A kvantumfizika lényege. A kvantumfizika alapjai öt kísérletben „bábukkal”

A fizika minden tudomány közül a legtitokzatosabb. A fizika segítségével megértjük a minket körülvevő világot. A fizika törvényei abszolút érvényűek, és kivétel nélkül mindenkire érvényesek, személytől és társadalmi helyzettől függetlenül.

Ez a cikk 18 éven felülieknek szól.

18 éves vagy már?

A kvantumfizika alapvető felfedezései

Isaac Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein és még sokan mások az emberiség nagyszerű vezetői a fizika csodálatos világában, akik prófétákhoz hasonlóan felfedték az emberiségnek a világegyetem legnagyobb titkait és a fizikai jelenségek irányításának képességét. Fényes fejük átvágott az ésszerűtlen többség tudatlanságának sötétségén, és mint egy vezércsillag, utat mutattak az emberiségnek az éjszaka sötétjében. A fizika világában az egyik ilyen vezető Max Planck volt, a kvantumfizika atyja.

Max Planck nemcsak a kvantumfizika megalapítója, hanem a világhírű kvantumelmélet szerzője is. A kvantumelmélet a kvantumfizika legfontosabb alkotóeleme. Egyszerűen fogalmazva, ez az elmélet a mikrorészecskék mozgását, viselkedését és kölcsönhatását írja le. A kvantumfizika megalapítója sok más tudományos munkát is hozott nekünk, amelyek a modern fizika sarokköveivé váltak:

• a hősugárzás elmélete;
• speciális relativitáselmélet;
• kutatás a termodinamika területén;
• kutatás az optika területén.

A kvantumfizika elmélete a mikrorészecskék viselkedéséről és kölcsönhatásáról a kondenzált anyag fizika, az elemi részecskefizika és a nagy energiájú fizika alapja lett. A kvantumelmélet világunk számos jelenségének lényegét magyarázza meg nekünk – az elektronikus számítógépek működésétől az égitestek szerkezetéig és viselkedéséig. Max Planck, az elmélet megalkotója felfedezésének köszönhetően lehetővé tette számunkra, hogy az elemi részecskék szintjén megértsük sok dolog valódi lényegét. De ennek az elméletnek a megalkotása messze nem a tudós egyetlen érdeme. Ő volt az első, aki felfedezte a világegyetem alaptörvényét – az energiamegmaradás törvényét. Max Planck tudományhoz való hozzájárulását nehéz túlbecsülni. Röviden: felfedezései felbecsülhetetlenek a fizika, a kémia, a történelem, a módszertan és a filozófia számára.

kvantumtér elmélet

Dióhéjban a kvantumtérelmélet a mikrorészecskék leírásának elmélete, valamint a térben való viselkedésük, az egymással való kölcsönhatás és a kölcsönös átalakulások. Ez az elmélet a kvantumrendszerek viselkedését vizsgálja az úgynevezett szabadsági fokokon belül. Ez a gyönyörű és romantikus név sokunk számára semmit sem mond. A próbabábu esetében a szabadságfokok azon független koordináták száma, amelyek egy mechanikai rendszer mozgásának jelzéséhez szükségesek. Egyszerűen fogalmazva, a szabadsági fokok a mozgás jellemzői. Érdekes felfedezéseket tett Steven Weinberg az elemi részecskék kölcsönhatásának területén. Felfedezte az úgynevezett semleges áramot - a kvarkok és a leptonok közötti kölcsönhatás elvét, amelyért 1979-ben Nobel-díjat kapott.

Max Planck kvantumelmélete

A tizennyolcadik század kilencvenes éveiben Max Planck német fizikus a hősugárzás tanulmányozásával foglalkozott, és végül megkapta az energiaelosztás képletét. A tanulmányok során megszületett kvantumhipotézis a kvantumfizika, valamint az 1900. évben felfedezett kvantumtérelmélet kezdetét jelentette. Planck kvantumelmélete szerint a hősugárzás során a keletkező energia nem folyamatosan, hanem epizodikusan, kvantumszerűen bocsátódik ki és nyelődik el. Az 1900-as év, Max Planck eme felfedezésének köszönhetően, a kvantummechanika születésének éve lett. Érdemes megemlíteni Planck képletét is. Röviden a lényege a következő - a testhőmérséklet és a sugárzás arányán alapul.

Az atom szerkezetének kvantummechanikai elmélete

Az atom szerkezetének kvantummechanikai elmélete a kvantumfizika, sőt általában a fizika egyik alapvető fogalomelmélete. Ez az elmélet lehetővé teszi számunkra, hogy megértsük minden anyag szerkezetét, és felnyitja a titok fátylát afelől, hogy a dolgok valójában miből állnak. Az ezen az elméleten alapuló következtetések pedig nagyon váratlanok. Tekintsük röviden az atom szerkezetét! Tehát miből áll valójában az atom? Az atom atommagból és elektronfelhőből áll. Az atom alapja, magja magában foglalja az atom szinte teljes tömegét - több mint 99 százalékát. Az atommag mindig pozitív töltésű, és ez határozza meg azt a kémiai elemet, amelynek az atom része. Az atommagban az a legérdekesebb, hogy szinte az atom teljes tömegét tartalmazza, ugyanakkor térfogatának csak egy tízezrelékét foglalja el. Mi következik ebből? És a következtetés nagyon váratlan. Ez azt jelenti, hogy az atomban a sűrű anyag csak egy tízezrelék. És mi van minden mással? Az atomban minden más elektronfelhő.

Az elektronfelhő nem állandó, sőt, valójában nem is anyagi anyag. Az elektronfelhő csupán annak a valószínűsége, hogy elektronok jelennek meg az atomban. Vagyis az atommag csak egytízezred részét foglalja el az atomban, minden más pedig üresség. És ha figyelembe vesszük, hogy a körülöttünk lévő összes tárgy, a porrészecskéktől az égitestekig, bolygókig és csillagokig atomokból áll, kiderül, hogy valójában minden anyag több mint 99 százalékban ürességből áll. Ez az elmélet teljesen hihetetlennek tűnik, szerzője pedig legalábbis megtévedt embernek, mert a körülötte lévő dolgok szilárd konzisztenciával bírnak, súlyuk van és érezhető. Hogyan állhat ürességből? Tévedés csúszott az anyag szerkezetének ebbe az elméletébe? De itt nincs hiba.

Minden anyagi dolog csak az atomok közötti kölcsönhatás miatt tűnik sűrűnek. A dolgoknak csak az atomok közötti vonzás vagy taszítás miatt van szilárd és sűrű konzisztenciája. Ez biztosítja a vegyszerek kristályrácsának sűrűségét és keménységét, amelyből minden anyag áll. De egy érdekes pont, amikor például a környezet hőmérsékleti viszonyai megváltoznak, az atomok közötti kötések, azaz vonzásuk és taszításuk gyengülhetnek, ami a kristályrács gyengüléséhez, sőt pusztulásához vezet. Ez magyarázza az anyagok fizikai tulajdonságainak változását hevítés közben. Például, ha a vasat felmelegítik, folyékony lesz, és bármilyen alakúra formázható. A jég olvadásakor pedig a kristályrács tönkremenetele az anyag halmazállapotának megváltozásához vezet, és szilárdból folyékony lesz. Ezek egyértelmű példák az atomok közötti kötések gyengülésére, és ennek következtében a kristályrács gyengülésére vagy tönkremenetelére, és lehetővé teszik az anyag amorflá válását. Az ilyen titokzatos metamorfózisok oka pedig éppen az, hogy az anyagok csak egy tízezrelékben állnak sűrű anyagból, minden más pedig üresség.

Az anyagok pedig csak az atomok közötti erős kötések miatt tűnnek szilárdnak, amelyek gyengülésével az anyag megváltozik. Így az atom szerkezetének kvantumelmélete lehetővé teszi, hogy teljesen más szemmel tekintsünk a minket körülvevő világra.

Az atomelmélet megalapítója, Niels Bohr érdekes koncepciót terjesztett elő, miszerint az atomban lévő elektronok nem folyamatosan sugároznak energiát, hanem csak a mozgásuk pályái közötti átmenet pillanatában. Bohr elmélete segített megmagyarázni számos atomon belüli folyamatot, és áttörést hozott a kémia tudományában is, megmagyarázva a Mengyelejev által készített táblázat határait. A szerint az utolsó, időben és térben létező elem a százharminchét sorszámú, a százharmincnyolcadiktól kezdődő elemek pedig nem létezhetnek, mivel létezésük ellentmond a relativitáselméletnek. Bohr elmélete megmagyarázta az olyan fizikai jelenségek természetét is, mint az atomspektrumok.

Ezek a szabad atomok kölcsönhatási spektrumai, amelyek akkor keletkeznek, amikor energia bocsát ki közöttük. Az ilyen jelenségek jellemzőek a gáz-, gőz-halmazállapotú anyagokra és a plazmaállapotú anyagokra. Így a kvantumelmélet forradalmat hozott a fizika világában, és lehetővé tette a tudósok számára, hogy nemcsak e tudomány területén haladjanak előre, hanem számos kapcsolódó tudomány területén is: kémia, termodinamika, optika és filozófia. És lehetővé tette az emberiség számára, hogy behatoljon a dolgok természetének titkaiba.

Az emberiségnek még sok tennivalója van a tudatában, hogy felismerje az atomok természetét, megértse viselkedésük és kölcsönhatásuk elveit. Ha ezt megértjük, képesek leszünk megérteni a minket körülvevő világ természetét, mert minden, ami körülvesz minket, kezdve a porrészecskékkel és befejezve a Nappal, és mi magunk - minden atomokból áll, amelyek természete titokzatos. és csodálatos és tele van egy csomó titkával.

Sziasztok kedves olvasók. Ha nem akarsz lemaradni az életről, igazán boldog és egészséges emberré akarsz válni, ismerned kell a modern kvantumfizika titkait, legalább egy kis ötletet, hogy a világegyetem milyen mélységeibe ástak ma a tudósok. Nincs időd mély tudományos részletekbe belemenni, de csak a lényeget szeretnéd megérteni, de látni az ismeretlen világ szépségét, akkor ez a cikk: kvantumfizika hétköznapi bábuknak vagy, mondhatni, háziasszonyoknak, csak neked. Megpróbálom elmagyarázni, mi az a kvantumfizika, de egyszerű szavakkal, világosan megmutatni.

„Mi a kapcsolat a boldogság, az egészség és a kvantumfizika között?” – kérdezed.

A helyzet az, hogy segít megválaszolni számos, az emberi tudattal, a tudat testre gyakorolt ​​hatásával kapcsolatos érthetetlen kérdést. Sajnos a klasszikus fizikára támaszkodó orvostudomány nem mindig segít abban, hogy egészségesek legyünk. És a pszichológia nem tudja megfelelően megmondani, hogyan találja meg a boldogságot.

Csak a világ mélyebb ismerete segít megértenünk, hogyan lehet valóban megbirkózni a betegséggel, és hol él a boldogság. Ez a tudás az Univerzum mély rétegeiben található. A kvantumfizika segít. Hamarosan mindent tudni fogsz.

Mit tanul a kvantumfizika egyszerű szavakkal?

Igen, valóban, a kvantumfizikát nagyon nehéz megérteni, mert a mikrovilág törvényeit tanulmányozza. Vagyis a világ a mélyebb rétegeiben, nagyon kis távolságokban, ahová nagyon nehéz ránézni az embernek.

A világ pedig, mint kiderült, ott nagyon furcsán, sejtelmesen és érthetetlenül viselkedik, nem úgy, ahogy azt megszoktuk.

Innen ered a kvantumfizika minden bonyolultsága és félreértése.

De miután elolvasta ezt a cikket, kibővíti tudásának látókörét, és teljesen másképp tekint a világra.

Röviden a kvantumfizika történetéről

Az egész a 20. század elején kezdődött, amikor a newtoni fizika sok mindent nem tudott megmagyarázni, és a tudósok zsákutcába jutottak. Aztán Max Planck bevezette a kvantum fogalmát. Albert Einstein felvette ezt az ötletet, és bebizonyította, hogy a fény nem folyamatosan terjed, hanem részletekben - kvantumokban (fotonokban). Ezt megelőzően azt hitték, hogy a fénynek hullámtermészete van.

De mint később kiderült, bármely elemi részecske nemcsak kvantum, azaz szilárd részecske, hanem hullám is. Így jelent meg a kvantumfizikában a korpuszkuláris-hullám dualizmus, az első paradoxon és a mikrovilág rejtélyes jelenségei felfedezésének kezdete.

A legérdekesebb paradoxonok akkor kezdődtek, amikor elvégezték a híres kétrés kísérletet, ami után a rejtélyek sokkal többé váltak. Elmondhatjuk, hogy a kvantumfizika vele kezdődött. Vessünk egy pillantást rá.

Kettős rés kísérlet a kvantumfizikában

Képzeljen el egy tányért, amelynek két nyílása van függőleges csíkok formájában. A lemez mögé egy képernyőt helyezünk. Ha a fényt a lemezre irányítjuk, interferenciamintát fogunk látni a képernyőn. Vagyis váltakozó sötét és világos függőleges csíkok. Az interferencia valaminek, esetünkben a fénynek a hullámviselkedésének az eredménye.

Ha vízhullámot vezet át két egymás mellett található lyukon, megérti, mi az interferencia. Vagyis a fényről kiderül, hogy hullámtermészetű. De ahogy a fizika, vagy inkább Einstein bebizonyította, fotonrészecskék terjesztik. Már paradoxon. De nem baj, a korpuszkuláris-hullám dualizmus már nem fog minket meglepni. A kvantumfizika azt mondja, hogy a fény hullámként viselkedik, de fotonokból áll. De a csodák még csak most kezdődnek.

Tegyünk egy pisztolyt egy két réses lemez elé, ami nem fényt, hanem elektronokat bocsát ki. Kezdjük el lőni az elektronokat. Mit fogunk látni a képernyőn a lemez mögött?

Végtére is, az elektronok részecskék, ami azt jelenti, hogy az elektronok áramlása két résen áthaladva csak két csíkot hagyhat a képernyőn, két nyomot a résekkel szemben. Elképzelted, hogy kavicsok repülnek át két nyíláson, és elérik a képernyőt?

De mit látunk valójában? Mind ugyanaz az interferencia minta. Mi a következtetés: az elektronok hullámokban terjednek. Tehát az elektronok hullámok. De végül is ez egy elemi részecske. Ismét a korpuszkuláris-hullám dualizmus a fizikában.

De feltételezhetjük, hogy mélyebb szinten az elektron egy részecske, és amikor ezek a részecskék összeérnek, hullámként kezdenek viselkedni. Például a tenger hulláma hullám, de vízcseppekből, kisebb szinten pedig molekulákból, majd atomokból áll. Oké, a logika szilárd.

Akkor fegyverből ne elektronárammal lőjünk, hanem külön engedjük el az elektronokat, bizonyos idő elteltével. Mintha nem tengerhullámon haladnánk át a repedéseken, hanem egy-egy gyermek vízipisztolyból köpködnénk az egyes cseppeket.

Teljesen logikus, hogy ebben az esetben különböző vízcseppek esnek különböző nyílásokba. A lemez mögötti képernyőn nem a hullám okozta interferencia-mintázatot lehetett látni, hanem két különálló becsapódási peremet minden réssel szemben. Ugyanezt fogjuk látni, ha kis köveket dobunk, ezek két résen átrepülve nyomot hagynának, akár két lyukból az árnyék. Lőjünk most ki egyes elektronokat, hogy lássuk ezt a két csíkot a képernyőn az elektronok becsapódásából. Elengedték az egyiket, vártak, a másodikat, vártak, és így tovább. A kvantumfizikusoknak sikerült ilyen kísérletet végezniük.

De horror. E két perem helyett több perem azonos interferencia váltakozását kapjuk. Hogy hogy? Ez akkor fordulhat elő, ha egy elektron egyszerre két résen repül át, de a lemez mögött, mint egy hullám, önmagával ütközik és interferál. De ez nem lehet, mert egy részecske nem lehet egyszerre két helyen. Vagy átrepül az első nyíláson, vagy a másodikon.

Itt kezdődnek a kvantumfizika igazán fantasztikus dolgai.

Szuperpozíció a kvantumfizikában

Mélyebb elemzéssel a tudósok rájönnek, hogy bármely elemi kvantumrészecske vagy ugyanaz a fény (foton) valójában több helyen is lehet egyszerre. És ezek nem csodák, hanem a mikrokozmosz valós tényei. Ezt mondja a kvantumfizika. Ezért látjuk az interferencia eredményét, amikor egy ágyúból külön részecskét lőnek ki. A lemez mögött az elektron önmagával ütközik, és interferenciamintát hoz létre.

A makrokozmosz közönséges objektumai mindig egy helyen vannak, egy állapotuk van. Például Ön most egy széken ül, súlya mondjuk 50 kg, pulzusszáma 60 ütés percenként. Természetesen ezek a jelzések változni fognak, de egy idő után megváltoznak. Hiszen nem lehet egyszerre otthon és a munkahelyén 50 és 100 kg súlyú. Mindez érthető, ez a józan ész.

A mikrokozmosz fizikájában minden más.

A kvantummechanika azt állítja, és ezt már kísérletileg is megerősítették, hogy bármely elemi részecske nemcsak a tér több pontján lehet egyszerre, hanem több állapota is lehet egyidejűleg, például spin.

Mindez nem fér bele a fejbe, aláássa a megszokott világképzetet, a fizika régi törvényeit, megfordítja a gondolkodást, nyugodtan mondhatjuk, hogy megőrjít.

Így értjük meg a „szuperpozíció” kifejezést a kvantummechanikában.

A szuperpozíció azt jelenti, hogy a mikrokozmosz egy objektuma egyszerre lehet a tér különböző pontjain, és egyszerre több állapota is lehet. És ez normális az elemi részecskék esetében. Ilyen a mikrovilág törvénye, bármilyen furcsának és fantasztikusnak is tűnik.

Meglepődsz, de ezek csak virágok, a kvantumfizika legmegmagyarázhatatlanabb csodái, rejtélyei és paradoxonai még váratnak magukra.

A hullámfüggvény összeomlása a fizikában leegyszerűsítve

Aztán a tudósok úgy döntöttek, hogy kiderítik és pontosabban megvizsgálják, hogy az elektron valóban áthalad-e mindkét résen. Hirtelen átmegy egy résen, majd valahogy elválik, és interferenciamintát hoz létre, ahogy áthalad. Hát, sosem lehet tudni. Vagyis a rés közelébe kell helyezni valami eszközt, amely pontosan rögzíti az elektron áthaladását rajta. Alig van szó, mint kész. Ezt persze nehéz megvalósítani, nem eszköz kell, hanem valami más, hogy lássuk az elektron áthaladását. De a tudósok megtették.

De végül az eredmény mindenkit megdöbbentett.

Amint elkezdjük nézni, hogy melyik résen halad át egy elektron, nem hullámként kezd viselkedni, nem úgy, mint egy furcsa anyag, amely egyszerre a tér különböző pontjain található, hanem mint egy közönséges részecske. Vagyis elkezdi mutatni a kvantum sajátos tulajdonságait: csak egy helyen található, egy résen halad át, egy spin értéke van. A képernyőn nem interferenciaminta jelenik meg, hanem egy egyszerű nyom a réssel szemben.

De hogyan lehetséges ez. Mintha az elektron viccelne, játszana velünk. Eleinte úgy viselkedik, mint egy hullám, majd miután úgy döntöttünk, hogy megnézzük a résen való áthaladását, a szilárd részecske tulajdonságait mutatja, és csak egy résen halad át. De ez így van a mikrokozmoszban. Ezek a kvantumfizika törvényei.

A tudósok az elemi részecskék egy másik rejtélyes tulajdonságát is felfedezték. Így jelent meg a kvantumfizikában a hullámfüggvény bizonytalanságának és összeomlásának fogalma.

Amikor egy elektron a rés felé repül, határozatlan állapotban van, vagy ahogy fentebb mondtuk, szuperpozícióban van. Vagyis hullámként viselkedik, egyszerre található a tér különböző pontjain, két spinértéke van (a spinnek csak két értéke van). Ha nem nyúlunk hozzá, nem próbáljuk megnézni, nem derítjük ki, hogy pontosan hol van, ha nem mérjük meg a forgásának értékét, hullámként repül át két résen egyidejűleg, ami azt jelenti, hogy interferenciamintát hozna létre. A kvantumfizika a hullámfüggvény segítségével írja le pályáját és paramétereit.

Miután elvégeztük a mérést (és a mikrovilág egy részecskéjét csak úgy lehet mérni, ha kölcsönhatásba lépünk vele, pl. úgy, hogy egy másik részecskét ütközünk vele), akkor a hullámfüggvény összeomlik.

Vagyis most az elektron pontosan egy helyen van a térben, egy spinértéke van.

Mondhatjuk, hogy egy elemi részecske olyan, mint egy szellem, úgy tűnik, hogy létezik, ugyanakkor nincs egy helyen, és bizonyos valószínűséggel bárhol lehet a hullámfüggvény leírásán belül. Ám amint kapcsolatba lépünk vele, kísérteties tárgyból valóságos, kézzelfogható szubsztanciává válik, amely úgy viselkedik, mint a klasszikus világ számunkra ismerős tárgyai.

„Ez fantasztikus” – mondod. Persze, de a kvantumfizika csodái még csak most kezdődnek. A leghihetetlenebb még hátravan. De tartsunk egy kis szünetet a rengeteg információval, és térjünk vissza a kvantumkalandokhoz máskor, egy másik cikkben. Addig is gondold át a ma tanultakat. Mihez vezethetnek az ilyen csodák? Hiszen körülvesznek bennünket, ez a mi világunk sajátja, igaz, mélyebb szinten. Még mindig azt gondoljuk, hogy unalmas világban élünk? De a következtetéseket később vonjuk le.

Igyekeztem röviden és érthetően beszélni a kvantumfizika alapjairól.

De ha valamit nem értesz, akkor nézd meg ezt a rajzfilmet a kvantumfizikáról, a két réssel végzett kísérletről, ott is minden el van mondva érthető, egyszerű nyelven.

Rajzfilm a kvantumfizikáról:

Vagy megnézheti ezt a videót, minden a helyére kerül, a kvantumfizika nagyon érdekes.

Videó a kvantumfizikáról:

Hogy nem tudtál erről korábban?

A kvantumfizika modern felfedezései megváltoztatják ismerős anyagi világunkat.

Üdvözöljük a blogon! nagyon örülök neked!

Bizonyára sokszor hallottad a kvantumfizika és a kvantummechanika megmagyarázhatatlan rejtélyeiről. Törvényei lenyűgözik a misztikát, és még maguk a fizikusok is elismerik, hogy nem értik őket teljesen. Egyrészt kíváncsi ezeknek a törvényszerűségeknek a megértése, másrészt viszont nincs idő többkötetes és összetett fizikális könyvek olvasására. Nagyon megértelek, mert én is szeretem a tudást és az igazság keresését, de sajnos nincs elég idő minden könyvre. Nem vagy egyedül, sok érdeklődő beírja a keresőbe: „kvantumfizika babáknak, kvantummechanika bábuknak, kvantumfizika kezdőknek, kvantummechanika kezdőknek, kvantumfizika alapjai, kvantummechanika alapjai, kvantumfizika gyerekeknek, mi a kvantummechanika". Ez a bejegyzés neked szól.

Meg fogod érteni a kvantumfizika alapfogalmait és paradoxonjait. A cikkből megtudhatja:

• Mi az interferencia?
• Mi a spin és a szuperpozíció?
• Mi az a "mérés" vagy "hullámfunkció összeomlás"?
• Mi az a kvantum-összefonódás (vagy kvantumteleportáció bábuknál)? (lásd a cikket)
• Mi a Schrödinger macskája gondolatkísérlet? (lásd a cikket)

Mi a kvantumfizika és a kvantummechanika?

A kvantummechanika a kvantumfizika része.

Miért olyan nehéz megérteni ezeket a tudományokat? A válasz egyszerű: a kvantumfizika és a kvantummechanika (a kvantumfizika része) a mikrovilág törvényeit tanulmányozza. És ezek a törvények teljesen különböznek makrokozmoszunk törvényeitől. Ezért nehéz elképzelnünk, mi történik az elektronokkal és fotonokkal a mikrokozmoszban.

Példa a makro- és mikrovilág törvényei közötti különbségre: a mi makrokozmoszunkban, ha egy labdát teszel a 2 doboz egyikébe, akkor az egyik üres lesz, a másik pedig egy labda. De a mikrokozmoszban (ha labda helyett atom van) egy atom egyszerre lehet két dobozban. Ezt kísérletileg többször is megerősítették. Nem nehéz a fejedbe venni? De a tényekkel nem lehet vitatkozni.

Még egy példa. Egy gyors versenyautót fotóztál le, és a képen egy elmosódott vízszintes csíkot látsz, mintha az autó a fényképezés pillanatában a tér több pontjáról származott volna. Annak ellenére, amit a képen lát, még mindig biztos abban, hogy az autó abban a pillanatban volt, amikor fényképezte. egy adott helyen a térben. Nem úgy a mikrovilágban. Az atommag körül keringő elektron valójában nem kering, hanem a gömb minden pontján egyidejűleg helyezkedik el az atommag körül. Mint egy lazán feltekert bolyhos gyapjúgolyó. Ezt a fogalmat a fizikában ún "elektronikus felhő" .

Egy kis kitérő a történelembe. A tudósok először akkor gondoltak a kvantumvilágra, amikor 1900-ban Max Planck német fizikus megpróbálta kideríteni, miért változtatják meg a fémek színét hevítés hatására. Ő vezette be a kvantum fogalmát. Ezt megelőzően a tudósok úgy gondolták, hogy a fény folyamatosan terjed. Az első ember, aki komolyan vette Planck felfedezését, az akkor még ismeretlen Albert Einstein volt. Rájött, hogy a fény nem csak hullám. Néha úgy viselkedik, mint egy részecske. Einstein Nobel-díjat kapott annak felfedezéséért, hogy a fényt részekben, kvantumokban bocsátják ki. A fénykvantumot fotonnak nevezzük ( foton, Wikipédia) .

A kvantumtörvények könnyebb megértése érdekében fizikaés mechanika (Wikipédia), bizonyos értelemben elvonatkoztatni kell a klasszikus fizika számunkra ismert törvényeitől. És képzeld el, hogy Alice-hez hasonlóan leugrottál a nyúlüregbe, Csodaországba.

És itt van egy rajzfilm gyerekeknek és felnőtteknek. A kvantummechanika alapvető kísérletéről beszél 2 réssel és egy megfigyelővel. Csak 5 percig tart. Nézze meg, mielőtt belemerül a kvantumfizika alapvető kérdéseibe és fogalmaiba.

Kvantumfizika bábukhoz videó. A rajzfilmben figyeljen a megfigyelő "szemére". Komoly rejtélysé vált a fizikusok számára.

Mi az interferencia?

A rajzfilm elején egy folyadék példáján bemutatták, hogyan viselkednek a hullámok - váltakozó sötét és világos függőleges csíkok jelennek meg a képernyőn egy résekkel ellátott lemez mögött. És abban az esetben, ha diszkrét részecskéket (például kavicsokat) „lövetnek” a lemezre, ezek 2 résen keresztül repülnek, és közvetlenül a résekkel szemben találják el a képernyőt. És csak 2 függőleges csíkot "rajzolj" a képernyőre.

Fény interferencia- ez a fény "hullámos" viselkedése, amikor sok váltakozó világos és sötét függőleges csík jelenik meg a képernyőn. És azok a függőleges csíkok interferenciamintának nevezzük.

Makrokozmoszunkban gyakran megfigyeljük, hogy a fény hullámként viselkedik. Ha a gyertya elé teszi a kezét, akkor a falon nem lesz tiszta árnyék a kéztől, hanem elmosódott kontúrokkal.

Szóval, ez nem olyan nehéz! Ma már teljesen világos számunkra, hogy a fénynek hullámtermészete van, és ha 2 rést megvilágítunk fénnyel, akkor a mögöttük lévő képernyőn interferenciamintát fogunk látni. Most nézzük a 2. kísérletet. Ez a híres Stern-Gerlach kísérlet (amelyet a múlt század 20-as éveiben végeztek).

A rajzfilmben leírt installációban nem fénnyel világítottak, hanem elektronokkal (mint különálló részecskékkel) „lőttek”. Aztán a múlt század elején a fizikusok szerte a világon úgy vélték, hogy az elektronok az anyag elemi részecskéi, és nem hullámtermészetüknek kell lenniük, hanem ugyanolyannak kell lenniük, mint a kavicsoknak. Végül is az elektronok az anyag elemi részecskéi, nem? Vagyis ha 2 résbe „dobják”, mint a kavicsok, akkor a nyílások mögötti képernyőn 2 függőleges csíkot kell látnunk.

De… az eredmény lenyűgöző volt. A tudósok interferenciamintát láttak - sok függőleges csík. Vagyis az elektronoknak a fényhez hasonlóan hullámtermészetük is lehet, interferálhatnak. Másrészt világossá vált, hogy a fény nemcsak hullám, hanem részecske is - foton (a cikk elején található történelmi háttérből megtudtuk, hogy Einstein Nobel-díjat kapott ezért a felfedezésért).

Talán emlékszel, hogy az iskolában azt mondták nekünk a fizikából "részecske-hullám dualizmus"? Ez azt jelenti, hogy amikor a mikrovilág nagyon kicsi részecskéiről (atomokról, elektronokról) van szó, akkor hullámok és részecskék is

Ma te és én vagyunk olyan okosak, és megértjük, hogy a fent leírt két kísérlet – az elektronokkal való lövöldözés és a rések megvilágítása fénnyel – ugyanaz. Mert kvantumrészecskéket lőünk ki a résekre. Ma már tudjuk, hogy a fény és az elektronok is kvantum természetűek, egyszerre hullámok és részecskék. A 20. század elején ennek a kísérletnek az eredményei szenzációt jelentettek.

Figyelem! Most térjünk át egy finomabb kérdésre.

A réseinket fotonárammal (elektronokkal) világítjuk – és a képernyőn a rések mögött interferenciamintát (függőleges csíkokat) látunk. Tiszta. De kíváncsiak vagyunk arra, hogy az egyes elektronok hogyan repülnek át a résen.

Feltehetően az egyik elektron a bal résbe repül, a másik a jobbra. Ekkor azonban 2 függőleges csíknak kell megjelennie a képernyőn közvetlenül a nyílásokkal szemben. Miért kapunk interferenciamintát? Talán az elektronok valamilyen módon kölcsönhatásba lépnek egymással már a képernyőn, miután átrepültek a réseken. És az eredmény egy ilyen hullámminta. Hogyan tudjuk ezt követni?

Az elektronokat nem sugárban fogjuk dobni, hanem egyenként. Dobd el, várj, dobd a következőt. Most, amikor az elektron egyedül repül, többé nem lesz képes kölcsönhatásba lépni a képernyőn más elektronokkal. A dobás után minden elektront regisztrálunk a képernyőn. Egy-kettő persze nem fog tiszta képet „festeni” számunkra. De ha egyenként sokat küldünk belőlük a nyílásokba, akkor észrevesszük... ó iszonyat - megint interferencia hullámmintát „rajzoltak”!

Lassan kezdünk megőrülni. Hiszen arra számítottunk, hogy a nyílásokkal szemben 2 függőleges csík lesz! Kiderült, hogy amikor egyenként fotonokat dobtunk, mindegyik mintegy 2 résen haladt át egyszerre, és interferált önmagával. Fantázia! A jelenség magyarázatára a következő részben visszatérünk.

Mi a spin és a szuperpozíció?

Most már tudjuk, mi az interferencia. Ez a mikrorészecskék - fotonok, elektronok, egyéb mikrorészecskék (nevezzük ezeket az egyszerűség kedvéért fotonoknak) hullámviselkedése.

A kísérlet eredményeként, amikor 1 fotont 2 résbe dobtunk, rájöttünk, hogy az úgy repül át, mintha egyszerre két résen haladna át. Hogyan magyarázható másképp a képernyőn megjelenő interferenciamintázat?

De hogyan képzeljünk el egy képet, amelyen egy foton egyszerre repül át két résen? 2 lehetőség van.

• 1. lehetőség: a foton, mint egy hullám (mint a víz) "lebeg" 2 résen egyszerre
• 2. lehetőség: egy foton, mint egy részecske, egyszerre repül 2 pályán (nem is kettőn, hanem egyszerre)

Elvileg ezek az állítások egyenértékűek. Elérkeztünk az „útintegrálhoz”. Ez Richard Feynman kvantummechanika megfogalmazása.

Egyébként pontosan Richard Feynman ahhoz a jól ismert kifejezéshez tartozik, hogy bátran kijelenthetjük, hogy a kvantummechanikához senki sem ért

De ez a kifejezése a század elején működött. De most okosak vagyunk, és tudjuk, hogy a foton részecskeként és hullámként is viselkedhet. Hogy valami számunkra érthetetlen módon egyszerre tud átrepülni 2 résen. Ezért könnyű lesz megértenünk a kvantummechanika következő fontos megállapítását:

Szigorúan véve a kvantummechanika azt mondja nekünk, hogy ez a foton viselkedés a szabály, nem pedig a kivétel. Bármely kvantumrészecske általában több állapotban vagy a tér több pontján van egyszerre.

A makrovilág objektumai csak egy meghatározott helyen és egy meghatározott állapotban lehetnek. De a kvantumrészecske a saját törvényei szerint létezik. És őt nem érdekli, hogy nem értjük őket. Ez a lényeg.

Csupán axiómaként kell elfogadnunk, hogy egy kvantumobjektum "szuperpozíciója" azt jelenti, hogy egyszerre 2 vagy több pályán, 2 vagy több ponton lehet egyszerre.

Ugyanez vonatkozik egy másik fotonparaméterre - a spinre (saját szögimpulzusára). A spin egy vektor. A kvantumobjektumot mikroszkopikus mágnesnek tekinthetjük. Megszoktuk, hogy a mágnesvektor (spin) vagy felfelé vagy lefelé irányul. De az elektron vagy a foton ismét azt mondja nekünk: „Srácok, minket nem érdekel, hogy ti mit szoktatok, egyszerre lehetünk mindkét spinállapotban (vektor felfelé, vektor lefelé), mint ahogy 2 pályán lehetünk ugyanabban az időben vagy 2 ponton egyszerre!

Mi az a "mérés" vagy "hullámfunkció összeomlás"?

Marad nekünk egy kicsit, hogy megértsük, mi a „mérés” és mi a „hullámfüggvény összeomlása”.

hullámfüggvény egy kvantumobjektum (fotonunk vagy elektronunk) állapotának leírása.

Tegyük fel, hogy van egy elektronunk, az magához repül határozatlan állapotban spinje egyszerre irányul fel és le. Fel kell mérnünk az állapotát.

Mérjünk mágneses térrel: azok az elektronok, amelyek spinje a tér irányába irányult, az egyik irányba térnek el, és azok az elektronok, amelyek spinje a tér ellen irányul, a másik irányba. A fotonok polarizáló szűrőbe is küldhetők. Ha egy foton spinje (polarizációja) +1, akkor áthalad a szűrőn, ha pedig -1, akkor nem.

Állj meg! Itt óhatatlanul felmerül a kérdés: a mérés előtt ugye az elektronnak nem volt különösebb forgásiránya? Egyszerre volt minden államban?

Ez a kvantummechanika trükkje és szenzációja.. Amíg nem méri a kvantumobjektum állapotát, az bármilyen irányba tud forogni (bármilyen iránya van saját impulzusvektorának - spin). De abban a pillanatban, amikor megmérte az állapotát, úgy tűnik, hogy eldönti, melyik spin vektort vegye fel.

Ez a kvantumobjektum annyira menő – döntést hoz az állapotáról.És nem tudjuk előre megjósolni, hogy milyen döntést hoz, amikor berepül abba a mágneses mezőbe, amelyben mérjük. 50-50% annak a valószínűsége, hogy úgy dönt, hogy „fel” vagy „le” spin-vektorral rendelkezik. De amint úgy dönt, egy bizonyos állapotba kerül, meghatározott forgási iránnyal. Döntésének oka a mi "dimenziónk"!

Ezt nevezik " hullámfüggvény összeomlása". A mérés előtti hullámfüggvény határozatlan volt, azaz. az elektron spin vektor egyszerre volt minden irányban, a mérés után az elektron rögzítette a spin vektorának egy bizonyos irányát.

Figyelem! Kiváló példatársítás makrokozmoszunkból a megértéshez:

Pörgessen meg egy érmét az asztalon, mint egy felsőt. Amíg az érme forog, nincs konkrét jelentése – fej vagy farok. De amint úgy dönt, hogy "megméri" ezt az értéket, és lecsapja az érmét a kezével, itt kapja meg az érme konkrét állapotát - fejek vagy farok. Most képzeld el, hogy ez az érme dönti el, hogy milyen értéket „mutasson meg” – fejet vagy farkot. Az elektron megközelítőleg ugyanúgy viselkedik.

Most emlékezzen a rajzfilm végén látható kísérletre. Amikor a fotonok áthaladtak a réseken, hullámként viselkedtek, és interferenciamintát mutattak a képernyőn. És amikor a tudósok meg akarták határozni (megmérni) azt a pillanatot, amikor a fotonok áthaladtak a résen, és egy „megfigyelőt” helyeztek a képernyő mögé, a fotonok nem hullámként, hanem részecskékként kezdtek viselkedni. És „húzott” 2 függőleges csíkot a képernyőre. Azok. a mérés vagy megfigyelés pillanatában a kvantumobjektumok maguk választják ki, hogy milyen állapotban legyenek.

Fantázia! Nem?

De ez még nem minden. Végül mi eljutott a legérdekesebbhez.

De ... számomra úgy tűnik, hogy túl sok információ lesz, ezért ezt a két fogalmat külön bejegyzésekben fogjuk megvizsgálni:

• Mit ?
• Mi az a gondolatkísérlet.

És most szeretnéd, hogy az információ a polcokra kerüljön? Nézzen meg egy dokumentumfilmet, amelyet a Kanadai Elméleti Fizikai Intézet készített. 20 percben nagyon röviden és időrendben elmondja a kvantumfizika összes felfedezését, kezdve Planck 1900-as felfedezésétől. És akkor elmondják, milyen gyakorlati fejlesztések zajlanak jelenleg a kvantumfizikai ismeretek alapján: a legpontosabb atomóráktól a kvantumszámítógép szupergyors számításaiig. Nagyon ajánlom ennek a filmnek a megtekintését.

Találkozunk!

Inspirációt kívánok minden tervéhez és projektjéhez!

Ui.2 Írja meg kérdéseit és gondolatait a megjegyzésekben. Írj, milyen kvantumfizikai kérdések érdekelnek még?

Ui.3. Iratkozzon fel a blogra - a feliratkozási űrlap a cikk alatt.

A görög "fusisz" szóból származik a "fizika". Jelentése "természet". Arisztotelész, aki a Krisztus előtti negyedik században élt, először vezette be ezt a fogalmat.

A fizika M. V. Lomonoszov javaslatára lett "oroszos", amikor lefordította az első tankönyvet németről.

tudomány fizika

A fizika az egyik fő.Világszerte folyamatosan zajlanak különféle folyamatok, változások, azaz jelenségek.

Például egy jégdarab meleg helyen olvadni kezd. És a víz a vízforralóban felforr. A vezetéken áthaladó elektromos áram felmelegíti, sőt felforrósítja is. Ezen folyamatok mindegyike egy jelenség. A fizikában ezek a tudomány által vizsgált mechanikai, mágneses, elektromos, hang-, hő- és fényváltozások. Fizikai jelenségeknek is nevezik őket. Figyelembe véve őket, a tudósok törvényeket vezetnek le.

A tudomány feladata ezeknek a törvényeknek a felfedezése és tanulmányozása. A természetet olyan tudományok tanulmányozzák, mint a biológia, a földrajz, a kémia és a csillagászat. Mindannyian a fizikai törvényeket alkalmazzák.

Feltételek

A fizikában megszokottakon kívül speciális kifejezéseket is használnak. Ezek az „energia” (a fizikában az anyag kölcsönhatásának és mozgásának különböző formáinak, valamint az egyikből a másikba való átmenetnek a mértéke), az „erő” (más testek és mezők hatásának intenzitásának mértéke) testen) és még sokan mások. Néhányan közülük fokozatosan beszédbe kezdtek.

Például, ha az „energia” szót a mindennapi életben egy személyre vonatkozóan használjuk, felmérhetjük tettei következményeit, de az energia a fizikában sokféleképpen a tanulmányozás mértéke.

A fizikában minden testet fizikainak neveznek. Van térfogatuk és formájuk. Szubsztanciákból állnak, amelyek viszont az egyik anyagtípus - ez minden, ami az Univerzumban létezik.

Tapasztalatok

Amit az emberek tudnak, az megfigyelésekből származik. A jelenségek tanulmányozásához folyamatosan megfigyelik őket.

Vegyük például a földre zuhanó különféle testeket. Ki kell deríteni, hogy ez a jelenség különbözik-e, ha egyenlőtlen tömegű, különböző magasságú testek esnek le, és így tovább. Várni és figyelni a különböző testeket nagyon hosszú lenne, és nem mindig sikerülne. Ezért ilyen céllal kísérleteket végeznek. Eltérnek a megfigyelésektől, mivel konkrétan előre meghatározott terv szerint és konkrét célokkal valósulnak meg. Általában a tervben előre építenek bizonyos találgatásokat, azaz hipotéziseket állítanak fel. Így a kísérletek során ezek cáfolására vagy megerősítésére kerülnek. A kísérletek eredményeinek átgondolása és magyarázata után következtetéseket vonunk le. Így szerzik meg a tudományos ismereteket.

Mennyiségek és mértékegységeik

Bármelyik tanulmányozása gyakran különböző méréseket végez. Amikor egy test leesik, például magasságot, tömeget, sebességet és időt mérnek. Mindez, vagyis mérhető valami.

Egy érték mérése azt jelenti, hogy összehasonlítjuk ugyanazzal az értékkel, amelyet egységnek veszünk (a táblázat hosszát egy hosszegységhez hasonlítják - egy méter vagy más). Minden ilyen értéknek megvannak a maga mértékegységei.

Minden ország igyekszik egységes mértékegységeket használni. Oroszországban, más országokhoz hasonlóan, a Nemzetközi Mértékegységrendszert (SI) használják (ami "nemzetközi rendszert" jelent). A következő egységeket veszi át:

• hossz (a vonalak hosszára jellemző számszerűen) - méter;
• idő (folyamatok áramlása, lehetséges változás feltétele) - másodperc;
• tömeg (ez egy jellemző a fizikában, amely meghatározza az anyag tehetetlenségi és gravitációs tulajdonságait) - kilogramm.

Gyakran olyan mértékegységeket kell használni, amelyek sokkal nagyobbak, mint a hagyományos többszörösek. A megfelelő görög előtagokkal hívják őket: „deka”, „hekto”, „kiló” és így tovább.

Az elfogadottnál kisebb mértékegységeket részmultiple-nek nevezzük. A latin nyelv előtagjait alkalmazzák rájuk: „deci”, „santi”, „milli” és így tovább.

Mérőműszerek

A kísérletek elvégzéséhez felszerelésre van szükség. A legegyszerűbbek a vonalzó, henger, mérőszalag és mások. A tudomány fejlődésével új eszközöket fejlesztenek, bonyolult és új eszközök jelennek meg: voltmérők, hőmérők, stopperórák és mások.

Alapvetően az eszközöknek van egy skálája, azaz szaggatott felosztása, amelyre az értékeket írják. Mérés előtt határozza meg a felosztási árat:

• vegyen két vonást a skálán értékekkel;
• a kisebbet kivonjuk a nagyobbból, és a kapott számot elosztjuk a között lévő osztások számával.

Például két ütés „húsz” és „harminc” értékkel, amelyek közötti távolság tíz szóközre van osztva. Ebben az esetben az osztás értéke eggyel lesz egyenlő.

Pontos mérések és hibával

A mérések többé-kevésbé pontosak. A megengedett pontatlanságot hibahatárnak nevezzük. Méréskor nem lehet nagyobb, mint a mérőműszer osztásértéke.

A pontosság a osztásértéktől és a műszer helyes használatától függ. De végül minden mérésnél csak hozzávetőleges értékeket kapunk.

Elméleti és kísérleti fizika

Ezek a tudomány fő ágai. Úgy tűnhet, hogy nagyon távol állnak egymástól, különösen azért, mert a legtöbb ember vagy teoretikus, vagy kísérletező. Ezek azonban folyamatosan fejlődnek egymás mellett. Bármilyen problémát figyelembe vesznek mind a teoretikusok, mind a kísérletezők. Előbbi feladata az adatok leírása és hipotézisek levezetése, míg az utóbbiak a gyakorlatban tesztelik az elméleteket, kísérleteket végeznek és új adatokat nyernek. Néha az eredményeket csak kísérletek okozzák, elméletek leírása nélkül. Más esetekben éppen ellenkezőleg, lehetséges olyan eredményeket kapni, amelyeket később ellenőriznek.

A kvantumfizika

Ez az irány 1900 végén keletkezett, amikor egy új fizikai alapvető állandót fedeztek fel, amelyet Planck-állandónak neveztek el a felfedező német fizikus, Max Planck tiszteletére. Megoldotta a felhevült testek által kibocsátott fény spektrális eloszlásának problémáját, míg a klasszikus általános fizika erre nem volt képes. Planck hipotézist állított fel az oszcillátor kvantumenergiájáról, ami összeegyeztethetetlen a klasszikus fizikával. Ennek köszönhetően sok fizikus elkezdte felülvizsgálni a régi fogalmakat, megváltoztatni azokat, aminek eredményeként a kvantumfizika keletkezett. Ez egy teljesen új világnézet.

és a tudat

Az emberi tudat jelensége a szemszögből nézve nem teljesen új. Alapját Jung és Pauli rakták le. De csak most, a tudomány ezen új irányának kialakulásával kezdték a jelenséget szélesebb körben figyelembe venni és tanulmányozni.

A kvantumvilág sokoldalú és sokdimenziós, számos klasszikus arca és vetülete van.

A javasolt koncepció keretein belül a két fő tulajdonság a szuperintuíció (vagyis a semmiből való információszerzés) és a szubjektív valóság kontrollja. A hétköznapi tudatban az ember csak egy képet láthat a világról, és nem képes egyszerre kettőt figyelembe venni. Míg a valóságban nagyon sok van belőlük. Mindez együtt a kvantumvilág és a fény.

A kvantumfizika az, ami megtanít új valóságot látni az ember számára (bár sok keleti vallás, valamint a mágusok már régóta birtokolják ezt a technikát). Csak az emberi tudat megváltoztatására van szükség. Most az ember elválaszthatatlan az egész világtól, de minden élőlény és dolog érdekét figyelembe veszik.

Éppen ekkor, abba az állapotba merülve, hogy képes meglátni az összes alternatívát, belátásra jut, ami az abszolút igazság.

Az élet elve a kvantumfizika szempontjából az, hogy az ember többek között hozzájáruljon egy jobb világrendhez.

Azt hiszem, nyugodtan kijelenthetjük, hogy senki sem érti a kvantummechanikát.

Richard Feynman fizikus

Nem túlzás azt állítani, hogy a félvezető eszközök feltalálása forradalom volt. Ez nemcsak lenyűgöző technológiai vívmány, hanem utat nyitott olyan események előtt is, amelyek örökre megváltoztatják a modern társadalmat. A félvezető eszközöket mindenféle mikroelektronikai eszközben alkalmazzák, beleértve a számítógépeket, bizonyos típusú orvosi diagnosztikai és kezelési berendezéseket, valamint a népszerű távközlési eszközöket.

De e technológiai forradalom mögött még több, az általános tudomány forradalma áll: a terület kvantum elmélet. A természeti világ megértésének ezen ugrása nélkül a félvezető eszközök (és a fejlesztés alatt álló fejlettebb elektronikus eszközök) fejlesztése soha nem sikerült volna. A kvantumfizika a tudomány hihetetlenül összetett ága. Ez a fejezet csak egy rövid áttekintést nyújt. Amikor olyan tudósok, mint Feynman azt mondják, hogy „senki sem érti [ezt]”, biztos lehet benne, hogy ez egy nagyon nehéz téma. A kvantumfizika alapvető ismerete, vagy legalábbis a kifejlesztésükhöz vezető tudományos felfedezések ismerete nélkül lehetetlen megérteni, hogyan és miért működnek a félvezető elektronikai eszközök. A legtöbb elektronikai tankönyv a félvezetőket a "klasszikus fizika" fogalmaival próbálja magyarázni, ami még zavarosabbá teszi a megértést.

Sokan láttunk már atommodell diagramokat, amelyek az alábbi képhez hasonlóak.

Rutherford atom: a negatív elektronok egy kis pozitív atommag körül keringenek

Az anyag apró részecskéi ún protonokés neutronok, alkotják az atom középpontját; elektronok bolygókként keringenek egy csillag körül. Az atommag pozitív elektromos töltést hordoz a protonok jelenléte miatt (a neutronoknak nincs elektromos töltése), míg az atom kiegyenlítő negatív töltése a keringő elektronokban van. A negatív elektronok vonzódnak a pozitív protonokhoz, mint a bolygók a Naphoz, de a pályák az elektronok mozgása miatt stabilak. Az atom eme népszerű modelljét Ernest Rutherford munkájának köszönhetjük, aki 1911 körül kísérletileg megállapította, hogy az atomok pozitív töltései egy apró, sűrű magban koncentrálódnak, és nem egyenletesen oszlanak el az átmérő mentén, ahogyan azt J. J. Thomson felfedező korábban feltételezte. .

Rutherford szórási kísérlete abból áll, hogy egy vékony aranyfóliát bombáznak pozitív töltésű alfa-részecskékkel, amint az az alábbi ábrán látható. A fiatal végzős hallgatók, H. Geiger és E. Marsden váratlan eredményeket értek el. Egyes alfa-részecskék pályája nagy szöggel eltért. Egyes alfa-részecskék hátrafelé, csaknem 180°-os szögben szóródtak szét. A részecskék többsége úgy haladt át az aranyfólián, hogy nem változtatta meg a pályáját, mintha egyáltalán nem is lett volna fólia. Az a tény, hogy több alfa-részecske nagy eltérést tapasztalt a pályájában, kis pozitív töltésű magok jelenlétére utal.

Rutherford-szórás: az alfa-részecskék sugarát vékony aranyfólia szórja szét

Bár Rutherford atommodelljét kísérleti adatok jobban alátámasztották, mint Thomsonét, még mindig nem volt tökéletes. További kísérletek történtek az atom szerkezetének meghatározására, és ezek az erőfeszítések segítettek kikövezni az utat a kvantumfizika furcsa felfedezései előtt. Ma az atomról alkotott értelmezésünk egy kicsit összetettebb. A kvantumfizika forradalma és az atom szerkezetének megértéséhez való hozzájárulása ellenére azonban Rutherford a Naprendszert egy atom szerkezeteként ábrázolja olyan mértékben a köztudatban, hogy az oktatási területeken is megmarad, még akkor is, ha rossz helyen van.

Tekintsük ezt a rövid leírást az atomban lévő elektronokról, egy népszerű elektronikai tankönyvből:

A forgó negatív elektronok a pozitív atommaghoz vonzódnak, ami elvezet bennünket ahhoz a kérdéshez, hogy miért nem repülnek be az elektronok az atommagba. A válasz az, hogy a forgó elektronok két egyenlő, de ellentétes erő hatására stabil pályájukon maradnak. Az elektronokra ható centrifugális erő kifelé irányul, a töltések vonzó ereje az elektronokat az atommag felé próbálja húzni.

A szerző Rutherford modelljének megfelelően az elektronokat szilárd anyagdaraboknak tekinti, amelyek körpályát foglalnak el, és az ellentétes töltésű atommaghoz való befelé irányuló vonzásukat mozgásuk egyensúlyozza ki. A „centrifugális erő” kifejezés használata technikailag helytelen (még a keringő bolygók esetében is), de ez könnyen megbocsátható a modell népszerűsége miatt: valójában nincs olyan, hogy erő, taszítóBármi forgó test pályája középpontjából. Ez azért látszik így, mert a test tehetetlensége hajlamos arra, hogy egyenes vonalban mozogjon, és mivel a pálya állandó eltérés (gyorsulás) az egyenes vonalú mozgástól, állandó tehetetlenségi reakció lép fel minden olyan erőre, amely a testet a középpontba vonzza. a pálya (centripetális), akár gravitáció, akár elektrosztatikus vonzás, vagy akár egy mechanikai kötés feszültsége.

Ezzel a magyarázattal azonban elsősorban az az elképzelés, hogy az elektronok körpályán mozognak. Bizonyított tény, hogy a gyorsított elektromos töltések elektromágneses sugárzást bocsátanak ki, ez a tény már Rutherford idejében is ismert volt. Mivel a forgó mozgás a gyorsulás egyik formája (egy állandó gyorsulású forgó tárgy, amely elrántja a tárgyat a normál egyenes vonalú mozgásától), a forgó állapotban lévő elektronoknak sárhoz hasonló sugárzást kell kibocsátaniuk a forgó kerékből. Az elektronok körkörös pályákon gyorsultak fel részecskegyorsítókban, ún szinkrotronok ismert, hogy ezt megteszik, és az eredményt ún szinkrotron sugárzás. Ha az elektronok ilyen módon veszítenének energiát, pályájuk végül megszakadna, és ennek eredményeként egy pozitív töltésű atommaggal ütköznének. Az atomokon belül azonban ez általában nem történik meg. Valójában az elektronikus „pályák” meglepően stabilak a körülmények széles körében.

Ezenkívül a "gerjesztett" atomokkal végzett kísérletek kimutatták, hogy az elektromágneses energiát az atom csak bizonyos frekvenciákon bocsát ki. Az atomokat olyan külső hatások „gerjesztik”, mint a fény, amelyről ismert, hogy elnyeli az energiát, és bizonyos frekvenciákon visszaadja az elektromágneses hullámokat, hasonlóan egy hangvillához, amely nem csörög egy bizonyos frekvencián, amíg el nem ütik. Ha a gerjesztett atom által kibocsátott fényt egy prizma komponensfrekvenciáira (színekre) osztja, a spektrumban egyedi színvonalakat találunk, a spektrális vonalmintázat egy kémiai elemre jellemző. Ezt a jelenséget általában kémiai elemek azonosítására, sőt az egyes elemek arányának mérésére is használják egy vegyületben vagy kémiai keverékben. A rutherfordi atommodell naprendszere (az elektronokhoz, mint anyagdarabokhoz képest, szabadon forgó pályán valamilyen sugárral) és a klasszikus fizika törvényei szerint a gerjesztett atomoknak szinte végtelen frekvenciatartományban kell energiát visszaadniuk, és nem kiválasztott frekvenciákon. Más szóval, ha Rutherford modellje helyes, akkor nem lenne "hangvilla" effektus, és bármely atom által kibocsátott színspektrum egy folytonos színsávként jelenik meg, nem pedig több különálló vonalként.

A hidrogénatom Bohr-modellje (a pályákat méretarányosan rajzolva) feltételezi, hogy az elektronok csak diszkrét pályákon állnak. Az n=3,4,5 vagy 6-ról n=2-re mozgó elektronok egy sor Balmer-spektrumvonalon jelennek meg

Egy Niels Bohr nevű kutató megpróbálta javítani Rutherford modelljét, miután 1912-ben több hónapig tanulmányozta azt Rutherford laboratóriumában. Más fizikusok (különösen Max Planck és Albert Einstein) eredményeit összeegyeztetni próbálva Bohr azt javasolta, hogy minden elektronnak van egy bizonyos, meghatározott mennyiségű energiája, és hogy pályáik úgy oszlanak el, hogy mindegyik el tudjon foglalni bizonyos helyeket. az atommag, mint a golyók., körkörös pályákon van rögzítve a mag körül, és nem szabadon mozgó műholdakként, ahogy korábban feltételeztük (fenti ábra). Az elektromágnesesség és a gyorsuló töltések törvényei tiszteletben tartásával Bohr a „pályákat” úgy emlegette. stacionárius állapotok hogy elkerüljük azt az értelmezést, hogy mobilak.

Bár Bohr ambiciózus kísérlete az atom szerkezetének újragondolására, amely jobban megfelelt a kísérleti adatoknak, mérföldkő volt a fizikában, ez nem fejeződött be. Matematikai elemzése jobban megjósolta a kísérletek eredményeit, mint a korábbi modellek szerint, de továbbra is megválaszolatlan kérdések maradtak, hogy vajon miért az elektronoknak olyan furcsa módon kell viselkedniük. Az az állítás, hogy az elektronok stacionárius kvantumállapotokban léteztek az atommag körül, jobban korrelált a kísérleti adatokkal, mint Rutherford modellje, de nem árulta el, hogy az elektronok mi okozza ezeket a különleges állapotokat. Erre a kérdésre a választ egy másik fizikustól, Louis de Broglie-tól kapta, mintegy tíz évvel később.

De Broglie azt javasolta, hogy az elektronok, akárcsak a fotonok (fényrészecskék), rendelkeznek a részecskék és a hullámok tulajdonságaival. Ebből a feltételezésből kiindulva azt javasolta, hogy a forgó elektronok hullámok elemzése jobb, mint részecskék esetében, és jobban bepillantást engedhet kvantumtermészetükbe. Valójában újabb áttörés történt a megértésben.

Két fix pont között rezonanciafrekvencián rezgő húr állóhullámot alkot

Az atom de Broglie szerint állóhullámokból állt, ez a jelenség a fizikusok számára különféle formákban jól ismert. Mint egy hangszer pengető húrja (fenti képen), amely rezonanciafrekvencián rezeg, hosszában stabil helyeken "csomókkal" és "anticsomókkal". De Broglie úgy képzelte el, hogy az atomok körüli elektronok körbe görbültek (az alábbi ábra).

"Forgó" elektronok, mint egy állóhullám az atommag körül, (a) két ciklus egy pályán, (b) három ciklus egy pályán

Az elektronok csak bizonyos, meghatározott "pályákon" létezhetnek az atommag körül, mert ezek az egyetlen távolságok, ahol a hullám végei egybeesnek. Bármely másik sugárban a hullám pusztítóan ütközik önmagával, és így megszűnik létezni.

De Broglie hipotézise mind matematikai keretet, mind kényelmes fizikai analógiát adott az atomon belüli elektronok kvantumállapotainak magyarázatához, de az atomról alkotott modellje még mindig hiányos. Werner Heisenberg és Erwin Schrödinger fizikusok, egymástól függetlenül, évek óta dolgoznak de Broglie hullám-részecske kettősségének koncepcióján, hogy szigorúbb matematikai modelleket hozzanak létre a szubatomi részecskékről.

Ez az elméleti előrelépés de Broglie primitív állóhullám-modelljétől a Heisenberg-mátrix és a Schrödinger-differenciálegyenlet modelljéig kvantummechanika nevet kapott, és egy meglehetősen sokkoló tulajdonságot vezetett be a szubatomi részecskék világába: a valószínűség jelét. vagy a bizonytalanság. Az új kvantumelmélet szerint lehetetlen volt egy pillanatban meghatározni egy részecske pontos helyzetét és pontos impulzusát. Ennek a "bizonytalansági elvnek" a népszerű magyarázata az volt, hogy mérési hiba történt (azaz az elektron helyzetének pontos mérésével beavatkozik annak impulzusába, és ezért nem tudhatja, mi volt az, mielőtt elkezdi mérni a pozíciót. , és fordítva). A kvantummechanika szenzációs következtetése, hogy a részecskéknek nincs pontos helyzetük és momentumuk, és e két mennyiség kapcsolata miatt együttes bizonytalanságuk soha nem csökken egy bizonyos minimális érték alá.

A „bizonytalansági” kapcsolatnak ez a formája a kvantummechanikán kívül más területeken is létezik. Amint az e könyvsorozat 2. kötetének „Vegyes frekvenciájú váltakozó áramú jelek” című fejezetében tárgyaltuk, kölcsönösen kizáró összefüggések állnak fenn a hullámforma időtartomány-adatainak megbízhatósága és a frekvenciatartomány-adatai között. Egyszerűen fogalmazva, minél jobban ismerjük a komponensek frekvenciáit, annál kevésbé pontosan tudjuk az amplitúdóját az idő függvényében, és fordítva. Magamat idézve:

A végtelen időtartamú jel (végtelen számú ciklus) abszolút pontossággal elemezhető, de minél kevesebb ciklus áll a számítógép rendelkezésére elemzésre, annál kevésbé pontos az elemzés... Minél kevesebb periódusú a jel, annál kevésbé pontos a frekvenciája . Ha ezt a koncepciót a logikai végletekig vesszük, akkor egy rövid impulzusnak (még a jel teljes periódusának sem) valójában nincs meghatározott frekvenciája, ez a frekvencia végtelen tartománya. Ez az elv minden hullámjelenségre jellemző, nem csak a változó feszültségekre és áramokra.

A változó jel amplitúdójának pontos meghatározásához nagyon rövid idő alatt kell megmérnünk. Ez azonban korlátozza a hullám frekvenciájára vonatkozó ismereteinket (a kvantummechanikában egy hullámnak nem kell hasonlónak lennie a szinuszhullámhoz; az ilyen hasonlóság speciális eset). Másrészt ahhoz, hogy egy hullám frekvenciáját nagy pontossággal meghatározzuk, nagy perióduson keresztül kell mérnünk, ami azt jelenti, hogy minden pillanatban szem elől tévesztjük az amplitúdóját. Így nem tudjuk egyszerre korlátlan pontossággal egyetlen hullám pillanatnyi amplitúdóját és összes frekvenciáját sem. Egy másik furcsaság, ez a bizonytalanság sokkal nagyobb, mint a megfigyelő pontatlansága; ez benne van a hullám természetében. Ez nem így van, bár a megfelelő technológia mellett lehetséges lenne a pillanatnyi amplitúdó és a frekvencia egyidejű pontos mérése is. Szó szerint egy hullámnak nem lehet egyszerre pontos pillanatnyi amplitúdója és pontos frekvenciája.

A részecske helyzetének és impulzusának Heisenberg és Schrödinger által kifejezett minimális bizonytalanságának semmi köze a mérési korlátozáshoz; hanem a részecske hullám-részecske kettősségének természetének belső tulajdonsága. Ezért az elektronok valójában nem az anyag jól körülhatárolható részecskéiként, vagy akár jól meghatározott hullámformákként léteznek „pályájukon”, hanem „felhőkként” – ez egy szakkifejezés. hullámfüggvény valószínűségi eloszlások, mintha minden elektron "szétszórt" vagy "elkenődött" egy sor pozícióban és momentumban.

Az elektronokról mint határozatlan felhőkről alkotott radikális nézet kezdetben ellentmond az elektronok kvantumállapotainak eredeti elvének: az elektronok diszkrét, meghatározott „pályákon” léteznek az atommag körül. Végül is ez az új nézet volt az a felfedezés, amely a kvantumelmélet kialakulásához és magyarázatához vezetett. Milyen furcsának tűnik, hogy az elektronok diszkrét viselkedésének magyarázatára létrehozott elmélet végül kijelenti, hogy az elektronok „felhőkként” léteznek, nem pedig különálló anyagdarabokként. Az elektronok kvantumviselkedése azonban nem a meghatározott koordináta- és impulzusértékekkel rendelkező elektronoktól, hanem más tulajdonságoktól, ún. kvantumszámok. Lényegében a kvantummechanika mellőzi az abszolút helyzet és az abszolút momentum általános fogalmait, és helyettesíti azokat a típusok abszolút fogalmaival, amelyeknek a gyakorlatban nincs analógjuk.

Még ha köztudott is, hogy az elektronok testetlen, "felhős" formákban léteznek elosztott valószínűséggel, nem pedig különálló anyagdarabokban, ezek a "felhők" némileg eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek. Az atom bármely elektronja leírható négy numerikus mértékkel (a korábban említett kvantumszámokkal), ún fő (sugárirányú), orbitális (azimut), mágnesesés spin számok. Az alábbiakban rövid áttekintést adunk az egyes számok jelentéséről:

Fő (radiális) kvantumszám: betűvel jelölve n, ez a szám azt a héjat írja le, amelyen az elektron található. Az elektron "héj" egy olyan térrégió az atommag körül, amelyben elektronok létezhetnek, ami megfelel de Broglie és Bohr stabil "állóhullám" modelljének. Az elektronok "ugrálhatnak" héjról héjra, de nem létezhetnek közöttük.

A főkvantumszámnak pozitív egész számnak kell lennie (1-nél nagyobb vagy egyenlő). Más szóval, egy elektron főkvantumszáma nem lehet 1/2 vagy -3. Ezeket az egész számokat nem önkényesen választották ki, hanem a fényspektrum kísérleti bizonyítása alapján: a gerjesztett hidrogénatomok által kibocsátott fény különböző frekvenciái (színei) matematikai összefüggést követnek a konkrét egész értékek függvényében, ahogy az alábbi ábrán is látható.

Mindegyik héj képes több elektron befogadására. Az elektronhéjak analógiája az amfiteátrum koncentrikus üléssorai. Ahogy az amfiteátrumban ülő embernek ki kell választania egy sort, hogy leüljön (nem ülhet a sorok között), az elektronoknak egy bizonyos héjat kell „választaniuk” ahhoz, hogy „leüljenek”. Mint egy amfiteátrum sorai, a külső héjak több elektront tartanak, mint a középponthoz közelebb eső héjak. Ezenkívül az elektronok hajlamosak megtalálni a legkisebb elérhető héjat, ahogy az amfiteátrumban élők a központi színpadhoz legközelebb eső helyet keresik. Minél nagyobb a héjszám, annál több energiája van az elektronoknak.

A héjon belüli elektronok maximális számát a 2n 2 egyenlet írja le, ahol n a főkvantumszám. Így az első héj (n = 1) 2 elektront tartalmazhat; a második héj (n = 2) - 8 elektron; és a harmadik héj (n = 3) - 18 elektron (az alábbi ábra).

Az n főkvantumszámot és az elektronok maximális számát a 2(n 2) képlet köti össze. A pályák nem méretarányosak.

Az atomban lévő elektronhéjakat számok helyett betűkkel jelölték. Az első héj (n = 1) K, a második héj (n = 2) L, a harmadik héj (n = 3) M, a negyedik héj (n = 4) N, az ötödik héj (n = 5) O, a hatodik héj (n = 6) P és a hetedik héj (n = 7) B.

Orbitális (azimut) kvantumszám: alhéjakból álló héj. Egyesek számára kényelmesebb lehet úgy tekinteni az alhéjakra, mint a héjak egyszerű szakaszaira, például az utat elválasztó sávokra. Az alhéjak sokkal furcsábbak. Az alhéjak a tér azon részei, ahol elektron "felhők" létezhetnek, és valójában a különböző részhéjak különböző alakúak. Az első részhéj golyó alakú (az alábbi (s) ábra), aminek akkor van értelme, ha egy atommagot három dimenzióban körülvevő elektronfelhőként jelenítjük meg.

A második részhéj egy súlyzóhoz hasonlít, amely két "sziromból" áll, amelyek egy ponton kapcsolódnak az atom középpontjához (az alábbi ábra (p)).

A harmadik alhéj általában négy "szirom" halmazára hasonlít, amelyek egy atommag körül csoportosulnak. Ezek az alhéjformák az antennamintázatok grafikus megjelenítésére hasonlítanak, amelyekben hagymaszerű lebenyek nyúlnak ki az antennából különböző irányokba (az alábbi (d) ábra).

Pályák:
s) hármas szimmetria;
(p) Látható: p x , a három lehetséges tájolás egyike (p x , p y , p z), a megfelelő tengelyek mentén;
(d) A képen látható: d x 2 -y 2 hasonló a következőhöz: d xy , d yz , d xz . Megjelenítve: d z 2 . A lehetséges d-pályák száma: öt.

Az orbitális kvantumszám érvényes értékei pozitív egész számok, mint a főkvantumszám esetében, de tartalmazzák a nullát is. Ezeket az elektronok kvantumszámait l betűvel jelöljük. Az alhéjak száma megegyezik a héj főkvantumszámával. Így az első héjnak (n = 1) van egy 0-s számú részhéja; a második héjnak (n = 2) van két 0-val és 1-gyel számozott alhéja; a harmadik héjnak (n = 3) három részhéja van, amelyek száma 0, 1 és 2.

A régi alhéjkonvenció betűket használt számok helyett. Ebben a formátumban az első alhéjat (l = 0) s-vel, a második alhéjat (l = 1) p-vel, a harmadik alhéjat (l = 2) d-vel, a negyedik alhéjat (l = 3) pedig d-vel jelöltük. f-vel jelöltük. A betűk a következő szavakból származtak: éles, fő, diffúzés Alapvető. Még mindig láthatja ezeket a megjelöléseket sok periódusos táblázatban, amelyek a külső ( vegyérték) atomhéjak.

a) az ezüstatom Bohr-ábrázolása,
(b) Az Ag orbitális ábrázolása a héjak részhéjakra való felosztásával (l orbitális kvantumszám).
Ez a diagram nem mond semmit az elektronok tényleges helyzetéről, csak az energiaszinteket ábrázolja.

Mágneses kvantumszám: Az elektron mágneses kvantumszáma osztályozza az elektron részhéj alakjának orientációját. Az alhéjak "szirmai" több irányba irányíthatók. Ezeket a különböző tájolásokat orbitáloknak nevezzük. Az első részhéjhoz (s; l = 0), amely egy gömbre hasonlít, nincs megadva az "irány". Minden héjban egy második (p; l = 1) részhéj, amely három lehetséges irányba mutat egy súlyzóhoz. Képzeljünk el három súlyzót, amelyek az origóban metszik egymást, és mindegyik a saját tengelye mentén mutat egy háromtengelyű koordináta-rendszerben.

Egy adott kvantumszám érvényes értékei -l-től l-ig terjedő egész számokból állnak, és ezt a számot a következőképpen jelöljük m l az atomfizikában és z magfizikában. Bármely részhéjban lévő pályák számának kiszámításához meg kell duplázni az alhéj számát, és hozzá kell adni 1-et (2∙l + 1). Például bármely héj első részhéja (l = 0) tartalmaz egy 0-val jelölt pályát; a második részhéj (l = 1) bármely héjban három pályát tartalmaz -1, 0 és 1 számokkal; a harmadik részhéj (l = 2) öt -2, -1, 0, 1 és 2 pályát tartalmaz; stb.

A főkvantumszámhoz hasonlóan a mágneses kvantumszám is közvetlenül a kísérleti adatokból származott: a Zeeman-effektusból, a spektrumvonalak szétválasztásából egy ionizált gáz mágneses térrel való kitéve, innen ered a "mágneses" kvantumszám elnevezés.

Spin kvantumszám: a mágneses kvantumszámhoz hasonlóan az atom elektronjainak ezt a tulajdonságát is kísérletekkel fedezték fel. A spektrumvonalak gondos megfigyelése azt mutatta, hogy mindegyik vonal valójában egy nagyon szorosan elhelyezkedő vonalpár volt, felmerült, hogy ez az ún. finom szerkezet minden elektron saját tengelye körül „pörgött”, mint egy bolygó. A különböző "pörgésekkel" rendelkező elektronok kissé eltérő frekvenciájú fényt bocsátanak ki gerjesztéskor. A forgó elektron fogalma mára elavult, és jobban megfelel az elektronoknak az anyag egyedi részecskéinek (helytelen) való felfogásának, nem pedig „felhőknek”, de a név megmaradt.

A spinkvantumszámokat a következőképpen jelöljük Kisasszony az atomfizikában és sz magfizikában. Minden egyes pályán minden egyes héjon két elektron lehet, az egyik spin +1/2, a másik spin -1/2.

Wolfgang Pauli fizikus kidolgozott egy elvet, amely megmagyarázza az elektronok sorrendjét egy atomban ezeknek a kvantumszámoknak megfelelően. Elve, ún Pauli kizárási elv, kimondja, hogy ugyanabban az atomban két elektron nem foglalhatja el ugyanazt a kvantumállapotot. Vagyis egy atomban minden elektronnak egyedi kvantumszámkészlete van. Ez korlátozza azon elektronok számát, amelyek egy adott pályát, alhéjat és héjat elfoglalhatnak.

Ez az elektronok elrendezését mutatja a hidrogénatomban:

Egy protonnal az atommagban az atom egy elektront fogad el az elektrosztatikus egyensúlyhoz (a proton pozitív töltését pontosan kiegyenlíti az elektron negatív töltése). Ez az elektron az alsó héjban (n = 1), az első részhéjban (l = 0), ennek az alhéjnak az egyetlen pályáján (térbeli orientációjában) található (m l = 0), spinértéke 1/2. Ennek a szerkezetnek a leírásának általános módja az elektronok héjuk és részhéjaik szerint történő felsorolása, az ún. spektroszkópiai jelölés. Ebben a jelölésben a héj számát egész számként, az alhéjat betűként (s,p,d,f), az alhéjban lévő elektronok teljes számát (minden pálya, minden spin) pedig felső indexként jelenítjük meg. Így a hidrogént, amelynek egyetlen elektronja az alapszinten van elhelyezve, 1s 1 -ként írjuk le.

A következő atomra haladva (atomszám szerinti sorrendben) megkapjuk a hélium elemet:

A hélium atom magjában két proton van, amihez két elektronra van szükség a kettős pozitív elektromos töltés kiegyensúlyozásához. Mivel két elektron - az egyik spinje 1/2, a másik spin -1/2 - ugyanazon a pályán van, a hélium elektronszerkezete nem igényel további részhéjakat vagy héjakat a második elektron megtartásához.

A három vagy több elektront igénylő atomnak azonban további részhéjakra lesz szüksége az összes elektron megtartásához, mivel csak két elektron lehet az alsó héjon (n = 1). Tekintsük a növekvő atomszámok sorozatának következő atomját, a lítiumot:

A lítium atom a héj L kapacitásának egy részét használja (n = 2). Ennek a héjnak a teljes kapacitása valójában nyolc elektron (maximális héjkapacitás = 2n 2 elektron). Ha figyelembe vesszük egy teljesen kitöltött L héjjal rendelkező atom szerkezetét, akkor láthatjuk, hogy az alhéjak, pályák és spinek összes kombinációját elfoglalják az elektronok:

Amikor egy atomhoz spektroszkópiai jelölést rendelünk, akkor a teljesen kitöltött héjakat gyakran kihagyja, és a kitöltetlen héjakat és a legfelső szintű töltött héjakat jelöli. Például a neon elem (a fenti ábrán látható), amelynek két teljesen kitöltött héja van, spektrálisan egyszerűen 2p 6-ként írható le, nem pedig 1s 22 s 22 p 6-ként. A teljesen feltöltött K-héjjal és az L-héjban egyetlen elektronnal rendelkező lítium egyszerűen 2s 1-ként írható le 1s 22s 1 helyett.

A teljesen feltöltött alsóbb szintű shell-ek elhagyása nem csak a jelölés kényelmét szolgálja. A kémia egy alapelvét is szemlélteti: egy elem kémiai viselkedését elsősorban a kitöltetlen héjak határozzák meg. A hidrogénnek és a lítiumnak is egy elektronja van a külső héján (1, illetve 2s 1), vagyis mindkét elem hasonló tulajdonságokkal rendelkezik. Mindkettő nagyon reaktív, és szinte azonos módon reagál (hasonló elemekhez hasonló körülmények között kötődik). Nem igazán számít, hogy a lítiumnak teljesen kitöltött K-héja van a szinte szabad L-héj alatt: a töltetlen L-héj az, amely meghatározza a kémiai viselkedését.

A teljesen kitöltött külső héjú elemek nemesnek minősülnek, és a többi elemmel való reakció szinte teljes hiánya jellemzi. Ezeket az elemeket közömbösnek minősítették, amikor úgy ítélték meg, hogy egyáltalán nem reagálnak, de ismert, hogy bizonyos körülmények között vegyületet képeznek más elemekkel.

Mivel a külső héjukban azonos elektronkonfigurációjú elemek hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, Dmitrij Mengyelejev ennek megfelelően táblázatba rendezte a kémiai elemeket. Ez a táblázat az úgynevezett , és a modern táblázatok ezt az általános elrendezést követik, az alábbi ábrán látható.

A kémiai elemek periódusos rendszere

Dmitrij Mengyelejev orosz kémikus volt az első, aki kifejlesztette az elemek periódusos rendszerét. Annak ellenére, hogy Mengyelejev a táblázatát az atomtömeg, nem pedig az atomszám szerint rendezte, és olyan táblázatot készített, amely nem volt olyan hasznos, mint a modern periódusos táblák, fejlesztése a tudományos bizonyíték kiváló példája. Látva a periodicitás mintázatait (hasonló kémiai tulajdonságok az atomtömeg szerint), Mengyelejev azt feltételezte, hogy minden elemnek bele kell illeszkednie ebbe a rendezett mintába. Amikor "üres" helyeket fedezett fel a táblázatban, a fennálló rend logikáját követte, és még ismeretlen elemek létezését feltételezte. Ezeknek az elemeknek a későbbi felfedezése megerősítette Mengyelejev hipotézisének tudományos helyességét, további felfedezések vezettek a periódusos rendszer most használt formájához.

Mint ez kellene munkatudomány: a hipotézisek logikus következtetésekhez vezetnek, és a kísérleti adatok és következtetéseik konzisztenciája függvényében elfogadásra, módosításra vagy elutasításra kerülnek. Bármely bolond utólag is megfogalmazhat hipotézist, hogy megmagyarázza a rendelkezésre álló kísérleti adatokat, és sokan meg is teszik. Ami megkülönbözteti a tudományos hipotézist az utólagos spekulációtól, az a jövőbeli kísérleti adatok előrejelzése, amelyeket még nem gyűjtöttek össze, és ennek eredményeként valószínűleg ezeknek az adatoknak a cáfolata. Bátran vezesse a hipotézist a logikus következtetés(ek)ig, és a jövőbeli kísérletek eredményeinek megjóslására tett kísérlet nem a hit dogmatikus ugrása, sokkal inkább ennek a hipotézisnek a nyilvános tesztelése, nyílt kihívás a hipotézis ellenzői számára. Más szóval, a tudományos hipotézisek mindig "kockázatosak", mert megpróbálják megjósolni a még el nem végzett kísérletek eredményeit, és ezért meghamisíthatók, ha a kísérletek nem a várt módon haladnak. Így, ha egy hipotézis helyesen jelzi előre az ismételt kísérletek eredményeit, akkor cáfolható.

A kvantummechanika először hipotézisként, majd elméletként rendkívül sikeresnek bizonyult a kísérletek eredményeinek előrejelzésében, és ezért nagy fokú tudományos hitelességet kapott. Sok tudósnak van oka azt hinni, hogy ez egy hiányos elmélet, hiszen mikrofizikai léptékű előrejelzései jobban igazak, mint makroszkopikusaknak, de ennek ellenére rendkívül hasznos elmélet a részecskék és atomok kölcsönhatásának magyarázatára és előrejelzésére.

Amint ebben a fejezetben láthatta, a kvantumfizika alapvető fontosságú számos különböző jelenség leírásában és előrejelzésében. A következő részben látni fogjuk a jelentőségét a szilárd anyagok elektromos vezetőképességében, beleértve a félvezetőket is. Egyszerűen fogalmazva, a kémiában vagy a szilárdtestfizikában semminek sincs értelme az elektronok népszerű elméleti szerkezetében, amelyek egyedi anyagrészecskékként léteznek az atommag körül, mint miniatűr műholdak. Ha az elektronokat bizonyos, diszkrét, szabályos és periodikus állapotokban létező "hullámfüggvényeknek" tekintjük, akkor az anyag viselkedése megmagyarázható.

Összegezve

Az atomokban lévő elektronok elosztott valószínűségű „felhőkben” léteznek, nem pedig az atommag körül keringő diszkrét anyagrészecskékként, mint a miniatűr műholdak, amint azt a gyakori példák mutatják.

Az atommag körüli egyes elektronok hajlamosak egyedi "állapotokba" kerülni, amelyeket négy kvantumszám ír le: fő (radiális) kvantumszám, ismert, mint héj; orbitális (azimut) kvantumszám, ismert, mint alhéj; mágneses kvantumszám leírva orbitális(alhéj tájolása); és spin kvantumszám, vagy egyszerűen spin. Ezek az állapotok kvantumosak, vagyis „közöttük” nincs feltétele az elektron létezésének, kivéve a kvantumszámozási sémába illeszkedő állapotokat.

Glanoe (radiális) kvantumszám (n) azt az alapszintet vagy héjat írja le, amelyben az elektron található. Minél nagyobb ez a szám, annál nagyobb az elektronfelhő sugara az atommagtól, és annál nagyobb az elektron energiája. A főkvantumszámok egész számok (pozitív egész számok)

Orbitális (azimutális) kvantumszám (l) egy elektronfelhő alakját írja le egy adott héjban vagy szinten, és gyakran "alhéjként" is ismert. Bármely héjban annyi részhéj (az elektronfelhő formája) van, ahány a héj fő kvantumszáma. Az azimutális kvantumszámok pozitív egész számok, amelyek nullától kezdődnek, és a fő kvantumszámnál eggyel kisebb számra végződnek (n - 1).

Mágneses kvantumszám (m l) leírja, hogy az alhéj (elektronfelhő alakja) milyen tájolású. A részhéjaknak annyi különböző tájolása lehet, ahány (l) plusz 1, (2l+1) kétszerese (azaz l=1 esetén m l = -1, 0, 1), és minden egyedi tájolást orbitálisnak nevezünk. . Ezek a számok az alhéjszám negatív értékétől (l) 0-ig kezdődő egész számok, és az alhéjszám pozitív értékével végződnek.

Centrifugálási kvantumszám (m s) leírja az elektron egy másik tulajdonságát, és +1/2 és -1/2 értékeket vehet fel.

Pauli kizárási elv azt mondja, hogy egy atomban két elektron nem osztozhat ugyanazon a kvantumszámokon. Ezért minden pályán legfeljebb két elektron lehet (spin=1/2 és spin=-1/2), 2l+1 pálya mindegyik alhéjban, és n részhéj mindegyik héjban, és nem több.

Spektroszkópiai jelölés az atom elektronszerkezetére vonatkozó konvenció. A héjak egész számokként jelennek meg, amelyeket a héjrész betűi (s, p, d, f) követnek, és felső indexszámok jelzik az egyes részhéjakban található elektronok teljes számát.

Egy atom kémiai viselkedését kizárólag a kitöltetlen héjban lévő elektronok határozzák meg. A teljesen feltöltött alacsony szintű héjak alig vagy egyáltalán nem befolyásolják az elemek kémiai kötési jellemzőit.

A teljesen kitöltött elektronhéjjal rendelkező elemek szinte teljesen inertek, ezért ún nemes elemek (korábbi nevén inert).