примере атома гелия было в 1926 рассмотрено Гейзенбергом); в 1932–33 Л. Неель и независимо Л. Д. Ландау предсказали антиферромагнетизм .
Открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннесом (1911) и сверхтекучести жидкого гелия П. Л. Капицей (1938) стимулировали развитие новых методов в квантовой статистике. Феноменология. теория сверхтекучести была построена Ландау (1941); дальнейшим шагом явилась феноменология, теория сверхпроводимости Ландау и В. Л. Гинзбурга (1950).
В 50-х гг. были развиты новые мощные методы расчётов в статистической квантовой теории многочастичных систем, одним из наиболее ярких достижений которых явилось создание Дж. Бардином , Л. Купером , Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) микроскопической теории сверхпроводимости.
