Bit kvantne fizike. Osnove kvantne fizike u pet eksperimenata za "lutke"

Fizika je najtajanstvenija od svih znanosti. Fizika nam daje razumijevanje svijeta oko nas. Zakoni fizike su apsolutni i vrijede za sve bez iznimke, bez obzira na osobu i društveni status.

Ovaj članak je namijenjen osobama starijim od 18 godina.

Imate li već 18 godina?

Temeljna otkrića u kvantnoj fizici

Isaac Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein i mnogi drugi veliki su vodiči čovječanstva u čudesnom svijetu fizike, koji su poput proroka otkrili čovječanstvu najveće tajne svemira i sposobnost upravljanja fizičkim pojavama. Njihove svijetle glave sijeku tamu neznanja nerazumne većine i kao zvijezda vodilja pokazivale su put čovječanstvu u tami noći. Jedan od tih dirigenta u svijetu fizike bio je Max Planck, otac kvantne fizike.

Max Planck nije samo utemeljitelj kvantne fizike, već i autor svjetski poznate kvantne teorije. Kvantna teorija je najvažnija komponenta kvantne fizike. Jednostavno rečeno, ova teorija opisuje kretanje, ponašanje i interakciju mikročestica. Utemeljitelj kvantne fizike donio nam je i mnoge druge znanstvene radove koji su postali kamen temeljac moderne fizike:

• teorija toplinskog zračenja;
• specijalna teorija relativnosti;
• istraživanja u području termodinamike;
• istraživanja u području optike.

Teorija kvantne fizike o ponašanju i interakciji mikročestica postala je temelj fizike kondenzirane tvari, fizike elementarnih čestica i fizike visokih energija. Kvantna teorija objašnjava nam bit mnogih fenomena našeg svijeta – od funkcioniranja elektroničkih računala do strukture i ponašanja nebeskih tijela. Max Planck, tvorac ove teorije, zahvaljujući svom otkriću omogućio nam je da shvatimo pravu bit mnogih stvari na razini elementarnih čestica. Ali stvaranje ove teorije daleko je od jedine zasluge znanstvenika. On je prvi otkrio temeljni zakon svemira – zakon održanja energije. Doprinos Maxa Plancka znanosti teško je precijeniti. Ukratko, njegova su otkrića neprocjenjiva za fiziku, kemiju, povijest, metodologiju i filozofiju.

kvantna teorija polja

Ukratko, kvantna teorija polja je teorija opisa mikročestica, kao i njihovog ponašanja u prostoru, međusobne interakcije i međusobnih transformacija. Ova teorija proučava ponašanje kvantnih sustava unutar takozvanih stupnjeva slobode. Ovo lijepo i romantično ime mnogima od nas ništa ne govori. Za lutke, stupnjevi slobode su broj nezavisnih koordinata koje su potrebne za označavanje gibanja mehaničkog sustava. Jednostavno rečeno, stupnjevi slobode su karakteristike kretanja. Zanimljiva otkrića u području interakcije elementarnih čestica napravio je Steven Weinberg. Otkrio je takozvanu neutralnu struju – princip interakcije između kvarkova i leptona, za što je 1979. dobio Nobelovu nagradu.

Kvantna teorija Maxa Plancka

Devedesetih godina osamnaestog stoljeća njemački fizičar Max Planck počeo je proučavati toplinsko zračenje i na kraju dobio formulu za raspodjelu energije. Kvantna hipoteza, koja se rodila tijekom ovih studija, označila je početak kvantne fizike, kao i kvantne teorije polja, otkrivene 1900. godine. Planckova kvantna teorija je da se tijekom toplinskog zračenja proizvedena energija emitira i apsorbira ne stalno, već epizodno, kvantno. Godina 1900., zahvaljujući ovom otkriću Maxa Plancka, postala je godina rođenja kvantne mehanike. Vrijedi spomenuti i Planckovu formulu. Ukratko, njegova je bit sljedeća – temelji se na omjeru tjelesne temperature i njegovog zračenja.

Kvantno-mehanička teorija strukture atoma

Kvantnomehanička teorija strukture atoma jedna je od temeljnih teorija pojmova u kvantnoj fizici, pa i u fizici općenito. Ova nam teorija omogućuje razumijevanje strukture svega materijalnog i otvara veo tajne nad onim od čega se stvari zapravo sastoje. A zaključci temeljeni na ovoj teoriji vrlo su neočekivani. Razmotrimo ukratko strukturu atoma. Dakle, od čega se zapravo sastoji atom? Atom se sastoji od jezgre i oblaka elektrona. Osnova atoma, njegova jezgra, sadrži gotovo cijelu masu samog atoma - više od 99 posto. Jezgra uvijek ima pozitivan naboj i ona određuje kemijski element čiji je atom dio. Najzanimljivija stvar u vezi s jezgrom atoma je da sadrži gotovo cijelu masu atoma, ali istovremeno zauzima samo jednu desettisućiti dio njegovog volumena. Što iz ovoga slijedi? A zaključak je vrlo neočekivan. To znači da je gusta materija u atomu samo jedna desettisućinka. A što je sa svim ostalim? Sve ostalo u atomu je oblak elektrona.

Elektronski oblak nije trajna i čak, zapravo, nije materijalna tvar. Oblak elektrona je samo vjerojatnost pojave elektrona u atomu. Odnosno, jezgra zauzima samo jedan desettisućiti dio atoma, a sve ostalo je praznina. A ako uzmemo u obzir da se svi objekti oko nas, od čestica prašine do nebeskih tijela, planeta i zvijezda, sastoje od atoma, ispada da se sve materijalno zapravo sastoji od više od 99 posto praznine. Ova se teorija čini potpuno nevjerojatnom, a njezin autor, u najmanju ruku, zavarana osoba, jer stvari koje postoje okolo imaju čvrstu konzistenciju, imaju težinu i mogu se osjetiti. Kako se može sastojati od praznine? Je li se u ovu teoriju strukture materije uvukla pogreška? Ali tu nema greške.

Sve materijalne stvari izgledaju guste samo zbog interakcije između atoma. Stvari imaju čvrstu i gustu konzistenciju samo zbog privlačenja ili odbijanja između atoma. Time se osigurava gustoća i tvrdoća kristalne rešetke kemikalija, od kojih se sastoji sav materijal. Ali, zanimljiva stvar, kada se, na primjer, mijenjaju temperaturni uvjeti okoline, veze između atoma, odnosno njihovo privlačenje i odbijanje, mogu oslabiti, što dovodi do slabljenja kristalne rešetke, pa čak i do njezina uništenja. To objašnjava promjenu fizikalnih svojstava tvari pri zagrijavanju. Na primjer, kada se željezo zagrije, ono postaje tekuće i može se oblikovati u bilo koji oblik. A kada se led topi, uništavanje kristalne rešetke dovodi do promjene stanja materije, te ona prelazi iz čvrstog u tekuće. Ovo su jasni primjeri slabljenja veza između atoma i, kao rezultat, slabljenja ili uništenja kristalne rešetke, te omogućuju da tvar postane amorfna. A razlog takvih tajanstvenih metamorfoza je upravo taj što se tvari sastoje od guste materije samo za jednu desettisućinku, a sve ostalo je praznina.

A čini se da su tvari čvrste samo zbog jakih veza između atoma čijim se slabljenjem tvar mijenja. Tako nam kvantna teorija strukture atoma omogućuje potpuno drugačiji pogled na svijet oko nas.

Utemeljitelj teorije atoma, Niels Bohr, iznio je zanimljiv koncept da elektroni u atomu ne zrače energiju stalno, već samo u trenutku prijelaza između putanja svog kretanja. Bohrova teorija pomogla je objasniti mnoge unutaratomske procese, a također je napravila iskorak u znanosti o kemiji, objašnjavajući granice tablice koju je stvorio Mendeljejev. Prema , posljednji element koji može postojati u vremenu i prostoru ima redni broj sto trideset i sedam, a elementi koji počinju od sto trideset i osme ne mogu postojati, budući da je njihovo postojanje u suprotnosti s teorijom relativnosti. Također, Bohrova teorija je objasnila prirodu takvog fizičkog fenomena kao što su atomski spektri.

To su interakcijski spektri slobodnih atoma koji nastaju kada se energija emitira između njih. Takvi su fenomeni tipični za plinovite, parne tvari i tvari u stanju plazme. Tako je kvantna teorija napravila revoluciju u svijetu fizike i omogućila znanstvenicima da napreduju ne samo na polju ove znanosti, već i na području mnogih srodnih znanosti: kemije, termodinamike, optike i filozofije. I također omogućio čovječanstvu da pronikne u tajne prirode stvari.

Čovječanstvo treba još puno učiniti u svojoj svijesti kako bi spoznalo prirodu atoma, razumjelo principe njihova ponašanja i interakcije. Shvativši to, moći ćemo razumjeti prirodu svijeta oko nas, jer sve što nas okružuje, počevši od čestica prašine i završavajući samim suncem, i mi sami - sve se sastoji od atoma čija je priroda tajanstvena i nevjerojatna i puna puno tajni.

Pozdrav dragi čitatelji. Ako ne želite zaostajati za životom, želite postati istinski sretna i zdrava osoba, trebali biste znati o tajnama kvantne moderne fizike, barem malo pojma u koje su dubine svemira znanstvenici iskopali danas. Nemate vremena ulaziti u duboke znanstvene detalje, ali želite shvatiti samo suštinu, ali vidjeti ljepotu nepoznatog svijeta, onda je ovaj članak: kvantna fizika za obične lutke ili, moglo bi se reći, za kućanice, samo je za tebe. Pokušat ću objasniti što je kvantna fizika, ali jednostavnim riječima, jasno pokazati.

“Kakva je veza između sreće, zdravlja i kvantne fizike?” pitate.

Činjenica je da pomaže odgovoriti na mnoga nerazumljiva pitanja vezana uz ljudsku svijest, utjecaj svijesti na tijelo. Nažalost, medicina nam, oslanjajući se na klasičnu fiziku, ne pomaže uvijek da budemo zdravi. A psihologija vam ne može ispravno reći kako pronaći sreću.

Samo dublje poznavanje svijeta pomoći će nam da shvatimo kako se uistinu nositi s bolešću i gdje sreća živi. Ovo znanje nalazi se u dubokim slojevima svemira. Kvantna fizika dolazi u pomoć. Uskoro ćeš sve znati.

Što kvantna fizika proučava jednostavnim riječima

Da, doista, kvantnu fiziku je vrlo teško razumjeti jer proučava zakone mikrosvijeta. Odnosno, svijet u svojim dubljim slojevima, na vrlo malim udaljenostima, gdje je čovjeku vrlo teško gledati.

A svijet se, pokazalo se, tamo ponaša vrlo čudno, tajanstveno i neshvatljivo, a ne onako kako smo navikli.

Otuda sva složenost i nerazumijevanje kvantne fizike.

No nakon čitanja ovog članka proširit ćete horizonte svog znanja i na svijet gledati na sasvim drugačiji način.

Ukratko o povijesti kvantne fizike

Sve je počelo početkom 20. stoljeća, kada Newtonova fizika nije mogla objasniti mnoge stvari, a znanstvenici su zašli u slijepu ulicu. Tada je Max Planck uveo koncept kvanta. Albert Einstein je preuzeo ovu ideju i dokazao da se svjetlost ne širi kontinuirano, već u dijelovima – kvantima (fotonima). Prije toga se vjerovalo da svjetlost ima valnu prirodu.

No, kako se kasnije pokazalo, svaka elementarna čestica nije samo kvantna, odnosno čvrsta čestica, već i val. Tako se u kvantnoj fizici pojavio korpuskularno-valni dualizam, prvi paradoks i početak otkrića tajanstvenih fenomena mikrosvijeta.

Najzanimljiviji paradoksi započeli su kada je izveden poznati eksperiment s dvostrukim prorezom, nakon čega su misterija postalo puno više. Možemo reći da je kvantna fizika započela s njim. Pogledajmo to.

Eksperiment s dvostrukim prorezom u kvantnoj fizici

Zamislite ploču s dva proreza u obliku okomitih pruga. Stavit ćemo paravan iza ove ploče. Ako svjetlost usmjerimo na ploču, vidjet ćemo interferencijski uzorak na ekranu. To jest, izmjenjujući tamne i svijetle okomite pruge. Interferencija je rezultat valnog ponašanja nečega, u našem slučaju svjetlosti.

Ako prođete val vode kroz dvije rupe smještene jedna pored druge, shvatit ćete što je smetnja. To jest, ispada da je svjetlost na neki način valna. No, kao što je fizika, odnosno Einstein, dokazala, razmnožavaju ga fotonske čestice. Već paradoks. Ali u redu je, dualizam korpuskularnih valova nas više neće iznenaditi. Kvantna fizika nam govori da se svjetlost ponaša kao val, ali da se sastoji od fotona. Ali čuda tek počinju.

Stavimo pištolj ispred ploče s dva proreza, koja neće emitirati svjetlost, već elektrone. Počnimo pucati elektronima. Što ćemo vidjeti na ekranu iza tanjura?

Uostalom, elektroni su čestice, što znači da bi protok elektrona, prolazeći kroz dva proreza, trebao ostaviti samo dvije pruge na ekranu, dva traga nasuprot prorezima. Jeste li zamislili kako kamenčići lete kroz dva proreza i udaraju u ekran?

Ali što zapravo vidimo? Sve isti uzorak interferencije. Kakav je zaključak: elektroni se šire u valovima. Dakle, elektroni su valovi. Ali ipak je to elementarna čestica. Opet korpuskularno-valni dualizam u fizici.

Ali možemo pretpostaviti da je na dubljoj razini elektron čestica, a kada se te čestice spoje, počinju se ponašati poput valova. Na primjer, morski val je val, ali ga čine kapljice vode, a na manjoj razini molekule, a zatim atomi. Ok, logika je solidna.

Onda pucajmo iz pištolja ne strujanjem elektrona, nego pustimo elektrone odvojeno, nakon određenog vremena. Kao da kroz pukotine ne prolazimo morski val, nego ispljuvamo pojedine kapljice iz dječjeg vodenog pištolja.

Sasvim je logično da bi u ovom slučaju različite kapi vode padale u različite utore. Na ekranu iza ploče nije se mogao vidjeti interferentni uzorak od vala, već dva različita udarna ruba nasuprot svakog proreza. Isto ćemo vidjeti i ako bacimo kamenčiće, oni bi, leteći kroz dvije pukotine, ostavili trag, kao sjena iz dvije rupe. Pustimo sada pojedinačne elektrone da vidimo ove dvije pruge na ekranu od udara elektrona. Pustili su jednog, čekali, drugi, čekali i tako dalje. Kvantni fizičari uspjeli su napraviti takav eksperiment.

Ali užas. Umjesto ova dva ruba dobivaju se iste interferencijske alternacije nekoliko rubova. Kako to? To se može dogoditi ako elektron proleti kroz dva proreza u isto vrijeme, ali iza ploče, poput vala, sudari se sam sa sobom i interferira. Ali to ne može biti, jer čestica ne može biti na dva mjesta u isto vrijeme. Ili leti kroz prvi utor ili kroz drugi.

Ovdje počinju uistinu fantastične stvari kvantne fizike.

Superpozicija u kvantnoj fizici

Dubljom analizom znanstvenici otkrivaju da bilo koja elementarna kvantna čestica ili ista svjetlost (foton) zapravo može biti na više mjesta u isto vrijeme. I to nisu čuda, već stvarne činjenice mikrokozmosa. To kaže kvantna fizika. Zato, pri gađanju zasebne čestice iz topa, vidimo rezultat smetnji. Iza ploče, elektron se sudara sam sa sobom i stvara interferencijski uzorak.

Obični objekti makrokozmosa uvijek su na jednom mjestu, imaju jedno stanje. Na primjer, sada sjedite na stolici, težite, recimo, 50 kg, imate puls od 60 otkucaja u minuti. Naravno, ovi pokazatelji će se promijeniti, ali će se promijeniti nakon nekog vremena. Uostalom, ne možete biti kod kuće i na poslu u isto vrijeme, teški 50 i 100 kg. Sve je to razumljivo, to je zdrav razum.

U fizici mikrokozmosa sve je drugačije.

Kvantna mehanika tvrdi, a to je već eksperimentalno potvrđeno, da bilo koja elementarna čestica može istovremeno biti ne samo u nekoliko točaka u prostoru, već ima i nekoliko stanja u isto vrijeme, kao što je spin.

Sve to ne staje u glavu, potkopava uobičajenu ideju svijeta, stare zakone fizike, okreće razmišljanje, slobodno se može reći da vas izluđuje.

Tako dolazimo do razumijevanja pojma "superpozicija" u kvantnoj mehanici.

Superpozicija znači da objekt mikrokozmosa može istovremeno biti u različitim točkama prostora, a također imati nekoliko stanja u isto vrijeme. A to je normalno za elementarne čestice. Takav je zakon mikrosvijeta, ma koliko on izgledao čudno i fantastično.

Iznenađeni ste, ali ovo je samo cvijeće, najneobjašnjiva čuda, misterije i paradoksi kvantne fizike tek dolaze.

Kolaps valne funkcije u fizici jednostavnim riječima

Tada su znanstvenici odlučili otkriti i točnije vidjeti prolazi li elektron zapravo kroz oba proreza. Odjednom prolazi kroz jedan prorez, a zatim se nekako odvaja i stvara interferencijski uzorak dok prolazi. Pa nikad se ne zna. Odnosno, trebate staviti neki uređaj blizu proreza, koji bi točno zabilježio prolazak elektrona kroz njega. Tek što je rečeno nego učinjeno. Naravno, to je teško implementirati, ne treba vam uređaj, već nešto drugo da biste vidjeli prolazak elektrona. Ali znanstvenici su to učinili.

No, na kraju je rezultat sve zaprepastio.

Čim počnemo gledati kroz koji prorez prolazi elektron, on se počinje ponašati ne kao val, ne kao čudna tvar koja se istovremeno nalazi na različitim točkama u prostoru, već kao obična čestica. Odnosno, počinje pokazivati ​​specifična svojstva kvanta: nalazi se samo na jednom mjestu, prolazi kroz jedan utor, ima jednu vrijednost spina. Ono što se pojavljuje na ekranu nije uzorak interferencije, već jednostavan trag nasuprot proreza.

Ali kako je to moguće. Kao da se elektron šali, igra se s nama. Isprva se ponaša kao val, a onda, nakon što smo odlučili pogledati njegov prolazak kroz prorez, pokazuje svojstva čvrste čestice i prolazi samo kroz jedan prorez. Ali tako je to u mikrokozmosu. To su zakoni kvantne fizike.

Znanstvenici su vidjeli još jedno misteriozno svojstvo elementarnih čestica. Tako su se u kvantnoj fizici pojavili koncepti nesigurnosti i kolapsa valne funkcije.

Kada elektron leti prema praznini, on je u neodređenom stanju ili, kako smo gore rekli, u superpoziciji. Odnosno, ponaša se kao val, nalazi se istovremeno u različitim točkama u prostoru, ima dvije vrijednosti spina (spin ima samo dvije vrijednosti). Da ga ne dotaknemo, ne pokušamo pogledati, ne saznamo gdje se točno nalazi, da ne izmjerimo vrijednost njegovog okreta, proletio bi poput vala kroz dva proreza na u isto vrijeme, što znači da bi stvorio interferencijski uzorak. Kvantna fizika opisuje svoju putanju i parametre pomoću valne funkcije.

Nakon što smo izvršili mjerenje (a česticu mikrosvijeta je moguće izmjeriti samo interakcijom s njom, na primjer, sudarajući drugu česticu s njom), tada se valna funkcija kolabira.

To jest, sada je elektron točno na jednom mjestu u prostoru, ima jednu vrijednost spina.

Može se reći da je elementarna čestica poput duha, čini se da postoji, ali se u isto vrijeme ne nalazi na jednom mjestu, a s određenom vjerojatnošću može biti bilo gdje unutar opisa valne funkcije. Ali čim ga počnemo kontaktirati, on se iz sablasnog objekta pretvara u stvarnu opipljivu tvar koja se ponaša poput običnih nama poznatih predmeta klasičnog svijeta.

"Ovo je fantastično", kažete. Naravno, ali čuda kvantne fizike tek počinju. Najnevjerojatnije tek dolazi. No, odmorimo se od obilja informacija i vratimo se kvantnim avanturama drugi put, u nekom drugom članku. U međuvremenu razmislite o onome što ste danas naučili. Čemu takva čuda mogu dovesti? Uostalom, oni nas okružuju, to je svojstvo našeg svijeta, iako na dubljoj razini. Mislimo li i dalje da živimo u dosadnom svijetu? Ali zaključke ćemo donijeti kasnije.

Pokušao sam kratko i jasno govoriti o osnovama kvantne fizike.

Ali ako nešto ne razumijete, pogledajte ovaj crtić o kvantnoj fizici, o eksperimentu s dva proreza, tamo je također sve ispričano razumljivim, jednostavnim jezikom.

Crtić o kvantnoj fizici:

Ili možete pogledati ovaj video, sve će doći na svoje mjesto, kvantna fizika je vrlo zanimljiva.

Video o kvantnoj fizici:

Kako niste znali za ovo prije?

Moderna otkrića u kvantnoj fizici mijenjaju naš poznati materijalni svijet.

Dobrodošli na blog! jako ti je drago!

Sigurno ste čuli mnogo puta o neobjašnjivim misterijama kvantne fizike i kvantne mehanike. Njegovi zakoni fasciniraju misticizmom, a čak i sami fizičari priznaju da ih ne razumiju u potpunosti. S jedne strane, znatiželjno je razumjeti te zakone, ali s druge strane, nema vremena za čitanje višetomnih i složenih knjiga o fizici. Jako vas razumijem, jer i ja volim znanje i potragu za istinom, ali za sve knjige itekako nema dovoljno vremena. Niste sami, mnogi znatiželjnici upisuju u liniju za pretraživanje: "kvantna fizika za lutke, kvantna mehanika za lutke, kvantna fizika za početnike, kvantna mehanika za početnike, osnove kvantne fizike, osnove kvantne mehanike, kvantna fizika za djecu, što je kvantna mehanika". Ovaj post je za vas.

Razumjet ćete osnovne koncepte i paradokse kvantne fizike. Iz članka ćete naučiti:

• Što je smetnja?
• Što je spin i superpozicija?
• Što je "mjerenje" ili "kolaps valne funkcije"?
• Što je kvantna zapetljanost (ili kvantna teleportacija za lutke)? (vidi članak)
• Što je misaoni eksperiment Schrödingerove mačke? (vidi članak)

Što je kvantna fizika i kvantna mehanika?

Kvantna mehanika je dio kvantne fizike.

Zašto je tako teško razumjeti ove znanosti? Odgovor je jednostavan: kvantna fizika i kvantna mehanika (dio kvantne fizike) proučavaju zakone mikrosvijeta. A ti su zakoni apsolutno drugačiji od zakona našeg makrokozmosa. Stoga nam je teško zamisliti što se događa s elektronima i fotonima u mikrokozmosu.

Primjer razlike između zakona makro- i mikrosvjetova: u našem makrokozmosu, ako stavite loptu u jednu od 2 kutije, tada će jedna od njih biti prazna, a druga - lopta. Ali u mikrokozmosu (ako umjesto lopte - atom), atom može biti istovremeno u dvije kutije. To je više puta eksperimentalno potvrđeno. Nije li to teško zabiti u glavu? Ali ne možete se raspravljati s činjenicama.

Još jedan primjer. Fotografirali ste brzi trkaći crveni sportski automobil i na fotografiji ste vidjeli mutnu horizontalnu traku, kao da je automobil u trenutku fotografije bio iz nekoliko točaka u svemiru. Unatoč onome što vidite na fotografiji, i dalje ste sigurni da je automobil bio u trenutku kada ste ga fotografirali. na jednom određenom mjestu u prostoru. U mikro svijetu nije tako. Elektron koji se okreće oko jezgre atoma zapravo se ne okreće, ali koji se nalaze istovremeno u svim točkama sfere oko jezgre atoma. Kao labavo namotano klupko pahuljaste vune. Ovaj koncept u fizici se zove "elektronski oblak" .

Mala digresija u povijest. Znanstvenici su prvi put razmišljali o kvantnom svijetu kada je 1900. godine njemački fizičar Max Planck pokušao otkriti zašto metali mijenjaju boju kada se zagrijavaju. On je bio taj koji je uveo koncept kvanta. Prije toga, znanstvenici su mislili da svjetlost putuje neprekidno. Prva osoba koja je ozbiljno shvatila Planckovo otkriće bio je tada nepoznati Albert Einstein. Shvatio je da svjetlost nije samo val. Ponekad se ponaša kao čestica. Einstein je dobio Nobelovu nagradu za otkriće da se svjetlost emitira u dijelovima, kvantima. Kvant svjetlosti naziva se foton ( foton, Wikipedia) .

Kako bi se lakše razumjeli kvantni zakoni fizika i mehanika (Wikipedia), potrebno je, u određenom smislu, apstrahirati od nama poznatih zakona klasične fizike. I zamislite da ste zaronili, poput Alice, niz zečju rupu, u Zemlju čudesa.

A ovdje je i crtić za djecu i odrasle. Govori o temeljnom eksperimentu kvantne mehanike s 2 proreza i promatračem. Traje samo 5 minuta. Pogledajte prije nego što uđemo u osnovna pitanja i koncepte kvantne fizike.

Kvantna fizika za lutke video. U crtiću obratite pozornost na "oko" promatrača. Postalo je ozbiljan misterij za fizičare.

Što je smetnja?

Na početku crtića, na primjeru tekućine, prikazano je kako se valovi ponašaju - na ekranu iza ploče s utorima pojavljuju se izmjenjujuće tamne i svijetle okomite pruge. A u slučaju kada se diskretne čestice (na primjer, kamenčići) "pucaju" na ploču, one lete kroz 2 utora i udaraju u zaslon točno nasuprot utora. I "nacrtajte" na ekranu samo 2 okomite pruge.

Smetnje svjetlosti- Ovo je "valno" ponašanje svjetlosti, kada se na ekranu prikazuje puno naizmjeničnih svijetlih i tamnih okomitih pruga. I te okomite pruge naziva interferencijski uzorak.

U našem makrokozmosu često primjećujemo da se svjetlost ponaša poput vala. Ako stavite ruku ispred svijeće, tada na zidu neće biti jasne sjene iz ruke, već s mutnim konturama.

Dakle, nije sve tako teško! Sada nam je sasvim jasno da svjetlost ima valnu prirodu, a ako su 2 proreza osvijetljena svjetlošću, tada ćemo na ekranu iza njih vidjeti interferencijski uzorak. Sada razmotrite 2. eksperiment. Riječ je o čuvenom Stern-Gerlachovom pokusu (koji je izveden 20-ih godina prošlog stoljeća).

U instalaciji opisanoj u crtiću nisu sjale svjetlošću, već su "pucale" elektronima (kao odvojene čestice). Tada su, početkom prošlog stoljeća, fizičari diljem svijeta vjerovali da su elektroni elementarne čestice materije i da ne bi trebali imati valnu prirodu, već istu kao i kamenčići. Uostalom, elektroni su elementarne čestice materije, zar ne? Odnosno, ako su "bačeni" u 2 utora, poput kamenčića, tada bismo na ekranu iza utora trebali vidjeti 2 okomite pruge.

Ali... Rezultat je bio zapanjujući. Znanstvenici su vidjeli uzorak interferencije - puno okomitih pruga. Odnosno, elektroni, poput svjetlosti, također mogu imati valnu prirodu, mogu interferirati. S druge strane, postalo je jasno da svjetlost nije samo val, već i čestica – foton (iz povijesne pozadine na početku članka saznali smo da je Einstein za ovo otkriće dobio Nobelovu nagradu).

Možda se sjećate da su nam u školi govorili o fizici "dualizam čestica-val"? To znači da kada su u pitanju vrlo male čestice (atomi, elektroni) mikrosvijeta, onda oni su i valovi i čestice

Danas smo ti i ja toliko pametni i razumijemo da su 2 gore opisana eksperimenta - ispaljivanje elektrona i osvjetljavanje proreza svjetlom - jedno te isto. Zato što ispaljujemo kvantne čestice na proreze. Sada znamo da su i svjetlost i elektroni kvantne prirode, i valovi i čestice u isto vrijeme. I početkom 20. stoljeća rezultati ovog eksperimenta bili su senzacija.

Pažnja! Sada prijeđimo na suptilniji problem.

Svjetlimo na našim prorezima strujom fotona (elektrona) - i vidimo interferencijski uzorak (vertikalne pruge) iza proreza na ekranu. Jasno je. Ali nas zanima kako svaki od elektrona leti kroz prorez.

Vjerojatno jedan elektron leti u lijevi prorez, drugi udesno. Ali tada bi se na zaslonu točno nasuprot utora trebale pojaviti 2 okomite pruge. Zašto se dobiva interferencijski uzorak? Možda elektroni na neki način komuniciraju jedni s drugima već na ekranu nakon što prolete kroz proreze. A rezultat je takav valni uzorak. Kako to možemo pratiti?

Nećemo bacati elektrone u zraku, već jedan po jedan. Baci ga, čekaj, ispusti sljedeći. Sada, kada elektron leti sam, više neće moći komunicirati na ekranu s drugim elektronima. Na ekranu ćemo registrirati svaki elektron nakon bacanja. Jedan ili dva nam, naravno, neće "naslikati" jasnu sliku. Ali kada ih jednog po jednog pošaljemo puno u utore, primijetit ćemo ... o užas - opet su "nacrtali" interferentni valni uzorak!

Počinjemo polako ludovati. Uostalom, očekivali smo da će nasuprot utora biti 2 okomite pruge! Ispostavilo se da kada smo bacali fotone jedan po jedan, svaki je od njih prošao, takoreći, kroz 2 proreza u isto vrijeme i interferirao sam sa sobom. Fantazija! Vratit ćemo se na objašnjenje ovog fenomena u sljedećem odjeljku.

Što je spin i superpozicija?

Sada znamo što je smetnja. Ovo je valno ponašanje mikročestica – fotona, elektrona, drugih mikročestica (nazovimo ih od sada radi jednostavnosti fotonima).

Kao rezultat eksperimenta, kada smo 1 foton bacili u 2 proreza, shvatili smo da leti kao da kroz dva proreza u isto vrijeme. Kako drugačije objasniti uzorak interferencije na ekranu?

Ali kako zamisliti sliku da foton leti kroz dva proreza u isto vrijeme? Postoje 2 opcije.

• 1. opcija: foton, poput vala (poput vode) "pluta" kroz 2 proreza u isto vrijeme
• 2. opcija: foton, poput čestice, leti istovremeno duž 2 putanje (čak ne dvije, nego sve odjednom)

U principu, ove izjave su ekvivalentne. Stigli smo do "integralnog puta". Ovo je formula kvantne mehanike Richarda Feynmana.

Usput, točno Richard Feynman pripada poznati izraz da možemo pouzdano reći da nitko ne razumije kvantnu mehaniku

Ali ovaj njegov izraz djelovao je na početku stoljeća. Ali sada smo pametni i znamo da se foton može ponašati i kao čestica i kao val. Da može letjeti kroz 2 slota istovremeno na neki nama neshvatljiv način. Stoga će nam biti lako razumjeti sljedeću važnu izjavu kvantne mehanike:

Strogo govoreći, kvantna mehanika nam govori da je ovakvo ponašanje fotona pravilo, a ne iznimka. Bilo koja kvantna čestica je u pravilu istovremeno u više stanja ili u više točaka u prostoru.

Objekti makrosvijeta mogu biti samo na jednom određenom mjestu i u jednom određenom stanju. Ali kvantna čestica postoji prema vlastitim zakonima. I nije ju briga što ih ne razumijemo. Ovo je poanta.

Ostaje nam jednostavno prihvatiti kao aksiom da "superpozicija" kvantnog objekta znači da on može biti na 2 ili više putanja u isto vrijeme, u 2 ili više točaka u isto vrijeme

Isto vrijedi i za drugi parametar fotona - spin (vlastiti kutni moment). Spin je vektor. Kvantni objekt se može zamisliti kao mikroskopski magnet. Navikli smo da je vektor magneta (spin) usmjeren ili gore ili dolje. No, elektron ili foton nam opet govori: “Dečki, nije nas briga na što ste navikli, možemo biti u oba stanja okretanja odjednom (vektor gore, vektor dolje), kao što možemo biti na 2 putanje na u isto vrijeme ili u 2 točke u isto vrijeme!

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

Ostaje nam malo - razumjeti što je "mjerenje", a što "kolaps valne funkcije".

valna funkcija je opis stanja kvantnog objekta (naš foton ili elektron).

Pretpostavimo da imamo elektron, on leti k sebi u neodređenom stanju, njegov spin je istovremeno usmjeren i gore i dolje. Moramo izmjeriti njegovo stanje.

Mjerimo pomoću magnetskog polja: elektroni čiji je spin bio usmjeren u smjeru polja odstupit će u jednom smjeru, a elektroni čiji je spin usmjeren protiv polja odstupit će u drugom smjeru. Fotoni se također mogu poslati na polarizacijski filter. Ako je spin (polarizacija) fotona +1, on prolazi kroz filter, a ako je -1, onda ne.

Stop! Ovdje se neizbježno postavlja pitanje: prije mjerenja, uostalom, elektron nije imao neki poseban smjer vrtnje, zar ne? Je li bio u svim državama u isto vrijeme?

Ovo je trik i senzacija kvantne mehanike.. Sve dok ne mjerite stanje kvantnog objekta, on se može rotirati u bilo kojem smjeru (imati bilo koji smjer vlastitog vektora kutnog momenta - spin). Ali u trenutku kada ste izmjerili njegovo stanje, čini se da odlučuje koji će spin vektor uzeti.

Ovaj kvantni objekt je tako kul - donosi odluku o svom stanju. I ne možemo unaprijed predvidjeti kakvu će odluku donijeti kada uleti u magnetsko polje u kojem ga mjerimo. Vjerojatnost da odluči imati vektor vrtnje "gore" ili "dolje" je 50 do 50%. Ali čim se odluči, nalazi se u određenom stanju s određenim smjerom okretanja. Razlog njegove odluke je naša "dimenzija"!

Ovo se zove " kolaps valne funkcije". Valna funkcija prije mjerenja bila je neodređena, t.j. vektor spina elektrona bio je istovremeno u svim smjerovima, nakon mjerenja, elektron je fiksirao određeni smjer svog vektora spina.

Pažnja! Izvrstan primjer-asocijacija iz našeg makrokozmosa za razumijevanje:

Zavrtite novčić na stolu poput vrha. Dok se novčić vrti, nema određeno značenje - glave ili repa. No, čim odlučite "izmjeriti" ovu vrijednost i zalupiti novčić rukom, ovdje dobivate specifično stanje novčića - glave ili repa. Sada zamislite da ovaj novčić odlučuje koju će vam vrijednost "pokazati" - glavu ili rep. Elektron se ponaša približno na isti način.

Sada se sjetite eksperimenta prikazanog na kraju crtića. Kada su fotoni prolazili kroz proreze, ponašali su se poput vala i pokazivali interferencijski uzorak na ekranu. A kada su znanstvenici htjeli fiksirati (izmjeriti) trenutak kada su fotoni prošli kroz prorez i staviti "promatrača" iza ekrana, fotoni su se počeli ponašati ne kao valovi, već kao čestice. I "nacrtane" 2 okomite pruge na ekranu. Oni. u trenutku mjerenja ili promatranja, kvantni objekti sami biraju u kojem stanju trebaju biti.

Fantazija! Nije li?

Ali to nije sve. Napokon mi došao do najzanimljivijeg.

Ali ... čini mi se da će doći do preopterećenja informacijama, pa ćemo ova 2 koncepta razmotriti u zasebnim postovima:

• Što ?
• Što je misaoni eksperiment.

A sada, želite li da se informacije stave na police? Pogledajte dokumentarac Kanadskog instituta za teorijsku fiziku. U 20 minuta će vam vrlo kratko i kronološkim redom ispričati sva otkrića kvantne fizike, počevši od otkrića Plancka 1900. godine. A onda će vam reći koji se praktični razvoj trenutno provode na temelju znanja kvantne fizike: od najpreciznijih atomskih satova do superbrzih izračuna kvantnog računala. Toplo preporučam gledanje ovog filma.

Vidimo se!

Želim vam svima inspiraciju za sve vaše planove i projekte!

P.S.2 Napišite svoja pitanja i misli u komentarima. Napišite, koja vas još pitanja o kvantnoj fizici zanimaju?

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

Od grčkog "fusis" dolazi riječ "fizika". To znači "priroda". Aristotel, koji je živio u četvrtom stoljeću prije Krista, prvi je uveo ovaj koncept.

Fizika je postala "ruska" na prijedlog M. V. Lomonosova, kada je preveo prvi udžbenik s njemačkog.

znanstvena fizika

Fizika je jedna od glavnih.. U svijetu se neprestano odvijaju različiti procesi, promjene, odnosno pojave.

Na primjer, komadić leda na toplom mjestu će se početi topiti. I voda u kotliću ključa na vatri. Električna struja koja prolazi kroz žicu će je zagrijati, pa čak i učiniti vrućom. Svaki od ovih procesa je fenomen. U fizici su to mehaničke, magnetske, električne, zvučne, toplinske i svjetlosne promjene koje proučava znanost. Nazivaju se i fizičkim pojavama. Razmatrajući ih, znanstvenici izvode zakone.

Zadatak znanosti je otkriti te zakone i proučavati ih. Prirodu proučavaju takve znanosti kao što su biologija, geografija, kemija i astronomija. Svi oni primjenjuju fizičke zakone.

Pojmovi

Osim uobičajenih u fizici, koriste i posebne riječi koje se nazivaju pojmovi. To su "energija" (u fizici je mjera različitih oblika interakcije i kretanja materije, kao i prijelaza iz jednog u drugi), "sila" (mjera intenziteta utjecaja drugih tijela i polja). na tijelu) i mnoge druge. Neki od njih postupno su ušli u kolokvijalni govor.

Na primjer, koristeći riječ "energija" u svakodnevnom životu u odnosu na osobu, možemo procijeniti posljedice njegovih postupaka, ali energija je u fizici mjera proučavanja na mnogo različitih načina.

Sva tijela u fizici nazivaju se fizičkim. Imaju volumen i oblik. Sastoje se od tvari, koje su, zauzvrat, jedna od vrsta materije - to je sve što postoji u Svemiru.

Iskustva

Mnogo toga što ljudi znaju potječe iz promatranja. Za proučavanje fenomena, oni se stalno promatraju.

Uzmimo, na primjer, razna tijela koja padaju na tlo. Potrebno je otkriti razlikuje li se ovaj fenomen kod pada tijela nejednake mase, različite visine i tako dalje. Čekanje i promatranje različitih tijela bilo bi jako dugo i ne uvijek uspješno. Stoga se eksperimenti provode u takve svrhe. Razlikuju se od opažanja jer se provode posebno prema unaprijed određenom planu i s određenim ciljevima. Obično se u planu neke pretpostavke grade unaprijed, odnosno postavljaju hipoteze. Tako će tijekom eksperimenata biti opovrgnuti ili potvrđeni. Nakon razmišljanja i objašnjenja rezultata pokusa donose se zaključci. Tako se dobiva znanstvena spoznaja.

Količine i njihove jedinice

Često, proučavanje bilo koje obavljaju različita mjerenja. Kada tijelo padne, na primjer, mjere se visina, masa, brzina i vrijeme. Sve je to, odnosno nešto što se može izmjeriti.

Mjerenje vrijednosti znači usporedbu s istom vrijednošću koja se uzima kao jedinica (dužina tablice se uspoređuje s jedinicom duljine - metar ili druga). Svaka takva vrijednost ima svoje jedinice.

Sve zemlje pokušavaju koristiti uniformne jedinice. U Rusiji, kao iu drugim zemljama, koristi se Međunarodni sustav jedinica (SI) (što znači "međunarodni sustav"). Ona usvaja sljedeće jedinice:

• duljina (obilježje duljine linija u brojčanom smislu) - metar;
• vrijeme (tok procesa, uvjet moguće promjene) - sekunda;
• masa (ovo je karakteristika u fizici koja određuje inercijska i gravitacijska svojstva tvari) - kilogram.

Često je potrebno koristiti jedinice koje su mnogo veće od konvencionalnih višekratnika. Zovu se odgovarajućim prefiksima iz grčkog: "deka", "hekto", "kilo" i tako dalje.

Jedinice koje su manje od prihvaćenih nazivaju se submultiple. Na njih se primjenjuju prefiksi iz latinskog jezika: "deci", "santi", "milli" i tako dalje.

Mjerni instrumenti

Za provođenje eksperimenata potrebna vam je oprema. Najjednostavniji od njih su ravnalo, cilindar, mjerač vrpce i drugi. Razvojem znanosti unapređuju se, kompliciraju novi uređaji i pojavljuju se novi uređaji: voltmetri, termometri, štoperice i drugi.

U osnovi, uređaji imaju ljestvicu, odnosno isprekidane podjele na kojima su ispisane vrijednosti. Prije mjerenja odredite cijenu podjele:

• uzeti dva poteza ljestvice s vrijednostima;
• manji se oduzima od većeg, a dobiveni broj se dijeli s brojem podjela između.

Na primjer, dva poteza s vrijednostima "dvadeset" i "trideset", udaljenost između kojih je podijeljena na deset razmaka. U ovom slučaju, vrijednost podjele bit će jednaka jedan.

Točne mjere i s greškom

Mjerenja su manje-više točna. Dopuštena netočnost naziva se granica pogreške. Prilikom mjerenja ne može biti veća od vrijednosti podjele mjernog instrumenta.

Točnost ovisi o intervalu ljestvice i pravilnoj upotrebi instrumenta. Ali na kraju, u bilo kojem mjerenju, dobivaju se samo približne vrijednosti.

Teorijska i eksperimentalna fizika

To su glavne grane znanosti. Može se činiti da su jako udaljeni, pogotovo zato što su većina ljudi ili teoretičari ili eksperimentatori. Međutim, oni se neprestano razvijaju jedan pored drugog. Svaki problem razmatraju i teoretičari i eksperimentatori. Posao prvih je opisivanje podataka i izvođenje hipoteza, dok drugi provjeravaju teorije u praksi, provodeći eksperimente i dobivajući nove podatke. Ponekad su postignuća uzrokovana samo eksperimentima, bez opisivanja teorija. U drugim slučajevima, naprotiv, moguće je dobiti rezultate koji se naknadno provjeravaju.

Kvantna fizika

Ovaj smjer nastao je krajem 1900. godine, kada je otkrivena nova fizička fundamentalna konstanta, nazvana Planckova konstanta u čast njemačkog fizičara koji ju je otkrio, Maxa Plancka. Riješio je problem spektralne raspodjele svjetlosti koju emitiraju zagrijana tijela, dok klasična opća fizika to nije mogla učiniti. Planck je postavio hipotezu o kvantnoj energiji oscilatora, što je bilo nespojivo s klasičnom fizikom. Zahvaljujući tome, mnogi su fizičari počeli revidirati stare koncepte, mijenjati ih, uslijed čega je nastala kvantna fizika. Ovo je potpuno nov pogled na svijet.

i svijesti

Fenomen ljudske svijesti s gledišta nije sasvim nov. Njegove temelje postavili su Jung i Pauli. Ali tek sada, s formiranjem ovog novog smjera znanosti, fenomen se počeo razmatrati i proučavati u većim razmjerima.

Kvantni svijet je mnogostran i višedimenzionalan, ima mnogo klasičnih lica i projekcija.

Dva glavna svojstva u okviru predloženog koncepta su superintuicija (tj. dobivanje informacija kao niotkuda) i kontrola subjektivne stvarnosti. U običnoj svijesti, osoba može vidjeti samo jednu sliku svijeta i nije u stanju razmotriti dvije odjednom. Dok ih u stvarnosti ima ogroman broj. Sve to zajedno je kvantni svijet i svjetlost.

Kvantna fizika nas uči vidjeti novu stvarnost za osobu (iako mnoge istočnjačke religije, kao i mađioničari, odavno posjeduju takvu tehniku). Potrebno je samo promijeniti ljudsku svijest. Sada je osoba neodvojiva od cijelog svijeta, ali se uzimaju u obzir interesi svih živih bića i stvari.

Upravo tada, uranjajući u stanje u kojem je sposoban vidjeti sve alternative, dolazi do uvida, što je apsolutna istina.

Načelo života sa stajališta kvantne fizike je da čovjek, između ostalog, pridonese boljem svjetskom poretku.

Mislim da je sigurno reći da nitko ne razumije kvantnu mehaniku.

Fizičar Richard Feynman

Nije pretjerano reći da je izum poluvodičkih uređaja bio revolucija. Ne samo da je ovo impresivno tehnološko postignuće, već je utrlo put za događaje koji će zauvijek promijeniti moderno društvo. Poluvodički uređaji se koriste u svim vrstama mikroelektronskih uređaja, uključujući računala, određene vrste medicinske opreme za dijagnostiku i liječenje te popularne telekomunikacijske uređaje.

Ali iza ove tehnološke revolucije stoji još više, revolucija u općoj znanosti: polje kvantna teorija. Bez ovog skoka u razumijevanju prirodnog svijeta, razvoj poluvodičkih uređaja (i naprednijih elektroničkih uređaja u razvoju) nikada ne bi uspio. Kvantna fizika je nevjerojatno složena grana znanosti. Ovo poglavlje daje samo kratak pregled. Kada znanstvenici poput Feynmana kažu "nitko [to] ne razumije", možete biti sigurni da je ovo zaista teška tema. Bez osnovnog razumijevanja kvantne fizike, ili barem razumijevanja znanstvenih otkrića koja su dovela do njihovog razvoja, nemoguće je razumjeti kako i zašto rade poluvodički elektronički uređaji. Većina udžbenika elektronike pokušava objasniti poluvodiče u terminima "klasične fizike", što ih kao rezultat čini još zbunjujućim za razumijevanje.

Mnogi od nas su vidjeli dijagrame atomskog modela koji izgledaju kao na slici ispod.

Rutherfordov atom: negativni elektroni kruže oko male pozitivne jezgre

Sitne čestice materije tzv protona i neutroni, čine središte atoma; elektrona okreću se poput planeta oko zvijezde. Jezgra nosi pozitivan električni naboj zbog prisutnosti protona (neutroni nemaju električni naboj), dok se negativni naboj atoma nalazi u elektronima koji kruže u orbiti. Negativni elektroni privlače se pozitivnim protonima kao što su planeti privučeni Suncem, ali su orbite stabilne zbog kretanja elektrona. Ovaj popularni model atoma dugujemo radu Ernesta Rutherforda, koji je eksperimentalno utvrdio oko 1911. da su pozitivni naboji atoma koncentrirani u sićušnoj, gustoj jezgri, a ne ravnomjerno raspoređeni duž promjera, kao što je istraživač J. J. Thomson prethodno pretpostavio .

Rutherfordov pokus raspršenja sastoji se od bombardiranja tanke zlatne folije pozitivno nabijenim alfa česticama, kao što je prikazano na donjoj slici. Mladi diplomski studenti H. Geiger i E. Marsden dobili su neočekivane rezultate. Putanja nekih alfa čestica odstupila je pod velikim kutom. Neke alfa čestice bile su raspršene unatrag, pod kutom od gotovo 180°. Većina čestica prošla je kroz zlatnu foliju bez promjene putanje, kao da folije uopće nema. Činjenica da je nekoliko alfa čestica doživjelo velika odstupanja u svojoj putanji ukazuje na prisutnost jezgri s malim pozitivnim nabojem.

Rutherfordovo raspršenje: snop alfa čestica raspršen je tankom zlatnom folijom

Iako je Rutherfordov model atoma bio podržan eksperimentalnim podacima boljim od Thomsonovog, ipak je bio nesavršen. Poduzeti su daljnji pokušaji da se utvrdi struktura atoma, a ti su napori pomogli utrti put za čudna otkrića kvantne fizike. Danas je naše razumijevanje atoma malo složenije. Ipak, unatoč revoluciji kvantne fizike i njezinom doprinosu našem razumijevanju strukture atoma, Rutherfordov prikaz Sunčevog sustava kao strukture atoma ukorijenio se u popularnoj svijesti do te mjere da opstaje u obrazovnim poljima, čak i ako deplasirano je.

Razmotrite ovaj kratki opis elektrona u atomu, preuzet iz popularnog udžbenika elektronike:

Negativni elektroni koji se vrte privlače pozitivnu jezgru, što nas dovodi do pitanja zašto elektroni ne lete u jezgru atoma. Odgovor je da rotirajući elektroni ostaju u svojoj stabilnoj orbiti zbog dvije jednake, ali suprotne sile. Centrifugalna sila koja djeluje na elektrone usmjerena je prema van, a privlačna sila naboja pokušava povući elektrone prema jezgri.

U skladu s Rutherfordovim modelom, autor smatra elektrone čvrstim komadima materije koji zauzimaju okrugle orbite, a njihovo unutarnje privlačenje prema suprotno nabijenoj jezgri uravnoteženo je njihovim kretanjem. Upotreba izraza "centrifugalna sila" tehnički je netočna (čak i za planete u orbiti), ali to se lako oprosti zbog popularnog prihvaćanja modela: zapravo, ne postoji takva stvar kao što je sila, odbojanbilo koji rotirajuće tijelo iz središta svoje orbite. Čini se da je to tako jer inercija tijela ima tendenciju da ga zadrži u pravolinijskom kretanju, a budući da je orbita stalno odstupanje (ubrzanje) od pravocrtnog gibanja, postoji stalna inercijska reakcija na bilo koju silu koja privlači tijelo u središte orbite (centripetalne), bilo gravitacije, elektrostatičke privlačnosti ili čak napetosti mehaničke veze.

Međutim, pravi problem s ovim objašnjenjem prije svega je ideja da se elektroni kreću u kružnim orbitama. Dokazana činjenica da ubrzani električni naboji emitiraju elektromagnetsko zračenje, ta je činjenica bila poznata još u Rutherfordovo vrijeme. Budući da je rotacijsko gibanje oblik ubrzanja (rotirajući objekt u stalnoj akceleraciji, povlačeći objekt od njegovog normalnog pravolinijskog gibanja), elektroni u rotirajućem stanju moraju emitirati zračenje poput blata iz kotača koji se vrti. Elektroni ubrzani po kružnim stazama u akceleratorima čestica tzv sinkrotrona poznato je da to čine, a rezultat se zove sinhrotronsko zračenje. Ako bi elektroni na taj način gubili energiju, njihove bi se orbite na kraju poremetile, a kao rezultat toga bi se sudarili s pozitivno nabijenom jezgrom. Međutim, unutar atoma to se obično ne događa. Doista, elektroničke "orbite" su iznenađujuće stabilne u širokom rasponu uvjeta.

Osim toga, eksperimenti s "pobuđenim" atomima pokazali su da elektromagnetsku energiju emitira atom samo na određenim frekvencijama. Atomi su "uzbuđeni" vanjskim utjecajima kao što je svjetlost, za koju se zna da apsorbira energiju i vraća elektromagnetske valove na određenim frekvencijama, slično kao vilica za podešavanje koja ne zvoni na određenoj frekvenciji dok se u nju ne udari. Kada se svjetlost koju emitira pobuđeni atom podijeli prizmom na njegove sastavne frekvencije (boje), pronađu se pojedinačne linije boja u spektru, uzorak spektralne linije jedinstven je za kemijski element. Ovaj se fenomen obično koristi za identifikaciju kemijskih elemenata, pa čak i za mjerenje udjela svakog elementa u spoju ili kemijskoj smjesi. Prema Sunčevom sustavu Rutherfordovog atomskog modela (u odnosu na elektrone, kao komadi materije, koji se slobodno rotiraju u orbiti s određenim polumjerom) i zakonima klasične fizike, pobuđeni atomi moraju vraćati energiju u gotovo beskonačnom rasponu frekvencija, a ne na odabranim frekvencijama. Drugim riječima, da je Rutherfordov model bio točan, tada ne bi bilo efekta "kampona", a spektar boja koji emitira bilo koji atom bi se pojavio kao neprekidna traka boja, a ne kao nekoliko zasebnih linija.

Bohrov model atoma vodika (s orbitama nacrtanim u mjerilu) pretpostavlja da su elektroni samo u diskretnim orbitama. Elektroni koji se kreću od n=3,4,5 ili 6 do n=2 prikazani su na nizu Balmerovih spektralnih linija

Istraživač po imenu Niels Bohr pokušao je poboljšati Rutherfordov model nakon što ga je proučavao u Rutherfordovom laboratoriju nekoliko mjeseci 1912. godine. Pokušavajući pomiriti rezultate drugih fizičara (osobito Maxa Plancka i Alberta Einsteina), Bohr je sugerirao da svaki elektron ima određenu, specifičnu količinu energije, te da su njihove orbite raspoređene na način da svaki od njih može zauzeti određena mjesta oko jezgra, poput kuglica., fiksirana na kružnim stazama oko jezgre, a ne kao sateliti koji se slobodno kreću, kao što se prethodno pretpostavljalo (slika iznad). Poštujući zakone elektromagnetizma i ubrzavajućih naboja, Bohr je nazvao "orbite" kao stacionarna stanja kako bi se izbjeglo tumačenje da su bili pokretni.

Iako je Bohrov ambiciozni pokušaj ponovnog promišljanja strukture atoma, koji je bio u skladu s eksperimentalnim podacima, bio prekretnica u fizici, nije dovršen. Njegova matematička analiza predviđala je rezultate eksperimenata bolje od onih koji su izvedeni prema prethodnim modelima, no još uvijek su ostala neodgovorena pitanja jesu li zašto elektroni se moraju ponašati na tako čudan način. Tvrdnja da elektroni postoje u stacionarnim kvantnim stanjima oko jezgre bolje je korelirala s eksperimentalnim podacima nego Rutherfordov model, ali nije rekla što uzrokuje da elektroni poprime ta posebna stanja. Odgovor na ovo pitanje trebao je doći od drugog fizičara, Louisa de Brogliea, desetak godina kasnije.

De Broglie je sugerirao da elektroni, poput fotona (čestica svjetlosti), imaju i svojstva čestica i svojstva valova. Na temelju ove pretpostavke, on je sugerirao da je analiza rotirajućih elektrona u smislu valova bolja nego u smislu čestica, te može dati bolji uvid u njihovu kvantnu prirodu. Doista, napravljen je još jedan iskorak u razumijevanju.

Žica koja vibrira na rezonantnoj frekvenciji između dvije fiksne točke tvori stojni val

Atom se, prema de Broglieu, sastojao od stajaćih valova, fenomena dobro poznat fizičarima u raznim oblicima. Poput trzane žice glazbenog instrumenta (na slici iznad), koja vibrira na rezonantnoj frekvenciji, s "čvorovima" i "antičvorovima" na stabilnim mjestima duž svoje dužine. De Broglie je zamislio elektrone oko atoma kao valove zakrivljene u krug (slika ispod).

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

Elektroni mogu postojati samo u određenim, specifičnim "orbitama" oko jezgre, jer su to jedine udaljenosti na kojima se krajevi vala podudaraju. U bilo kojem drugom polumjeru, val će se destruktivno sudariti sam sa sobom i tako prestati postojati.

De Broglieova hipoteza dala je i matematički okvir i prikladnu fizičku analogiju za objašnjenje kvantnih stanja elektrona unutar atoma, ali njegov model atoma još uvijek je bio nepotpun. Već nekoliko godina, fizičari Werner Heisenberg i Erwin Schrödinger, radeći neovisno, rade na de Broglieovom konceptu dualnosti val-čestica kako bi stvorili rigoroznije matematičke modele subatomskih čestica.

Ovaj teorijski napredak od de Broglieovog primitivnog modela stajaćih vala do modela Heisenbergove matrice i Schrödingerove diferencijalne jednadžbe dobio je naziv kvantna mehanika i uveo je prilično šokantnu značajku u svijet subatomskih čestica: znak vjerojatnosti, ili neizvjesnost. Prema novoj kvantnoj teoriji, bilo je nemoguće odrediti točan položaj i točan zamah čestice u jednom trenutku. Popularno objašnjenje za ovaj "princip nesigurnosti" bilo je da je došlo do pogreške mjerenja (tj. pokušavajući točno izmjeriti položaj elektrona, vi ometate njegov zamah i stoga ne možete znati što je bio prije nego što ste počeli mjeriti položaj, i obratno). Senzacionalan zaključak kvantne mehanike je da čestice nemaju točne položaje i momente, a zbog odnosa tih dviju veličina njihova se kombinirana nesigurnost nikada neće smanjiti ispod određene minimalne vrijednosti.

Ovaj oblik veze "neizvjesnosti" postoji i u drugim poljima osim kvantne mehanike. Kao što je objašnjeno u poglavlju "Izmjenični signali mješovite frekvencije" u svesku 2 ove serije knjiga, postoje međusobno isključivi odnosi između povjerenja u podatke vremenske domene valnog oblika i njegovih podataka u frekvencijskoj domeni. Jednostavno rečeno, što više znamo frekvencije njegovih komponenti, manje točno znamo njegovu amplitudu tijekom vremena, i obrnuto. Citiram sebe:

Signal beskonačnog trajanja (beskonačan broj ciklusa) može se analizirati s apsolutnom točnošću, ali što je manje ciklusa dostupnih računalu za analizu, to je analiza manje točna... Što je manje perioda signala, to je manje točna njegova frekvencija . Uzimajući ovaj koncept do svoje logične krajnosti, kratki impuls (čak ni potpuni period signala) zapravo nema definiranu frekvenciju, to je beskonačan raspon frekvencija. Ovaj princip je zajednički za sve valne pojave, a ne samo za promjenjive napone i struje.

Da bismo točno odredili amplitudu promjenjivog signala, moramo je izmjeriti u vrlo kratkom vremenu. Međutim, to ograničava naše znanje o frekvenciji vala (val u kvantnoj mehanici ne mora biti sličan sinusnom valu; takva sličnost je poseban slučaj). S druge strane, da bismo s velikom točnošću odredili frekvenciju vala, moramo je mjeriti u velikom broju razdoblja, što znači da ćemo u svakom trenutku izgubiti iz vida njegovu amplitudu. Dakle, ne možemo istovremeno znati trenutnu amplitudu i sve frekvencije bilo kojeg vala s neograničenom točnošću. Još jedna neobičnost, ta je nesigurnost mnogo veća od netočnosti promatrača; to je u samoj prirodi vala. To nije slučaj, iako bi bilo moguće, s obzirom na odgovarajuću tehnologiju, istovremeno osigurati točna mjerenja trenutne amplitude i frekvencije. U doslovnom smislu, val ne može imati točnu trenutnu amplitudu i točnu frekvenciju u isto vrijeme.

Minimalna nesigurnost položaja i momenta čestice izražena od strane Heisenberga i Schrödingera nema nikakve veze s ograničenjem mjerenja; nego je intrinzično svojstvo prirode dualnosti val-čestica čestice. Stoga, elektroni zapravo ne postoje u svojim "orbitama" kao dobro definirane čestice materije, pa čak ni kao dobro definirani valni oblici, već kao "oblaci" - tehnički izraz. valna funkcija distribucije vjerojatnosti, kao da je svaki elektron "raspršen" ili "razmazan" po rasponu položaja i impulsa.

Ovaj radikalni pogled na elektrone kao na neodređene oblake u početku je u suprotnosti s izvornim principom kvantnih stanja elektrona: elektroni postoje u diskretnim, određenim "orbitama" oko jezgre atoma. Ovo novo gledište, naposljetku, bilo je otkriće koje je dovelo do formiranja i objašnjenja kvantne teorije. Kako se čudno čini da teorija stvorena da objasni diskretno ponašanje elektrona na kraju objavljuje da elektroni postoje kao "oblaci", a ne kao odvojeni komadići materije. Međutim, kvantno ponašanje elektrona ne ovisi o elektronima koji imaju određene vrijednosti koordinata i zamaha, već o drugim svojstvima tzv. kvantnim brojevima. U biti, kvantna mehanika odbacuje uobičajene koncepte apsolutnog položaja i apsolutnog momenta i zamjenjuje ih apsolutnim konceptima tipova koji nemaju analoga u uobičajenoj praksi.

Iako je poznato da elektroni postoje u bestjelesnim, "oblačnim" oblicima distribuirane vjerojatnosti, a ne u zasebnim komadićima materije, ti "oblaci" imaju malo drugačije karakteristike. Svaki elektron u atomu može se opisati četirima numeričkim mjerama (kvantnim brojevima spomenutim ranije), tzv glavni (radijalni), orbitala (azimut), magnetski i vrtjeti brojevima. U nastavku je kratak pregled značenja svakog od ovih brojeva:

Glavni (radijalni) kvantni broj: označeno slovom n, ovaj broj opisuje ljusku na kojoj se nalazi elektron. Elektronska "ljuska" je područje prostora oko jezgre atoma u kojem mogu postojati elektroni, što odgovara de Broglieovim i Bohrovim stabilnim modelima "stojećih vala". Elektroni mogu "skakati" s ljuske na ljusku, ali ne mogu postojati između njih.

Glavni kvantni broj mora biti pozitivan cijeli broj (veći ili jednak 1). Drugim riječima, glavni kvantni broj elektrona ne može biti 1/2 ili -3. Ovi cijeli brojevi nisu odabrani proizvoljno, već putem eksperimentalnih dokaza svjetlosnog spektra: različite frekvencije (boje) svjetlosti koju emitiraju pobuđeni atomi vodika slijede matematički odnos ovisno o specifičnim cjelobrojnim vrijednostima, kao što je prikazano na donjoj slici.

Svaka ljuska ima sposobnost zadržavanja više elektrona. Analogija za elektronske školjke su koncentrični redovi sjedala u amfiteatru. Kao što osoba koja sjedi u amfiteatru mora odabrati red za sjedenje (ne može sjediti između redova), elektroni moraju "odabrati" određenu ljusku da bi "sjeli". Poput redova u amfiteatru, vanjske ljuske drže više elektrona od školjki bliže središtu. Također, elektroni teže pronaći najmanju dostupnu školjku, baš kao što ljudi u amfiteatru traže mjesto najbliže središnjoj pozornici. Što je veći broj ljuske, to više energije imaju elektroni na njoj.

Maksimalni broj elektrona koji svaka ljuska može zadržati opisan je jednadžbom 2n 2 , gdje je n glavni kvantni broj. Dakle, prva ljuska (n = 1) može sadržavati 2 elektrona; druga ljuska (n = 2) - 8 elektrona; i treća ljuska (n = 3) - 18 elektrona (slika ispod).

Glavni kvantni broj n i maksimalni broj elektrona povezani su formulom 2(n 2). Orbite nisu u mjerilu.

Elektronske ljuske u atomu bile su označene slovima, a ne brojevima. Prva ljuska (n = 1) označena je K, druga ljuska (n = 2) L, treća školjka (n = 3) M, četvrta školjka (n = 4) N, peta školjka (n = 5) O, šesta ljuska (n = 6) P, a sedma ljuska (n = 7) B.

Orbitalni (azimutski) kvantni broj: ljuska sastavljena od podljuska. Nekima će možda biti prikladnije razmišljati o podljuskama kao o jednostavnim dijelovima školjki, poput traka koje dijele cestu. Podljuske su mnogo čudnije. Podljuske su područja prostora u kojima mogu postojati elektronski "oblaci", a zapravo različite podljuske imaju različite oblike. Prva podljuska je u obliku kugle (slika ispod (s)), što ima smisla kada se vizualizira kao oblak elektrona koji okružuje jezgru atoma u tri dimenzije.

Druga podljuska podsjeća na bučicu, koja se sastoji od dvije "latice" povezane u jednoj točki blizu središta atoma (slika ispod (p)).

Treća podljuska obično nalikuje skupu od četiri "latice" skupljene oko jezgre atoma. Ovi oblici podljuske nalikuju grafičkim prikazima antenskih uzoraka s lukučastim režnjevima koji se protežu od antene u različitim smjerovima (slika ispod (d)).

orbitale:
(s) trostruka simetrija;
(p) Prikazano: p x , jedna od tri moguće orijentacije (p x , p y , p z), duž odgovarajućih osi;
(d) Prikazano: d x 2 -y 2 je sličan d xy , d yz , d xz . Prikazano: d z 2 . Broj mogućih d-orbitala: pet.

Važeće vrijednosti za orbitalni kvantni broj su pozitivni cijeli brojevi, kao i za glavni kvantni broj, ali također uključuju nulu. Ovi kvantni brojevi za elektrone označeni su slovom l. Broj podljuska jednak je glavnom kvantnom broju ljuske. Dakle, prva ljuska (n = 1) ima jednu podljusku s brojem 0; druga ljuska (n = 2) ima dvije podljuske označene brojevima 0 i 1; treća ljuska (n = 3) ima tri podljuske označene brojevima 0, 1 i 2.

Stara konvencija podljuske koristila je slova umjesto brojeva. U ovom formatu prva podljuska (l = 0) označena je s, druga podljuska (l = 1) označena je s p, treća podljuska (l = 2) označena je s d, a četvrta podljuska (l = 3) je označeno f. Slova su nastala od riječi: oštar, glavni, difuzno i Temeljno. Još uvijek možete vidjeti ove oznake u mnogim periodnim tablicama koje se koriste za označavanje elektronske konfiguracije vanjskog ( valencija) ljuske atoma.

(a) Bohrov prikaz atoma srebra,
(b) Orbitalni prikaz Ag s podjelom ljuski na podljuske (orbitalni kvantni broj l).
Ovaj dijagram ne implicira ništa o stvarnom položaju elektrona, već samo predstavlja razine energije.

Magnetski kvantni broj: Magnetski kvantni broj za elektron klasificira orijentaciju figure podljuske elektrona. "Latice" podljuske mogu se usmjeriti u nekoliko smjerova. Te različite orijentacije nazivaju se orbitale. Za prvu podljusku (s; l = 0), koja nalikuje kugli, "smjer" nije naveden. Za drugu (p; l = 1) podljusku u svakoj ljusci koja podsjeća na bučicu koja pokazuje u tri moguća smjera. Zamislite tri bučice koje se sijeku u ishodištu, a svaka pokazuje duž svoje osi u troosnom koordinatnom sustavu.

Važeće vrijednosti za dati kvantni broj sastoje se od cijelih brojeva u rasponu od -l do l, a ovaj broj je označen kao m l u atomskoj fizici i z u nuklearnoj fizici. Da biste izračunali broj orbitala u bilo kojoj podljusci, trebate udvostručiti broj podljuske i dodati 1, (2∙l + 1). Na primjer, prva podljuska (l = 0) u bilo kojoj ljusci sadrži jednu orbitalu s brojem 0; druga podljuska (l = 1) u bilo kojoj ljusci sadrži tri orbitale s brojevima -1, 0 i 1; treća podljuska (l = 2) sadrži pet orbitala s brojevima -2, -1, 0, 1 i 2; itd.

Kao i glavni kvantni broj, magnetski kvantni broj proizašao je izravno iz eksperimentalnih podataka: Zeemanovog efekta, razdvajanja spektralnih linija izlaganjem ioniziranog plina magnetskom polju, otuda i naziv "magnetski" kvantni broj.

Spin kvantni broj: kao i magnetski kvantni broj, ovo svojstvo elektrona atoma otkriveno je eksperimentima. Pažljivo promatranje spektralnih linija pokazalo je da je svaka linija zapravo par vrlo blisko razmaknutih linija, sugerirano je da je ova tzv. fina struktura bio je rezultat "vrtenja" svakog elektrona oko svoje osi, poput planeta. Elektroni s različitim "spinovima" davali bi malo različite frekvencije svjetlosti kada su uzbuđeni. Koncept rotirajućih elektrona sada je zastario, prikladniji je za (netočan) pogled na elektrone kao na pojedinačne čestice materije, a ne kao na "oblake", ali ime je ostalo.

Spin kvantni brojevi se označavaju kao m s u atomskoj fizici i sz u nuklearnoj fizici. Svaka orbitala u svakoj podljusci može imati dva elektrona u svakoj ljusci, jedan sa spinom +1/2, a drugi sa spinom -1/2.

Fizičar Wolfgang Pauli razvio je princip koji objašnjava poredak elektrona u atomu prema tim kvantnim brojevima. Njegov princip, tzv Paulijev princip isključenja, navodi da dva elektrona u istom atomu ne mogu zauzimati ista kvantna stanja. To jest, svaki elektron u atomu ima jedinstveni skup kvantnih brojeva. To ograničava broj elektrona koji mogu zauzeti bilo koju orbitalu, podljusku i ljusku.

Ovo pokazuje raspored elektrona u atomu vodika:

S jednim protonom u jezgri, atom prihvaća jedan elektron za svoju elektrostatičku ravnotežu (pozitivni naboj protona točno je uravnotežen negativnim nabojem elektrona). Ovaj elektron je u donjoj ljusci (n = 1), prvoj podljusci (l = 0), u jedinoj orbitali (prostornoj orijentaciji) ove podljuske (m l = 0), s vrijednošću spina 1/2. Opća metoda opisivanja ove strukture je nabrajanje elektrona prema njihovim ljuskama i podljuskama, prema konvenciji tzv. spektroskopska notacija. U ovoj notaciji, broj ljuske prikazan je kao cijeli broj, podljuska kao slovo (s,p,d,f), a ukupan broj elektrona u podljusci (sve orbitale, svi spinovi) kao superscript. Dakle, vodik, sa svojim jednim elektronom smještenim na baznoj razini, opisuje se kao 1s 1 .

Prelazeći na sljedeći atom (redom atomskog broja), dobivamo element helij:

Atom helija ima dva protona u svojoj jezgri, što zahtijeva dva elektrona da uravnoteže dvostruki pozitivni električni naboj. Budući da su dva elektrona - jedan sa spinom 1/2, a drugi sa spinom -1/2 - u istoj orbitali, elektronska struktura helija ne zahtijeva dodatne podljuske ili ljuske za držanje drugog elektrona.

Međutim, atom koji zahtijeva tri ili više elektrona trebat će dodatne podljuske da zadrži sve elektrone, budući da samo dva elektrona mogu biti na donjoj ljusci (n = 1). Razmotrimo sljedeći atom u slijedu rastućih atomskih brojeva, litij:

Atom litija koristi dio kapacitivnosti L ljuske (n = 2). Ova ljuska zapravo ima ukupan kapacitet od osam elektrona (maksimalni kapacitet ljuske = 2n 2 elektrona). Ako razmotrimo strukturu atoma s potpuno ispunjenom L ljuskom, vidimo kako su sve kombinacije podljuska, orbitala i spinova zauzete elektronima:

Često, kada se atomu dodjeljuje spektroskopska oznaka, sve potpuno ispunjene ljuske se preskaču, a neispunjene ljuske i ljuske ispunjene najviše razine se označavaju. Na primjer, element neon (prikazan na gornjoj slici), koji ima dvije potpuno ispunjene ljuske, može se spektralno opisati jednostavno kao 2p 6, a ne kao 1s 22 s 22 p 6 . Litij, sa svojom potpuno ispunjenom K ljuskom i jednim elektronom u L ljusci, može se jednostavno opisati kao 2s 1 umjesto 1s 22 s 1 .

Izostavljanje potpuno popunjenih ljuski niže razine nije samo radi praktičnosti označavanja. Također ilustrira osnovno načelo kemije: kemijsko ponašanje elementa prvenstveno je određeno njegovim neispunjenim ljuskama. I vodik i litij imaju jedan elektron na svojim vanjskim ljuskama (kao 1 i 2s 1, respektivno), odnosno, oba elementa imaju slična svojstva. Oba su vrlo reaktivna i reagiraju na gotovo identičan način (vežu se na slične elemente pod sličnim uvjetima). Nije bitno što litij ima potpuno napunjenu K-ljusku ispod gotovo slobodnog L-ljuske: neispunjena L-ljuska je ona koja određuje njegovo kemijsko ponašanje.

Elementi koji imaju potpuno ispunjene vanjske ljuske klasificiraju se kao plemeniti i karakterizira ih gotovo potpuni nedostatak reakcije s drugim elementima. Ti su elementi klasificirani kao inertni kada se smatralo da uopće ne reagiraju, ali je poznato da tvore spojeve s drugim elementima pod određenim uvjetima.

Budući da elementi s istom konfiguracijom elektrona u svojim vanjskim ljuskama imaju slična kemijska svojstva, Dmitrij Mendeljejev je prema tome organizirao kemijske elemente u tablicu. Ova tablica je poznata kao , a moderne tablice slijede ovaj opći izgled, prikazan na donjoj slici.

Periodni sustav kemijskih elemenata

Dmitrij Mendeljejev, ruski kemičar, prvi je razvio periodni sustav elemenata. Iako je Mendeljejev organizirao svoju tablicu prema atomskoj masi, a ne atomskom broju, i stvorio tablicu koja nije bila toliko korisna kao moderni periodični sustavi, njegov razvoj je izvrstan primjer znanstvenog dokaza. Vidjevši obrasce periodičnosti (slična kemijska svojstva prema atomskoj masi), Mendeljejev je pretpostavio da se svi elementi moraju uklopiti u ovaj uređeni obrazac. Kada je otkrio "prazna" mjesta u tablici, slijedio je logiku postojećeg poretka i pretpostavio postojanje još nepoznatih elemenata. Naknadno otkriće ovih elemenata potvrdilo je znanstvenu ispravnost Mendeljejevljeve hipoteze, daljnja otkrića dovela su do oblika periodnog sustava koji sada koristimo.

Kao ovo trebao bi znanost o radu: hipoteze vode do logičnih zaključaka i prihvaćaju se, mijenjaju ili odbacuju ovisno o dosljednosti eksperimentalnih podataka s njihovim zaključcima. Svaka budala može formulirati hipotezu nakon činjenice kako bi objasnila dostupne eksperimentalne podatke, a mnogi to i čine. Ono što razlikuje znanstvenu hipotezu od post hoc spekulacije je predviđanje budućih eksperimentalnih podataka koji još nisu prikupljeni, a moguće i pobijanje tih podataka kao rezultat. Hrabro dovedite hipotezu do njezina logičnog zaključka(a) i pokušaj predviđanja rezultata budućih eksperimenata nije dogmatski skok vjere, već prije javna provjera ove hipoteze, otvoreni izazov protivnicima hipoteze. Drugim riječima, znanstvene hipoteze su uvijek "rizične" zbog pokušaja predviđanja rezultata pokusa koji još nisu napravljeni, pa se stoga mogu krivotvoriti ako eksperimenti ne idu kako se očekivalo. Dakle, ako hipoteza ispravno predviđa rezultate ponovljenih eksperimenata, ona je opovrgnuta.

Kvantna mehanika, prvo kao hipoteza, a potom i kao teorija, pokazala se iznimno uspješnom u predviđanju rezultata eksperimenata, te je stoga dobila visok stupanj znanstvenog kredibiliteta. Mnogi znanstvenici imaju razloga vjerovati da se radi o nepotpunoj teoriji, budući da su njezina predviđanja vjerodostojnija na mikrofizičkim razmjerima nego na makroskopskim, no unatoč tome, to je iznimno korisna teorija za objašnjenje i predviđanje interakcije čestica i atoma.

Kao što ste vidjeli u ovom poglavlju, kvantna fizika je neophodna u opisivanju i predviđanju mnogih različitih fenomena. U sljedećem odjeljku vidjet ćemo njegov značaj u električnoj vodljivosti čvrstih tijela, uključujući i poluvodiče. Jednostavno rečeno, ništa u kemiji ili fizici čvrstog stanja nema smisla u popularnoj teorijskoj strukturi elektrona koji postoje kao pojedinačne čestice materije koje kruže oko jezgre atoma poput minijaturnih satelita. Kada se elektroni promatraju kao "valne funkcije" koje postoje u određenim, diskretnim stanjima koja su redovita i periodična, tada se može objasniti ponašanje materije.

Sumirati

Elektroni u atomima postoje u "oblacima" distribuirane vjerojatnosti, a ne kao diskretne čestice materije koje se okreću oko jezgre, poput minijaturnih satelita, kao što pokazuju uobičajeni primjeri.

Pojedinačni elektroni oko jezgre atoma teže jedinstvenim "stanjima" opisanim s četiri kvantna broja: glavni (radijalni) kvantni broj, poznat kao ljuska; orbitalni (azimutski) kvantni broj, poznat kao podljuska; magnetski kvantni broj opisivanje orbitalni(orijentacija podljuske); i spin kvantni broj, ili jednostavno vrtjeti. Ta stanja su kvantna, odnosno "između njih" ne postoje uvjeti za postojanje elektrona, osim stanja koja se uklapaju u shemu kvantne numeracije.

Glanoe (radijalni) kvantni broj (n) opisuje baznu razinu ili ljusku u kojoj se nalazi elektron. Što je ovaj broj veći, to je veći polumjer elektronskog oblaka od jezgre atoma i veća je energija elektrona. Glavni kvantni brojevi su cijeli brojevi (pozitivni cijeli brojevi)

Orbitalni (azimutalni) kvantni broj (l) opisuje oblik elektronskog oblaka u određenoj ljusci ili razini i često je poznat kao "podljuska". U bilo kojoj ljusci postoji onoliko podljuska (oblika elektronskog oblaka) koliko je glavni kvantni broj ljuske. Azimutalni kvantni brojevi su pozitivni cijeli brojevi koji počinju od nule i završavaju brojem manjim od glavnog kvantnog broja za jedan (n - 1).

Magnetski kvantni broj (m l) opisuje kakvu orijentaciju ima podljuska (oblik elektronskog oblaka). Podljuske mogu imati onoliko različitih orijentacija koliko je dvostruko veći broj podljuske (l) plus 1, (2l+1) (to jest, za l=1, m l = -1, 0, 1), a svaka jedinstvena orijentacija naziva se orbitala . Ovi brojevi su cijeli brojevi počevši od negativne vrijednosti broja podljuske (l) do 0 i završavajući pozitivnom vrijednošću broja podljuske.

Spin kvantni broj (m s) opisuje još jedno svojstvo elektrona i može imati vrijednosti +1/2 i -1/2.

Paulijev princip isključenja kaže da dva elektrona u atomu ne mogu dijeliti isti skup kvantnih brojeva. Prema tome, u svakoj orbitali može biti najviše dva elektrona (spin=1/2 i spin=-1/2), 2l+1 orbitala u svakoj podljusci i n podljuska u svakoj ljusci, i ne više.

Spektroskopska notacija je konvencija za elektroničku strukturu atoma. Školjke su prikazane kao cijeli brojevi, nakon kojih slijede slova podljuske (s, p, d, f) s brojevima koji označavaju ukupan broj elektrona koji se nalaze u svakoj dotičnoj podljusci.

Kemijsko ponašanje atoma određeno je isključivo elektronima u neispunjenim ljuskama. Školjke niske razine koje su potpuno ispunjene imaju mali ili nikakav učinak na kemijske karakteristike vezivanja elemenata.

Elementi s potpuno ispunjenim elektronskim ljuskama gotovo su potpuno inertni i nazivaju se plemenita elementi (ranije poznati kao inertni).