Koja je kvantna fizika sa jednostavnim riječima. Kvantna fizika za lutke: suština sa jednostavnim riječima

Kvantni mehanički koncepti

Opisi prirode

U određenom smislu, sve moderna fizika Postoji kvantna fizika! Ona je u suštini rezultat "najnovije revolucije u prirodnim naukama".

Šta studira kvantne fizike?

Prije svega, kvantna fizika je teorija koja opisuje svojstva materije na mikro-referentnom nivou. Istražuje zakone kretanja kvantnih objekata koji se nazivaju i mikro-predavanjima.

Koncept mikro pojasa jedan je od glavnih u kvantnoj fizici. Oni uključuju molekule, atome, atomske jezgre, elementarne čestice. Njihova karakteristična karakteristika su vrlo male veličine - 10 ^ -8 cm i manje. Najvažnije karakteristike mikrokata uključuju masu mira i električni naboj. Elektronska masa ME \u003d 9.1 · 10 ^ -28 g, Proton ima masu 1836ME, neutron - 1839ME, muon - 207ME. Fotonski i neutrini nemaju mirovne mase - to je nula. Veličina električnog naboja bilo kojeg mikrojekata je višestruka vrijednost punjenja elektrona jednaka 1,6 · 10 ^ -19 cl. Uz naplatu, postoje neutralne mikrojekcije, čiji je naboj nula. Električni naboj složenog mikrojeka jednak je algebarskoj zbroj optužbi za komponente njegovih čestica. Jedna od najvažnijih specifičnih karakteristika mikro-obloge je okretanje (iz engleske riječi "rotiraju"). Iako se spin interpretira kao obrtni moment mikrojektnog impulsa, koji nije povezan sa svojim pokretom u cjelini, nepostojeći i neovisni o vanjskim uvjetima, ali nemoguće je predstavljati to kao rotirajuće vrh. Ima čisto kvantnu prirodu - ne postoji analozi u klasičnoj fizici. Prisutnost okretanja čini značajne karakteristike u ponašanju mikromirskih objekata.

Većina mikrokata je nestabilna - spontano su, bez ikakvih efekata na deo, raspadaju se, pretvaraju se u druge, uključujući elementarne čestice. Nestabilno je specifično, ali ne obavezno vlasništvo mikrokata. Uz nestabilne, postoje i stabilni mikrojektici: foton, elektron, proton, neutrini, stabilni atomski jezgra, atomi i molekule uglavnom su države.

Kvantna fizika je i dalje teorijska fondacija Moderna nastava na strukturi i svojstvima tvari i polja.

Važno je shvatiti da kvantna fizika ne otkazuje klasiku, a sadrži ga kao svoj granični slučaj. Prilikom prelaska iz mikrokata na konvencionalne makroskopske objekte, njegovi zakoni postaju klasični, a time kvantna fizika postavljaju ograničenja primjene klasične fizike. Prelaz iz klasične fizike u kvant je prelazak na dublji nivo razmatranja materije.

Kvantna fizika postala je suštinski korak u izgradnji moderne fizičke slike svijeta. Omogućila joj je predvidjeti i objasniti ogroman broj različitih pojava - od procesa koji se događaju u atomima i atomc Nuclei, do makroskopskih efekata u krutima; Bez nje, nemoguće je, kao što se sada pojavi, da shvati porijeklo svemira. Raspon kvantne fizike je širok - od elementarnih čestica do prostora objekata. Bez kvantne fizike, ne samo prirodne nauke ne razmatraju se, već i moderna tehnika.

Wikihow radi na principu Wiki, što znači da mnogi naši članci pišu nekoliko autora. Prilikom stvaranja ovog članka o njegovom uređivanju i poboljšanju, oni su radili, uključujući anonimne, 11 ljudi (a).

Kvantna fizika (to je kvantna teorija ili kvantni mehaničar) - ovo je zaseban smjer fizike, koji se bavi opisom ponašanja i interakcije materije i energije na nivou elementarnih čestica, fotona i nekih materijala na vrlo Niske temperature. Kvantno polje je definirano kao "akcija" (ili u nekim slučajevima kutni momentum) čestice, što je u veličini unutar granica malene fizičke konstante, koje se naziva stalnom daskama.

Korake

trajni Planck

Započnite s proučavanjem fizičkog koncepta stalne daske. U kvantnom mehaniku, stalna daska je kvantist od akcije, koja se naziva h.. Slično tome, za interakciju elementarnih čestica, kvant trenutak impulsa - Ovo je smanjena linija za remen (trajni remen podijeljen s 2 π) je naznačen kao ħ I nazvan "h sa značajkom." Vrijednost stalne daske je izuzetno mala, ona kombinira trenutke impulsa i oznaku radnji koje imaju općenitiji matematički koncept. Ime kvantna mehanika Podrazumijeva da neke fizičke količine poput trenutka impulsa mogu se mijenjati samo diskretan, ne kontinuirano ( cm. Analogni) način.

• Na primjer, trenutak elektronskog pulsa pričvršćenog na atom ili molekulu kvantiziran je i može uzeti samo vrijednosti više od gore navedene stalne daske. Ova kvantizacija povećava orbital elektrona na nizu cjelokupnog primarnog kvantnog broja. Suprotno tome, trenutak impulsa nepovezanih elektrona koji se nalazi u blizini, ne kvantizira se. Konstantna ploča se koristi i u kvantnoj teoriji svjetlosti, gdje je svjetlosni kvant foton, a stvar interaktira s energijom prelaskom elektrona između atoma ili "kvantni skok" pridruženog elektrona.
• Jedinice stalne daske mogu se također smatrati vremenom energije. Na primjer, u predmetnom području elementarne fizike čestica predstavljaju virtualne čestice kao masa čestica koja se spontano pojavljuju iz vakuuma na vrlo malom području i igraju ulogu u njihovoj interakciji. Granica života ovih virtualnih čestica je energija (masa) svake čestice. Kvantna mehanika ima veliki predmet, ali u svakom matematičkom dijelu postoji stalna daska.

1. Saznajte o teškim česticama. Teške čestice prelaze sa klasika do kvantnog tranzicije energije. Čak i ako je besplatni elektron, koji ima kvantna svojstva (poput rotacije), kao neobična elektrona, prilazi atomu i usporava (možda zbog emitiranja fotona), kreće se iz klasičnog u kvantno ponašanje, jer je njegova energija spušta se ispod jonizacione energije. Elektron se veže za atom i njegov trenutak pulsa u odnosu na atomski kernel ograničen je kvantnom vrijednošću orbite, što može zauzeti. Ova tranzicija je iznenadna. Može se uporediti sa mehaničkim sustavom koji mijenja stanje od nestabilnog u stabilno ili njegovo ponašanje varira s jednostavnim haotičnim, ili se može čak usporediti s raketnim brodom, koji se usporava i prelazi u stopu odvajanja i zauzima u orbiti okolo Neke zvijezde ili neki drugi nebeski objekt. Za razliku od njih, fotoni (koji su bez težina) Takav tranziciju se ne vrši: jednostavno prelaze prostor nepromijenjenim dok ne komuniciraju s drugim česticama i ne nestaju. Ako pogledate noćno nebo, fotoni iz nekih zvijezda bez promjene letenih godina, a zatim komuniciraju s elektronom u molekuli vaše mrežnice, a zatim nestaju.

Mislim da možemo reći da niko ne razumije kvantnu mehaniku

Fizičar Richard Feynman

Izjava da je izum poluvodičkih uređaja bio revolucija, neće biti pretjerana. To nije samo impresivno tehnološko postignuće, već je također utrlo put događaja koji zauvijek mijenjaju moderno društvo. Poluvodički uređaji koriste se u svim vrstama mikroelektronskih uređaja, uključujući računare, pojedine vrste medicinske dijagnostičke i medicinske opreme, popularnih telekomunikacijskih uređaja.

Ali iza ove tehnološke revolucije je još više, revolucija u općoj nauci: Region kvantna teorija. Bez ovoga, skok u razumijevanju prirodnog svijeta, razvoj poluvodičkih uređaja (i napredniji razvijeni elektronički uređaji) nikada ne bi bili mogući. Kvantna fizika je nevjerovatno složen dio nauke. Ovo poglavlje je dano samo kratak pregled. Kada znanstveni nivo Fainmana kažu da "niko ne razumije [ovo]", možete biti sigurni da je to zaista teška tema. Bez osnovnog razumevanja kvantne fizike ili barem razumevanja naučna otkrićaŠto je dovelo do njihovog razvoja, nemoguće je razumjeti kako i zašto poluvodički elektronički uređaji rade. Većina udžbenika za elektroniku pokušava objasniti poluvodiče sa stanovišta "klasične fizike", kao rezultat toga što ih čini još zbunjujući da razumiju.

Mnogi od nas su vidjeli dijagrame atoma modela koji su slični crtežu ispod.

Atom od Rutherforda: Negativni elektroni se okreću oko malog pozitivnog jezgre

Malene čestice materije zvane protoni i neutroni, čine centar atoma; elektroni Rotirajte kao planetu oko zvijezde. Kernel nosi pozitivan električni naboj, zbog prisustva protona (neutroni nemaju električni naboj), dok atom uravnotežujući negativan naboj u orbiti elektrona. Negativni elektroni privlače pozitivne protone, jer planete privlače silom privlačnosti prema suncem, međutim, orbite su stabilne zbog kretanja elektrona. Dužni smo za ovaj popularni model atoma rada Ernest Rauntforda, koji je u oko 1911. eksperimentalno utvrdio da su pozitivna optužba atoma koncentrirana u malenom, gustom kernelu, a nije ravnomjerno distribuiran u promjeru, kao što je prethodno preuzelo da je prethodno preuzeto JJ Thomson.

Reformdacija na eksperimentu za rasipanje je bombardiranje fine zlatne folije pozitivno nabijene alfa čestice, kao što je prikazano na donjoj slici. Mladi diplomirani studenti H. Geiger i E. Marsdena dobili su neočekivane rezultate. Putanje kretanja nekih alfa čestica odbijeno je u velikom uglu. Neke alfa čestice bile su raštrkane u suprotnom smjeru, pod uglom gotovo 180 °. Većina čestica prolazila je kroz zlatnu foliju bez promjene staze putanje, kao da folija uopće nije. Činjenica da je nekoliko alfa čestica iskusilo velika odstupanja u putanju pokreta, ukazuje na prisustvo jezgara s malim pozitivnim nabojem.

Raspon Raspon rasipanja: gomila alfa čestica rasipa se fino zlatna folija

Iako je model asortimana ATSFord potvrdio eksperimentalnim podacima boljim od Thomsonovog modela, još uvijek je bio nesavršen. Daljnje pokušaje utvrđivanja strukture atoma, a ti su napori pomogli da ubacite put čudnim otkrićima kvantne fizike. Danas je naše razumijevanje atoma malo teže. Ipak, uprkos revoluciji kvantne fizike i njenog doprinosa našem razumijevanju strukture atoma, slika Sunčevog sustava Rutherforda kao atomske strukture, doneli su u masovnu svijest do sada da ostaje na poljima Obrazovanje, čak i ako je neprikladno.

Razmotriti kratki opis Elektroni u atomu preuzeti iz popularnog udžbenika elektronike:

Rotirajuće negativne elektrone privlače pozitivan kernel koji nas vodi na pitanje zašto elektroni ne lete u nukleusovu atomu. Odgovor je da se rotirajuće elektrone ostaju na stabilnoj orbitu zbog dvije jednake, ali suprotne sile. Centrifugalna sila koja djeluje na elektrone usmjerena je na vanjsku vani, a snaga naplate troškova pokušava privući elektrone kernelu.

U skladu s modelom Rutherford, autor smatra elektronima čvrstim mjestima materije bavenim okruglim orbitama, njihova atrakcija unutar suprotno nabijenog kernela uravnotežena je njihovim pokretom. Upotreba izraza "Centrifugalna sila" je tehnički netačna (čak i za rotiranje planeta u orbiti), ali lako je oprostiti zbog popularnog usvajanja modela: u stvari, ne postoji takva stvar, odbojanbilo ko Rotirajuće tijelo iz centra njegove orbite. To se čini zato što inercija tijela teži da sačuva svoje kretanje u pravoj liniji, a pošto je orbita stalno odstupanje (ubrzanje) iz ravnog pokreta, postoji stalna inercija koja privlači tijelo koje privlači tijelo do centra orbite (centripetalnog), biti ta gravitacija, elektrostatička privlačnost ili čak napetost mehaničke veze.

Ipak, pravi problem s ovim objašnjenjem, prije svega ideja elektrona koji se kreću u kružnim orbite. Dokazana činjenica da su ubrzali električni troškovi emitiraju elektromagnetsko zračenje, ta činjenica je bila poznata čak i za vrijeme refordfordnih vremena. Kao rotacijski promet To je obrazac za ubrzanje (rotirajuće objekt u stalnom ubrzanju, vodeći objekt iz normalne ravne linije), elektroni u rotirajućoj državi moraju odlagati zračenje poput prljavštine iz bouquet-a. Elektroni ubrzani u kružnim putanjem u ubrzavačima čestica sinhrotrons, kao što znate, učinite to, a rezultat se naziva sinhrotron zračenje. Ako elektroni gube energiju na takav način, njihove orbite bi se u konačnici bili poremećeni, a kao rezultat bi se suočili sa pozitivno napunjenim jezgrom. Međutim, unutar atoma se obično ne događa. Zaista, elektroničke "orbite" iznenađujuće su otporni u širokom rasponu uvjeta.

Pored toga, eksperimenti sa "uzbuđeni" atomi pokazali su da elektromagnetska energija emitira atom samo na određenim frekvencijama. Atomi su "uzbuđeni" vanjskim uticajima, poput svetlosti, kao što je poznato da apsorbiraju energiju i vraća elektromagnetske valove na određene frekvencije, kao tabla koja ne zvoni na određenoj frekvenciji dok se ne pogodi. Kad se svjetlost emitiranog atoma podijeljena na komponentne frekvencije (boje), otkrivene su pojedinačne linije boja u spektru, obrazac spektralnih linija jedinstven je za hemijski element. Ovaj fenomen se obično koristi za identifikaciju hemijskih elemenata, pa čak i za mjerenje proporcija svakog elementa u slovu ili hemijskoj smjesi. Prema solarni sistem Model Atomic Rangeford (s obzirom na elektrone, poput mjera koji se slobodno okreću u orbiti s nekim radijusom) i zakoni klasične fizike, uzbuđeni atomi moraju vratiti energiju u praktično beskonačnoj frekvenciji, a ne na odabrane frekvencije. Drugim riječima, ako je refordeford model bio tačan, ne bi bilo "kametanskog" efekta, a spektar boja koji emitira bilo koji atom izgleda kao neprekidni pojas boja, a ne kao nekoliko zasebnih linija.

Borov model atoma vodika (sa crtežom u orbitu podrazumijeva pronalazak elektrona samo u diskretnim orbiti. Elektroni koji se kreću s n \u003d 3,4,5 ili 6 do n \u003d 2 prikazuju se na nizu spektralnih linija balmera

Istraživač je imenovao Nils Bohr pokušao poboljšati model Rutherford, nakon što ga je u proučavanju u Rutherford laboratoriji nekoliko mjeseci 1912. godine. Pokušaj da se dogovori o rezultatima drugih fizičara (posebno Max Planck i Alberta Einsteina), Bor je predložio da svaki elektron ima određenu, specifičnu količinu energije i da se njihove orbite distribuiraju na takav način da svaki od njih može zauzeti Određena mjesta oko kernela poput kuglica fiksira se na kružnim stazama oko kernela, a ne kao slobodno kreću satelit, kao što je prethodno pretpostavljeno (crtanje gore). U pogledu zakona elektromagnetizma i ubrzavanja optužbi, Bor se odnosio na "orbite" kao stacionarne državeDa se izbjegne tumačenje koje se kreću.

Iako ambiciozni pokušaj preispitivanja strukture atoma, koji je bio bliži eksperimentalnim podacima, i bio je važan prekretnica u fizici, ali nije bila završena. Njegova matematička analiza bila je bolje predviđena rezultatima eksperimenata u odnosu na analize proizvedene u skladu s prethodnim modelima, ali i ostali bez odgovaranja na pitanja zašto Elektroni se trebaju ponašati na tako čudan način. Tvrdnja da su elektroni postojali u stacionarnim kvantnim državama oko kernela, povezane sa eksperimentalnim podacima boljim od modela Rostforda, ali nisu rekli da elektroni čine ove posebne države. Odgovor na ovo pitanje bio je doći iz druge fizike Louis de Brogao se nakon otprilike deset godina.

Debriel sugerirao da elektroni poput fotona (čestice svjetlosti) imaju obje čestice i svojstva valova. Oslanjajući se na ovu pretpostavku, predložio je da analiza rotirajućeg elektrona sa stanovišta valova bude pogodnija nego sa stanovišta čestica i može dati više razumijevanja o njihovoj kvantnoj prirodi. I zaista, u razumijevanju, obavljen je još jedan proboj.

Niz vibrira na rezonantnoj frekvenciji između dvije fiksne tačke formiraju stojeći val

Atom, prema de Brogleu, sastojao se od stojećih talasa, fenomena, dobro poznat fizičarima u različitim oblicima. Kao travnjak za muzički instrument (crtanje iznad), vibrira se na rezonantnu frekvenciju, sa "čvorovima" i "protiv nosa" na stabilnim mjestima duž njegove dužine. Debriel je predstavio elektrone oko atoma u obliku valova zakrivljenih u krug (slika ispod).

"Rotiranje" elektrona poput stojećeg vala oko kernela, (a) dva ciklusa u orbiti, (b) tri ciklusa u orbiti

Elektroni mogu postojati samo na određenim, specifičnim "orbite" oko jezgra, jer su jedine udaljenosti na kojima se krajevi talasa poklapaju. Sa bilo kojim drugim radijusom val će biti uništen samim i, dakle, prestat će postojati.

De Broglya Hipoteza dala je i matematičkoj podršci i pogodnu fizičku analogiju koja objašnjava kvantna stanja elektrona unutar atoma, ali njegov atom model je još uvijek nepotpun. Nekoliko godina fizike, Werner Geisenberg i Erwin Schrödinger, radeći samostalno jedni od drugih, radili su na konceptu koluskularnog dualizma de Broglie da stvori strože matematičke modele subatomske čestice.

Ova teorijska promocija iz primitivnog modela stojećeg vala De Broglie na modele Geisenberga matrice i diferencijalna jednadžba Schrödinger je dobio ime kvantne mehanike, uveo je prilično šokantnu karakteristiku u svijet subatomske čestice: znak vjerojatnosti ili neizvjesnosti. Prema novoj kvantnoj teoriji, bilo je nemoguće odrediti tačan položaj i tačan puls čestice u jednom trenutku. Popularno objašnjenje ovog "načela nesigurnosti" bilo je da je postojala mjerna greška (to je pokušavanje precizno izmjeriti položaj elektrona, ometate impulse i, prema tome, ne možete znati što je bilo prije mjerenja položaj i obrnuto). Senzacionalni izlaz kvantne mehanike je da čestice nemaju tačne položaje i impulse, a zbog veze ove dvije veličine, njihova kumulativna nesigurnost se nikada neće smanjiti ispod određene minimalne vrijednosti.

Ovaj oblik komunikacije "Nesigurnost" postoji u drugim oblastima, osim kvantne mehanike. Kao što je rečeno u poglavlju "Mješovitih frekvencijskih izmjeničnih signala" Tom 2 ove serije knjiga, postoje međusobno ekskluzivne veze između povjerenja u vremensku domenu signalnog obrasca i njegovih podataka u frekvencijska domena. Jednostavno rečeno, to više znamo njegove frekvencije komponenta, to manje tačno znamo njegovu amplitudu i obrnuto. Citirajte se:

Beskonačno trajanje signala (beskonačni broj ciklusa) može se analizirati apsolutnom tačnošću, ali su manji ciklusi dostupni računaru za analizu, što je manje tačnost analize ... manje tačnost svojih signala Frekvencija. Uzimajući ovaj koncept na svoju logičku ekstremnu, kratki puls (čak ni potpuni signalni period) zaista nema određenu frekvenciju, je beskonačni frekvencijski raspon. Ovaj princip je zajednički za sve fenomene valova, a ne samo za napone i struje.

Da biste tačno odredili amplitudu promjenjivog signala, moramo ga izmjeriti u vrlo kratkom roku. Međutim, izvršenje tog ograničava naše znanje o frekvenciji talasa (val u kvantnoj mehanici ne bi trebao biti sličan sinusoidnom talasu; takva sličnost je poseban slučaj). S druge strane, da odredimo frekvenciju talasa s velikom preciznošću, moramo ga izmjeriti unutar veliki broj Periodi, što znači da ćemo izgubiti vid svoje amplitude u bilo kojem trenutku. Dakle, ne možemo istovremeno znati trenutnu amplitudu i sve frekvencije bilo kojeg vala s neograničenom preciznošću. Druga čudnost, ova nesigurnost je mnogo netačnost posmatrača; To je u samoj prirodi talasa. To nije slučaj, iako bi to bilo, s obzirom na relevantne tehnologije, pružiti precizna mjerenja i trenutnu amplitudu i frekvencije u isto vrijeme. U doslovni smisaoVal ne može istovremeno biti tačna trenutno amplituda i precizna frekvencija.

Minimalna nesigurnost položaja čestica i impulsa, izražena Heisenbergom i Schrödingerom, nema nikakve veze sa ograničenjem mjerenja; Umjesto toga, ovo je unutarnje nekretnine prirode koluskularne dualizma čestica. Slijedom toga, elektroni ne postoje u svojim "orbitama" kao tačno određenim česticama materije ili čak kao definirane valove oblici, već kao "oblaci" - tehnički izraz funkcija talasa Distribucija vjerojatnosti, kao da je svaki elektron "raštrkan" ili "razmazan" u rasponu položaja i impulsa.

Ovaj radikalni pogled na elektrone, kao i na nesigurnim oblacima, u početku su u suprotnosti s početnim načelom kvantne elektronske stanja: elektroni postoje u diskretnim definiranim "orbite" oko atomske jezgre. Ovaj novi izgled, na kraju, bio je otkriće koje je dovelo do formiranja i objašnjenja kvantne teorije. Kao čudno, čini se da je teorija stvorila da objasni diskretno ponašanje elektrona, proglašavanje da elektroni postoje kao "oblaci", a ne kao zasebni mjeri. Međutim, kvantno ponašanje elektrona ne ovisi o elektronima koji imaju određene vrijednosti koordinata i impulsa, ali iz drugih svojstava kvantni brojevi. U suštini, kvantna mehanika bez zajedničkih koncepata apsolutnog položaja i apsolutnog trenutka i zamjenjuje ih apsolutnim pojmovima takvih vrsta koji nemaju analoge u općoj praksi.

Čak i ako se znaju da elektroni postoje u neplodnosti, "oblak" oblici distribuirane vjerojatnosti, a ne u obliku pojedinih dijelova materije, ovi "oblaci" imaju nekoliko drugih karakteristika. Bilo koji elektron u atomu može se opisati četiri numeričke mjere (spomenute ranije kvantnim brojevima), koji se nazivaju glavna stvar (radijalna), orbital (azimuthal), magnetski i spin Brojevi. Slijedi kratak pregled svakog od ovih brojeva:

Glavni (radijalni) kvantni broj: Označeno pismom n.Ovaj broj opisuje školjku na kojoj se nalazi elektron. Elektronska "školjka" predstavlja površinu prostora oko jezgre atoma, na kojem elektroni mogu postojati, što odgovara modelima stabilnog "stalnog vala" de Broglie i Bohr. Elektroni mogu "skočiti" iz školjke na školjku, ali ne mogu postojati između njih.

Glavni kvantni broj trebao bi biti pozitivan cijeli broj (veliki ili jednak 1). Drugim riječima, glavni kvantni broj elektrona ne može biti 1/2 ili -3. Ti su cijeli brojevi izabrani ne proizvoljno, već eksperimentalnim dokazima o laganom spektru: različite frekvencije (boje) svjetlosti koje educiraju uzbuđeni atomi vodika slijede matematičku ovisnost, kao što je prikazano na donjoj slici.

Svaka granata ima mogućnost zadržavanja nekoliko elektrona. Koncentrični redovi sjedišta u amfiteatru mogu se donijeti kao analogija elektronskih školjki. Baš kao što osoba koja sjedi u amfiteatru mora odabrati red za sjedenje (ne može sjediti između redaka), elektroni moraju "odabrati" određenu školjku da "sjednete". Kao redovi u amfiteatru, ekstremne granate drže više elektrona u odnosu na školjke bliže centru. Također, elektroni nastoje pronaći najmanju pristupačnu školjku, jer ljudi u amfiteatru traže mjesto najbliže središnjoj sceni. Što je veći broj školjke, veća je energija elektrona na njemu.

Maksimalni broj elektrona koji bilo koja ljuska može zadržati, opisana je 2N 2 jednadžba, gdje je n glavni kvantni broj. Dakle, prva ljuska (n \u003d 1) može sadržavati 2 elektrona; Druga ljuska (n \u003d 2) je 8 elektrona; i treća ljuska (n \u003d 3) - 18 elektrona (crtanje ispod).

Glavni kvantni broj n i maksimalni iznos Elektroni su povezani s formulom 2 (n 2). Orbite nisu skale.

Elektronske školjke u atomu označene su slovima, a ne brojevima. Prva ljuska (n \u003d 1) je naznačena k, druga ljuska (n \u003d 2) L, treća ljuska (n \u003d 3) m, četvrta ljuska (n \u003d 4) n, peta ljuska (n \u003d 5) o, šesti omotač (n \u003d 6) P, i sedma ljuska (n \u003d 7) B.

Orbitalni (azimuthal) kvantni broj: Školjka, koja se sastoji od podmorišta. Netko može biti prikladniji za razmišljanje o podudurode kao jednostavnim dijelovima školjki, poput pruga koje dijele cestu. Podmornica je mnogo čudnija. Podmornice su područja prostora u kojem mogu postojati elektronički "oblaci", a u stvari razne sublike imaju različite oblike. Prva podmornina u obliku lopte (slika ispod (i)), što ima smisla kada se vizualiziraju kao elektronski oblak koji okružuje jezgra atoma u tri dimenzije.

Druga podmorska podsjeća na bučicu koja se sastoji od dvije "latice", povezanih u jednom trenutku u blizini centra atoma (na slici ispod (P)).

Treća podmornica obično podsjeća na set od četiri "latica" grupiranih oko jezgra atoma. Ovi oblici podmalovnica podsećaju na grafičke slike antenskih antena sa laticama sličnim žaruljima koji se protežu od antene u različitim smjerovima (na slici ispod (D)).

Orbital:
(e) trostruko simetrije;
(P) Prikazano: P X, jedna od tri moguće orijentacije (P X, P Y, P Ž), duž odgovarajućih osi;
(d) Prikazivanje: D x 2 -y 2 je sličan D XY, D Yz, D XZ. Prikazano: D z 2. Broj mogućih D-orbitala: pet.

Dozvoljene vrijednosti orbitalnog kvantnog broja su pozitivni cijeli brojevi, kao i za glavni kvantni broj, ali uključuju nulu. Ovi kvantni brojevi za elektrone označe se slovom L. Broj predgrađa jednak je glavnom kvantnom broju ljuske. Dakle, prva ljuska (n \u003d 1) ima jednu podpunicu sa brojem 0; Druga ljuska (n \u003d 2) ima dva podobnost sa brojevima 0 i 1; Treća ljuska (n \u003d 3) ima tri podmetnika sa brojevima 0, 1 i 2.

Opis starog sporazuma podmornici su koristili pisma, a ne brojeve. I ovaj format, prva podmornica (L \u003d 0) označena je s, druga podmornica (L \u003d 1) je označena P, treća podmornina (L \u003d 2) je označena D, a četvrta podmornicu (L \u003d 3) označeno f. Pisma su stigla iz reči: oštar., glavni, difuzan i temeljni. I dalje možete vidjeti ove oznake u mnogim periodičnim tablicama koje se koriste za označavanje elektronske konfiguracije vanjskog ( valentines) Atom školjke.

(a) zastupljenost srebrnog atoma na boru,
(b) AG orbitalni prikaz sa odvajanjem školjki na podmornici (orbitalni kvantni broj L).
Ovaj dijagram ne podrazumijeva ništa o stvarnom položaju elektrona, ali predstavlja samo energetsku razinu.

Magnetski kvantni broj: Magnetski kvantni broj za elektron klasificira, orijentacija oblika podmornice elektrona. "Latice" sublike mogu se usmjeriti u nekoliko smjerova. Ove različite orijentacije nazivaju se orbitalom. Za prvu podmornicu (s; l \u003d 0), što podseća na sferu, "smjer" nije naveden. Za drugu (p; l \u003d 1), podmornica u svakoj školjci, što nalikuje bučićim ukazujući u tri moguća smjera. Predstavite tri bučice koja se presijecaju na početku koordinata, a svaki je usmjeren duž svoje osi u troosovinskom koordinatnom sustavu.

Dopuštene vrijednosti za ovaj kvantni broj sastoje se od cijelih brojeva, u rasponu od-s na L, i označava broj kao m L. u atomskoj fizici i l Z. U nuklearnoj fizici. Da biste izračunali broj orbitala u bilo kojoj podlogu, morate udvostručiti broj podmornice i dodajte 1 (2 ∙ L + 1). Na primjer, prva podmornica (L \u003d 0) u bilo kojoj školjci sadrži jedan orbitalan sa brojem 0; Druga podmornica (L \u003d 1) u bilo kojoj ljusci sadrži tri orbišta s brojevima -1, 0 i 1; Treća podmornica (L \u003d 2) sadrži pet orbitalnih brojeva -2, -1, 0, 1 i 2; itd.

Poput glavnog kvantnog broja, magnetski kvantni broj nastao je izravno iz eksperimentalnih podataka: učinak Zeemana, odvajanje spektralnih linija, izlaganje joniziranog plina magnetsko poljeOdavde i naziv "magnetski" kvantni broj.

Spin Quantum broj: Kao magnetski kvantni broj, ovo imanje atoma elektrona otkriveno je pomoću eksperimenata. Pažljivo promatranje spektralnih linija pokazalo je da je svaki redak bio u stvari par vrlo usko raspoređenih linija, to je bila pretpostavka da je to takozvano tanka konstrukcija To je bio rezultat svakog elektrona, "rotirajući" oko svoje osi, kao planete. Elektroni s različitim "rotacijom" dali bi malo različite frekvencije svjetlosti prilikom uzbudljive. Koncept rotirajućeg elektrona trenutno je zastario, što je pogodniji za (pogrešno) za gledanje elektrona, kao na zasebnim česticama materije, a ne kao na "oblacima", ali ostaje ime.

Spin kvantni brojevi su naznačeni kao gOSPOĐA. u atomskoj fizici i s Z. U nuklearnoj fizici. Na svakom orbilu na svakoj potkrovlju u svakoj školjci mogu postojati dva elektrona, jedna sa leđima +1/2, a druga sa spin -1/2.

Fizičar Wolfgang Pauli razvio je princip koji je objašnjavao naručivanje elektrona u atomu u skladu s ovim kvantnim brojevima. Njegov princip zvao princip zabrane powli-a, Tvrdi da dva elektrona u jednom atomu ne mogu zauzimati iste kvantne države. To jest svaki elektron u atomu ima jedinstveni skup kvantnih brojeva. To ograničava broj elektrona koji mogu zauzeti bilo kakvu orbitalnu, podmornicu i školjku.

Ovdje je prikazano mjesto elektrona u atomu vodika:

Sa jednim protonom u kernelu, atom uzima jedan elektron za svoj elektrostatički balans (Pozitivan naboj protona izjednačen je negativnim nabojama elektrona). Ovaj se elektron nalazi na donjoj školjci (n \u003d 1), prvom podmornicom (l \u003d 0), na jedinoj orbitalnoj (prostornoj orijentaciji) ove podmornice (m l \u003d 0), uz vrijednost spin 1/2 . Opća metoda opisa ove strukture vrši se prenošenjem elektrona u skladu sa svojim školjkama i podredima prema sporazumu koji se zove spektroskopska oznaka. U ovoj oznaci broj školjke prikazan je kao cijeli broj, podmornica kao slovo (s, p, d, f) i ukupan broj elektrona u podmornici (sve orbitale, sve leđa) kao gornji indeks. Stoga je vodonik sa jednim elektronom, postavljen na osnovnom nivou, opisan kao 1s 1.

Pretvaravši se sljedećem atomu (redom atomskog broja), dobivamo element helija:

Atom Helium sastoji se od dva protona u kernelu, a za to su potrebne dva elektrona za uravnoteženje dvostrukog pozitivnog električnog naboja. Budući da su dva elektrona jedna sa spin 1/2, a druga sa SPIN -1/2 - su na istoj orbilu, elektronska struktura helijuma ne zahtijeva dodatne podmornice ili školjke za držanje drugog elektrona.

Međutim, atom koji zahtijeva tri ili više elektrona trebat će dodatne sudored za održavanje svih elektrona, jer na donjoj školjci mogu biti samo dva elektrona (n \u003d 1). Razmislite o sljedećem atomu u nizu povećanja atomskog brojeva, litijum:

Litijum atom koristi dio kapaciteta granata (n \u003d 2). Ova ljuska zapravo ima ukupni kapacitet osam elektrona (maksimalni kapacitet školjke \u003d 2N 2 elektrona). Ako razmotrimo strukturu atoma s potpuno napunjenom L po školjci, vidjet ćemo kako su sve kombinacije podmornice, orbitale i vrpca zauzeti elektroni:

Često, kada propisuje atom spektroskopske oznake, preskačene su sve potpuno ispunjene školjke, a ne napunjene školjkama i napunjenim školjkama viši nivo određeno. Na primjer, neonski element (prikazan na gornjoj slici), koji ima dvije potpuno ispunjene školjke, može se specifično opisati jednostavno kao 2p 6, a ne kao 1s 22 S 22 P 6. Litijum sa potpuno ispunjenim K-školjkom i jedini elektron na L-školjku može se opisati jednostavno kao 2s 1, a ne 1s 22 s 1.

Preskoči u potpunosti ispunjene granate na nivou dolje izvedene su ne samo za praktičnost. Takođe ilustruje osnovni princip hemije: hemijsko ponašanje elementa prvenstveno je određeno svojim neispunjenim školjkama. I vodonik i litijum posjeduju na svojim vanjskim školjkama s jednim elektronom (kao 1 i 2s 1, odnosno, odnosno, oba elementa imaju slična svojstva. Oboje imaju visoku reaktivnost i reagira u gotovo istim metodama (obvezujući se na slične elemente u sličnim uvjetima). Nije važno da litijum ima potpuno ispunjenu k-školjku pod gotovo besplatnom L-školjkom: neispunjena L-ljuska je omotač, što određuje njegovo hemijsko ponašanje.

Elementi koji su u potpunosti ispunili vanjske školjke klasificiraju se kao plemenita i razlikuju se u gotovo potpunom odsustvu reakcija s drugim elementima. Ovi su elementi klasificirani kao inertni kada se vjeruje da uopšte nemaju u reakciji, već, kao što je poznato, oni formiraju veze s drugim elementima pod određenim uvjetima.

Budući da su predmeti s istim elektronskim konfiguracijama u svojim vanjskim školjkama slične hemijska svojstvaDmitrij Mendeleev odgovarajuće organizovane hemijske elemente u tablici. Ova tablica je poznata kao I moderne tablice slijede ovaj zajednički tip prikazani na donjoj slici.

Periodična tablica hemijskih elemenata

Dmitrij Mendeleev, ruski hemičar, bio je prvi koji je razvio periodičnu tablicu elemenata. Uprkos činjenici da je Mendeleev organizirao svoj tabel u skladu sa atomskom masom, a ne atomskom broju i stvorio tablicu koja nije bila toliko korisna kao moderne periodične tablice, a njegov razvojni djeluje kao odličan primjer naučnih dokaza. Vidjevši obrasce periodičnosti (slična hemijska svojstva u skladu s atomskom masom), Mendeleev je gurnuo hipotezu da bi svi elementi trebali uklopiti u ovu naručenu shemu. Kad je otkrio "prazne" mjesta u tablici, slijedio je logiku postojećeg reda i predložio postojanje drugih nepoznatih elemenata. Naknadno otkriće ETE elemenata potvrdilo je naučnu ispravnost hipoteze mendeleev-a, daljnja otkrića dovela su do pojave periodične tablice koju sada koristimo.

Volim ovo treba Naučni rad: Hipoteze dovode do logičkih zaključaka i prihvaćeni su, promenjeni ili odbačeni ovisno o dosljednosti eksperimentalnih podataka sa svojim zaključcima. Svaka budala može formulirati hipotezu nakon završetka za objašnjenje postojećih eksperimentalnih podataka, a mnogi to rade. Ono što se naučna hipoteza razlikuje od spekulacija nakon završetka je predviđanje budućih eksperimentalnih podataka, koji još nisu prikupljeni, a možda i reputacija kao rezultat tih podataka. Hrabro, vodite hipotezu u svoj logički zaključak i pokušaj predviđanja rezultata budućih eksperimenata, to nije dogmatički skok vjere, već javni ček ove hipoteze, otvoreni izazov protivnicima hipoteze. Drugim riječima, naučne hipoteze su uvijek "rizične" zbog pokušaja predviđanja rezultata još uvijek iznimljivih eksperimenata, pa se zbog toga može opovrgnuti ako će eksperimenti proći kako će se poprskati. Dakle, ako hipoteza pravilno predviđa rezultate ponovljenih eksperimenata, njegova laživost je odbijena.

Kvantna mehanika, prvo kao hipoteze, a zatim kao i teorija, pokazala se izuzetno uspješnim u predviđanju rezultata eksperimenata, stoga su dobili visok stupanj naučnog povjerenja. Mnogi naučnici imaju razloga da vjeruju da je to nepotpuna teorija, jer su njegove prognoze istinite na mikrofizičkoj skali, a ne u makroskopskim veličinama, ali, ipak je to izuzetno korisna teorija za objašnjenje i predviđanje interakcije čestica i atoma .

Kao što ste već vidjeli u ovom poglavlju, kvantna fizika je važna prilikom opisivanja i predviđanja raznih različitih pojava. U sljedećem odjeljku ćemo vidjeti njegovo značenje u električnoj provodljivosti čvrste tvari, uključujući poluvodiče. Jednostavno stavite, ništa u hemiju ili fiziku čvrst To nema smisla u popularnoj teorijskoj strukturi elektrona koji postoje kao zasebne čestice materije vrteći se oko nuklearskog atoma kao minijaturni satelit. Kad se elektroni tretiraju kao "valne funkcije" postojeće, u nekim sudijskim, diskretnim državama koje su redovne i periodične, tada se može objasniti ponašanje tvari.

Rezimirajmo se

Elektroni u atomima postoje u "oblacima" distribuirane verovatnoće, a ne kao diskretne čestice materije rotiraju se oko kernela, kao minijaturni satelit, kao zajednički primeri.

Odvojeni elektroni oko nuklearskog atoma teže za jedinstvene "države" opisane sa četiri kvantna brojeva: glavni (radijalni) kvantni broj, poznat kao Školjka; orbitalni (azimuthal) kvantni broj, poznat kao ulja; magnetski kvantni brojopisivati orbitalan (orijentacija podmornice); i spin Quantum broj, ili jednostavno spin. Te su države kvantne, odnosno "između njih" ne postoje uvjeti za postojanje elektrona, pored država koje se uklapaju u kvantnu shemu numeriranja.

Bloom (radial) kvantni broj (n) Opisuje osnovni nivo od Ili školjka na kojoj se nalazi elektron. Što je veći ovaj broj, veći polumjer elektronskog oblaka iz jezgre atoma i veća energija elektrona. Glavni kvantni brojevi su cijeli brojevi (pozitivni cijeli brojevi)

Orbital (azimuthal) kvantni broj (l) Opisuje oblik elektronskog oblaka u određenoj školjci ili nivou i često je poznat kao "podmornička". U bilo kojoj školjci, toliko podkaza (oblici elektronskog oblaka), koji je glavni kvantni broj školjke. Azimuthal Quantum brojevi su cijeli pozitivni brojevi koji počinju sa nulom i završavajući brojem manjim od glavnog kvantnog broja po jedinici (N - 1).

Magnetski kvantni broj (m l) Opisuje koja je orijentacija podmornica (elektronski oblak). Podmornica može dopustiti toliko različitih orijentacija, što je jednako dvostrukoj broju podmornice (L) plus 1, (2L + 1) (to je za L \u003d 1, m L \u003d -1, 0, 1), I svaka jedinstvena orijentacija naziva se orbitalom. Ovi brojevi su cijeli brojevi koji počinju od negativne vrijednosti podmorničkog broja (l) do 0 i završavaju pozitivnom vrijednošću broja podmornice.

Spin Quantum broj (M) Opisuje drugu elektronsku imovinu i može uzeti vrijednosti +1/2 i -1/2.

Princip zabrane powli-a Piše da dva elektrona u atomu ne mogu odvojiti isti skup kvantnih brojeva. Stoga na svakom orbitalu ne može biti više od dva elektrona (spin \u003d 1/2 i spin \u003d -1 / 2), 2L + 1 orbitale u svakoj podmornici i n podmornici u svakoj školi, a ne više.

Spektroskopska oznaka - Ovo je sporazum o označavanju elektroničke strukture atoma. Školjke su prikazane kao cijeli brojevi, nakon čega slijede slova podmornice (S, P, D, F) s brojevima u gornjem indeksu, koji označavaju ukupan broj elektrona u svakoj odgovarajućoj podmornici.

Hemijsko ponašanje atoma određuje se isključivo elektroni u neispunjenim školjkama. Školjke niske razine koje su potpuno ispunjene malo ili ne utječu na hemijske karakteristike vezivanja elemenata.

Elementi sa potpuno napunjenim elektronskim školjkama gotovo su u potpunosti inertni i nazivani plemenit Elementi (ranije poznati kao inertni).

29.10.2016

Uprkos sonoričnosti i misterioznost današnje teme, pokušat ćemo reći Šta studira kvantna fizika, jednostavne riječi Koji odjeljci kvantne fizike imaju mjesto za biće i zašto treba kvantna fizika u principu.

Materijal u nastavku dostupan je za razumijevanje bilo koga.

Prije nego što se propadnete o kojoj kvantnom fiziku uči, bit će prikladno zapamtiti, zašto je sve počelo ...

Do sredine XIX veka, čovečanstvo je uskolo da proučava probleme, što privlačeći aparat klasične fizike, to je bilo nemoguće.

Nekoliko pojava izgledalo je čudno. Odvojena pitanja uopće nisu pronašli odgovor.

1850-ih, William Hamilton, vjerujući da klasična mehanika ne mogu tačno opisati kretanje lakih zraka, nudi svoju teoriju koja je ušla u povijest nauke koja se naziva zasnovane na postulatu nastulacije talasna teorija svjetlosti.

1885. svađa se s prijateljem, švicarskom i fizičar Johannom Balmerom donijeli su empirijski formulu koja je omogućila valne dužine spektralnih linija s vrlo velikom preciznom.

Objasniti uzroke identificiranih zakona balmera tada ne bi mogao.

1895. godine, Wilhelm rendgenski zraci, u proučavanju katodnih zraka, otvorio je zračenje koje su rendgenske zrake (nakon toga preimenovali u zrake), karakterizirane snažan prodor.

Aven Godinu dana kasnije - 1896. - Henri Becquer, proučavajući sol uranijuma, otvorio spontano zračenje sa sličnim svojstvima. Novi fenomen nazvan je radioaktivnošću.

U 1899. godini dokazana je talasna priroda rendgenskih zraka.

Pjom 1. Rodonarhori kvantne fizike Max Planck, Erwin Schrödinger, Niels Bor

1901. godine obilježen je pojavom prvog planetarnog modela atoma koji je predložio Jean Perenom. Jao, naučnik sam odbio ovu teoriju, ne pronalaziti to potvrdu sa stajališta teorije elektrodinamike.

Dvije godine kasnije, naučnik iz Japana Hantaro Nagaoka predložio je sljedeći planetarni model atoma, u kojem se nalazila pozitivno nabijena čestica, oko kojeg se elektrona rotira u orbiti.

Ta teorija, međutim, nije uzela u obzir emisiju koje emituju elektroni, a samim tim, na primjer, nije moglo objasniti teoriju spektralnih linija.

Razmišljajući o strukturi atoma, 1904., Joseph Thomson je prvi put tumačio koncept valence sa fizičkog stanovišta.

Godina rođenja kvantne fizike, možda, možete prepoznati 1900-ih, povezujući performanse Max Plancka na sastanku njemačkog fizičkog.

To je bila to što je teorija, ujedinjena, ujedinio set raštrkanih fizičkih koncepata, formula i teorija, uključujući i stalnu, povezuju energiju i temperaturu Boltzmanna, broj avogadra, zakon za pomak vina, zakon o vinu, zakon o vinu, zakon o vinu, zakon o radu, zakon o energiji, zakon o vinu, zakon o radu - Boltsmann ...

Takođe je uveden u upotrebu koncepta kvantnog djelovanja (drugi - nakon stalnog Boltzmanna - temeljne konstante).

Daljnji razvoj kvantne fizike je direktno povezana s imenima Hendrik Lorenz, Albert Einstein, Ernst Butherfeld, Max Rođen, Nielsa Bora, Erwin Schrödinger, Louis De Broglie, Welfgang Pauli, Dirac Field, Enrico Fermi i mnogi Ostali divni naučnici, radili su u prvoj polovici 20. veka.

Naučnici su uspjeli neviđenu dubinu da znaju prirodu elementarnih čestica, proučavaju interakcije čestica i polja kako bi se identificirala quarrka priroda materije, kako bi se dobila valna funkcija, kako bi se objasnila temeljni koncepti diskretnosti (kvantizacija) i koluskuskim dualizmom .

Kvantna teorija kao nijedna nijedna nije dovela čovječanstvo da bi razumio temeljne zakone svemira, zamijenio uobičajene koncepte preciznije, primorani da preispita ogroman broj fizičkih modela.

Šta studira kvantne fizike?

Kvantna fizika opisuje svojstva materije na nivou mikro-rafinerije, istražujući zakone kretanja mikrokata (kvantni objekti).

Predmet proučavanja kvantne fizike Kvalanske predmete sa dimenzijama od 10 -8 cm i manje. To:

• molekule
• atomi
• atomic Nuclei,
• osnovne čestice.

Glavne karakteristike mikrokata su odmaranje i električni naboj. Masa jednog elektrona (mene) je 9.1 · 10 -28.

Za usporedbu - masa muona je 207 me, neutron - 1839 mene, proton 1836 ja.

Neke čestice nemaju mirovne mase (Neutrino, foton). Njihova misa je 0 me.

Električni naboj bilo kakvog mikrotowECT-a Koint Choined od elektrona jednak 1,6 · 10 -19 cl. Uz naplatu, postoje neutralne mikrojekcije, čiji je naboj nula.

Photo 2. Kvantna fizika prisiljena na reviziju tradicionalnih stavova o pojmovima valova, polja i čestica

Električni naboj složenog mikrojeka jednak je algebarskoj zbroj optužbi za komponente njegovih čestica.

Svojstva mikrostekta uključuju spin (U literalnom prevodu sa engleskog - "Rotate").

Uobičajeno je tumačiti kako trenutak trenutka kvantnog objekta ne ovisi o vanjskim uvjetima.

Povratak je teško odabrati adekvatnu sliku u stvarnom svijetu. Ne može se zastupati rotirajućem vukom zbog njegove kvantne prirode. Klasična fizika opisuju ovaj objekt nije sposoban.

Prisutnost leđa utječe na ponašanje mikrokata.

Prisutnost leđa čini značajne karakteristike u ponašanju mikromirskih objekata, od kojih je većina nestabilni objekti - spontano se raspadaju, pretvaraju se u druge kvantne predmete.

Stabilni mikrojekti, koji uključuju neutrine, elektrone, fotone, protone, kao i atome i molekule, mogu se raspasti samo pod utjecajem snažne energije.

Kvantna fizika u potpunosti apsorbuje klasičnu fiziku, s obzirom na to sa svojim graničnim slučajem.

Zapravo kvantna fizika je - u širokom smislu - moderna fizika.

Ono što je opisano od kvantne fizike u mikrometru ne može se uočiti. Zbog toga su mnoge odredbe kvantne fizike teško predstavljati, za razliku od objekata opisanih klasičnim fizikom.

Unatoč tome, nove teorije omogućile su promijeniti naše ideje o valovima i česticama, dinamičnom i vjerojatnom opisu, o kontinuiranom i diskretnom.

Kvantna fizika nije samo nova modna teorija.

Ova teorija koja je uspjela predvidjeti i objasniti nevjerojatan broj pojava - od procesa koji teče u atomskim jezgrama do makroskopskih efekata u vanjskom prostoru.

Kvantna fizika - za razliku od klasične fizike - studija o temeljnom nivou, davanje tumačenja ambijentalne stvarnosti, koja tradicionalna fizika ne može (na primjer, zašto atomi zadržavaju stabilnost ili jesu li elementarne čestice zaista osnovno).

Kvantna teorija daje nam priliku da tačnije opišemo svijet nego što je napravljena prije nego što se dogodi.

Vrijednost kvantne fizike

Teorijska kretanja koja čine suštinu kvantne fizike primjenjivi su na proučavanje nezamislivo ogromnih prostora i izuzetno male veličine elementarnih čestica.

Kvantna elektrodinamika Uronjeni nas u svijet fotona i elektrona, čineći naglasak na studiju interakcija između njih.

Kvantna teorija kondenziranih medija Brisanje našeg znanja o superfluidnim tečnostima, magnetima, tečnim kristalima, amorfnim tijelima, kristalima i polimerima.

Photo 3. Kvantna fizika dala je čovječanstvu mnogo precizniji opis okolnog svijeta

Naučne studije u posljednjih desetljeća usmjerene su na studiju strukture kvarka elementarnih čestica u okviru nezavisne grane kvantne fizike - kvantna kromodinamika.

Neulativistička kvantna mehanika (Ona je izvan okvira teorije einsteinove relacije), proučava mikroskopske predmete koji se kreću s uvjetno malom brzinom (manje od), svojstva molekula i atoma, njihovu strukturu.

Kvantna optikabavi se znanstvenim prelazinjem činjenica povezanih sa manifestacijom kvantnih svojstava svjetlosti (fotohemijski procesi, toplotni i prisilni zračenje, fotofobe).

Kvantna teorija polja To je objedinjavajući dio koji je ušao u ideje teorije relativnosti i kvantne mehanike.

Naučne teorije razvijene u okviru kvantne fizike dale su snažni zamah na razvoj, kvantnu elektroniku, tehnologiju, kvantnu teoriju čvrstog tijela, nauke o materijalima, kvantnoj hemiji.

Bez pojave i razvoja označenih grana znanja, bilo bi nemoguće stvoriti, svemirske letjelice, atomske ledene, mobilne komunikacije i mnoge druge korisne izume.

Dobrodošli u blog! Jako mi je drago!

Sigurno ste čuli mnogo puta na neobjašnjivim tajnama kvantne fizike i kvantne mehanike. Njeni zakoni fasciniraju mistiku, pa čak i sami fizičari priznaju da ih ne razumiju u potpunosti. S jedne strane, znatiželjno je razumjeti ove zakone, ali s druge strane, nema vremena za čitanje višebona i sofisticirane knjige u fizici. Stvarno vas razumijem, jer volim i znanje i tražim istinu, ali vrijeme za sve knjige katastrofalno nedostaje. Nisi sami, vrlo raspoloženi ljudi dobijaju u traci za pretragu: "Kvantna fizika za čajnike, kvantnu mehaniku za čajnike, kvantna fizika za početnike, kvantna mehanika za početnike, osnove kvantne fizike, kvantna fizika za Djeca, šta je kvantna mehanika ". Za vas je ovo publikacija.

Razumijet će vas osnovni pojmovi i paradoksi kvantne fizike. Iz članka ćete naučiti:

• Šta je smetnje?
• Šta je spin i superpozicija?
• Šta je "mjerenje" ili "kolaps valne funkcije"?
• Koja je kvantna zbrka (ili kvantna teleportacija za lutke)? (vidi članak)
• Šta je mentalni eksperiment "Schrödinger Cat"? (vidi članak)

Koja je kvantna fizika i kvantna mehanika?

Kvantna mehanika su dio kvantne fizike.

Zašto je tako teško shvatiti ove nauke? Odgovor je jednostavan: kvantna fizika i kvantna mehanika (dio kvantne fizike) proučavaju zakone Micromir-a. A ovi zakoni su apsolutno različiti od zakona našeg Macromira. Stoga nam je teško zamisliti šta se događa s elektronima i fotonima u mikromeru.

Primjer razlike između zakona makro- i mikromirova: U našem Macromiru, ako stavite loptu u jednu od 2 kutije, onda će u jednom od njih biti prazan, a u drugom - loptu. Ali u mikrometru (ako umjesto lopte - atom), atom može biti istovremeno u dvije kutije. Ovo se više puta potvrđuje eksperimentalno. Da li je zaista teško smjestiti u glavu? Ali ne možete se svađati sa činjenicama.

Još jedan primer. Fotografirao ste brzo žurili crveni sportski automobil i vidjeli zamagljena vodoravna traka na fotografiji, kao da je automobil u trenutku fotografije bio iz nekoliko prostora. Unatoč činjenici da vidite na fotografiji, još uvijek ste sigurni da je automobil u sekundi kada ste fotografirali bili u jednom određenom mestu u svemiru. U microy svijetu sve nije u redu. Elektron koji se okreće oko jezgra atoma se ne okreće, ali istovremeno je u svim tačkama sfere oko jezgra atoma. Kao ranjena labava tanler lepršava vuna. Ovaj koncept u fizici se zove "Elektronski oblak" .

Mali izlet u istoriji. Prvi put o kvantnom svijetu, naučnici su mislili da je 1900. godine njemački fizičar Max Planck pokušao saznati zašto, kad se zagrijava, metali mijenjaju boju. Bio je to ko je predstavio koncept kvantnog. Prije toga naučnici su mislili da se svjetlost neprekidno primjenjuje. Prvi koji je ozbiljno opazio otvaranje daske bilo je bilo kome tada nepoznato Albert Encen. Shvatio je da svjetlost nije samo val. Ponekad se ponaša kao čestica. Enstein je dobio Nobelovu nagradu za svoje otkriće da svjetlost zrači po dijelovima, kvante. Kvantni od svetlosti naziva se fotonom ( photon, Wikipedia) .

Da bi se olakšalo razumjeti zakone kvante fizika i mehanika (Wikipedia), Potrebno je u smislu apstraktura iz uobičajenih zakona klasične fizike. I da zamislim da ste naišli, kao Alice, u zečevu Noru, u zemlji čuda.

A evo crtanog filma za djecu i odrasle. Razgovara o temeljnom eksperimentu kvantne mehanike sa 2 utora i posmatrača. Traje samo 5 minuta. Pogledajte ga prije nego što se produbimo u glavnim pitanjima i konceptima kvantne fizike.

Kvantna fizika za video zapis. U crtanom filmu obratite pažnju na "oko" posmatrača. Postao je ozbiljna misterija za ljekarske naučnike.

Šta je smetnje?

Na početku crtanog filma prikazano je na primjeru tečnosti, jer se valovi ponašaju - naizmjenične tamne i svijetlo vertikalne pruge pojavljuju se na ekranu s utorima. I u slučaju kada tanjir "pucaju" diskretne čestice (na primjer, šljunak) lete kroz 2 utora i padaju na ekran direktno nasuprot prazninama. I "Nacrtaj" na ekranu samo 2 vertikalne pruge.

Svjetlo s interferencijama - Ovo je "val" ponašanje svjetlosti kada se na ekranu prikazuju puno naizmjeničnih svijetlih i tamnih vertikalnih pruga. I dalje ove vertikalne pruge naziva se obrazac smetnji.

U našem Macromiru često opažamo da se svjetlost ponaša poput vala. Ako stavite ruku ispred svijeće, onda zid neće biti jasna sjena ruke, ali sa slomljenim konturama.

Dakle, sve nije teško! Sada nam je sasvim jasno da svjetlost ima valsku prirodu i ako ima 2 utora za osvjetljenje svjetla, tada ćemo vidjeti smetnja na ekranu. Sada razmotrite 2. eksperiment. Ovo je poznati eksperiment Stern-Gerlacha (koji je potrošio u 20-ima prošlog stoljeća).

Instalacija opisana u crtanom filmu nije svjetlost, ali "otpuštena" sa elektronima (kao zasebne čestice). Zatim je na početku prošlog vijeka fizika cijelog svijeta vjerovala da su elektroni elementarne čestice materije i ne bi trebali imati valsku prirodu, već isto što i šljunak. Uostalom, elektroni su elementarne čestice materije, zar ne? To jest, ako "bacaju" u 2 pukotine, poput šljunka, zatim na ekranu za utore koje moramo vidjeti 2 vertikalne pruge.

Ali ... Rezultat je bio zapanjujući. Naučnici su vidjeli smetnje - puno vertikalnih pruga. To jest, elektroni, kao i svjetlost, također mogu imati valsku prirodu, mogu se miješati. I s druge strane postalo je jasno da svjetlost nije samo val, već malo i čestica - foton (iz povijesne reference na početku članka saznali smo da je otvaranje Ensteina primio Nobelovu nagradu) .

Može se sjetiti, rečeno nam je u školi o fizici "Vakularni i talasni dualizam"? To znači da je, kada su u pitanju vrlo male čestice (atomi, elektroni) mikro -ORWORD-a, tada oni su obojica valova i čestica

Danas smo tako pametni i razumijemo da je 2 iznad opisanog eksperimenta - snimanje elektrona i osvjetljenje svjetla u utoru suština iste stvari. Jer pucamo u proreze kvantnih čestica. Sada znamo da se to svjetlo, a elektroni imaju kvantnu prirodu, oba talasa i čestice u isto vrijeme. I početkom 20. stoljeća rezultati ovog eksperimenta bili su senzacija.

Pažnja! Sada idemo na suptilniji problem.

Skinemo na našim pukotinama s protokom fotona (elektrona) - i pogledajte utora na uzoru smetnji zaslona (vertikalne pruge). Jasno je. Ali mi smo zainteresirani da vidimo kako svaki elektron leti u utoru.

Vjerojatno, jedan elektron muva u lijevi utor, drugi je u pravu. Ali tada se na ekranu trebaju pojaviti 2 vertikalne trake na nasuprot utora. Zašto je smetnjačka slika? Možda elektroni nekako međusobno komuniciraju na ekranu nakon raspona kroz proreze. I kao rezultat, dobije se takva valna slika. Kako da pratimo?

Izbacićemo elektrone, a ne snop, ali jedan po jedan. Baci, pričekaj, baci sledeće. Sad kad elektron leti jedan, više neće komunicirati na ekranu s drugim elektronima. Nakon bacanja ćemo registrovati svaki elektron na ekranu. Jedan ili dva, naravno, ne "crtaj" jasnu sliku. Ali kad im ih puno pošalju u utore, bilježimo ... Oh horor - opet su "slikali" Slika smetnji vala!

Počinjemo polako poludjeti. Uostalom, očekivali smo 2 vertikalne pruge nasuprot prazninama! Ispada da kada smo bacili fotone jedan po jedan, svaki od njih je prošao, kao da je nakon 2 pukotine istovremeno i interferirao sam. Fikcija! Vratimo se objašnjenju ove pojave u sljedećem odjeljku.

Šta je spin i superpozicija?

Sada znamo šta je uplitanje. Ovo je valozno ponašanje mikro čestica - fotona, elektrona, drugih mikro čestica (nazovimo ih fotonima iz ovog trenutka u jednostavnost).

Kao rezultat eksperimenta, kada smo bacali u dva utora od 1 fotona, shvatili smo da leti kao da su dvije pukotine istovremeno. Inače, kako objasniti smetnje slike na ekranu?

Ali kako predstaviti sliku koju foton leti kroz dvije pukotine u isto vrijeme? Postoje 2 opcije.

• 1. opcija: Foton, poput vala (poput vode) "pliva" kroz 2 slota istovremeno
• 2. opcija: Photon, poput čestica, leti istovremeno na 2. putanje (čak ni dva, već uopće odjednom)

U principu su ove izjave ekvivalentne. Došli smo na "integralni u putanje". Ovo je formulacija kvantne mehanike iz Richarda Feynmana.

Usput, jeste Richard Feynman pripada poznatom izrazu koji samouvjereno može tvrditi da kvantna mehanika ne razumije niko

Ali ovaj izraz je radio početkom veka. Ali sada smo pametni i znamo da se foton može ponašati i kao čestica i kao val. Da može nekako nerazumljivo za nas letjeti istovremeno nakon 2 utora. Stoga ćemo lako shvatiti sljedeću važnu tvrdnju kvantne mehanike:

Strogo govoreći, kvantni mehaničar govori nam kako je ponašanje fotona - pravilo, a ne izuzetak. Bilo koja kvantna čestica obično je u nekoliko država ili u nekoliko prostora u isto vrijeme.

Macromir predmeti mogu biti samo na jednom određenom mjestu u jednom specifičnom stanju. Ali kvantna čestica postoji u svojim zakonima. A ona i stvari nisu prije toga ih ne razumijemo. Na ovo - tačka.

Mi bismo jednostavno trebali prepoznati kao aksiom da "superpozicija" kvantnog objekta znači da može biti istovremeno na 2 ili više putanja, u 2 ili više bodova istovremeno

Isto se odnosi i na drugi parametar fotona - nazad (vlastiti kutni zamah). Spin je vektor. Kvantni objekt može biti predstavljen kao mikroskopski magnet. Navikli smo da je vektor magneta (spin) ili usmjeren prema gore ili dolje. Ali elektron ili foton ponovo nam govore: "Ljudi, brinemo o tome što ste navikli, možemo biti odmah u obje države natrag (vektor gore, vektorski), baš kao što istovremeno možemo biti u isto vrijeme ili u dva poena istovremeno! "

Šta je "mjerenje" ili "kolaps valne funkcije"?

Ostavili smo malo - da bismo shvatili više ono što je "mjerenje" i šta je "kolaps valne funkcije".

Funkcija talasa - Ovo je opis statusa kvantnog objekta (našeg fotona ili elektrona).

Pretpostavimo da imamo elektrona, leti za sebe U neodređenom stanju, spin je usmjeren i gore, a istovremeno dolje. Moramo izmeriti njegovo stanje.

Mjerimo pomoću magnetskog polja: elektroni u kojima je okret bio usmjeren prema smjeru polja, odstupio u jednom smjeru, a elektroni čiji je vrtnje usmjeren na polje u drugu. Više fotona može se poslati na filter polarizacije. Ako se zavrti (polarizacija) fotona +1 - prolazi kroz filter, a ako -1, onda ne.

Stop! Ovdje ćete neminovno imati pitanje: Prije mjerenja, jer elektron nije imao određeni smjer po leđima, zar ne? Bio je u svim državama istovremeno?

Ovo je čip i senzacija kvantne mehanike. Sve dok ne izmerite status kvantnog objekta, može se rotirati u bilo kojem smjeru (imati bilo koji smjer vektora vlastitih kutnih zamaha - spin). Ali u trenutku kada ste izmerili njegovo stanje, čini se da donosi odluku, kakav spin vector za snimanje.

Evo tako cool, ovaj kvantni objekt - odlučuje o njegovom stanju. I ne možemo unaprijed predvidjeti kakvu odluku poduzet će kada leti u magnetno polje u kojem ga mjerimo. Vjerovatnoća da će odlučiti imati vektor "gore" ili "dolje" - 50 za 50%. Ali čim je odlučio - u određenom je stanju s određenim smjerom leđa. Razlog njegovog rješenja je naše "mjerenje"!

To se zove " kolaps valne funkcije ". Funkcija talasa prije mjerenja nije bila neizvjesna, I.E. Elektronska vešta vektor bila je istovremeno u svim smjerovima, nakon mjerenja elektrona zabilježila je određeni smjer vektora leđa.

Pažnja! Izvrsno za razumijevanje primjera-udruženja od našeg makromira:

Raširite novčić na stol kao Julia. Dok se novčić vrti, NEO nema određenu vrijednost - orao ili žurbu. Ali čim se odlučite za "mjeri" ovu vrijednost i stavite novčić rukom, ovdje je da je betonsko stanje novčića orlov ili žurbu. Sada zamislite da ovaj novčić donese odluku, koju vrijednost vama "pokaži" je orlov ili žurbu. Takođe se ponaša i elektrona.

A sada se sjetite da je eksperiment prikazan na kraju crtanog filma. Kad su fotoni prošli kroz praznine, ponašali su se poput vala i pokazali sliku smetnja na ekranu. A kad su naučnici željeli popraviti (mjeriti) trenutak raspona fotona kroz jaz i postaviti ekran "Promatrač", fotoni su se počeli ponašati, a ne kao čestice, ali kao čestice. I "Drew" na ekranu 2 vertikalne pruge. Oni. U vrijeme mjerenja ili promatranja, kvantni predmeti sami biraju, u onome što ih navodi.

Fikcija! Nije li?

Ali to nije sve. Napokon mi dobio sam na najzanimljivije.

Ali ... Čini mi se da će se informacije preopteretiti, tako da ćemo 2 tih pojmova pogledati zasebne postove:

• Šta ?
• Šta je mentalni eksperiment.

I sada želite da informacije o raspadanju na policama? Provjerite dokumentarni film koji je pripremio kanadski institut za teorijsku fiziku. U njemu je u 20. minuti vrlo kratak i hronološkim redoslijedom reći ćete vam o svim otkrićima kvantne fizike, počevši od otvaranja plana 1900. godine. A onda ispričajte koji se praktični razvoj provodi na osnovu znanja o kvantnoj fizici: od najtačnijih atomskih sati do super brzina proračuna kvantnog računara. Toplo preporučujem gledanje ovog filma.

Vidimo se!

Želim vam svu inspiraciju za sve planirane planove i projekte!

P.S.2 Napišite svoja pitanja i misli u komentarima. Napišite, koja druga pitanja o kvantnom fiziku zanima vas?

P.s.3 Pretplatite se na blog - obrazac za pretplatu na članak.