L'essence de la physique quantique. Les fondamentaux de la physique quantique en cinq expériences pour les "nuls"

La physique est la plus mystérieuse de toutes les sciences. La physique nous donne une compréhension du monde qui nous entoure. Les lois de la physique sont absolues et s'appliquent à tous sans exception, indépendamment de la personne et du statut social.

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Découvertes fondamentales en physique quantique

Isaac Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein et bien d'autres sont les grands guides de l'humanité dans le monde merveilleux de la physique, qui, tels des prophètes, ont révélé à l'humanité les plus grands secrets de l'univers et la capacité de contrôler les phénomènes physiques. Leurs têtes brillantes ont traversé les ténèbres de l'ignorance de la majorité déraisonnable et, comme une étoile directrice, ont montré le chemin de l'humanité dans l'obscurité de la nuit. L'un de ces chefs d'orchestre dans le monde de la physique était Max Planck, le père de la physique quantique.

Max Planck n'est pas seulement le fondateur de la physique quantique, mais aussi l'auteur de la célèbre théorie quantique. La théorie quantique est la composante la plus importante de la physique quantique. En termes simples, cette théorie décrit le mouvement, le comportement et l'interaction des microparticules. Le fondateur de la physique quantique nous a également apporté de nombreux autres travaux scientifiques qui sont devenus les pierres angulaires de la physique moderne :

• théorie du rayonnement thermique;
• théorie spéciale de la relativité;
• recherche dans le domaine de la thermodynamique;
• recherche dans le domaine de l'optique.

La théorie de la physique quantique sur le comportement et l'interaction des microparticules est devenue la base de la physique de la matière condensée, de la physique des particules élémentaires et de la physique des hautes énergies. La théorie quantique nous explique l'essence de nombreux phénomènes de notre monde - du fonctionnement des ordinateurs électroniques à la structure et au comportement des corps célestes. Max Planck, le créateur de cette théorie, grâce à sa découverte nous a permis de comprendre la véritable essence de beaucoup de choses au niveau des particules élémentaires. Mais la création de cette théorie est loin d'être le seul mérite du scientifique. Il a été le premier à découvrir la loi fondamentale de l'univers - la loi de conservation de l'énergie. La contribution à la science de Max Planck est difficile à surestimer. Bref, ses découvertes sont inestimables pour la physique, la chimie, l'histoire, la méthodologie et la philosophie.

théorie quantique des champs

En un mot, la théorie quantique des champs est une théorie de la description des microparticules, ainsi que de leur comportement dans l'espace, de leur interaction entre elles et de leurs transformations mutuelles. Cette théorie étudie le comportement des systèmes quantiques dans les soi-disant degrés de liberté. Ce nom beau et romantique ne dit rien à beaucoup d'entre nous. Pour les mannequins, les degrés de liberté sont le nombre de coordonnées indépendantes nécessaires pour indiquer le mouvement d'un système mécanique. En termes simples, les degrés de liberté sont des caractéristiques du mouvement. Des découvertes intéressantes dans le domaine de l'interaction des particules élémentaires ont été faites par Steven Weinberg. Il a découvert le soi-disant courant neutre - le principe de l'interaction entre les quarks et les leptons, pour lequel il a reçu le prix Nobel en 1979.

La théorie quantique de Max Planck

Dans les années 90 du XVIIIe siècle, le physicien allemand Max Planck a entrepris l'étude du rayonnement thermique et a finalement reçu une formule pour la répartition de l'énergie. L'hypothèse quantique, née au cours de ces études, a marqué le début de la physique quantique, ainsi que de la théorie quantique des champs, découverte l'année 1900. La théorie quantique de Planck est que lors du rayonnement thermique, l'énergie produite est émise et absorbée non pas constamment, mais épisodiquement, quantiquement. L'année 1900, grâce à cette découverte faite par Max Planck, devient l'année de la naissance de la mécanique quantique. Il convient également de mentionner la formule de Planck. En bref, son essence est la suivante - elle est basée sur le rapport entre la température corporelle et son rayonnement.

Théorie de la mécanique quantique de la structure de l'atome

La théorie mécanique quantique de la structure de l'atome est l'une des théories fondamentales des concepts en physique quantique, et même en physique en général. Cette théorie nous permet de comprendre la structure de tout ce qui est matériel et ouvre le voile du secret sur la composition réelle des choses. Et les conclusions basées sur cette théorie sont très inattendues. Considérons brièvement la structure de l'atome. Alors, de quoi est vraiment composé un atome ? Un atome est constitué d'un noyau et d'un nuage d'électrons. La base de l'atome, son noyau, contient presque toute la masse de l'atome lui-même - plus de 99 %. Le noyau a toujours une charge positive, et il détermine l'élément chimique dont l'atome fait partie. La chose la plus intéressante à propos du noyau d'un atome est qu'il contient presque toute la masse de l'atome, mais en même temps il n'occupe qu'un dix-millième de son volume. Qu'en découle-t-il ? Et la conclusion est très inattendue. Cela signifie que la matière dense dans l'atome n'est que d'un dix-millième. Et qu'en est-il de tout le reste ? Tout le reste dans l'atome est un nuage d'électrons.

Le nuage d'électrons n'est pas une substance permanente et même, en fait, pas une substance matérielle. Un nuage d'électrons n'est que la probabilité d'apparition d'électrons dans un atome. Autrement dit, le noyau n'occupe qu'un dix millième dans l'atome, et tout le reste est vide. Et si nous tenons compte du fait que tous les objets qui nous entourent, des particules de poussière aux corps célestes, aux planètes et aux étoiles, sont constitués d'atomes, il s'avère que tout ce qui est matériel est en fait constitué à plus de 99 % de vide. Cette théorie semble complètement incroyable, et son auteur, du moins, un illusionné, car les choses qui existent autour ont une consistance solide, ont du poids et se ressentent. Comment peut-il être constitué de vide ? Une erreur s'est-elle glissée dans cette théorie de la structure de la matière ? Mais il n'y a pas d'erreur ici.

Toutes les choses matérielles semblent denses uniquement en raison de l'interaction entre les atomes. Les choses ont une consistance solide et dense uniquement en raison de l'attraction ou de la répulsion entre les atomes. Cela garantit la densité et la dureté du réseau cristallin des produits chimiques, dont tout matériau est constitué. Mais, un point intéressant, lorsque, par exemple, les conditions de température de l'environnement changent, les liaisons entre les atomes, c'est-à-dire leur attraction et leur répulsion, peuvent s'affaiblir, ce qui conduit à un affaiblissement du réseau cristallin et même à sa destruction. Cela explique le changement des propriétés physiques des substances lorsqu'elles sont chauffées. Par exemple, lorsque le fer est chauffé, il devient liquide et peut être façonné dans n'importe quelle forme. Et lorsque la glace fond, la destruction du réseau cristallin entraîne un changement d'état de la matière, et celle-ci passe de solide à liquide. Ce sont des exemples clairs de l'affaiblissement des liaisons entre les atomes et, par conséquent, de l'affaiblissement ou de la destruction du réseau cristallin, et permettent à la substance de devenir amorphe. Et la raison de ces métamorphoses mystérieuses est précisément que les substances ne sont constituées de matière dense que par un dix-millième, et tout le reste est vide.

Et les substances semblent être solides uniquement à cause des liens solides entre les atomes, avec l'affaiblissement desquels, la substance change. Ainsi, la théorie quantique de la structure de l'atome nous permet de porter un tout autre regard sur le monde qui nous entoure.

Le fondateur de la théorie de l'atome, Niels Bohr, a proposé un concept intéressant selon lequel les électrons de l'atome ne rayonnent pas d'énergie en permanence, mais uniquement au moment de la transition entre les trajectoires de leur mouvement. La théorie de Bohr a aidé à expliquer de nombreux processus intra-atomiques et a également fait une percée dans la science de la chimie, expliquant la limite de la table créée par Mendeleïev. Selon , le dernier élément qui peut exister dans le temps et l'espace a le numéro de série cent trente-sept, et les éléments à partir de cent trente-huitième ne peuvent pas exister, car leur existence contredit la théorie de la relativité. En outre, la théorie de Bohr expliquait la nature d'un phénomène physique tel que les spectres atomiques.

Ce sont les spectres d'interaction des atomes libres qui apparaissent lorsque de l'énergie est émise entre eux. De tels phénomènes sont typiques pour les substances gazeuses, vaporeuses et les substances à l'état de plasma. Ainsi, la théorie quantique a révolutionné le monde de la physique et a permis aux scientifiques d'avancer non seulement dans le domaine de cette science, mais aussi dans le domaine de nombreuses sciences connexes : chimie, thermodynamique, optique et philosophie. Et aussi permis à l'humanité de pénétrer les secrets de la nature des choses.

Il reste encore beaucoup à faire par l'humanité dans sa conscience pour réaliser la nature des atomes, pour comprendre les principes de leur comportement et de leur interaction. Après avoir compris cela, nous pourrons comprendre la nature du monde qui nous entoure, car tout ce qui nous entoure, à commencer par les particules de poussière et se terminant par le soleil lui-même, et nous-mêmes - tout est constitué d'atomes dont la nature est mystérieuse et étonnant et chargé de beaucoup de secrets.

Bonjour chers lecteurs. Si vous ne voulez pas être en retard sur la vie, vous voulez devenir une personne vraiment heureuse et en bonne santé, vous devez connaître les secrets de la physique quantique moderne, au moins une petite idée des profondeurs de l'univers que les scientifiques ont creusées aujourd'hui. Vous n'avez pas le temps d'entrer dans les détails scientifiques approfondis, mais vous ne voulez comprendre que l'essentiel, mais pour voir la beauté du monde inconnu, alors cet article : la physique quantique pour les nuls ordinaires ou, pourrait-on dire, pour les femmes au foyer, est juste pour toi. Je vais essayer d'expliquer ce qu'est la physique quantique, mais avec des mots simples, pour montrer clairement.

« Quel est le lien entre le bonheur, la santé et la physique quantique ? », demandez-vous.

Le fait est qu'il aide à répondre à de nombreuses questions incompréhensibles liées à la conscience humaine, l'influence de la conscience sur le corps. Malheureusement, la médecine, s'appuyant sur la physique classique, ne nous aide pas toujours à être en bonne santé. Et la psychologie ne peut pas vous dire correctement comment trouver le bonheur.

Seule une connaissance plus approfondie du monde nous aidera à comprendre comment vraiment faire face à la maladie et où vit le bonheur. Cette connaissance se trouve dans les couches profondes de l'univers. La physique quantique vient à la rescousse. Bientôt vous saurez tout.

Qu'est-ce que la physique quantique étudie en termes simples

Oui, en effet, la physique quantique est très difficile à comprendre car elle étudie les lois du micromonde. C'est-à-dire le monde dans ses couches les plus profondes, à de très petites distances, où il est très difficile pour une personne de regarder.

Et il s'avère que le monde s'y comporte de manière très étrange, mystérieuse et incompréhensible, pas comme nous en avons l'habitude.

D'où toute la complexité et l'incompréhension de la physique quantique.

Mais après avoir lu cet article, vous élargirez les horizons de vos connaissances et regarderez le monde d'une manière complètement différente.

En bref sur l'histoire de la physique quantique

Tout a commencé au début du XXe siècle, lorsque la physique newtonienne ne pouvait pas expliquer beaucoup de choses et que les scientifiques se trouvaient dans une impasse. Puis Max Planck a introduit le concept de quantum. Albert Einstein a repris cette idée et a prouvé que la lumière ne se propage pas en continu, mais par portions - quanta (photons). Avant cela, on croyait que la lumière avait une nature ondulatoire.

Mais comme il s'est avéré plus tard, toute particule élémentaire n'est pas seulement un quantum, c'est-à-dire une particule solide, mais aussi une onde. C'est ainsi que le dualisme des ondes corpusculaires est apparu en physique quantique, premier paradoxe et début des découvertes de phénomènes mystérieux du micromonde.

Les paradoxes les plus intéressants ont commencé lorsque la célèbre expérience de la double fente a été réalisée, après quoi les mystères sont devenus bien plus. On peut dire que la physique quantique a commencé avec lui. Jetons un coup d'œil.

Expérience à double fente en physique quantique

Imaginez une plaque avec deux fentes en forme de bandes verticales. Nous mettrons un écran derrière cette plaque. Si nous dirigeons la lumière sur la plaque, nous verrons un motif d'interférence sur l'écran. C'est-à-dire une alternance de rayures verticales sombres et lumineuses. L'interférence est le résultat du comportement ondulatoire de quelque chose, dans notre cas la lumière.

Si vous faites passer une vague d'eau à travers deux trous situés côte à côte, vous comprendrez ce qu'est une interférence. Autrement dit, la lumière s'avère être un peu comme si elle avait une nature ondulatoire. Mais comme la physique, ou plutôt Einstein, l'a prouvé, elle se propage par des particules de photons. Déjà un paradoxe. Mais ça va, le dualisme des ondes corpusculaires ne nous surprendra plus. La physique quantique nous dit que la lumière se comporte comme une onde mais est composée de photons. Mais les miracles ne font que commencer.

Plaçons un pistolet devant une plaque à deux fentes, qui n'émettra pas de lumière, mais des électrons. Commençons à tirer des électrons. Que verra-t-on sur l'écran derrière la plaque ?

Après tout, les électrons sont des particules, ce qui signifie que le flux d'électrons, passant par deux fentes, ne doit laisser que deux bandes sur l'écran, deux traces en face des fentes. Avez-vous imaginé des cailloux volant à travers deux fentes et frappant l'écran ?

Mais que voit-on vraiment ? Tout le même modèle d'interférence. Quelle est la conclusion : les électrons se propagent par ondes. Les électrons sont donc des ondes. Mais après tout, c'est une particule élémentaire. Encore une fois le dualisme des ondes corpusculaires en physique.

Mais on peut supposer qu'à un niveau plus profond, un électron est une particule, et lorsque ces particules se rejoignent, elles commencent à se comporter comme des ondes. Par exemple, une vague de mer est une vague, mais elle est composée de gouttelettes d'eau, et à un niveau inférieur, de molécules, puis d'atomes. Bon, la logique est solide.

Alors tirons avec un pistolet non pas avec un flux d'électrons, mais libérons des électrons séparément, après un certain laps de temps. Comme si nous passions à travers les fissures non pas une vague de mer, mais crachant des gouttes individuelles d'un pistolet à eau pour enfants.

Il est tout à fait logique que dans ce cas différentes gouttes d'eau tombent dans des fentes différentes. Sur l'écran derrière la plaque, on ne voyait pas un motif d'interférence de l'onde, mais deux franges d'impact distinctes en face de chaque fente. Nous verrons la même chose si nous jetons de petites pierres, elles, volant à travers deux fissures, laisseraient une trace, comme une ombre de deux trous. Tournons maintenant des électrons individuels pour voir ces deux bandes sur l'écran à partir d'impacts d'électrons. Ils en ont sorti un, attendu, le second, attendu, et ainsi de suite. Les physiciens quantiques ont pu faire une telle expérience.

Mais horreur. A la place de ces deux franges, on obtient les mêmes alternances d'interférence de plusieurs franges. Comment? Cela peut arriver si un électron vole à travers deux fentes en même temps, mais derrière la plaque, comme une onde, il se heurte à lui-même et interfère. Mais ce n'est pas possible, car une particule ne peut pas être à deux endroits en même temps. Il vole soit à travers la première fente, soit à travers la seconde.

C'est là que commencent les choses vraiment fantastiques de la physique quantique.

Superposition en physique quantique

Avec une analyse plus approfondie, les scientifiques découvrent que toute particule quantique élémentaire ou la même lumière (photon) peut en fait se trouver à plusieurs endroits en même temps. Et ce ne sont pas des miracles, mais les faits réels du microcosme. C'est ce que dit la physique quantique. C'est pourquoi, lors du tir d'une particule distincte à partir d'un canon, nous voyons le résultat d'interférences. Derrière la plaque, l'électron entre en collision avec lui-même et crée un motif d'interférence.

Les objets ordinaires du macrocosme sont toujours au même endroit, ont un seul état. Par exemple, vous êtes maintenant assis sur une chaise, pesez, disons, 50 kg, avez un pouls de 60 battements par minute. Bien sûr, ces indications changeront, mais elles changeront après un certain temps. Après tout, vous ne pouvez pas être à la maison et au travail en même temps, pesant 50 et 100 kg. Tout cela est compréhensible, c'est du bon sens.

Dans la physique du microcosme, tout est différent.

La mécanique quantique prétend, et cela a déjà été confirmé expérimentalement, que toute particule élémentaire peut être simultanément non seulement en plusieurs points de l'espace, mais aussi avoir plusieurs états en même temps, comme le spin.

Tout cela ne rentre pas dans la tête, sape l'idée habituelle du monde, les anciennes lois de la physique, tourne la pensée, on peut dire sans se tromper que ça rend fou.

C'est ainsi que nous en venons à comprendre le terme "superposition" en mécanique quantique.

La superposition signifie qu'un objet du microcosme peut se trouver simultanément dans différents points de l'espace, et aussi avoir plusieurs états en même temps. Et c'est normal pour les particules élémentaires. Telle est la loi du micro-monde, aussi étrange et fantastique qu'il puisse paraître.

Vous êtes surpris, mais ce ne sont que des fleurs, les miracles, mystères et paradoxes les plus inexplicables de la physique quantique sont encore à venir.

Effondrement de la fonction d'onde en physique en termes simples

Ensuite, les scientifiques ont décidé de découvrir et de voir plus précisément si l'électron passe réellement par les deux fentes. Tout d'un coup, il traverse une fente, puis se sépare d'une manière ou d'une autre et crée un motif d'interférence lors de son passage. Eh bien, on ne sait jamais. Autrement dit, vous devez placer un appareil près de la fente, qui enregistrerait avec précision le passage d'un électron à travers celle-ci. À peine dit que c'était fait. Bien sûr, c'est difficile à mettre en oeuvre, il faut non pas un appareil, mais autre chose pour voir le passage d'un électron. Mais les scientifiques l'ont fait.

Mais au final, le résultat a surpris tout le monde.

Dès que nous commençons à regarder par quelle fente un électron passe, il commence à se comporter non pas comme une onde, non comme une substance étrange qui se trouve en différents points de l'espace en même temps, mais comme une particule ordinaire. C'est-à-dire qu'il commence à montrer les propriétés spécifiques d'un quantum: il n'est situé qu'à un seul endroit, il passe par une fente, il a une valeur de spin. Ce qui apparaît à l'écran n'est pas un motif d'interférence, mais une simple trace en face de la fente.

Mais comment est-ce possible. Comme si l'électron plaisantait, jouant avec nous. Au début, il se comporte comme une onde, puis, après avoir décidé de s'intéresser à son passage à travers une fente, il présente les propriétés d'une particule solide et ne traverse qu'une seule fente. Mais c'est comme ça dans le microcosme. Ce sont les lois de la physique quantique.

Les scientifiques ont découvert une autre propriété mystérieuse des particules élémentaires. C'est ainsi que les notions d'incertitude et d'effondrement de la fonction d'onde sont apparues en physique quantique.

Lorsqu'un électron vole vers le gap, il est dans un état indéfini ou, comme nous l'avons dit plus haut, dans une superposition. C'est-à-dire qu'il se comporte comme une onde, il est situé simultanément à différents points de l'espace, il a deux valeurs de spin (un spin n'a que deux valeurs). Si nous ne le touchions pas, n'essayions pas de le regarder, ne découvrions pas exactement où il se trouve, si nous ne mesurions pas la valeur de sa rotation, il volerait comme une vague à travers deux fentes au en même temps, ce qui signifie qu'il créerait un motif d'interférence. La physique quantique décrit sa trajectoire et ses paramètres à l'aide de la fonction d'onde.

Après avoir effectué une mesure (et il n'est possible de mesurer une particule du micromonde qu'en interagissant avec elle, par exemple en heurtant une autre particule avec elle), alors la fonction d'onde s'effondre.

Autrement dit, maintenant l'électron est exactement à un endroit dans l'espace, a une valeur de spin.

On peut dire qu'une particule élémentaire est comme un fantôme, elle semble exister, mais en même temps elle n'est pas à un endroit, et avec une certaine probabilité elle peut être n'importe où dans la description de la fonction d'onde. Mais dès que nous commençons à le contacter, il se transforme d'un objet fantomatique en une véritable substance tangible qui se comporte comme des objets ordinaires du monde classique qui nous sont familiers.

"C'est fantastique", dites-vous. Bien sûr, mais les merveilles de la physique quantique ne font que commencer. Le plus incroyable reste à venir. Mais faisons une pause dans l'abondance d'informations et revenons aux aventures quantiques une autre fois, dans un autre article. En attendant, réfléchissez à ce que vous avez appris aujourd'hui. À quoi peuvent mener de tels miracles ? Après tout, ils nous entourent, c'est une propriété de notre monde, bien qu'à un niveau plus profond. Pensons-nous encore que nous vivons dans un monde ennuyeux ? Mais nous tirerons des conclusions plus tard.

J'ai essayé de parler brièvement et clairement des bases de la physique quantique.

Mais si vous ne comprenez pas quelque chose, alors regardez ce dessin animé sur la physique quantique, sur l'expérience avec deux fentes, tout y est également raconté dans un langage compréhensible et simple.

Bande dessinée sur la physique quantique :

Ou vous pouvez regarder cette vidéo, tout va se mettre en place, la physique quantique est très intéressante.

Vidéo sur la physique quantique :

Comment ne saviez-vous pas cela avant ?

Les découvertes modernes en physique quantique modifient notre monde matériel familier.

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

Vous avez sûrement entendu plusieurs fois sur les mystères inexplicables de la physique quantique et de la mécanique quantique. Ses lois fascinent par le mysticisme, et même les physiciens eux-mêmes admettent qu'ils ne les comprennent pas pleinement. D'une part, il est curieux de comprendre ces lois, mais d'autre part, on n'a pas le temps de lire des livres complexes et en plusieurs volumes sur la physique. Je vous comprends très bien, car j'aime aussi la connaissance et la recherche de la vérité, mais il n'y a cruellement pas assez de temps pour tous les livres. Vous n'êtes pas seul, beaucoup de curieux tapent dans la ligne de recherche : « la physique quantique pour les nuls, la mécanique quantique pour les nuls, la physique quantique pour les débutants, la mécanique quantique pour les débutants, les bases de la physique quantique, les bases de la mécanique quantique, la physique quantique pour les enfants, qu'est-ce que la mécanique quantique". Ce poste est pour vous.

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

• Qu'est-ce que l'ingérence ?
• Qu'est-ce que la rotation et la superposition ?
• Qu'est-ce que la "mesure" ou "l'effondrement de la fonction d'onde" ?
• Qu'est-ce que l'intrication quantique (ou téléportation quantique pour les nuls) ? (voir articles)
• Qu'est-ce que l'expérience de pensée du chat de Schrödinger ? (voir articles)

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

La mécanique quantique fait partie de la physique quantique.

Pourquoi est-il si difficile de comprendre ces sciences ? La réponse est simple : la physique quantique et la mécanique quantique (une partie de la physique quantique) étudient les lois du micromonde. Et ces lois sont absolument différentes des lois de notre macrocosme. Par conséquent, il nous est difficile d'imaginer ce qui arrive aux électrons et aux photons dans le microcosme.

Un exemple de la différence entre les lois des macro- et micro-mondes: dans notre macrocosme, si vous mettez une balle dans l'une des 2 cases, l'une d'elles sera vide et l'autre - une balle. Mais dans le microcosme (si au lieu d'une boule - un atome), un atome peut être simultanément dans deux boîtes. Cela a été confirmé à plusieurs reprises expérimentalement. N'est-ce pas difficile de se le mettre dans la tête ? Mais vous ne pouvez pas contester les faits.

Un autre exemple. Vous avez photographié une voiture de sport rouge de course rapide et sur la photo, vous avez vu une bande horizontale floue, comme si la voiture au moment de la photo provenait de plusieurs points dans l'espace. Malgré ce que vous voyez sur la photo, vous êtes toujours sûr que la voiture était au moment où vous l'avez photographiée. à un endroit précis de l'espace. Ce n'est pas le cas dans le micro-monde. Un électron qui tourne autour du noyau d'un atome ne tourne pas réellement, mais situés simultanément en tous points de la sphère autour du noyau d'un atome. Comme une pelote de laine pelucheuse lâchement enroulée. Ce concept en physique s'appelle "nuage électronique" .

Une petite digression dans l'histoire. Pour la première fois, les scientifiques ont pensé au monde quantique lorsque, en 1900, le physicien allemand Max Planck a tenté de découvrir pourquoi les métaux changent de couleur lorsqu'ils sont chauffés. C'est lui qui a introduit le concept de quantum. Avant cela, les scientifiques pensaient que la lumière voyageait en continu. La première personne à prendre au sérieux la découverte de Planck fut Albert Einstein, alors inconnu. Il s'est rendu compte que la lumière n'est pas seulement une onde. Parfois, il se comporte comme une particule. Einstein a reçu le prix Nobel pour sa découverte que la lumière est émise par portions, les quanta. Un quantum de lumière s'appelle un photon ( photon, Wikipédia) .

Afin de faciliter la compréhension des lois quantiques la physique et mécanique (Wikipédia), il faut, en un certain sens, faire abstraction des lois de la physique classique qui nous sont familières. Et imaginez que vous avez plongé, comme Alice, dans le terrier du lapin, au pays des merveilles.

Et voici un dessin animé pour enfants et adultes. Parle de l'expérience fondamentale de la mécanique quantique avec 2 fentes et un observateur. Ne dure que 5 minutes. Regardez-le avant de plonger dans les questions et concepts de base de la physique quantique.

Vidéo sur la physique quantique pour les nuls. Dans le dessin animé, faites attention à "l'œil" de l'observateur. C'est devenu un sérieux mystère pour les physiciens.

Qu'est-ce que l'ingérence ?

Au début du dessin animé, en utilisant l'exemple d'un liquide, il a été montré comment les ondes se comportent - des bandes verticales alternées sombres et claires apparaissent sur l'écran derrière une plaque à fentes. Et dans le cas où des particules discrètes (par exemple, des cailloux) sont «tirées» sur la plaque, elles volent à travers 2 fentes et frappent l'écran directement en face des fentes. Et "dessinez" sur l'écran seulement 2 bandes verticales.

Interférence lumineuse- C'est le comportement "ondulatoire" de la lumière, lorsque de nombreuses bandes verticales claires et sombres alternées sont affichées à l'écran. Et ces rayures verticales appelé motif d'interférence.

Dans notre macrocosme, nous observons souvent que la lumière se comporte comme une onde. Si vous placez votre main devant la bougie, il n'y aura pas d'ombre claire de la main sur le mur, mais des contours flous.

Alors, tout n'est pas si difficile ! Il est maintenant tout à fait clair pour nous que la lumière a une nature ondulatoire, et si 2 fentes sont éclairées par de la lumière, alors sur l'écran derrière elles, nous verrons un motif d'interférence. Considérons maintenant la 2ème expérience. Il s'agit de la célèbre expérience de Stern-Gerlach (qui a été réalisée dans les années 20 du siècle dernier).

Dans l'installation décrite dans le dessin animé, ils ne brillaient pas de lumière, mais "tiraient" avec des électrons (sous forme de particules séparées). Puis, au début du siècle dernier, les physiciens du monde entier croyaient que les électrons étaient des particules élémentaires de matière et ne devaient pas avoir une nature ondulatoire, mais la même chose que les cailloux. Après tout, les électrons sont des particules élémentaires de matière, n'est-ce pas ? Autrement dit, s'ils sont «jetés» dans 2 fentes, comme des cailloux, alors sur l'écran derrière les fentes, nous devrions voir 2 bandes verticales.

Mais… Le résultat était époustouflant. Les scientifiques ont vu un motif d'interférence - beaucoup de rayures verticales. C'est-à-dire que les électrons, comme la lumière, peuvent aussi avoir une nature ondulatoire, ils peuvent interférer. D'autre part, il est devenu clair que la lumière n'est pas seulement une onde, mais aussi une particule - un photon (d'après le contexte historique au début de l'article, nous avons appris qu'Einstein avait reçu le prix Nobel pour cette découverte).

Vous vous souvenez peut-être qu'à l'école on nous a parlé en physique de "dualisme particule-onde"? Cela signifie que lorsqu'il s'agit de très petites particules (atomes, électrons) du micromonde, alors ce sont à la fois des ondes et des particules

C'est aujourd'hui que vous et moi sommes si intelligents et comprenons que les 2 expériences décrites ci-dessus - tirer des électrons et éclairer des fentes avec de la lumière - sont une seule et même chose. Parce qu'on tire des particules quantiques sur les fentes. Nous savons maintenant que la lumière et les électrons sont de nature quantique, ils sont à la fois des ondes et des particules. Et au début du XXe siècle, les résultats de cette expérience font sensation.

Attention! Passons maintenant à un problème plus subtil.

Nous brillons sur nos fentes avec un flux de photons (électrons) - et nous voyons un motif d'interférence (rayures verticales) derrière les fentes sur l'écran. C'est clair. Mais nous sommes intéressés de voir comment chacun des électrons vole à travers la fente.

Vraisemblablement, un électron vole vers la fente de gauche, l'autre vers la droite. Mais alors 2 bandes verticales devraient apparaître sur l'écran directement en face des fentes. Pourquoi obtient-on un motif d'interférence ? Peut-être que les électrons interagissent déjà les uns avec les autres sur l'écran après avoir traversé les fentes. Et le résultat est un tel motif de vagues. Comment pouvons-nous suivre cela?

Nous ne lancerons pas les électrons dans un faisceau, mais un à la fois. Laisse tomber, attends, laisse tomber la suivante. Désormais, lorsque l'électron vole seul, il ne pourra plus interagir sur l'écran avec d'autres électrons. Nous enregistrerons sur l'écran chaque électron après le lancer. Un ou deux, bien sûr, ne nous "peindront" pas une image claire. Mais quand un par un nous en enverrons beaucoup dans les fentes, nous remarquerons ... oh horreur - ils ont à nouveau "dessiné" un motif d'ondes d'interférence!

Nous commençons lentement à devenir fous. Après tout, nous nous attendions à ce qu'il y ait 2 bandes verticales en face des fentes ! Il s'avère que lorsque nous lançions des photons un par un, chacun d'eux passait, pour ainsi dire, à travers 2 fentes en même temps et interférait avec lui-même. Fantaisie! Nous reviendrons sur l'explication de ce phénomène dans la section suivante.

Qu'est-ce que la rotation et la superposition ?

Nous savons maintenant ce qu'est l'ingérence. C'est le comportement ondulatoire des microparticules - photons, électrons, autres microparticules (appelons-les désormais photons pour plus de simplicité).

À la suite de l'expérience, lorsque nous avons lancé 1 photon dans 2 fentes, nous avons réalisé qu'il volait comme s'il traversait deux fentes en même temps. Sinon, comment expliquer le motif d'interférence sur l'écran ?

Mais comment imaginer une image qu'un photon vole à travers deux fentes en même temps ? Il y a 2 options.

• 1ère option : photon, comme une vague (comme l'eau) "flotte" à travers 2 fentes en même temps
• 2ème choix : un photon, comme une particule, vole simultanément le long de 2 trajectoires (même pas deux, mais toutes à la fois)

En principe, ces déclarations sont équivalentes. Nous sommes arrivés à "l'intégrale de chemin". C'est la formulation de la mécanique quantique de Richard Feynman.

D'ailleurs exactement Richard Feynmann appartient à l'expression bien connue que nous pouvons affirmer avec certitude que personne ne comprend la mécanique quantique

Mais cette expression de son travail au début du siècle. Mais maintenant nous sommes intelligents et nous savons qu'un photon peut se comporter à la fois comme une particule et comme une onde. Qu'il puisse voler à travers 2 créneaux en même temps d'une manière qui nous est incompréhensible. Par conséquent, il nous sera facile de comprendre l'important énoncé suivant de la mécanique quantique :

À proprement parler, la mécanique quantique nous dit que ce comportement des photons est la règle et non l'exception. Toute particule quantique est, en règle générale, dans plusieurs états ou en plusieurs points de l'espace simultanément.

Les objets du macromonde ne peuvent se trouver qu'à un endroit spécifique et dans un état spécifique. Mais une particule quantique existe selon ses propres lois. Et elle se fiche que nous ne les comprenions pas. C'est le point.

Il nous reste à accepter simplement comme axiome que la "superposition" d'un objet quantique signifie qu'il peut être sur 2 ou plusieurs trajectoires en même temps, en 2 ou plusieurs points en même temps

Il en va de même pour un autre paramètre du photon - le spin (son propre moment cinétique). Le spin est un vecteur. Un objet quantique peut être considéré comme un aimant microscopique. Nous sommes habitués au fait que le vecteur aimant (spin) est soit dirigé vers le haut soit vers le bas. Mais l'électron ou le photon nous dit encore : "Les gars, on se fiche de ce à quoi vous êtes habitués, on peut être dans les deux états de spin à la fois (vecteur haut, vecteur bas), tout comme on peut être sur 2 trajectoires au même temps ou à 2 points en même temps !

Qu'est-ce que la "mesure" ou "l'effondrement de la fonction d'onde" ?

Il nous reste un peu - à comprendre ce qu'est la "mesure" et ce qu'est "l'effondrement de la fonction d'onde".

fonction d'onde est une description de l'état d'un objet quantique (notre photon ou électron).

Supposons que nous ayons un électron, il vole vers lui-même dans un état indéterminé, sa rotation est dirigée vers le haut et vers le bas en même temps. Nous devons mesurer son état.

Faisons une mesure à l'aide d'un champ magnétique : les électrons dont le spin était dirigé dans la direction du champ vont dévier dans un sens, et les électrons dont le spin est dirigé contre le champ vont dévier dans l'autre sens. Les photons peuvent également être envoyés vers un filtre polarisant. Si le spin (polarisation) d'un photon est de +1, il passe à travers le filtre, et s'il est de -1, alors ce n'est pas le cas.

Arrêt! C'est là que la question se pose inévitablement : avant la mesure, après tout, l'électron n'avait pas de direction de spin particulière, n'est-ce pas ? Était-il dans tous les états en même temps ?

C'est l'astuce et la sensation de la mécanique quantique.. Tant que vous ne mesurez pas l'état d'un objet quantique, il peut tourner dans n'importe quelle direction (avoir n'importe quelle direction de son propre vecteur de moment cinétique - spin). Mais au moment où vous avez mesuré son état, il semble décider quel vecteur de spin prendre.

Cet objet quantique est tellement cool - il prend une décision sur son état. Et nous ne pouvons pas prédire à l'avance quelle décision il prendra lorsqu'il volera dans le champ magnétique dans lequel nous le mesurons. La probabilité qu'il décide d'avoir un vecteur spin "up" ou "down" est de 50 à 50%. Mais dès qu'il se décide, il se trouve dans un certain état avec une direction de rotation spécifique. La raison de sa décision est notre « dimension » !

C'est appelé " effondrement de la fonction d'onde". La fonction d'onde avant la mesure était indéfinie, c'est-à-dire le vecteur de spin de l'électron était simultanément dans toutes les directions, après la mesure, l'électron a fixé une certaine direction de son vecteur de spin.

Attention! Un excellent exemple-association de notre macrocosme pour comprendre :

Faites tourner une pièce sur la table comme une toupie. Pendant que la pièce tourne, elle n'a pas de signification spécifique - pile ou face. Mais dès que vous décidez de "mesurer" cette valeur et de frapper la pièce avec votre main, c'est là que vous obtenez l'état spécifique de la pièce - pile ou face. Imaginez maintenant que cette pièce décide quelle valeur vous "montrer" - pile ou face. L'électron se comporte à peu près de la même manière.

Souvenez-vous maintenant de l'expérience montrée à la fin du dessin animé. Lorsque les photons passaient à travers les fentes, ils se comportaient comme une onde et montraient un motif d'interférence sur l'écran. Et lorsque les scientifiques ont voulu fixer (mesurer) le moment où les photons traversaient la fente et placer un « observateur » derrière l'écran, les photons ont commencé à se comporter non pas comme des ondes, mais comme des particules. Et "dessiné" 2 bandes verticales sur l'écran. Ceux. au moment de la mesure ou de l'observation, les objets quantiques choisissent eux-mêmes dans quel état ils doivent se trouver.

Fantaisie! N'est-ce pas?

Mais ce n'est pas tout. Enfin nous arrivé au plus intéressant.

Mais ... il me semble qu'il y aura une surcharge d'informations, nous allons donc considérer ces 2 notions dans des articles séparés :

• Quelle ?
• Qu'est-ce qu'une expérience de pensée.

Et maintenant, voulez-vous que l'information soit mise sur les tablettes ? Regardez un documentaire produit par l'Institut canadien de physique théorique. En 20 minutes, il vous racontera très brièvement et par ordre chronologique toutes les découvertes de la physique quantique, à commencer par la découverte de Planck en 1900. Et puis ils vous diront quels développements pratiques sont actuellement en cours sur la base des connaissances de la physique quantique: des horloges atomiques les plus précises aux calculs ultra-rapides d'un ordinateur quantique. Je recommande fortement de regarder ce film.

À bientôt!

Je vous souhaite à tous de l'inspiration pour tous vos plans et projets!

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

P.S.3 Abonnez-vous au blog - le formulaire d'inscription sous l'article.

Du grec "fusis" vient le mot "physique". Cela signifie "nature". Aristote, qui vécut au IVe siècle av. J.-C., fut le premier à introduire ce concept.

La physique est devenue "russe" à la suggestion de M.V. Lomonosov, lorsqu'il a traduit le premier manuel de l'allemand.

physique des sciences

La physique est l'un des principaux. Divers processus, changements, c'est-à-dire phénomènes, se produisent constamment dans le monde.

Par exemple, un morceau de glace dans un endroit chaud commencera à fondre. Et l'eau de la bouilloire bout sur le feu. Un courant électrique traversant le fil le réchauffera et le rendra même chaud. Chacun de ces processus est un phénomène. En physique, ce sont les changements mécaniques, magnétiques, électriques, sonores, thermiques et lumineux qui sont étudiés par la science. Ils sont aussi appelés phénomènes physiques. En les considérant, les scientifiques en déduisent des lois.

La tâche de la science est de découvrir ces lois et de les étudier. La nature est étudiée par des sciences telles que la biologie, la géographie, la chimie et l'astronomie. Ils appliquent tous des lois physiques.

termes

En plus des mots usuels en physique, ils utilisent également des mots spéciaux appelés termes. Ce sont «l'énergie» (en physique, il s'agit d'une mesure des différentes formes d'interaction et de mouvement de la matière, ainsi que la transition de l'une à l'autre), la «force» (une mesure de l'intensité de l'influence d'autres corps et champs sur un corps) et bien d'autres. Certains d'entre eux sont progressivement entrés dans le langage familier.

Par exemple, en utilisant le mot "énergie" dans la vie de tous les jours par rapport à une personne, on peut évaluer les conséquences de ses actions, mais l'énergie en physique est une mesure d'étude de différentes manières.

Tous les corps en physique sont appelés physiques. Ils ont du volume et de la forme. Ils sont constitués de substances qui, à leur tour, sont l'un des types de matière - c'est tout ce qui existe dans l'Univers.

Expériences

Une grande partie de ce que les gens savent provient d'observations. Pour étudier les phénomènes, on les observe constamment.

Prenons, par exemple, divers corps tombant au sol. Il est nécessaire de savoir si ce phénomène diffère lors de la chute de corps de masses inégales, de hauteurs différentes, etc. Attendre et observer différents corps serait très long et pas toujours couronné de succès. Par conséquent, des expériences sont menées à ces fins. Ils diffèrent des observations, car ils sont spécifiquement mis en œuvre selon un plan pré-planifié et avec des objectifs spécifiques. Habituellement, dans le plan, certaines suppositions sont construites à l'avance, c'est-à-dire qu'elles proposent des hypothèses. Ainsi, au cours des expériences, elles seront réfutées ou confirmées. Après avoir réfléchi et expliqué les résultats des expériences, des conclusions sont tirées. C'est ainsi que s'acquièrent les connaissances scientifiques.

Les grandeurs et leurs unités

Souvent, l'étude de tout effectuer des mesures différentes. Lorsqu'un corps tombe, par exemple, la hauteur, la masse, la vitesse et le temps sont mesurés. Tout cela est, c'est-à-dire quelque chose qui peut être mesuré.

Mesurer une valeur, c'est la comparer à la même valeur, qui est prise comme unité (la longueur de la table est comparée à une unité de longueur - un mètre ou autre). Chacune de ces valeurs a ses propres unités.

Tous les pays essaient d'utiliser des unités uniformes. En Russie, comme dans d'autres pays, le système international d'unités (SI) est utilisé (ce qui signifie "système international"). Il adopte les unités suivantes :

• longueur (caractéristique de la longueur des lignes en termes numériques) - mètre;
• temps (flux de processus, condition de changement possible) - seconde;
• masse (c'est une caractéristique en physique qui détermine les propriétés inertielles et gravitationnelles de la matière) - kilogramme.

Il est souvent nécessaire d'utiliser des unités beaucoup plus grandes que les multiples conventionnels. Ils sont appelés avec les préfixes correspondants du grec : « deka », « hekto », « kilo » et ainsi de suite.

Les unités plus petites que celles acceptées sont appelées sous-multiples. Des préfixes de la langue latine leur sont appliqués : « deci », « santi », « milli » et ainsi de suite.

Instruments de mesure

Pour mener des expériences, il faut du matériel. Les plus simples d'entre eux sont la règle, le cylindre, le ruban à mesurer et autres. Avec le développement de la science, de nouveaux instruments se perfectionnent, se compliquent et de nouveaux appareils apparaissent : voltmètres, thermomètres, chronomètres et autres.

Fondamentalement, les appareils ont une échelle, c'est-à-dire des divisions en pointillés sur lesquelles les valeurs sont écrites. Avant la mesure, déterminez le prix de division :

• prendre deux coups d'échelle avec des valeurs ;
• le plus petit est soustrait du plus grand, et le nombre résultant est divisé par le nombre de divisions qui se trouvent entre.

Par exemple, deux traits avec les valeurs "vingt" et "trente", dont la distance est divisée en dix espaces. Dans ce cas, la valeur de division sera égale à un.

Des mesures précises et avec une erreur

Les mesures sont plus ou moins précises. L'imprécision admissible est appelée la marge d'erreur. Lors de la mesure, elle ne peut pas être supérieure à la valeur de division de l'appareil de mesure.

La précision dépend de l'échelon et de l'utilisation correcte de l'instrument. Mais au final, dans toute mesure, seules des valeurs approximatives sont obtenues.

Physique théorique et expérimentale

Ce sont les principales branches de la science. Il peut sembler qu'ils soient très éloignés, d'autant plus que la plupart des gens sont soit des théoriciens, soit des expérimentateurs. Cependant, ils évoluent constamment côte à côte. Tout problème est considéré à la fois par les théoriciens et les expérimentateurs. Le travail des premiers consiste à décrire les données et à en tirer des hypothèses, tandis que les seconds testent les théories dans la pratique, mènent des expériences et obtiennent de nouvelles données. Parfois, les réalisations ne sont causées que par des expériences, sans que des théories soient décrites. Dans d'autres cas, au contraire, il est possible d'obtenir des résultats qui sont vérifiés ultérieurement.

La physique quantique

Cette direction est née à la fin de 1900, lorsqu'une nouvelle constante physique fondamentale a été découverte, appelée la constante de Planck en l'honneur du physicien allemand qui l'a découverte, Max Planck. Il a résolu le problème de la distribution spectrale de la lumière émise par des corps chauffés, alors que la physique générale classique ne pouvait pas le faire. Planck a fait une hypothèse sur l'énergie quantique de l'oscillateur, qui était incompatible avec la physique classique. Grâce à cela, de nombreux physiciens ont commencé à réviser d'anciens concepts, à les modifier, à la suite de quoi la physique quantique est apparue. C'est une toute nouvelle vision du monde.

et la conscience

Le phénomène de la conscience humaine du point de vue n'est pas entièrement nouveau. Sa fondation a été posée par Jung et Pauli. Mais ce n'est que maintenant, avec la formation de cette nouvelle direction de la science, que le phénomène a commencé à être considéré et étudié à plus grande échelle.

Le monde quantique est multiple et multidimensionnel, il a de nombreux visages et projections classiques.

Les deux propriétés principales dans le cadre du concept proposé sont la superintuition (c'est-à-dire l'obtention d'informations comme si elles venaient de nulle part) et le contrôle de la réalité subjective. Dans la conscience ordinaire, une personne ne peut voir qu'une seule image du monde et n'est pas capable d'en considérer deux à la fois. Alors qu'en réalité il y en a énormément. Tout cela ensemble est le monde quantique et la lumière.

Cette physique quantique nous apprend à voir une nouvelle réalité pour une personne (bien que de nombreuses religions orientales, ainsi que des magiciens, possèdent depuis longtemps une telle technique). Il est seulement nécessaire de changer la conscience humaine. Désormais, une personne est inséparable du monde entier, mais les intérêts de tous les êtres vivants sont pris en compte.

Juste à ce moment-là, plongeant dans un état où il est capable de voir toutes les alternatives, il en vient à la perspicacité, qui est la vérité absolue.

Le principe de la vie du point de vue de la physique quantique est pour une personne, entre autres, de contribuer à un meilleur ordre mondial.

Je pense qu'il est prudent de dire que personne ne comprend la mécanique quantique.

Physicien Richard Feynman

Il n'est pas exagéré de dire que l'invention des dispositifs à semi-conducteurs a été une révolution. Non seulement il s'agit d'une réalisation technologique impressionnante, mais elle a également ouvert la voie à des événements qui changeront à jamais la société moderne. Les dispositifs semi-conducteurs sont utilisés dans toutes sortes de dispositifs microélectroniques, y compris les ordinateurs, certains types d'équipements de diagnostic et de traitement médicaux et les dispositifs de télécommunications populaires.

Mais derrière cette révolution technologique se cache plus encore, une révolution de la science générale : le domaine théorie des quanta. Sans ce saut dans la compréhension du monde naturel, le développement de dispositifs à semi-conducteurs (et de dispositifs électroniques plus avancés en cours de développement) n'aurait jamais réussi. La physique quantique est une branche scientifique incroyablement complexe. Ce chapitre ne donne qu'un bref aperçu. Quand des scientifiques comme Feynman disent "personne ne le comprend", vous pouvez être sûr que c'est un sujet vraiment difficile. Sans une compréhension de base de la physique quantique, ou du moins une compréhension des découvertes scientifiques qui ont conduit à leur développement, il est impossible de comprendre comment et pourquoi les dispositifs électroniques à semi-conducteurs fonctionnent. La plupart des manuels d'électronique tentent d'expliquer les semi-conducteurs en termes de "physique classique", ce qui les rend encore plus difficiles à comprendre.

Beaucoup d'entre nous ont vu des diagrammes de modèles atomiques qui ressemblent à l'image ci-dessous.

Atome de Rutherford : les électrons négatifs tournent autour d'un petit noyau positif

De minuscules particules de matière appelées protons et neutrons, forment le centre de l'atome ; électrons tournent comme des planètes autour d'une étoile. Le noyau porte une charge électrique positive due à la présence de protons (les neutrons n'ont pas de charge électrique), tandis que la charge négative d'équilibrage d'un atome réside dans les électrons en orbite. Les électrons négatifs sont attirés par les protons positifs comme les planètes sont attirées par le Soleil, mais les orbites sont stables en raison du mouvement des électrons. Nous devons ce modèle populaire de l'atome aux travaux d'Ernest Rutherford, qui a déterminé expérimentalement vers 1911 que les charges positives des atomes sont concentrées dans un noyau minuscule et dense, et non réparties uniformément le long du diamètre, comme l'explorateur J. J. Thomson l'avait précédemment supposé. .

L'expérience de diffusion de Rutherford consiste à bombarder une fine feuille d'or avec des particules alpha chargées positivement, comme le montre la figure ci-dessous. Les jeunes étudiants diplômés H. Geiger et E. Marsden ont obtenu des résultats inattendus. La trajectoire de certaines particules alpha a été déviée d'un grand angle. Certaines particules alpha ont été diffusées vers l'arrière, à un angle de près de 180°. La plupart des particules ont traversé la feuille d'or sans changer leur trajectoire, comme s'il n'y avait pas de feuille du tout. Le fait que plusieurs particules alpha aient connu de grandes déviations dans leur trajectoire indique la présence de noyaux avec une petite charge positive.

Diffusion Rutherford : un faisceau de particules alpha est diffusé par une fine feuille d'or

Bien que le modèle de l'atome de Rutherford soit mieux étayé par des données expérimentales que celui de Thomson, il était encore imparfait. D'autres tentatives ont été faites pour déterminer la structure de l'atome, et ces efforts ont contribué à ouvrir la voie aux étranges découvertes de la physique quantique. Aujourd'hui, notre compréhension de l'atome est un peu plus complexe. Pourtant, malgré la révolution de la physique quantique et ses contributions à notre compréhension de la structure de l'atome, la description de Rutherford du système solaire comme la structure d'un atome a pris racine dans la conscience populaire dans la mesure où elle persiste dans les domaines éducatifs, même si c'est mal placé.

Considérez cette brève description des électrons dans un atome, tirée d'un manuel d'électronique populaire :

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

Conformément au modèle de Rutherford, l'auteur considère les électrons comme des morceaux solides de matière occupant des orbites rondes, leur attraction vers l'intérieur vers le noyau de charge opposée est équilibrée par leur mouvement. L'utilisation du terme "force centrifuge" est techniquement incorrecte (même pour les planètes en orbite), mais cela est facilement pardonné en raison de l'acceptation populaire du modèle : en fait, la force n'existe pas, repoussantquelconque corps en rotation à partir du centre de son orbite. Cela semble être le cas parce que l'inertie du corps a tendance à le maintenir en mouvement en ligne droite, et puisque l'orbite est une déviation constante (accélération) du mouvement rectiligne, il y a une réaction inertielle constante à toute force qui attire le corps au centre de l'orbite (centripète), qu'il s'agisse de la gravité, de l'attraction électrostatique ou encore de la tension d'une liaison mécanique.

Cependant, le vrai problème avec cette explication en premier lieu est l'idée d'électrons se déplaçant sur des orbites circulaires. Un fait prouvé que les charges électriques accélérées émettent un rayonnement électromagnétique, ce fait était déjà connu à l'époque de Rutherford. Étant donné que le mouvement de rotation est une forme d'accélération (un objet en rotation en accélération constante, éloignant l'objet de son mouvement rectiligne normal), les électrons dans un état de rotation doivent émettre un rayonnement comme la boue d'une roue qui tourne. Des électrons accélérés le long de trajectoires circulaires dans des accélérateurs de particules appelés synchrotrons sont connus pour le faire, et le résultat est appelé rayonnement synchrotron. Si les électrons devaient perdre de l'énergie de cette manière, leurs orbites finiraient par être perturbées et, par conséquent, ils entreraient en collision avec un noyau chargé positivement. Cependant, à l'intérieur des atomes, cela ne se produit généralement pas. En effet, les "orbites" électroniques sont étonnamment stables dans une large gamme de conditions.

De plus, des expériences avec des atomes "excités" ont montré que l'énergie électromagnétique n'est émise par un atome qu'à certaines fréquences. Les atomes sont "excités" par des influences externes telles que la lumière, connue pour absorber l'énergie et renvoyer des ondes électromagnétiques à certaines fréquences, un peu comme un diapason qui ne sonne pas à une certaine fréquence jusqu'à ce qu'il soit frappé. Lorsque la lumière émise par un atome excité est divisée par un prisme en ses fréquences composantes (couleurs), des lignes individuelles de couleurs dans le spectre sont trouvées, le motif de lignes spectrales est unique à un élément chimique. Ce phénomène est couramment utilisé pour identifier les éléments chimiques, et même pour mesurer les proportions de chaque élément dans un composé ou un mélange chimique. Selon le système solaire du modèle atomique de Rutherford (relatif aux électrons, en tant que morceaux de matière, tournant librement sur une orbite avec un certain rayon) et les lois de la physique classique, les atomes excités doivent restituer de l'énergie dans une gamme de fréquences presque infinie, et non à des fréquences sélectionnées. En d'autres termes, si le modèle de Rutherford était correct, alors il n'y aurait pas d'effet "diapason", et le spectre de couleurs émis par n'importe quel atome apparaîtrait comme une bande continue de couleurs, plutôt que comme plusieurs lignes séparées.

Le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène (avec les orbites dessinées à l'échelle) suppose que les électrons ne sont que sur des orbites discrètes. Les électrons se déplaçant de n = 3, 4, 5 ou 6 à n = 2 sont affichés sur une série de raies spectrales de Balmer

Un chercheur nommé Niels Bohr a tenté d'améliorer le modèle de Rutherford après l'avoir étudié dans le laboratoire de Rutherford pendant plusieurs mois en 1912. Essayant de concilier les résultats d'autres physiciens (notamment Max Planck et Albert Einstein), Bohr a suggéré que chaque électron avait une certaine quantité d'énergie spécifique et que leurs orbites étaient réparties de telle manière que chacun d'eux pouvait occuper certaines places autour de lui. le noyau, comme des boules. , fixés sur des trajectoires circulaires autour du noyau, et non comme des satellites en mouvement libre, comme on le supposait précédemment (figure ci-dessus). Par déférence pour les lois de l'électromagnétisme et de l'accélération des charges, Bohr a qualifié les "orbites" de états stationnaires pour éviter l'interprétation qu'ils étaient mobiles.

Bien que la tentative ambitieuse de Bohr de repenser la structure de l'atome, qui était plus cohérente avec les données expérimentales, ait été une étape importante en physique, elle n'a pas été achevée. Son analyse mathématique a mieux prédit les résultats des expériences que celles réalisées selon les modèles précédents, mais il restait des questions sans réponse quant à savoir si Pourquoi les électrons doivent se comporter d'une manière si étrange. L'affirmation selon laquelle les électrons existaient dans des états quantiques stationnaires autour du noyau était mieux corrélée aux données expérimentales que le modèle de Rutherford, mais n'indiquait pas ce qui poussait les électrons à adopter ces états spéciaux. La réponse à cette question viendra d'un autre physicien, Louis de Broglie, une dizaine d'années plus tard.

De Broglie a suggéré que les électrons, comme les photons (particules de lumière), ont à la fois les propriétés des particules et les propriétés des ondes. Sur la base de cette hypothèse, il a suggéré que l'analyse des électrons en rotation en termes d'ondes est meilleure qu'en termes de particules et peut donner un meilleur aperçu de leur nature quantique. En effet, une autre percée a été faite dans la compréhension.

Une corde vibrant à une fréquence de résonance entre deux points fixes forme une onde stationnaire

L'atome, selon de Broglie, était constitué d'ondes stationnaires, un phénomène bien connu des physiciens sous diverses formes. Comme la corde pincée d'un instrument de musique (photo ci-dessus), vibrant à une fréquence de résonance, avec des "nœuds" et des "anti-nœuds" dans des endroits stables sur toute sa longueur. De Broglie a imaginé les électrons autour des atomes comme des ondes courbées en cercle (figure ci-dessous).

Électrons "en rotation" comme une onde stationnaire autour du noyau, (a) deux cycles sur une orbite, (b) trois cycles sur une orbite

Les électrons ne peuvent exister que sur certaines "orbites" spécifiques autour du noyau, car ce sont les seules distances où les extrémités de l'onde coïncident. À tout autre rayon, l'onde se heurtera de manière destructive et cessera ainsi d'exister.

L'hypothèse de De Broglie a fourni à la fois un cadre mathématique et une analogie physique pratique pour expliquer les états quantiques des électrons dans un atome, mais son modèle de l'atome était encore incomplet. Depuis plusieurs années, les physiciens Werner Heisenberg et Erwin Schrödinger, travaillant indépendamment, travaillent sur le concept de dualité onde-particule de de Broglie afin de créer des modèles mathématiques plus rigoureux des particules subatomiques.

Cette avancée théorique du modèle d'onde stationnaire primitif de de Broglie aux modèles de la matrice de Heisenberg et de l'équation différentielle de Schrödinger a reçu le nom de mécanique quantique, et elle a introduit une caractéristique plutôt choquante dans le monde des particules subatomiques : le signe de la probabilité, ou l'incertitude. Selon la nouvelle théorie quantique, il était impossible de déterminer la position exacte et la quantité de mouvement exacte d'une particule à un instant donné. Une explication populaire de ce "principe d'incertitude" était qu'il y avait une erreur de mesure (c'est-à-dire qu'en essayant de mesurer avec précision la position d'un électron, vous interférez avec son élan et ne pouvez donc pas savoir ce qu'il était avant de commencer à mesurer la position , et vice versa). La conclusion sensationnelle de la mécanique quantique est que les particules n'ont pas de positions et d'impulsions exactes, et en raison de la relation de ces deux quantités, leur incertitude combinée ne diminuera jamais en dessous d'une certaine valeur minimale.

Cette forme de connexion "d'incertitude" existe également dans des domaines autres que la mécanique quantique. Comme indiqué dans le chapitre "Signaux CA à fréquence mixte" du volume 2 de cette série de livres, il existe des relations mutuellement exclusives entre la confiance dans les données du domaine temporel d'une forme d'onde et ses données dans le domaine fréquentiel. En termes simples, plus nous connaissons ses fréquences composantes, moins nous connaissons avec précision son amplitude dans le temps, et vice versa. Je me cite :

Un signal de durée infinie (un nombre infini de cycles) peut être analysé avec une précision absolue, mais moins il y a de cycles disponibles pour l'ordinateur pour l'analyse, moins l'analyse est précise ... Moins il y a de périodes du signal, moins sa fréquence est précise . Poussant ce concept à son extrême logique, une impulsion courte (pas même une période complète d'un signal) n'a pas vraiment de fréquence définie, c'est une gamme infinie de fréquences. Ce principe est commun à tous les phénomènes ondulatoires, et pas seulement aux tensions et courants variables.

Pour déterminer avec précision l'amplitude d'un signal changeant, nous devons le mesurer en très peu de temps. Cependant, cela limite notre connaissance de la fréquence de l'onde (une onde en mécanique quantique n'a pas besoin d'être similaire à une onde sinusoïdale ; une telle similitude est un cas particulier). En revanche, pour déterminer avec une grande précision la fréquence d'une onde, il faut la mesurer sur un grand nombre de périodes, ce qui fait qu'on perd de vue son amplitude à un instant donné. Ainsi, nous ne pouvons pas connaître simultanément l'amplitude instantanée et toutes les fréquences de n'importe quelle onde avec une précision illimitée. Autre bizarrerie, cette incertitude est bien supérieure à l'imprécision de l'observateur ; c'est dans la nature même de l'onde. Ce n'est pas le cas, bien qu'il serait possible, compte tenu de la technologie appropriée, de fournir simultanément des mesures précises de l'amplitude et de la fréquence instantanées. Au sens littéral, une onde ne peut pas avoir l'amplitude instantanée exacte et la fréquence exacte en même temps.

L'incertitude minimale de la position et de la quantité de mouvement des particules exprimée par Heisenberg et Schrödinger n'a rien à voir avec une limitation de la mesure ; c'est plutôt une propriété intrinsèque de la nature de la dualité onde-particule de la particule. Par conséquent, les électrons n'existent pas réellement dans leurs "orbites" en tant que particules de matière bien définies, ou même en tant que formes d'onde bien définies, mais plutôt en tant que "nuages" - un terme technique. fonction d'onde distributions de probabilité, comme si chaque électron était "dispersé" ou "étalé" sur une gamme de positions et d'impulsions.

Cette vision radicale des électrons en tant que nuages ​​indéterminés contredit initialement le principe original des états quantiques des électrons : les électrons existent sur des "orbites" discrètes et définies autour du noyau d'un atome. Cette nouvelle vision, après tout, a été la découverte qui a conduit à la formation et à l'explication de la théorie quantique. Comme il semble étrange qu'une théorie créée pour expliquer le comportement discret des électrons finisse par déclarer que les électrons existent en tant que "nuages" et non en tant que morceaux de matière séparés. Cependant, le comportement quantique des électrons ne dépend pas d'électrons ayant certaines valeurs de coordonnées et d'impulsion, mais d'autres propriétés appelées nombres quantiques. Essentiellement, la mécanique quantique se passe des concepts communs de position absolue et de moment absolu, et les remplace par des concepts absolus de types qui n'ont pas d'analogues dans la pratique courante.

Même si les électrons sont connus pour exister sous des formes désincarnées et "nuageuses" de probabilité distribuée, plutôt que dans des morceaux de matière séparés, ces "nuages" ont des caractéristiques légèrement différentes. Tout électron dans un atome peut être décrit par quatre mesures numériques (les nombres quantiques mentionnés précédemment), appelées principal (radial), orbitale (azimut), magnétique et tournoyer Nombres. Voici un bref aperçu de la signification de chacun de ces chiffres :

Nombre quantique principal (radial): désigné par une lettre n, ce nombre décrit la coquille sur laquelle réside l'électron. La «coquille» d'électrons est une région de l'espace autour du noyau d'un atome dans laquelle des électrons peuvent exister, correspondant aux modèles stables «d'ondes stationnaires» de de Broglie et Bohr. Les électrons peuvent "sauter" d'une coque à l'autre, mais ne peuvent pas exister entre eux.

Le nombre quantique principal doit être un entier positif (supérieur ou égal à 1). En d'autres termes, le nombre quantique principal d'un électron ne peut pas être 1/2 ou -3. Ces nombres entiers n'ont pas été choisis arbitrairement, mais grâce à des preuves expérimentales du spectre lumineux : les différentes fréquences (couleurs) de la lumière émise par les atomes d'hydrogène excités suivent une relation mathématique dépendant de valeurs entières spécifiques, comme le montre la figure ci-dessous.

Chaque coquille a la capacité de contenir plusieurs électrons. Une analogie pour les coquilles d'électrons est les rangées concentriques de sièges dans un amphithéâtre. Tout comme une personne assise dans un amphithéâtre doit choisir une rangée pour s'asseoir (elle ne peut pas s'asseoir entre les rangées), les électrons doivent « choisir » une coquille particulière pour « s'asseoir ». Comme les rangées d'un amphithéâtre, les coquilles extérieures contiennent plus d'électrons que les coquilles plus proches du centre. De plus, les électrons ont tendance à trouver la plus petite coquille disponible, tout comme les gens dans un amphithéâtre recherchent l'endroit le plus proche de la scène centrale. Plus le nombre de couches est élevé, plus les électrons ont d'énergie dessus.

Le nombre maximal d'électrons qu'une coquille peut contenir est décrit par l'équation 2n 2 , où n est le nombre quantique principal. Ainsi, la première couche (n = 1) peut contenir 2 électrons ; la deuxième couche (n = 2) - 8 électrons ; et la troisième couche (n = 3) - 18 électrons (figure ci-dessous).

Le nombre quantique principal n et le nombre maximal d'électrons sont liés par la formule 2(n 2). Les orbites ne sont pas à l'échelle.

Les couches d'électrons dans l'atome étaient désignées par des lettres plutôt que par des chiffres. La première coque (n = 1) a été désignée K, la deuxième coque (n = 2) L, la troisième coque (n = 3) M, la quatrième coque (n = 4) N, la cinquième coque (n = 5) O, la sixième coquille ( n = 6) P et la septième coquille (n = 7) B.

Nombre quantique orbital (azimut): un shell composé de sous-shells. Certains trouveront peut-être plus pratique de considérer les sous-coques comme de simples sections de coques, comme des voies divisant une route. Les sous-shells sont beaucoup plus étranges. Les sous-couches sont des régions de l'espace où des "nuages" d'électrons peuvent exister, et en fait différentes sous-couches ont des formes différentes. La première sous-couche a la forme d'une boule (Figure ci-dessous (s)), ce qui est logique lorsqu'elle est visualisée comme un nuage d'électrons entourant le noyau d'un atome en trois dimensions.

La deuxième sous-couche ressemble à un haltère, composé de deux "pétales" reliés en un point près du centre de l'atome (figure ci-dessous (p)).

La troisième sous-couche ressemble généralement à un ensemble de quatre "pétales" regroupés autour du noyau d'un atome. Ces formes de sous-coque ressemblent à des représentations graphiques de diagrammes d'antenne avec des lobes en forme d'oignon s'étendant de l'antenne dans différentes directions (figure ci-dessous (d)).

Orbitales :
(s) triple symétrie;
(p) Montré : p x , l'une des trois orientations possibles (p x , p y , p z), le long des axes respectifs ;
(d) Illustré : d x 2 -y 2 est similaire à d xy , d yz , d xz . Illustré : d z 2 . Nombre d'orbitales d possibles : cinq.

Les valeurs valides pour le nombre quantique orbital sont des entiers positifs, comme pour le nombre quantique principal, mais incluent également zéro. Ces nombres quantiques pour les électrons sont désignés par la lettre l. Le nombre de sous-coques est égal au nombre quantique principal de la coque. Ainsi, le premier shell (n = 1) a un sous-shell avec le numéro 0 ; la deuxième coque (n = 2) a deux sous-coques numérotées 0 et 1 ; la troisième coque (n = 3) a trois sous-couches numérotées 0, 1 et 2.

L'ancienne convention de sous-shell utilisait des lettres plutôt que des chiffres. Dans ce format, le premier sous-shell (l = 0) était noté s, le deuxième sous-shell (l = 1) était noté p, le troisième sous-shell (l = 2) était noté d et le quatrième sous-shell (l = 3) était noté f. Les lettres provenaient des mots: tranchant, principal, diffuser et Fondamental. Vous pouvez toujours voir ces désignations dans de nombreux tableaux périodiques utilisés pour désigner la configuration électronique de l'extérieur ( valence) coquilles d'atomes.

(a) la représentation de Bohr de l'atome d'argent,
(b) Représentation orbitale de Ag avec division des coquilles en sous-coquilles (nombre quantique orbital l).
Ce diagramme n'implique rien sur la position réelle des électrons, mais ne représente que les niveaux d'énergie.

Nombre quantique magnétique: Le nombre quantique magnétique de l'électron classe l'orientation de la figure de la sous-couche électronique. Les "pétales" des sous-coquilles peuvent être orientés dans plusieurs directions. Ces différentes orientations sont appelées orbitales. Pour le premier sous-shell (s; l = 0), qui ressemble à une sphère, la "direction" n'est pas spécifiée. Pour une seconde (p; l = 1) sous-coque dans chaque coque qui ressemble à un haltère pointant dans trois directions possibles. Imaginez trois haltères se croisant à l'origine, chacun pointant le long de son propre axe dans un système de coordonnées triaxial.

Les valeurs valides pour un nombre quantique donné sont constituées d'entiers allant de -l à l, et ce nombre est noté m l en physique atomique et z en physique nucléaire. Pour calculer le nombre d'orbitales dans n'importe quelle sous-couche, vous devez doubler le nombre de la sous-couche et ajouter 1, (2∙l + 1). Par exemple, la première sous-coque (l = 0) de toute coque contient une orbitale numérotée 0 ; la deuxième sous-couche (l = 1) dans n'importe quelle coque contient trois orbitales avec les numéros -1, 0 et 1 ; la troisième sous-couche (l = 2) contient cinq orbitales numérotées -2, -1, 0, 1 et 2 ; etc.

Comme le nombre quantique principal, le nombre quantique magnétique est directement issu de données expérimentales : l'effet Zeeman, la séparation des raies spectrales par exposition d'un gaz ionisé à un champ magnétique, d'où le nom de nombre quantique "magnétique".

Nombre quantique de spin: comme le nombre quantique magnétique, cette propriété des électrons d'un atome a été découverte par des expériences. Une observation attentive des lignes spectrales a montré que chaque ligne était en fait une paire de lignes très rapprochées, il a été suggéré que ce soi-disant structure fineétait le résultat de chaque électron "tournant" autour de son propre axe, comme une planète. Les électrons avec différents "spins" émettraient des fréquences de lumière légèrement différentes lorsqu'ils étaient excités. Le concept d'électron en rotation est maintenant obsolète, étant plus approprié pour la vision (incorrecte) des électrons en tant que particules individuelles de matière plutôt qu'en tant que "nuages", mais le nom reste.

Les nombres quantiques de spin sont notés Mme en physique atomique et sz en physique nucléaire. Chaque orbitale dans chaque sous-couche peut avoir deux électrons dans chaque couche, l'un avec un spin +1/2 et l'autre avec un spin -1/2.

Le physicien Wolfgang Pauli a développé un principe qui explique l'ordre des électrons dans un atome selon ces nombres quantiques. Son principe, appelé principe d'exclusion de Pauli, déclare que deux électrons dans le même atome ne peuvent pas occuper les mêmes états quantiques. Autrement dit, chaque électron dans un atome a un ensemble unique de nombres quantiques. Cela limite le nombre d'électrons pouvant occuper une orbitale, une sous-couche et une coque données.

Cela montre l'arrangement des électrons dans un atome d'hydrogène:

Avec un proton dans le noyau, l'atome accepte un électron pour son équilibre électrostatique (la charge positive du proton est exactement équilibrée par la charge négative de l'électron). Cet électron est dans la couche inférieure (n = 1), la première sous-couche (l = 0), dans la seule orbitale (orientation spatiale) de cette sous-couche (m l = 0), avec une valeur de spin de 1/2. La méthode générale de description de cette structure consiste à énumérer les électrons en fonction de leurs couches et sous-couches, selon une convention appelée notation spectroscopique. Dans cette notation, le numéro de coque est représenté par un nombre entier, la sous-couche par une lettre (s,p,d,f) et le nombre total d'électrons dans la sous-couche (toutes les orbitales, tous les spins) en exposant. Ainsi, l'hydrogène, avec son électron unique placé au niveau de la base, est décrit comme 1s 1 .

Passant à l'atome suivant (par ordre de numéro atomique), nous obtenons l'élément hélium :

Un atome d'hélium a deux protons dans son noyau, ce qui nécessite deux électrons pour équilibrer la double charge électrique positive. Étant donné que deux électrons - l'un avec un spin 1/2 et l'autre avec un spin -1/2 - sont sur la même orbite, la structure électronique de l'hélium ne nécessite pas de sous-couches ou de coques supplémentaires pour contenir le deuxième électron.

Cependant, un atome nécessitant trois électrons ou plus aura besoin de sous-couches supplémentaires pour contenir tous les électrons, car seuls deux électrons peuvent se trouver sur la couche inférieure (n = 1). Considérons l'atome suivant dans la séquence de numéros atomiques croissants, le lithium :

L'atome de lithium utilise une partie de la capacité L de la coque (n = 2). Cette coquille a en fait une capacité totale de huit électrons (capacité maximale de la coquille = 2n 2 électrons). Si nous considérons la structure d'un atome avec une coque en L complètement remplie, nous voyons comment toutes les combinaisons de sous-couches, d'orbitales et de spins sont occupées par des électrons :

Souvent, lors de l'attribution d'une notation spectroscopique à un atome, toutes les coques entièrement remplies sont ignorées, et les coques non remplies et les coques remplies de niveau supérieur sont indiquées. Par exemple, l'élément néon (illustré dans la figure ci-dessus), qui a deux coquilles complètement remplies, peut être décrit spectralement simplement comme 2p 6 plutôt que comme 1s 22 s 22 p 6 . Le lithium, avec sa couche K entièrement remplie et un seul électron dans la couche L, peut simplement être décrit comme 2s 1 plutôt que 1s 22 s 1 .

L'omission des coquilles de niveau inférieur entièrement peuplées n'est pas seulement pour la commodité de la notation. Il illustre également un principe de base de la chimie : le comportement chimique d'un élément est principalement déterminé par ses coquilles non remplies. L'hydrogène et le lithium ont tous deux un électron sur leur enveloppe externe (comme 1 et 2s 1, respectivement), c'est-à-dire que les deux éléments ont des propriétés similaires. Les deux sont hautement réactifs et réagissent de manière presque identique (se liant à des éléments similaires dans des conditions similaires). Peu importe que le lithium ait une couche K entièrement remplie sous une couche L presque libre : la couche L non remplie est celle qui détermine son comportement chimique.

Les éléments qui ont des coquilles extérieures complètement remplies sont classés comme nobles et se caractérisent par une absence presque totale de réaction avec d'autres éléments. Ces éléments ont été classés comme inertes lorsqu'ils étaient considérés comme ne réagissant pas du tout, mais ils sont connus pour former des composés avec d'autres éléments dans certaines conditions.

Étant donné que les éléments ayant la même configuration d'électrons dans leur enveloppe externe ont des propriétés chimiques similaires, Dmitri Mendeleev a organisé les éléments chimiques dans un tableau en conséquence. Ce tableau est connu sous le nom de , et les tables modernes suivent cette disposition générale, illustrée dans la figure ci-dessous.

Tableau périodique des éléments chimiques

Dmitri Mendeleev, un chimiste russe, a été le premier à développer le tableau périodique des éléments. Même si Mendeleev a organisé son tableau en fonction de la masse atomique, et non du numéro atomique, et a créé un tableau qui n'était pas aussi utile que les tableaux périodiques modernes, son développement est un excellent exemple de preuve scientifique. Voyant des modèles de périodicité (propriétés chimiques similaires selon la masse atomique), Mendeleev a émis l'hypothèse que tous les éléments doivent s'inscrire dans ce modèle ordonné. Lorsqu'il découvrit des places "vides" dans le tableau, il suivit la logique de l'ordre existant et supposa l'existence d'éléments encore inconnus. La découverte ultérieure de ces éléments a confirmé l'exactitude scientifique de l'hypothèse de Mendeleev, d'autres découvertes ont conduit à la forme du tableau périodique que nous utilisons maintenant.

Comme ça devrait science du travail : les hypothèses conduisent à des conclusions logiques et sont acceptées, modifiées ou rejetées en fonction de la cohérence des données expérimentales avec leurs conclusions. N'importe quel imbécile peut formuler une hypothèse après coup pour expliquer les données expérimentales disponibles, et beaucoup le font. Ce qui distingue une hypothèse scientifique de la spéculation post hoc est la prédiction de futures données expérimentales qui n'ont pas encore été collectées, et éventuellement la réfutation de ces données en conséquence. Menez hardiment l'hypothèse à sa ou ses conclusions logiques et la tentative de prédire les résultats des expériences futures n'est pas un acte de foi dogmatique, mais plutôt un test public de cette hypothèse, un défi ouvert aux opposants à l'hypothèse. En d'autres termes, les hypothèses scientifiques sont toujours "risquées" car elles tentent de prédire les résultats d'expériences qui n'ont pas encore été réalisées, et peuvent donc être falsifiées si les expériences ne se déroulent pas comme prévu. Ainsi, si une hypothèse prédit correctement les résultats d'expériences répétées, elle est réfutée.

La mécanique quantique, d'abord en tant qu'hypothèse, puis en tant que théorie, a été extrêmement efficace pour prédire les résultats d'expériences et a donc reçu un degré élevé de crédibilité scientifique. De nombreux scientifiques ont des raisons de croire qu'il s'agit d'une théorie incomplète, car ses prédictions sont plus vraies à des échelles microphysiques que macroscopiques, mais néanmoins, c'est une théorie extrêmement utile pour expliquer et prédire l'interaction des particules et des atomes.

Comme vous l'avez vu dans ce chapitre, la physique quantique est essentielle pour décrire et prédire de nombreux phénomènes différents. Dans la section suivante, nous verrons son importance dans la conductivité électrique des solides, y compris les semi-conducteurs. En termes simples, rien en chimie ou en physique du solide n'a de sens dans la structure théorique populaire des électrons existant en tant que particules individuelles de matière tournant autour du noyau d'un atome comme des satellites miniatures. Lorsque les électrons sont considérés comme des "fonctions d'onde" existant dans certains états discrets réguliers et périodiques, le comportement de la matière peut être expliqué.

Résumé

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

Les électrons individuels autour du noyau d'un atome tendent vers des "états" uniques décrits par quatre nombres quantiques : nombre quantique principal (radial), connu comme coquille; nombre quantique orbital (azimut), connu comme sous-couche; nombre quantique magnétique décrivant orbital(orientation sous-couche); et nombre quantique de spin, ou simplement tournoyer. Ces états sont quantiques, c'est-à-dire qu'« entre eux », il n'y a pas de conditions pour l'existence d'un électron, à l'exception des états qui s'inscrivent dans le schéma de numérotation quantique.

Nombre quantique de Glanoe (radial) (n) décrit le niveau de base ou la coquille dans laquelle réside l'électron. Plus ce nombre est grand, plus le rayon du nuage d'électrons à partir du noyau de l'atome est grand et plus l'énergie de l'électron est grande. Les nombres quantiques principaux sont des entiers (entiers positifs)

Nombre quantique orbital (azimutal) (l) décrit la forme d'un nuage d'électrons dans une couche ou un niveau particulier et est souvent appelé "sous-couche". Dans toute coquille, il y a autant de sous-couches (formes d'un nuage d'électrons) que le nombre quantique principal de la coquille. Les nombres quantiques azimutaux sont des entiers positifs commençant à zéro et se terminant par un nombre inférieur de un au nombre quantique principal (n - 1).

Nombre quantique magnétique (m l) décrit l'orientation de la sous-couche (forme du nuage d'électrons). Les sous-couches peuvent avoir autant d'orientations différentes que le double du nombre de sous-couches (l) plus 1, (2l+1) (c'est-à-dire, pour l=1, m l = -1, 0, 1), et chaque orientation unique est appelée une orbitale . Ces nombres sont des nombres entiers commençant par une valeur négative du numéro de sous-shell (l) jusqu'à 0 et se terminant par une valeur positive du numéro de sous-shell.

Nombre quantique de spin (m s) décrit une autre propriété de l'électron et peut prendre les valeurs +1/2 et -1/2.

principe d'exclusion de Pauli dit que deux électrons dans un atome ne peuvent pas partager le même ensemble de nombres quantiques. Par conséquent, il peut y avoir au plus deux électrons dans chaque orbitale (spin=1/2 et spin=-1/2), 2l+1 orbitales dans chaque sous-couche, et n sous-couches dans chaque couche, et pas plus.

Notation spectroscopique est une convention pour la structure électronique d'un atome. Les coquilles sont représentées par des nombres entiers, suivis de lettres de sous-couche (s, p, d, f) avec des nombres en exposant indiquant le nombre total d'électrons trouvés dans chaque sous-couche respective.

Le comportement chimique d'un atome est déterminé uniquement par les électrons dans les coquilles non remplies. Les coquilles de bas niveau qui sont complètement remplies ont peu ou pas d'effet sur les caractéristiques de liaison chimique des éléments.

Les éléments avec des couches d'électrons complètement remplies sont presque complètement inertes et sont appelés nobleéléments (anciennement appelés inertes).