Quelle est la physique quantique avec des mots simples. Physique quantique pour les nuls: essence avec des mots simples

Concepts quantum-mécaniques

Descriptions de la nature

En un sens, tous physique moderne Il y a une physique quantique! Elle est essentielle à l'essence de la "nouvelle révolution de la science naturelle".

Que étudient la physique quantique?

Tout d'abord, la physique quantique est une théorie décrivant les propriétés de la matière au niveau de la micro-référence. Il explore les lois du mouvement des objets quantiques, qui s'appellent également des micro-conférences.

Le concept d'une micro-bande est l'un des principaux en physique quantique. Celles-ci incluent des molécules, des atomes, des noyaux atomiques, des particules élémentaires. Leur caractéristique est de très petites tailles - 10 ^ -8 cm et moins. Les caractéristiques les plus importantes des microjects comprennent une masse de paix et une charge électrique. Masse d'électrons moi \u003d 9,1 · 10 ^ -28 g, Proton a une masse de 1836me, neutron - 1839me, muon - 207me. Photon et les neutrinos n'ont pas de masses de paix - c'est zéro. L'ampleur de la charge électrique de toute microject est multiple la valeur de charge de l'électron égal à 1,6 · 10 ^ -19 cl. Avec des microjets chargés et neutres existent, dont la charge est nulle. La charge électrique de la microject complexe est égale à la somme algébrique des charges des composants de ses particules. L'une des caractéristiques spécifiques les plus importantes des micro-métiers est la spin (du mot anglais "rotate"). Bien que le spin soit interprété comme le couple de l'impulsion de microject, qui n'est pas associé à son mouvement dans son ensemble, inexistant et indépendant des conditions externes, mais il est impossible de le représenter comme un haut rotatif. Il a une nature purement quantique - il n'y a pas d'analogues en physique classique. La présence d'une rotation rend des caractéristiques importantes dans le comportement des objets Micromyr.

La plupart des microjects sont instables - ils sont spontanément, sans aucun effet de la part, se désintégrer, se transformant en autres, y compris les particules élémentaires. Instable est une propriété spécifique mais non obligatoire de microjects. Outre instable, il existe également des microjects stables: photon, électron, protons, neutrinos, noyaux atomiques stables, atomes et molécules sont principalement de l'état.

La physique quantique est toujours fondation théorique Enseignement moderne sur la structure et les propriétés de la substance et des champs.

Il est important de comprendre que la physique quantique n'annule pas le classique et la contient comme étant sa limite. Lorsque vous passez de microjects aux objets macroscopiques conventionnels, ses lois deviennent classiques et donc la physique quantique définit les limites de l'applicabilité de la physique classique. La transition de la physique classique à Quantum est la transition vers un niveau d'examen plus profond de la matière.

La physique quantique est devenue une étape essentielle dans la construction d'une image physique moderne du monde. Elle a autorisé à prédire et à expliquer un grand nombre de phénomènes différents - des processus se produisant dans des atomes et noyaux atomiques, aux effets macroscopiques dans les solides; Sans cela, il est impossible, comme il apparaît maintenant, de comprendre l'origine de l'univers. La gamme de la physique quantique est large - des particules élémentaires aux objets spatiaux. Sans la physique quantique, non seulement la science naturelle est impensable, mais aussi la technique moderne.

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Physique quantique (c'est une théorie quantique ou un mécanicien quantique) - il s'agit d'une direction distincte de physique, qui est engagée dans la description du comportement et l'interaction de la matière et de l'énergie au niveau des particules élémentaires, des photons et de certains matériaux à très basses températures. Le champ Quantum est défini comme des particules «action» (ou dans certains cas »), dont la taille est comprise dans les limites d'une petite constante physique, appelée planche constante.

Pas

plancelet permanent

Commencez par l'étude du concept physique d'une planche constante. Dans la mécanique quantique, une planche constante est une quantum d'action, appelée h.. De même, pour interagir des particules élémentaires, quantique moment d'impulsion - c'est la ligne de sangle réduite (la sangle permanente divisée par 2 π) est indiquée comme étant ħ Et appelé "h avec une caractéristique". La valeur d'une planche constante est extrêmement petite, elle combine les moments de l'impulsion et la désignation d'actions ayant un concept mathématique plus général. Nom mécanique quantique Cela implique que certaines quantités physiques comme le moment de l'impulsion ne peuvent changer que discret, pas continu ( cm. Analogique) voie.

• Par exemple, le moment d'une impulsion d'électrons attachée à l'atome ou à la molécule est quantifié et ne peut prendre que les valeurs d'un multiple de la planche constante ci-dessus. Cette quantification augmente l'orbital électronique sur une série d'un nombre quantique principal entier. En revanche, le moment de l'impulsion d'électrons non liés, situé près, n'est pas quantifié. La plaque constante est également utilisée dans la théorie quantique de la lumière, où la lumière Quantum est photon, et la matière interagit avec l'énergie par la transition d'électrons entre les atomes ou le "saut quantique" de l'électron associé.
• Les unités de planche constante peuvent également être considérées comme une période d'énergie. Par exemple, dans le domaine de la physique des particules élémentaires, des particules virtuelles sont représentées comme la masse de particules qui proviennent spontanément du vide dans une très petite zone et jouent un rôle dans leur interaction. La limite de la vie de ces particules virtuelles est l'énergie (masse) de chaque particule. La mécanique quantique a une grande matière, mais dans chaque partie mathématique, une planche constante est une planche constante.

1. En savoir plus sur les particules lourdes. Les particules lourdes passent du classique à la transition d'énergie quantique. Même si un électron libre, qui présente des propriétés quantiques (telles que la rotation), comme un électron non lié, s'approche de l'atome et ralentit (éventuellement due à l'émission des photons), il passe du comportement classique au comportement quantique, depuis son énergie est abaissé en dessous de l'énergie d'ionisation. L'électron se lie à l'atome et son moment de l'impulsion par rapport au noyau atomique est limité par la valeur quantique de l'orbite, qu'elle peut occuper. Cette transition est soudaine. Il peut être comparé à un système mécanique qui change de condition de l'instabilité à l'écurie, ou son comportement varie d'une simple chaotique, ou peut même être comparé à une fusée, qui ralentit et passe en dessous du taux de séparation et occupe une orbite une étoile ou un autre objet céleste. Contrairement à eux, des photons (qui sont apesants) une telle transition n'est pas effectuée: ils traverse simplement l'espace inchangé jusqu'à ce qu'ils interagissent avec d'autres particules et ne disparaissent pas. Si vous regardez le ciel nocturne, des photons de certaines étoiles sans changement volent de longues années d'années, puis interagissent avec l'électron dans la molécule de votre rétine, émettant votre énergie, puis disparaissant.

Je pense que nous pouvons dire que personne ne comprend la mécanique quantique

Physicien Richard Feynman

La déclaration selon laquelle l'invention des dispositifs semi-conducteurs était une révolution, ne sera pas exagérée. Ce n'est pas seulement une réussite technologique impressionnante, mais elle a également pavé la voie à des événements qui changent à jamais la société moderne. Les dispositifs semi-conducteurs sont utilisés dans toutes sortes de dispositifs de microélectronique, y compris des ordinateurs, des types individuels de diagnostic médical et de matériel médical, des dispositifs de télécommunication populaires.

Mais derrière cette révolution technologique est encore plus, la révolution en sciences générales: région théorie des quanta. Sans cela, le saut dans la compréhension du monde naturel, le développement des dispositifs à semi-conducteurs (et des dispositifs électroniques développés plus avancés) ne serait jamais possible. La physique quantique est une section de science incroyablement complexe. Ce chapitre n'est donné que bref examen. Lorsque des érudits du niveau de Fainman disent que «personne ne comprend [ceci]», vous pouvez être sûr que c'est vraiment un sujet difficile. Sans une compréhension de base de la physique quantique ou du moins de compréhension découvertes scientifiquesCe qui a conduit à leur développement, il est impossible de comprendre comment et pourquoi les appareils électroniques semi-conducteurs fonctionnent. La plupart des manuels électroniques tentent d'expliquer les semi-conducteurs du point de vue de la "physique classique", ce qui les rend encore plus déroutant de comprendre.

Beaucoup d'entre nous ont vu les diagrammes de modèles Atom similaires au dessin ci-dessous.

Atom of Rutherford: Les électrons négatifs tournent autour d'un petit noyau positif

Minuscules particules de matière appelées protons et neutrons, constitue le centre de l'atome; électrons Tournez comme la planète autour de l'étoile. Le noyau porte une charge électrique positive en raison de la présence de protons (les neutrons n'ont aucune charge électrique), tandis que l'atome d'équilibrage de la charge négative est dans l'orbite en mouvement électronique. Les électrons négatifs sont attirés par des protons positifs, car les planètes sont attirées par la force de l'attraction au soleil. Cependant, les orbites sont stables en raison du mouvement des électrons. Nous sommes obligés à ce modèle populaire d'un atome de travail d'Ernest Raugeuford, qui a déterminé vers 1911 d'environ 1911 que les accusations positives des atomes soient concentrées dans un noyau minuscule, dense et non réparties de diamètre, comme auparavant supposé l'explorateur JJ Thomson.

La refordure de l'expérience de diffusion est le bombardement de la feuille d'or fine chargée des particules alpha chargées positivement, comme indiqué dans la figure ci-dessous. Les jeunes étudiants diplômés de H. Geiger et E. Marsden ont reçu des résultats inattendus. La trajectoire du mouvement de certaines particules alpha a été rejetée à un grand angle. Certaines particules alpha ont été dispersées dans la direction opposée, à un angle de près de 180 °. La plupart des particules passèrent à travers la feuille d'or sans changer le chemin du chemin, comme si la feuille n'était pas du tout. Le fait que plusieurs particules alpha ont connu de grandes déviations dans la trajectoire du mouvement, indique la présence de noyaux avec une petite charge positive.

Dispersion de gammeFord: une bande de particules alpha dissipe une feuille d'or fine

Bien que le modèle Rangeford Atom ait été confirmé par des données expérimentales mieux que le modèle de Thomson, il était encore imparfait. Il y avait d'autres tentatives visant à déterminer la structure de l'atome et ces efforts ont contribué à ouvrir la voie à des découvertes étranges de la physique quantique. Aujourd'hui, notre compréhension de l'atome est un peu plus difficile. Néanmoins, malgré la révolution de la physique quantique et sa contribution à notre compréhension de la structure de l'atome, l'image du système solaire de Rutherford en tant que structure d'atome, passée dans la conscience de masse à la fois qu'elle reste dans les champs de éducation, même si cela est inapproprié.

Considère-le brève description Electrons dans l'atome extrait du manuel d'électronique populaire:

Les électrons négatifs en rotation sont attirés par un noyau positif, qui nous conduit à la question de savoir pourquoi les électrons ne volent pas dans l'atome de noyau. La réponse est que les électrons tournants restent à leur orbite stable en raison de deux forces égales, mais opposées. La force centrifuge agissant sur les électrons est dirigée vers l'extérieur et la force de la charge de charges tente d'attirer des électrons au noyau.

Conformément au modèle Rutherford, l'auteur considère les électrons avec des morceaux de matière solides engagés dans des orbites rondes, leur attraction à l'intérieur du noyau contracté de manière opposée est équilibré par leur mouvement. L'utilisation du terme "force centrifuge" est techniquement incorrecte (même pour les planètes tournantes dans des orbites), mais il est facile de pardonner en raison de l'adoption populaire du modèle: En fait, il n'y a pas de puissance, repoussantpersonne Corps tournant du centre de son orbite. Il semble que cela soit dû au fait que l'inertie du corps s'efforce de préserver son mouvement en ligne droite et, étant donné que l'orbite est une déviation constante (accélération) du mouvement droit, il existe une opposition d'inertie constante à n'importe quel pouvoir qui attire le corps au centre de l'orbite (centripète), que la gravité, l'attraction électrostatique, ou même la tension de la connexion mécanique.

Néanmoins, le vrai problème avec cette explication, tout d'abord, est l'idée d'électrons se déplaçant dans des orbites circulaires. Le fait prouvé que les charges électriques accélérées émettent un rayonnement électromagnétique, ce fait était connu même pendant le temps de Refordford. Comme trafic rotatif Il s'agit d'une forme d'accélération (un objet rotatif dans une accélération constante, entraînant un objet d'une ligne droite normale), les électrons de l'état rotatif doivent disposer de rayonnement comme la saleté de la roue de bouquet. Les électrons accélérés dans des trajectoires circulaires dans des accélérateurs de particules appelés synchrotrons, comme vous le savez, faites-le et le résultat est appelé rayonnement synchrotron. Si les électrons perdent de l'énergie de cette manière, leurs orbites seraient finalement perturbées et, par conséquent, ils feraient face à un noyau chargé positivement. Cependant, à l'intérieur des atomes, il ne se produit généralement pas. En effet, les "orbites" électroniques sont étonnamment résistantes dans un large éventail de conditions.

De plus, des expériences avec des atomes «excitées» ont montré que l'énergie électromagnétique est émise par un atome uniquement à certaines fréquences. Les atomes sont "excités" par des influences externes, telles que la lumière, comme on l'appelle d'absorber l'énergie et renvoyer les ondes électromagnétiques à certaines fréquences, comme un vérificateur qui ne sonne pas à une certaine fréquence jusqu'à ce qu'il soit touché. Lorsque la lumière émise par un atome excité est divisée en fréquences de composants (couleurs), des lignes de couleurs individuelles dans le spectre sont détectées, le motif de lignes spectrales est unique à l'élément chimique. Ce phénomène est généralement utilisé pour identifier les éléments chimiques et même pour mesurer les proportions de chaque élément dans un mélange composé ou chimique. Selon système solaire Modèle Atomic RangeFord (en ce qui concerne les électrons, comme des morceaux de matière rotation librement en orbite avec un rayon de rayon) et les lois de la physique classique, des atomes excités doivent renvoyer l'énergie dans une plage de fréquences pratiquement infinie et non sur des fréquences sélectionnées. En d'autres termes, si le modèle de Reforeford était correct, il n'y aurait aucun effet "Kametonon" et le spectre de couleur émis par n'importe quel atome ressemblerait à une bande de couleurs continue et non à quelques lignes distinctes.

Le modèle Borov de l'atome d'hydrogène (avec des orbites tirées de l'échelle implique la découverte d'électrons uniquement dans des orbites discrètes. Les électrons se déplaçant avec N \u003d 3,4,5 ou 6 à N \u003d 2 sont affichés sur une série de lignes spectrales de balmer

Le chercheur nommé Nils Bohr a tenté d'améliorer le modèle Rutherford, après l'avoir étudié dans le laboratoire de Rutherford pendant plusieurs mois en 1912. Essayant d'être d'accord sur les résultats d'autres physiciens (en particulier, Max Planck et Albert Einstein), Bor a suggéré que chaque électron avait une certaine quantité d'énergie et que leurs orbites soient distribuées de manière à ce que chacun d'entre eux puisse occuper Certains endroits autour du noyau comme des boules fixées sur des chemins circulaires autour du noyau et non comme des satellites librement en mouvement, comme supposés précédemment (dessin ci-dessus). En ce qui concerne les lois de l'électromagnétisme et accélérer les charges, Bond a été renvoyé aux "orbites" comme États fixesÉviter l'interprétation qu'ils bougeaient.

Bien que la tentative ambitieuse de la repense de la structure d'un atome, qui était plus proche des données expérimentales et était une étape importante en physique, mais n'était pas terminée. Son analyse mathématique était mieux prédite par les résultats d'expériences par rapport aux analyses produites selon les modèles précédents, mais restait également sans répondre aux questions sur pourquoi Les électrons doivent se comporter de manière aussi étrange. L'affirmation selon laquelle les électrons existaient dans des états quantiques fixes autour du noyau, corrélés de données expérimentales mieux que le modèle Rostford, mais n'ont pas dit que les électrons rendent ces États spéciaux. La réponse à cette question devait venir d'une autre physique Louis de Brogly après environ dix ans.

Debriel a suggéré que des électrons comme des photons (particules de lumière) ont à la fois des propriétés de particules et des propriétés d'onde. S'appuyant sur cette hypothèse, il a suggéré que l'analyse des électrons tournantes du point de vue des ondes est mieux adaptée que du point de vue des particules et peut donner plus de compréhension de leur nature quantique. Et en effet, dans la compréhension, une autre percée a été réalisée.

La chaîne vibre sur la fréquence de résonance entre deux points fixes forme une onde debout

Atom, selon De Bogogle, consistait en des vagues debout, un phénomène, bien connu des physiciens sous diverses formes. En tant que cordon de gazon d'un instrument de musique (dessin ci-dessus), vibrant sur une fréquence de résonance, avec des "nœuds" et "anti-nez" dans des endroits stables le long de sa longueur. Debriel a présenté des électrons autour des atomes sous forme de vagues courbées dans un cercle (figure ci-dessous).

"Tourner" des électrons comme la vague debout autour du noyau, (a) deux cycles en orbite, (b) trois cycles en orbite

Les électrons ne peuvent exister que sur certaines "orbites" spécifiques autour du noyau, car elles sont les seules distances sur lesquelles les extrémités des ondes coïncident. Avec tout autre rayon, la vague sera détruite avec elle-même et cessera ainsi d'exister.

L'hypothèse de Brogllya a donné à la fois un soutien mathématique et une analogie physique pratique pour expliquer les états quantiques d'électrons à l'intérieur de l'atome, mais son modèle d'atome était encore incomplet. Pendant plusieurs années de physique, Werner Geisenberg et Erwin Schrödinger, travaillent de manière autonome de l'autre, travaillant sur le concept de dualisme corpusculaire-vague de Broglie pour créer des modèles mathématiques plus stricts de particules subatomiques.

Cette promotion théorique du modèle primitif de la vague de Saint-Broglie aux modèles de la matrice Geisenberg et Équation différentielle Schrödinger a reçu le nom de la mécanique quantique, il a introduit une caractéristique plutôt choquante dans le monde des particules subatomiques: un signe de vraisemblance ou d'incertitude. Selon une nouvelle théorie quantique, il était impossible de déterminer la position exacte et l'impulsion exacte de la particule à un moment donné. Une explication populaire de ce "principe d'incertitude" était qu'il existait une erreur de mesure (c'est-à-dire d'essayer de mesurer avec précision la position de l'électron, vous interférez avec l'impulsion et, par conséquent, vous ne pouvez pas savoir ce qui était avant de mesurer la position, et vice versa). La production sensationnelle de la mécanique quantique est que les particules ne disposent pas de positions et d'impulsions précises, et en raison de la connexion de ces deux magnitudes, leur incertitude cumulative ne diminuera jamais en dessous d'une certaine valeur minimale.

Cette forme de communication "incertitude" existe dans d'autres domaines, à l'exception de la mécanique quantique. Comme indiqué dans le chapitre des «signaux AC de fréquence mixte» de Tom 2 de cette série de livres, il existe des liens mutuellement exclusifs entre la confiance dans le domaine temporel du formulaire de signal et ses données dans domaine de fréquence. Mettez simplement, plus nous connaissons ses fréquences de composants, moins nous connaissons avec précision son amplitude dans le temps et inversement. Jetais moi-même:

Le signal de duration infini (nombre infini de cycles) peut être analysé avec une précision absolue, mais plus les cycles sont disponibles pour un ordinateur pour analyse, moins la précision de l'analyse ... moins les périodes de signal, la plus précision de son la fréquence. En prenant ce concept à son extrême logique, une petite impulsion (pas même une période de signal complet) n'a pas vraiment une certaine fréquence, est une plage de fréquences infinie. Ce principe est commun à tous les phénomènes d'ondes, et pas seulement pour les tensions et les courants.

Pour déterminer avec précision l'amplitude du signal changeant, nous devons le mesurer en très peu de temps. Cependant, l'exécution de cette limite nos connaissances de la fréquence de la vague (la vague de la mécanique quantique ne doit pas être similaire à une onde sinusoïdale; une telle similitude est un cas particulier). D'autre part, pour déterminer la fréquence de la vague avec une grande précision, nous devons le mesurer dans grand nombre Les périodes, ce qui signifie que nous allons perdre de vue son amplitude à un moment donné. Ainsi, nous ne pouvons pas simultanément connaître l'amplitude instantanée et toutes les fréquences de toute vague avec une précision illimitée. Une autre bizarrerie, cette incertitude est beaucoup plus d'inexactitude de l'observateur; C'est dans la nature même de la vague. Ce n'est pas le cas, bien que ce soit, compte tenu des technologies pertinentes, de fournir mesures précises et amplitude instantanée et fréquences en même temps. DANS sens littéralLa vague ne peut pas une amplitude instantanée précise et une fréquence précise en même temps.

L'incertitude minimale de la position de la particule et de l'impulsion, exprimée par Heisenberg et Schrödinger, n'a rien à voir avec la limite de mesure; C'est plutôt la propriété interne de la nature du dualisme corpusculaire-onde de la particule. Par conséquent, les électrons n'existent pas vraiment dans leurs "orbites" aussi avec précision certaines particules de matière ni même que des ondes définies, mais plutôt comme "nuages" - terme technique fonction de vague La distribution de probabilité, comme si chaque électron était "dispersée" ou "barbouillée" dans la gamme de positions et d'impulsions.

Cette vue radicale des électrons, comme dans des nuages \u200b\u200bincertaines, contredit initialement le principe initial des états électroniques quantiques: des électrons existent dans des "orbites" discrètes autour du noyau atomique. Ce nouveau look, à la fin, était une découverte qui a conduit à la formation et à l'explication de la théorie quantique. Comme étrange semble que la théorie créée pour expliquer le comportement discret des bouts d'électrons, déclarant que des électrons existent comme des "nuages" et non comme des morceaux de matière distincts. Cependant, le comportement quantique des électrons ne dépend pas des électrons ayant certaines valeurs de coordonnées et d'impulsions, mais d'autres propriétés appelées nombres quantiques. En substance, la mécanique quantique se déroule sans les concepts communs de la position absolue et du moment absolu, et les remplace de concepts absolus de tels types qui n'ont pas d'analogues en pratique générale.

Même si les électrons sont connus d'exister dans l'infertilité, des formes "cloud" d'une probabilité distribuée, et non sous la forme de parties individuelles de la matière, ces "nuages" ont plusieurs autres caractéristiques. Tout électron de l'atome peut être décrit par quatre mesures numériques (mentionnées précédemment par des numéros quantiques), appelées la chose principale (radiale), orbital (azimuthal), magnétique et tourner Nombres. Ce qui suit est un bref aperçu de chacun de ces numéros:

Le numéro principal (radial) quantique: noté par la lettre n.Ce numéro décrit la coque sur laquelle réside un électron. La "coquille" électronique représente la zone d'espace autour du noyau Atom, sur laquelle des électrons peuvent exister, correspondant aux modèles d'une "vague debout" stable de Broglie et de Bohr. Les électrons peuvent "sauter" de la coquille sur la coque, mais ne peuvent pas exister entre eux.

Le numéro quantique principal doit être un entier positif (grand ou égal à 1). En d'autres termes, le principal numéro quantique de l'électron ne peut pas être 1/2 ou -3. Ces entiers ont été choisis non arbitrairement, mais à travers des preuves expérimentales du spectre lumineux: différentes fréquences (couleurs) émises par des atomes d'hydrogène excitées suivent une dépendance mathématique en fonction des valeurs entier spécifiques, comme indiqué dans la figure ci-dessous.

Chaque coque a la capacité de tenir plusieurs électrons. Les rangées concentriques de sièges dans l'amphithéâtre peuvent être apportées comme analogie pour les coquilles électroniques. Juste comme une personne assise dans l'amphithéâtre doit choisir une rangée pour s'asseoir (il ne peut pas s'asseoir entre les rangées), les électrons doivent "choisir" une coque spécifique pour "s'asseoir". Comme des rangées dans l'amphithéâtre, les obus extrêmes tiennent plus d'électrons par rapport aux coquilles plus proches du centre. De plus, les électrons cherchent à trouver la plus petite coquille abordable, car les personnes de l'amphithéâtre recherchent une place la plus proche de la scène centrale. Plus le nombre de coques est élevé, plus l'énergie des électrons est grande.

Le nombre maximum d'électrons que n'importe quel coquille peut conserver, l'équation 2N 2 est décrite, où n est le numéro quantique principal. Ainsi, la première coque (n \u003d 1) peut contenir 2 électrons; La deuxième coque (n \u003d 2) est de 8 électrons; et la troisième coquille (n \u003d 3) - 18 électrons (dessin ci-dessous).

Le principal nombre quantique n et quantité maximale Les électrons sont associés à la formule 2 (N 2). Les orbites ne sont pas échelonnées.

Les coques électroniques dans l'atome ont été notées par des lettres, pas des chiffres. La première coque (n \u003d 1) a été indiquée K, la deuxième coque (n \u003d 2) L, la troisième coque (n \u003d 3) m, la quatrième coque (n \u003d 4) N, la cinquième coquille (n \u003d 5) o, la sixième gaine (n \u003d 6) p et septième coquille (n \u003d 7) B.

Numéro quantique orbital (azimuthal): Coquille, composée de sous-marins. Quelqu'un peut être plus pratique de penser aux subordonnées comme des sections simples des coquillages, comme les rayures divisant la route. Le sous-marin est beaucoup plus étrange. Les sous-marchés sont des zones d'espace où les "nuages" électroniques peuvent exister et, en fait, divers sublicas ont diverses formes. Le premier sous-marin sous la forme d'une balle (figure ci-dessous), ce qui a du sens lorsqu'il est visualisé comme un nuage d'électrons entourant le noyau d'Atom en trois dimensions.

Le deuxième sous-marin ressemble à un haltère constitué de deux "pétales", connectés à un point près du centre de l'atome (figure ci-dessous (P)).

Le troisième sous-marin rappelle généralement un ensemble de quatre "pétales" regroupés autour du noyau de l'atome. Ces formes des sous-marchés ressemblent aux images graphiques d'un motif antenne d'antennes avec des pétales similaires aux ampoules s'étendant de l'antenne dans différentes directions (figure ci-dessous (D)).

Orbital:
(s) symétrie trois fois;
(p) représenté: P x, une des trois orientations possibles (p x, p y, p z), le long des axes correspondants;
(d) montrant: D x 2 -y 2 est similaire à D XY, D YZ, D XZ. Montré: D z 2. Nombre de D-Orbitals possibles: cinq.

Les valeurs admissibles du nombre quantique orbital sont des entiers positifs, ainsi que pour le nombre quantique principal, mais incluent également zéro. Ces numéros quantiques pour les électrons sont notés par la lettre L. Le nombre de banlieues est égal au nombre quantique principal de la coque. Ainsi, la première coque (n \u003d 1) comporte une sous-bande avec le nombre 0; La deuxième coque (n \u003d 2) a deux sous-marins avec des nombres 0 et 1; La troisième coquille (n \u003d 3) a trois sous-marins avec des nombres 0, 1 et 2.

L'ancien accord Description des sous-marins ont utilisé les lettres, pas les chiffres. Et ce format, le premier sous-marin (L \u003d 0) a été désigné S, le deuxième sous-marin (L \u003d 1) a été désigné P, le troisième sous-marin (L \u003d 2) a été désigné D, et le quatrième sous-marin (L \u003d 3) était désigné f. Les lettres sont venues de mots: pointu., principal, diffuser et fondamental. Vous pouvez toujours voir ces désignations dans de nombreuses tables périodiques utilisées pour désigner la configuration électronique d'externe ( valentines) Coquilles d'atome.

a) la représentation de l'atome d'argent sur Boru,
(b) Représentation orbitale AG avec la séparation des coquilles sur le sous-marin (numéro de quantique orbital L).
Ce diagramme n'implique rien sur la position réelle des électrons, mais ne représente que des niveaux d'énergie.

Nombre quantique magnétique: Le nombre quantique magnétique pour une classification d'électrons, l'orientation de la forme sous-marine électronique. Les sublicas "pétales" peuvent être dirigés dans plusieurs directions. Ces différentes orientations sont appelées orbitales. Pour le premier sous-marin (S; L \u003d 0), qui ressemble à la sphère, la "direction" n'est pas spécifiée. Pour le second (p; l \u003d 1), le sous-marin de chaque coquille, qui ressemble à un haltère indiquant dans trois directions possibles. Présentez trois haltères intersectant au début des coordonnées, chacune est dirigée le long de son axe dans le système de coordonnées à trois essieux.

Les valeurs admissibles pour ce numéro quantique sont composées d'entiers, allant de -l à l et désigne le nombre comme m L. en physique atomique et l z. En physique nucléaire. Pour calculer le nombre d'orbitales dans n'importe quel sous-titulaire, vous devez doubler le nombre de sous-marins et ajouter 1 (2 ∙ L + 1). Par exemple, le premier sous-marin (L \u003d 0) dans n'importe quelle coquille contient une orbite avec le nombre 0; Le deuxième sous-marin (L \u003d 1) de n'importe quelle coquille contient trois orbitales avec des nombres -1, 0 et 1; Le troisième sous-marin (L \u003d 2) contient cinq orbitation avec des nombres -2, -1, 0, 1 et 2; etc.

Comme le numéro de quantique principal, le numéro de quantique magnétique est issu directement des données expérimentales: l'effet de Zeeman, la séparation des lignes spectrales, exposant le gaz ionisé champ magnétiqueD'ici et le nom "magnétique" Numéro quantique.

TFR Numéro quantique: Comme un nombre quantique magnétique, cette propriété d'électrons atomes a été détectée à l'aide d'expériences. L'observation minutieuse des lignes spectrales a montré que chaque ligne était en fait une paire de lignes de très étroitement arrangées, c'était l'hypothèse que cette soi-disant structure mince C'était le résultat de chaque électron "tournant" autour de son axe, comme une planète. Les électrons avec une "rotation" différente donneraient une fréquence légère légèrement différente lorsqu'elle est passionnante. Le concept d'un électron tournant est actuellement obsolète, étant plus approprié pour regarder les électrons, comme sur des particules distinctes de matière, et non comme sur les "nuages", mais le nom reste.

Les numéros quantiques de spin sont indiqués comme mME. en physique atomique et s z. En physique nucléaire. Sur chaque orbitale sur chaque sous-titulaire dans chaque coque, il peut y avoir deux électrons, un avec le dos +1/2 et l'autre avec spin -1/2.

Le physicien Wolfgang Pauli a développé le principe expliquant la commande d'électrons dans l'atome conformément à ces numéros quantiques. Son principe appelé pOWLI BAN PRINCIPE, Il affirme que deux électrons d'un atome ne peuvent pas occuper les mêmes états quantiques. C'est-à-dire que chaque électron de l'atome a un ensemble unique de nombres quantiques. Cela limite le nombre d'électrons pouvant occuper tout orbital, sous-marin et coquille.

Voici l'emplacement des électrons dans l'atome d'hydrogène:

Avec un proton dans le noyau, l'atome prend un électron pour sa balance électrostatique (la charge positive de Proton est égalisée par la charge négative de l'électron). Cet électron est situé sur la coque inférieure (N \u003d 1), le premier sous-marin (L \u003d 0), sur la seule orbitale (orientation spatiale) de ce sous-marin (M l \u003d 0), avec la valeur du spin 1/2 . La méthode générale de décrivant cette structure est réalisée en transférant des électrons conformément à leurs coquilles et aux subordonnées en fonction de l'accord appelé désignation spectroscopique. Dans cette désignation, le numéro de shell est indiqué comme un entier, le sous-marin comme lettre (S, P, D, F) et le nombre total d'électrons dans le sous-marin (toutes les orbitales, tous les dos) comme l'indice supérieur. Ainsi, l'hydrogène avec son seul électron, placé au niveau de la base, est décrit comme 1s 1.

En tournant à l'atome suivant (par ordre du numéro atomique), nous obtenons un élément d'hélium:

Atom Helium se compose de deux protons dans le noyau, ce qui nécessite deux électrons d'équilibrer la double charge électrique positive. Étant donné que deux électrons sont un avec spin 1/2 et l'autre avec spin -1/2 - sont sur le même orbital, la structure électronique de l'hélium ne nécessite pas de sous-titres supplémentaires ou de coquilles à contenir le second électron.

Cependant, un atome nécessitant trois électrons ou plus nécessitera des sous-sordies supplémentaires pour contenir tous les électrons, car seuls deux électrons peuvent être sur la coque inférieure (n \u003d 1). Considérez l'atome suivant dans la séquence d'augmentation des nombres atomiques, au lithium:

L'atome de lithium utilise une partie de la capacité de la coque L (n \u003d 2). Cette coquille a en fait une capacité totale de huit électrons (capacité de coque maximale \u003d électrons 2N 2). Si nous considérons la structure de l'atome avec un L par la coquille, nous verrons comment toutes les combinaisons de sous-marins, orbitales et spins sont occupées par des électrons:

Souvent, lors de la prescription d'un atome de désignation spectroscopique, toutes les coquilles entièrement remplies sont ignorées et non remplies de coquillages et de coquilles remplies niveau supérieur désigné. Par exemple, un élément néon (représenté sur la figure ci-dessus), qui comporte deux coquilles entièrement remplies, peut être décrite à spectrule simplement comme 2p 6 et non comme 1s 22 S 22 P 6. Lithium avec sa coquille K entièrement remplie et le seul électron sur la coque L peut être décrit simplement comme 2s 1, et pas 1s 22 S 1.

Ignorer les coquilles de niveau entièrement remplies est effectuée non seulement pour la commodité. Il illustre également le principe de base de la chimie: le comportement chimique de l'élément est principalement déterminé par ses coquilles non remplies. Et l'hydrogène et le lithium possède sur leurs coquilles extérieures avec un électronique (comme 1 et 2s 1, respectivement), c'est-à-dire que les deux éléments ont des propriétés similaires. Tous deux ont une réactivité élevée et réagissent dans presque les mêmes méthodes (liaison à des éléments similaires dans des conditions similaires). Peu importe que le lithium ait une coquille k-shell entièrement remplie sous une coquille L presque gratuite: la coque L non remplie est la gaine, qui détermine son comportement chimique.

Les éléments qui ont des coquillages externes entièrement remplis sont classés comme nobles et diffèrent d'une absence presque complète de réactions avec d'autres éléments. Ces éléments ont été classés comme inertes lorsqu'il était cru qu'ils ne le font pas du tout dans la réaction, mais, comme on le sait, ils forment des connexions avec d'autres éléments sous certaines conditions.

Étant donné que les articles avec les mêmes configurations d'électrons dans leurs coquilles externes ont similaire propriétés chimiquesDmitry Mendeleev d'éléments chimiques organisés en conséquence dans la table. Ce tableau est connu comme Et les tables modernes suivent ce type commun indiqué dans la figure ci-dessous.

Tableau périodique des éléments chimiques

Dmitry Mendeleev, chimiste russe, a été le premier à avoir développé un tableau périodique des éléments. Malgré le fait que Mendeleev a organisé sa table conformément à la masse atomique, pas de nombre atomique et a créé une table qui n'était pas si utile que les tables périodiques modernes, son développement agit comme un excellent exemple de preuves scientifiques. Voir les modèles de périodicité (propriétés chimiques similaires conformément à la masse atomique), Mendeleev a poussé l'hypothèse selon laquelle tous les éléments doivent s'inscrire dans ce schéma commandé. Lorsqu'il a découvert des endroits "vides" dans la table, il a suivi la logique de l'ordre existant et a suggéré l'existence d'autres éléments inconnus. La découverte ultérieure des éléments ETELS a confirmé la correction scientifique de l'hypothèse de Mendeleev, de nouvelles découvertes ont entraîné l'apparition du tableau périodique que nous utilisons maintenant.

Comme ça devrait Travaux scientifiques: Les hypothèses conduisent à des conclusions logiques et sont acceptées, modifiées ou rejetées en fonction de la cohérence des données expérimentales avec leurs conclusions. Tout imbécile peut formuler une hypothèse post-finition pour expliquer les données expérimentales existantes, et beaucoup le font. L'hypothèse scientifique diffère de la spéculation post-finition, c'est la prédiction de données expérimentales futures, qui ne sont pas encore collectées et éventuellement la réfutation à la suite de ces données. Hardiment, diriger l'hypothèse à sa ou ses conclusions logiques et tenter de prédire les résultats d'expériences futures, ce n'est pas un saut dogmatique de foi, mais plutôt un contrôle public de cette hypothèse, un défi ouvert aux opposants à l'hypothèse. En d'autres termes, les hypothèses scientifiques sont toujours "risquées" en raison de la tentative de prédire les résultats de pas encore effectuées d'expériences, et peuvent donc être réfutées si les expériences passeront comme prévu. Ainsi, si l'hypothèse prédit correctement les résultats des expériences répétées, sa fausseté est réfutée.

La mécanique quantique, d'abord comme des hypothèses, puis comme la théorie, s'est révélée être extrêmement réussie pour prédire les résultats des expériences, a donc reçu un degré élevé de confiance scientifique. De nombreux scientifiques ont des raisons de croire qu'il s'agit d'une théorie incomplète, car ses prévisions sont plus véridiques sur une échelle microphysique et non en tailles macroscopiques, mais, néanmoins, c'est une théorie extrêmement utile pour expliquer et prédire l'interaction des particules et des atomes .

Comme vous l'avez déjà vu dans ce chapitre, la physique quantique est importante pour décrire et prédire une variété de phénomènes différents. Dans la section suivante, nous verrons sa signification en conductivité électrique solides, y compris les semi-conducteurs. Simplement mettre, rien en chimie ou physique solide Il n'a pas de sens dans la structure théorique populaire des électrons qui existent comme des particules distinctes de la matière filant autour de l'atome de noyau comme satellites miniatures. Lorsque les électrons sont traités comme des «fonctions d'onde» existant dans certains états distincts et périodiques réguliers et périodiques, puis le comportement de la substance peut être expliqué.

Résumons

Les électrons des atomes existent dans les "nuages" d'une probabilité distribuée et non comme des particules discrètes de la matière tournant autour du noyau, comme des satellites miniatures, comme les exemples communs montrent.

Des électrons séparés autour de l'atome de noyau s'efforcent d'un "états" unique décrit par quatre numéros quantiques: le numéro principal (radial) quantique, connu comme coquille; numéro quantique orbital (azimuthal), connu comme huile; nombre quantique magnétiquedécrivant orbital (orientation du sous-marin); et tFR Numéro quantique, ou simplement tourner. Ces états sont quantiques, c'est-à-dire "entre eux", il n'y a aucune condition pour l'existence d'un électron, en plus des états qui s'intégrent au schéma de numérotation quantique.

Bloom (radial) Numéro quantique (N) Décrit un niveau de base de Ou la coquille sur laquelle un électron est situé. Plus ce nombre est grand, plus le rayon du nuage électronique est grand du noyau de l'atome et plus l'énergie électronique est grande. Les principaux numéros quantiques sont des entiers (entiers positifs)

Numéro quantique orbital (azimutal) (L) Décrit la forme d'un nuage électronique dans une coque ou un niveau spécifique et est souvent appelé "sous-marin". Dans n'importe quel shell, tant de sous-marines (formes du nuage électronique), quel est le principal numéro quantique de la coque. Les numéros quantiques azimutaux sont des nombres entiers entiers commençant par zéro et se terminant par un nombre inférieur au nombre quantique principal par unité (N-1).

Numéro quantique magnétique (M l) Décrit quelle orientation est un sous-marin (figure nuageuse électronique). Le sous-marin peut permettre tant d'orientations différentes, ce qui est égal au double nombre du sous-marin (L) plus 1, (2L + 1) (c'est-à-dire pour l \u003d 1, m l \u003d -1, 0, 1), Et chaque orientation unique est appelée une orbitale. Ces chiffres sont des entiers à partir de la valeur négative du nombre de sous-marins (L) à 0 et se terminant par la valeur positive du nombre de sous-marins.

Spin numéro quantique (m s) Décrit une autre propriété électronique et peut prendre des valeurs +1/2 et -1/2.

POWLI BAN PRINCIPE Il dit que deux électrons dans l'atome ne peuvent pas séparer le même ensemble de nombres quantiques. Par conséquent, il ne peut y avoir plus de deux électrons sur chaque orbitation (spin \u003d 1/2 et spin \u003d -1 / 2), 2L + 1 orbitales dans chaque sous-marin et n sous-maros dans chaque coquille, et plus.

Désignation spectroscopique - Il s'agit d'un accord de désignation de la structure électronique de l'atome. Les coquilles sont représentées comme des entiers, suivis des lettres de sous-marins (S, P, D, F) avec des nombres dans l'indice supérieur, indiquant le nombre total d'électrons dans chaque sous-marin approprié.

Le comportement chimique de l'atome est déterminé exclusivement par des électrons dans les coquilles non remplies. Les coques de niveau bas entièrement remplies de peu ou n'affectent pas les caractéristiques chimiques de la liaison des éléments.

Les éléments avec des coquilles d'électrons entièrement remplis sont presque complètement inertes et appelées noble Éléments (précédemment appelés inertes).

29.10.2016

Malgré la sonorité et la mystérieuse du thème d'aujourd'hui, nous allons essayer de dire qu'est-ce qui étudie la physique quantique, mots simples Quelles sections de la physique quantique ont une place pour être et pourquoi besoin de la physique quantique en principe.

Le matériel ci-dessous est disponible pour comprendre n'importe qui.

Avant de ratisser de ce que la physique quantique apprendra, il conviendra de se rappeler, pourquoi tout a commencé ...

Au milieu du XIXe siècle, l'humanité est venue de près pour étudier les problèmes qui, en attirant l'appareil de physique classique, c'était impossible.

Un certain nombre de phénomènes semblaient étranges. Des questions distinctes n'ont pas trouvé de réponse du tout.

Dans les années 1850, William Hamilton, croyant que les mécaniciens classiques ne sont pas en mesure de décrire avec précision le mouvement des rayons lumineux, offre sa propre théorie, qui est entrée dans l'histoire de la science appelée le formalisme de Hamilton-Jacobi, basé sur le postulat de la Théorie des vagues de la lumière.

En 1885, se disputer avec un ami, le Suisse et le physicien Johann Balmer apportaient une formule empiriquement qui a permis aux longueurs d'onde de lignes spectrales avec une très grande précision.

Expliquer les causes des lois identifiées de Balmer, alors ne pouvait pas.

En 1895, les rayons X Wilhelm, dans l'étude des rayons cathodiques, ont ouvert le rayonnement appelé par les rayons X (ensuite renommés dans les rayons), caractérisés par un puissant caractère pénétrant.

AVEN Un an plus tard - en 1896 - Henri Becquer, étudie le sel d'uranium, ouvrant des rayons spontanés avec des propriétés similaires. Le nouveau phénomène a été appelé la radioactivité.

En 1899, la nature de la vague des rayons X a été prouvée.

Photo 1. Rodonarchors de la physique quantique Max Planck, Erwin Schrödinger, Niels Bor

L'année de 1901 ans a été marquée par l'apparition du premier modèle planétaire de l'atome proposé par Jean Perenom. Hélas, le scientifique lui-même a refusé cette théorie, ne le trouvant pas de la confirmation du point de vue de la théorie de l'électrodynamique.

Deux ans plus tard, un scientifique du Japon Hantaro Nagaoka a proposé le prochain modèle planétaire de l'atome, au centre de laquelle il y avait une particule chargée positivement, autour de laquelle les électrons tournaient dans des orbites.

Cette théorie n'a toutefois pas tenu compte de l'émission émise par les électrons et ne pouvait donc pas, par exemple, expliquer la théorie des lignes spectrales.

Réfléchir sur la structure de l'atome, en 1904, Joseph Thomson a d'abord interprété le concept de valence d'un point de vue physique.

L'année de naissance de la physique quantique, peut-être, vous pouvez reconnaître les années 1900, reliant la performance de Max Planck lors d'une réunion de physique allemande.

C'était la plaque qui a suggéré que la théorie, unie par un ensemble de concepts physiques dispersés, de formules et de théories, notamment l'énergie et la température permanentes de Boltzmann, le nombre d'avogadro, la loi du déplacement de vin, la charge électronique, la loi sur les radiations - Boltsmann ...

Il a également été introduit dans l'utilisation du concept de quantum d'action (la seconde - après une constante Boltzmann - la constante fondamentale).

Un développement ultérieur de la physique quantique est directement liée aux noms de Hendrik Lorenz, Albert Einstein, Ernst Rutherford, Arnold Zommerfeld, Max Né, Nielsa Bora, Erwin Schrödinger, Louis de Broglie, Werner Geisenberg, Wolfgang Pauli, Dirac Field, Enrico Fermi et Beaucoup de D'autres merveilleux scientifiques travaillaient dans la première moitié du XXe siècle.

Les scientifiques ont succédé à une profondeur sans précédent de connaître la nature des particules élémentaires, étudient les interactions de particules et de domaines, d'identifier la nature de Quark de la matière, de tirer la fonction de vague, d'expliquer les concepts fondamentaux de discrévérité (quantification) et du dualisme corpusculaire .

Théorie quantique Commee Aucune autre personne a apporté l'humanité pour comprendre les lois fondamentales de l'univers, remplaça les concepts habituels plus précis, obligé de repenser un grand nombre de modèles physiques.

Que étudient la physique quantique?

La physique quantique décrit les propriétés de la matière au niveau de la micro-raffinerie, explorant les lois du mouvement des microjects (objets quantiques).

Sujet d'étude de la physique quantique Consumer des objets quantiques avec des dimensions de 10 à 8 cm et moins. Il:

• molécules
• atomes
• noyaux atomiques,
• particules élémentaires.

Les principales caractéristiques des microjects sont au repos et à la charge électrique. La masse d'un électron (moi) est de 9,1 · 10 -28.

À titre de comparaison - la masse du Muon est de 207 ans, neutron - 1839 Moi, Proton 1836 ME.

Certaines particules n'ont pas de masses de paix du tout (Neutrino, Photon). Leur masse est 0 moi.

Charge électrique de toute valeur de charge de micro-cotes de koint d'un électron égal à 1,6 · 10 -19 cl. Avec des microjets chargés et neutres existent, dont la charge est nulle.

Photo 2. Physique quantique obligée de réviser les vues traditionnelles sur les concepts de vagues, de champs et de particules

La charge électrique de la microject complexe est égale à la somme algébrique des charges des composants de ses particules.

Les propriétés de microsect incluent tourner (Dans la traduction littérale de l'anglais - "Tourner").

Il est de coutume d'interpréter la manière dont le moment du moment de l'objet quantique ne dépend pas des conditions extérieures.

Le dos est difficile de choisir une image adéquate dans le monde réel. Il ne peut pas être représenté par un loup tournant en raison de sa nature quantique. Physique classique Décrivez cet objet n'est pas capable.

La présence du dos influence le comportement des microjects.

La présence d'un dos rend des caractéristiques importantes dans le comportement des objets micromyr, dont la plupart sont des objets instables - se désintègre spontanément, transformant en d'autres objets quantiques.

Les microjects stables, qui incluent des neutrinos, des électrons, des photons, des protons, ainsi que des atomes et des molécules, sont capables de se désintégrer uniquement sous l'influence d'une énergie puissante.

La physique quantique absorbe complètement la physique classique, la considérant avec son étui de limite.

En fait, la physique quantique est - dans un sens large - Physique moderne.

Ce qui est décrit par la physique quantique dans un micromètre ne peut être perçu. Pour cette raison, de nombreuses dispositions de la physique quantique sont difficiles à représenter, contrairement aux objets décrits par la physique classique.

Malgré ces nouvelles théories, de nouvelles théories ont permis de modifier nos idées sur les vagues et les particules, une description dynamique et probabiliste, en continu et discret.

La physique quantique n'est pas qu'une théorie neuve.

Cette théorie qui a réussi à prédire et à expliquer le nombre incroyable de phénomènes - des processus qui coulant dans des noyaux atomiques aux effets macroscopiques dans l'espace extra-atmosphérique.

Physique quantique - Contrairement à la physique classique - étudie la question sur le niveau fondamental, donnant des interprétations de la réalité ambiante, quelle physique traditionnelle n'est pas en mesure de (par exemple, pourquoi les atomes conservent la stabilité ou si des particules élémentaires sont vraiment élémentaires).

La théorie quantique nous donne la possibilité de décrire le monde plus précisément que ce qu'il a été fabriqué avant qu'il ne se produise.

La valeur de la physique quantique

Les développements théoriques qui constituent l'essence de la physique quantique sont applicables à l'étude à la fois des objets spatiaux inimensionnement énormes et de manière extrêmement petite de particules élémentaires.

Électrodynamique quantum Nous immerge dans le monde des photons et des électrons, mettant l'accent sur l'étude des interactions entre eux.

Théorie quantique des médias condensés Délite nos connaissances des liquides superfluides, des aimants, des cristaux liquides, des corps amorphes, des cristaux et des polymères.

Photo 3. Physique quantique a donné à l'humanité une description beaucoup plus précise du monde environnant

Les études scientifiques des dernières décennies sont axées sur l'étude de la structure de quark de particules élémentaires dans le cadre de la branche indépendante de la physique quantique - chromodynamique quantique.

Mécanique quantique peu étrivitique (Celui qui est au-delà du cadre de la théorie de la relativité d'Einstein) étudie des objets microscopiques qui se déplacent avec une vitesse conditionnelle (inférieure à), les propriétés des molécules et des atomes, leur structure.

Optique quantiqueil est engagé dans des faits de traversée scientifique associés à la manifestation des propriétés quantiques de la lumière (processus photochimiques, radiations thermiques et forcées, photophobes).

Théorie quantique C'est une section unificatrice qui est entrée dans les idées de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique.

Les théories scientifiques développées dans le cadre de la physique quantique ont donné un puissant impulsion au développement, électronique quantique, technologie, théorie quantique de corps solide, science des matériaux, chimie quantique.

Sans l'émergence et le développement de branches marquées de la connaissance, il serait impossible de créer, des vaisseaux spatiaux, de la glacé atomique, des communications mobiles et de nombreuses autres inventions utiles.

Bienvenue sur le blog! Je suis très content pour toi!

Vous avez sûrement entendu plusieurs fois sur les secrets inexplicables de la physique quantique et de la mécanique quantique. Ses lois fascinent les mystiques et même les physiciens eux-mêmes admettent qu'ils ne les comprennent pas complètement. D'une part, il est curieux de comprendre ces lois, mais d'autre part, il n'y a pas de temps à lire multi-volume et livres sophistiqués en physique. Je vous comprends vraiment, parce que j'aime aussi les connaissances et la recherche de la vérité, mais le temps de tous les livres est catastrophiquement manquant. Vous n'êtes pas seul, de très nombreuses personnes curieuses gagnent dans la barre de recherche: «Physique quantique pour théières, mécanique quantique pour théières, physique quantique pour débutants, mécaniciens quantiques pour débutants, bases de la physique quantique, de base de la mécanique quantique, de la physique quantique pour Enfants, quelle est la mécanique quantique ". C'est pour vous cette publication.

Vous serez compris par les concepts de base et les paradoxes de la physique quantique. De l'article, vous apprendrez:

• Qu'est-ce que l'interférence?
• Qu'est-ce qui est spin et superposition?
• Quelle est la "mesure" ou "effondrement de la fonction d'onde"?
• Quelle est la confusion quantique (ou la téléportation quantique pour les nuls)? (Voir article)
• Qu'est-ce qu'une expérience mentale "Schrödinger Cat"? (Voir article)

Qu'est-ce que la physique quantique et la mécanique quantique?

La mécanique quantique fait partie de la physique quantique.

Pourquoi est-il si difficile de comprendre ces sciences? La réponse est simple: la physique quantique et la mécanique quantique (une partie de la physique quantique) étudie les lois du micromyr. Et ces lois sont absolument différentes des lois de notre macromir. Par conséquent, il est difficile pour nous d'imaginer ce qui se passe avec des électrons et des photons dans le micromètre.

Un exemple de la différence entre les lois de macro et micromirov: Dans notre macromir, si vous mettez une balle dans l'une des 2 boîtes, alors dans l'une d'entre elles, elle sera vide et dans l'autre - la balle. Mais dans le micromètre (si au lieu d'une balle - un atome), un atome peut être simultanément dans deux cases. Ceci est confirmé à plusieurs reprises expérimentalement. Est-il vraiment difficile de l'accueillir dans votre tête? Mais vous ne pouvez pas discuter avec les faits.

Un autre exemple. Vous avez photographié une voiture de sport rouge précipitant rapidement et vit une bande horizontale floue sur la photo, comme si la voiture au moment de la photo était de plusieurs points d'espace. Malgré le fait que vous voyez sur la photo, vous êtes toujours confiant que la voiture est une seconde lorsque vous êtes photographié était dans un endroit particulier dans l'espace. Dans le monde Microy, tout est faux. Un électron qui tourne autour du noyau de l'atome ne tourne pas vraiment, mais est en même temps dans tous les points de la sphère autour du noyau de l'atome. Comme un tangoule blessé en laine moelleuse. Ce concept de physique est appelé "Nuage électronique" .

Une petite excursion dans l'histoire. Pour la première fois à propos du monde quantique, les scientifiques ont pensé que lors de 1900, le physicien allemand Max Planck a essayé de savoir pourquoi, lorsqu'il est chauffé, les métaux changent de couleur. C'était celui qui a introduit le concept de quantum. Avant cela, les scientifiques pensaient que la lumière s'applique continuellement. Le premier qui a sérieusement perçu l'ouverture de la planche était à quiconque alors inconnu Albert Encen. Il s'est rendu compte que la lumière n'était pas seulement une vague. Parfois, il se comporte comme une particule. Enstein a reçu le prix Nobel de sa découverte que la lumière est rayonnée par des portions, Quant. Un quantum de la lumière s'appelle un photon ( photon, Wikipedia) .

Afin de faciliter la compréhension des lois de Quantum la physique et mécanique (Wikipedia), Il est nécessaire de résumer des lois habituelles de la physique classique. Et d'imaginer que vous avez rencontré, comme Alice, dans le lapin Nora, dans le pays des miracles.

Et voici une bande dessinée pour les enfants et les adultes. Parle de l'expérience fondamentale de la mécanique quantique avec 2 emplacements et observateurs. Cela ne dure que 5 minutes. Regardez-le avant d'approfondir dans les principales questions et concepts de la physique quantique.

Physique quantique pour la vidéo TheeSots. Dans le dessin animé, faites attention au «Eye» de l'observateur. Il est devenu un sérieux mystère pour les médecins scientifiques.

Qu'est-ce que l'interférence?

Au début du dessin animé, il a été montré sur l'exemple de fluide, car les vagues se comportent - alternant des rayures verticales sombres et lumineuses apparaissent sur l'écran avec les emplacements. Et dans le cas où la plaque "tire" des particules discrètes (par exemple, des cailloux), ils traversent 2 emplacements et tombent sur l'écran directement en face des lacunes. Et "Draw" sur l'écran seulement 2 rayures verticales.

Lumière des interférences - Il s'agit d'un comportement de lumière "vague" lorsque beaucoup d'alternance de rayures verticales lumineuses et sombres sont affichées à l'écran. Toujours ces rayures verticales le modèle d'interférence est appelé.

Dans notre macromir, nous observons souvent que la lumière se comporte comme une vague. Si vous mettez une main devant la bougie, le mur ne sera pas une ombre claire de la main, mais avec des contours brisés.

Donc, tout n'est pas difficile! Il nous est maintenant clair que la lumière a une nature d'une vague et s'il y a 2 emplacements pour éclairer avec la lumière, nous verrons la photo d'interférence à l'écran. Envisagez maintenant de la 2e expérience. C'est la célèbre expérience Stern-Gerlaacha (qui a passé dans les années 20 du siècle dernier).

L'installation décrite dans le dessin animé n'est pas claire, mais "tirée" avec des électrons (comme particules séparées). Ensuite, au début du siècle dernier, la physique du monde entier croyait que des électrons sont des particules élémentaires de matière et ne devraient pas avoir de nature d'onde, mais la même chose que des cailloux. Après tout, les électrons sont des particules élémentaires de matière, non? C'est-à-dire que s'ils "jettent" dans 2 fissures, comme des cailloux, puis sur l'écran pour les machines à sous, nous devons voir 2 rayures verticales.

Mais ... le résultat était magnifique. Les scientifiques ont vu la photo d'interférence - beaucoup de rayures verticales. C'est-à-dire que les électrons, ainsi que la lumière, peuvent également avoir une nature d'onde, peuvent interférer. Et d'autre part, il est devenu clair que la lumière n'est pas seulement une vague, mais un peu et une particule - un photon (de la référence historique au début de l'article, nous avons appris que l'ouverture d'Enstein a reçu le prix Nobel) .

Se souvient peut-être, on nous a dit à l'école sur la physique de "Dualisme vaccinaire et vague"? Cela signifie que lorsqu'il s'agit de très petites particules (atomes, électrons) du microworld, puis ils sont à la fois des vagues et des particules

Aujourd'hui, nous sommes aujourd'hui si intelligents et nous comprenons que 2 au-dessus de l'expérience décrite - la prise de vue des électrons et l'éclairage de la lumière de fente est l'essence de la même chose. Parce que nous tirons sur les fentes des particules quantiques. Nous savons maintenant que la lumière et les électrons ont une nature quantique, les deux vagues et les particules en même temps. Et au début du 20ème siècle, les résultats de cette expérience étaient sensation.

Attention! Maintenant, passons à un problème plus subtil.

Nous brillons sur nos fissures avec un flux de photons (électrons) - et voir les fentes sur le motif d'interférence d'écran (rayures verticales). C'est clair. Mais nous sommes intéressés à voir comment chaque électron vole dans la fente.

Vraisemblablement, un électron vole dans la fente gauche, l'autre est juste. Mais alors 2 bandes verticales doivent apparaître sur l'écran directement en face des emplacements. Pourquoi est la photo d'interférence? Peut-être que les électrons interagissent d'une manière ou d'une autre sur l'écran après la portée à travers les emplacements. Et en conséquence, une telle image d'onde est obtenue. Comment suivons-nous?

Nous allons jeter les électrons pas une poutre, mais un par un. Lancer, attendre, jeter ce qui suit. Maintenant qu'un électron vole un, il n'interagira plus à l'écran avec d'autres électrons. Nous allons enregistrer chaque électron à l'écran après avoir lancé. Un ou deux bien sûr, pas "dessiner" une image claire. Mais quand ils les envoient beaucoup dans les machines à sous, nous notons ... Oh Horreur - ils ont de nouveau "peint" la photo d'onde d'interférence!

Nous commençons à devenir fous lentement. Après tout, nous nous attendions à 2 bandes verticales en face des lacunes! Il s'avère que lorsque nous avons jeté des photons un par un, chacun d'entre eux est passé, comme si elle est après 2 fissures simultanément et interférées avec lui-même. Fiction! Revenons à l'explication de ce phénomène dans la section suivante.

Qu'est-ce qui est spin et superposition?

Nous savons maintenant quelle ingérence est. C'est le comportement des micro particules de micro-particules, des électrons, d'autres micro particules (appelons-les des photons à partir de ce moment-là à la simplicité).

À la suite de l'expérience, lorsque nous avons lancé dans 2 emplacements de 1 photon, nous avons compris qu'il vole simultanément deux fissures. Sinon, comment expliquer la photo d'interférence à l'écran?

Mais comment présenter une image que le photon vole à travers deux fissures en même temps? Il y a 2 options.

• 1ère option: Photon, comme une vague (comme de l'eau) "nage" à travers 2 emplacements en même temps
• 2ème option: Photon, comme une particule, vole simultanément sur les 2e trajectoires (pas même deux, mais du tout à la fois)

En principe, ces déclarations sont équivalentes. Nous sommes arrivés à "Intégrale des trajectoires". C'est la formulation de la mécanique quantique de Richard Feynman.

Au fait, c'est Richard Feynman appartient à une expression connue que peut affirmer que la mécanique quantique ne comprend pas personne

Mais cette expression a fonctionné au début du siècle. Mais maintenant, nous sommes intelligents et savons que le photon peut se comporter et comme une particule, et comme une vague. Qu'il peut en quelque sorte incompréhensible pour nous de voler simultanément après 2 emplacements. Par conséquent, nous comprendrons facilement l'affirmation importante suivante de la mécanique quantique:

Strictement parlant, le mécanicien quantique nous dit quel est le comportement du photon - une règle et non une exception. Toute particule quantique est généralement dans plusieurs états ou à plusieurs endroits d'espace en même temps.

Les objets Macromir ne peuvent être que dans un endroit spécifique d'un état spécifique. Mais la particule quantique existe dans ses lois. Et elle et les choses ne sont pas auparavant que nous ne les comprenons pas. Sur ce point.

Nous devons simplement reconnaître comme axiom que la "superposition" de l'objet quantique signifie qu'il peut être sur 2 trajectoires ou plus en même temps, dans 2 points ou plus en même temps

La même chose s'applique à un autre paramètre du photon - retour (son propre moment angulaire). Spin est un vecteur. L'objet quantique peut être représenté comme un aimant microscopique. Nous sommes habitués que le vecteur d'aimant (spin) soit dirigé vers le haut, soit en bas. Mais l'électron ou le photon nous dit à nouveau: "Les gars, nous nous soucions de ce que vous êtes habitué, nous pouvons être dans les deux états du dos immédiatement (Vecteur, vecteur bas), comme nous pouvons être sur 2 trajectoires en même temps ou en 2 points en même temps! "

Quelle est la "mesure" ou "effondrement de la fonction d'onde"?

Nous avons laissé un peu - pour comprendre plus ce que la "mesure" et quel est un "effondrement de la fonction d'onde".

Fonction de vague - Ceci est une description de l'état d'un objet quantique (notre photon ou électron).

Supposons que nous ayons un électron, il me mouche Dans un état indéfinissable, le spin est dirigé et en hausse en même temps. Nous devons mesurer sa condition.

Nous mesurons à l'aide d'un champ magnétique: électrons dans lesquels le spin a été dirigé vers la direction du champ, dévié dans une direction et des électrons dont la rotation est dirigée contre le champ à un autre. Plus de photons peuvent être envoyés dans un filtre de polarisation. Si la spin (polarisation) du photon +1 - il passe dans le filtre, et si -1, alors non.

Arrêter! Ici vous aurez inévitablement une question: Avant la mesure, car l'électron n'a pas eu de direction particulière du dos, non? Il était dans tous les états en même temps?

Ceci est la puce et la sensation de la mécanique quantique. Jusqu'à ce que vous mesuriez l'état d'un objet quantique, il peut tourner dans n'importe quelle direction (pour avoir une direction du vecteur de propre dynamique angulaire). Mais pour le moment où vous avez mesuré sa condition, il semble prendre une décision, quel vecteur de spin prendre.

Voici un tel cool, cet objet quantique - il décide de son état. Et nous ne pouvons pas prédire à l'avance quelle décision il prendra quand il vole dans le champ magnétique dans lequel nous le mesurons. La probabilité qu'il décide d'avoir un vecteur "up" ou "bas" - 50 de 50%. Mais dès qu'il décida - c'est dans un certain état avec une direction spécifique du dos. La raison de sa solution est notre "mesure"!

C'est appelé " effondrement de la fonction d'onde ". La fonction de vague avant que la mesure ne soit incertaine, c'est-à-dire Le vecteur de spin électronique était simultanément dans toutes les directions, après avoir mesuré l'électron enregistré une certaine direction du vecteur de son dos.

Attention! Excellent pour la compréhension de l'exemple-association de notre macromir:

Étendez la pièce sur la table comme Yulia. Bien que la pièce soit tournante, le Neo n'a pas de valeur spécifique - un aigle ou une précipitation. Mais dès que vous décidez de "mesurer" cette valeur et de mettre la pièce de monnaie avec la main, c'est ici que l'état concret de la pièce est Eagle ou une précipitation. Maintenant, imaginez que cette pièce prend une décision, quelle valeur pour vous "montrer" est un aigle ou une précipitation. Se comporte également et électronique.

Et souvenez-vous maintenant de l'expérience présentée à la fin du dessin animé. Lorsque les photons ont été passés à travers les lacunes, ils se sont comportés comme une onde et montraient une image d'interférence à l'écran. Et lorsque les scientifiques voulaient réparer (mesurer) le moment de photons s'étendent à travers l'écart et définir l'écran "Observateur", les photons ont commencé à se comporter, pas comme des vagues, mais comme des particules. Et "Drew" sur l'écran 2 rayures verticales. Ceux. Au moment de la mesure ou de l'observation, les objets quantiques choisissent eux-mêmes, dans quel état d'état.

Fiction! N'est-ce pas?

Mais ce n'est pas tout. Enfin nous je suis arrivé le plus intéressant.

Mais ... il me semble que les informations seront surchargées, donc 2 de ces concepts, nous examinerons des postes séparés:

• Quelle ?
• Qu'est-ce qu'une expérience mentale?

Et maintenant, voulez-vous que les informations se décomposent sur les étagères? Vérifiez le documentaire préparé par l'Institut canadien de physique théorique. En 20 minutes, il est très bref et dans l'ordre chronologique, vous vous raconterez toutes les découvertes de la physique quantique, à partir de l'ouverture du plan en 1900. Et ensuite dire quel développement pratique est effectué maintenant sur la base des connaissances sur la physique quantique: des heures atomiques les plus précises aux calculs de super vitesse de l'ordinateur quantique. Je recommande vivement de regarder ce film.

À bientôt!

Je vous souhaite à toutes les inspirations pour tous les plans et projets prévus!

P.S.2 Écrivez vos questions et pensées dans les commentaires. Écrivez, quelles autres questions sur la physique quantique vous intéresse?

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