Ano ang physum na kabuuan sa mga simpleng salita. Quantum physics para sa dummies: ang kakanyahan sa mga simpleng salita

Mga KONSEP NG PANGKABUHAYANG QUANTUM

DESCRIPTIONS OF NATURE

Sa isang katuturan, lahat modernong pisika may dami ng physics! Ito, sa katunayan, ay resulta ng "pinakabagong rebolusyon sa natural na agham."

Ano ang pinag-aaralan ng quantum physics?

Una sa lahat, ang quantum physics ay isang teorya na naglalarawan sa mga katangian ng bagay sa antas ng mga micro-phenomena. Sinisiyasat niya ang mga batas sa paggalaw ng mga bagay na kabuuan, na tinatawag ding mga micro-object.

Ang konsepto ng isang micro-object ay isa sa mga pangunahing konsepto sa physum na kabuuan. Kabilang dito ang mga molekula, atomo, atomic nuclei, elementarya na mga maliit na butil. Ang kanilang tampok na katangian ay napakaliit na sukat - 10 ^ −8 cm at mas kaunti. Ang pinakamahalagang katangian ng mga micro-object ay may kasamang masa ng pahinga at singil sa kuryente. Ang dami ng isang electron ay me \u003d 9.1 · 10 ^ −28 g, ang isang proton ay mayroong isang mass na 1836me, isang neutron - 1839me, isang muon - 207me. Ang Photon at neutrino ay walang masa ng pahinga - katumbas ito ng zero. Ang lakas ng singil ng kuryente ng anumang micro-object ay isang maramihang lakas ng singil ng electron, katumbas ng 1.6 · 10 ^ −19 C. Kasama ang sisingilin mayroong mga walang kinikilingan na micro-object, ang singil na kung saan ay katumbas ng zero. Ang singil ng kuryente ng isang kumplikadong micro-object ay katumbas ng algebraic na kabuuan ng mga singil ng mga sangkap na bumubuo nito. Ang isa sa pinakamahalagang tiyak na katangian ng mga micro-object ay itinuturing na paikutin (mula sa salitang Ingles na "to rotate"). Bagaman ang spin ay binibigyang kahulugan bilang angular momentum ng isang micro-object, na hindi nauugnay sa paggalaw nito bilang isang kabuuan, hindi masisira at independiyente sa mga panlabas na kundisyon, hindi ito maaaring kinatawan bilang isang umiikot na tuktok. Ito ay may isang pulos kalikasan na kabuuan - wala itong mga analogue sa klasikal na pisika. Ang pagkakaroon ng isang paikutin ay nagpapakilala ng mahahalagang tampok sa pag-uugali ng mga bagay sa microworld.

Karamihan sa mga micro-object ay hindi matatag - sila ay kusang, nang walang anumang panlabas na impluwensya, disintegrate, nagiging iba, kabilang ang elementarya, mga maliit na butil. Ang kawalang-tatag ay isang tiyak, ngunit hindi kinakailangang pag-aari ng mga micro-object. Kasama ng mga hindi matatag, mayroon ding matatag na mga micro-object: photon, electron, proton, neutrino, stable atomic nuclei, atoms at molekula sa ground state.

Ang Quantum physics din ang teoretikal na batayan ng modernong teorya ng istraktura at mga katangian ng bagay at larangan.

Mahalagang maunawaan na ang kabuuan ng pisika ay hindi kinansela ang klasikal, ngunit naglalaman ito bilang naglilimita na kaso. Sa paglipat mula sa mga micro-object patungo sa ordinaryong macroscopic na mga bagay, ang mga batas nito ay naging klasiko, at, sa gayon, ang kabuuan ng pisika ay nagtakda ng mga limitasyon ng kakayahang magamit ng klasikal na pisika. Ang paglipat mula sa klasiko hanggang sa kabuuan ng pisika ay isang paglipat sa isang mas malalim na antas ng pagsasaalang-alang ng bagay.

Ang Quantum physics ay naging isang mahalagang hakbang sa pagbuo ng isang modernong pisikal na larawan ng mundo. Ginawang posible upang hulaan at ipaliwanag ang isang malaking bilang ng mga iba't ibang mga phenomena - mula sa mga proseso na nagaganap sa mga atomo at atomic nuclei, bago ang macroscopic effects sa mga solido; kung wala ito, tila imposibleng maunawaan ang pinagmulan ng sansinukob. Malawak ang saklaw ng physum na kabuuan - mula sa mga elementong maliit na butil hanggang sa mga bagay sa kalawakan. Nang walang dami ng pisika, hindi lamang natural na agham, kundi pati na rin ang modernong teknolohiya ay hindi maiisip.

Gumagana ang WikiHow tulad ng isang wiki, na nangangahulugang marami sa aming mga artikulo ay isinulat ng maraming mga may-akda. Upang likhain ang artikulong ito, 11 katao, ilang hindi nagpapakilala, ang nagtatrabaho upang i-edit at pagbutihin ito sa paglipas ng panahon.

Ang Quantum physics (aka teorya ng kabuuan o mekanika ng kabuuan) ay isang hiwalay na sangay ng pisika na tumatalakay sa paglalarawan ng pag-uugali at pakikipag-ugnay ng bagay at enerhiya sa antas ng mga elementong elementarya, photon at ilang mga materyales sa napakababang temperatura. Ang isang larangan ng kabuuan ay tinukoy bilang "aksyon" (o, sa ilang mga kaso, momentum ng momentum) ng isang maliit na butil na nasa loob ng laki ng isang maliit na pisikal na pare-pareho na tinatawag na pare-pareho ng Planck.

Mga hakbang

pare-pareho si Planck

Magsimula sa pamamagitan ng pag-aaral tungkol sa pisikal na konsepto ng pare-pareho ng Planck. Sa mga mekanika ng kabuuan, ang pare-pareho ng Planck ay isang dami ng pagkilos, naitala bilang h... Katulad nito, para sa pakikipag-ugnay ng elementarya na mga particle, ang dami momentum ng momentum ay ang nabawasan na pare-pareho ng Planck (pare-pareho ng Planck na hinati ng 2 π) ay tinukoy bilang ħ at tinawag na "h with a bar". Ang halaga ng pare-pareho ng Planck ay napakaliit, pinagsasama nito ang mga sandali ng momentum at mga pagtatalaga ng mga aksyon na mayroong isang mas pangkalahatang konsepto sa matematika. Pangalan mekanika ng kabuuan nagpapahiwatig na ang ilang mga pisikal na dami tulad ng angular momentum ay maaari lamang magbago malaswasa halip na tuloy-tuloy ( cm. analog) paraan.

• Halimbawa, ang momentum ng momentum ng isang electron na nakatali sa isang atom o Molekyul ay nabibilang sa dami at maaari lamang kumuha ng mga halagang maraming bilang ng nabawasan na pare-pareho ng Planck. Ang pagsukat na ito ay nagdaragdag ng orbital ng electron ng isang serye ng isang integer na pangunahing dami ng bilang. Sa kaibahan, ang momentum ng momentum ng mga walang kuryenteng elektron sa paligid ay hindi nabibilang. Ginagamit din ang pare-pareho ng Planck sa dami ng teorya ng ilaw, kung saan ang isang photon ay isang dami ng ilaw, at ang bagay ay nakikipag-ugnay sa enerhiya sa pamamagitan ng paglipat ng mga electron sa pagitan ng mga atomo o ng "quantum jump" ng isang nakagapos na elektron.
• Ang mga yunit ng pare-pareho ng Planck ay maaari ring matingnan bilang oras ng sandali ng lakas. Halimbawa, sa paksang lugar ng pisika ng maliit na butil, ang mga virtual na partikulo ay kinakatawan bilang isang masa ng mga particle na kusang lumabas mula sa isang vacuum sa isang napakaliit na lugar at may papel sa kanilang pakikipag-ugnay. Ang haba ng buhay ng mga virtual na particle na ito ay ang enerhiya (masa) ng bawat maliit na butil. Ang Quantum na mekanika ay may isang malaking lugar ng paksa, ngunit sa bawat bahagi ng matematika na ito, mayroong pare-pareho ang Planck.

1. Alamin ang tungkol sa mabibigat na mga particle. Ang mabibigat na mga maliit na butil ay nagmula sa klasikal hanggang sa paglipat ng dami ng enerhiya. Kahit na ang isang libreng elektron, na mayroong ilang mga katangian ng kabuuan (tulad ng pag-ikot), bilang isang walang kuryenteng elektron, ay papalapit sa isang atom at nagpapabagal (posibleng dahil sa paglabas ng mga photon mula dito), pumupunta ito mula sa klasiko hanggang sa pag-uugali ng kabuuan, dahil ang enerhiya nito ay bumaba sa ibaba enerhiya ng ionization. Ang electron ay nagbubuklod sa atom at angular na momentum na nauugnay sa atomic nucleus ay nililimitahan ng dami ng halaga ng orbital na maaari nitong sakupin. Ang paglipat na ito ay bigla. Maaari itong ihambing sa isang sistemang mekanikal na binabago ang estado nito mula sa hindi matatag hanggang sa matatag, o ang pag-uugali nito ay nagbabago mula sa simple hanggang sa magulo, o maaari ring ihambing sa isang rocket ship na nagpapabagal at bumaba sa bilis ng paghihiwalay, at sumasakop sa isang orbit sa paligid ng ilang bituin o ibang bagay sa kalangitan. Sa kaibahan, ang mga photon (na walang timbang) ay hindi gumagawa ng gayong paglipat: simpleng tumatawid sila sa puwang na hindi nababago hanggang sa makipag-ugnayan sila sa iba pang mga particle at mawala. Kung titingnan mo ang langit sa gabi, ang mga photon mula sa ilang mga bituin ay lumilipad nang hindi nagbabago sa mahabang mga taon ng ilaw, pagkatapos ay makipag-ugnay sa isang electron sa isang molekula sa iyong retina, naglalabas ng kanilang lakas at pagkatapos ay nawawala.

Masasabi ko na masasabi mong walang nakakaintindi ng mga mekanika ng kabuuan

Physicist na si Richard Feynman

Hindi magiging labis na pagsasabi na ang pag-imbento ng mga aparato na semiconductor ay isang rebolusyon. Hindi lamang ito isang kahanga-hangang pagsulong sa teknolohikal, ngunit binigyan din nito ng daan ang mga kaganapan na magpakailanman na magbabago sa modernong lipunan. Ginagamit ang mga aparato na semiconductor sa lahat ng uri ng mga microelectronic device, kabilang ang mga computer, ilang uri ng medikal na diagnostic at therapeutic na kagamitan, at mga tanyag na aparato sa telecommunication.

Ngunit may higit pang nasa likod ng teknolohiyang rebolusyon na ito, isang rebolusyon sa pangkalahatang agham: ang patlang kabuuan teorya... Kung wala ang hakbang na ito sa pag-unawa sa natural na mundo, ang pagbuo ng mga aparato na semiconductor (at mas advanced na mga aparatong elektronikong nasa ilalim ng pag-unlad) ay hindi magtatagumpay. Ang Quantum physics ay isang hindi kapani-paniwalang mahirap na sangay ng agham. Ang kabanatang ito ay nagbibigay lamang maikling pagsusuri... Kapag sinabi ng mga siyentista tulad ni Feynman na "walang nakakaintindi [nito]," makakasiguro kang isang mahirap itong paksang ito. Nang walang pangunahing pag-unawa sa kabuuan ng pisika, o hindi bababa sa isang pag-unawa sa mga tuklas na pang-agham na humantong sa kanilang pag-unlad, imposibleng maunawaan kung paano at bakit gumagana ang mga elektronikong aparato na semiconductor. Karamihan sa mga textbook ng electronics ay sumusubok na ipaliwanag ang mga semiconductor sa mga tuntunin ng "klasikal na pisika", na ginagawang mas nakalilito bilang isang resulta.

Marami sa atin ang nakakita ng mga diagram ng mga modelo ng atomic na katulad ng pigura sa ibaba.

Atomo ni Rutherford: ang mga negatibong electron ay umiikot sa isang maliit na positibong nucleus

Tinawag ang maliliit na mga particle ng bagay mga proton at mga neutron, bumubuo sa gitna ng atom; mga electron umiikot tulad ng mga planeta sa paligid ng isang bituin. Ang nukleus ay nagdadala ng isang positibong singil sa kuryente dahil sa pagkakaroon ng mga proton (ang mga neutron ay walang singil na elektrikal), habang ang counterbalancing na negatibong singil ng isang atom ay nasa mga orbit na electron. Ang mga negatibong electron ay naaakit sa mga positibong proton, tulad ng mga planeta ay naaakit ng lakas ng akit sa Araw, ngunit ang mga orbit ay matatag dahil sa paggalaw ng mga electron. Utang natin ang tanyag na modelo ng atom na ito sa gawain ni Ernest Rutherford, na, noong 1911, ay natukoy nang eksperimento na ang mga positibong singil ng mga atomo ay nakatuon sa isang maliit, siksik na nucleus, at hindi pantay na ipinamamahagi sa lapad, tulad ng dating iminungkahi ng mananaliksik na si J.J Thomson.

Ang eksperimentong pagsabog ni Rutherford ay nagsasangkot ng pagbomba ng manipis na gintong palara na may positibong sisingilin na mga maliit na bahagi ng alpha, tulad ng ipinakita sa pigura sa ibaba. Ang mga batang nagtapos na mag-aaral na sina H. Geiger at E. Marsden ay nakakuha ng hindi inaasahang mga resulta. Ang daanan ng ilang mga partikulo ng alpha ay naipalihis ng isang malaking anggulo. Ang ilang mga particle ng alpha ay nakakalat sa kabaligtaran na direksyon, sa isang anggulo ng halos 180 °. Karamihan sa mga particle ay dumaan sa gintong palara nang hindi binabago ang daanan ng daanan, na parang walang foil man. Ang katotohanan na maraming mga alpha particle ang nakaranas ng malalaking mga paglihis sa kanilang tilapon na nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng mga nukleo na may isang maliit na positibong singil.

Pagsabog sa Rutherford: isang sinag ng mga maliit na butil ng alpha ay nakakalat ng isang manipis na gintong palara

Bagaman ang modelo ng atom ni Rutherford ay suportado ng pang-eksperimentong ebidensya na mas mahusay kaysa kay Thomson, hindi pa rin ito sakdal. Ang karagdagang mga pagtatangka ay ginawa upang matukoy ang istraktura ng atom, at ang mga pagsisikap na ito ay nakatulong sa pagbukas ng daan para sa kakaibang mga pagtuklas ng kabuuan ng pisika. Ang aming pag-unawa sa atom ay medyo mas kumplikado ngayon. Gayunpaman, sa kabila ng rebolusyon ng kabuuan ng pisika at ang kontribusyon nito sa aming pag-unawa sa istraktura ng atom, ang imahe ng solar system ng Rutherford bilang istraktura ng atom ay nag-ugat sa kamalayan ng masa sa isang sukat na ito ay nagpatuloy sa larangan ng edukasyon, kahit na ito ay hindi naaangkop.

Isaalang-alang ang maikling paglalarawan ng mga electron sa isang atom, na kinuha mula sa isang tanyag na aklat sa electronics:

Ang mga umiikot na negatibong electron ay naaakit sa positibong nucleus, na hahantong sa atin sa tanong kung bakit hindi lumilipad ang mga electron sa nucleus ng isang atom. Ang sagot ay ang mga umiikot na electron ay mananatili sa kanilang matatag na orbit dahil sa dalawang pantay ngunit magkatulad na pwersa. Ang puwersang sentripugal na kumikilos sa mga electron ay nakadirekta sa labas, at ang lakas ng akit ng mga singil ay sumusubok na akitin ang mga electron sa nucleus.

Alinsunod sa modelo ni Rutherford, isinasaalang-alang ng may-akda ang mga electron ay solidong bugal ng bagay, na sumasakop sa mga bilog na orbit, ang kanilang pagkahumaling papasok sa salungat na sisingilin na nukleo ay balansehin ng kanilang galaw. Ang paggamit ng term na "puwersang sentripugal" ay hindi wasto sa tekniko (kahit na para sa mga orbit na planeta), ngunit madali itong pinatawad dahil sa tanyag na pagtanggap ng modelo: sa katunayan, walang kagaya ng lakas. kasuklam-suklamkahit ano isang umiikot na katawan mula sa gitna ng orbit nito. Tila ito ay dahil sa ang pagkawalang-kilos ng katawan ay may gawi na mapanatili ang paggalaw nito sa isang tuwid na linya, at dahil ang orbit ay isang pare-pareho na paglihis (pagpabilis) mula sa paggalaw ng rectilinear, mayroong isang pare-pareho na reaksyon ng pagkawalang-galaw sa anumang puwersa na umaakit sa katawan sa gitna ng orbit (centripetal), maging pagkatapos ng grabidad, pagkahumaling sa electrostatic, o kahit na ang pag-igting ng isang mekanikal na bono.

Gayunpaman, ang totoong problema sa paliwanag na ito, sa unang lugar, ay ang ideya ng mga electron na gumagalaw sa pabilog na mga orbit. Ang napatunayan na katotohanan na ang pinabilis na singil sa kuryente ay naglalabas ng electromagnetic radiation, ang katotohanang ito ay kilala kahit noong mga araw ng Rutherford. Kasi paikot na paggalaw ay isang uri ng pagbilis (isang umiikot na bagay na pare-pareho ang pagbilis, paglayo ng bagay mula sa normal na paggalaw ng rectilinear), ang mga electron sa isang umiikot na estado ay dapat na naglabas ng radiation tulad ng dumi mula sa isang skidding wheel. Ang mga electron ay bumilis kasama ang mga pabilog na landas sa tinatawag na mga accelerator ng maliit na butil synchrotronsay kilalang gumawa nito at ang resulta ay tinawag synchrotron radiation... Kung ang electron ay mawalan ng enerhiya sa ganitong paraan, ang kanilang mga orbit ay sa wakas ay magambala, at bilang isang resulta ay mabangga sila ng isang positibong sisingilin na nucleus. Gayunpaman, karaniwang hindi ito nangyayari sa loob ng mga atomo. Sa katunayan, ang mga elektronikong "orbit" ay lubos na matatag sa isang malawak na hanay ng mga kundisyon.

Bilang karagdagan, ipinakita ng mga eksperimento na may "nasasabik" na mga atom na ang enerhiya na electromagnetic ay inilalabas ng isang atom lamang sa ilang mga frequency. Ang mga atom ay "pinalakas" ng mga panlabas na impluwensya tulad ng ilaw, na kilala na sumisipsip ng enerhiya at ibabalik ang mga electromagnetic na alon sa mga tukoy na frequency, tulad ng isang fork ng pag-tune na hindi nag-ring sa isang tukoy na dalas hanggang sa maabot ito. Kapag ang ilaw na inilalabas ng isang nasasabik na atomo ay nahahati sa isang prisma sa mga pinaghalong dalas (mga kulay), ang mga indibidwal na linya ng mga kulay ay napansin sa spectrum, ang pattern ng mga linya ng parang multo ay natatangi sa elemento ng kemikal. Karaniwang ginagamit ang hindi pangkaraniwang bagay na ito upang makilala ang mga sangkap ng kemikal, at kahit na upang masukat ang proporsyon ng bawat elemento sa isang pinaghalong tambalan o kemikal. Ayon kay solar system Rutherford's atomic model (na may paggalang sa mga electron bilang mga bugal ng bagay na malayang umiikot sa isang orbit na may isang tiyak na radius) at mga batas ng klasikal na pisika, ang mga nasasabik na atomo ay dapat na ibalik ang enerhiya sa isang halos walang katapusang saklaw ng dalas, at hindi sa mga napiling dalas. Sa madaling salita, kung ang modelo ng Rutherford ay tama, kung gayon walang epekto na "tuning fork", at ang color spectrum na ibinubuga ng anumang atom ay magmukhang isang tuluy-tuloy na banda ng mga kulay, at hindi bilang maraming magkakahiwalay na linya.

Ang modelo ni Bohr ng hydrogen atom (na may mga orbit na iginuhit sa scale) ay ipinapalagay na ang mga electron ay nasa discrete orbits lamang. Ang mga electron na dumadaan mula n \u003d 3,4,5 o 6 hanggang n \u003d 2 ay ipinapakita sa isang serye ng mga linya ng Balmer spectral

Ang isang mananaliksik na nagngangalang Niels Bohr ay sinubukang pagbutihin ang modelo ni Rutherford matapos itong pag-aralan sa laboratoryo ng Rutherford sa loob ng maraming buwan noong 1912. Sinusubukang makipagkasundo sa mga resulta ng iba pang mga physicist (sa partikular, Max Planck at Albert Einstein), iminungkahi ni Bohr na ang bawat elektron ay nagtataglay ng isang tiyak, tiyak na dami ng enerhiya, at na ang kanilang mga orbit ay ipinamamahagi sa isang paraan na ang bawat isa sa kanila ay maaaring sakupin ang ilang mga lugar sa paligid ng nucleus, tulad ng mga bola naayos sa mga pabilog na landas sa paligid ng core, at hindi malayang paglipat ng mga satellite, tulad ng dating ipinapalagay (figure sa itaas). Bilang tanda ng paggalang sa mga batas ng electromagnetism at nagpapabilis ng singil, tinukoy ni Bohr ang "orbits" bilang nakatigil na estadoupang maiwasan ang interpretasyon na sila ay mobile.

Bagaman ang ambisyosong pagtatangka ni Bohr na pag-isipang muli ang istraktura ng atom, na higit na pare-pareho sa data ng pang-eksperimentong, ay isang mahalagang milyahe sa pisika, hindi ito natapos. Ang kanyang pagsusuri sa matematika ay mas mahusay sa paghula ng mga resulta ng pang-eksperimentong kaysa sa mga nakaraang modelo, ngunit mayroon pa ring mga hindi nasagot na katanungan tungkol sa kung bakit ang mga electron ay dapat kumilos sa isang kakaibang paraan. Ang pahayag na ang mga electron ay umiiral sa mga nakatigil na estado ng kabuuan sa paligid ng nucleus na naiugnay sa data ng pang-eksperimentong mas mahusay kaysa sa modelo ni Rutherford, ngunit hindi sinabi kung ano ang sanhi ng pagkuha ng mga electron sa mga espesyal na estado. Ang sagot sa katanungang ito ay dapat na nagmula sa isa pang pisisista, si Louis de Broglie, makalipas ang sampung taon.

Iminungkahi ni De Broglie na ang mga electron, tulad ng mga photon (mga maliit na butil ng ilaw), ay may parehong mga katangian ng mga maliit na butil at mga katangian ng mga alon. Batay sa palagay na ito, iminungkahi niya na ang pag-aralan ang mga umiikot na electron mula sa pananaw ng mga alon ay mas mahusay kaysa sa pananaw ng mga maliit na butil, at maaaring magbigay ng higit pang pananaw sa kanilang likas na katangian. Sa katunayan, isa pang tagumpay ang nagawa sa pag-unawa.

Ang isang string na nanginginig sa isang resonant frequency sa pagitan ng dalawang nakapirming mga puntos ay bumubuo ng isang nakatayong alon

Ang atom, ayon kay de Broglie, ay binubuo ng mga nakatayong alon, isang kababalaghang kilalang kilala ng mga physicist sa iba`t ibang anyo. Tulad ng plucked string ng isang instrumentong pangmusika (larawan sa itaas), nanginginig sa isang resonant frequency, na may "node" at "anti-node" sa matatag na mga lugar kasama ang haba nito. Inilarawan ni De Broglie ang mga electron sa paligid ng mga atom bilang mga baluktot na baluktot sa isang bilog (pigura sa ibaba).

Ang "umiikot" na mga electron, tulad ng isang nakatayong alon sa paligid ng isang nucleus, (a) dalawang siklo sa isang orbit, (b) tatlong mga ikot sa isang orbit

Ang mga electron ay maaari lamang magkaroon ng mga tiyak, tiyak na "orbit" sa paligid ng nucleus, sapagkat ang mga ito lamang ang distansya kung saan magkatugma ang mga dulo ng alon. Sa anumang iba pang radius, ang alon ay makakabangga nang mapanira sa sarili nito at sa gayon ay titigil sa pag-iral.

Ang teorya ni De Broglie ay nagbigay ng parehong suporta sa matematika at isang maginhawang pisikal na pagkakatulad para sa pagpapaliwanag ng mga estado ng dami ng mga electron sa loob ng atom, ngunit ang kanyang modelo ng atom ay hindi pa rin kumpleto. Sa loob ng maraming taon, ang mga pisisista na sina Werner Heisenberg at Erwin Schrödinger, na nagtatrabaho nang nakapag-iisa sa bawat isa, ay nagtrabaho sa konsepto ni de Broglie tungkol sa dualitas ng alon-maliit na butil upang lumikha ng mas mahigpit na mga modelo ng matematika ng mga subatomic na partikulo.

Ang teoretikal na pagsulong na ito mula sa primitive de Broglie na tumatayong modelo ng alon sa mga modelo ng Heisenberg matrix at pagkakatulad na equation Ang pangalan ni Schrödinger ay ibinigay sa mga mekanika ng kabuuan, ipinakilala nito ang isang nakakagulat na katangian sa mundo ng mga subatomic na maliit na butil: isang tanda ng posibilidad, o kawalan ng katiyakan. Ayon sa bagong teorya ng kabuuan, imposibleng matukoy ang eksaktong posisyon at eksaktong momentum ng isang maliit na butil sa isang sandali. Ang isang tanyag na paliwanag para sa "prinsipyong walang katiyakan" na ito ay mayroong isang error sa pagsukat (iyon ay, sinusubukan na tumpak na masukat ang posisyon ng isang elektron, makagambala ka sa momentum nito, at samakatuwid ay hindi maaaring malaman kung ano ang bago pagsukat ng posisyon, at kabaliktaran). Ang kagila-gilalas na pagtatapos ng mga mekanika ng kabuuan ay ang mga maliit na butil ay walang tumpak na posisyon at sandali, at dahil ang dalawa ay magkakaugnay, ang kanilang pinagsamang kawalan ng katiyakan ay hindi kailanman babawasan sa ibaba ng isang tiyak na minimum na halaga.

Ang form na ito ng "walang katiyakan" na komunikasyon ay mayroon din sa iba pang mga larangan bukod sa mga mekanika ng kabuuan. Tulad ng tinalakay sa kabanatang "Mixed Frequency AC Signals" ng Volume 2 ng seryeng ito ng libro, may magkaparehong eksklusibong ugnayan sa pagitan ng kumpiyansa sa data ng time-domain na form ng alon at ang data ng dalas-domain na ito. Sa madaling salita, mas alam natin ang mga bahagi ng dalas nito, mas tumpak na alam natin ang amplitude nito sa paglipas ng panahon, at kabaliktaran. Sinipi ko ang aking sarili:

Ang isang senyas ng walang katapusang tagal (isang walang katapusang bilang ng mga pag-ikot) ay maaaring masuri na may ganap na kawastuhan, ngunit mas kaunting mga cycle na magagamit sa computer para sa pagtatasa, mas mababa ang katumpakan ng pagsusuri ... Ang mas kaunting mga panahon ng signal, mas mababa ang kawastuhan ng dalas nito. Ang pagkuha ng konseptong ito sa lohikal na sukdulan nito, ang isang maikling pulso (hindi kahit isang buong panahon ng porma ng alon) ay wala talagang isang tukoy na dalas, kumakatawan ito sa isang walang katapusang saklaw ng mga frequency. Karaniwan ang prinsipyong ito sa lahat ng mga phenomena ng alon, hindi lamang sa mga alternating boltahe at alon.

Upang tumpak na matukoy ang amplitude ng isang nagbabagong signal, dapat nating sukatin ito sa isang napakaikling panahon. Gayunpaman, ang paggawa nito ay naglilimita sa aming kaalaman sa dalas ng alon (ang isang alon sa mga mekanika ng kabuuan ay hindi dapat maging tulad ng isang sine wave; ang gayong pagkakapareho ay isang espesyal na kaso). Sa kabilang banda, upang matukoy ang dalas ng alon na may mahusay na kawastuhan, dapat nating sukatin ito nang sobra isang malaking bilang mga panahon, na nangangahulugang mawawala sa atin ang paningin ng amplitude nito sa anumang naibigay na sandali. Sa gayon, hindi namin malalaman nang sabay-sabay ang instant na amplitude at lahat ng mga frequency ng anumang alon na may walang limitasyong kawastuhan. Isa pang kakatwa, ang kawalan ng katiyakan na ito ay mas malaki kaysa sa kawastuhan ng nagmamasid; ito ay nasa likas na katangian ng alon. Hindi ito ganon, bagaman posible, naibigay ang naaangkop na teknolohiya, upang makapagbigay ng tumpak na mga sukat ng parehong instant na amplitude at dalas ng sabay. Sa literal, ang isang alon ay hindi maaaring magkaroon ng tumpak na instant na amplitude at tumpak na dalas ng sabay.

Ang pinakamaliit na kawalan ng katiyakan sa posisyon at momentum ng maliit na butil, na ipinahayag ni Heisenberg at Schrödinger, ay walang kinalaman sa limitasyon sa pagsukat; sa halip, ito ay isang intrinsic na pag-aari ng likas na katangian ng dualism na maliit na butil-alon. Samakatuwid, ang mga electron ay hindi tunay na umiiral sa kanilang mga "orbit" na tumpak na tinukoy na mga maliit na butil ng bagay o kahit na tumpak na tinukoy na mga form ng alon, ngunit bilang "mga ulap" - isang teknikal na term paggana ng alon mga pamamahagi ng posibilidad, na parang ang bawat electron ay "nakakalat" o "pinahid" sa isang hanay ng mga posisyon at momenta.

Ang radikal na pagtingin sa mga electron bilang walang katiyakan na ulap sa una ay sumasalungat sa orihinal na prinsipyo ng mga estado ng electron quantum: ang mga electron ay umiiral sa discrete, tinukoy na "orbit" sa paligid ng nucleus ng isang atom. Ang bagong pananaw na ito, pagkatapos ng lahat, ay ang pagtuklas na humantong sa pagbuo at paliwanag ng teoryang kabuuan. Gaano kataka-taka na ang isang teorya na nilikha upang ipaliwanag ang discrete na pag-uugali ng mga electron ay nagtapos sa pagdedeklara na ang mga electron ay umiiral bilang "ulap" at hindi bilang magkakahiwalay na piraso ng bagay. Gayunpaman, ang pag-uugali ng kabuuan ng mga electron ay hindi nakasalalay sa mga electron na mayroong ilang mga halaga ng mga coordinate at momentum, ngunit sa iba pang mga pag-aari, na tinatawag na mga numero ng kabuuan... Sa esensya, ang mga mekanika ng kabuuan ay nagtatapon sa kalat na mga konsepto ng ganap na posisyon at ganap na sandali, at pinapalitan ang mga ito ng ganap na mga konsepto ng mga uri na walang mga analogue sa pangkalahatang kasanayan.

Kahit na ang mga electron, tulad ng alam mo, ay umiiral sa ethereal, "maulap" na mga form ng ipinamamahagi na posibilidad, at hindi sa anyo ng magkakahiwalay na piraso ng bagay, ang mga "ulap" na ito ay may bahagyang magkakaibang mga katangian. Ang anumang elektron sa isang atom ay maaaring mailarawan sa pamamagitan ng apat na mga panukalang bilang (ang dating nabanggit na mga bilang ng dami), na kung saan ay tinatawag pangunahing (radial), orbital (azimuthal), magnetiko at paikutin numero. Nasa ibaba ang isang maikling pangkalahatang ideya ng kahulugan ng bawat isa sa mga numerong ito:

Pangunahing (radial) na bilang ng kabuuan: tinukoy ng isang liham n, ang bilang na ito ay naglalarawan ng shell kung saan nakatira ang electron. Ang isang elektronikong "shell" ay isang rehiyon ng puwang sa paligid ng nucleus ng isang atom kung saan maaaring magkaroon ang mga electron, na naaayon sa mga modelo ng isang matatag na "standing wave" nina de Broglie at Bohr. Ang mga electron ay maaaring "tumalon" mula sa shell hanggang sa shell, ngunit hindi sila maaaring umiiral sa pagitan nila.

Ang punong numero ng kabuuan ay dapat na isang positibong integer (mas malaki sa o katumbas ng 1). Sa madaling salita, ang punong dami ng bilang ng isang electron ay hindi maaaring 1/2 o -3. Ang mga integer na ito ay hindi napili nang arbitraryo, ngunit sa pamamagitan ng pang-eksperimentong ebidensya ng light spectrum: ang iba't ibang mga frequency (kulay) ng ilaw na ibinuga ng nasasabik na mga atomo ng hydrogen ay sumusunod sa isang ugnayan sa matematika depende sa mga tiyak na halaga ng integer, tulad ng ipinakita sa pigura sa ibaba.

Ang bawat shell ay may kakayahang humawak ng maraming mga electron. Ang isang pagkakatulad para sa mga elektronikong enclosure ay concentric na mga hilera ng mga upuan sa isang amphitheater. Tulad ng isang taong nakaupo sa isang ampiteatro dapat pumili ng isang hilera upang maupo (hindi siya maaaring umupo sa pagitan ng mga hilera), ang mga electron ay dapat na "pumili" ng isang partikular na shell upang "umupo". Tulad ng mga hilera sa ampiteatro, ang mga panlabas na shell ay nagtataglay ng mas maraming mga electron kaysa sa mga shell na malapit sa gitna. Gayundin, ang mga electron ay naghahanap upang makahanap ng pinakamaliit na shell na magagamit, tulad ng mga tao sa isang ampiteatro na naghahanap ng isang lugar na pinakamalapit sa gitnang yugto. Kung mas mataas ang bilang ng shell, mas maraming enerhiya ang mayroon dito.

Ang maximum na bilang ng mga electron na maaaring hawakan ng anumang shell ay inilarawan ng equation 2n 2, kung saan ang n ang punong dami ng bilang ng punong-guro. Kaya, ang unang shell (n \u003d 1) ay maaaring maglaman ng 2 electron; ang pangalawang shell (n \u003d 2) - 8 electron; at ang pangatlong shell (n \u003d 3) - 18 electron (figure sa ibaba).

Ang punong dami ng n bilang at n ang pinakamataas na bilang ng mga electron ay nauugnay sa pormula 2 (n 2). Ang mga orbit ay hindi dapat sukatan.

Ang mga shell ng electron sa atom ay itinalaga ng mga titik, hindi bilang. Ang unang shell (n \u003d 1) ay itinalaga K, ang pangalawang shell (n \u003d 2) L, ang pangatlong shell (n \u003d 3) M, ang ika-apat na shell (n \u003d 4) N, ang pang-limang shell (n \u003d 5) O, ang ikaanim na shell ( n \u003d 6) P, at ang ikapitong shell (n \u003d 7) B.

Numero ng kabuuan ng orbital (azimuthal): isang shell na binubuo ng mga subhell. Maaaring mas maginhawa para sa ilan na isipin ang mga subhell bilang simpleng mga seksyon ng mga shell, tulad ng mga linya na naghihiwalay sa isang kalsada. Ang mga subshell ay mas weirder. Ang mga subshell ay mga rehiyon ng puwang kung saan maaaring magkaroon ang mga elektronikong "ulap", at sa katunayan, ang iba't ibang mga subshell ay may iba't ibang mga hugis. Ang unang subshell ay nasa anyo ng isang globo (Larawan sa ibaba (s)), na may katuturan kapag na-visualize bilang isang electron cloud na pumapalibot sa nucleus ng isang atom sa tatlong sukat.

Ang pangalawang subshell ay kahawig ng isang dumbbell, na binubuo ng dalawang "petals" na konektado sa isang punto malapit sa gitna ng atom (Larawan sa ibaba (p)).

Ang pangatlong subshell ay karaniwang kahawig ng isang hanay ng apat na "petals" na naipon sa paligid ng nucleus ng isang atom. Ang mga hugis ng subhell na ito ay nakapagpapaalala ng mga graphic na representasyon ng mga pattern ng radiation ng mga antennas na may mga mala sibuyas na lobe na umaabot mula sa antena sa iba't ibang direksyon (Larawan sa ibaba (d)).

Orbitals:
(s) triple symmetry;
(p) Ipinapakita: p x, isa sa tatlong posibleng orientation (p x, p y, p z), kasama ang mga kaukulang palakol;
(d) Ipinapakita: d x 2 -y 2 ay katulad ng d xy, d yz, d xz. Ipinakita: d z 2. Bilang ng mga posibleng d-orbital: lima.

Ang mga wastong halaga para sa orbital dami ng bilang ay positibong integer, tulad ng para sa punong dami ng bilang, ngunit may kasamang zero din. Ang mga bilang ng kabuuan para sa mga electron ay tinukoy ng titik l. Ang bilang ng mga subhell ay katumbas ng punong dami ng bilang ng shell. Kaya, ang unang shell (n \u003d 1) ay may isang subshell na may bilang na 0; ang pangalawang shell (n \u003d 2) ay may dalawang subshell na may bilang na 0 at 1; ang pangatlong shell (n \u003d 3) ay may tatlong mga subhell na may bilang na 0, 1, at 2.

Ang dating kombensyon para sa paglalarawan ng mga subhell ay gumagamit ng mga titik sa halip na mga numero. Sa format na ito, ang unang subshell (l \u003d 0) ay naipakilala s, ang pangalawang subshell (l \u003d 1) ay naipahiwatig p, ang pangatlong subshell (l \u003d 2) ay tinukoy d, at ang ika-apat na subshell (l \u003d 3) ay tinukoy f. Ang mga titik ay nagmula sa mga salitang: matalim, punong-guro, nagkakalat at pangunahing... Maaari mo pa ring makita ang mga pagtatalaga na ito sa maraming mga pana-panahong talahanayan, ginamit upang tukuyin ang elektronikong pagsasaayos ng panlabas ( kabanalan) mga shell ng atomo.

(a) Bohr na representasyon ng pilak na atomo,
(b) isang orbital na representasyon ng Ag na may paghihiwalay ng mga shell sa mga subhell (orbital quantum number l).
Ang diagram na ito ay hindi nagpapahiwatig ng anuman tungkol sa aktwal na posisyon ng mga electron, ngunit kumakatawan lamang sa mga antas ng enerhiya.

Magnetic na bilang ng kabuuan: Ang numero ng magnetikong kabuuan para sa isang electron classify, ang oryentasyon ng figure ng electron subshell. Ang "petals" ng mga subshell ay maaaring idirekta sa maraming direksyon. Ang iba't ibang mga oryentasyong ito ay tinatawag na orbital. Para sa unang subshell (s; l \u003d 0), na kahawig ng isang globo, ang "direksyon" ay hindi tinukoy. Para sa pangalawang (p; l \u003d 1) subshell sa bawat shell na kahawig ng isang dumbbell na tumuturo sa tatlong posibleng direksyon. Pag-isipan ang tatlong mga dumbbells na nag-intersect sa pinanggalingan, ang bawat isa ay tumuturo kasama ang sarili nitong axis sa isang triaxial coordinate system.

Ang mga wastong halaga para sa isang naibigay na bilang ng kabuuan ay binubuo ng mga integer mula sa -l hanggang l, at ang bilang na ito ay naipahiwatig bilang m l sa atomic physics at l z sa nukleyar na pisika. Upang makalkula ang bilang ng mga orbital sa anumang subshell, kailangan mong i-doble ang numero ng subshell at magdagdag ng 1, (2 ∙ l + 1). Halimbawa, ang unang subshell (l \u003d 0) sa anumang shell ay naglalaman ng isang orbital 0; ang pangalawang subshell (l \u003d 1) sa anumang shell ay naglalaman ng tatlong orbital na may bilang na -1, 0 at 1; ang pangatlong subshell (l \u003d 2) ay naglalaman ng limang orbital na may bilang na -2, -1, 0, 1, at 2; at iba pa.

Tulad ng pangunahing numero ng kabuuan, ang numero ng magnetong dami ay lumitaw nang direkta mula sa pang-eksperimentong data: ang epekto ng Zeeman, ang paghihiwalay ng mga linya ng parang multo sa pamamagitan ng paglalantad ng isang ionized gas sa magnetic field, kaya't ang pangalang "magnetic" na bilang ng kabuuan.

Iikot ang bilang ng kabuuan: tulad ng numero ng magnetikong dami, ang pag-aari na ito ng mga electron ng isang atom ay natuklasan sa pamamagitan ng mga eksperimento. Maingat na pagmamasid sa mga linya ng parang multo ay ipinapakita na ang bawat linya ay sa katunayan isang pares ng mga malapit na spaced na linya, ito ay naisip na ang tinatawag na pinong istraktura ay ang resulta ng bawat electron na "umiikot" sa paligid ng axis nito, tulad ng isang planeta. Ang mga electron na may iba't ibang "paikutin" ay magbibigay ng bahagyang magkakaibang mga frequency ng ilaw kapag nasasabik. Ang konsepto ng isang umiikot na elektron ay hindi na napapanahon, na mas apt sa (hindi wastong) tingnan ang mga electron bilang magkakahiwalay na mga maliit na butil ng bagay kaysa sa "ulap", ngunit nanatili ang pangalan.

Ang mga numero ng spin kuantum ay tinukoy bilang mS sa atomic physics at s z sa nukleyar na pisika. Sa bawat orbital, ang bawat subshell sa bawat shell ay maaaring magkaroon ng dalawang electron, ang isa ay may spin +1/2 at ang isa pa ay may spin -1/2.

Ang pisisista na si Wolfgang Pauli ay bumuo ng isang prinsipyo na nagpapaliwanag sa pag-order ng mga electron sa isang atom ayon sa mga bilang na ito. Tumawag ang kanyang prinsipyo prinsipyo sa pagbubukod ni Pauli, inaangkin na ang dalawang electron sa isang atom ay hindi maaaring sakupin ang parehong mga estado ng kabuuan. Iyon ay, ang bawat electron sa isang atom ay may natatanging hanay ng mga bilang ng kabuuan. Nililimitahan nito ang bilang ng mga electron na maaaring sumakop sa anumang orbital, subshell, at shell.

Ipinapakita nito ang pag-aayos ng mga electron sa isang hydrogen atom:

Na may isang proton sa nucleus nito, ang atom ay tumatanggap ng isang electron para sa balanse ng electrostatic nito (ang positibong singil sa proton ay eksaktong balansehin ng negatibong pagsingil sa elektron). Ang electron na ito ay nasa mas mababang shell (n \u003d 1), ang unang subshell (l \u003d 0), sa nag-iisang orbital (orientation ng spatial) ng subshell na ito (m l \u003d 0), na may halaga ng pag-ikot na 1/2. Ang isang pangkalahatang pamamaraan ng paglalarawan sa istrakturang ito ay ginagawa sa pamamagitan ng paglista ng mga electron alinsunod sa kanilang mga shell at subshell ayon sa isang kombensiyon na tinatawag na pagtatalaga ng spectroscopic... Sa notasyong ito, ang bilang ng shell ay ipinapakita bilang isang integer, ang subshell bilang isang titik (s, p, d, f), at ang kabuuang bilang ng mga electron sa subshell (lahat ng mga orbital, lahat ng pag-ikot) bilang isang superscript. Kaya, ang hydrogen, na may lamang electron na matatagpuan sa antas ng batayan, ay inilarawan bilang 1s 1.

Ang paglipat sa susunod na atom (sa pagkakasunud-sunod ng numero ng atomic), nakukuha natin ang elemento na helium:

Ang isang helium atom ay may dalawang proton sa nucleus nito, na nangangailangan ng dalawang electron upang balansehin ang dobleng positibong singil sa kuryente. Dahil ang dalawang electron - ang isa ay may spin 1/2 at ang iba pa ay may spin -1/2 - ay nasa parehong orbital, ang elektronikong istraktura ng helium ay hindi nangangailangan ng karagdagang mga subhell o shell upang hawakan ang pangalawang electron.

Gayunpaman, ang isang atom na nangangailangan ng tatlo o higit pang mga electron ay mangangailangan ng karagdagang mga subhell upang mahawakan ang lahat ng mga electron, dahil dalawang electron lamang ang maaaring mas mababa sa shell (n \u003d 1). Isaalang-alang ang susunod na atom sa isang pagkakasunud-sunod ng pagtaas ng mga bilang ng atomic, lithium:

Gumagamit ang lithium atom ng bahagi ng kapasidad ng L shell (n \u003d 2). Ang shell na ito ay talagang may kabuuang kapasidad na walong electron (maximum na shell kapasidad \u003d 2n 2 electron). Kung isasaalang-alang namin ang istraktura ng isang atom na may isang kumpletong puno ng L shell, maaari nating makita kung paano ang lahat ng mga kumbinasyon ng mga subhell, orbital, at pag-ikot ay sinasakop ng mga electron:

Kadalasan, kapag nagtatalaga ng isang spectroscopic na pagtatalaga sa isang atom, ang anumang mga puno na puno ng shell ay nilaktawan, at ang mga hindi napuno na mga shell at mga tuktok na napuno ng mga shell ay ipinahiwatig. Halimbawa, ang elementong neon (ipinapakita sa pigura sa itaas), na may dalawang ganap na napunan na mga shell, ay maaaring inilarawan sa spectrally bilang 2p 6 kaysa sa 1s 22 s 22 p 6. Ang lithium, na may ganap na napunan na K shell at isang electron lamang sa L shell, ay maaaring mailarawan bilang 2s 1, hindi 1s 22 s 1.

Ang paglaktaw ng kumpletong napunan na mga shell na mas mababang antas ay ginaganap hindi lamang para sa kaginhawaan ng pagrekord. Inilalarawan din nito ang pangunahing prinsipyo ng kimika: ang pag-uugali ng kemikal ng isang elemento ay pangunahin na natutukoy ng mga hindi natapos na mga shell. Ang parehong hydrogen at lithium ay may isang electron sa kanilang mga panlabas na shell (bilang 1 at 2s 1, ayon sa pagkakabanggit), iyon ay, ang parehong mga elemento ay may magkatulad na katangian. Ang parehong ay lubos na reaktibo at reaksyon sa halos pareho na paraan (nagbubuklod na may mga katulad na elemento sa ilalim ng magkatulad na mga kondisyon). Hindi mahalaga kung ang lithium ay may isang ganap na napunan na K-shell sa ilalim ng isang halos libreng L-shell: ang hindi napunan na L-shell ay ang shell na tumutukoy sa pag-uugali ng kemikal.

Ang mga elemento na may ganap na napunan na panlabas na mga shell ay inuri bilang marangal at nailalarawan sa isang halos kumpletong kakulangan ng reaksyon sa iba pang mga elemento. Ang mga elementong ito ay inuri bilang hindi gumagalaw kung hindi man ito itinuring na reaksyon, ngunit kilala silang bumubuo ng mga compound sa iba pang mga elemento sa ilalim ng ilang mga kundisyon.

Dahil ang mga elemento na may parehong mga pagsasaayos ng electron sa kanilang mga panlabas na shell ay may katulad na mga katangian ng kemikal, inayos ni Dmitri Mendeleev ang mga sangkap ng kemikal sa talahanayan nang naaayon. Ang talahanayan na ito ay kilala bilang , at ang mga modernong talahanayan ay sumusunod sa pangkalahatang pagtingin na ito tulad ng ipinakita sa pigura sa ibaba.

Panaka-nakang talahanayan ng mga elemento ng kemikal

Si Dmitry Mendeleev, isang Russian chemist, ang unang bumuo ng periodic table ng mga elemento. Bagaman inayos ni Mendeleev ang kanyang mesa ayon sa dami ng atomic kaysa sa bilang ng atomic, at lumikha ng isang talahanayan na hindi kasing kapaki-pakinabang tulad ng mga modernong periodic table, ang kanyang kaunlaran ay nagsisilbing isang mahusay na halimbawa ng ebidensya ng pang-agham. Nakikita ang mga pagkakasunud-sunod ng pagiging regular (magkatulad na mga katangian ng kemikal alinsunod sa atomic mass), ipinasa ni Mendeleev ang isang teorya na ang lahat ng mga elemento ay dapat magkasya sa iniutos na pamamaraan. Nang matagpuan niya ang mga "walang laman" na lugar sa talahanayan, sinundan niya ang lohika ng umiiral na pagkakasunud-sunod at ipinapalagay ang pagkakaroon ng mga hindi pa kilalang mga elemento. Ang kasunod na pagtuklas ng mga elementong ito ay nakumpirma ang kawastuhan ng pang-agham ng hipotesis ni Mendeleev, ang mga karagdagang pagtuklas na humantong sa anyo ng periodic table na ginagamit namin ngayon.

Ganito dapat work science: ang mga hipotesis ay humahantong sa lohikal na konklusyon at tinatanggap, binago o tinanggihan depende sa pagkakapare-pareho ng pang-eksperimentong data sa kanilang mga konklusyon. Anumang tanga ay maaaring formulate isang teorya pagkatapos ng katotohanan upang ipaliwanag ang magagamit na pang-eksperimentong data, at maraming gawin ito. Ang nakikilala sa pang-agham na teorya mula sa post facto haka-haka ay ang hula ng hinaharap na pang-eksperimentong data na hindi pa nakolekta, at posibleng isang rebuttal mula sa data na iyon. Matapang na humantong sa isang teorya sa mga lohikal na konklusyon nito (s) at ang pagsubok na hulaan ang mga resulta ng mga eksperimento sa hinaharap ay hindi isang dogmatikong paglukso ng pananampalataya, ngunit isang pagsubok sa publiko sa teorya na iyon, isang bukas na hamon sa mga kalaban ng teorya. Sa madaling salita, ang mga pang-agham na hipotesis ay palaging "mapanganib" sa pamamagitan ng pagsubok na mahulaan ang mga resulta ng mga eksperimento na hindi pa nagagawa, at samakatuwid ay maaaring patunayan kung ang mga eksperimento ay hindi pumunta tulad ng inaasahan. Kaya, kung nahulaan nang wasto ng isang teorya ang mga resulta ng paulit-ulit na mga eksperimento, ang katotohanan nito ay hindi naaprubahan.

Ang mga mekanika ng kabuuan, una bilang isang teorya at pagkatapos ay bilang isang teorya, ay napatunayan na maging matagumpay sa paghula ng mga resulta ng mga eksperimento at samakatuwid ay nakatanggap ng isang mataas na antas ng kredibilidad sa siyensya. Maraming siyentipiko ang may dahilan na maniwala na ito ay isang hindi kumpletong teorya, dahil ang mga hula nito ay mas totoo sa isang sukatang mikropiko kaysa sa isang sukat na macroscopic, ngunit gayunpaman, ito ay isang lubhang kapaki-pakinabang na teorya para sa pagpapaliwanag at paghula ng pakikipag-ugnayan ng mga maliit na butil at atomo.

Tulad ng nakita mo sa kabanatang ito, ang kabuuan ng pisika ay mahalaga para sa paglalarawan at paghula ng maraming iba't ibang mga phenomena. Sa susunod na seksyon, makikita natin ang kahalagahan nito sa kondaktibiti sa kuryente solido, kabilang ang semiconductors. Sa madaling salita, wala sa kimika o physics ng solidong estado ang makatuwiran sa tanyag na istrakturang panteorya ng mga electron, na mayroon bilang mga indibidwal na maliit na butil ng bagay, na umiikot sa isang atom sa paligid ng nucleus, tulad ng mga maliit na satellite. Kapag ang mga electron ay tinitingnan bilang "mga function ng alon" na umiiral sa ilang mga, discrete na estado na regular at pana-panahon, pagkatapos ay maipaliwanag ang pag-uugali ng bagay.

Lagom tayo

Ang mga elektron sa mga atomo ay umiiral sa "mga ulap" na namamahagi ng posibilidad, at hindi bilang magkakaibang mga maliit na butil ng bagay, na umiikot sa nucleus, tulad ng mga maliit na satellite, tulad ng ipinapakita ng mga karaniwang halimbawa.

Ang mga indibidwal na electron sa paligid ng nucleus ng isang atom ay may kaugaliang natatanging "mga estado" na inilarawan ng apat na mga bilang ng kabuuan: punong-guro (radial) na bilang ng kabuuankilala bilang kabibi; numero ng kabuuan ng orbital (azimuthal)kilala bilang subhell; numero ng magnetikong daminaglalarawan orbital (ang oryentasyon ng subhell); at iikot ang bilang ng kabuuan, o simpleng paikutin... Ang mga estado na ito ay kabuuan, ibig sabihin, "sa pagitan nila" walang mga kundisyon para sa pagkakaroon ng isang electron, maliban sa mga estado na umaangkop sa scheme ng bilang ng bilang.

Glan (radial) bilang ng kabuuan (n) naglalarawan isang pangunahing antas ng o ang shell kung saan nakalagay ang electron. Kung mas malaki ang bilang na ito, mas malaki ang radius ng electron cloud mula sa nucleus ng atom, at mas malaki ang enerhiya ng electron. Ang mga punong numero ng kabuuan ay mga integer (positibong integer)

Orbital (azimuthal) bilang ng kabuuan (l) inilalarawan ang hugis ng isang electron cloud sa isang partikular na shell o antas at madalas na kilala bilang isang "subshell". Sa anumang shell, maraming mga subshell (anyo ng isang electron cloud) bilang pangunahing bilang ng dami ng shell. Ang mga numero ng Azimuthal na kabuuan ay mga positibong integer na nagsisimula sa zero at nagtatapos sa isang bilang na mas mababa kaysa sa punong numero ng kabuuan ng isa (n - 1).

Magnetic quantum number (m l) naglalarawan kung anong orientation ang mayroon ng subshell (hugis ng electron cloud). Ang mga subshell ay maaaring tumanggap ng maraming iba't ibang mga oryentasyon ng dalawang beses ang bilang ng subshell (l) plus 1, (2l + 1) (iyon ay, para sa l \u003d 1, m l \u003d -1, 0, 1), at ang bawat natatanging oryentasyon ay tinatawag na isang orbital. Ang mga bilang na ito ay mga integer na nagsisimula sa isang negatibong numero ng subshell (l) hanggang 0 at nagtatapos sa isang positibong numero ng subshell.

Iikot ang bilang ng kabuuan (m s) naglalarawan ng isa pang pag-aari ng electron at maaaring tumagal ng mga halagang +1/2 at -1/2.

Prinsipyo sa pagbubukod ni Pauli Sinasabi na ang dalawang electron sa isang atom ay hindi maaaring ibahagi ang parehong hanay ng mga bilang ng kabuuan. Dahil dito, maaaring hindi hihigit sa dalawang electron sa bawat orbital (paikutin \u003d 1/2 at paikutin \u003d -1 / 2), 2l + 1 orbitals sa bawat subhell, at n subshells sa bawat shell, at wala na.

Pagtatalaga ng Spectroscopic ay isang kombensiyon para sa elektronikong istraktura ng isang atom. Ang mga shell ay ipinapakita bilang mga integer, na sinusundan ng mga titik ng subshell (s, p, d, f) na may mga numero ng superscript na nagpapahiwatig ng kabuuang bilang ng mga electron sa bawat kaukulang subhell.

Ang pag-uugali ng kemikal ng isang atomo ay natutukoy lamang ng mga electron sa hindi natapos na mga shell. Ang mga mababang antas ng shell na puno ng puno ay may kaunti o walang epekto sa mga katangian ng bonding ng kemikal ng mga elemento.

Ang mga elemento na may ganap na napuno na mga shell ng electron ay halos ganap na hindi gumagalaw, at tinawag marangal mga elemento (dating kilala bilang inert).

29.10.2016

Sa kabila ng sonority at misteryo ng paksa ngayon, susubukan naming sabihin ano ang pag-aaral ng kabuuan ng physics, sa simpleng salita anong mga seksyon ng kabuuan ng pisika ang nagaganap at bakit kinakailangan ang kabuuan ng pisika sa prinsipyo.

Ang materyal na inaalok sa ibaba ay magagamit para sa pag-unawa sa sinuman.

Bago magmula tungkol sa kung anong mga pag-aaral sa kabuuan ng pisika, angkop na tandaan kung paano nagsimula ang lahat ...

Sa kalagitnaan ng ika-19 na siglo, ang sangkatauhan ay nahawakan ang pag-aaral ng mga problema na hindi malulutas sa pamamagitan ng paggamit ng kagamitan ng klasikal na pisika.

Ang isang bilang ng mga phenomena ay tila "kakaiba". Ang ilang mga katanungan ay hindi natagpuan ang isang sagot sa lahat.

Noong 1850s, si William Hamilton, na naniniwala na ang mga klasikal na mekanika ay hindi tumpak na naglalarawan sa paggalaw ng mga light ray, na nagmumungkahi ng kanyang sariling teorya, na bumaba sa kasaysayan ng agham sa ilalim ng pangalan ng Hamilton-Jacobi formalism, na batay sa postulate ng alon teorya ng ilaw.

Noong 1885, na nakipagtalo sa isang kaibigan, ang Swiss at pisisista na si Johann Balmer ay nagbawas ng isang empirical na pormula na ginawang posible upang makalkula ang haba ng haba ng haba ng mga linya ng parang multo na may napakataas na kawastuhan.

Sa oras na iyon, hindi maipaliwanag ni Balmer ang mga dahilan para sa isiniwalat na mga pattern.

Noong 1895, si Wilhelm Roentgen, habang pinag-aaralan ang mga ray ng cathode, ay natuklasan ang radiation, na tinawag niyang X-ray (na pinangalanang muli na ray), na nailalarawan ng isang makapangyarihang karakter na tumatagos.

Pagkalipas ng isang taon - noong 1896 - Si Henri Becquerel, na nag-aaral ng mga asing-gamot sa uranium, ay natuklasan ang kusang radiation na may katulad na mga katangian. Ang bagong kababalaghan ay tinawag na radioactivity.

Noong 1899, napatunayan ang likas na alon ng X-ray.

Larawan 1. Mga nagpayunir ng physics ng kabuuan na Max Planck, Erwin Schrödinger, Niels Bohr

1901 nakita ang paglitaw ng unang planetaryong modelo ng atomo, na iminungkahi ni Jean Perrin. Naku, ang siyentista mismo ang inabandona ang teoryang ito, hindi nahanap ang kumpirmasyon nito mula sa pananaw ng teorya ng electrodynamics.

Pagkalipas ng dalawang taon, isang siyentista mula sa Japan, si Hantaro Nagaoka, ay nagpanukala ng isa pang modelo ng planeta ng atom, sa gitna kung saan dapat matagpuan ang isang maliit na butil na positibo, na kung saan umiikot ang mga electron sa mga orbit.

Ang teorya na ito, gayunpaman, ay hindi isinasaalang-alang ang radiation na ibinuga ng mga electron, at samakatuwid ay hindi, halimbawa, hindi maipaliwanag ang teorya ng mga linya ng parang multo.

Sumasalamin sa istraktura ng atom, noong 1904, unang binigyang kahulugan ni Joseph Thomson ang konsepto ng valence mula sa isang pisikal na pananaw.

Ang taon ng kapanganakan ng quantum physics, marahil, ay maaaring makilala bilang 1900, na nagli-link dito ng pagsasalita ni Max Planck sa isang pagpupulong ng German Physics.

Si Planck ang nagpanukala ng isang teorya na nagkakaisa ng marami hanggang ngayon na hindi magkakaiba ng mga pisikal na konsepto, pormula at teorya, kabilang ang patuloy na pag-uugnay ng enerhiya at temperatura ng Boltzmann, bilang ni Avogadro, batas ng pag-aalis ni Wien, singil ng elektron, batas ng Boltzmann ng radiation ...

Ipinakilala din niya ang konsepto ng isang dami ng pagkilos (ang pangalawa - pagkatapos ng Boltzmann pare-pareho - ay ang pangunahing pare-pareho).

Ang karagdagang pag-unlad ng physum ng kabuuan ay direktang nauugnay sa mga pangalan nina Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Ernst Rutherford, Arnold Sommerfeld, Max Born, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac, at marami pang iba na nagtrabaho noong unang kalahati ng ika-20 siglo.

Napag-alaman ng mga siyentista ang likas na katangian ng mga elementarya ng elementarya na may walang uliran lalim, pinag-aaralan ang mga pakikipag-ugnay ng mga maliit na butil at mga patlang, isiwalat ang likas na katangian ng bagay, nakuha ang paggana ng alon, ipaliwanag ang pangunahing mga konsepto ng kawalang-halaga (dami) at dualitas ng alon-maliit na butil.

Ang teorya ng kabuuan, tulad ng iba, ay naglapit sa sangkatauhan sa pag-unawa sa mga pangunahing batas ng sansinukob, pinalitan ang karaniwang mga konsepto ng mas tumpak na mga, at pinilit na isiping muli ang isang malaking bilang ng mga pisikal na modelo.

Ano ang pinag-aaralan ng quantum physics?

Inilalarawan ng Quantum physics ang mga katangian ng bagay sa antas ng mga micro-phenomena, na tuklasin ang mga batas ng paggalaw ng mga micro-object (mga bagay na kabuuan).

Paksa ng pag-aaral ng quantum physics bumubuo ng mga bagay na kabuuan na may sukat na 10-8 cm o mas mababa. Ito:

• mga molekula,
• atomo,
• atomic nuclei,
• mga maliit na butil ng elementarya.

Ang mga pangunahing katangian ng mga micro-object ay masa ng pahinga at singil sa kuryente. Ang dami ng isang electron (ako) ay 9.1 10 −28 g.

Para sa paghahambing, ang dami ng muon ay 207 sa akin, ang neutron ay 1839 sa akin, ang proton ay 1836 sa akin.

Ang ilang mga maliit na butil ay walang masa ng pahinga (neutrino, photon). Ang kanilang misa ay 0 ako.

Ang electric charge ng anumang micro-object ay isang maramihang electron charge na katumbas ng 1.6 · 10 −19 C. Kasama ang sisingilin mayroong mga walang kinikilingan na micro-object, ang singil na kung saan ay katumbas ng zero.

Larawan 2. Napilitang baguhin ng pisika ng dami ang tradisyunal na pananaw sa mga konsepto ng mga alon, bukirin at mga maliit na butil

Ang singil ng kuryente ng isang kumplikadong micro-object ay katumbas ng algebraic na kabuuan ng mga singil ng mga sangkap na bumubuo nito.

Kasama ang mga pag-aari ng microobjects paikutin (literal na isinalin mula sa English - "to rotate").

Karaniwan itong binibigyang kahulugan bilang angular momentum ng isang bagay na kabuuan na hindi nakasalalay sa mga panlabas na kundisyon.

Ang likod ay mahirap makahanap ng isang sapat na imahe sa totoong mundo. Hindi ito maiisip na isang umiikot na tuktok dahil sa likas na katangian. Hindi mailarawan ng klasikal na pisika ang bagay na ito.

Ang pagkakaroon ng paikutin ay nakakaapekto sa pag-uugali ng mga micro-object.

Ang pagkakaroon ng paikutin ay nagpapakilala ng mga makabuluhang tampok sa pag-uugali ng mga bagay sa microworld, karamihan sa mga - hindi matatag na mga bagay - kusang nabubulok, nagiging iba pang mga bagay na kabuuan.

Ang matatag na mga micro-object, na kinabibilangan ng mga neutrino, electron, photon, proton, pati na rin ang mga atom at molekula, ay may kakayahang mabulok lamang sa ilalim ng impluwensya ng malakas na enerhiya.

Ang Quantum physics ay ganap na sumisipsip ng klasikal na pisika, isinasaalang-alang ito bilang nito naglilimita na kaso.

Sa katunayan, ang dami ng pisika ay - sa isang malawak na kahulugan - modernong pisika.

Imposibleng makita kung ano ang inilalarawan ng kabuuan ng pisika sa microcosm. Dahil dito, marami sa mga probisyon ng kabuuan ng pisika ang mahirap isipin, taliwas sa mga bagay na inilarawan ng klasikal na pisika.

Sa kabila nito, ginawang posible ng mga bagong teorya na baguhin ang aming mga ideya tungkol sa mga alon at maliit na butil, tungkol sa pabago-bago at probabilistikong paglalarawan, tungkol sa tuloy-tuloy at discrete.

Ang Quantum physics ay hindi lamang isang magarbong teorya.

Ito ay isang teorya na nagawang hulaan at ipaliwanag ang isang hindi kapani-paniwalang bilang ng mga phenomena - mula sa mga proseso na nagaganap sa atomic nuclei hanggang sa macroscopic effects sa kalawakan.

Ang Quantum physics, taliwas sa klasikal na pisika, pinag-aaralan ang bagay sa isang pangunahing antas, na nagbibigay ng mga interpretasyon ng mga phenomena ng nakapalibot na katotohanan na ang tradisyunal na pisika ay hindi kayang magbigay (halimbawa, kung bakit mananatiling matatag ang mga atom o kung ang elementarya ng elementarya ay talagang elementarya).

Ang teorya ng kabuuan ay nagbibigay sa atin ng kakayahang ilarawan ang mundo nang mas tumpak kaysa sa tinanggap bago ang pagsisimula nito.

Ang kahalagahan ng kabuuan ng pisika

Ang mga teoretikal na pagpapaunlad na bumubuo sa kakanyahan ng kabuuan ng pisika ay nalalapat sa pag-aaral ng parehong hindi maiisip na malalaking bagay sa kalawakan at napakaliit na mga particle ng elementarya.

Quantum electrodynamics isinasama kami sa mundo ng mga photon at electron, na may diin sa pag-aaral ng mga pakikipag-ugnayan sa pagitan nila.

Teorya ng kabuuan ng kondensadong bagay pinapalalim ang aming kaalaman sa mga superfluid, magnet, likidong kristal, walang hugis na solido, kristal at polimer.

Larawan 3. Ang quantum physics ay nagbigay sa sangkatauhan ng isang mas tumpak na paglalarawan ng mundo sa paligid.

Ang pang-agham na pagsasaliksik sa mga nakaraang dekada ay nakatuon sa pag-aaral ng istraktura ng quark ng elementarya na mga particle sa loob ng isang independiyenteng sangay ng dami ng pisika kabuuan chromodynamics.

Nonrelativistic dami ng mekanika (ang isa na nasa labas ng balangkas ng teorya ng kapamanggitan ni Einstein) pinag-aaralan ang mga mikroskopikong bagay na gumagalaw sa isang pangkaraniwan na mababang bilis (mas mababa sa), mga katangian ng mga molekula at atomo, ang kanilang istraktura.

Mga optika ng kabuuanay nakikibahagi sa pang-agham na pag-aaral ng mga katotohanang nauugnay sa pagpapakita ng mga katangian ng kabuuan ng ilaw (mga proseso ng photochemical, thermal at stimulated radiation, photoelectric effect).

Teorya ng larangan ng kabuuan ay isang pinag-iisang seksyon na nagsama ng mga ideya ng teorya ng relatibidad at dami ng mekanika.

Ang mga teoryang pang-agham na nabuo sa loob ng balangkas ng kabuuan ng pisika ay nagbigay ng isang malakas na impetus sa pag-unlad ng electronics, teknolohiya, kabuuan teorya ng solido, materyal na agham, at kimika ng kabuuan.

Kung wala ang paglitaw at pag-unlad ng nabanggit na mga sangay ng kaalaman, imposibleng lumikha ng mga sasakyang pangalangaang, mga yelo sa nukleyar, mga komunikasyon sa mobile at maraming iba pang mga kapaki-pakinabang na imbensyon.

Maligayang pagdating sa blog! Masayang-masaya ako na makita ka!

Tiyak na narinig mo nang maraming beses tungkol sa hindi maipaliwanag na mga misteryo ng physum na kabuuan at mekanika ng kabuuan... Ang mga batas nito ay nakakaakit sa mistisismo, at maging ang mga pisiko mismo ay inaamin na hindi nila ito lubos na nauunawaan. Sa isang banda, nakakaisip na maunawaan ang mga batas na ito, ngunit sa kabilang banda, walang oras upang mabasa ang multivolume at kumplikadong mga libro sa pisika. Naiintindihan ko kayo nang husto, dahil mahal ko rin ang kaalaman at ang paghahanap para sa katotohanan, ngunit mayroong napaka walang sapat na oras para sa lahat ng mga libro. Hindi ka nag-iisa, napakaraming kakaibang mga tao ang nagta-type sa linya ng paghahanap: "physum na kabuuan para sa dummies, quantum mechanics para sa dummies, quantum physics para sa mga nagsisimula, quantum mechanics para sa mga nagsisimula, ang mga pangunahing kaalaman ng physics ng kabuuan, ang mga pangunahing kaalaman ng mga mekanika ng kabuuan, mga physum na dami ng mga bata, ano ang dami Mekaniko ". Ang publication na ito ay para sa iyo..

Ang mga pangunahing konsepto at kabalintunaan ng kabuuan ng pisika ay magiging malinaw sa iyo. Mula sa artikulong matututunan mo:

• Ano ang panghihimasok?
• Ano ang spin at superposition?
• Ano ang "pagsukat" o "pagbagsak ng paggana ng alon"?
• Ano ang Quantum Entanglement (o Quantum Teleportation para sa Dummies)? (tingnan ang artikulo)
• Ano ang naisip na eksperimento ng Cat ng Schrödinger? (tingnan ang artikulo)

Ano ang quantum physics at mekanika ng kabuuan?

Ang mekanika ng kwantum ay bahagi ng pisika ng kabuuan.

Bakit napakahirap unawain ang mga agham na ito? Ang sagot ay simple: quantum physics at quantum mechanics (bahagi ng quantum physics) pag-aralan ang mga batas ng microworld. At ang mga batas na ito ay ganap na naiiba mula sa mga batas ng aming macrocosm. Samakatuwid, mahirap para sa atin na isipin kung ano ang nangyayari sa mga electron at photon sa microcosm.

Isang halimbawa ng pagkakaiba sa pagitan ng mga batas ng macro- at microworlds: sa aming macrocosm, kung maglagay ka ng bola sa isa sa 2 mga kahon, kung gayon ang isa sa kanila ay walang laman, at ang isa pa - isang bola. Ngunit sa microcosm (kung sa halip na isang bola mayroong isang atom), ang isang atom ay maaaring sabay-sabay sa dalawang kahon. Ito ay nakumpirma nang eksperimento nang maraming beses. Hindi ba mahirap makuha ito sa iyong ulo? Ngunit hindi ka maaaring makipagtalo sa mga katotohanan.

Isa pang halimbawa. Nakunan mo ng litrato ang isang mabilis na nagmamadaling pulang sports car at sa larawan nakita mo ang isang hilam na pahalang na guhit, na parang ang kotse sa sandaling ito ng larawan ay mula sa maraming mga puntos sa kalawakan. Sa kabila ng nakikita mo sa larawan, sigurado ka pa rin na ang kotse ay nasa pangalawa nang kinunan mo ito ng litrato. sa isang partikular na lugar sa kalawakan... Hindi ganun sa micro mundo. Ang isang electron na umiikot sa nucleus ng isang atom ay hindi talaga umiikot, ngunit ay matatagpuan nang sabay-sabay sa lahat ng mga punto ng globo sa paligid ng nucleus ng isang atom. Tulad ng isang maluwag na bola ng malambot na lana. Ang konseptong ito sa pisika ay tinawag "Electronic cloud" .

Isang maliit na paglalakbay sa kasaysayan. Sa kauna-unahang pagkakataon, sinimulang isipin ng mga siyentista ang tungkol sa kabuuan ng mundo nang noong 1900 sinubukan ng Aleman na pisisista na si Max Planck na alamin kung bakit binabago ng kulay ang mga metal kapag pinainit. Siya ang nagpakilala sa konsepto ng isang kabuuan. Bago iyon, naisip ng mga siyentista na ang ilaw ay patuloy na kumakalat. Ang unang seryoso sa pagtuklas ni Planck ay ang hindi kilalang si Albert Einstein. Napagtanto niya na ang ilaw ay hindi lamang isang alon. Minsan kumikilos ito tulad ng isang maliit na butil. Natanggap ni Einstein ang Nobel Prize para sa kanyang pagtuklas na ang ilaw ay naglalabas ng mga bahagi, quanta. Ang isang dami ng ilaw ay tinatawag na isang photon ( photon, Wikipedia) .

Upang mas madaling maunawaan ang mga batas ng kabuuan pisika at mekanika (Wikipedia), kinakailangan sa isang diwa upang mag-abstract mula sa mga batas ng klasikal na pisika na pamilyar sa atin. At isipin na sumisid ka, tulad ni Alice, sa butas ng kuneho sa Wonderland.

At narito ang isang cartoon para sa mga bata at matatanda. Nagsasabi tungkol sa pangunahing eksperimento ng mga mekanika ng kabuuan na may 2 slits at isang tagamasid. Tumatagal lamang ng 5 minuto. Panoorin ito bago kami sumisid sa mga pangunahing katanungan at konsepto ng physum na kabuuan.

Quantum physics para sa dummies na video... Sa cartoon, bigyang pansin ang "mata" ng nagmamasid. Naging seryoso siya sa mga physicist.

Ano ang panghihimasok?

Sa simula ng cartoon, ipinakita ito, gamit ang halimbawa ng isang likido, kung paano kumilos ang mga alon - ang alternating madilim at ilaw na patayong guhitan ay lilitaw sa screen sa likod ng isang plato na may mga slits. At sa kaso kapag ang mga discrete particle (halimbawa, mga maliliit na bato) ay "kinunan" sa plato, lumilipad sila sa pamamagitan ng 2 mga puwang at pinindot ang screen nang direkta sa tapat ng mga puwang. At 2 lamang na mga patayong guhit ang "gumuhit" sa screen.

Magaan na pagkagambala - ito ang "alon" na pag-uugali ng ilaw, kapag maraming mga alternating maliwanag at madilim na patayong guhitan ay ipinapakita sa screen. Yaong mga patayong guhitan ay tinatawag na pattern ng panghihimasok.

Sa aming macrocosm, madalas naming obserbahan na ang ilaw ay kumikilos tulad ng isang alon. Kung inilagay mo ang iyong kamay sa harap ng kandila, pagkatapos ay sa dingding ay hindi magkakaroon ng isang malinaw na anino mula sa kamay, ngunit may mga malabo na contour.

Kaya, hindi lahat mahirap iyon! Ngayon ay malinaw na sa amin na ang ilaw ay may likas na alon at kung ang 2 slits ay naiilawan ng ilaw, pagkatapos ay sa screen sa likuran nila makikita namin ang isang pattern ng pagkagambala. Ngayon tingnan natin ang ika-2 eksperimento. Ito ang sikat na eksperimento ng Stern-Gerlach (na isinagawa noong 20s ng huling siglo).

Ang pag-install na inilarawan sa cartoon ay hindi nagningning ng ilaw, ngunit "binaril" ng mga electron (bilang mga indibidwal na partikulo). Pagkatapos, sa simula ng huling siglo, ang mga physicist sa buong mundo ay naniniwala na ang mga electron ay mga elementong maliit na butil ng bagay at hindi dapat magkaroon ng likas na alon, ngunit kapareho ng mga maliliit na bato. Pagkatapos ng lahat, ang mga electron ay mga elementong partikulo ng bagay, tama ba? Iyon ay, kung "itapon mo" ang mga ito sa 2 puwang, tulad ng maliliit na bato, pagkatapos ay sa screen sa likod ng mga puwang dapat nating makita ang 2 patayong guhitan.

Ngunit ... Napakaganda ng resulta. Nakita ng mga siyentista ang isang pattern ng pagkagambala - maraming mga patayong guhitan. Iyon ay, ang mga electron, tulad ng ilaw, ay maaari ding magkaroon ng likas na alon, maaari silang makagambala. Sa kabilang banda, naging malinaw na ang ilaw ay hindi lamang isang alon, kundi pati na rin isang maliit na butil - isang poton (mula sa makasaysayang sanggunian sa simula ng artikulo, nalaman namin na natanggap ni Einstein ang Nobel Prize para sa pagtuklas na ito).

Maaari mong tandaan na sa paaralan sinabi sa atin sa pisika tungkol sa "Particle-wave dualism"? Nangangahulugan ito na pagdating sa napakaliit na mga particle (atoms, electron) ng microworld, kung gayon pareho silang mga alon at maliit na butil

Ngayon ay napakatalino natin at naiintindihan na ang dalawang eksperimento na inilarawan sa itaas - pagbaril gamit ang mga electron at pag-iilaw ng mga gilis na may ilaw - ay magkatulad na bagay. Sapagkat kami ay bumaril ng mga particle ng kabuuan sa mga slits. Ngayon alam natin na ang parehong ilaw at electron ay may likas na kalikasan, pareho silang mga alon at maliit na butil sa parehong oras. At sa simula ng ika-20 siglo, ang mga resulta ng eksperimentong ito ay isang pang-amoy.

Pansin Ngayon ay magpatuloy tayo sa isang mas banayad na tanong.

Lumiwanag kami sa aming mga slits na may isang stream ng mga photon (electron) - at nakikita namin ang isang pattern ng pagkagambala (patayong guhitan) sa likod ng mga slits sa screen. Ito ay malinaw. Ngunit interesado kaming makita kung paano ang bawat isa sa mga electron ay naglalakbay sa pamamagitan ng puwang.

Marahil, ang isang electron ay lilipad sa kaliwang puwang, ang isa pa sa kanan. Ngunit pagkatapos ay 2 patayong guhitan ay dapat na lumitaw sa screen nang direkta sa tapat ng mga puwang. Bakit mayroong isang pattern ng pagkagambala? Marahil ang mga electron sa paanuman nakikipag-ugnay sa bawat isa na nasa screen pagkatapos lumipad sa mga slits. At ang resulta ay tulad ng isang pattern ng alon. Paano natin ito masusubaybayan?

Magtapon kami ng mga electron hindi sa isang sinag, ngunit paisa-isa. Bumagsak tayo, maghintay, i-drop ang susunod. Ngayon, kapag ang electron ay lumilipad nang nag-iisa, hindi na ito makaka-ugnay sa screen sa iba pang mga electron. Irehistro namin ang bawat electron sa screen pagkatapos ng pagkahagis. Isa o dalawa, syempre, hindi "magpapinta" ng isang malinaw na larawan para sa amin. Ngunit kapag nagpadala kami ng marami sa mga ito sa mga puwang nang paisa-isa, mapapansin namin ... oh, katatakutan - muli silang "nagpinta" ng isang pattern ng pagkagambala ng pagkagambala!

Nagsisimula kaming mabagal na mabaliw. Pagkatapos ng lahat, inaasahan namin na magkakaroon ng 2 patayong guhitan sa tapat ng mga puwang! Ito ay lumabas na kapag itinapon namin ang mga litrato nang paisa-isa, ang bawat isa sa kanila ay lumipas, na parang sa pamamagitan ng 2 slits nang sabay, at nakagambala sa sarili nito. Fiksi! Bumalik tayo sa paliwanag ng hindi pangkaraniwang bagay na ito sa susunod na seksyon.

Ano ang spin at superposition?

Alam na natin ngayon kung ano ang panghihimasok. Ito ang pag-uugali ng alon ng mga micro particle - mga photon, electron, iba pang mga micro particle (tawagan natin silang mga photon para sa pagiging simple mula ngayon).

Bilang resulta ng eksperimento, nang itinapon namin ang 1 poton sa 2 slits, napagtanto namin na tila lumilipad ito sa dalawang slits nang sabay-sabay. Paano pa ipaliwanag ang pattern ng pagkagambala sa screen?

Ngunit paano isipin ang isang larawan na ang isang poton ay lumilipad sa dalawang slits nang sabay? Mayroong 2 mga pagpipilian.

• Ika-1 na pagpipilian: isang photon, tulad ng isang alon (tulad ng tubig) na "lumulutang" sa pamamagitan ng 2 slits nang sabay-sabay
• Pangalawang pagpipilian: isang poton, tulad ng isang maliit na butil, sabay na lumilipad kasama ang 2 mga daanan (hindi kahit na kasama ng dalawa, ngunit kasama nang sabay-sabay)

Sa prinsipyo, ang mga pahayag na ito ay katumbas. Nakarating kami sa "path integral". Ito ang pagbabalangkas ni Richard Feynman ng mga mekanika ng kabuuan.

Sa pamamagitan ng paraan, eksakto Richard Feynman ang kilalang ekspresyon ay pagmamay-ari niyan maaari naming kumpiyansa na igiit na walang nakakaintindi ng mga mekanika ng kabuuan

Ngunit ang ekspresyong ito ng kanya ay gumana sa simula ng siglo. Ngunit ngayon kami ay matalino at alam na ang poton ay maaaring kumilos pareho bilang isang maliit na butil at bilang isang alon. Na maaari nito, sa ilang hindi maintindihan na paraan para sa amin, sabay na lumipad sa pamamagitan ng 2 puwang. Samakatuwid, madali para sa atin na maunawaan ang sumusunod na mahalagang pahayag ng mga mekanika ng kabuuan:

Mahigpit na nagsasalita, ang mga mekanika ng kabuuan ay nagsasabi sa amin na ang pag-uugali ng isang poton ang panuntunan, hindi ang pagbubukod. Ang anumang maliit na butil ng kabuuan ay, bilang isang panuntunan, sa maraming mga estado o sa maraming mga puntos sa puwang nang sabay-sabay.

Ang mga bagay ng macrocosm ay matatagpuan lamang sa isang tukoy na lugar at sa isang tukoy na estado. Ngunit ang isang maliit na butil ay umiiral alinsunod sa sarili nitong mga batas. At wala siyang pakialam kung hindi natin sila naiintindihan. Ito ang punto

Aaminin lamang natin, bilang isang axiom, na ang "superposisyon" ng isang bagay na kabuuan ay nangangahulugan na maaari itong nasa 2 o higit pang mga landas nang sabay-sabay, sa 2 o higit pang mga point nang sabay-sabay

Nalalapat ang pareho sa isa pang parameter ng isang photon - spin (sarili nitong momentum ng momentum). Ang Spin ay isang vector. Ang isang bagay na kabuuan ay maaaring isipin bilang isang mikroskopiko pang-akit. Nasanay kami sa katotohanan na ang vector ng pang-akit (paikutin) ay maaaring nakadirekta paitaas o pababa. Ngunit isang electron o isang photon muli ang nagsasabi sa amin: "Guys, wala kaming pakialam kung ano ang nakasanayan mo, maaari kaming maging sa parehong mga estado ng spin nang sabay-sabay (vector pataas, vector pababa), tulad ng maaari kaming maging sa 2 mga landas nang sabay, o sa 2 puntos nang sabay! ".

Ano ang "pagsukat" o "pagbagsak ng paggana ng alon"?

Wala pang natitira para sa amin - upang maunawaan kung ano ang isang "pagsukat" at kung ano ang isang "pagbagsak ng paggalaw ng alon".

Pag-andar ng Wave Ay isang paglalarawan ng estado ng isang bagay na kabuuan (ang aming photon o elektron).

Ipagpalagay na mayroon kaming isang electron, lumilipad ito sa sarili sa isang walang katiyakan na estado, ang pagikot nito ay nakadirekta pataas at pababa nang sabay... Kailangan nating sukatin ang kanyang kalagayan.

Sukatin natin sa tulong ng isang magnetikong larangan: ang mga electron, na ang pag-ikot ay nakadirekta sa direksyon ng patlang, ay mai-deflected sa isang direksyon, at mga electron, na ang pag-ikot ay nakadirekta laban sa patlang - sa iba pa. Ang mga litrato ay maaari ring idirekta sa isang polarizing filter. Kung ang paikutin (polariseysyon) ng photon ay +1, dumadaan ito sa filter, at kung -1, kung gayon hindi ito gagawin.

Tigilan mo na! Dito hindi maiiwasang magkaroon ng isang katanungan: bago ang pagsukat, ang electron ay walang tiyak na direksyon sa pagikot, tama ba? Nasa lahat siya ng estado nang sabay?

Ito ang trick at sensasyon ng mga mekanika ng kabuuan.... Hanggang sa masukat mo ang estado ng isang bagay na kabuuan, maaari itong paikutin sa anumang direksyon (may anumang direksyon ng vector ng sarili nitong anggular momentum - paikutin). Ngunit sa sandaling ito kung sinukat mo ang kanyang estado, tila siya ay nagpapasya kung aling spin vector ang kukuha.

Ito ay tulad ng isang cool na dami ng bagay - gumawa ito ng isang desisyon tungkol sa estado nito. At hindi namin mahuhulaan nang maaga kung anong desisyon ang gagawin niya kapag siya ay lumipad sa magnetic field kung saan namin siya sinusukat. Ang posibilidad na magpasya siyang magkaroon ng isang paikutin o pababang vector ay 50-50%. Ngunit sa lalong madaling magpasya siya - siya ay nasa isang tiyak na estado na may isang tukoy na direksyon ng pagikot. Ang dahilan para sa kanyang desisyon ay ang aming "dimensyon"!

Tinawag itong " pagbagsak ng paggalaw ng alon "... Ang paggana ng alon bago ang pagsukat ay hindi natukoy, ibig sabihin ang electron spin vector ay matatagpuan nang sabay-sabay sa lahat ng direksyon, pagkatapos ng pagsukat ay naayos ng electron ang isang tiyak na direksyon ng spin vector nito.

Pansin Isang mahusay na halimbawa ng isang samahan mula sa aming macrocosm:

Paikutin ang barya sa mesa tulad ng isang whirligig. Habang ang barya ay umiikot, wala itong tiyak na kahulugan - ulo o buntot. Ngunit sa lalong madaling magpasya kang "sukatin" ang halagang ito at sampalin ang barya gamit ang iyong kamay, dito ka makakakuha ng isang tukoy na estado ng barya - mga ulo o buntot. Ngayon isipin na ang barya ang magpapasya kung anong halaga ang "ipakita" sa iyo - mga ulo o buntot. Ang electron ay kumikilos nang humigit-kumulang sa parehong paraan.

Tandaan ngayon ang eksperimento na ipinakita sa dulo ng cartoon. Kapag ang mga photon ay naipasa sa mga slits, kumilos sila tulad ng isang alon at nagpakita ng isang pattern ng pagkagambala sa screen. At kapag nais ng mga siyentista na ayusin (sukatin) ang sandali ng paglipad ng mga photon sa pamamagitan ng slit at ilagay ang isang "tagamasid" sa likod ng screen, nagsimulang kumilos ang mga photon, hindi tulad ng mga alon, ngunit tulad ng mga maliit na butil. At "iginuhit" ang 2 mga patayong guhitan sa screen. Yung. sa sandali ng pagsukat o pagmamasid, ang mga bagay na kuantum mismo ang pipiliin kung anong estado sila dapat.

Fiksi! Hindi ba

Ngunit hindi lang iyon. Sa wakas kami nakuha sa pinaka-kagiliw-giliw.

Ngunit ... tila sa akin na magkakaroon ng labis na impormasyon, kaya isasaalang-alang namin ang 2 konseptong ito sa magkakahiwalay na mga post:

• Ano ?
• Ano ang isang eksperimento sa pag-iisip.

Ngayon, nais mo bang maisaayos ang impormasyon sa mga istante? Manood ng isang dokumentaryong ginawa ng Canadian Institute for Theoretical Physics. Dito, sa loob ng 20 minuto, napakaliit at ayon sa pagkakasunud-sunod, sasabihin sa iyo ang tungkol sa lahat ng mga natuklasan ng kabuuan ng pisika, mula nang matuklasan ang Planck noong 1900. At pagkatapos ay sasabihin nila sa iyo kung anong mga praktikal na pagpapaunlad ang isinasagawa ngayon batay sa kaalaman sa dami ng pisika: mula sa pinaka tumpak na mga atomic na orasan hanggang sa napakabilis na pagkalkula ng isang computer na kabuuan. Masidhing inirerekumenda kong panoorin ang pelikulang ito.

Magkita tayo!

Nais ko kayong lahat na inspirasyon para sa lahat ng iyong mga plano at proyekto!

P.S.2 Isulat ang iyong mga katanungan at saloobin sa mga komento. Sumulat, ano ang iba pang mga katanungan tungkol sa kabuuan ng pisika na interes sa iyo?

P.S.3 Mag-subscribe sa blog - isang form upang mag-subscribe sa artikulo.