Što je kvantna fizika s jednostavnim riječima. Kvantna fizika za lutke: bit s jednostavnim riječima

Quantum-mehanički pojmovi

Opisi prirode

U smislu, sve moderna fizika Postoji kvantna fizika! Ona je, u biti, rezultat je "najnovije revolucije u prirodnim znanosti".

Što studira kvantna fizika?

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

Koncept mikro pojasa jedan je od glavnih u kvantnoj fizici. To uključuje molekule, atome, atomske jezgre, elementarne čestice. Njihova karakteristična značajka je vrlo mala veličina - 10 ^ -8 cm i manje. Najvažnije karakteristike mikroizdava uključuju masu mira i električni naboj. Elektronska masa ME \u003d 9,1 · 10 ^ -28 g, proton ima masu 1836m, neutron - 1839 mi, Muon - 207Me. Fototon i neutrini nemaju mirske mase - to je nula. Veličina električnog naboja bilo kojeg mikrojekata je višestruka vrijednost punjenja elektrona jednaka 1,6 · 10 ^ -19 Cl. Uz naplaćene, neutralni mikrojekti postoje, čija je optužba nula. Električni naboj složenog mikrojekaćenja jednak je algebarskim suma optužbi komponenti njegovih čestica. Jedna od najvažnijih specifičnih karakteristika mikro-obrta je spin (s engleske riječi "rotiranje"). Iako se vrt interpretira kao okretni moment impulsa mikrojekadnog, koji nije povezan s njegovim kretanjem u cjelini, nepostojeći i neovisno o vanjskim uvjetima, ali to je nemoguće predstavljati kao rotirajući vrh. Ima čisto kvantnu prirodu - nema analoga u klasičnoj fizici. Prisutnost spina čini značajne značajke u ponašanju mikromirskih objekata.

Većina mikroizdava je nestabilna - spontano, bez ikakvih učinaka na dio, raspadaju se, okrećući se u druge, uključujući elementarne, čestice. Nestabilan je specifičan, ali ne i obvezno svojstvo mikroizdava. Uz nestabilno, tu su i stabilni mikrojekti: foton, elektron, proton, neutrini, stabilne atomske jezgre, atomi i molekule su uglavnom stanje.

Kvantna fizika je još uvijek teorijska zaklada Moderno učenje o strukturi i svojstvima tvari i polja.

Važno je shvatiti da kvantna fizika ne otkaže klasično i sadrži ga kao granični slučaj. Prilikom premještanja s mikroskopa na konvencionalne makroskopske objekte, njegovi zakoni postaju klasični, te je kvantna fizika postavila granice primjenjivosti klasične fizike. Prijelaz iz klasične fizike do Quantum je prijelaz na dublju razinu razmatranja materije.

Kvantna fizika postala je bitan korak u izgradnji moderne fizičke slike svijeta. Dopustila je predvidjeti i objasniti veliki broj različitih fenomena - od procesa koji se pojavljuju u atomima i atomske jezgre, na makroskopske učinke u krute tvari; Bez nje, to je nemoguće, kao što se sada pojavljuje, da razumijemo podrijetlo svemira. Raspon kvantne fizike je širok - od elementarnih čestica do prostora. Bez kvantne fizike, ne samo prirodna znanost nije nezamisliva, već i moderna tehnika.

Wikihow radi na načelu Wiki, što znači da mnogi od naših članaka napisao je nekoliko autora. Prilikom izrade ovog članka o svom uređivanju i poboljšanju radili su, uključujući anonimne, 11 osoba (a).

Kvantna fizika (to je kvantna teorija ili kvantni mehaničar) - to je odvojeni smjer fizike, koji se bavi opis ponašanja i interakcije materije i energije na razini elementarnih čestica, fotona i nekih materijala na vrlo niske temperature. Kvantno polje se definira kao "djelovanje" (ili u nekim slučajevima kutni zamah) čestice, koje je u veličini unutar granica male fizičke konstante, koja se naziva konstantna daska.

Koraci

stalni sanck

Počnite s proučavanjem fizičkog koncepta stalne daske. U kvantnoj mehanici, konstantna daska je kvantna djelovanja, koja se naziva h., Slično tome, za interakciju elementarnih čestica, kvantno trenutak impulsa - Ovo je smanjena remena (trajna remena podijeljena s 2 π) označena kao ħ I nazvali "h sa značajkom." Vrijednost konstantne daske je iznimno mala, kombinira trenutke impulsa i oznaka akcija koje imaju općenitiji matematički koncept. Ime kvantna mehanika To podrazumijeva da se neke fizičke količine poput trenutka impulsa mogu promijeniti samo diskretna, ne kontinuirano ( cm. Analogni) način.

• Na primjer, trenutak elektronskog impulsa vezanog na atom ili molekulu je kvantiziran i može uzeti samo vrijednosti višestruke od gore navedene konstantne daske. Ova kvantizacija povećava elektron orbital na nizu cjelokupnog primarnog kvantnog broja. Nasuprot tome, trenutak impulsa nepovezanih elektrona, koji se nalazi u blizini, nije kvantiziran. Konstantna ploča se također koristi u kvantnoj teoriji svjetlosti, gdje je svjetlo kvantno, a stvar je interakcija s energijom tranzicijom elektrona između atoma ili "kvantnog skoka" povezanog elektrona.
• Jedinice stalne daske također se mogu smatrati vremenom energije. Na primjer, u predmetu fizike elementarne čestice, virtualne čestice su predstavljene kao masa čestica koje spontano nastaju iz vakuuma u vrlo malom području i igraju ulogu u njihovoj interakciji. Granica života ovih virtualnih čestica je energija (masa) svake čestice. Kvantumska mehanika ima veliko područje subjekta, ali u svakom matematičkom dijelu postoji stalna daska.

1. Učite o teškim česticama. Teške čestice prolaze iz klasičnog do tranzicije kvantnog energije. Čak i ako slobodni elektron, koji ima neka kvantna svojstva (kao što je rotacija), kao nevezani elektron, prilazi atom i usporava (eventualno zbog emitiranja fotona), kreće se od klasičnog do kvantnog ponašanja, od svoje energije spušta se ispod ionizacije energije. Elektron se veže za atom i njegov trenutak pulsa u odnosu na atomsku kernel ograničena je kvantnom vrijednošću orbite, koju može zauzeti. Ova tranzicija je iznenadna. Može se usporediti s mehaničkim sustavom koji mijenja njegovo stanje od nestabilnog do stabilnog, ili njegovo ponašanje varira s jednostavnim kaotičnim ili se može usporediti s raketnim brodom, koji usporava i ide ispod brzine razdvajanja i zauzima okolo okolo neke zvijezde ili drugog nebeskog objekta. Za razliku od njih, fotoni (koji su bestežinski) takav tranzicija se ne provodi: oni jednostavno prelaze prostor nepromijenjen dok ne u interakciji s drugim česticama i ne nestaju. Ako pogledate noćno nebo, fotoni iz nekih zvijezda bez promjene letenja dugogodišnje godine, a zatim u interakciji s elektronom u molekuli vaše mrežnice, emitirajući vašu energiju, a zatim nestaju.

Mislim da možemo reći da nitko ne razumije kvantnu mehaniku

Fizičar Richard Feynman

Izjava da je izum poluvodičkih uređaja bio revolucija, neće biti pretjerana. To nije samo impresivno tehnološko postignuće, već je i popločao put za događaje koji zauvijek mijenjaju moderno društvo. Poluvodljivi uređaji koriste se u svim vrstama mikroelektronika uređaja, uključujući računala, pojedinačne vrste medicinske dijagnostike i medicinske opreme, popularnih telekomunikacijskih uređaja.

Ali iza ove tehnološke revolucije je još više, revolucija u općoj znanosti: regija kvantna teorija, Bez toga, skok u razumijevanju prirodnog svijeta, razvoj poluvodičkih uređaja (i naprednijih razvijenih elektroničkih uređaja) nikada ne bi bio moguć. Kvantna fizika je nevjerojatno složen dio znanosti. Ovo poglavlje daje se samo kratki pregled, Kada znanstvenici Fainman razini kažu da "nitko ne razumije [ovo]," možete biti sigurni da je to doista tema. Bez osnovnog razumijevanja kvantne fizike ili barem razumijevanja znanstvena otkrićaŠto je dovelo do njihovog razvoja, nemoguće je razumjeti kako i zašto poluvodički elektronički uređaji rade. Većina elektroničkih udžbenika pokušavaju objasniti poluvodiča sa stajališta "Klasične fizike", kao rezultat toga, što ih čini još više zbunjujuće razumjeti.

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

Atoma Rutherforda: Negativni elektroni rotiraju oko malog pozitivnog kernela

Male čestice materije zvani protoni i neutrona, čine središte atoma; elektroni Rotirajte kao planet oko zvijezde. Kernel nosi pozitivan električni naboj, zbog prisutnosti protona (neutroni nemaju električni naboja), dok je atoma balansiranje negativnog naboja u elektron-pokretnoj orbiti. Negativni elektroni privlače pozitivne protone, kao što su planeti privučeni snagom privlačnosti suncu, međutim, orbite su stabilne zbog kretanja elektrona. Mi smo dužni ovog popularnog modela atoma rada Ernesta Riantforda, koji je u oko 1911. godine eksperimentalno utvrdio da su pozitivne naknade atoma koncentrirani u sićušnom, gustom kernelu, a ne ravnomjerno raspoređena u promjeru, kao što je prethodno pretpostavljeno istraživač JJ Thomson.

Primjena pokusa raspršenja je bombardiranje fine zlatne folije pozitivno nabijene alfa čestice, kao što je prikazano na slici ispod. Mladi diplomirani studenti H. Geiger i E. Marsden dobili su neočekivane rezultate. Putakor kretanja nekih alfa čestica odbijena je na veliki kut. Neki alfa čestice su razbacane u suprotnom smjeru, pod kutom od gotovo 180 °. Većina čestica prolazila je kroz zlatnu foliju bez promjene staze, kao da folija uopće nije bila. Činjenica da je nekoliko alfa čestica doživjelo velika odstupanja u putanju kretanja, ukazuje na prisutnost jezgra s malim pozitivnim nabojem.

Rangeford Raspršivanje: hrpa alfa čestica rasipa finu zlatnu foliju

Iako je model Atomford atom potvrdio eksperimentalne podatke bolje od Thomsonovog modela, još uvijek je nesavršeno. Bilo je dodatnih pokušaja utvrđivanja strukture atoma, a ti napori pomogli utiru puta za čudna otkrića kvantne fizike. Danas je naše razumijevanje atoma malo teže. Ipak, unatoč revoluciji kvantne fizike i njezina doprinosa našem razumijevanju strukture atoma, slika Sunčevog sustava Rutherforda kao strukture atoma, prešao je u masovnu svijest do sada da ostane u poljima obrazovanje, čak i ako je neprikladno.

Razmotriti kratki opis elektroni u atomu preuzete iz popularnog elektronika udžbenika:

Rotirajući negativni elektroni privlače pozitivni kernel, koji nas vodi do pitanja zašto elektroni ne lete u jezgru atom. Odgovor je da rotirajući elektroni ostaju na stabilnoj orbiti zbog dvije jednake, ali suprotne sile. Centrifugalna sila koja djeluje na elektrone usmjerena je na vanjsku vanjsku stranu, a čvrstoća naboja optužbi pokušava privući elektrone u kernel.

U skladu s modelom Rutherford, autor smatra elektrone s čvrstim komadima materije koje se bave okruglim orbitama, njihova atrakcija iznutra na suprotno napunjenu kernelu uravnotežena je njihovom pokretom. Korištenje pojma "centrifugalna sila" je tehnički netočna (čak i za planete rotirajuće u orbitama), ali je lako oprostiti zbog popularnog usvajanja modela: u stvari, ne postoji takva stvar kao snaga, odbojanbilo tko Rotirajuće tijelo iz središta njegove orbite. Čini se da je to zato što je inercija tijela nastoji očuvati svoj pokret u ravnoj liniji, a budući da je orbita stalna odstupanja (ubrzanje) od ravnog pokreta, postoji stalna inercija opozicija bilo kojoj moći koja privlači tijelo U središtu orbite (centripetal), biti ta gravitacija, elektrostatska atrakcija ili čak napetost mehaničke veze.

Ipak, pravi problem s ovim objašnjenjem, prije svega, je ideja elektrona koji se kreću u kružnim orbitama. Dokazana činjenica da ubrzane električne naknade emitiraju elektromagnetsko zračenje, ta je činjenica bila poznata čak i tijekom refordford puta. Kao rotacijski promet To je oblik ubrzanja (rotirajući objekt u stalnom ubrzanju, vodeći objekt iz normalne ravne linije), elektroni u rotirajućem stanju moraju raspolagati zračenjem poput prljavštine od kotača buketa. Elektroni ubrzani u kružnim putanjem u akceleratorima čestica sinkrotroni, kao što znate, učinite to i rezultat se zove sinkrotronsko zračenje, Ako elektroni gube energiju na takav način, njihovi orbite bi u konačnici bili poremećeni, a kao rezultat toga bi se suočili s pozitivno nabijenom jezgrom. Međutim, unutar atoma obično se ne događa. Doista, elektronički "orbiti" su iznenađujuće otporniji u širokom rasponu uvjeta.

Osim toga, eksperimenti s "uzbuđenim" atomima pokazali su da je elektromagnetska energija emitira atom samo na određenim frekvencijama. Atomi su "uzbuđeni" vanjskim utjecajima, kao što je svjetlo, kao što je poznato da apsorbiraju energiju i vraćaju elektromagnetske valove na određene frekvencije, kao tankoard koji ne zvoni na određenoj frekvenciji dok ne pogodi. Kada je svjetlo emitirano od strane uzbuđenog atoma podijeljeno na komponentne frekvencije (boje), otkrivene su pojedinačne linije boja u spektru, uzorak spektralnih linija je jedinstven za kemijski element. Ovaj fenomen se obično koristi za identifikaciju kemijskih elemenata, pa čak i za mjerenje proporcija svakog elementa u spoju ili kemijskoj smjesi. Prema sunčev sustav Model Atomic Rangeford (s obzirom na elektrone, poput komada tvari slobodno rotirajući u orbiti s nekim radijusom) i zakonima klasične fizike, uzbuđeni atomi moraju vratiti energiju u praktički beskonačni frekvencijski raspon, a ne na odabranim frekvencijama. Drugim riječima, ako je reforeford model bio točan, ne bi bilo "Kametonon" učinak, a spektar boje emitira bilo koji atom bi izgledao kao kontinuirani pojas boja, a ne kao nekoliko odvojenih linija.

Borov model atoma vodika (s orbita nacrtanim u mjerilu podrazumijeva pronalazak elektrona samo u diskretnim orbitama. Elektroni se kreću s n \u003d 3,4,5 ili 6 do N \u003d 2 prikazani su na nizu spektralnih linija Balmer

Istraživač pod nazivom Nils Bohr pokušao je poboljšati Rutherford model, nakon što je proučavao u Rutherford Laboratoriju nekoliko mjeseci 1912. godine. Pokušavajući se dogovoriti o rezultatima drugih fizičara (osobito, Max Planck i Albert Einstein), Bor je predložio da je svaki elektron imao određenu, specifičnu količinu energije i da su njihovi orbiti raspoređeni na takav način da svaki od njih može zauzeti Određena mjesta oko kernela poput kuglica fiksirana na kružnim stazama oko kernela, a ne tako slobodno kreću satelite, kao što je prethodno pretpostavljeno (crtanje gore). U odnosu na zakone elektromagnetizma i ubrzavanja optužbi, Bor se odnosio na "orbite" kao stacionarne državeIzbjegavati interpretaciju da su se kretali.

Iako je ambiciozan pokušaj promišljanja strukture atoma, koji je bio bliže eksperimentalnim podacima, i bio je važna prekretnica u fizici, ali nije dovršena. Njegova matematička analiza bila je bolje predviđena rezultatima eksperimenata u usporedbi s analizama proizvedenim u skladu s prethodnim modelima, ali i ostao bez odgovaranja na pitanja o pitanjima zašto Elektroni se trebaju ponašati na tako čudan način. Tvrdnja da su elektroni postojali u stacionarnim kvantnim stanjima oko kernela, korelirani s eksperimentalnim podacima boljim od modela Rostforda, ali nisu rekli da elektroni čine ove posebne države. Odgovor na ovo pitanje bio je doći iz drugog fizike Louis de brogly nakon desetak godina.

Debriel je predložio da elektroni poput fotona (čestice svjetlosti) imaju objekata čestica i svojstva valova. Oslanjajući se na ovu pretpostavku, predložio je da je analiza rotirajućih elektrona s gledišta valova bolje nego sa stajališta čestica, a može dati više razumijevanja o njihovoj kvantnoj prirodi. I doista, u razumijevanju, izveden je još jedan proboj.

Niz se vibrira na rezonantnoj frekvenciji između dvije fiksne točkice čini stojni val

Atom, prema de Brogle, sastojao se od stalnih valova, fenomena, dobro poznatog fizičarima u različitim oblicima. Kao tračni niz glazbenog instrumenta (crtanje iznad), vibrirajući na rezonantnoj frekvenciji, s "čvorovima" i "anti-nosom" u stabilnim mjestima duž njegove duljine. Debriel je predstavio elektrone oko atoma u obliku valova zakrivljenih u krugu (slika ispod).

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

Elektroni mogu postojati samo na određenim, specifičnim "orbitama" oko jezgre, jer su to jedine udaljenosti na kojima se krajevi valova podudaraju. Uz bilo koji drugi radijus, val će biti uništen sa sobom i tako će prestati postojati.

DE BROGLYA hipoteza dala je i matematičku podršku i praktičnu fizičku analogiju kako bi se objasnila kvantna stanja elektrona unutar atoma, ali je njegov atomski model još uvijek bio nepotpun. Već nekoliko godina fizike, Werner Geisenberg i Erwin Schrödinger, radeći samostalno međusobno, radio je na konceptu korpuskularnog vala dualizma de Broglie stvoriti strože matematičke modele subatomskih čestica.

Ova teorijska promocija iz primitivnog modela stojećeg vala de broglie na modele matrice Geisenberga i diferencijalna jednadžba Schrödinger je dobio ime kvantne mehanike, uveo je prilično šokantnu karakteristiku u svijet subatomskih čestica: znak vjerojatnosti ili nesigurnosti. Prema novoj kvantnoj teoriji, bilo je nemoguće odrediti točan položaj i točan puls čestice u jednom trenutku. Popularno objašnjenje ovog "načela neizvjesnosti" bilo je da je postojala pogreška mjerenja (to jest, pokušavajući točno izmjeriti položaj elektrona, ometate impuls, i stoga ne možete znati što je prije mjerenja položaj i obrnuto). Senzacionalni izlaz kvantne mehanike je da čestice nemaju točne položaje i impulse, a zbog spajanja ovih dvaju magnitude, njihova kumulativna nesigurnost nikada neće smanjiti ispod određene minimalne vrijednosti.

Ovaj oblik komunikacije "nesigurnost" postoji u drugim područjima, osim kvantne mehanike. Kao što je objašnjeno u poglavlju o "mješovitim frekvencijskim signalima" Tom 2 ovog serije knjiga, postoje međusobno isključive veze između povjerenja u vremensku domenu signalnog oblika i njezinih podataka u frekvencija, Jednostavno stavite, više znamo njegove komponente frekvencije, to manje točno znamo njegovu amplitudu na vrijeme, i obrnuto. Navodim se:

Signal beskonačnog trajanja (beskonačan broj ciklusa) može se analizirati s apsolutnom točnosti, ali su manji ciklusi dostupni na računalu za analizu, a manje točnost analize ... manje signalne periode, to je manje točnost njezina frekvencija. Uzimajući ovaj koncept na svoje logično ekstremno, kratkog impulsa (čak ni potpuno razdoblje signala) ne ima određenu frekvenciju, je beskonačni frekvencijski raspon. Ovo načelo je zajedničko svim valnim fenomenima, a ne samo za napone i struje.

Da bismo točno odredili amplitudu promjenjivog signala, moramo je izmjeriti u vrlo kratkom vremenskom razdoblju. Međutim, izvršenje tog ograničenja našeg znanja o učestalosti vala (val u kvantnoj mehanici ne bi trebalo biti slično sinužljivom valu; takva je sličnost poseban slučaj). S druge strane, odrediti učestalost vala s velikom točnošću, moramo ga izmjeriti unutar veliki broj Razdoblja, što znači da ćemo izgubiti iz vida svoje amplitude u bilo kojem trenutku. Dakle, ne možemo istovremeno znati trenutnu amplitudu i sve frekvencije bilo kojeg vala s neograničenom točnosti. Još jedna neobičnost, ova nesigurnost je mnogo više netočnosti promatrača; Upravo u samoj prirodi vala. To nije slučaj, iako bi bilo, s obzirom na relevantne tehnologije, pružiti točna mjerenja i trenutnu amplitudu i frekvencije u isto vrijeme. U doslovni osjećajVal ne može biti točna trenutna amplituda i točna frekvencija u isto vrijeme.

Minimalna nesigurnost položaja čestice i impulsa, izražena od strane Heisenberg i Schrödingera, nema nikakve veze s granicom za mjerenje; Umjesto toga, to je unutarnje imovine prirode dualizma čestice korpuskularnog vala. Prema tome, elektroni zapravo ne postoje u svojim "orbitama" kao točno određene čestice materije ili čak definiranih valova, nego kao "oblaci" - tehnički pojam funkcija valova Distribucija vjerojatnosti, kao da je svaki elektron "raspršen" ili "razmazan" u rasponu pozicija i impulsa.

Ovaj radikalni pogled na elektrone, kao na nesigurnim oblacima, u početku proturječi početno načelo kvantnih elektronskih stanja: elektroni postoje u diskretnim definiranim "orbitama" oko atomske jezgre. Ovaj novi izgled, na kraju, bio je otkriće koje je dovelo do formiranja i objašnjenja kvantne teorije. Čudno se čini da je teorija stvorena da objasni diskretno ponašanje elektrona završava, izjavljujući da elektroni postoje kao "oblaci", a ne kao odvojeni komadi materije. Međutim, kvantno ponašanje elektrona ne ovisi o elektronima koji imaju određene vrijednosti koordinata i impulsa, ali iz drugih svojstava nazvanih kvantni brojevi, U biti, kvantna mehanika čini bez zajedničkih koncepata apsolutnog položaja i apsolutnog trenutka i zamjenjuje ih apsolutnim konceptima takvih vrsta koje nemaju analoga u općoj praksi.

Čak i ako se zna da elektroni postoje u neplodnosti, "oblak" oblika distribuirane vjerojatnosti, a ne u obliku pojedinih dijelova materije, ovi "oblaci" imaju nekoliko drugih karakteristika. Bilo koji elektron u atomu može se opisati četiri brojčane mjere (spomenutih kvantnih brojeva), koji se nazivaju glavna stvar (radijalno), orbital (azimutska), magnetski i spin brojevi. Slijedi kratak pregled svakog od ovih brojeva:

Glavni (radijalni) kvantni broj: označeno pismom n.Ovaj broj opisuje školjku na kojoj se nalazi elektron. Elektronska "ljuska" predstavlja područje prostora oko atoma jezgri, na kojem elektroni mogu postojati, što odgovara modelima stabilnog "stojećeg vala" de Broglie i Bohr. Elektroni mogu "skočiti" iz ljuske na ljusci, ali ne mogu postojati između njih.

Glavni kvantni broj trebao bi biti pozitivan cijeli broj (veliki ili jednak 1). Drugim riječima, glavni kvantni broj elektrona ne može biti 1/2 ili -3. Ovi cijeli brojevi su odabrani ne proizvoljno, ali kroz eksperimentalne dokaze o svjetlom spektra: različite frekvencije (boje) svjetlosti koje emitiraju uzbuđeni atomi vodika slijede matematičku ovisnost, ovisno o specifičnim cijelim vrijednostima, kao što je prikazano na slici u nastavku.

Svaka ljuska ima mogućnost održavanja nekoliko elektrona. Koncentrični redovi sjedala u amfiteatru mogu se dovesti kao analogija za elektroničke školjke. Baš kao što osoba koja sjedi u amfiteatru mora odabrati red da sjedne (ne može sjediti između redaka), elektroni moraju "izabrati" određenu ljusku "sjesti". Kao redovi u amfiteatru, ekstremne školjke drže više elektrona u usporedbi s granatama bliže centru. Također, elektroni nastoje pronaći najmanju pristupačnu ljusku, jer ljudi u amfiteatru traže mjesto najbliže središnjoj sceni. Što je veći broj ljuske, to je veća energija elektrona na njemu.

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

Glavni kvantni broj n i maksimalni iznos Elektroni su povezani s formulom 2 (n2). Orbita nisu razmjera.

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

Kvantni broj orbitalnog (azimutalnog): Ljuska, koja se sastoji od podmornice. Netko može biti prikladniji za razmišljanje o podzemnim brodovima kao jednostavnim dijelovima školjki, kao što su pruge koje dijele cestu. Podmornica je mnogo čudna. Podmorke su područja prostora gdje mogu postojati elektronički "oblaci", a zapravo razne podblicas imaju različite oblike. Prva podmornica u obliku kugle (slika ispod (s)), što ima smisla kada se vizualizira kao elektronski oblak koji okružuje atomsku jezgru u tri dimenzije.

Druga podmornica podsjeća na bućicu koji se sastoji od dvije "latice", spojene u jednom trenutku u blizini središta atoma (slika ispod (p)).

Treća podmornica obično podsjeća na skup četiriju "latica" grupiranih oko jezgre atoma. Ovi oblici podmorstruka nalikuju grafičkim slikama antenskog uzorka antena s laticama sličnim granicama koje se protežu od antene u različitim smjerovima (slika ispod (d)).

Orbital:
(s) tri vremenska simetrija;
(p) prikazano: P x, jedan od tri moguća orijentacija (p x, p, p z), duž relevantnih osi;
(d) Prikaz: D x 2-Y 2 je sličan D XY, D Yz, D XZ. Prikazano: D Z 2. Broj mogućih D-orbitala: pet.

Dopuštene vrijednosti orbitalnog kvantnog broja su pozitivne cijele brojeve, kao i za glavni kvantni broj, ali uključuju i nulu. Ovi kvantni brojevi za elektrone označene su slovom L. Broj predgrađa je jednak glavnom kvantnom broju ljuske. Dakle, prva ljuska (n \u003d 1) ima jedan subband s brojem 0; Druga ljuska (n \u003d 2) ima dva podmornice s brojevima 0 i 1; Treća ljuska (n \u003d 3) ima tri podmornice s brojevima 0, 1 i 2.

Stari opis ugovora podmornice koristio je slova, a ne brojeve. I ovaj format, prvi podmornica (L \u003d 0) je označen s, druga podmornica (L \u003d 1) je označen P, treća podmornica (L \u003d 2) je označena D, a četvrta podmornica (L \u003d 3) bila je određeni f. Slova su došla iz riječi: oštar., glavni, difuzan i temelj, Još uvijek možete vidjeti ove oznake u mnogim periodičnim tablicama koje se koriste za označavanje elektroničke konfiguracije vanjskog ( valentinovo) Atomske školjke.

(a) zastupljenost srebra atom na Boru,
(b) ag orbitalni prikaz s odvajanjem školjki na podmornici (orbitalni kvantni broj L).
Ovaj dijagram ne podrazumijeva ništa o stvarnom položaju elektrona, već predstavlja samo razinu energije.

Magnetski kvantni broj: Magnetski kvantni broj za elektronski klasificira, orijentaciju oblika elektronskog podmornice. "Latice" podslica se mogu usmjeriti u nekoliko smjerova. Ove različite orijentacije nazivaju se orbitalnim. Za prvu podmornicu (s; l \u003d 0), koji nalikuje sferi, "smjer" nije naveden. Za drugi (P; l \u003d 1), podmornice u svakoj ljusci, koja podsjeća na bučicu koji označava u tri moguća smjera. Prezentirajte tri bučice koja se sijeku na početku koordinata, svaki je usmjeren duž njegove osi u koordinatnom sustavu s tri osovine.

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

Kao i glavni kvantni broj, magnetski kvantni broj nastao je izravno iz eksperimentalnih podataka: učinak Zeemana, razdvajanja spektralnih linija, izlaganje ioniziranog plina magnetsko poljeOdavde i imena "magnetski" kvantni broj.

Spin kvantni broj: Kao i magnetski kvantni broj, ova imovina atomskih elektrona je otkrivena po eksperimentima. Pažljivo promatranje spektralnih linija pokazalo je da je svaki redak zapravo bio par vrlo blisko uređenih linija, to je pretpostavka da je to tzv. tanka struktura Bio je to rezultat svakog elektrona, "rotirajući" oko svoje osi, kao planet. Elektroni s različitim "rotacijskim" dali bi malo drugačiju frekvenciju svjetla pri uzbudljivu. Koncept rotirajućeg elektrona trenutno je zastario, koji je prikladniji za (pogrešno) da pogledamo elektrone, kao i na odvojenim česticama materije, a ne kao na "oblacima", ali ime ostaje.

Spin Quantum brojevi su naznačeni kao m S. u atomskoj fizici i s z. U nuklearnoj fizici. Na svakom orbitalnom na svakom podzemlju u svakoj školjci mogu postojati dva elektrona, jedan s leđima +1/2, a drugi s spin-1/2.

Fizičar Wolfgang Pauli razvio je načelo objašnjavajući naručivanje elektrona u atomu u skladu s tim kvantnim brojevima. Zove se njegov princip princip powlija zabrana, Tvrdi da dva elektrona u jednom atomu ne mogu zauzeti iste kvantne stanja. To jest, svaki elektron u atomu ima jedinstveni skup kvantnih brojeva. To ograničava broj elektrona koji mogu zauzeti bilo kakvu orbitalnu, podmornicu i ljusku.

Ovdje se prikazuje mjesto elektrona u atom vodika:

S jednim protonom u kernelu, atom uzima jedan elektron za svoju elektrostatičku ravnotežu (pozitivan naboj Protona je izjednačen zbog negativnog naboja elektrona). Ovaj elektron se nalazi na donjoj školjci (n \u003d 1), prvoj podmornici (l \u003d 0), na jedinoj orbitalnoj (prostorno orijentaciji) ove podmornice (m l \u003d 0), s vrijednošću spin 1/2 , Opći način opisivanja ove strukture provodi se prijenosom elektrona u skladu sa svojim školjkama i podređenosti prema sporazumu spektroskopska oznaka, U ovoj oznaci, broj ljuske prikazan je kao cijeli broj, podmornica kao slova (s, p, d, f) i ukupan broj elektrona u podmornici (sve orbitale, sve leđa) kao gornji indeks. Prema tome, vodik sa svojim jednim elektronom, postavljenim na osnovnoj razini, opisan je kao 1s 1.

Pretvaranje na sljedeći atom (po redu atomskog broja), dobivamo helij element:

Atom helij se sastoji od dva protona u kernelu, a to zahtijeva dva elektrona za uravnoteženje dvostrukog pozitivnog električnog naboja. Budući da su dva elektrona jedan s spin 1/2, a drugi s spin-1/2 - nalaze se na istoj orbitalnoj, elektronička struktura helija ne zahtijeva dodatne podmornice ili školjke za držanje drugog elektrona.

Međutim, atom koji zahtijeva tri ili više elektrona trebat će dodatne podloge za držanje svih elektrona, budući da samo dva elektrona može biti na donjoj ljusci (n \u003d 1). Razmotrite sljedeći atom u slijedu povećanja atomskih brojeva, Litij:

Litijev atoma koristi dio kapaciteta ljuske l (n \u003d 2). Ova ljuska zapravo ima ukupni kapacitet od osam elektrona (maksimalni kapacitet ljuske \u003d 2N 2 elektrona). Ako uzmemo u obzir strukturu atoma s potpuno napunjenim L ljuskom, vidjet ćemo kako sve kombinacije podmornica, orbitala i okretaja zauzimaju elektroni:

Često, kada se propisuju atom spektroskopske oznake, svaku popunjena školjke su preskočene i nisu ispunjene školjkama i ispunjenim školjkama viša razina određeni. Na primjer, neonski element (prikazan na gore navedenoj slici), koji ima dvije potpuno ispunjene školjke, mogu se spektralno opisati jednostavno kao 2P6, a ne kao 1S22S22P6. Litij s potpuno napunjenom K-ljuskom i jedini elektron na L-školi može se opisati jednostavno kao 2S1, a ne 1s22S1.

Preskoči potpuno ispunjene razine školjke se izvode ne samo za praktičnost. Također ilustrira osnovno načelo kemije: kemijsko ponašanje elementa prvenstveno se određuje njegovim neispunjenim školjkama. I vodik, a litij posjeduje na svojim vanjskim školjkama s jednim elektroma (kao 1 i 2S 1, odnosno), to jest, oba elementa imaju slična svojstva. Oba imaju visoku reaktivnost i reagira u gotovo istim metodama (vezanja za slične elemente u sličnim uvjetima). Nije bitno da litij ima potpuno napunjenu K-ljusku pod gotovo slobodnom L-ljuskom: Nepunjena L-ljuska je omotač, koji određuje njegovo kemijsko ponašanje.

Elementi koji su u potpunosti ispunili vanjske školjke klasificiraju se kao plemenito i razlikuju se u gotovo potpunom odsustvu reakcija s drugim elementima. Ovi elementi su klasificirani kao inertni kada se vjeruje da ne uopće ne mogu u reakciji, već, kao što je dobro poznato, oni oblikuju veze s drugim elementima pod određenim uvjetima.

Budući da su stavke s istim elektroni konfiguracije u svojim vanjskim školjkama slične kemijska svojstvaDmitry MendeleEV odgovarajući su organizirani kemijski elementi u tablici. Ova tablica je poznata kao I moderni tablice slijede ovaj zajednički tip prikazani na slici ispod.

Periodni sustav kemijskih elemenata

Dmitry Mendeleev, ruski kemičar, bio je prvi koji je razvio periodični stol elemenata. Unatoč činjenici da je Mendeleev organizirao svoj stol u skladu s atomskom masom, atomski broj i stvorio stol koji nije bio toliko koristan kao moderni periodični stolovi, njegov razvoj djeluje kao izvrstan primjer znanstvenih dokaza. Vidjeti obrasce periodičnosti (slična kemijska svojstva u skladu s atomskom masom), Mendeleev je gurnuo hipotezu da se svi elementi trebaju uklopiti u ovu naručenu shemu. Kada je otkrio "prazna" mjesta u stolu, slijedio je logiku postojećeg naloga i predložio postojanje drugih nepoznatih elemenata. Naknadno otkriće ETE elemenata potvrdilo je znanstvenu ispravnost hipoteze mendaleev, daljnja otkrića dovela do pojave periodnog sustava koji sada koristimo.

Kao ovo trebala bi Znanstveni rad: Hipoteze dovode do logičkih zaključaka i prihvaćaju se, mijenjaju ili odbijaju ovisno o konzistenciji eksperimentalnih podataka sa svojim zaključcima. Svaka budala može formulirati post-finu hipotezu kako bi objasnila postojeće eksperimentalne podatke, a mnogi to čine. Ono što se znanstvena hipoteza razlikuje od nagađanja nakon završetka je predviđanje budućih eksperimentalnih podataka, koji još nisu prikupljeni, a možda i pobijanja kao rezultat tih podataka. Hrabro, voditi hipotezu na logičan zaključak (i) i pokušati predvidjeti rezultate budućih eksperimenata, to nije dogmatski skok vjere, nego javna provjera ove hipoteze, otvoreni izazov protivnicima hipoteze. Drugim riječima, znanstvene hipoteze su uvijek "rizične" zbog pokušaja predviđanja rezultata još ne provedenih eksperimenata, te se stoga mogu opovrgnuti ako će eksperimenti proći kako je očekivalo. Dakle, ako hipoteza ispravno predviđa rezultate ponovljenih eksperimenata, njegova je neistina opovrgavana.

Kvantna mehanika, najprije kao hipoteze, a zatim kao teorija, pokazala se izuzetno uspješnim u predviđanju rezultata eksperimenata, stoga je dobio visok stupanj znanstvenog povjerenja. Mnogi znanstvenici imaju razloga vjerovati da je to nepotpuna teorija, budući da su njegove prognoze istinitije na mikrofizičkoj skali, a ne u makroskopskim veličinama, ali, ipak, to je izuzetno korisna teorija za objašnjavanje i predviđanje interakcije čestica i atoma ,

Kao što ste već vidjeli u ovom poglavlju, kvantna fizika je važna prilikom opisivanja i predviđanja raznih različitih fenomena. U sljedećem odjeljku, vidjet ćemo njegovo značenje u električnoj provodljivosti krutine, uključujući poluvodiča. Jednostavno stavite, ništa u kemiji ili fizici čvrst To ne ima smisla u popularnoj teorijskoj strukturi elektrona koji postoje kao zasebne čestice materije koje se vrte oko atoma jezgre kao minijaturni sateliti. Kada se elektroni tretiraju kao "funkcije valova" u određenim, diskretnim državama koje su redovito i periodično, onda se može objasniti ponašanje tvari.

Sažimajmo

Elektroni u atomi postoje u "oblacima" distribuirane vjerojatnosti, a ne kao diskretne čestice materije rotiraju oko kernela, kao minijaturni sateliti, kao i uobičajeni primjeri.

Odvojeni elektroni oko atom jezgre teže jedinstvenim "državama" opisanim po četiri kvantna broja: glavni (radijalni) kvantni broj, poznat kao ljuska; kvantni broj orbitalnog (azimutalnog), poznat kao ulje; magnetski kvantni brojkoji opisuje orbitalan (orijentacija podmornice); i spin kvantni brojili jednostavno spin, Ove države su kvantni, to jest, "između njih" nema uvjeta za postojanje elektrona, osim država koje se uklapaju u shemu kvantnog numeriranja.

Bloom (radijalni) kvantni broj (N) Opisuje osnovna razina Ili ljuska na kojoj se nalazi elektron. Što je veći taj broj veći, to je veći radijus elektroničkog oblaka iz jezgre atoma, i veća je elektronska energija. Glavni kvantni brojevi su cijeli brojevi (pozitivni cijeli brojevi)

Kvantni broj orbitalnih (azimutskog) kvantnog broja (L) Opisuje oblik elektroničkog oblaka u određenoj ljusci ili razini i često je poznat kao "podmornica". U bilo kojoj ljusci, toliko subcasa (oblika elektroničkog oblaka), koji je glavni kvantni broj ljuske. Azimutalni kvantni brojevi su cijeli pozitivni brojevi koji počinju s nulom i završavaju s brojem manje od glavnog kvantnog broja po jedinici (n - 1).

Magnetski kvantni broj (M L) Opisuje koja je orijentacija podmornica (elektronička slika oblaka). Podmornica može dopustiti toliko različitih orijentacija, što je jednak dvostrukom broju podmornice (L) plus 1, (2L + 1) (tj. Za L \u003d 1, M L \u003d -1, 0, 1), i svaka jedinstvena orijentacija naziva se orbitalna. Ovi brojevi su cijeli brojevi počevši od negativne vrijednosti podmorskog broja (L) do 0 i završavaju pozitivnom vrijednošću podmorskog broja.

Spin Quantum broj (M s) Opisuje još jednu imovinu elektrona i može uzeti +1/2 i -1/2 vrijednosti.

Princip powlija zabrana Kaže da dva elektrona u atomu ne mogu razdvojiti isti skup kvantnih brojeva. Stoga, ne može biti više od dva elektrona na svakom orbitalnom (spin \u003d 1/2 i spin \u003d -1 / 2), 2L + 1 orbitale u svakoj podmornici, i n podmornica u svakoj ljusci i više.

Spektroskopska oznaka - To je sporazum o označavanju elektroničke strukture atoma. Školjke su prikazane kao cijeli brojevi, nakon čega slijede slova podmornica (s, p, D, f) s brojevima u gornjem indeksu, označavajući ukupan broj elektrona u svakoj prikladnoj podmornici.

Kemijsko ponašanje atoma određuje se isključivo elektronima u nepopunjenim školjkama. Niske razine školjke koje su potpuno ispunjene s malo ili ne utječu na kemijske karakteristike vezanja elemenata.

Elementi s potpuno napunjenim elektronskim školjkama gotovo su potpuno inertni i nazivaju se plemenit Elementi (prethodno poznati kao inert).

29.10.2016

Unatoč zvučnosti i tajanstvenosti današnje teme, pokušat ćemo reći Što proučava kvantnu fiziku, jednostavne riječi Koji dijelovi kvantne fizike imaju mjesto za biti i zašto je potrebno kvantnu fiziku u načelu.

Materijal u nastavku je dostupan za razumijevanje bilo koga.

Prije raketa o tome što kvantna fizika uče, to će biti prikladno zapamtiti, zašto je sve počelo ...

Do sredine XIX stoljeća, čovječanstvo je usko studirao da prouči probleme, koji je, privlačenjem aparata klasične fizike, bilo nemoguće.

Brojne fenomene činilo se čudnim. Odvojena pitanja uopće nije pronašla odgovor.

1850-ih, William Hamilton, vjerujući da klasična mehanika ne može točno opisati kretanje svjetlosnih zraka, nudi vlastitu teoriju, koja je ušla u povijest znanosti nazvana formalizam Hamilton-Jacobija, koji se temeljio na postulatu val teoriju svjetlosti.

Godine 1885. tvrdeći s prijateljem, švicarskim i fizičarom Johann Balmer donio je empirijski formulu koja je omogućila valne duljine spektralnih linija s vrlo visokom točnošću.

Objasniti uzroke identificiranih zakona Balmer onda ne mogu.

Godine 1895., Wilhelm X-zrake, u proučavanju katodnih zraka, otvorili su zračenje pod nazivom X-zrake (naknadno preimenovan u zrake), karakteriziran snažnim prodornim karakterom.

Averen godinu dana kasnije - 1896. - Henri Becquer, proučavajući sol urana, otvorio spontano zračenje sa sličnim svojstvima. Novi fenomen zvao je radioaktivnost.

Godine 1899. dokazana je valna priroda X-zrake.

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

1901 godinu godina obilježila je izgled prvog planetarnog modela Atoma koji je predložio Jean Perenomom. Jao, znanstvenik sam odbio ovu teoriju, ne nalažu potvrdu sa stajališta teorije elektrodinamike.

Dvije godine kasnije znanstvenik iz Japana Hantaoka predložio je sljedeći planetarni model atoma, u središtu kojih je postojala pozitivno nabijena čestica, oko koje će se elektroni okretati u orbitama.

Ova teorija, međutim, nije uzimala u obzir emisiju emitiranih elektronima, i stoga ne može, na primjer, objasniti teoriju spektralnih linija.

Razmišljajući o strukturi atoma, 1904. godine, Joseph Thomson je prvi put protumačio koncept valencije s fizičkog stajališta.

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

To je bio plak koji je predložio da je teorija, ujedinjena skupom raspršenih fizičkih pojmova, formula i teorija, uključujući i boltzmannu trajnu, vezujući energiju i temperaturu, broj avogadra, zakon raseljavanja vina, elektronski naboj, zakon o zračenjem - Vittymann ...

Također je uveden u upotrebu koncepta kvantnog djelovanja (drugi - nakon stalnog boltzmann - temeljne konstantne).

Daljnji razvoj kvantne fizike izravno je povezan s imenima Hendrik Lorenz, Albert Einstein, Ernst Rutherford, Arnold Zommerfeld, Max Rođen, Nielsa Bora, Erwin Schrödinger, Louis de Broglie, Werner Geisenberg, Wolfgang Pauli, Dirac Field, Enricom Fermi i mnogi Drugi prekrasni znanstvenici, radili su u prvoj polovici 20. stoljeća.

Znanstvenici su uspjeli bez presedana dubine kako bi znali prirodu elementarnih čestica, proučavaju interakcije čestica i polja, kako bi se identificirale prirodu materije ,

Kvantna teorija kao nitko drugi nije donio čovječanstvo razumjeti temeljne zakone svemira, zamijenili uobičajene koncepte točnije, prisiljeni promisliti ogroman broj fizičkih modela.

Što studira kvantna fizika?

Kvantna fizika opisuje svojstva materije na razini mikrofinerije, istražujući zakone kretanja mikroizdava (kvantni objekti).

Predmet proučavanja kvantne fizike Komerirajte kvantne objekte s dimenzijama od 10 -8 cm i manje. To:

• molekule
• atomi
• atomske jezgre,
• elementarne čestice.

Glavne karakteristike mikroizdava se odmaraju i električni naboj. Masa jednog elektrona (ME) je 9,1 · 10 -28.

Za usporedbu - masa muona je 207 me, neutron - 1839 me, protona 1836 me.

Neke čestice uopće nemaju mirske mase (neutrino, foton). Njihova misa je 0 me.

Električna naknada za bilo koju mikrokna koint platformu elektrona jednaka 1,6 · 10 -19 Cl. Uz naplaćene, neutralni mikrojekti postoje, čija je optužba nula.

Fotografija 2. Kvantna fizika prisiljena revidirati tradicionalne poglede na koncepte valova, polja i čestica

Električni naboj složenog mikrojekaćenja jednak je algebarskim suma optužbi komponenti njegovih čestica.

Mikrozni svojstva uključuju spin (U doslovnom prijevodu s engleskog - "Rotiranje").

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

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

Prisutnost leđa utječe na ponašanje mikroizdava.

Prisutnost leđa čini značajne značajke u ponašanju mikromirnih objekata, od kojih je većina nestabilnih objekata - spontano se raspada, pretvara u druge kvantne objekte.

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

Kvantna fizika potpuno apsorbira klasičnu fiziku, uzimajući u obzir njezin granični slučaj.

Zapravo kvantna fizika je - u širokom smislu - modernoj fizici.

Ono što je opisano kvantnom fizikom u mikrometru ne može se percipirati. Zbog toga je teško zastupati mnoge odredbe kvantne fizike, za razliku od objekata opisanih klasičnom fizikom.

Unatoč tome, nove teorije omogućile su da promijene naše ideje o valovima i česticama, dinamičnom i probabilističkom opisu, kontinuirano i diskretno.

Kvantna fizika nije samo novooznatna teorija.

Ova teorija koja je uspjela predvidjeti i objasniti nevjerojatan broj fenomena - od procesa koji teče u atomskim jezgrama na makroskopski učinci u svemiru.

Kvantna fizika - za razliku od klasične fizike - proučava stvar na temeljnoj razini, dajući tumačenje ambijentalne stvarnosti, koja tradicionalna fizika ne može (na primjer, zašto atomi zadržavaju stabilnost ili jesu li elementarne čestice stvarno elementarne).

Quantum teorija daje nam priliku da opisuje svijet točnije nego što je napravljen prije nego što se dogodi.

Vrijednost kvantne fizike

Teorijska kretanja koja čine bit kvantne fizike primjenjuju se na proučavanje i nezamislivo ogroman prostorni objekt i iznimno malu veličinu elementarnih čestica.

Kvantna elektrodinamika Uronite nas u svijet fotona i elektrona, naglasak na proučavanje interakcija između njih.

Kvantna teorija kondenziranih medija Otišava naše znanje o superfluidnim tekućinama, magnetima, tekućim kristalima, amorfnim tijelima, kristalima i polimerima.

Fotografija 3. Kvantna fizika dala je čovječanstvu mnogo točniji opis okolnog svijeta

Znanstveni studiji posljednjih desetljeća usmjereni su na proučavanje strukture kvarkova elementarnih čestica u okviru neovisne grane kvantne fizike - kvantna kromodinamika.

Neurelativistička kvantna mehanika (Onaj je izvan okvira teorije Einsteinove relativnosti) proučavanje mikroskopskih objekata koji se kreću s uvjetno niskom brzinom (manje od), svojstva molekula i atoma, njihovu strukturu.

Kvantna optikabavi se znanstvenim prelazinjem činjenicama povezanim s manifestacijom kvantnih svojstava svjetla (fotokemijski procesi, toplinsko i prisilno zračenje, fotofobe).

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

Znanstvene teorije razvijene u okviru kvantne fizike dali su snažan poticaj za razvoj, kvantnu elektroniku, tehnologiju, kvantnu teoriju čvrstog tijela, znanosti materijala, kvantna kemija.

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

Dobro došli na blogu! Jako mi je drago!

Sigurno ste čuli mnogo puta na neobjašnjive tajne kvantne fizike i kvantne mehanike, Njezini zakoni fasciniraju mistike, pa čak i fizičari priznaju da ih ne razumiju u potpunosti. S jedne strane, znatiželjno je razumjeti te zakone, ali s druge strane, nema vremena za čitanje multi-volumena i sofisticirane knjige u fizici. Stvarno vas razumijem, jer volim i znanje i tražiti istinu, ali vrijeme za sve knjige je katastrofalno nedostaje. Niste sami, mnogo znatiželjni ljudi dobivaju u traku za pretraživanje: "kvantna fizika za čajne, kvantne mehanike za čajne, kvantnu fiziku za početnike, kvantnu mehaniku za početnike, osnove kvantne fizike, osnove kvantne mehanike, kvantna fizika za kvantnu fiziku za djeca, što je kvantna mehanika ". To je za vas ovu publikaciju.

Vi ćete biti shvaćeni od strane osnovnih pojmova i paradoksa kvantnih fizike. Iz članka ćete naučiti:

• Što je smetnje?
• Što je spin i superpozicija?
• Što je "mjerenje" ili "kolaps valne funkcije"?
• Što je kvantna konfuzija (ili kvantna teleportacija za lutke)? (vidi članak)
• Što je mentalni eksperiment "Schrödinger mačka"? (vidi članak)

Što je kvantna fizika i kvantna mehanika?

Kvantna mehanika dio je kvantne fizike.

Zašto je tako teško razumjeti te znanosti? Odgovor je jednostavan: kvantna fizika i kvantna mehanika (dio kvantne fizike) proučavaju zakone Micromyr. A ti se zakoni apsolutno razlikuju od zakona našeg makromira. Stoga nam je teško zamisliti što se događa s elektronima i fotonima u mikrometru.

Primjer razlike između zakona makro i Micromirova: U našem macromiru, ako stavite loptu u jednu od 2 kutije, onda u jednom od njih bit će prazna, a u drugoj - loptu. Ali u mikrometru (ako umjesto lopte - atom), atom može biti istovremeno u dvije kutije. To se više ponavljaju eksperimentalno. Je li to stvarno teško ga primiti u tvojoj glavi? Ali ne možete se raspravljati s činjenicama.

Još jedan primjer. Fotografirali ste brzo žuriti crveni sportski automobil i vidio zamagljenu horizontalnu traku na fotografiji, kao da je automobil u trenutku fotografije bio od nekoliko točaka prostora. Unatoč činjenici da vidite na fotografiji, još uvijek ste sigurni da je automobil u jednoj sekundi kada ste fotografirani na jednom određenom mjestu u prostoru, U svijetu mikroy, sve je u redu. Elektron koji se rotira oko jezgre atoma se ne okreće, već je u isto vrijeme u svim točkama sfere oko jezgre atoma. Kao ranjena labava tangler pahuljasta vuna. Ovaj koncept u fizici se zove "Elektronski oblak" .

Mali izlet u povijesti. Prvi put o kvantnom svijetu, znanstvenici su mislili kada je 1900. Njemački fizičar Max Planck pokušao saznati zašto, kada se zagrijavaju, metali mijenjaju boju. On je on uveo koncept kvantnog. Prije toga su znanstvenici smatrali da se svjetlo neprekidno primjenjuje. Prvi koji je ozbiljno percipirao otvaranje daske bilo je svakome onda nepoznata Albert Encan. Shvatio je da svjetlo nije samo val. Ponekad se ponaša kao čestica. Enstein je primio Nobelovu nagradu za njegovo otkriće da se svjetlo zrači porcijama, Quanta. Kvantum svjetlosti naziva se foton ( foton, wikipedia) .

Kako bi se olakšalo razumijevanje zakona kvantnog fizika i mehanika (Wikipedija), Potrebno je u smislu apstrakt iz uobičajenih zakona klasične fizike. I zamisliti da ste naišli, poput Alice, u zecu Nora, u zemlji čuda.

A evo crtića za djecu i odrasle. Razgovara o temeljnom eksperimentu kvantne mehanike s 2 mjesta i promatrača. Traje samo 5 minuta. Pogledajte ga prije nego se produpimo u glavnim pitanjima i konceptima kvantne fizike.

Kvantna fizika za videozapis, U crtiću obratite pozornost na "oka" promatrača. Postao je ozbiljan otajstvo za liječnike.

Što je smetnje?

Na početku crtića, prikazana je na primjeru tekućine, jer se valovi ponašaju - na ekranu se pojavljuju naizmjenične tamne i lake vertikalne pruge s utorima. U slučaju kada ploča "puca" diskretne čestice (na primjer, šljunak), lete kroz 2 mjesta i padaju na zaslon izravno nasuprot prazninama. I "crtanje" na zaslonu samo 2 vertikalne pruge.

Smetnje - Ovo je "val" ponašanje svjetlosti kada se na zaslonu prikazuju mnogo naizmjenične svijetle i tamne vertikalne pruge. Još uvijek te vertikalne pruge zove se uzorak smetnji.

U našem macromiru često ćemo promatrati da se svjetlo ponaša kao val. Ako stavite ruku ispred svijeće, onda zid neće biti jasna sjena ruke, nego s slomljenim konturama.

Dakle, sve nije teško! Sada nam je sasvim jasno da svjetlo ima valnu prirodu i ako postoje 2 mjesta za osvjetljavanje svjetlom, tada ćemo vidjeti smetnutu sliku na zaslonu. Sada razmislite o drugom eksperimentu. Ovo je poznati eksperiment Stern-Gerlacha (koji je proveo u 20-ih godina prošlog stoljeća).

Instalacija opisana u crtiću nije lagana, ali "ispaljena" s elektronima (kao zasebne čestice). Zatim, na početku prošlog stoljeća, fizika cijelog svijeta vjerovala je da su elektroni elementarne čestice materije i ne bi trebale imati valnu prirodu, ali isto kao i šljunak. Uostalom, elektroni su elementarne čestice materije, zar ne? To jest, ako "bacaju" u 2 pukotine, kao što su šljunak, onda na zaslonu za utore moramo vidjeti 2 vertikalne pruge.

Ali ... rezultat je bio zapanjujući. Znanstvenici su vidjeli smetnutu sliku - mnogo vertikalnih pruga. To jest, elektroni, kao i svjetlo, također mogu imati valnu prirodu, može ometati. A s druge strane, postalo je jasno da svjetlo nije samo val, već malo i čestica - foton (iz povijesne reference na početku članka doznali smo da je otvaranje Enstein primio Nobelovu nagradu) ,

Može se sjetiti, rečeno nam je u školi o fizici "Cijepljeni i valni dualizam"? To znači da kada je riječ o vrlo malim česticama (atomi, elektroni) mikrororbera, zatim oni su i valovi i čestice

Danas, danas smo tako pametni i razumijemo da je 2 iznad opisanog eksperimenta - snimanje elektrona i rasvjeta svjetla utora je bit iste stvari. Jer pucamo u utore kvantnih čestica. Sada znamo da svjetlo i elektroni imaju kvantnu prirodu, i valove i čestice u isto vrijeme. Početkom 20. stoljeća rezultati ovog eksperimenta bili su senzacija.

Pažnja! Sada ćemo doći do suptilnijeg problema.

Mi sjaji na našim pukotinama s protokom fotona (elektroni) - i vidjeti utora na uzorku smetnji zaslona (vertikalne pruge). Jasno je. Ali mi smo zainteresirani vidjeti kako svaki elektron leti u utoru.

Vjerojatno, jedan elektron leti u lijevi utor, drugi je u pravu. Ali tada se na zaslonu treba pojaviti 2 vertikalna traka na zaslonu izravno nasuprot utorima. Zašto je slika smetnja? Možda elektroni nekako djeluju međusobno na zaslonu nakon pada kroz utore. I kao rezultat toga, takva valna slika se dobiva. Kako trag?

Mi ćemo baciti elektrone ne gredu, ali jedan po jedan. Bacite, pričekajte, bacite sljedeće. Sada kada elektron leti jedan, on više neće komunicirati na zaslonu s drugim elektronima. Registrirat ćemo svaki elektron na zaslonu nakon bacanja. Jedna ili dva naravno ne "nacrtati" jasnu sliku. Ali kad ih šalju puno u slotovima, napominjemo ... oh horor - opet su "naslikali" smetnji val slika!

Počinjemo polako poludjeti. Uostalom, očekivali smo 2 vertikalne pruge nasuprot prazninama! Ispostavilo se da kada smo po jedan bacili fotone jedan po jedan, svaki od njih je prošlo, kao da nakon 2 pukotine istovremeno i ometaju samim sobom. Fikcija! Povratak na objašnjenje ovog fenomena u sljedećem odjeljku.

Što je spin i superpozicija?

Sada znamo što je smetnje. Ovo je ponašanje valova mikro čestica - fotona, elektrona, drugih mikro čestica (pozivamo ih fotone od ovog trenutka do jednostavnosti).

Kao rezultat eksperimenta, kada smo bacili u 2 utora 1 fotona, shvatili smo da leti kao da su dvije pukotine istovremeno. Inače, kako objasniti sliku smetnji na zaslonu?

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

• 1. Opcija: Photon, poput vala (poput vode) "pliva" kroz 2 mjesta u isto vrijeme
• 2. opcija: Foton, kao čestica, muha istovremeno na 2. trajektorije (čak ni dva, ali uopće odjednom)

U načelu ove izjave su ekvivalentne. Došli smo do "integrala na putanju." To je formulacija kvantne mehanike iz Richarda Feynmana.

Usput, to je Richard Feynman pripada poznatom izrazu pouzdano može tvrditi da kvantna mehanika ne razumije nikoga

Ali ovaj izraz radio je početkom stoljeća. Ali sada smo pametni i znamo da se foton može ponašati i kao čestica, i kao val. Da može nekako nerazumljiv da leti istovremeno nakon 2 mjesta. Stoga ćemo lako razumjeti sljedeću važnu tvrdnju kvantne mehanike:

Strogo govoreći, kvantni mehaničar nam govori što je ponašanje fotona - pravilo, a ne iznimka. Bilo koja kvantna čestica je obično u nekoliko stanja ili na nekoliko mjesta prostora u isto vrijeme.

Macromir objekti mogu biti samo na jednom specifičnom mjestu u jednom specifičnom stanju. Ali kvantna čestica postoji u svojim zakonima. A ona i stvari nisu prije nego ih ne razumijemo. Na ovome - točku.

Trebali bismo jednostavno prepoznati kao aksiom da se "superpozicija" kvantnog objekta znači da se može u isto vrijeme biti na 2 ili više putanja, u 2 ili više bodova u isto vrijeme

Isto vrijedi i za drugi parametar fotona (vlastiti kutni moment). Spin je vektor. Kvantni objekt može biti predstavljen kao mikroskopski magnet. Navikni smo da je magnetni vektor (spin) ili usmjeren prema gore, ili dolje. No, elektron ili foton ponovno nam recite: "Dečki, mi je stalo do onoga što ste navikli, možemo biti u obje države leđa odmah (vektor, vektor dolje), baš kao što možemo biti na 2 putanja u isto vrijeme ili u 2-mjesta u isto vrijeme! "

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

Ostavili smo malo - razumjeti više što je "mjerenje" i što je "kolaps funkcije vala".

Funkcija vala - Ovo je opis statusa kvantnog objekta (naš foton ili elektron).

Pretpostavimo da imamo elektron, on leti sebi U neodređenom stanju, spin je usmjeren i gore, i dolje u isto vrijeme, Moramo izmjeriti njegovo stanje.

Mjeramo pomoću magnetskog polja: elektroni u kojima je okretan prema smjeru polja, odstupao u jednom smjeru, a elektroni čiji je spin usmjeren na polje na drugo. Više fotona može se poslati na polarizacijski filtar. Ako je spin (polarizacija) fotona +1 - prolazi kroz filtar, i ako -1, tada ne.

Stop! Ovdje ćete neizbježno imati pitanje: Prije mjerenja, jer elektron nije imao određeni smjer leđa, zar ne? Bio je u svim državama u isto vrijeme?

Ovo je čip i osjećaj kvantne mehanike, Dok ne izmjerite status kvantnog objekta, može se rotirati u bilo kojem smjeru (imati bilo koji smjer vektora vlastitog kutnog zamaha - spin). No, u trenutku kada ste izmjerili njegovo stanje, čini se da donosi odluku, kakav vektor za spin.

Ovdje je tako cool, ovaj kvantni objekt - odlučuje o njegovom stanju. I ne možemo unaprijed predvidjeti kakvu odluku koju će uzeti kada leti u magnetsko polje u kojem ga mjerimo. Vjerojatnost da će odlučiti imati vektor "gore" ili "dolje" - 50 za 50%. Ali čim se odlučio - to je u određenoj državi s određenim smjerom leđa. Razlog njegovog rješenja je naše "mjerenje"!

Ovo se zove " kolaps funkcije vala ", Funkcija vala prije mjerenja bila je neizvjesna, tj. Elektronski spin vektor bio je istovremeno u svim smjerovima, nakon mjerenja elektrona zabilježio je određeni smjer vektora leđa.

Pažnja! Izvrsno za razumijevanje primjera-udruživanja iz našeg makromira:

Raširite novčić na stol kao Julia. Dok se kovanica vrti, NEO nema određenu vrijednost - orao ili žurbu. Ali čim se odlučite "izmjeriti" ovu vrijednost i staviti novčić rukom, ovdje je da je konkretno stanje novčića orao ili žurba. Sada zamislite da ovaj novčić donosi odluku, koju vrijednost za vas "pokaže" je orlo ili žurba. Također se ponaša i elektron.

I sada zapamtite eksperiment prikazan na kraju crtića. Kada su fotoni prošli kroz praznine, ponašali su se kao val i pokazali sliku smetnja na zaslonu. A kada su znanstvenici htjeli popraviti (mjeriti) trenutak fotona kroz razmak i postaviti zaslon "promatrača", fotoni se počeli ponašati, ne kao valovi, već kao čestice. I "nacrtao" na 2 vertikalne pruge. Oni. U vrijeme mjerenja ili promatranja, sami kvantni objekti izaberu, u onome što ih navedite.

Fikcija! Nije li?

Ali to nije sve. Napokon smo dobio sam najzanimljivije.

Ali ... čini mi se da će informacije biti preopterećene, tako da će 2 od tih koncepata gledati na odvojene postove:

• Što ?
• Što je mentalni eksperiment.

A sada, želite li se informacije razgraditi na policama? Provjerite dokumentarac kojeg je pripremio kanadski institut za teoretsku fiziku. U njoj je u 20 minuta vrlo kratko i kronološkim redoslijedom ispričat ćete vam o svim otkrićima kvantne fizike, počevši od otvaranja plana u 1900. I onda recite koji se praktičan razvoj sada provodi na temelju znanja o kvantnoj fizici: od najtočnijih atomskih sati do super brzine izračuna kvantnog računala. Preporučujem gledati ovaj film.

Vidimo se!

Želim vam svu inspiraciju za sve planirane planove i projekte!

P.S.2 Napišite svoja pitanja i misli u komentarima. Pišite, koja druga pitanja o kvantnoj fizici ste zainteresirani?

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