Що таке квантова фізика простими словами. Квантова фізика для чайників: суть простими словами

КВАНТОВО-МЕХАНІЧНІ КОНЦЕПЦІЇ

ОПИСУ ПРИРОДИ

У певному сенсі вся сучасна фізика є квантова фізика! Вона, по суті справи, є підсумком "новітньої революції в природознавстві".

Що вивчає квантова фізика?

Перш за все, квантова фізика - це теорія, яка описувала властивості матерії на рівні мікроявленій. Вона досліджує закони руху квантових об'єктів, які також називають мікрооб'єктами.

Поняття мікрооб'єкту є одним з основних в квантовій фізиці. До них відносяться молекули, атоми, атомні ядра, елементарні частинки. Їх характерна особливість - дуже маленькі розміри - 10 ^ -8 см і менше. До найбільш важливих характеристик мікрооб'єктів відносять масу спокою і електричний заряд. Маса електрона me \u003d 9,1 · 10 ^ -28 г, протон має масу 1836me, нейтрон - 1839me, мюон - 207me. Фотон і нейтрино не мають маси спокою - вона дорівнює нулю. Величина електричного заряду будь-якого мікрооб'єкт кратна величині заряду електрона, рівного 1,6 · 10 ^ -19 Кл. Поряд із зарядженими існують нейтральні мікрооб'єкти, заряд яких дорівнює нулю. Електричний заряд складного мікрооб'єкт дорівнює алгебраїчній сумі зарядів складових його частинок. Однією з найважливіших специфічних характеристик мікрооб'єктів вважається спин (від англійського слова "обертатися"). Хоча спин інтерпретується як момент імпульсу мікрооб'єктів, не пов'язаний з його рухом в цілому, неунічтожаемий і не залежить від зовнішніх умов, але не можна представляти його як обертається дзига. Він має чисто квантову природу - аналогів в класичній фізиці йому немає. Наявність спина вносить суттєві особливості в поведінку об'єктів мікросвіту.

Більшість мікрооб'єктів є нестабільнимі- вони мимовільно, без будь-яких впливів з боку розпадаються, перетворюючись в інші, в тому числі й елементарні, частки. Нестабільність - це специфічне, але не обов'язкова властивість мікрооб'єктів. Поряд з нестабільними, існують і стабільні мікрооб'єкти: фотон, електрон, протон, нейтрино, стабільні атомні ядра, атоми і молекули в основному стані.

Квантова фізика - це ще теоретична основа сучасного вчення про структуру і властивості речовини і поля.

Важливо розуміти, що квантова фізика не скасовує класичну, а містить її як свій граничний випадок. При переході від мікрооб'єктів до звичайних макроскопічними об'єктів її закони стають класичними, і, таким чином, квантова фізика встановила межі застосовності класичної фізики. Перехід від класичної фізики до квантової є перехід до більш глибокого рівня розгляду матерії.

Квантова фізика стала найважливішим кроком у побудові сучасної фізичної картини світу. Вона дозволила передбачити і пояснити величезну кількість різних явищ - від процесів, що протікають в атомах і атомних ядрах, До макроскопічних ефектів в твердих тілах; без неї неможливо, як видається тепер, зрозуміти походження Всесвіту. Діапазон квантової фізики широкий - від елементарних частинок до космічних об'єктів. Без квантової фізики немислимо не тільки природознавство, а й сучасна техніка.

WikiHow працює за принципом вікі, а це значить, що багато наших статті написані декількома авторами. При створенні цієї статті над її редагуванням і поліпшенням працювали, в тому числі анонімно, 11 осіб (а).

Квантова фізика (вона ж квантова теорія або квантова механіка) - це окремий напрямок фізики, яке займається описом поведінки і взаємодії матерії і енергії на рівні елементарних частинок, фотонів і деяких матеріалів при дуже низьких температурах. Квантове поле визначається як «дія» (або в деяких випадках кутовий момент) частки, що за розміром знаходиться в межах величини крихітної фізичної константи, яка називається постійної Планка.

кроки

постійна Планка

Почніть з вивчення фізичного поняття постійної Планка. У квантовій механіці, постійна Планка - це квант дії, позначається як h. Аналогічно, для взаємодіючих елементарних частинок, квант моменту імпульсу - це приведена постійна Планка (постійна Планка поділена на 2 π) позначається як ħ і називається «h з межею». Значення постійної Планка надзвичайно мало, вона об'єднує ті моменти імпульсу і позначення дій, що мають більш загальну математичну концепцію. Назва квантова механіка має на увазі, що деякі фізичні величини, подібні моменту імпульсу можуть змінюватися тільки дискретно, А не безперервним ( см. аналоговим) способом.

• Наприклад, момент імпульсу електрона, прив'язаного до атому або молекули, квантуется і може приймати тільки значення кратні наведеної постійної Планка. Це квантування збільшує орбиталь електрона на серію цілого первинного квантового числа. На відміну від цього, момент імпульсу незв'язаних електронів, що знаходяться поруч, не квантуется. Постійна Планка також застосовується в квантової теорії світла, де квантом світла є фотон, і матерія взаємодіє з енергією за допомогою переходу електронів між атомами або «квантового стрибка» пов'язаного електрона.
• Одиниці постійної Планка також можна розглядати як час моменту енергії. Наприклад, в предметної області фізики елементарних частинок, віртуальні частинки представлені, як маса частинок, які спонтанно виникають з вакууму на дуже малій ділянці і грають роль в їх взаємодії. Межа життя цих віртуальних частинок - це енергія (маса) кожної частки. Квантова механіка має велику предметну область, але в кожної математичної її частини присутня постійна Планка.

1. Дізнайтеся про важких частинках. Важкі частинки проходять від класичного до квантовому енергетичного переходу. Навіть якщо вільний електрон, що володіє деякими квантовими властивостями (таким як обертання), в якості незв'язаного електрона, наближається до атому і сповільнюється (можливо, через випускання їм фотонів), він переходить від класичного до квантовому поведінки, так як його енергія опускається нижче енергії іонізації. Електрон зв'язується з атомом і його момент імпульсу по відношенню до атомного ядра обмежується тим квантовим значенням орбіталі, яку він може зайняти. Цей перехід раптовий. Його можна порівняти з механічною системою, яка змінює свій стан від нестабільного до стабільного, або її поведінка змінюється з простого на хаотичне, або можна навіть порівняти з ракетним кораблем, який сповільнюється і йде нижче швидкості відриву, і займає орбіту навколо якоїсь зірки або іншого небесного об'єкта. На відміну від них, фотони (які невагомі) такий перехід не здійснюють: вони просто перетинають простір без змін до тих пір, поки не взаємодіють з іншими частинками і не зникають. Якщо ви подивіться в нічне небо, фотони від деяких зірок без змін пролітають довгі світлові роки, потім взаємодіють з електроном в молекулі вашої сітківки, випускаючи свою енергію, а потім зникаючи.

Думаю, можна сказати, що ніхто не розуміє квантову механіку

Фізик Ричард Фейнман

Висловлювання про те, що винахід напівпровідникових приладів було революцією, не буде перебільшенням. Це не тільки вражаюче технологічне досягнення, але воно також проклало шлях для подій, які назавжди змінюють сучасне суспільство. Напівпровідникові прилади застосовуються у всіляких пристроях мікроелектроніки, в тому числі і в комп'ютерах, окремих видах медичного діагностичного і лікувального устаткування, популярних телекомунікаційних пристроях.

Але за цією технологічною революцією стоїть навіть більше, революція в загальній науці: область квантової теорії. Без цього стрибка в розумінні природного світу, розвиток напівпровідникових приладів (і більш просунутих розроблюваних електронних пристроїв) ніколи б не вдалося. Квантова фізика - це неймовірно складний розділ науки. У цьому розділі дається лише короткий огляд. Коли вчені рівня Фейнмана кажуть, що «ніхто не розуміє [це]», ви можете бути впевнені, що це дійсно складна тема. Без базового розуміння квантової фізики або, принаймні, розуміння наукових відкриттів, Які привели до їх розробки, неможливо зрозуміти, як і чому працюють напівпровідникові електронні прилади. Більшість підручників з електроніки намагаються пояснити напівпровідники з точки зору «класичної фізики», в результаті роблячи їх ще більш заплутаними для розуміння.

Багато з нас бачили діаграми моделей атомів, які схожі на малюнок нижче.

Атом Резерфорда: негативні електрони обертаються навколо невеликого позитивного ядра

Крихітні частинки матерії, звані протонами і нейтронами, Складають центр атома; електрони обертаються як планети навколо зірки. Ядро несе позитивний електричний заряд, завдяки наявності протонів (нейтрони не мають ніякого електричного заряду), в той час як врівноважує негативний заряд атома знаходиться в рухомих по орбіті електронах. Негативні електрони притягуються до позитивних протонів, як планети притягуються силою тяжіння до Сонця, однак орбіти стабільні, завдяки руху електронів. Ми зобов'язані цієї популярною моделлю атома роботі Ернеста Резерфорда, який приблизно в 1911 році експериментально визначив, що позитивні заряди атомів зосереджені в крихітному, щільному ядрі, а не рівномірно розподілені по діаметру, як раніше припускав дослідник Дж. Дж. Томсон.

Експеримент Резерфорда по розсіюванню полягає в бомбардуванні тонкої золотої фольги позитивно зарядженими альфа-частками, як показано на малюнку нижче. Молоді аспіранти Х. Гейгер і Е. Марсден отримали несподівані результати. Траєкторія руху деяких альфа-частинок була відхилена на великий кут. Деякі альфа-частинки були розсіяні в зворотному напрямку, під кутом майже на 180 °. Більшість частинок пройшло через золоту фольгу, не змінивши траєкторію шляху, ніби фольги і не було зовсім. Факт того, що кілька альфа-частинок відчували великі відхилення в траєкторії руху, вказує на присутність ядер з невеликим позитивним зарядом.

Розсіювання Резерфорда: пучок альфа-частинок розсіюється тонкої золотою фольгою

Хоча модель атома Резерфорда підтверджувалася експериментальними даними краще, ніж модель Томсона, вона все ще була неідеальна. Були зроблені подальші спроби визначення структури атома, і ці зусилля допомогли прокласти шлях для дивних відкриттів квантової фізики. Сьогодні наше розуміння атома трохи складніше. Проте, не дивлячись на революцію квантової фізики і її внесок в наше розуміння будови атома, зображення сонячної системи Резерфорда в якості структури атом, прижилося в масовій свідомості до тако ступеня, що воно зберігається в галузях освіти, навіть якщо воно недоречно.

Розглянемо це короткий опис електронів в атомі, взяте з популярного підручника з електроніки:

Обертові негативні електрони притягуються до позитивного ядра, яке приводить нас до питання про те, чому електрони не летять в ядро \u200b\u200bатом. Відповідь в тому, що обертаються електрони залишаються на своїй стабільній орбіті через двох рівних, але протилежних сил. Відцентрова сила, що діє на електрони, спрямована назовні, а сила тяжіння зарядів намагається притягнути електрони до ядра.

Відповідно до моделі Резерфорда, автор вважає електрони твердими шматками матерії, які займають круглі орбіти, їх тяжіння всередину до протилежно зарядженого ядра врівноважується їх рухом. Використання терміну «відцентрова сила» технічно невірно (навіть для обертових на орбітах планет), але це легко пробачити через популярного прийняття моделі: насправді, не існує такого поняття, як сила, відразливабудь-який тіло, що обертається від центру його орбіти. Здається, що це так тому, що інерція тіла прагнути зберегти його рух по прямій лінії, а так як орбіта є постійним відхиленням (прискоренням) від прямолінійного руху, є постійне інерційний протидію до будь-якій силі, яка притягувала тіло до центру орбіти (центростремительной), будь то гравітація, електростатичне тяжіння, або навіть натяг механічного зв'язку.

Проте, реальна проблема з цим поясненням, в першу чергу, полягає в ідеї електронів, що рухаються по кругових орбітах. Перевірений факт, що прискорені електричні заряди випускають електромагнітне випромінювання, цей факт був відомий навіть за часів Резерфорда. Так як обертальний рух є формою прискорення (обертовий об'єкт в постійному прискоренні, що веде об'єкт від нормального прямолінійного руху), електрони в обертовому стані повинні викидати випромінювання, як бруд від буксує колеса. Електрони, прискорені по кругових траєкторіях, в прискорювачах частинок, званих синхротронами, Як відомо, роблять це, і результат називається синхротронне випромінювання. Якби електрони втрачали енергію таким способом, їх орбіти, в кінцевому рахунку, порушилися б, і в результаті вони зіткнулися б з позитивно зарядженим ядром. Проте, всередині атомів цього зазвичай не відбувається. Дійсно, електронні «орбіти» дивно стійкі в широкому діапазоні умов.

Крім того, експерименти з «збудженими» атомами показали, що електромагнітна енергія випромінюється атомом тільки на певних частотах. Атоми «збуджуються» зовнішніми впливами, такими як світло, як відомо, щоб поглинути енергію і повернути електромагнітні хвилі на певних частотах, як камертон, який не дзвонить на певній частоті, поки його не вдарять. Коли світло, що випромінюється збудженою атомом, ділиться призмою на складові частоти (кольори), виявляються окремі лінії квітів в спектрі, картина спектральних ліній є унікальною для хімічного елемента. Це явище зазвичай використовується для ідентифікації хімічних елементів, і навіть для виміру пропорцій кожного елемента в з'єднанні або хімічної суміші. згідно сонячній системі атомної моделі Резерфорда (щодо електронів, як шматків матерії, що вільно обертаються на орбіті з якимось радіусом) і законам класичної фізики, збуджені атоми повинні повернути енергію в практично нескінченному діапазоні частот, а не на обраних частотах. Іншими словами, якщо модель Резерфорда була правильною, то не було б ефекту «камертона», і колірний спектр, що випромінюється будь-яким атомом, виглядав би як безперервна смуга квітів, а не як кілька окремих ліній.

Постулати бора водню (з орбітами, намальованими в масштабі) припускає знаходження електронів тільки на дискретних орбітах. Електрони, що переходять з n \u003d 3,4,5 або 6 на n \u003d 2, відображаються на серії спектральних ліній Бальмера

Дослідник на ім'я Нільс Бор спробував поліпшити модель Резерфорда, після її вивчення в лабораторії Резерфорда протягом декількох місяців в 1912 році. Намагаючись узгодити результати інших фізиків (зокрема, Макса Планка і Альберта Ейнштейна), Бор припустив, що кожен електрон володів певним, конкретним кількістю енергії, і що їх орбіти розподіляються таким чином, що кожен з них може обіймати певні місця навколо ядра, як кульки , зафіксовані на кругових доріжках навколо ядра, а не як вільно рухаються супутники, як передбачалося раніше (малюнок вище). В знак поваги до законів електромагнетизму і прискорюють зарядів Бор посилався на «орбіти», як на стаціонарні стани, Щоб уникнути трактування, що вони були рухливі.

Хоча амбітна спроба Бора переосмислення будови атома, яке ближче узгоджувалося з експериментальними даними, і була важливою віхою в фізиці, але не була завершена. Його математичний аналіз краще передбачав результати експериментів в порівнянні з аналізами, вироблених відповідно до попередніх моделях, але ще залишалися без відповідей питання про те, чому електрони повинні вести себе таким дивним чином. Твердження, що електрони існували в стаціонарних квантових станах навколо ядра, співвідносилося з експериментальними даними краще, ніж модель Резерфорда, але не говорило, що змушує електрони приймати ці особливі стану. Відповідь на це питання повинен був прийти від іншого фізика Луї де Бройля через приблизно десять років.

Де Бройль припустив, що електрони, як фотони (частинки світла), володіють і властивостями частинок, і властивостями хвиль. Спираючись на це припущення, він припустив, що аналіз обертових електронів з точки зору хвиль підходить краще, ніж з точки зору частинок, і може дати більше розуміння про їх квантову природу. І дійсно, в розумінні був здійснений ще один прорив.

Струна, вібрує на резонансній частоті між двома фіксованими точками, утворює стоячу хвилю

Атом, згідно де Бройля, складався з стоячих хвиль, явище, добре відоме фізикам в різних формах. Як смикнути струна музичного інструменту (рисунок вище), вібрує на резонансній частоті, з «вузлами» і «антіузламі» в стабільних місцях уздовж своєї довжини. Де Бройль представив електрони навколо атомів у вигляді хвиль, вигнутих в коло (рисунок нижче).

«Обертається» електрони, як стояча хвиля навколо ядра, (a) два циклу в орбіті, (b) три цикли в орбіті

Електрони можуть існувати тільки на певних, конкретних «орбітах» навколо ядра, тому що вони є єдиними відстанями, на яких кінці хвилі збігаються. При будь-якому іншому радіусі хвиля буде руйнівно стикатися сама з собою і, таким чином, перестане існувати.

Гіпотеза де Бройля дала як математичне забезпечення, так і зручну фізичну аналогію для пояснення квантових станів електронів усередині атома, але його модель атома була все ще неповною. Протягом декількох років фізики Вернер Гейзенберг і Ервін Шредінгер, працюючи незалежно один від одного, працювали над концепцією корпускулярно-хвильового дуалізму де Бройля, щоб створити більш суворі математичні моделі субатомних частинок.

Цьому теоретичному просуванню від примітивної моделі стоячій хвилі де Бройля до моделей матриці Гейзенберга і диференціального рівняння Шредінгера було дано назву квантова механіка, вона ввела досить шокуючу характеристику в світ субатомних частинок: ознаки ймовірності, або невизначеності. За новою квантової теорії, було неможливо визначити точне положення і точний імпульс частинки в один момент. Популярне пояснення цього «принципу невизначеності» полягало в тому, що існувала похибка вимірювання (тобто, намагаючись точно виміряти положення електрона, ви заважаєте його імпульсу, і, отже, не можете знати, що було до початку вимірювання положення, і навпаки). Сенсаційний висновок квантової механіки полягає в тому, що частинки не мають точних положень і імпульсів, і через зв'язок цих двох величин їх сукупна невизначеність ніколи не зменшиться нижче певного мінімального значення.

Ця форма зв'язку «невизначеності» існує і в інших областях, крім квантової механіки. Як обговорювалося в розділі «Сигнали змінного струму змішаної частоти» томи 2 цієї серії книг, є взаємовиключні зв'язку між упевненістю в даних тимчасової області форми сигналу і його даними в частотної області. Простіше кажучи, чим більше ми знаємо його складові частоти, тим менш точно ми знаємо його амплітуду в часі, і навпаки. Цитую себе:

Сигнал нескінченної тривалості (нескінченну кількість циклів) може бути проаналізований з абсолютною точністю, але чим менше циклів є комп'ютера для аналізу, тим менше точність аналізу ... Чим менше періодів сигналу, тим менше точність його частоти. Приймаючи цю концепцію до її логічного крайності, короткий імпульс (навіть не повний період сигналу) насправді не має певної частоти, являє собою нескінченний діапазон частот. Даний принцип є загальним для всіх хвильових явищ, а не тільки для змінних напруг і струмів.

Щоб точно визначити амплітуду мінливого сигналу, ми повинні виміряти його в дуже короткий проміжок часу. Однак виконання цього обмежує наші знання про частоту хвилі (хвиля в квантовій механіці не повинна бути подібно синусоїдальної хвилі; таке подобу є окремим випадком). З іншого боку, щоб визначити частоту хвилі з великою точністю, ми повинні вимірювати його протягом великої кількості періодів, а значить, ми втратимо з поля зору його амплітуду в будь-який заданий момент. Таким чином, ми не можемо одночасно знати миттєву амплітуду і все частоти будь-хвилі з необмеженою точністю. Ще одна дивина, ця невизначеність набагато більше неточності спостерігача; вона знаходиться в самій природі хвилі. Це не так, хоча можна б, з огляду на відповідні технології, забезпечити точні вимірювання і миттєвої амплітуди, і частоти одночасно. В буквальному сенсі, Хвиля не може точну миттєву амплітуду і точну частоту одночасно.

Мінімальна невизначеність положення частинки і імпульсу, виражена Гейзенбергом і Шредінгер, не має нічого спільного з обмеженням у вимірі; скоріше це внутрішня властивість природи корпускулярно-хвильового дуалізму частинки. Отже, електрони насправді не існують в своїх «орбітах» як точно визначені частки матерії або навіть як точно певні форми хвиль, а скоріше як «хмари» - технічний термін хвильової функції розподілу ймовірності, як якщо б кожен електрон був «розсіяний» або «розмазаний» в діапазоні положень і імпульсів.

Цей радикальний погляд на електрони, як на невизначені хмари спочатку суперечить споконвічного принципу квантових станів електронів: електрони існують в дискретних, визначених «орбітах» навколо ядра атома. Цей новий погляд, в кінці кінців, був відкриттям, яке призвело до утворення і поясненню квантової теорії. Як дивно здається, що теорія, створена для пояснення дискретного поведінки електронів, закінчується, оголосивши, що електрони існують як «хмари», а не як окремі шматочки матерії. Проте, квантове поведінка електронів залежить не від електронів, що мають певні значення координат і імпульсу, а від інших властивостей, званих квантовими числами. По суті, квантова механіка обходиться без поширених понять абсолютного положення і абсолютного моменту, а замінює їх абсолютними поняттями таких типів, у яких немає аналогів в загальній практиці.

Навіть якщо електрони, як відомо, існують в безтілесних, «хмарних» формах розподіленої ймовірності, а не у вигляді окремих частин матерії, ці «хмари» мають дещо інші характеристики. Будь-електрон в атомі може бути описаний чотирма числовими заходами (згаданими раніше квантовими числами), які називаються головне (радіальне), орбітальне (азимутальное), магнітне і спіновий числа. Нижче представлений короткий огляд значення кожного з цих чисел:

Головне (радіальне) квантове число: Позначається буквою n, Це число описує оболонку, на якій перебуває електрон. Електронна «оболонка» являє собою область простору навколо ядра атома, на якій електрони можуть існувати, відповідаючи моделям стабільною «стоячій хвилі» де Бройля і Бора. Електрони можуть «стрибати» з оболонки на оболонку, але не можуть існувати між ними.

Головне квантове число повинне бути позитивним цілим числом (більшим чи рівним 1). Іншими словами, головне квантове число електрона не може бути 1/2 або -3. Ці цілі числа були вибрані не довільно, а через експериментальні докази світлового спектру: різні частоти (кольори) світла, що випромінюються збудженими атомами водню, слідують математичної залежності, яка залежить від конкретних цілих значень, як показано на малюнку нижче.

Кожна оболонка має здатність утримувати кілька електронів. В якості аналогії для електронних оболонок можна привести концентричні ряди сидінь в амфітеатрі. Так само, як людина, що сидить в амфітеатрі, повинен вибрати ряд, щоб сісти (він не може сісти між рядів), електрони повинні «вибрати» конкретну оболонку, щоб «сісти». Як і ряди в амфітеатрі, крайні оболонки утримують більше електронів в порівнянні з оболонками ближче до центру. Також електрони прагнуть знайти найменшу доступну оболонку, як люди в амфітеатрі шукають місце, найближчим до центральної сцени. Чим вище номер оболонки, тим більше енергії у електронів на ній.

Максимальна кількість електронів, яке будь-яка оболонка може утримувати, описується рівняння 2n 2, де n - головне квантове число. Таким чином, перша оболонка (n \u003d 1) може містити 2 електрона; друга оболонка (n \u003d 2) - 8 електронів; і третя оболонка (n \u003d 3) - 18 електронів (малюнок нижче).

Головне квантове число n і максимальна кількість електронів пов'язані формулою 2 (n 2). Орбіти не в масштабі.

Електронні оболонки в атомі були позначаються буквами, а не цифрами. Перша оболонка (n \u003d 1) була позначена K, друга оболонка (n \u003d 2) L, третя оболонка (n \u003d 3) M, четверта оболонка (n \u003d 4) N, п'ята оболонка (n \u003d 5) O, шоста оболонка ( n \u003d 6) P, і сьома оболонка (n \u003d 7) B.

Орбітальний (азимутальное) квантове число: Оболонка, що складається з подоболочек. Комусь може бути зручніше думати про подоболочкі як про простих секціях оболонок, як смуги ділять дорогу. Подоболочкі набагато більш дивні. Подоболочкі - це області простору, де можуть існувати електронні «хмари», і насправді різні подоболочки мають різні форми. Перша подоболочка в формі кулі (малюнок нижче (s)), який має сенс, коли візуалізується у вигляді електронної хмари, навколишнього ядро \u200b\u200bатома в трьох вимірах.

Друга подоболочка нагадує гантель, що складається з двох «пелюсток», з'єднаних в одній точці недалеко від центру атома (малюнок нижче (p)).

Третя подоболочка зазвичай нагадує набір з чотирьох «пелюсток», згрупованих навколо ядра атома. Ці форми подоболочек нагадують графічні зображення діаграм спрямованості антен з пелюстками, схожими на цибулини, що тягнуться від антени в різних напрямках (малюнок нижче (d)).

орбіталі:
(S) триразова симетричність;
(P) Показана: p x, одна з трьох можливих орієнтацій (p x, p y, p z), уздовж відповідних осей;
(D) Показана: d x 2 -y 2 схожа на d xy, d yz, d xz. Показана: d z 2. Кількість можливих d-орбіталей: п'ять.

Допустимими значеннями орбітального квантового числа є позитивні цілі числа, як і для головного квантового числа, але також включають в себе нуль. Ці квантові числа для електронів позначаються літерою l. Кількість подоболочек одно головному квантовому числу оболонки. Таким чином, перша оболонка (n \u003d 1) має одну подоболочкі з номером 0; друга оболонка (n \u003d 2) має дві подоболочки з номерами 0 і 1; третя оболонка (n \u003d 3) має три подоболочки з номерами 0, 1 і 2.

Стару угоду опису подоболочек використовувало літери, а не цифри. А цьому форматі, перша подоболочка (l \u003d 0) позначалася s, друга подоболочка (l \u003d 1) позначалася p, третя подоболочка (l \u003d 2) позначалася d, і четверта подоболочка (l \u003d 3) позначалася f. Букви прийшли від слів: sharp, principal, diffuse і fundamental. Ви як і раніше можете побачити ці позначення в багатьох періодичних таблицях, які використовуються для позначення електронної конфігурації зовнішніх ( валентних) Оболонок атомів.

(A) подання атома срібла по Бору,
(B) орбітальне уявлення Ag з поділом оболонок на подоболочки (орбітальне квантове число l).
Дана діаграма не має на увазі нічого про фактичний стан електронів, а представляє тільки енергетичні рівні.

Магнітне квантове число: Магнітне квантове число для електрона класифікує, орієнтацію фігури подоболочки електрона. «Пелюстки» подоболочек можуть бути спрямовані в декількох напрямках. Ці різні орієнтації називаються орбиталями. Для першої подоболочки (s; l \u003d 0), яка нагадує сферу, «напрямок» не вказується. Для другої (p; l \u003d 1) подоболочки в кожній оболонці, яка нагадує гантель, що вказує в трьох можливих напрямках. Уявіть три гантелі, пересічні на початку координат, кожна спрямована уздовж своєї осі в тривісною системі координат.

Допустимі значення для даного квантового числа складаються з цілих чисел, починаючи від -l до l, а позначається дане число як m l в атомній фізиці та l z в ядерній фізиці. Щоб розрахувати кількість орбіталей в будь-який подоболочкі, необхідно подвоїти номер подоболочки і додати 1, (2 ∙ l + 1). Наприклад, перша подоболочка (l \u003d 0) в будь-який оболонці містить одну орбіталь з номером 0; друга подоболочка (l \u003d 1) в будь-який оболонці містить три орбіталі з номерами 1, 0 і 1; третя подоболочка (l \u003d 2) містить п'ять орбіталей з номерами -2, -1, 0, 1 і 2; і так далі.

Як і головне квантове число, магнітне квантове число виникло прямо з експериментальних даних: ефект Зеемана, поділ спектральних ліній, піддаючи іонізований газ впливу магнітного поля, Звідси і назва «магнітне» квантове число.

Спіновий квантове число: Як і магнітне квантове число, дане властивість електронів атома було виявлено за допомогою експериментів. Ретельний нагляд спектральних ліній показало, що кожна лінія була насправді парою дуже близько розташованих ліній, було припущення, що ця так звана тонка структура була результатом кожного електрона, «що обертається» навколо своєї осі, як планета. Електрони з різним «обертанням» віддавали б трохи відрізняються частоти світла при порушенні. Концепція обертового електрона в даний час застаріла, будучи більш придатною для (неправильного) погляду на електрони, як на окремі частинки матерії, а не як на «хмари», але назва залишилася.

Спінові квантові числа позначаються як m s в атомній фізиці та s z в ядерній фізиці. На кожній орбіталі на кожній подоболочкі в кожній оболонці може бути два електрона, один зі спіном +1/2, а інший зі спіном -1/2.

Фізик Вольфганг Паулі розробив принцип, що пояснює впорядкованість електронів в атомі відповідно до цих квантовими числами. Його принцип, званий принципом заборони Паулі, Стверджує, що два електрона в одному атомі не можуть займати однакові квантові стану. Тобто, кожен електрон в атомі має унікальний набір квантових чисел. Це обмежує число електронів, які можуть займати будь-яку орбіталь, подоболочкі і оболонку.

Тут показано розташування електронів в атомі водню:

З одним протоном в ядрі, атом приймає один електрон для свого електростатичного балансу (позитивний заряд протона в точності врівноважується негативним зарядом електрона). Цей електрон знаходиться на нижній оболонці (n \u003d 1), першої подоболочкі (l \u003d 0), на єдиною орбіталі (просторова орієнтація) цієї подоболочки (m l \u003d 0), з значенням спина 1/2. Загальний метод опису цієї структури виконується за допомогою перерахування електронів відповідно до їх оболонками і подоболочкі згідно з угодою, званому спектроскопическим позначенням. У цьому позначенні, номер оболонки показується як ціле число, подоболочка як буква (s, p, d, f), і загальна кількість електронів в подоболочкі (всі орбіталі, все спини) як верхній індекс. Таким чином, водень з його єдиним електроном, розміщеним на базовому рівні, описується як 1s 1.

Переходячи до наступного атому (по порядку атомного номера), ми отримуємо елемент гелій:

Атом гелію складається з двох протонів в ядрі, а це вимагає два електрона, щоб збалансувати подвійний позитивний електричний заряд. Так як два електрона - один зі спіном 1/2 і іншої зі спіном -1/2 - знаходяться на одній орбіталі, електронна структура гелію не вимагає додаткових подоболочек або оболонок, щоб утримувати другий електрон.

Проте, атом, що вимагає три і більше електрона, потребуватиме додаткових подоболочкі, щоб утримувати всі електрони, так як тільки два електрони можуть знаходитися на нижній оболонці (n \u003d 1). Розглянемо наступний атом в послідовності збільшуються атомних номерів, літій:

Атом літію використовує частину ємності L оболонки (n \u003d 2). Ця оболонка насправді має загальну ємність величиною вісім електронів (максимальна ємність оболонки \u003d 2n 2 електронів). Якщо ми розглянемо структуру атома з повністю заповненою L оболонкою, ми побачимо, як все комбінації подоболочек, орбіталей і спинив зайняті електронами:

Часто, при призначенні атому спектроскопічного позначення, будь-які повністю заповнені оболонки пропускаються, а не заповнені оболонки і заповнені оболонки вищого рівня позначаються. Наприклад, елемент неон (показаний на малюнку вище), який має дві повністю заповнених оболонки, може бути спектрально описаний просто як 2p 6, а не як 1s 22 s 22 p 6. Літій з його повністю заповненою K-оболонкою і єдиним електроном на L-оболонці, може бути описаний просто як 2s 1, а не 1s 22 s 1.

Пропуск повністю заповнених оболонок нижнього рівня виконується не тільки для зручності запису. Він також ілюструє основний принцип хімії: хімічна поведінка елемента в першу чергу визначається його незаповненими оболонками. І водень, і літій мають на своїх зовнішніх оболонках одним електроном (as 1 і 2s 1 відповідно), тобто, обидва елементи мають схожі властивості. Обидва мають високою реакційною здатністю, і вступають в реакції майже однаковими способами (зв'язування з аналогічними елементами в аналогічних умовах). Не має великого значення, що літій має повністю заповнену K-оболонку під майже вільної L-оболонкою: незаповнена L-оболонка - це та оболонка, яка і визначає його хімічну поведінку.

Елементи, які мають повністю заповнені зовнішні оболонки, класифікуються як шляхетні й відрізняються майже повною відсутністю реакції з іншими елементами. Ці елементи класифікувалися як інертні, коли вважалося, що вони зовсім не вступають в реакції, але, як відомо, вони утворюють сполуки з іншими елементами при певних умовах.

Так як елементи з однаковими конфігураціями електронів в своїх зовнішніх оболонках мають подібні хімічні властивості, Дмитро Менделєєв відповідних чином організував хімічні елементи в таблиці. Дана таблиця відома як , І сучасні таблиці дотримуються цього загального вигляду, показаному на малюнку нижче.

Періодична таблиця хімічних елементів

Дмитро Менделєєв, російський хімік, був першим, хто розробив періодичну таблицю елементів. Незважаючи на те, що Менделєєв організував свою таблицю відповідно до атомною масою, а не атомним номером, і створив таблицю, яка була, не настільки корисна, як сучасні періодичні таблиці, його розробка виступає в Як відмінний приклад наукового доказу. Побачивши закономірності періодичності (аналогічні хімічні властивості відповідно до атомною масою), Менделєєв висунув гіпотезу, що всі елементи повинні вписуватися в цю впорядковану схему. Коли він виявив «порожні» місця в таблиці, він слідував логіці існуючого порядку і припустив існування ще невідомих елементів. Подальше відкриття Цих елементів підтвердило наукову правильність гіпотези Менделєєва, подальші відкриття привели до того виду періодичної таблиці, яку ми використовуємо зараз.

Ось так повинна працювати наука: гіпотези ведуть до логічними висновками і приймаються, змінюються або відхиляються в залежності від узгодженості експериментальних даних з їх висновками. Будь-який дурень може сформулювати гіпотезу постфактум, щоб пояснити наявні експериментальні дані, і багато хто так і роблять. Що відрізняється наукову гіпотезу від спекуляції постфактум, так це передбачення майбутніх експериментальних даних, які поки не зібрані, і, можливо, спростування в результаті цих даних. Сміливо ведіть гіпотезу до її логічного висновку (-ям) і спроба передбачити результати майбутніх експериментів це не догматичний стрибок віри, а скоріше публічна перевірка цієї гіпотези, відкритий виклик супротивникам гіпотези. Іншими словами, наукові гіпотези завжди «ризиковані» через спроби передбачити результати ще не проведених експериментів, і тому можуть бути спростовані, якщо експерименти пройдуть не так, як очікувалося. Таким чином, якщо гіпотеза правильно пророкує результати повторних експериментів, її хибність спростована.

Квантова механіка, спочатку як гіпотези, а потім в якості теорії, виявилася надзвичайно успішною в прогнозуванні результатів експериментів, отже, отримала високу ступінь наукового довіри. У багатьох вчених є підстави вважати, що це неповна теорія, так як її прогнози більше правдиві на микрофизических масштабах, а не в макроскопічних розмірах, але, тим не менш, це надзвичайно корисна теорія для пояснення і прогнозування взаємодії частинок і атомів.

Як ви вже побачили в цьому розділі, квантова фізика має важливе значення при описі і прогнозуванні безлічі різних явищ. У наступному розділі ми побачимо, її значення в електричної провідності твердих речовин, В тому числі і напівпровідників. Простіше кажучи, нічого в хімії або у фізиці твердого тіла не має сенсу в популярній теоретичної структурі електронів, що існують як окремі частинки матерії, що кружляють навколо ядра атом, як мініатюрні супутники. Коли електрони розглядаються як «хвильові функції», існуючі в певних, дискретних станах, які регулярні і періодичні, тоді поведінка речовини може бути пояснено.

Підведемо підсумки

Електрони в атомах існують в «хмарах» розподіленої ймовірності, а не як дискретні частинки матерії, що обертаються навколо ядра, як мініатюрні супутники, як показують поширені приклади.

Окремі електрони навколо ядра атом прагнуть до унікальних «станам», описуваних чотирма квантовими числами: головне (радіальне) квантове число, Відоме як оболонка; орбітальне (азимутальное) квантове число, Відоме як подоболочка; магнітне квантове число, що описує орбиталь (Орієнтацію подоболочки); і спіновий квантове число, або просто спин. Ці стани квантові, тобто «між ними» немає умов для існування електрона, крім станів, які вписуються в схему квантової нумерації.

Гланоє (радіальне) квантове число (n) описує базовий рівень або оболонку, на якій знаходиться електрон. Чим більше це число, тим більше радіус електронної хмари від ядра атома, і тим більше енергія електрона. Головні квантові числа є цілими числами (позитивними цілими)

Орбітальний (азимутальное) квантове число (l) описує форму електронної хмари в конкретній оболонці або рівні і часто відомо, як «подоболочка». У будь-якій оболонці стільки подоболочек (форм електронного хмари), яке головне квантове число оболонки. Азимутальні квантові числа - цілі позитивні числа, що починаються з нуля і закінчуються числом, меншим головного квантового числа на одиницю (n - 1).

Магнітне квантове число (m l) описує, яку орієнтацію має подоболочка (фігура електронного хмари). Подоболочкі можуть допускати стільки різних орієнтацій, чому дорівнює подвоєний номер подоболочки (l) плюс 1, (2l + 1) (тобто, для l \u003d 1, m l \u003d -1, 0, 1), і кожна унікальна орієнтація називається орбиталью. Ці числа - цілі числа, що починаються від від'ємного значення номера подоболочки (l) через 0 і закінчуються позитивним значенням номера подоболочки.

Спіновий квантове число (m s) описує інше властивість електрона і може приймати значення 1/2 і -1/2.

Принцип заборони Паулі каже, що два електрона в атомі не можуть розділяти один і той же набір квантових чисел. Отже, може бути не більше двох електронів на кожній орбіталі (спін \u003d 1/2 і спин \u003d -1 / 2), 2l + 1 орбіталей в кожній подоболочкі, і n подоболочек в кожній оболонці, і не більше.

спектроскопічне позначення - це угода для позначення електронної структури атома. Оболонки показуються як цілі числа, за ними слідують букви подоболочек (s, p, d, f) з числами в верхньому індексі, що позначають загальну кількість електронів, що знаходяться в кожній відповідній подоболочкі.

Хімічне поведінка атома визначається виключно електронами в незаповнених оболонках. Оболонки низького рівня, які повністю заповнені мало або зовсім не впливають на хімічні характеристики зв'язування елементів.

Елементи з повністю заповненими електронними оболонками майже повністю інертні, і називаються благородними елементами (раніше були відомі як інертні).

29.10.2016

Незважаючи на милозвучність і загадковість сьогоднішньої теми, ми постараємося розповісти, що вивчає квантова фізика, простими словами , Які розділи квантової фізики мають місце бути і навіщо потрібна квантова фізика в принципі.

Пропонований нижче матеріал доступний для розуміння будь-кому.

Перш ніж просторікувати про те, що вивчає квантова фізика, буде доречно згадати, з чого ж все починалося ...

До середини XIX століття людство впритул зайнялося вивченням проблем, вирішити які за допомогою залучення апарату класичної фізики було неможливо.

Ряд явищ здавалися «дивними». Окремі питання взагалі не знаходили відповіді.

У 1850-ті роки Вільям Гамільтон, вважаючи, що класична механіка не здатна точно описати рух світлових променів, пропонує власну теорію, що увійшла в історію науки під назвою формалізм Гамільтона-Якобі, в основі якої лежав постулат про хвильової теорії світла.

У 1885 р, посперечавшись з приятелем, швейцарський і фізик Йоганн Бальмер вивів емпірично формулу, яка дозволяла розрахувати довжини хвиль спектральних ліній з дуже високою точністю.

Пояснити причини виявлених закономірностей Бальмер тоді так і не зміг.

У 1895 р Вільгельм Рентген при дослідженні катодних променів відкрив випромінювання, назване їм X-променями (згодом перейменований в промені), що характеризувалися потужним проникаючим характером.

Ще через рік - в 1896 році - Анрі Беккерель, вивчаючи солі урану, відкрив мимовільне випромінювання з аналогічними властивостями. Нове явище було названо радіоактивністю.

У 1899 році було доведено хвильову природу рентгенівських променів.

Фото 1. Родоначальники квантової фізики Макс Планк, Ервін Шредінгер, Нільс Бор

1901 ий рік ознаменувався появою першої планетарної моделі атома, запропонованої Жаном Перреном. На жаль, вчений сам же відмовився від цієї теорії, не знайшовши їй підтвердження з позицій теорії електродинаміки.

Через два роки вчений з Японії Хантаро Нагаока запропонував чергову планетарну модель атома, в центрі якого повинна була знаходитися позитивно заряджена частинка, навколо якої по орбітах оберталися б електрони.

Ця теорія, однак, не враховувала випромінювання, що випускається електронами, а тому не могла, наприклад, пояснити теорію спектральних ліній.

Розмірковуючи над будовою атома, в 1904 році Джозеф Томсон вперше інтерпретував поняття валентності з фізичної точки зору.

Роком народження квантової фізики, мабуть, можна визнати 1900-ий, пов'язуючи з ним виступ Макса Планка на засіданні Німецького фізичного.

Саме Планк запропонував теорію, яка об'єднала безліч досі розрізнених фізичних понять, формул і теорій, включаючи постійну Больцмана, погоджує енергію і температуру, число Авогадро, закон зміщення Віна, заряд електрона, закон випромінювання -Больцмана ...

Їм же введено в обіг поняття кванта дії (друга - після постійної Больцмана - фундаментальна постійна).

Подальший розвиток квантової фізики прямо пов'язане з іменами Хендріка Лоренца, Альберта Ейнштейна, Ернста Резерфорда, Арнольда Зоммерфельда, Макса Борна, Нільса Бора, Ервіна Шредінгера, Луї де Бройля, Вернера Гейзенберга, Вольфганга Паулі, Поля Дірака, Енріко Фермі і багатьох інших чудових учених, творили в першій половині XX століття.

Вченим вдалося з небувалою глибиною пізнати природу елементарних частинок, вивчити взаємодії частинок і полів, виявити кварковую природу матерії, вивести хвильову функцію, пояснити фундаментальні поняття дискретності (квантування) і корпускулярно-хвильового дуалізму.

Квантова теорія як ніяка інша наблизила людство до розуміння фундаментальних законів світобудови, замінила звичні поняття більш точними, змусила переосмислити величезна кількість фізичних моделей.

Що вивчає квантова фізика?

Квантова фізика описує властивості матерії на рівні мікроявленій, досліджуючи закони руху мікрооб'єктів (квантових об'єктів).

Предмет вивчення квантової фізики складають квантові об'єкти, що володіють розмірами 10 -8 см і менше. це:

• молекули,
• атоми,
• атомні ядра,
• елементарні частинки.

Головні характеристики мікрооб'єктів - маса спокою і електричний заряд. Маса одного електрона (me) дорівнює 9,1 · 10 -28 м

Для порівняння - маса мюона дорівнює 207 me, нейтрона - +1839 me, протона один тисячу вісімсот тридцять шість me.

Деякі частинки взагалі не мають маси спокою (нейтрино, фотон). Їх маса становить 0 me.

Електричний заряд будь-якого мікрооб'єктів кратний величині заряду електрона, рівного 1,6 · 10 -19 Кл. Поряд із зарядженими існують нейтральні мікрооб'єкти, заряд яких дорівнює нулю.

Фото 2. Квантова фізика змусила переглянути традиційні погляди на поняття хвилі, поля і частинки

Електричний заряд складного мікрооб'єкт дорівнює алгебраїчній сумі зарядів складових його частинок.

До числа властивостей мікрооб'єктів відноситься спин (В дослівному перекладі з англійської - «обертатися»).

Його прийнято інтерпретувати як не залежить від зовнішніх умов момент імпульсу квантового об'єкта.

Спину складно підібрати адекватний образ в реальному світі. Його не можна представляти обертовим дзигою через його квантової природи. Класична фізика описати цей об'єкт не здатна.

Присутність спина впливає на поведінку мікрооб'єктів.

Наявність спина вносить суттєві особливості в поведінку об'єктів мікросвіту, велика частина яких - нестабільних об'єктів - мимовільно розпадається, перетворюючись на інші квантові об'єкти.

Стабільні мікрооб'єкти, до яких відносять нейтрино, електрони, фотони, протони, а також атоми і молекули, здатні розпадатися лише під впливом потужної енергії.

Квантова фізика повністю вбирає в себе класичну фізику, розглядаючи її своїм граничним випадком.

Фактично квантова фізика і є - в широкому сенсі - сучасною фізикою.

Те, що описує квантова фізика в мікросвіті, сприйняти неможливо. Через це багато положень квантової фізики важко представимо, на відміну від об'єктів, що описуються класичною фізикою.

Незважаючи на це нові теорії дозволили змінити наші уявлення про хвилях і частинках, про динамічний та імовірнісний описі, про безперервне і дискретно.

Квантова фізика - це не просто новомодна теорія.

Це теорія, яка зуміла передбачити і пояснити неймовірну кількість явищ - від процесів, що протікають в атомних ядрах, до макроскопічних ефектів в космічному просторі.

Квантова фізика - на відміну від фізики класичної - вивчає матерію на фундаментальному рівні, даючи інтерпретації явищ навколишньої дійсності, які традиційна фізика дати не здатна (наприклад, чому атоми зберігають стійкість або чи дійсно елементарні частинки є елементарними).

Квантова теорія дає нам можливість описувати світ більш точно, ніж це було прийнято до її виникнення.

Значення квантової фізики

Теоретичні напрацювання, які становлять сутність квантової фізики, застосовні для дослідження як неймовірно величезних космічних об'єктів, так і виключно малих за розмірами елементарних частинок.

квантова електродинаміка занурює нас в світ фотонів і електронів, роблячи акцент на вивченні взаємодій між ними.

Квантова теорія конденсованих середовищ поглиблює наші знання про надплинних рідинах, магнетиках, рідких кристалах, аморфних тілах, кристалах і полімерів.

Фото 3. Квантова фізика дала людству набагато більше точний опис навколишнього світу

Наукові дослідження останніх десятиліть зосереджені на вивченні кварковой структури елементарних частинок в рамках самостійної гілки квантової фізики - квантової хромодинаміки.

Нерелятівістская квантова механіка (Та, що знаходиться за рамками теорії відносності Ейнштейна) вивчає мікроскопічні об'єкти, що рухаються з умовно невисокою швидкістю (менше, ніж), властивості молекул і атомів, їх будова.

квантова оптиказаймається науковою опрацюванням фактів, пов'язаних з проявом квантових властивостей світла (фотохімічних процесів, теплового та вимушеного випромінювань, фотоефекту).

Квантова теорія поля є об'єднуючим розділом, що увібрали в себе ідеї теорії відносності і квантової механіки.

Наукові теорії, розроблені в рамках квантової фізики, надали потужний імпульс розвитку, квантової електроніки, техніки, квантової теорії твердого тіла, матеріалознавства, квантової хімії.

Без появи і розвитку зазначених галузей знання було б неможливе створення, космічних кораблів, атомних криголамів, мобільного зв'язку та багатьох інших корисних винаходів.

Ласкаво просимо на блог! Я дуже рада Вам!

Напевно Ви багато разів чули про непояснених таємниці квантової фізики і квантової механіки. Її закони заворожують містикою, і навіть самі фізики зізнаються, що до кінця не розуміють їх. З одного боку, цікаво зрозуміти ці закони, але з іншого боку, немає часу читати багатотомні і складні книги по фізиці. Я дуже розумію Вас, тому що теж люблю пізнання і пошук істини, але часу на все книги катастрофічно не вистачає. Ви не самотні, дуже багато допитливі люди набирають в пошуковому рядку: «квантова фізика для чайників, квантова механіка для чайників, квантова фізика для початківців, квантова механіка для початківців, основи квантової фізики, основи квантової механіки, квантова фізика для дітей, що таке квантова механіка ». Саме для Вас ця публікація.

Вам стануть зрозумілі основні поняття і парадокси квантової фізики. Зі статті Ви дізнаєтесь:

• Що таке інтерференція?
• Що таке спін і суперпозиція?
• Що таке «вимір» або «колапс хвильової функції»?
• Що таке квантова заплутаність (або Квантова телепортація для чайників)? (Див. Статтю)
• Що таке уявний експеримент «Кот Шредінгера»? (Див. Статтю)

Що таке квантова фізика і квантова механіка?

Квантова механіка - це частина квантової фізики.

Чому ж так складно зрозуміти ці науки? Відповідь проста: квантова фізика і квантова механіка (частина квантової фізики) вивчають закони мікросвіту. І закони ці абсолютно відрізняються від законів нашого макросвіту. Тому нам важко уявити те, що відбувається з електронами і фотонами в мікросвіті.

Приклад відмінності законів макро- і мікросвітів: В нашому макросвіті, якщо Ви покладете кулю в одну з 2-х коробок, то в одній з них буде порожньо, а в іншій - куля. Але в мікросвіті (якщо замість кулі - атом), атом може перебувати одночасно в двох коробках. Це багаторазово підтверджено експериментально. Чи не правда, важко це вмістити в голові? Але з фактами не посперечаєшся.

Ще один приклад. Ви сфотографували швидко мчиться червону спортивну машину і на фото побачили розмиту горизонтальну смугу, як ніби-машина в момент фото перебувала з декількох точках простору. Незважаючи на те, що Ви бачите на фото, Ви все одно впевнені, що машина в ту секунду, коли Ви ЇЇ фотографували перебувала в одному конкретному місці в просторі. У мікро ж світі все не так. Електрон, який обертається навколо ядра атома, насправді не обертається, а знаходиться одночасно у всіх точках сфери навколо ядра атома. На зразок намотанного нещільно клубка пухнастою вовни. Це поняття у фізиці називається «Електронним хмарою» .

Невеликий екскурс в історію. Вперше про квантовий світі вчені задумалися, коли в 1900 році німецький фізик Макс Планк спробував з'ясувати, чому при нагріванні метали змінюють колір. Саме він ввів поняття кванта. До цього вчені думали, що світло поширюється безперервно. Першим, хто серйозно сприйняв відкриття Планка, був нікому тоді невідомий Альберт Енштейн. Він зрозумів, що світло - це не тільки хвиля. Іноді він поводиться, як частка. Енштейн отримав Нобелівську премію за своє відкриття, що світло випромінюється порціями, квантами. Квант світла називається фотоном ( фотон, Вікіпедія) .

Для того, щоб легше було зрозуміти закони квантової фізики і механіки (Вікіпедія), Треба в певному сенсі абстрагуватися від звичних нам законів класичної фізики. І уявити, що Ви занирнул, як Аліса, в кролячу нору, в Країну чудес.

А ось і мультик для дітей і дорослих. Розповідає про фундаментальне експерименті квантової механіки з 2-ма щілинами і спостерігачем. Триває всього 5 хвилин. Подивіться його перед тим, як ми заглибимося в основні питання і поняття квантової фізики.

Квантова фізика для чайників відео. У мультику зверніть увагу на «око» спостерігача. Він став серйозною загадкою для вчених-фізиків.

Що таке інтерференція?

На початку мультика було показано на прикладі рідини, як поводяться хвилі - на екрані за пластиною зі щілинами з'являються чергуються темні і світлі вертикальні смуги. А в разі, коли в пластину «стріляють» дискретними частинками (наприклад, камінчиками), то вони пролітають крізь 2 щілини і потрапляють на екран прямо навпроти щілин. І «малюють» на екрані тільки 2 вертикальні смуги.

інтерференція світла - це «хвильовий» поведінку світла, коли на екрані відображається багато чергуються яскравих і темних вертикальних смуг. Ще ці вертикальні смуги називаються інтерференційної картиною.

У нашому макросвіті ми часто спостерігаємо, що світло поводиться, як хвиля. Якщо поставити руку навпроти свічки, то на стіні буде не чітка тінь від руки, а з розпливаються контурами.

Отже, не так вже все й складно! Нам зараз цілком зрозуміло, що світло має хвильову природу і якщо 2 щілини висвітлювати світлом, то на екрані за ними ми побачимо интерференционную картину. Тепер розглянемо 2-й експеримент. Це знаменитий експеримент Штерна-Герлаха (який провели в 20-х роках минулого століття).

В установку, описану в мультику, що не світлом світили, а «стріляли» електронами (як окремими частинками). Тоді, на початку минулого століття, фізики всього світу вважали, що електрони - це елементарні частинки матерії і повинні мати не хвильову природу, а таку ж, як камінчики. Адже електрони - це елементарні частинки матерії, правильно? Тобто, якщо ними «кидати» в 2 щілини, як камінцями, то на екрані за прорізами ми повинні побачити 2 вертикальні смужки.

Але ... Результат був приголомшливий. Вчені побачили интерференционную картину - багато вертикальних смужок. Тобто електрони, як і світло теж можуть мати хвильову природу, можуть интерферировать. А з іншого боку стало зрозуміло, що світло не тільки хвиля, але трохи і частка - фотон (з історичної довідки на початку статті ми дізналися, що за це відкриття Енштейн отримав Нобелівську премію).

Може пам'ятаєте, в школі нам розповідали на фізиці про «Корпускулярно-хвильовий дуалізм»? Він означає, що коли мова йде про дуже маленьких частинках (атомах, електронах) мікросвіту, то вони одночасно і хвилі, і частинки

Це сьогодні ми з Вами такі розумні і розуміємо, що 2 вище описаних експерименту - стрілянина електронами і освітлення щілин світлом - суть одне і теж. Тому що ми стріляємо по прорізах квантовими частинками. Зараз ми знаємо, що і світло, і електрони мають квантову природу, є і хвилями, і частинками одночасно. А на початку 20-го століття результати цього експерименту були сенсацією.

Увага! Тепер перейдемо до більш тонкому питання.

Ми світимо на наші щілини потоком фотонів (електронів) - і бачимо за щілинами на екрані інтерференційну картину (вертикальні смужки). Це зрозуміло. Але нам цікаво побачити, як пролітає кожен з електронів в прорізи.

Імовірно, один електрон летить в ліву проріз, інший - в праву. Але тоді повинні на екрані з'явитися 2 вертикальні смужки прямо навпроти прорізів. Чому ж виходить інтерференційна картина? Може електрони якось взаємодіють між собою вже на екрані після прольоту через щілини. І в результаті виходить така хвильова картина. Як нам за цим прослідкувати?

Будемо кидати електрони не пучком, а по одному. Кинемо, почекаємо, кинемо наступний. Тепер, коли електрон летить один, він вже не зможе взаємодіяти на екрані з іншими електронами. Будемо реєструвати на екрані кожен електрон після кидка. Один-два звичайно не "намалюють» нам зрозумілої картини. Але коли по одному відправимо в прорізи їх багато, то зауважимо ... о жах - вони знову «намалювали» интерференционную хвильову картину!

Починаємо повільно сходити з розуму. Адже ми очікували, що буде 2 вертикальні смужки навпаки щілин! Виходить, що коли ми кидали фотони по одному, кожен з них проходив, як би через 2 щілини одночасно і інтерферувати сам з собою. Фантастика! Повернемося до пояснення цього феномена в наступному розділі.

Що таке спін і суперпозиція?

Ми тепер знаємо, що таке інтерференція. Це хвильове поведінку мікро частинок - фотонів, електронів, інших мікро частинок (давайте для простоти з цього моменту називати їх фотонами).

В результаті експерименту, коли ми кидали в 2 щілини по 1 фотону, ми зрозуміли, що він пролітає як ніби через дві щілини одночасно. Інакше як пояснити интерференционную картину на екрані?

Але як уявити картину, що фотон пролітає крізь дві щілини одночасно? Є 2 варіанти.

• 1-й варіант: фотон, як хвиля (як вода) «пропливає» крізь 2 щілини одночасно
• 2-й варіант: фотон, як частка, летить одночасно по 2-м траєкторіях (навіть не за двома, а по всім відразу)

В принципі, ці твердження рівносильні. Ми прийшли до «інтегралу по траєкторіях». Це формулювання квантової механіки від Річарда Фейнмана.

До речі, саме Річарду Фейнману належить відомий вислів, що впевнено можна стверджувати, що квантову механіку не розуміє ніхто

Але це його вираз працювало на початку століття. Але ми то тепер розумні і знаємо, що фотон може вести себе і як частка, і як хвиля. Що він може якимось незрозумілим для нас способом пролітати одночасно через 2 щілини. Тому нам легко буде зрозуміти наступне важливе твердження квантової механіки:

Строго кажучи, квантова механіка каже нам, що така поведінка фотона - правило, а не виняток. Будь-яка квантова частинка знаходиться, як правило, в декількох станах або в декількох точках простору одночасно.

Об'єкти макросвіту можуть знаходиться тільки в одному певному місці і в одному певному стані. Але квантова частинка існує за своїми законами. І їй і справи немає до того, що ми їх не розуміємо. На цьому - крапка.

Нам залишається просто визнати, як аксіому, що «суперпозиція» квантового об'єкта означає те, що він може знаходиться на 2-х або більше траєкторіях одночасно, в 2-х або більше точках одночасно

Те ж стосується й іншого параметру фотона - спину (його власним кутовому моменту). Спін - це вектор. Квантовий об'єкт можна представити як мікроскопічний магнітик. Ми звикли, що вектор магніту (спін) або спрямований вгору, або вниз. Але електрон або фотон знову говорять нам: «Хлопці, нам плювати, до чого Ви звикли, ми можемо бути в обох станах спина відразу (вектор вгору, вектор вниз), точно так же, як ми можемо перебувати на 2-х траєкторіях одночасно або в 2-х точках одночасно! ».

Що таке «вимір» або «колапс хвильової функції»?

Нам залишилося небагато - зрозуміти ще, що таке «вимір» і що таке «колапс хвильової функції».

хвильова функція - це опис стану квантового об'єкта (нашого фотона або електрона).

Припустимо, у нас є електрон, він летить собі в невизначеному стані, спин його спрямований і вгору, і вниз одночасно. Нам треба виміряти його стан.

Виміряємо за допомогою магнітного поля: електрони, у яких спін був спрямований у напрямку поля, відхиляться в одну сторону, а електрони, у яких спін спрямований проти поля - в іншу. Ще фотони можна направляти в поляризаційний фільтр. Якщо спін (поляризація) фотона +1 - він проходить через фільтр, а якщо -1, то немає.

Стоп! Ось тут у Вас неминуче виникне питання: до вимірювання адже у електрона не було якогось конкретного напрямку спина, так? Адже він був у всіх станах одночасно?

У цьому-то і полягає фішка і сенсація квантової механіки. Доки Ви не вимірюєте стан квантового об'єкта, він може обертатися в обох напрямках (мати будь-який напрямок вектора власного кутового моменту - спина). Але в момент, коли Ви виміряли його стан, він наче приймає рішення, який вектор спина йому прийняти.

Ось такий крутий цей квантовий об'єкт - сам приймає рішення про свій стан. І ми не можемо заздалегідь передбачити, яке рішення він прийме, коли влетить в магнітне поле, в якому ми його вимірюємо. Імовірність того, що він вирішить мати вектор спина «вгору» або «вниз» - 50 на 50%. Але як тільки він вирішив - він знаходиться в певному стані з конкретним напрямом спина. Причиною його рішення є наше «вимір»!

Це і називається « колапсом хвильової функції ». Хвильова функція до вимірювання була невизначеною, тобто вектор спина електрона перебував одночасно у всіх напрямках, після вимірювання електрон зафіксував певний напрям вектора свого спина.

Увага! Відмінний для розуміння приклад-асоціація з нашого макросвіту:

Розкрутіть на столі монетку, як дзигу. Поки монетка крутитися, у нёё немає конкретного значення - орел чи решка. Але як тільки Ви вирішите «виміряти» це значення і приплесну монету рукою, ось тут-то і отримаєте конкретний стан монети - орел чи решка. А тепер уявіть, що це монета приймає рішення, яке значення Вам «показати» - орел чи решка. Приблизно також поводиться і електрон.

А тепер згадайте експеримент, показаний в кінці мультика. Коли фотони пропускали через щілини, вони вели себе, як хвиля і показували на екрані інтерференційну картину. А коли вчені захотіли зафіксувати (виміряти) момент прольоту фотонів через щілину і поставили за екраном «спостерігача», фотони стали вести себе, не як хвилі, а як частки. І «намалювали» на екрані 2 вертикальні смуги. Тобто в момент вимірювання або спостереження квантові об'єкти самі вибирають, в якому стані їм бути.

Фантастика! Чи не правда?

Але це ще не все. Нарешті ми добралися до самого цікавого.

Але ... мені здається, що вийде перевантаження інформації, тому 2 ці поняття ми розглянемо в окремих постах:

• Що таке ?
• Що таке уявний експеримент.

А зараз, хочете, щоб інформація розклалася по поличках? Подивіться документальний фільм, підготовлений Канадським інститутом теоретичної фізики. У ньому за 20 хвилин дуже коротко і в хронологічному порядку Вам розкажуть про всі відкриття квантової фізики, починаючи з відкриття Планка в 1900 році. А потім розкажуть, які практичні розробки виконуються зараз на базі знань з квантової фізики: від найточніших атомних годин до супершвидкісних обчислень квантового комп'ютера. Дуже рекомендую подивитися цей фільм.

До зустрічі!

Бажаю всім натхнення для всіх задуманих планів і проектів!

P.S.2 Пишіть Ваші питання і думки в коментарях. Пишіть, які ще питання по квантовій фізиці Вам цікаві?

P.S.3 Підписуйтесь на блог - форма для підписки під статтею.