Քվանտային ֆիզիկայի էությունը. Քվանտային ֆիզիկայի հիմունքները հինգ փորձարկումներում «կեղծիքների» համար

Ֆիզիկան բոլոր գիտություններից ամենաառեղծվածայինն է։ Ֆիզիկան մեզ հնարավորություն է տալիս հասկանալ մեզ շրջապատող աշխարհը: Ֆիզիկայի օրենքները բացարձակ են և կիրառվում են բոլորի համար՝ առանց բացառության՝ անկախ անձից և սոցիալական կարգավիճակից։

Այս հոդվածը նախատեսված է 18 տարեկանից բարձր անձանց համար։

Դուք արդեն 18 տարեկանից բարձր եք:

Քվանտային ֆիզիկայի հիմնարար հայտնագործությունները

Իսահակ Նյուտոնը, Նիկոլա Տեսլան, Ալբերտ Էյնշտեյնը և շատ ուրիշներ ֆիզիկայի հրաշալի աշխարհում մարդկության մեծ ուղեցույցներն են, ովքեր մարգարեների նման բացահայտեցին մարդկությանը տիեզերքի ամենամեծ գաղտնիքները և ֆիզիկական երևույթները կառավարելու ունակությունը: Նրանց պայծառ գլուխները կտրեցին անխոհեմ մեծամասնության տգիտության խավարը և առաջնորդող աստղի պես գիշերվա խավարում ցույց տվեցին մարդկության ճանապարհը։ Ֆիզիկայի աշխարհում այս դիրիժորներից մեկը Մաքս Պլանկն էր՝ քվանտային ֆիզիկայի հայրը։

Մաքս Պլանկը ոչ միայն քվանտային ֆիզիկայի հիմնադիրն է, այլ նաև աշխարհահռչակ քվանտային տեսության հեղինակը։ Քվանտային տեսությունը քվանտային ֆիզիկայի ամենակարեւոր բաղադրիչն է։ Պարզ բառերով, այս տեսությունը նկարագրում է միկրոմասնիկների շարժումը, վարքը և փոխազդեցությունը: Քվանտային ֆիզիկայի հիմնադիրը մեզ բերել է նաև բազմաթիվ այլ գիտական ​​աշխատություններ, որոնք դարձել են ժամանակակից ֆիզիկայի հիմնաքարերը.

• ջերմային ճառագայթման տեսություն;
• Հարաբերականության հատուկ տեսություն;
• հետազոտություն թերմոդինամիկայի ոլորտում;
• հետազոտություն օպտիկայի ոլորտում։

Միկրոմասնիկների վարքի և փոխազդեցության մասին քվանտային ֆիզիկայի տեսությունը հիմք դարձավ խտացված նյութի ֆիզիկայի, տարրական մասնիկների ֆիզիկայի և բարձր էներգիայի ֆիզիկայի համար։ Քվանտային տեսությունը մեզ բացատրում է մեր աշխարհի բազմաթիվ երևույթների էությունը՝ սկսած էլեկտրոնային համակարգիչների աշխատանքից մինչև երկնային մարմինների կառուցվածքն ու վարքը: Այս տեսության ստեղծող Մաքս Պլանկը իր հայտնագործության շնորհիվ թույլ տվեց մեզ հասկանալ շատ բաների իրական էությունը տարրական մասնիկների մակարդակով: Բայց այս տեսության ստեղծումը հեռու է գիտնականի միակ արժանիքից։ Նա առաջինն էր, ով հայտնաբերեց տիեզերքի հիմնարար օրենքը՝ էներգիայի պահպանման օրենքը: Մաքս Պլանկի ներդրումը գիտության մեջ դժվար է գերագնահատել: Մի խոսքով, նրա հայտնագործությունները անգին են ֆիզիկայի, քիմիայի, պատմության, մեթոդաբանության և փիլիսոփայության համար:

դաշտի քվանտային տեսություն

Մի խոսքով, դաշտի քվանտային տեսությունը միկրոմասնիկների նկարագրության տեսություն է, ինչպես նաև տարածության մեջ դրանց վարքագիծը, միմյանց հետ փոխազդեցությունը և փոխադարձ փոխակերպումները: Այս տեսությունը ուսումնասիրում է քվանտային համակարգերի վարքագիծը այսպես կոչված ազատության աստիճաններում։ Այս գեղեցիկ և ռոմանտիկ անունը մեզանից շատերին ոչինչ չի ասում: Կեղծիքների համար ազատության աստիճանները անկախ կոորդինատների քանակն են, որոնք անհրաժեշտ են մեխանիկական համակարգի շարժումը ցույց տալու համար: Պարզ ասած, ազատության աստիճանները շարժման բնութագրիչներն են: Տարրական մասնիկների փոխազդեցության ոլորտում հետաքրքիր բացահայտումներ է արել Սթիվեն Վայնբերգը։ Նա հայտնաբերել է այսպես կոչված չեզոք հոսանքը՝ քվարկների և լեպտոնների փոխազդեցության սկզբունքը, որի համար 1979 թվականին ստացել է Նոբելյան մրցանակ։

Մաքս Պլանկի քվանտային տեսությունը

18-րդ դարի իննսունական թվականներին գերմանացի ֆիզիկոս Մաքս Պլանկը սկսեց ջերմային ճառագայթման ուսումնասիրությունը և ի վերջո ստացավ էներգիայի բաշխման բանաձևը: Քվանտային վարկածը, որը ծնվել է այս ուսումնասիրությունների ընթացքում, նշանավորեց քվանտային ֆիզիկայի, ինչպես նաև դաշտի քվանտային տեսության սկիզբը՝ հայտնաբերված 1900-րդ տարում։ Պլանկի քվանտային տեսությունն այն է, որ ջերմային ճառագայթման ժամանակ արտադրված էներգիան արտանետվում և կլանվում է ոչ թե անընդհատ, այլ էպիզոդիկորեն քվանտային։ 1900 թվականը Մաքս Պլանկի կատարած այս հայտնագործության շնորհիվ դարձավ քվանտային մեխանիկայի ծննդյան տարի։ Հարկ է նշել նաև Պլանկի բանաձևը. Մի խոսքով, դրա էությունը հետևյալն է՝ այն հիմնված է մարմնի ջերմաստիճանի և նրա ճառագայթման հարաբերակցության վրա։

Ատոմի կառուցվածքի քվանտ-մեխանիկական տեսություն

Ատոմի կառուցվածքի քվանտային մեխանիկական տեսությունը քվանտային ֆիզիկայի և, իսկապես, ընդհանրապես ֆիզիկայի հասկացությունների հիմնական տեսություններից մեկն է։ Այս տեսությունը մեզ թույլ է տալիս հասկանալ ամեն նյութականի կառուցվածքը և բացում է գաղտնիության շղարշը, թե իրականում ինչից են բաղկացած իրերը: Եվ այս տեսության վրա հիմնված եզրակացությունները շատ անսպասելի են։ Հակիրճ դիտարկենք ատոմի կառուցվածքը: Այսպիսով, ինչի՞ց է իրականում կազմված ատոմը: Ատոմը բաղկացած է միջուկից և էլեկտրոնների ամպից։ Ատոմի հիմքը՝ նրա միջուկը, պարունակում է բուն ատոմի գրեթե ողջ զանգվածը՝ ավելի քան 99 տոկոս։ Միջուկը միշտ դրական լիցք ունի, և դա որոշում է այն քիմիական տարրը, որի մասն է կազմում ատոմը։ Ատոմի միջուկի հետ կապված ամենահետաքրքիրն այն է, որ այն պարունակում է ատոմի գրեթե ամբողջ զանգվածը, բայց միևնույն ժամանակ այն զբաղեցնում է նրա ծավալի միայն տասը հազարերորդ մասը։ Ի՞նչ է հետևում սրանից։ Իսկ եզրակացությունը շատ անսպասելի է. Սա նշանակում է, որ ատոմի խիտ նյութը կազմում է ընդամենը տասնհազարերորդականը։ Իսկ մնացած ամեն ինչի մասին: Ատոմում մնացած ամեն ինչ էլեկտրոնային ամպ է:

Էլեկտրոնային ամպը մշտական ​​և նույնիսկ, ըստ էության, նյութական նյութ չէ: Էլեկտրոնային ամպը պարզապես ատոմում էլեկտրոնների հայտնվելու հավանականությունն է: Այսինքն՝ միջուկը ատոմում զբաղեցնում է ընդամենը մեկ տասը հազարերորդը, իսկ մնացած ամեն ինչը դատարկություն է։ Եվ եթե հաշվի առնենք, որ մեզ շրջապատող բոլոր առարկաները՝ փոշու մասնիկներից մինչև երկնային մարմիններ, մոլորակներ և աստղեր, բաղկացած են ատոմներից, կստացվի, որ նյութական ամեն ինչ իրականում բաղկացած է 99 տոկոսից ավելի դատարկությունից։ Այս տեսությունը միանգամայն անհավանական է թվում, իսկ դրա հեղինակը, համենայնդեպս, մոլորված մարդ, քանի որ շուրջը գոյություն ունեցող իրերը ամուր հետևողականություն ունեն, կշիռ ունեն և զգալ։ Ինչպե՞ս կարող է այն բաղկացած լինել դատարկությունից: Սխա՞լ է մտել նյութի կառուցվածքի այս տեսության մեջ: Բայց այստեղ ոչ մի սխալ չկա։

Բոլոր նյութական իրերը խիտ են թվում միայն ատոմների փոխազդեցության շնորհիվ: Իրերը ամուր և խիտ հետևողականություն ունեն միայն ատոմների միջև ներգրավման կամ վանման շնորհիվ: Սա ապահովում է քիմիական նյութերի բյուրեղային ցանցի խտությունը և կարծրությունը, որից բաղկացած է ամեն նյութ: Բայց, հետաքրքիր կետ, երբ, օրինակ, շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանի պայմանները փոխվում են, ատոմների միջև կապերը, այսինքն՝ նրանց ձգողությունն ու վանումը, կարող են թուլանալ, ինչը հանգեցնում է բյուրեղային ցանցի թուլացման և նույնիսկ ոչնչացման։ Սա բացատրում է տաքացման ժամանակ նյութերի ֆիզիկական հատկությունների փոփոխությունը: Օրինակ, երբ երկաթը տաքացվում է, այն դառնում է հեղուկ և կարող է ձևավորվել ցանկացած ձևի: Իսկ երբ սառույցը հալվում է, բյուրեղային ցանցի քայքայումը հանգեցնում է նյութի վիճակի փոփոխության, և այն պինդից վերածվում է հեղուկի։ Սրանք ատոմների միջև կապերի թուլացման և, որպես հետևանք, բյուրեղային ցանցի թուլացման կամ ոչնչացման հստակ օրինակներ են, և թույլ են տալիս նյութին դառնալ ամորֆ: Իսկ նման առեղծվածային մետամորֆոզների պատճառը հենց այն է, որ նյութերը խիտ նյութից կազմված են ընդամենը տասը հազարերորդով, իսկ մնացած ամեն ինչը դատարկություն է։

Իսկ նյութերը կարծես պինդ են միայն ատոմների միջև ամուր կապերի պատճառով, որոնց թուլացման հետ նյութը փոխվում է։ Այսպիսով, ատոմի կառուցվածքի քվանտային տեսությունը թույլ է տալիս մեզ բոլորովին այլ հայացքով նայել մեզ շրջապատող աշխարհին։

Ատոմի տեսության հիմնադիր Նիլս Բորը առաջ քաշեց մի հետաքրքիր հայեցակարգ, որ ատոմում էլեկտրոնները էներգիա են ճառագայթում անընդհատ, այլ միայն իրենց շարժման հետագծերի միջև անցման պահին։ Բորի տեսությունն օգնեց բացատրել բազմաթիվ ներատոմային գործընթացներ, ինչպես նաև բեկում մտցրեց քիմիայի գիտության մեջ՝ բացատրելով Մենդելեևի ստեղծած աղյուսակի սահմանը։ Ըստ , վերջին տարրը, որը կարող է գոյություն ունենալ ժամանակի և տարածության մեջ, ունի հարյուր երեսունյոթ սերիական համարը, իսկ հարյուր երեսունութերորդից սկսվող տարրերը չեն կարող գոյություն ունենալ, քանի որ դրանց գոյությունը հակասում է հարաբերականության տեսությանը: Նաև Բորի տեսությունը բացատրեց այնպիսի ֆիզիկական երևույթի բնույթը, ինչպիսին ատոմային սպեկտրն է։

Սրանք ազատ ատոմների փոխազդեցության սպեկտրներն են, որոնք առաջանում են, երբ նրանց միջև էներգիա է արտանետվում: Նման երևույթները բնորոշ են գազային, գոլորշիային և պլազմային վիճակում գտնվող նյութերին։ Այսպիսով, քվանտային տեսությունը հեղափոխություն կատարեց ֆիզիկայի աշխարհում և թույլ տվեց գիտնականներին առաջադիմել ոչ միայն այս գիտության, այլ նաև հարակից շատ գիտությունների ոլորտում՝ քիմիա, թերմոդինամիկա, օպտիկա և փիլիսոփայություն: Եվ նաև մարդկությանը թույլ տվեց թափանցել իրերի էության գաղտնիքները:

Մարդկությունը դեռ շատ անելիքներ ունի իր գիտակցության մեջ՝ գիտակցելու ատոմների բնույթը, հասկանալու նրանց վարքագծի և փոխազդեցության սկզբունքները։ Սա հասկանալով, մենք կկարողանանք հասկանալ մեզ շրջապատող աշխարհի բնույթը, քանի որ այն ամենը, ինչ մեզ շրջապատում է, սկսած փոշու մասնիկներից և վերջացրած հենց արևով, և մենք ինքներս ամեն ինչ բաղկացած է ատոմներից, որոնց բնույթը խորհրդավոր է: և զարմանալի ու լի շատ գաղտնիքներով:

Ողջույն սիրելի ընթերցողներ: Եթե ​​դուք չեք ցանկանում հետ մնալ կյանքից, ցանկանում եք դառնալ իսկապես երջանիկ և առողջ մարդ, դուք պետք է իմանաք քվանտային ժամանակակից ֆիզիկայի գաղտնիքների մասին, գոնե մի փոքր պատկերացում, թե ինչ խորքեր են փորել այսօր գիտնականները: Դուք ժամանակ չունեք խորը գիտական ​​մանրամասների մեջ մտնելու համար, բայց ուզում եք հասկանալ միայն էությունը, բայց տեսնել անհայտ աշխարհի գեղեցկությունը, ապա այս հոդվածը. քվանտային ֆիզիկան սովորական բադիկների կամ, կարելի է ասել, տնային տնտեսուհիների համար, պարզապես քեզ համար. Ես կփորձեմ բացատրել, թե ինչ է քվանտային ֆիզիկան, բայց պարզ բառերով՝ պարզ ցույց տալ։

«Ի՞նչ կապ կա երջանկության, առողջության և քվանտային ֆիզիկայի միջև», - հարցնում եք:

Փաստն այն է, որ այն օգնում է պատասխանել բազմաթիվ անհասկանալի հարցերի՝ կապված մարդու գիտակցության, մարմնի վրա գիտակցության ազդեցության հետ։ Ցավոք, բժշկությունը, հենվելով դասական ֆիզիկայի վրա, միշտ չէ, որ օգնում է մեզ առողջ լինել։ Իսկ հոգեբանությունը չի կարող ինչպես հարկն է ասել, թե ինչպես գտնել երջանկություն:

Միայն աշխարհի մասին ավելի խորը իմացությունը կօգնի մեզ հասկանալ, թե ինչպես իսկապես հաղթահարել հիվանդությունը և որտեղ է ապրում երջանկությունը: Այս գիտելիքը գտնվում է տիեզերքի խորը շերտերում: Քվանտային ֆիզիկան օգնության է հասնում։ Շուտով դուք ամեն ինչ կիմանաք։

Ի՞նչ է ուսումնասիրում քվանտային ֆիզիկան պարզ բառերով

Այո, իսկապես, քվանտային ֆիզիկան շատ դժվար է հասկանալ, քանի որ այն ուսումնասիրում է միկրոաշխարհի օրենքները: Այսինքն՝ աշխարհն իր ավելի խոր շերտերում, շատ փոքր հեռավորությունների վրա, որտեղ մարդու համար շատ դժվար է նայել։

Իսկ աշխարհն այնտեղ, պարզվում է, իրեն շատ տարօրինակ, խորհրդավոր ու անհասկանալի է պահում, ոչ այնպես, ինչպես մենք սովոր ենք։

Այստեղից էլ քվանտային ֆիզիկայի ամբողջ բարդությունն ու թյուրիմացությունը:

Բայց այս հոդվածը կարդալուց հետո դուք կընդլայնեք ձեր գիտելիքների հորիզոնները և բոլորովին այլ կերպ կնայեք աշխարհին։

Հակիրճ քվանտային ֆիզիկայի պատմության մասին

Ամեն ինչ սկսվեց 20-րդ դարի սկզբին, երբ նյուտոնյան ֆիզիկան չկարողացավ շատ բան բացատրել, և գիտնականները մտան փակուղի։ Այնուհետև Մաքս Պլանկը ներկայացրեց քվանտ հասկացությունը: Ալբերտ Էյնշտեյնը վերցրեց այս գաղափարը և ապացուցեց, որ լույսը շարունակաբար չի տարածվում, այլ մասերով՝ քվանտա (ֆոտոններ): Մինչ այս ենթադրվում էր, որ լույսն ունի ալիքային բնույթ։

Բայց ինչպես հետագայում պարզվեց, ցանկացած տարրական մասնիկ ոչ միայն քվանտ է, այսինքն՝ պինդ մասնիկ, այլ նաև ալիք։ Ահա թե ինչպես հայտնվեց կորպուսուլյար-ալիքային դուալիզմը քվանտային ֆիզիկայում՝ առաջին պարադոքսը և միկրոաշխարհի առեղծվածային երևույթների բացահայտումների սկիզբը։

Ամենահետաքրքիր պարադոքսները սկսվեցին, երբ իրականացվեց հայտնի կրկնակի ճեղքվածքի փորձը, որից հետո առեղծվածները շատ ավելի շատացան։ Կարելի է ասել, որ քվանտային ֆիզիկան սկսվել է նրանից։ Եկեք նայենք դրան:

Կրկնակի ճեղքվածքով փորձ քվանտային ֆիզիկայում

Պատկերացրեք մի ափսե՝ երկու սլաքներով՝ ուղղահայաց գծերի տեսքով: Այս ափսեի հետևում մենք էկրան կդնենք: Եթե ​​լույսն ուղղենք ափսեի վրա, էկրանին կտեսնենք միջամտության նախշ: Այսինքն՝ փոփոխական մուգ ու վառ ուղղահայաց շերտեր։ Միջամտությունը ինչ-որ բանի, մեր դեպքում լույսի ալիքային վարքի արդյունք է:

Եթե ​​ջրի ալիքն անցկացնեք կողք կողքի գտնվող երկու անցքերի միջով, ապա կհասկանաք, թե որն է միջամտությունը։ Այսինքն, պարզվում է, որ լույսը մի տեսակ ալիքային բնույթ ունի: Բայց ինչպես ապացուցել է ֆիզիկան, ավելի ճիշտ՝ Էյնշտեյնը, այն տարածվում է ֆոտոնների մասնիկներով։ Արդեն պարադոքս. Բայց ոչինչ, կորպուսկուլյար ալիքային դուալիզմը մեզ այլևս չի զարմացնի: Քվանտային ֆիզիկան մեզ ասում է, որ լույսն իրեն ալիքի նման է պահում, բայց կազմված է ֆոտոններից: Բայց հրաշքները դեռ նոր են սկսվում։

Երկու անցքերով ափսեի դիմաց ատրճանակ դնենք, որը ոչ թե լույս, այլ էլեկտրոններ կարձակի։ Եկեք սկսենք կրակել էլեկտրոնների վրա: Ի՞նչ կտեսնենք ափսեի հետևում գտնվող էկրանին:

Ի վերջո, էլեկտրոնները մասնիկներ են, ինչը նշանակում է, որ էլեկտրոնների հոսքը, անցնելով երկու ճեղքերով, պետք է էկրանի վրա թողնի միայն երկու շերտ, երկու հետք՝ ճեղքերի դիմաց։ Պատկերացրե՞լ եք, թե ինչպես են խճաքարերը թռչում երկու անցքերի միջով և հարվածում էկրանին:

Բայց ի՞նչ ենք մենք իրականում տեսնում: Բոլորը նույն միջամտության օրինակը. Ո՞րն է եզրակացությունը՝ էլեկտրոնները տարածվում են ալիքներով։ Այսպիսով, էլեկտրոնները ալիքներ են: Բայց վերջիվերջո դա տարրական մասնիկ է։ Կրկին կորպուսկուլյար ալիքային դուալիզմը ֆիզիկայում։

Բայց մենք կարող ենք ենթադրել, որ ավելի խորը մակարդակում էլեկտրոնը մասնիկ է, և երբ այս մասնիկները միանում են, նրանք սկսում են իրենց ալիքների նման պահել: Օրինակ՝ ծովի ալիքը ալիք է, բայց այն կազմված է ջրի կաթիլներից, իսկ ավելի փոքր մակարդակում՝ մոլեկուլներից, իսկ հետո՝ ատոմներից։ Լավ, տրամաբանությունը ամուր է:

Հետո եկեք կրակենք ատրճանակից ոչ թե էլեկտրոնների հոսքով, այլ էլեկտրոններ թողնենք առանձին, որոշակի ժամանակ անց։ Ասես ճեղքերով անցնում էինք ոչ թե ծովի ալիք, այլ մանկական ջրային ատրճանակից առանձին կաթիլներ թքելով։

Միանգամայն տրամաբանական է, որ այս դեպքում ջրի տարբեր կաթիլներ իջնեն տարբեր անցքեր։ Ափսեի հետևում գտնվող էկրանին կարելի էր տեսնել ոչ թե ալիքի միջամտության օրինաչափություն, այլ յուրաքանչյուր ճեղքի դիմաց երկու հստակ հարվածային եզրեր: Նույն բանը կտեսնենք, եթե փոքրիկ քարեր նետենք, նրանք, թռչելով երկու ճեղքերով, հետք կթողնեն, ինչպես ստվերը երկու անցքից։ Հիմա եկեք նկարահանենք առանձին էլեկտրոններ, որպեսզի տեսնենք այս երկու շերտերը էկրանին էլեկտրոնների ազդեցությունից: Մեկին բաց թողեցին, սպասեցին, երկրորդը՝ սպասեցին և այլն։ Քվանտային ֆիզիկոսներին հաջողվել է նման փորձ անել։

Բայց սարսափ. Այս երկու ծոպերի փոխարեն ստացվում են մի քանի ծոպերի նույն ինտերֆերենցիոն փոփոխությունները։ Ինչու այդպես? Դա կարող է տեղի ունենալ, եթե էլեկտրոնը թռչի միաժամանակ երկու ճեղքերով, բայց թիթեղի հետևում, ալիքի նման, բախվի ինքն իրեն և խանգարի։ Բայց դա չի կարող լինել, քանի որ մասնիկը չի կարող միաժամանակ երկու տեղում լինել։ Այն կամ թռչում է առաջին բնիկով կամ երկրորդով:

Այստեղից են սկսվում քվանտային ֆիզիկայի իսկապես ֆանտաստիկ բաները:

Սուպերպոզիցիան քվանտային ֆիզիկայում

Ավելի խորը վերլուծության արդյունքում գիտնականները պարզում են, որ ցանկացած տարրական քվանտային մասնիկ կամ նույն լույսը (ֆոտոն) իրականում կարող է լինել միաժամանակ մի քանի վայրերում: Եվ սրանք հրաշքներ չեն, այլ միկրոտիեզերքի իրական փաստեր։ Ահա թե ինչ է ասում քվանտային ֆիզիկան։ Այդ իսկ պատճառով թնդանոթից առանձին մասնիկ կրակելիս տեսնում ենք միջամտության արդյունք։ Թիթեղի հետևում էլեկտրոնը բախվում է ինքն իրեն և ստեղծում միջամտության օրինաչափություն:

Մակրոկոսմի սովորական առարկաները միշտ մեկ տեղում են, ունեն մեկ վիճակ. Օրինակ, դուք հիմա նստած եք աթոռի վրա, կշռում եք, ասենք, 50 կգ, ունեք զարկերակային արագություն 60 զարկ/րոպեում: Իհարկե, այդ ցուցումները կփոխվեն, բայց որոշ ժամանակ անց կփոխվեն։ Ի վերջո, դուք չեք կարող միաժամանակ լինել տանը և աշխատավայրում՝ 50 և 100 կգ քաշով։ Այս ամենը հասկանալի է, սա ողջախոհություն է։

Միկրոտիեզերքի ֆիզիկայում ամեն ինչ այլ է։

Քվանտային մեխանիկան պնդում է, և դա արդեն հաստատվել է փորձնականորեն, որ ցանկացած տարրական մասնիկ կարող է միաժամանակ լինել ոչ միայն տարածության մի քանի կետերում, այլև միաժամանակ ունենալ մի քանի վիճակ, օրինակ՝ սպինը։

Այս ամենը չի տեղավորվում գլխի մեջ, խաթարում է աշխարհի սովորական գաղափարը, ֆիզիկայի հին օրենքները, շրջում է մտածողությունը, կարելի է վստահորեն ասել, որ դա ձեզ խելագարեցնում է:

Քվանտային մեխանիկայի մեջ այսպես ենք հասկանում «գերդիրքավորում» տերմինը։

Սուպերպոզիցիան նշանակում է, որ միկրոտիեզերքի օբյեկտը կարող է միաժամանակ գտնվել տարածության տարբեր կետերում, ինչպես նաև ունենալ մի քանի վիճակներ միաժամանակ: Եվ դա նորմալ է տարրական մասնիկների համար։ Այդպիսին է միկրոաշխարհի օրենքը, որքան էլ դա տարօրինակ ու ֆանտաստիկ թվա։

Դուք զարմանում եք, բայց դրանք միայն ծաղիկներ են, քվանտային ֆիզիկայի ամենաանբացատրելի հրաշքները, առեղծվածներն ու պարադոքսները դեռ առջևում են:

Ալիքային ֆունկցիայի փլուզումը ֆիզիկայում պարզ բառերով

Այնուհետև գիտնականները որոշեցին պարզել և ավելի հստակ տեսնել, թե իրականում էլեկտրոնն անցնում է երկու ճեղքերով: Հանկարծ այն անցնում է մեկ ճեղքով, իսկ հետո ինչ-որ կերպ առանձնանում և ստեղծում է միջամտության օրինաչափություն, երբ անցնում է: Դե, դուք երբեք չգիտեք: Այսինքն՝ ճեղքի մոտ պետք է տեղադրել ինչ-որ սարք, որը ճշգրիտ կգրանցի էլեկտրոնի անցումը դրա միջով։ Ոչ շուտ ասված է, քան արված է: Իհարկե, դա դժվար է իրականացնել, էլեկտրոնի անցումը տեսնելու համար պետք է ոչ թե սարք, այլ մեկ այլ բան։ Բայց գիտնականները դա արել են:

Բայց ի վերջո արդյունքը ապշեցրեց բոլորին։

Հենց որ մենք սկսում ենք նայել, թե որ ճեղքով է անցնում էլեկտրոնը, այն սկսում է իրեն պահել ոչ թե ալիքի նման, ոչ թե տարօրինակ նյութի, որը միաժամանակ տեղակայված է տիեզերքի տարբեր կետերում, այլ սովորական մասնիկի նման։ Այսինքն՝ այն սկսում է ցույց տալ քվանտի սպեցիֆիկ հատկությունները՝ այն գտնվում է միայն մեկ տեղում, անցնում է մեկ բնիկով, ունի մեկ պտույտի արժեք։ Այն, ինչ երևում է էկրանին, ոչ թե միջամտության օրինակ է, այլ ճեղքի դիմաց պարզ հետք:

Բայց ինչպես է դա հնարավոր։ Ոնց որ էլեկտրոնը կատակում է, խաղում է մեզ հետ։ Սկզբում այն ​​իրեն ալիքի պես է պահում, իսկ հետո, երբ մենք որոշեցինք դիտել նրա անցումը ճեղքվածքով, այն ցույց է տալիս պինդ մասնիկի հատկությունները և անցնում է միայն մեկ ճեղքով։ Բայց միկրոտիեզերքում դա այդպես է: Սրանք քվանտային ֆիզիկայի օրենքներն են։

Գիտնականները տարրական մասնիկների մեկ այլ առեղծվածային հատկություն են տեսել. Քվանտային ֆիզիկայում այսպես են ի հայտ եկել անորոշություն և ալիքային ֆունկցիայի փլուզում հասկացությունները։

Երբ էլեկտրոնը թռչում է դեպի բացը, այն գտնվում է անորոշ վիճակում կամ, ինչպես ասացինք վերևում, սուպերպոզիցիայի մեջ։ Այսինքն, այն իրեն պահում է ալիքի պես, այն միաժամանակ տեղակայված է տարածության տարբեր կետերում, ունի երկու պտույտի արժեք (սպինն ունի ընդամենը երկու արժեք): Եթե ​​մենք չդիպչեինք դրան, չփորձեինք նայել, չպարզեինք, թե որտեղ է այն, եթե չչափեինք նրա պտույտի արժեքը, այն ալիքի պես կթռչի երկու ճեղքերի միջով։ միևնույն ժամանակ, ինչը նշանակում է, որ այն կստեղծի միջամտության օրինակ: Քվանտային ֆիզիկան նկարագրում է իր հետագիծն ու պարամետրերը՝ օգտագործելով ալիքային ֆունկցիան։

Չափումը կատարելուց հետո (և միկրոաշխարհի մասնիկը հնարավոր է չափել միայն նրա հետ փոխազդելով, օրինակ՝ մեկ այլ մասնիկի հետ բախվելով), ապա ալիքի ֆունկցիան փլուզվում է։

Այսինքն՝ այժմ էլեկտրոնը գտնվում է տարածության մեջ ճիշտ մեկ տեղում, ունի մեկ սպինի արժեք։

Կարելի է ասել, որ տարրական մասնիկը նման է ուրվականի, թվում է, թե գոյություն ունի, բայց միևնույն ժամանակ այն մեկ տեղում չէ և որոշակի հավանականությամբ կարող է լինել ալիքի ֆունկցիայի նկարագրության ցանկացած կետում։ Բայց հենց որ մենք սկսում ենք կապվել նրա հետ, այն ուրվական առարկայից վերածվում է իրական շոշափելի նյութի, որն իրեն պահում է դասական աշխարհի սովորական առարկաների պես, որոնք մեզ ծանոթ են:

«Սա ֆանտաստիկ է», - ասում եք դուք: Իհարկե, բայց քվանտային ֆիզիկայի հրաշքները դեռ նոր են սկսվում: Ամենաանհավանականը դեռ առջևում է: Բայց եկեք ընդմիջենք տեղեկատվության առատությունից և վերադառնանք քվանտային արկածներին մեկ այլ անգամ՝ մեկ այլ հոդվածում։ Միևնույն ժամանակ մտածեք այն մասին, ինչ սովորեցիք այսօր։ Ինչի՞ կարող են հանգեցնել նման հրաշքները։ Ի վերջո, նրանք մեզ շրջապատում են, սա մեր աշխարհի սեփականությունն է, թեկուզ ավելի խորը մակարդակով։ Մենք դեռ կարծում ենք, որ ապրում ենք ձանձրալի աշխարհում: Բայց եզրակացություններ կանենք ավելի ուշ։

Փորձեցի հակիրճ և հստակ խոսել քվանտային ֆիզիկայի հիմունքների մասին։

Բայց եթե ինչ-որ բան չեք հասկանում, ապա դիտեք այս մուլտֆիլմը քվանտային ֆիզիկայի մասին, երկու ճեղքերով փորձի մասին, այնտեղ նույնպես ամեն ինչ պատմվում է հասկանալի, պարզ լեզվով։

Մուլտֆիլմ քվանտային ֆիզիկայի մասին.

Կամ կարող եք դիտել այս տեսանյութը, ամեն ինչ իր տեղը կընկնի, քվանտային ֆիզիկան շատ հետաքրքիր է։

Տեսանյութ քվանտային ֆիզիկայի մասին.

Ինչպե՞ս նախկինում չգիտեիք այս մասին:

Քվանտային ֆիզիկայի ժամանակակից հայտնագործությունները փոխում են մեր ծանոթ նյութական աշխարհը:

Բարի գալուստ բլոգ: Ես շատ ուրախ եմ ձեզ համար:

Անշուշտ դուք բազմիցս լսել եք քվանտային ֆիզիկայի և քվանտային մեխանիկայի անբացատրելի առեղծվածների մասին. Նրա օրենքները հիացնում են միստիցիզմով, և նույնիսկ իրենք՝ ֆիզիկոսներն են ընդունում, որ դրանք լիովին չեն հասկանում։ Մի կողմից հետաքրքիր է հասկանալ այս օրենքները, բայց մյուս կողմից՝ ժամանակ չկա ֆիզիկայի վերաբերյալ բազմահատոր ու բարդ գրքեր կարդալու համար։ Ես քեզ շատ եմ հասկանում, քանի որ ես նաև սիրում եմ գիտելիքն ու ճշմարտության որոնումը, բայց բոլոր գրքերի համար ժամանակն այնքան էլ չի բավականացնում։ Դուք մենակ չեք, շատ հետաքրքրասեր մարդիկ որոնման տողում մուտքագրում են. «Քվանտային ֆիզիկա սյուժեների համար, քվանտային մեխանիկա՝ խաբեբաների համար, քվանտային ֆիզիկա սկսնակների համար, քվանտային մեխանիկա սկսնակների համար, քվանտային ֆիզիկայի հիմունքներ, քվանտային մեխանիկայի հիմունքներ, քվանտային ֆիզիկա երեխաների համար, ինչ է քվանտային մեխանիկա»: Այս գրառումը ձեզ համար է.

Դուք կհասկանաք քվանտային ֆիզիկայի հիմնական հասկացությունները և պարադոքսները: Հոդվածից դուք կսովորեք.

• Ի՞նչ է միջամտությունը:
• Ի՞նչ է սպինը և սուպերպոզիցիան:
• Ի՞նչ է «չափումը» կամ «ալիքային ֆունկցիայի փլուզումը»:
• Ի՞նչ է քվանտային խճճվածությունը (կամ քվանտային տելեպորտացիան խաբեբաների համար): (տես հոդվածը)
• Ի՞նչ է Շրյոդինգերի կատվի մտքի փորձը: (տես հոդվածը)

Ի՞նչ է քվանտային ֆիզիկան և քվանտային մեխանիկա:

Քվանտային մեխանիկա քվանտային ֆիզիկայի մի մասն է։

Ինչու՞ է այդքան դժվար հասկանալ այս գիտությունները: Պատասխանը պարզ է՝ քվանտային ֆիզիկան և քվանտային մեխանիկան (քվանտային ֆիզիկայի մի մասը) ուսումնասիրում են միկրոաշխարհի օրենքները։ Եվ այս օրենքները բացարձակապես տարբերվում են մեր մակրոկոսմի օրենքներից։ Ուստի մեզ համար դժվար է պատկերացնել, թե ինչ է տեղի ունենում միկրոտիեզերքի էլեկտրոնների և ֆոտոնների հետ։

Մակրո և միկրոաշխարհների օրենքների տարբերության օրինակՄեր մակրոտիեզերքում, եթե 2 տուփերից մեկի մեջ գնդիկ դնես, ապա դրանցից մեկը դատարկ կլինի, իսկ մյուսը՝ գնդակ: Բայց միկրոտիեզերքում (եթե գնդակի փոխարեն՝ ատոմ), ատոմը կարող է միաժամանակ լինել երկու տուփի մեջ։ Սա բազմիցս հաստատվել է փորձնականորեն: Դժվա՞ր չէ գլխիդ դնելը։ Բայց դուք չեք կարող վիճել փաստերի հետ:

Եվս մեկ օրինակ.Դուք լուսանկարել եք արագ մրցարշավային կարմիր սպորտային մեքենա և լուսանկարում տեսել եք հորիզոնական հորիզոնական շերտ, կարծես լուսանկարի պահին մեքենան տարածության մի քանի կետից է: Չնայած նրան, ինչ տեսնում եք լուսանկարում, դուք դեռ վստահ եք, որ մեքենան եղել է այն պահին, երբ այն լուսանկարել եք։ տարածության մեկ կոնկրետ վայրում. Միկրո աշխարհում այդպես չէ: Էլեկտրոնը, որը պտտվում է ատոմի միջուկի շուրջ, իրականում չի պտտվում, բայց գտնվում է միաժամանակ ոլորտի բոլոր կետերումատոմի միջուկի շուրջ։ Ինչպես փափկամազ բուրդից ազատ վիրակապ գնդիկի պես: Այս հասկացությունը ֆիզիկայում կոչվում է «էլեկտրոնային ամպ» .

Մի փոքրիկ շեղում պատմության մեջ.Առաջին անգամ գիտնականները մտածեցին քվանտային աշխարհի մասին, երբ 1900 թվականին գերմանացի ֆիզիկոս Մաքս Պլանկը փորձեց պարզել, թե ինչու են մետաղները փոխում գույնը տաքանալիս: Հենց նա ներկայացրեց քվանտ հասկացությունը։ Մինչ այդ գիտնականները կարծում էին, որ լույսն անընդհատ շրջում է։ Առաջին մարդը, ով լրջորեն ընդունեց Պլանկի հայտնագործությունը, այդ ժամանակ անհայտ Ալբերտ Էյնշտեյնն էր։ Նա հասկացավ, որ լույսը միայն ալիք չէ։ Երբեմն այն իրեն մասնիկի պես է պահում։ Էյնշտեյնը Նոբելյան մրցանակ ստացավ իր բացահայտման համար, որ լույսն արտանետվում է չափաբաժիններով՝ քվանտաներով։ Լույսի քվանտը կոչվում է ֆոտոն ( ֆոտոն, Վիքիպեդիա) .

Որպեսզի ավելի հեշտ լինի հասկանալ քվանտային օրենքները ֆիզիկաԵվ մեխանիկա (Վիքիպեդիա), անհրաժեշտ է, որոշակի առումով, վերացական լինել մեզ ծանոթ դասական ֆիզիկայի օրենքներից։ Եվ պատկերացրեք, որ դուք Ալիսի պես սուզվել եք նապաստակի անցքից դեպի Հրաշքների երկիր:

Եվ ահա մուլտֆիլմ երեխաների և մեծահասակների համար:Խոսում է քվանտային մեխանիկայի հիմնարար փորձի մասին 2 ճեղքերով և դիտորդով։ Տևում է ընդամենը 5 րոպե։ Դիտեք այն նախքան քվանտային ֆիզիկայի հիմնական հարցերն ու հասկացությունները խորանալը:

Քվանտային ֆիզիկա խաբեբաների համար տեսանյութ. Մուլտֆիլմում ուշադրություն դարձրեք դիտորդի «աչքին». Դա լուրջ առեղծված է դարձել ֆիզիկոսների համար։

Ի՞նչ է միջամտությունը:

Մուլտֆիլմի սկզբում, օգտագործելով հեղուկի օրինակ, ցուցադրվեց, թե ինչպես են իրենց պահում ալիքները՝ հերթափոխով մուգ և բաց ուղղահայաց գծերը հայտնվում են էկրանին սլաքներով ափսեի հետևում: Իսկ այն դեպքում, երբ դիսկրետ մասնիկները (օրինակ՝ խճաքարերը) «կրակում են» ափսեի վրա, նրանք թռչում են 2 անցքերով և հարվածում էկրանին ուղիղ անցքերի դիմաց։ Իսկ էկրանին «գծել» ընդամենը 2 ուղղահայաց գծեր։

Լույսի միջամտություն- Սա լույսի «ալիքային» վարքագիծն է, երբ էկրանին ցուցադրվում են բազմաթիվ փոփոխական վառ և մուգ ուղղահայաց գծեր։ Եվ այդ ուղղահայաց շերտերը կոչվում է միջամտության օրինաչափություն.

Մեր մակրոկոսմում մենք հաճախ նկատում ենք, որ լույսն իրեն ալիքի նման է պահում: Եթե ​​ձեր ձեռքը դնեք մոմի դիմաց, ապա պատին ձեռքից ոչ թե հստակ ստվեր կլինի, այլ մշուշոտ եզրագծերով։

Այսպիսով, ամեն ինչ այնքան էլ դժվար չէ: Մեզ համար այժմ միանգամայն պարզ է, որ լույսն ունի ալիքային բնույթ, և եթե 2 ճեղքերը լուսավորված են լույսով, ապա դրանց հետևի էկրանին մենք կտեսնենք միջամտության օրինաչափություն։ Այժմ դիտարկենք 2-րդ փորձը։ Սա Stern-Gerlach-ի հայտնի փորձն է (որն իրականացվել է անցյալ դարի 20-ական թվականներին)։

Մուլտֆիլմում նկարագրված ինստալյացիայի մեջ դրանք ոչ թե լույսով են փայլել, այլ «կրակել» էլեկտրոններով (որպես առանձին մասնիկներ)։ Հետո, անցյալ դարի սկզբին, ամբողջ աշխարհի ֆիզիկոսները կարծում էին, որ էլեկտրոնները նյութի տարրական մասնիկներ են և չպետք է ունենան ալիքային բնույթ, այլ նույնը, ինչ խճաքարերը։ Ի վերջո, էլեկտրոնները նյութի տարրական մասնիկներ են, չէ՞: Այսինքն, եթե դրանք «գցվում են» 2 անցքերի, ինչպես խճաքարերը, ապա անցքերի հետևի էկրանին մենք պետք է տեսնենք 2 ուղղահայաց գծեր։

Բայց… Արդյունքը ապշեցուցիչ էր: Գիտնականները տեսան միջամտության օրինակ՝ շատ ուղղահայաց շերտեր: Այսինքն՝ էլեկտրոնները, ինչպես լույսը, կարող են ունենալ նաև ալիքային բնույթ, կարող են խանգարել։ Մյուս կողմից պարզ դարձավ, որ լույսը ոչ միայն ալիք է, այլ նաև մասնիկ՝ ֆոտոն (հոդվածի սկզբում պատմական ֆոնից տեղեկացանք, որ Էյնշտեյնը Նոբելյան մրցանակ է ստացել այս հայտնագործության համար)։

Երևի հիշում եք, որ դպրոցում մեզ ասում էին ֆիզիկայից «մասնիկ-ալիքային դուալիզմ»? Դա նշանակում է, որ երբ խոսքը վերաբերում է միկրոաշխարհի շատ փոքր մասնիկներին (ատոմներ, էլեկտրոններ), ապա. դրանք և՛ ալիքներ են, և՛ մասնիկներ

Այսօր է, որ ես և դու այնքան խելացի ենք և հասկանում ենք, որ վերը նկարագրված 2 փորձերը՝ էլեկտրոններով կրակելը և լույսով անցքերը լուսավորելը, նույն բանն են։ Քանի որ մենք քվանտային մասնիկներ ենք կրակում ճեղքերի վրա: Այժմ մենք գիտենք, որ և՛ լույսը, և՛ էլեկտրոնները քվանտային բնույթ ունեն, դրանք միաժամանակ և՛ ալիքներ են, և՛ մասնիկներ: Իսկ 20-րդ դարի սկզբին այս փորձի արդյունքները սենսացիա էին։

Ուշադրություն. Հիմա անցնենք ավելի նուրբ խնդրի.

Մենք փայլում ենք մեր ճեղքերի վրա ֆոտոնների (էլեկտրոնների) հոսքով - և էկրանի ճեղքերի հետևում տեսնում ենք միջամտության օրինակ (ուղղահայաց շերտեր): Պարզ է. Բայց մեզ հետաքրքրում է տեսնել, թե ինչպես է էլեկտրոններից յուրաքանչյուրը թռչում ճեղքի միջով:

Ենթադրաբար, մի էլեկտրոն թռչում է դեպի ձախ ճեղքը, մյուսը՝ աջ։ Բայց այնուհետև 2 ուղղահայաց գծեր պետք է հայտնվեն էկրանին ուղիղ անցքերի դիմաց: Ինչու՞ է ստացվում միջամտության օրինաչափություն: Միգուցե էլեկտրոնները ինչ-որ կերպ փոխազդում են միմյանց հետ արդեն էկրանի վրա՝ ճեղքերով թռչելուց հետո: Եվ արդյունքը նման ալիքային օրինաչափություն է: Ինչպե՞ս կարող ենք հետևել դրան:

Մենք էլեկտրոնները կնետենք ոչ թե ճառագայթով, այլ մեկ առ մեկ։ Բաց թողեք, սպասեք, գցեք հաջորդը: Այժմ, երբ էլեկտրոնը միայնակ է թռչում, այն այլևս չի կարողանա փոխազդել էկրանի վրա այլ էլեկտրոնների հետ: Մենք էկրանին կգրանցենք յուրաքանչյուր էլեկտրոն նետումից հետո: Մեկ-երկուսը, իհարկե, մեզ համար հստակ պատկեր չեն «նկարի»։ Բայց երբ մեկ առ մեկ մենք նրանցից շատ ենք ուղարկում անցքեր, մենք նկատում ենք… ախ սարսափ. նրանք կրկին «գծեցին» միջամտության ալիքի օրինաչափություն:

Մենք սկսում ենք կամաց-կամաց խելագարվել։ Ի վերջո, մենք ակնկալում էինք, որ անցքերի դիմաց կլինեն 2 ուղղահայաց գծեր: Պարզվում է, որ երբ մեկ-մեկ ֆոտոններ էինք նետում, դրանցից յուրաքանչյուրը, իբրև թե, միաժամանակ 2 ճեղքերով անցավ և խանգարեց ինքն իրեն։ Գեղարվեստական ​​գրականություն։ Այս երևույթի բացատրությանը կանդրադառնանք հաջորդ բաժնում։

Ի՞նչ է սպինը և սուպերպոզիցիան:

Մենք հիմա գիտենք, թե ինչ է միջամտությունը: Սա միկրո մասնիկների ալիքային վարքագիծն է՝ ֆոտոններ, էլեկտրոններ, այլ միկրոմասնիկներ (պարզության համար այսուհետև անվանենք ֆոտոններ)։

Փորձի արդյունքում, երբ 1 ֆոտոն գցեցինք 2 ճեղքի մեջ, հասկացանք, որ այն թռչում է այնպես, ասես միաժամանակ երկու ճեղքերով։ Ուրիշ ինչպե՞ս բացատրել միջամտության օրինաչափությունը էկրանին:

Բայց ինչպե՞ս պատկերացնել մի նկար, որ ֆոտոնը միաժամանակ թռչում է երկու ճեղքերով: Կա 2 տարբերակ.

• 1-ին տարբերակ.ֆոտոնը, ինչպես ալիքը (ջրի նման) «լողում է» միաժամանակ 2 ճեղքերով
• 2-րդ տարբերակ.Ֆոտոնը, ինչպես մասնիկը, միաժամանակ թռչում է 2 հետագծով (ոչ թե երկու, այլ միանգամից)

Սկզբունքորեն այս հայտարարությունները համարժեք են։ Մենք հասել ենք «ուղու ինտեգրալին». Սա Ռիչարդ Ֆեյնմանի քվանտային մեխանիկայի ձևակերպումն է։

Ի դեպ, հենց Ռիչարդ Ֆեյնմանպատկանում է այն հայտնի արտահայտությանը, որ մենք կարող ենք վստահորեն ասել, որ ոչ ոք չի հասկանում քվանտային մեխանիկա

Բայց նրա այս արտահայտությունն աշխատեց դարասկզբին։ Բայց հիմա մենք խելացի ենք և գիտենք, որ ֆոտոնը կարող է իրեն պահել և՛ որպես մասնիկ, և՛ որպես ալիք: Որ նա կարող է թռչել միաժամանակ 2 սլոտներով մեզ համար անհասկանալի ձևով։ Հետևաբար, մեզ համար հեշտ կլինի հասկանալ քվանտային մեխանիկայի հետևյալ կարևոր հայտարարությունը.

Խստորեն ասած, քվանտային մեխանիկա մեզ ասում է, որ այս ֆոտոնի վարքը կանոն է, ոչ թե բացառություն: Ցանկացած քվանտային մասնիկ, որպես կանոն, գտնվում է մի քանի վիճակներում կամ տարածության մի քանի կետերում միաժամանակ։

Մակրոաշխարհի օբյեկտները կարող են լինել միայն մեկ կոնկրետ վայրում և մեկ կոնկրետ վիճակում: Բայց քվանտային մասնիկը գոյություն ունի իր սեփական օրենքների համաձայն: Եվ նրան չի հետաքրքրում, որ մենք նրանց չենք հասկանում: Սա է կետը.

Մեզ մնում է պարզապես որպես աքսիոմ ընդունել, որ քվանտային օբյեկտի «գերդիրքը» նշանակում է, որ այն կարող է լինել միաժամանակ 2 կամ ավելի հետագծերի վրա, միաժամանակ 2 կամ ավելի կետերում։

Նույնը վերաբերում է ֆոտոնների մեկ այլ պարամետրին՝ սպինին (իր սեփական անկյունային իմպուլսը): Spin-ը վեկտոր է: Քվանտային օբյեկտը կարելի է դիտարկել որպես մանրադիտակային մագնիս: Մենք սովոր ենք այն փաստին, որ մագնիսի վեկտորը (սպինը) կամ ուղղված է վեր կամ վար: Բայց էլեկտրոնը կամ ֆոտոնը նորից մեզ ասում են. «Տղե՛րք, մեզ չի հետաքրքրում, թե ինչի եք դուք սովոր, մենք կարող ենք միանգամից երկու սպինային վիճակներում լինել (վեկտոր վերև, վեկտոր ներքև), ճիշտ այնպես, ինչպես մենք կարող ենք լինել 2 հետագծի վրա: միևնույն ժամանակ կամ 2 միավորով միաժամանակ:

Ի՞նչ է «չափումը» կամ «ալիքային ֆունկցիայի փլուզումը»:

Մեզ մնում է մի քիչ՝ հասկանալ, թե որն է «չափումը», իսկ ինչը՝ «ալիքի ֆունկցիայի փլուզումը»։

ալիքային ֆունկցիաքվանտային օբյեկտի (մեր ֆոտոն կամ էլեկտրոն) վիճակի նկարագրությունն է։

Ենթադրենք, մենք ունենք էլեկտրոն, այն թռչում է դեպի իրեն անորոշ վիճակում նրա պտույտն ուղղված է միաժամանակ և՛ վերև, և՛ վար. Պետք է չափել նրա վիճակը։

Եկեք չափենք մագնիսական դաշտի միջոցով. էլեկտրոնները, որոնց սպինն ուղղված է դաշտի ուղղությամբ, կշեղվեն մի ուղղությամբ, իսկ էլեկտրոնները, որոնց սպինն ուղղված է դաշտի դեմ, կշեղվեն մյուս ուղղությամբ: Ֆոտոնները կարող են ուղարկվել նաև բևեռացնող ֆիլտր: Եթե ​​ֆոտոնի սպինը (բևեռացումը) +1 է, այն անցնում է ֆիլտրով, իսկ եթե -1 է, ապա՝ ոչ։

Կանգ առեք Այստեղ է, որ անխուսափելիորեն առաջանում է հարցը.Չափումից առաջ, ի վերջո, էլեկտրոնը սպինի որոշակի ուղղություն չուներ, չէ՞: Նա միաժամանակ բոլոր նահանգներում էր:

Սա քվանտային մեխանիկայի հնարքն ու զգացումն է:. Քանի դեռ դուք չեք չափում քվանտային օբյեկտի վիճակը, այն կարող է պտտվել ցանկացած ուղղությամբ (ունենալ իր սեփական անկյունային իմպուլսի վեկտորի ցանկացած ուղղություն՝ սպին): Բայց այն պահին, երբ դուք չափեցիք նրա վիճակը, նա կարծես թե որոշում է, թե որ սպին վեկտորը վերցնի:

Այս քվանտային օբյեկտն այնքան հիանալի է, որ որոշում է կայացնում իր վիճակի մասին:Եվ մենք չենք կարող նախապես կանխատեսել, թե ինչ որոշում կկայացնի այն, երբ թռչի այն մագնիսական դաշտը, որտեղ մենք չափում ենք այն: Հավանականությունը, որ նա որոշել է ունենալ սպին վեկտոր «վերև» կամ «ներքև», 50-ից 50% է: Բայց հենց որ որոշում է, որոշակի վիճակում է` կոնկրետ պտույտի ուղղությամբ։ Նրա որոշման պատճառը մեր «չափն» է։

Սա կոչվում է « ալիքային ֆունկցիայի փլուզում». Չափումից առաջ ալիքի ֆունկցիան անորոշ էր, այսինքն. էլեկտրոնի սպին վեկտորը միաժամանակ եղել է բոլոր ուղղություններով, չափումից հետո էլեկտրոնը ֆիքսել է իր սպին վեկտորի որոշակի ուղղությունը:

Ուշադրություն. Հիանալի օրինակ-ասոցիացիա մեր մակրոկոսմից՝ հասկանալու համար.

Սեղանի վրա մետաղադրամը պտտեք վերևի պես: Մինչ մետաղադրամը պտտվում է, այն չունի կոնկրետ նշանակություն՝ գլուխներ կամ պոչեր: Բայց հենց որ որոշեք «չափել» այս արժեքը և մետաղադրամը ձեռքով շպրտել, հենց այստեղ եք ստանում մետաղադրամի կոնկրետ վիճակը՝ գլուխներ կամ պոչեր: Հիմա պատկերացրեք, որ այս մետաղադրամը որոշում է, թե ինչ արժեք «ցուցադրել» ձեզ՝ գլուխներ, թե պոչեր: Մոտավորապես նույն կերպ է վարվում էլեկտրոնը։

Հիմա հիշեք մուլտֆիլմի վերջում ցուցադրված փորձը։ Երբ ֆոտոններն անցնում էին ճեղքերով, նրանք իրենց պահում էին ալիքի նման և էկրանին ցուցադրում միջամտության օրինաչափություն։ Եվ երբ գիտնականները ցանկացան ֆիքսել (չափել) այն պահը, երբ ֆոտոնները անցան ճեղքով և «դիտորդ» դրեցին էկրանի հետևում, ֆոտոնները սկսեցին իրենց պահել ոչ թե ալիքների, այլ մասնիկների նման։ Եվ էկրանին «գծեց» 2 ուղղահայաց գծեր։ Նրանք. չափման կամ դիտարկման պահին քվանտային օբյեկտներն իրենք են ընտրում, թե ինչ վիճակում պետք է գտնվեն։

Գեղարվեստական ​​գրականություն։ Այդպես չէ?

Բայց սա դեռ ամենը չէ։ Վերջապես մենք հասել է ամենահետաքրքիրին:

Բայց ... ինձ թվում է, որ տեղեկատվության գերծանրաբեռնվածություն կլինի, ուստի այս 2 հասկացությունները կդիտարկենք առանձին գրառումներում.

• Ինչ է պատահել ?
• Ինչ է մտքի փորձը:

Իսկ հիմա, դուք ուզու՞մ եք, որ տեղեկատվությունը դրվի դարակներում։ Դիտեք վավերագրական ֆիլմ, որը արտադրվել է Կանադայի Տեսական ֆիզիկայի ինստիտուտի կողմից: 20 րոպեից այն ձեզ շատ հակիրճ և ժամանակագրական կարգով կպատմի քվանտային ֆիզիկայի բոլոր հայտնագործությունների մասին՝ սկսած 1900 թվականին Պլանկի հայտնաբերումից։ Եվ հետո նրանք ձեզ կասեն, թե ներկայումս ինչ գործնական զարգացումներ են իրականացվում քվանտային ֆիզիկայի գիտելիքների հիման վրա՝ ամենաճշգրիտ ատոմային ժամացույցներից մինչև քվանտային համակարգչի գերարագ հաշվարկներ: Խիստ խորհուրդ եմ տալիս դիտել այս ֆիլմը:

Կտեսնվենք!

Մաղթում եմ ձեզ ոգեշնչում ձեր բոլոր ծրագրերի և նախագծերի համար:

P.S.2 Գրեք ձեր հարցերն ու մտքերը մեկնաբանություններում։ Գրեք, էլի ի՞նչ հարցեր են ձեզ հետաքրքրում քվանտային ֆիզիկայի վերաբերյալ։

P.S.3 Բաժանորդագրվեք բլոգին - հոդվածի տակ գտնվող բաժանորդագրության ձևը:

Հունարեն «fusis» բառից առաջացել է «ֆիզիկա» բառը։ Նշանակում է «բնություն»։ Արիստոտելը, ով ապրել է մ.թ.ա. չորրորդ դարում, առաջին անգամ ներկայացրեց այս հասկացությունը:

Ֆիզիկան «ռուսական» դարձավ Մ.Վ.Լոմոնոսովի առաջարկով, երբ նա գերմաներենից թարգմանեց առաջին դասագիրքը։

գիտական ​​ֆիզիկա

Ֆիզիկան գլխավորներից է, ամբողջ աշխարհում անընդհատ տեղի են ունենում տարբեր գործընթացներ, փոփոխություններ, այսինքն՝ երեւույթներ։

Օրինակ, տաք տեղում սառույցի մի կտոր կսկսի հալվել: Իսկ թեյնիկի ջուրը կրակի վրա եռում է։ Լարի միջով անցած էլեկտրական հոսանքը այն կջերմացնի և նույնիսկ կջերմացնի: Այս գործընթացներից յուրաքանչյուրը ֆենոմեն է։ Ֆիզիկայի մեջ դրանք մեխանիկական, մագնիսական, էլեկտրական, ձայնային, ջերմային և լուսային փոփոխություններ են, որոնք ուսումնասիրվում են գիտության կողմից։ Դրանք կոչվում են նաև ֆիզիկական երևույթներ։ Հաշվի առնելով դրանք՝ գիտնականները հանգում են օրենքների։

Գիտության խնդիրն է բացահայտել այս օրենքները և ուսումնասիրել դրանք։ Բնությունն ուսումնասիրվում է այնպիսի գիտություններով, ինչպիսիք են կենսաբանությունը, աշխարհագրությունը, քիմիան և աստղագիտությունը։ Նրանք բոլորը կիրառում են ֆիզիկական օրենքներ:

Պայմանները

Բացի ֆիզիկայի սովորականներից, նրանք օգտագործում են նաև հատուկ բառեր, որոնք կոչվում են տերմիններ։ Սրանք են «էներգիան» (ֆիզիկայում դա նյութի փոխազդեցության և շարժման տարբեր ձևերի, ինչպես նաև մեկից մյուսին անցման չափանիշ է), «ուժը» (այլ մարմինների և դաշտերի ազդեցության ինտենսիվության չափանիշ։ մարմնի վրա) և շատ ուրիշներ: Նրանցից ոմանք աստիճանաբար մտան խոսակցական խոսքի մեջ։

Օրինակ, օգտագործելով «էներգիա» բառը առօրյա կյանքում մարդու հետ կապված, մենք կարող ենք գնահատել նրա գործողությունների հետևանքները, բայց ֆիզիկայում էներգիան տարբեր ձևերով ուսումնասիրության չափանիշ է:

Ֆիզիկայի բոլոր մարմինները կոչվում են ֆիզիկական: Նրանք ունեն ծավալ և ձև: Դրանք բաղկացած են նյութերից, որոնք, իրենց հերթին, հանդիսանում են նյութի տեսակներից մեկը՝ սա այն ամենն է, ինչ գոյություն ունի Տիեզերքում։

Փորձառություններ

Մարդկանց իմացածի մեծ մասը եկել է դիտարկումներից: Երևույթներն ուսումնասիրելու համար դրանք մշտապես դիտարկվում են։

Վերցնենք, օրինակ, տարբեր մարմիններ, որոնք ընկնում են գետնին: Պետք է պարզել, թե արդյոք այս երեւույթը տարբերվում է անհավասար զանգվածի, տարբեր բարձրության մարմիններ ընկնելու ժամանակ և այլն։ Տարբեր մարմինների սպասելը և դիտելը շատ երկար և ոչ միշտ հաջողակ կլիներ: Ուստի նման նպատակների համար փորձեր են կատարվում. Դրանք տարբերվում են դիտարկումներից, քանի որ դրանք հատուկ իրականացվում են կանխորոշված ​​պլանի համաձայն և կոնկրետ նպատակներով։ Սովորաբար պլանում որոշ ենթադրություններ նախօրոք կառուցվում են, այսինքն՝ վարկածներ են առաջ քաշում։ Այսպիսով, փորձերի ընթացքում դրանք կհերքվեն կամ կհաստատվեն։ Փորձերի արդյունքները մտածելուց և բացատրելուց հետո եզրակացություններ են արվում. Այսպես են ձեռք բերվում գիտական ​​գիտելիքներ։

Քանակները և դրանց միավորները

Հաճախ ցանկացած ուսումնասիրելով կատարում են տարբեր չափումներ: Երբ մարմինն ընկնում է, օրինակ, չափվում է բարձրությունը, զանգվածը, արագությունը և ժամանակը: Այս ամենը, այսինքն, չափելի մի բան է։

Արժեքի չափումը նշանակում է համեմատել այն նույն արժեքի հետ, որն ընդունվում է որպես միավոր (աղյուսակի երկարությունը համեմատվում է երկարության միավորի հետ՝ մետր կամ մեկ այլ)։ Յուրաքանչյուր նման արժեք ունի իր սեփական միավորները:

Բոլոր երկրները փորձում են օգտագործել միասնական միավորներ։ Ռուսաստանում, ինչպես և այլ երկրներում, օգտագործվում է միավորների միջազգային համակարգը (SI) (որը նշանակում է «միջազգային համակարգ»): Այն ընդունում է հետևյալ միավորները.

• երկարություն (գծերի երկարության բնորոշ թվային արտահայտությամբ) - մետր;
• ժամանակ (գործընթացների հոսք, հնարավոր փոփոխության պայման) - երկրորդ;
• զանգված (սա հատկանիշ է ֆիզիկայում, որը որոշում է նյութի իներցիոն և գրավիտացիոն հատկությունները) - կիլոգրամ:

Հաճախ անհրաժեշտ է լինում օգտագործել միավորներ, որոնք շատ ավելի մեծ են, քան սովորական բազմապատիկները: Դրանք կոչվում են հունարենից համապատասխան նախածանցներով՝ «դեկա», «հեկտո», «կիլո» և այլն։

Ընդունվածներից փոքր միավորները կոչվում են ենթաբազմապատիկներ։ Նրանց վրա կիրառվում են լատիներենի նախածանցներ՝ «deci», «santi», «milli» և այլն։

Չափիչ գործիքներ

Փորձեր անցկացնելու համար անհրաժեշտ է սարքավորում։ Դրանցից ամենապարզն են քանոնը, մխոցը, ժապավենը և այլն։ Գիտության զարգացման հետ մեկտեղ կատարելագործվում են նոր սարքեր, բարդանում և հայտնվում են նոր սարքեր՝ վոլտմետրեր, ջերմաչափեր, վայրկյանաչափեր և այլն։

Հիմնականում սարքերը ունեն սանդղակ, այսինքն՝ գծված բաժանումներ, որոնց վրա գրված են արժեքներ։ Չափումից առաջ որոշեք բաժանման գինը.

• վերցրեք սանդղակի երկու հարված արժեքներով.
• փոքրը հանվում է մեծից, և ստացված թիվը բաժանվում է միջև եղած բաժանումների թվի վրա:

Օրինակ, երկու հարված «քսան» և «երեսուն» արժեքներով, որոնց միջև հեռավորությունը բաժանված է տասը տարածության: Այս դեպքում բաժանման արժեքը հավասար կլինի մեկի:

Ճշգրիտ չափումներ և սխալմամբ

Չափումները քիչ թե շատ ճշգրիտ են։ Թույլատրելի անճշտությունը կոչվում է սխալի սահման: Չափելիս այն չի կարող ավելի մեծ լինել, քան չափիչ գործիքի բաժանման արժեքը:

Ճշգրտությունը կախված է սանդղակի միջակայքից և գործիքի ճիշտ օգտագործումից: Բայց ի վերջո, ցանկացած չափման ժամանակ ստացվում են միայն մոտավոր արժեքներ:

Տեսական և փորձարարական ֆիզիկա

Սրանք գիտության հիմնական ճյուղերն են։ Կարող է թվալ, որ դրանք իրարից շատ հեռու են, հատկապես, որ մարդկանց մեծ մասը կա՛մ տեսաբաններ են, կա՛մ փորձարարներ: Այնուամենայնիվ, նրանք անընդհատ զարգանում են կողք կողքի: Ցանկացած խնդիր դիտարկվում է թե տեսաբանների, թե փորձարարների կողմից: Առաջինի գործն է նկարագրել տվյալները և ստանալ վարկածներ, իսկ երկրորդները փորձարկում են տեսությունները պրակտիկայում, կատարել փորձեր և ստանալ նոր տվյալներ: Երբեմն ձեռքբերումները պայմանավորված են միայն փորձերով, առանց տեսությունների նկարագրման: Մյուս դեպքերում, ընդհակառակը, հնարավոր է ստանալ արդյունքներ, որոնք հետագայում ստուգվում են։

Քվանտային ֆիզիկա

Այս ուղղությունը ծագել է 1900 թվականի վերջին, երբ հայտնաբերվեց նոր ֆիզիկական հիմնարար հաստատուն, որը կոչվում էր Պլանկի հաստատուն՝ ի պատիվ այն հայտնաբերած գերմանացի ֆիզիկոս Մաքս Պլանկի։ Նա լուծեց տաքացած մարմիններից արձակվող լույսի սպեկտրալ բաշխման խնդիրը, մինչդեռ դասական ընդհանուր ֆիզիկան դա չէր կարող անել։ Պլանկը հիպոթեզ արեց տատանումների քվանտային էներգիայի մասին, որն անհամատեղելի էր դասական ֆիզիկայի հետ։ Դրա շնորհիվ շատ ֆիզիկոսներ սկսեցին վերանայել հին հասկացությունները, փոխել դրանք, ինչի արդյունքում առաջացավ քվանտային ֆիզիկան։ Սա բոլորովին նոր հայացք է աշխարհի մասին։

և գիտակցությունը

Մարդկային գիտակցության ֆենոմենը տեսակետից բոլորովին նոր չէ։ Դրա հիմքը դրել են Յունգը և Պաուլին։ Բայց միայն հիմա, գիտության այս նոր ուղղության ձևավորմամբ, երևույթը սկսեց դիտարկվել և ուսումնասիրվել ավելի մեծ մասշտաբով։

Քվանտային աշխարհը բազմակողմ և բազմաչափ է, այն ունի բազմաթիվ դասական դեմքեր և պրոեկցիաներ:

Առաջարկվող հայեցակարգի շրջանակներում երկու հիմնական հատկություններն են գերինտուիցիան (այսինքն՝ տեղեկատվություն ստանալը կարծես ոչ մի տեղից) և սուբյեկտիվ իրականության վերահսկումը։ Սովորական գիտակցության մեջ մարդը կարող է տեսնել աշխարհի միայն մեկ պատկեր և ի վիճակի չէ միանգամից երկուսը դիտարկել: Մինչդեռ իրականում դրանք հսկայական են։ Այս ամենը միասին քվանտային աշխարհն է և լույսը։

Հենց քվանտային ֆիզիկան մեզ սովորեցնում է տեսնել մարդու համար նոր իրականություն (չնայած շատ արևելյան կրոններ, ինչպես նաև աճպարարներ, վաղուց տիրապետում են նման տեխնիկայի): Միայն անհրաժեշտ է փոխել մարդկային գիտակցությունը։ Հիմա մարդն անբաժան է ամբողջ աշխարհից, բայց հաշվի են առնվում բոլոր կենդանի էակների ու իրերի շահերը։

Հենց այդ ժամանակ, ընկղմվելով մի վիճակի մեջ, որտեղ նա կարող է տեսնել բոլոր այլընտրանքները, նա գալիս է խորաթափանցության, որը բացարձակ ճշմարտությունն է:

Կյանքի սկզբունքը քվանտային ֆիզիկայի տեսակետից այն է, որ մարդը, ի թիվս այլ բաների, նպաստի ավելի լավ աշխարհակարգին:

Կարծում եմ, կարելի է վստահորեն ասել, որ ոչ ոք չի հասկանում քվանտային մեխանիկա:

Ֆիզիկոս Ռիչարդ Ֆեյնման

Չափազանցություն չի կարող ասել, որ կիսահաղորդչային սարքերի գյուտը հեղափոխություն էր։ Սա ոչ միայն տպավորիչ տեխնոլոգիական ձեռքբերում է, այլև ճանապարհ հարթեց այնպիսի իրադարձությունների համար, որոնք ընդմիշտ կփոխեն ժամանակակից հասարակությունը: Կիսահաղորդչային սարքերն օգտագործվում են բոլոր տեսակի միկրոէլեկտրոնային սարքերում, այդ թվում՝ համակարգիչներում, բժշկական ախտորոշման և բուժման որոշ տեսակների և հանրաճանաչ հեռահաղորդակցության սարքերում:

Բայց այս տեխնոլոգիական հեղափոխության հետևում ավելին է՝ հեղափոխություն ընդհանուր գիտության մեջ՝ ոլորտը քվանտային տեսություն. Առանց բնական աշխարհը հասկանալու այս թռիչքի, կիսահաղորդչային սարքերի (և մշակման փուլում գտնվող ավելի առաջադեմ էլեկտրոնային սարքերի) զարգացումը երբեք չէր հաջողվի: Քվանտային ֆիզիկան գիտության աներևակայելի բարդ ճյուղ է: Այս գլուխը տալիս է միայն համառոտ ակնարկ: Երբ Ֆեյնմանի նման գիտնականներն ասում են «ոչ ոք չի հասկանում [դա]», կարող եք վստահ լինել, որ սա իսկապես բարդ թեմա է։ Առանց քվանտային ֆիզիկայի տարրական ըմբռնման կամ գոնե գիտական ​​հայտնագործությունների ըմբռնման, որոնք հանգեցրել են դրանց զարգացմանը, անհնար է հասկանալ, թե ինչպես և ինչու են աշխատում կիսահաղորդչային էլեկտրոնային սարքերը: Էլեկտրոնիկայի դասագրքերից շատերը փորձում են կիսահաղորդիչներին բացատրել «դասական ֆիզիկայի» տերմիններով՝ արդյունքում ավելի շփոթեցնող դարձնելով դրանք:

Մեզանից շատերը տեսել են ատոմային մոդելի դիագրամներ, որոնք նման են ստորև ներկայացված նկարին:

Ռադերֆորդի ատոմ. բացասական էլեկտրոնները պտտվում են փոքր դրական միջուկի շուրջ

Նյութի մանր մասնիկները կոչվում են պրոտոններԵվ նեյտրոններ, կազմում են ատոմի կենտրոնը; էլեկտրոններպտտվում են աստղի շուրջ մոլորակների պես: Միջուկը դրական էլեկտրական լիցք է կրում պրոտոնների առկայության պատճառով (նեյտրոնները էլեկտրական լիցք չունեն), մինչդեռ ատոմի հավասարակշռող բացասական լիցքը գտնվում է ուղեծրող էլեկտրոններում։ Բացասական էլեկտրոնները ձգվում են դեպի դրական պրոտոններ, ինչպես մոլորակները՝ դեպի Արևը, բայց ուղեծրերը կայուն են էլեկտրոնների շարժման պատճառով: Մենք պարտական ​​ենք ատոմի այս հանրաճանաչ մոդելը դեպի Էռնեստ Ռադերֆորդի աշխատանքը, որը փորձնականորեն որոշվում է 1911 թ. .

Ռադերֆորդի ցրման փորձը բաղկացած է բարակ ոսկե փայլաթիթեղի ռմբակոծումից դրական լիցքավորված ալֆա մասնիկներով, ինչպես ցույց է տրված ստորև նկարում: Երիտասարդ ասպիրանտներ Հ.Գայգերը և Է.Մարսդենը ստացան անսպասելի արդյունքներ։ Որոշ ալֆա մասնիկների հետագիծը շեղվել է մեծ անկյան տակ։ Որոշ ալֆա մասնիկներ ցրվել են հետընթաց՝ գրեթե 180° անկյան տակ։ Մասնիկների մեծ մասն անցել է ոսկե փայլաթիթեղի միջով` չփոխելով իրենց հետագիծը, կարծես փայլաթիթեղ ընդհանրապես չկար։ Այն փաստը, որ մի քանի ալֆա մասնիկներ իրենց հետագծում մեծ շեղումներ են ունեցել, ցույց է տալիս փոքր դրական լիցքով միջուկների առկայությունը:

Ռադերֆորդի ցրում. ալֆա մասնիկների ճառագայթը ցրված է բարակ ոսկե փայլաթիթեղով

Թեև Ռադերֆորդի ատոմի մոդելն ավելի լավ էր հաստատվում փորձարարական տվյալներով, քան Թոմսոնինը, այն դեռ անկատար էր։ Հետագա փորձեր արվեցին որոշելու ատոմի կառուցվածքը, և այդ ջանքերը օգնեցին ճանապարհ հարթել քվանտային ֆիզիկայի տարօրինակ հայտնագործությունների համար։ Այսօր ատոմի մեր պատկերացումները մի փոքր ավելի բարդ են: Այնուամենայնիվ, չնայած քվանտային ֆիզիկայի հեղափոխությանը և նրա ներդրմանը ատոմի կառուցվածքի մեր ըմբռնման մեջ, Ռադերֆորդի արեգակնային համակարգի պատկերումը որպես ատոմի կառուցվածք, արմատավորվել է ժողովրդական գիտակցության մեջ այնքանով, որ այն պահպանվում է կրթական ոլորտներում, նույնիսկ եթե այն անտեղի է:

Դիտարկենք ատոմի էլեկտրոնների այս հակիրճ նկարագրությունը՝ վերցված էլեկտրոնիկայի հանրաճանաչ դասագրքից.

Պտտվող բացասական էլեկտրոնները ձգվում են դեպի դրական միջուկը, ինչը մեզ տանում է այն հարցին, թե ինչու էլեկտրոնները չեն թռչում ատոմի միջուկ: Պատասխանն այն է, որ պտտվող էլեկտրոնները մնում են իրենց կայուն ուղեծրում՝ երկու հավասար, բայց հակադիր ուժերի պատճառով։ Էլեկտրոնների վրա ազդող կենտրոնախույս ուժն ուղղված է դեպի դուրս, իսկ լիցքերի գրավիչ ուժը փորձում է էլեկտրոնները քաշել դեպի միջուկը։

Ռադերֆորդի մոդելի համաձայն՝ հեղինակը էլեկտրոնները համարում է նյութի պինդ կտորներ, որոնք զբաղեցնում են կլոր ուղեծրերը, նրանց ներքուստ ձգումը դեպի հակառակ լիցքավորված միջուկը հավասարակշռված է նրանց շարժումով։ «Կենտրոնախույս ուժ» տերմինի օգտագործումը տեխնիկապես սխալ է (նույնիսկ ուղեծրով պտտվող մոլորակների համար), բայց դա հեշտությամբ ներվում է մոդելի հանրաճանաչ ընդունման պատճառով. իրականում գոյություն չունի ուժ, վանողցանկացածպտտվող մարմին իր ուղեծրի կենտրոնից. Թվում է, թե դա այդպես է, քանի որ մարմնի իներցիան ձգտում է պահել այն ուղիղ գծով, և քանի որ ուղեծիրը մշտական ​​շեղում (արագացում) է ուղղագիծ շարժումից, կա մշտական ​​իներցիոն ռեակցիա ցանկացած ուժի նկատմամբ, որը մարմինը գրավում է կենտրոն։ ուղեծրի (կենտրոնաձև), լինի դա գրավիտացիա, էլեկտրաստատիկ ձգում, կամ նույնիսկ մեխանիկական կապի լարվածությունը:

Այնուամենայնիվ, այս բացատրության իրական խնդիրը առաջին հերթին էլեկտրոնների շրջանաձև ուղեծրերով շարժվելու գաղափարն է: Ապացուցված փաստ, որ արագացված էլեկտրական լիցքերն արձակում են էլեկտրամագնիսական ճառագայթում, այս փաստը հայտնի էր նույնիսկ Ռադերֆորդի ժամանակ: Քանի որ պտտվող շարժումը արագացման ձև է (պտտվող առարկան մշտական ​​արագացման մեջ, որը քաշում է առարկան իր սովորական ուղղագիծ շարժումից), պտտվող վիճակում գտնվող էլեկտրոնները պետք է պտտվող անիվից ցեխի նման ճառագայթ արձակեն: Էլեկտրոնները արագացել են շրջանաձև ուղիներով մասնիկների արագացուցիչներում, որոնք կոչվում են սինքրոտրոններհայտնի է, որ դա անում են, և արդյունքը կոչվում է սինքրոտրոնային ճառագայթում. Եթե ​​էլեկտրոններն այս կերպ կորցնեին էներգիան, ի վերջո նրանց ուղեծրերը կխախտվեին, և արդյունքում նրանք կբախվեին դրական լիցքավորված միջուկին։ Այնուամենայնիվ, ատոմների ներսում դա սովորաբար տեղի չի ունենում: Իրոք, էլեկտրոնային «ուղեծրերը» զարմանալիորեն կայուն են պայմանների լայն շրջանակում:

Բացի այդ, «գրգռված» ատոմների հետ փորձերը ցույց են տվել, որ էլեկտրամագնիսական էներգիան ատոմն արտանետում է միայն որոշակի հաճախականություններով։ Ատոմները «գրգռված» են արտաքին ազդեցություններից, ինչպիսին է լույսը, որը հայտնի է որպես էներգիա կլանող և որոշակի հաճախականություններով էլեկտրամագնիսական ալիքներ վերադարձնելու համար, ինչպես կարգավորող պատառաքաղը, որը չի զանգում որոշակի հաճախականությամբ, քանի դեռ չի հարվածել: Երբ գրգռված ատոմից արձակված լույսը պրիզմայով բաժանվում է իր բաղադրիչ հաճախականությունների (գույների), սպեկտրում հայտնաբերվում են գույների առանձին գծեր, սպեկտրալ գծի նախշը եզակի է քիմիական տարրի համար: Այս երևույթը սովորաբար օգտագործվում է քիմիական տարրերը բացահայտելու և նույնիսկ յուրաքանչյուր տարրի համամասնությունները միացության կամ քիմիական խառնուրդի մեջ չափելու համար: Համաձայն Ռադերֆորդի ատոմային մոդելի արեգակնային համակարգի (էլեկտրոնների համեմատ, որպես նյութի կտորներ, որոնք ազատորեն պտտվում են որոշակի շառավղով ուղեծրի մեջ) և դասական ֆիզիկայի օրենքների համաձայն, գրգռված ատոմները պետք է էներգիա վերադարձնեն գրեթե անսահման հաճախականության միջակայքում, և ոչ ընտրված հաճախականություններով: Այլ կերպ ասած, եթե Ռադերֆորդի մոդելը ճիշտ լիներ, ապա «թյունինգ պատառաքաղի» էֆեկտ չէր լինի, և ցանկացած ատոմի արձակած գունային սպեկտրը կհայտնվեր որպես գույների շարունակական գոտի, այլ ոչ թե որպես մի քանի առանձին գծեր:

Ջրածնի ատոմի Բորի մոդելը (մասշտաբով գծված ուղեծրերով) ենթադրում է, որ էլեկտրոնները գտնվում են միայն դիսկրետ ուղեծրերում։ Էլեկտրոնները, որոնք շարժվում են n=3,4,5 կամ 6-ից մինչև n=2, ցուցադրվում են Բալմերի սպեկտրային գծերի շարքի վրա։

Նիլս Բոր անունով մի հետազոտող փորձեց կատարելագործել Ռադերֆորդի մոդելը՝ 1912 թվականին մի քանի ամիս Ռադերֆորդի լաբորատորիայում այն ​​ուսումնասիրելուց հետո։ Փորձելով հաշտեցնել այլ ֆիզիկոսների (մասնավորապես Մաքս Պլանկի և Ալբերտ Էյնշտեյնի) արդյունքները, Բորն առաջարկեց, որ յուրաքանչյուր էլեկտրոն ունի որոշակի, որոշակի քանակությամբ էներգիա, և որ նրանց ուղեծրերը բաշխված են այնպես, որ նրանցից յուրաքանչյուրը կարողանա զբաղեցնել որոշակի տեղեր շուրջը: միջուկը, ինչպես գնդերը, ամրացված է միջուկի շուրջը գտնվող շրջանաձև ուղիների վրա, և ոչ թե որպես ազատ շարժվող արբանյակներ, ինչպես նախկինում ենթադրվում էր (վերևում գտնվող նկարը): Ի նկատի ունենալով էլեկտրամագնիսականության և արագացող լիցքերի օրենքները, Բորը «ուղեծրերը» անվանում է. անշարժ վիճակներխուսափելու մեկնաբանությունից, թե դրանք շարժական են։

Թեև ատոմի կառուցվածքը վերաիմաստավորելու Բորի հավակնոտ փորձը, որն ավելի համահունչ էր փորձարարական տվյալներին, ֆիզիկայի կարևոր իրադարձություն էր, այն ավարտին չհասցվեց։ Նրա մաթեմատիկական վերլուծությունը ավելի լավ էր կանխատեսում փորձերի արդյունքները, քան նախորդ մոդելների համաձայն կատարվածները, բայց դեռևս անպատասխան հարցեր կային, թե արդյոք. ինչուէլեկտրոնները պետք է իրենց նման տարօրինակ կերպով վարվեն։ Այն պնդումը, որ էլեկտրոնները գոյություն ունեն միջուկի շուրջ գտնվող անշարժ քվանտային վիճակներում, ավելի լավ է փոխկապակցված փորձարարական տվյալների հետ, քան Ռադերֆորդի մոդելը, բայց չի ասվում, թե ինչն է ստիպում էլեկտրոններին ընդունել այս հատուկ վիճակները: Այս հարցի պատասխանը պետք է տրվեր մեկ այլ ֆիզիկոսի՝ Լուի դը Բրոլիի կողմից, մոտ տասը տարի անց:

Դե Բրոգլին առաջարկեց, որ էլեկտրոնները, ինչպես և ֆոտոնները (լույսի մասնիկներ), ունեն և՛ մասնիկների, և՛ ալիքների հատկություններ: Ելնելով այս ենթադրությունից՝ նա առաջարկեց, որ պտտվող էլեկտրոնների վերլուծությունը ալիքների առումով ավելի լավ է, քան մասնիկների, և կարող է ավելի շատ պատկերացում կազմել դրանց քվանտային բնույթի մասին։ Իսկապես, փոխըմբռնման ևս մեկ բեկում է կատարվել.

Երկու ֆիքսված կետերի միջև ռեզոնանսային հաճախականությամբ թրթռացող լարը կազմում է կանգուն ալիք

Ատոմը, ըստ դը Բրոլիի, բաղկացած է կանգնած ալիքներից, մի երեւույթ, որը լավ հայտնի է ֆիզիկոսներին տարբեր ձեւերով։ Երաժշտական ​​գործիքի պոկված լարը (վերևում նկարում), թրթռում է ռեզոնանսային հաճախականությամբ, իր երկարությամբ կայուն տեղերում «հանգույցներով» և «հակահանգույցներով»: Դե Բրոյլը պատկերացնում էր էլեկտրոնները ատոմների շուրջը, որպես ալիքներ, որոնք ոլորված էին շրջանագծի մեջ (ստորև նկարը):

«Պտտվող» էլեկտրոնները միջուկի շուրջ կանգնած ալիքի նման, ա) երկու ցիկլ ուղեծրում, բ) երեք ցիկլ ուղեծրում.

Էլեկտրոնները կարող են գոյություն ունենալ միայն միջուկի շուրջ որոշակի, հատուկ «ուղիղներում», քանի որ դրանք միակ հեռավորություններն են, որտեղ ալիքի ծայրերը համընկնում են։ Ցանկացած այլ շառավղով ալիքը կործանարար կերպով կբախվի ինքն իրեն և այդպիսով կդադարի գոյություն ունենալ:

Դե Բրոյլի վարկածը տրամադրեց և՛ մաթեմատիկական շրջանակ, և՛ հարմար ֆիզիկական անալոգիա՝ բացատրելու ատոմի ներսում էլեկտրոնների քվանտային վիճակները, սակայն ատոմի նրա մոդելը դեռևս ամբողջական չէր: Մի քանի տարի շարունակ ֆիզիկոսներ Վերներ Հայզենբերգը և Էրվին Շրյոդինգերը, անկախ աշխատելով, աշխատում էին դը Բրոյլի ալիք-մասնիկ երկակիության հայեցակարգի վրա՝ ենթաատոմային մասնիկների ավելի խիստ մաթեմատիկական մոդելներ ստեղծելու համար:

Այս տեսական առաջընթացը դը Բրոլիի պարզունակ կայուն ալիքի մոդելից մինչև Հայզենբերգի մատրիցայի և Շրյոդինգերի դիֆերենցիալ հավասարման մոդելները ստացել է քվանտային մեխանիկա և այն բավականին ցնցող հատկանիշ է ներմուծել ենթաատոմային մասնիկների աշխարհ՝ հավանականության նշան, կամ անորոշություն։ Ըստ նոր քվանտային տեսության՝ հնարավոր չէր մեկ պահին որոշել մասնիկի ճշգրիտ դիրքն ու իմպուլսը։ Այս «անորոշության սկզբունքի» հանրաճանաչ բացատրությունն այն էր, որ եղել է չափման սխալ (այսինքն՝ փորձելով ճշգրիտ չափել էլեկտրոնի դիրքը, դուք միջամտում եք նրա իմպուլսին, և, հետևաբար, չեք կարող իմանալ, թե որն էր այն նախքան դիրքը չափելը։ և հակառակը): Քվանտային մեխանիկայի սենսացիոն եզրակացությունն այն է, որ մասնիկները չունեն ճշգրիտ դիրքեր և պահեր, և այս երկու մեծությունների փոխհարաբերությունների պատճառով նրանց համակցված անորոշությունը երբեք չի նվազի որոշակի նվազագույն արժեքից:

«Անորոշ» կապի այս ձևը գոյություն ունի նաև քվանտային մեխանիկայից բացի այլ ոլորտներում։ Ինչպես քննարկվել է այս գրքերի շարքի 2-րդ հատորի «Խառը հաճախականության AC ազդանշաններ» գլխում, ալիքի ձևի ժամանակային տիրույթի տվյալների և դրա հաճախականության տիրույթի տվյալների վստահության միջև կան փոխադարձ բացառիկ կապեր: Պարզ ասած, որքան շատ ենք մենք իմանում դրա բաղադրիչ հաճախականությունները, այնքան քիչ ճշգրիտ ենք իմանում դրա ամպլիտուդությունը ժամանակի ընթացքում և հակառակը: Մեջբերում եմ ինձ.

Անսահման տևողության ազդանշանը (անվերջ թվով ցիկլեր) կարելի է վերլուծել բացարձակ ճշգրտությամբ, բայց որքան քիչ ցիկլեր հասանելի լինեն համակարգչին վերլուծության համար, այնքան ավելի քիչ ճշգրիտ կլինի վերլուծությունը… . Այս հայեցակարգը տանելով իր տրամաբանական ծայրահեղությանը՝ կարճ իմպուլսը (նույնիսկ ազդանշանի ամբողջական ժամանակահատվածը) իրականում չունի սահմանված հաճախականություն, դա հաճախականությունների անսահման տիրույթ է: Այս սկզբունքը ընդհանուր է բոլոր ալիքային երեւույթների համար, և ոչ միայն փոփոխական լարումների և հոսանքների համար։

Փոփոխվող ազդանշանի ամպլիտուդը ճշգրիտ որոշելու համար մենք պետք է այն չափենք շատ կարճ ժամանակում: Այնուամենայնիվ, դա անելը սահմանափակում է ալիքի հաճախականության մասին մեր գիտելիքները (քվանտային մեխանիկայի ալիքը պարտադիր չէ, որ նման լինի սինուսային ալիքին. նման նմանությունը հատուկ դեպք է): Մյուս կողմից, մեծ ճշգրտությամբ ալիքի հաճախականությունը որոշելու համար մենք պետք է այն չափենք մեծ թվով ժամանակաշրջաններում, ինչը նշանակում է, որ մենք ցանկացած պահի կկորցնենք դրա ամպլիտուդը: Այսպիսով, մենք չենք կարող միաժամանակ իմանալ ցանկացած ալիքի ակնթարթային ամպլիտուդը և բոլոր հաճախականությունները անսահմանափակ ճշգրտությամբ: Մեկ այլ տարօրինակություն, այս անորոշությունը շատ ավելի մեծ է, քան դիտորդի անճշտությունը. դա հենց ալիքի բնույթի մեջ է: Դա այդպես չէ, թեև համապատասխան տեխնոլոգիայի առկայության դեպքում հնարավոր կլիներ միաժամանակ ապահովել ինչպես ակնթարթային ամպլիտուդի, այնպես էլ հաճախականության ճշգրիտ չափումներ: Բառացի իմաստով ալիքը չի կարող միաժամանակ ունենալ ճշգրիտ ակնթարթային ամպլիտուդ և ճշգրիտ հաճախականություն:

Հեյզենբերգի և Շրյոդինգերի կողմից արտահայտված մասնիկների դիրքի և իմպուլսի նվազագույն անորոշությունը կապ չունի չափման սահմանափակման հետ. ավելի շուտ, դա մասնիկի ալիք-մասնիկ երկակիության բնույթի ներքին հատկությունն է: Հետևաբար, էլեկտրոնները իրականում գոյություն չունեն իրենց «ուղեծրերում»՝ որպես նյութի հստակ սահմանված մասնիկներ, կամ նույնիսկ որպես լավ սահմանված ալիքի ձևեր, այլ ավելի շուտ որպես «ամպեր»՝ տեխնիկական տերմին: ալիքային ֆունկցիահավանականությունների բաշխումներ, կարծես յուրաքանչյուր էլեկտրոն «ցրված» կամ «քսված» է մի շարք դիրքերի և մոմենտի վրա:

Էլեկտրոնների՝ որպես անորոշ ամպերի այս արմատական ​​տեսակետն ի սկզբանե հակասում է էլեկտրոնների քվանտային վիճակների սկզբնական սկզբունքին. էլեկտրոնները գոյություն ունեն ատոմի միջուկի շուրջ դիսկրետ, որոշակի «ուղիներով»: Այս նոր տեսակետը, ի վերջո, այն հայտնագործությունն էր, որը հանգեցրեց քվանտային տեսության ձևավորմանն ու բացատրությանը: Որքան տարօրինակ է թվում, որ էլեկտրոնների դիսկրետ վարքագիծը բացատրելու համար ստեղծված տեսությունն ավարտվում է այն մասին, որ էլեկտրոնները գոյություն ունեն որպես «ամպեր» և ոչ որպես նյութի առանձին կտորներ: Այնուամենայնիվ, էլեկտրոնների քվանտային վարքագիծը կախված չէ էլեկտրոններից, որոնք ունեն որոշակի կոորդինատների և իմպուլսի արժեքներ, այլ այլ հատկություններ, որոնք կոչվում են. քվանտային թվեր. Ըստ էության, քվանտային մեխանիկան հրաժարվում է բացարձակ դիրքի և բացարձակ մոմենտի ընդհանուր հասկացություններից և դրանք փոխարինում տիպերի բացարձակ հասկացություններով, որոնք ընդհանուր պրակտիկայում չունեն նմանակներ:

Թեև հայտնի է, որ էլեկտրոնները գոյություն ունեն բաշխված հավանականության անմարմին, «ամպամած» ձևերում, այլ ոչ թե նյութի առանձին մասերում, այս «ամպերը» մի փոքր տարբեր բնութագրիչներ ունեն: Ատոմի ցանկացած էլեկտրոն կարելի է նկարագրել չորս թվային չափերով (նախապես նշված քվանտային թվերը), որոնք կոչվում են. հիմնական (ճառագայթային), ուղեծրային (ազիմուտ), մագնիսականԵվ պտտելթվեր։ Ստորև բերված է այս թվերից յուրաքանչյուրի նշանակության համառոտ ակնարկ.

Հիմնական (շառավղային) քվանտային թիվ: նշվում է տառով n, այս թիվը նկարագրում է թաղանթը, որի վրա գտնվում է էլեկտրոնը։ Էլեկտրոնային «կեղևը» ատոմի միջուկի շուրջ տարածության շրջան է, որտեղ էլեկտրոններ կարող են գոյություն ունենալ, ինչը համապատասխանում է դը Բրոյլի և Բորի կայուն «կանգնած ալիքի» մոդելներին։ Էլեկտրոնները կարող են «ցատկել» թաղանթից պատյան, բայց չեն կարող գոյություն ունենալ նրանց միջև։

Հիմնական քվանտային թիվը պետք է լինի դրական ամբողջ թիվ (1-ից մեծ կամ հավասար): Այլ կերպ ասած, էլեկտրոնի հիմնական քվանտային թիվը չի կարող լինել 1/2 կամ -3: Այս ամբողջ թվերն ընտրվել են ոչ թե կամայականորեն, այլ լուսային սպեկտրի փորձարարական ապացույցների միջոցով. գրգռված ջրածնի ատոմներից արձակված լույսի տարբեր հաճախականություններ (գույներ) հետևում են մաթեմատիկական հարաբերությունին՝ կախված կոնկրետ ամբողջ թվերից, ինչպես ցույց է տրված ստորև նկարում:

Յուրաքանչյուր թաղանթ ունի բազմաթիվ էլեկտրոններ պահելու հատկություն: Էլեկտրոնային թաղանթների անալոգիան ամֆիթատրոնի նստատեղերի համակենտրոն շարքերն են: Ինչպես ամֆիթատրոնում նստած մարդը պետք է ընտրի մի շարք՝ նստելու համար (նա չի կարող նստել շարքերի միջև), էլեկտրոնները պետք է «ընտրեն» որոշակի թաղանթ՝ «նստելու» համար։ Ինչպես ամֆիթատրոնի շարքերը, արտաքին թաղանթները ավելի շատ էլեկտրոններ են պահում, քան կենտրոնին ավելի մոտ գտնվող թաղանթները: Բացի այդ, էլեկտրոնները հակված են գտնելու ամենափոքր հասանելի շերտը, ճիշտ այնպես, ինչպես մարդիկ ամֆիթատրոնում փնտրում են կենտրոնական բեմին ամենամոտ տեղը: Որքան մեծ է թաղանթի թիվը, այնքան ավելի շատ էներգիա ունեն դրա վրա էլեկտրոնները:

Էլեկտրոնների առավելագույն թիվը, որը կարող է պահել ցանկացած թաղանթ, նկարագրվում է 2n 2 հավասարմամբ, որտեղ n-ը հիմնական քվանտային թիվն է: Այսպիսով, առաջին շերտը (n = 1) կարող է պարունակել 2 էլեկտրոն; երկրորդ շերտը (n = 2) - 8 էլեկտրոն; իսկ երրորդ շերտը (n = 3) - 18 էլեկտրոն (ստորև նկարը):

Հիմնական քվանտային թիվը n և էլեկտրոնների առավելագույն թիվը կապված են 2(n2) բանաձևով։ Ուղեծրերը մասշտաբային չեն:

Էլեկտրոնային թաղանթները ատոմում նշվում էին ոչ թե թվերով, այլ տառերով: Առաջին պատյանը (n = 1) նշանակվել է K, երկրորդը (n = 2) L, երրորդը (n = 3) M, չորրորդ պատյանը (n = 4) N, հինգերորդը (n = 5) O, վեցերորդ պատյանը (n = 6) P, իսկ յոթերորդ պատյանը (n = 7) B:

Օրբիտալ (ազիմուտ) քվանտային թիվենթափեղկերից կազմված պատյան։ Ոմանք կարող են ավելի հարմար համարել ենթափեղկերը որպես խեցիների պարզ հատվածներ, ինչպիսիք են ճանապարհը բաժանող ուղիները: Ենթափեղկերը շատ ավելի տարօրինակ են: Ենթափեղկերը տարածության այն շրջաններն են, որտեղ էլեկտրոնային «ամպեր» կարող են գոյություն ունենալ, և իրականում տարբեր ենթաշերտեր ունեն տարբեր ձևեր: Առաջին ենթաթևն ունի գնդաձև (ներքևում գտնվող նկարը (ներ)), որն իմաստ ունի, երբ պատկերացվում է որպես էլեկտրոնային ամպ, որը շրջապատում է ատոմի միջուկը երեք չափսերով:

Երկրորդ ենթափեղկը հիշեցնում է համր, որը բաղկացած է երկու «ծաղկաթերթիկներից», որոնք միացված են ատոմի կենտրոնի մոտ մեկ կետում (ներքևում գտնվող նկարը (p)):

Երրորդ ենթաթաղանթը սովորաբար հիշեցնում է չորս «ծաղկաթերթերի» մի շարք, որոնք հավաքված են ատոմի միջուկի շուրջ։ Այս ենթակեղևի ձևերը հիշեցնում են ալեհավաքի նախշերի գրաֆիկական պատկերները՝ սոխանման բլթերով, որոնք տարածվում են ալեհավաքից տարբեր ուղղություններով (ստորև բերված նկարը (դ)):

Օրբիտալներ:
(ներ) եռակի համաչափություն;
(p) Ցուցադրված է՝ p x, երեք հնարավոր կողմնորոշումներից մեկը (p x, p y, p z), համապատասխան առանցքների երկայնքով.
(դ) Ցուցադրված է՝ d x 2 -y 2-ը նման է d xy , d yz , d xz : Ցուցադրված է՝ d z 2 . Հնարավոր d-օրբիտալների թիվը՝ հինգ:

Ուղեծրային քվանտային թվի վավեր արժեքները դրական ամբողջ թվեր են, ինչպես հիմնական քվանտային համարը, բայց ներառում են նաև զրո: Էլեկտրոնների համար այս քվանտային թվերը նշվում են l տառով: Ենթափեղկերի թիվը հավասար է թաղանթի հիմնական քվանտային թվին: Այսպիսով, առաջին կեղևը (n = 1) ունի մեկ ենթաշել 0 համարով; երկրորդ կեղևը (n = 2) ունի երկու ենթափեղկ՝ համարակալված 0 և 1; երրորդ կեղևը (n = 3) ունի երեք ենթափեղկ՝ 0, 1 և 2 համարներով:

Հին ենթաշերտի կոնվենցիան օգտագործում էր տառեր, քան թվեր: Այս ձևաչափով առաջին ենթաշելլը (l = 0) նշանակվել է s, երկրորդ ենթաշելլը (l = 1) նշանակվել է p, երրորդ ենթաշելը (l = 2) նշանակվել է d, իսկ չորրորդ ենթաշելը (l = 3): նշվում է զ. Նամակները առաջացել են հետևյալ բառերից. սուր, սկզբունքային, ցրվածԵվ Հիմնարար. Դուք դեռ կարող եք տեսնել այս նշանակումները շատ պարբերական աղյուսակներում, որոնք օգտագործվում են արտաքինի էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիան նշելու համար ( վալենտություն) ատոմների պատյաններ.

ա) արծաթի ատոմի Բորի պատկերը,
բ) Ag-ի ուղեծրային պատկերը՝ թաղանթները ենթափեղկերի բաժանելով (օրբիտալ քվանտային թիվ l):
Այս դիագրամը ոչինչ չի ենթադրում էլեկտրոնների իրական դիրքի մասին, այլ միայն ներկայացնում է էներգիայի մակարդակները:

Մագնիսական քվանտային թիվԷլեկտրոնի մագնիսական քվանտային թիվը դասակարգում է էլեկտրոնային ենթաշերտի պատկերի կողմնորոշումը: Ենթափեղկերի «ծաղկաթերթիկները» կարող են ուղղվել մի քանի ուղղություններով։ Այս տարբեր կողմնորոշումները կոչվում են ուղեծրեր: Առաջին ենթաշերտի համար (s; l = 0), որը նման է գնդին, «ուղղությունը» նշված չէ: Յուրաքանչյուր պատյանում երկրորդ (p; l = 1) ենթափեղկ, որը նման է համր, որը ցույց է տալիս երեք հնարավոր ուղղություններ: Պատկերացրեք երեք համրեր, որոնք հատվում են սկզբնակետում, որոնցից յուրաքանչյուրը ուղղված է իր առանցքի երկայնքով եռակողմ կոորդինատային համակարգում:

Տրված քվանտային թվի համար վավեր արժեքները բաղկացած են -l-ից l տատանվող ամբողջ թվերից, և այս թիվը նշվում է որպես մ լատոմային ֆիզիկայում և զմիջուկային ֆիզիկայում։ Ցանկացած ենթափեղկի ուղեծրերի թիվը հաշվարկելու համար անհրաժեշտ է կրկնապատկել ենթափեղկի թիվը և ավելացնել 1, (2∙l + 1): Օրինակ, ցանկացած թաղանթում առաջին ենթաշեղը (l = 0) պարունակում է 0 համարակալված մեկ ուղեծր; երկրորդ ենթաշերտը (l = 1) ցանկացած շերտում պարունակում է երեք ուղեծրեր՝ -1, 0 և 1 թվերով; երրորդ ենթաշերտը (l = 2) պարունակում է հինգ ուղեծրեր՝ համարակալված -2, -1, 0, 1 և 2; և այլն:

Ինչպես հիմնական քվանտային թիվը, այնպես էլ մագնիսական քվանտային թիվը առաջացել է անմիջապես փորձարարական տվյալներից՝ Զեմանի էֆեկտը, սպեկտրային գծերի բաժանումը իոնացված գազը մագնիսական դաշտի տակ դնելով, որտեղից էլ կոչվում է «մագնիսական» քվանտային թիվ։

Սփին քվանտային թիվըմագնիսական քվանտային թվի նման, ատոմի էլեկտրոնների այս հատկությունը բացահայտվել է փորձերի միջոցով։ Սպեկտրային գծերի մանրակրկիտ դիտարկումը ցույց է տվել, որ յուրաքանչյուր գիծ իրականում շատ սերտորեն բաժանված գծերի զույգ է, առաջարկվել է, որ այս այսպես կոչված. նուրբ կառուցվածքարդյունք էր յուրաքանչյուր էլեկտրոնի «պտտվելու» իր առանցքի շուրջ, ինչպես մոլորակը։ Տարբեր «սպիններով» էլեկտրոնները հուզվելիս լույսի մի փոքր տարբեր հաճախականություններ են արձակում: Պտտվող էլեկտրոնի հայեցակարգն այժմ հնացած է, ավելի հարմար է էլեկտրոնների (սխալ) տեսակետին որպես նյութի առանձին մասնիկներ, այլ ոչ թե որպես «ամպեր», բայց անունը մնում է:

Սպին քվանտային թվերը նշվում են որպես մ սատոմային ֆիզիկայում և szմիջուկային ֆիզիկայում։ Յուրաքանչյուր ուղեծր յուրաքանչյուր ենթաշղթայի մեջ կարող է ունենալ երկու էլեկտրոն՝ մեկը +1/2 սպինով, իսկ մյուսը՝ -1/2 սպին։

Ֆիզիկոս Վոլֆգանգ Պաուլին մշակել է մի սկզբունք, որը բացատրում է ատոմներում էլեկտրոնների դասավորությունն ըստ այդ քվանտային թվերի։ Նրա սկզբունքը, կոչված Պաուլիի բացառման սկզբունքը, նշում է, որ նույն ատոմի երկու էլեկտրոնները չեն կարող զբաղեցնել նույն քվանտային վիճակները։ Այսինքն՝ ատոմի յուրաքանչյուր էլեկտրոն ունի քվանտային թվերի յուրահատուկ հավաքածու։ Սա սահմանափակում է էլեկտրոնների թիվը, որոնք կարող են զբաղեցնել ցանկացած ուղեծր, ենթաշենք և թաղանթ:

Սա ցույց է տալիս էլեկտրոնների դասավորությունը ջրածնի ատոմում.

Միջուկում մեկ պրոտոն ունենալու դեպքում ատոմը ընդունում է մեկ էլեկտրոն իր էլեկտրաստատիկ հավասարակշռության համար (պրոտոնի դրական լիցքը ճիշտ հավասարակշռված է էլեկտրոնի բացասական լիցքով): Այս էլեկտրոնը գտնվում է ստորին թաղանթում (n = 1), առաջին ենթաշելլում (l = 0), այս ենթափեղանի միակ ուղեծրում (տարածական կողմնորոշում) (m l = 0), սպինի արժեքով 1/2: Այս կառուցվածքը նկարագրելու ընդհանուր մեթոդը էլեկտրոնների թվարկումն է՝ ըստ իրենց թաղանթների և ենթաթելերի, համաձայն կոնվենցիայի, որը կոչվում է. սպեկտրոսկոպիկ նշում. Այս նշումով, թաղանթի համարը ցուցադրվում է որպես ամբողջ թիվ, ենթաշերտը որպես տառ (s,p,d,f), իսկ ենթաշղթայի էլեկտրոնների ընդհանուր թիվը (բոլոր ուղեծրերը, բոլոր սպինները) որպես վերնագիր։ Այսպիսով, ջրածինը, իր մեկ էլեկտրոնով, որը տեղադրված է բազային մակարդակում, նկարագրվում է որպես 1s 1:

Անցնելով հաջորդ ատոմին (ատոմային թվի հերթականությամբ) մենք ստանում ենք հելիում տարրը.

Հելիումի ատոմն իր միջուկում ունի երկու պրոտոն, որը պահանջում է երկու էլեկտրոն՝ կրկնակի դրական էլեկտրական լիցքը հավասարակշռելու համար։ Քանի որ երկու էլեկտրոնները՝ մեկը սպինով 1/2, իսկ մյուսը՝ -1/2 սպինով, գտնվում են նույն ուղեծրում, հելիումի էլեկտրոնային կառուցվածքը չի պահանջում լրացուցիչ ենթաթելեր կամ թաղանթներ՝ երկրորդ էլեկտրոնը պահելու համար:

Այնուամենայնիվ, երեք կամ ավելի էլեկտրոն պահանջող ատոմին անհրաժեշտ կլինեն լրացուցիչ ենթաշերտեր՝ բոլոր էլեկտրոնները պահելու համար, քանի որ ներքևի թաղանթում կարող են լինել միայն երկու էլեկտրոններ (n = 1): Դիտարկենք ատոմային թվերի աճի հաջորդականության հաջորդ ատոմը՝ լիթիումը.

Լիթիումի ատոմն օգտագործում է թաղանթի L հզորության մի մասը (n = 2): Այս թաղանթն իրականում ունի ութ էլեկտրոնների ընդհանուր հզորություն (կեղևի առավելագույն հզորությունը = 2n 2 էլեկտրոն): Եթե ​​դիտարկենք ամբողջությամբ լցված L թաղանթով ատոմի կառուցվածքը, ապա կտեսնենք, թե ինչպես են ենթափեղկերի, ուղեծրերի և սպինների բոլոր համակցությունները զբաղեցնում էլեկտրոնները.

Հաճախ, երբ ատոմին սպեկտրոսկոպիկ նշում նշանակելիս, բաց են թողնում ցանկացած ամբողջությամբ լցված պատյաններ, և նշվում են չլցված թաղանթները և վերին մակարդակի լցված պատյանները: Օրինակ, նեոն տարրը (ցույց է տրված վերևի նկարում), որն ունի երկու ամբողջովին լցված պատյաններ, սպեկտրալ առումով կարելի է նկարագրել որպես 2p 6, այլ ոչ թե որպես 1s 22 s 22 p 6: Լիթիումը, իր ամբողջությամբ լցված K թաղանթով և L թաղանթում մեկ էլեկտրոնով, կարելի է պարզապես նկարագրել որպես 2s 1, այլ ոչ թե 1s 22 s 1:

Լիովին բնակեցված ավելի ցածր մակարդակի պատյանների բացթողումը միայն նշագրման հարմարության համար չէ: Այն նաև ցույց է տալիս քիմիայի հիմնական սկզբունքը. տարրի քիմիական վարքագիծը հիմնականում որոշվում է նրա չլցված թաղանթներով: Ե՛վ ջրածինը, և՛ լիթիումը ունեն մեկ էլեկտրոն իրենց արտաքին թաղանթների վրա (համապատասխանաբար 1 և 2s 1), այսինքն՝ երկու տարրերն էլ ունեն նմանատիպ հատկություններ։ Երկուսն էլ շատ ռեակտիվ են և արձագանքում են գրեթե նույն ձևերով (նման պայմաններում կապվում են նմանատիպ տարրերի հետ): Իրականում նշանակություն չունի, որ լիթիումը ունի լիովին լցված K-պատյան գրեթե ազատ L-պատյան տակ. չլցված L-պատյանը որոշում է նրա քիմիական վարքը:

Այն տարրերը, որոնք ամբողջությամբ լցված են արտաքին թաղանթները, դասակարգվում են որպես ազնիվ և բնութագրվում են այլ տարրերի հետ ռեակցիայի գրեթե լիակատար բացակայությամբ: Այս տարրերը դասակարգվել են որպես իներտ, երբ համարվում էր, որ դրանք ընդհանրապես չեն արձագանքում, բայց հայտնի է, որ նրանք որոշակի պայմաններում միացություններ են առաջացնում այլ տարրերի հետ:

Քանի որ իրենց արտաքին թաղանթում էլեկտրոնների նույն կոնֆիգուրացիան ունեցող տարրերն ունեն նմանատիպ քիմիական հատկություններ, Դմիտրի Մենդելեևը համապատասխանաբար աղյուսակում կազմակերպեց քիմիական տարրերը: Այս աղյուսակը հայտնի է որպես , և ժամանակակից աղյուսակները հետևում են այս ընդհանուր դասավորությանը, որը ցույց է տրված ստորև նկարում:

Քիմիական տարրերի պարբերական աղյուսակ

Ռուս քիմիկոս Դմիտրի Մենդելեևն առաջինն էր, ով մշակեց տարրերի պարբերական աղյուսակը։ Թեև Մենդելեևը կազմակերպեց իր աղյուսակը ըստ ատոմային զանգվածի, ոչ թե ատոմային թվի, և ստեղծեց աղյուսակ, որն այնքան օգտակար չէր, որքան ժամանակակից պարբերական աղյուսակները, նրա զարգացումը գիտական ​​ապացույցի հիանալի օրինակ է: Տեսնելով պարբերականության օրինաչափություններ (նման քիմիական հատկություններ՝ ըստ ատոմային զանգվածի), Մենդելեևը ենթադրեց, որ բոլոր տարրերը պետք է տեղավորվեն այս դասավորված օրինաչափության մեջ։ Երբ նա հայտնաբերեց աղյուսակում «դատարկ» տեղերը, նա հետևեց գոյություն ունեցող կարգի տրամաբանությանը և ենթադրեց դեռևս անհայտ տարրերի առկայությունը: Այս տարրերի հետագա հայտնաբերումը հաստատեց Մենդելեևի վարկածի գիտական ​​ճշգրտությունը, հետագա հայտնագործությունները հանգեցրին պարբերական աղյուսակի ձևին, որը մենք այժմ օգտագործում ենք:

Սրա նման պետք էԱշխատանքային գիտություն. վարկածները հանգեցնում են տրամաբանական եզրակացությունների և ընդունվում, փոփոխվում կամ մերժվում են՝ կախված փորձարարական տվյալների համապատասխանությունից իրենց եզրակացությունների հետ: Ցանկացած հիմար կարող է փաստից հետո վարկած ձևակերպել՝ բացատրելու առկա փորձարարական տվյալները, և շատերը դա անում են։ Այն, ինչ տարբերում է գիտական ​​վարկածը հետհոկ ենթադրություններից, ապագա փորձարարական տվյալների կանխատեսումն է, որը դեռևս չի հավաքվել, և, հնարավոր է, այդ տվյալների հերքումը արդյունքում: Համարձակորեն վարկածը տանեք իր տրամաբանական եզրակացության(ներ)ին, և ապագա փորձերի արդյունքները կանխատեսելու փորձը հավատի դոգմատիկ թռիչք չէ, այլ ավելի շուտ այս վարկածի հրապարակային փորձարկում, բաց մարտահրավեր վարկածի հակառակորդներին: Այլ կերպ ասած, գիտական ​​վարկածները միշտ «ռիսկային» են, քանի որ փորձում են կանխատեսել փորձերի արդյունքները, որոնք դեռ չեն արվել, և, հետևաբար, կարող են կեղծվել, եթե փորձերը չընթանան այնպես, ինչպես սպասվում էր: Այսպիսով, եթե վարկածը ճիշտ է կանխատեսում կրկնվող փորձերի արդյունքները, ապա այն հերքվում է:

Քվանտային մեխանիկան սկզբում որպես հիպոթեզ, իսկ հետո՝ որպես տեսություն, ապացուցել է, որ չափազանց հաջողակ է փորձերի արդյունքները կանխատեսելիս, և, հետևաբար, ստացել է գիտական ​​արժանահավատության բարձր աստիճան: Շատ գիտնականներ հիմքեր ունեն կարծելու, որ սա թերի տեսություն է, քանի որ դրա կանխատեսումներն ավելի ճիշտ են միկրոֆիզիկական մասշտաբներով, քան մակրոսկոպիկները, բայց, այնուամենայնիվ, այն չափազանց օգտակար տեսություն է մասնիկների և ատոմների փոխազդեցությունը բացատրելու և կանխատեսելու համար:

Ինչպես տեսաք այս գլխում, քվանտային ֆիզիկան էական նշանակություն ունի բազմաթիվ տարբեր երևույթներ նկարագրելու և կանխատեսելու համար: Հաջորդ բաժնում մենք կտեսնենք դրա նշանակությունը պինդ մարմինների, այդ թվում՝ կիսահաղորդիչների էլեկտրական հաղորդունակության հարցում: Պարզ ասած, քիմիայում կամ պինդ վիճակի ֆիզիկայում ոչինչ իմաստ չունի էլեկտրոնների հանրաճանաչ տեսական կառուցվածքում, որոնք գոյություն ունեն որպես նյութի առանձին մասնիկներ, որոնք պտտվում են ատոմի միջուկի շուրջը, ինչպես մանրանկարչական արբանյակները: Երբ էլեկտրոնները դիտվում են որպես «ալիքային ֆունկցիաներ», որոնք գոյություն ունեն որոշակի, դիսկրետ վիճակներում, որոնք կանոնավոր և պարբերական են, ապա նյութի վարքագիծը կարելի է բացատրել:

Ամփոփելով

Ատոմներում էլեկտրոնները գոյություն ունեն բաշխված հավանականության «ամպերում», և ոչ որպես միջուկի շուրջ պտտվող նյութի առանձին մասնիկներ, ինչպես մանրանկարչական արբանյակները, ինչպես ցույց են տալիս սովորական օրինակները:

Ատոմի միջուկի շուրջ առանձին էլեկտրոնները հակված են եզակի «վիճակների», որոնք նկարագրված են չորս քվանտային թվերով. հիմնական (ճառագայթային) քվանտային թիվ, հայտնի որպես պատյան; ուղեծրային (ազիմուտ) քվանտային թիվ, հայտնի որպես ենթափեղկ; մագնիսական քվանտային թիվնկարագրելով ուղեծրային(ենթակետի կողմնորոշում); Եվ սպին քվանտային թիվ, կամ պարզապես պտտել. Այս վիճակները քվանտային են, այսինքն՝ «դրանց միջև» չկան էլեկտրոնի գոյության պայմաններ, բացառությամբ այն վիճակների, որոնք տեղավորվում են քվանտային համարակալման սխեմայի մեջ։

Գլանոե (շառավղային) քվանտային թիվ (n)նկարագրում է բազային մակարդակը կամ թաղանթը, որում գտնվում է էլեկտրոնը։ Որքան մեծ է այս թիվը, այնքան մեծ է էլեկտրոնային ամպի շառավիղը ատոմի միջուկից, և այնքան մեծ է էլեկտրոնի էներգիան։ Հիմնական քվանտային թվերն ամբողջ թվերն են (դրական ամբողջ թվեր)

Օրբիտալ (ազիմուտալ) քվանտային թիվ (l)նկարագրում է էլեկտրոնային ամպի ձևը որոշակի թաղանթում կամ մակարդակում և հաճախ հայտնի է որպես «ենթափեղկ»: Ցանկացած թաղանթում կան այնքան ենթաշերտեր (էլեկտրոնային ամպի ձևեր), որքան թաղանթի հիմնական քվանտային թիվը։ Ազիմուտալ քվանտային թվերը դրական ամբողջ թվեր են, որոնք սկսվում են զրոյից և ավարտվում են հիմնական քվանտային թվից մեկով փոքր թվով (n - 1):

Մագնիսական քվանտային թիվ (մլ)նկարագրում է, թե ինչ կողմնորոշում ունի ենթաթևը (էլեկտրոնային ամպի ձևը): Ենթափեղկերը կարող են ունենալ այնքան տարբեր կողմնորոշումներ, որքան (l) թվի կրկնապատիկը, գումարած 1, (2l+1) (այսինքն, l=1-ի համար, ml = -1, 0, 1), և յուրաքանչյուր եզակի կողմնորոշում կոչվում է ուղեծր: . Այս թվերը ամբողջ թվեր են, որոնք սկսվում են ենթաշերտի համարի բացասական արժեքից (l) մինչև 0-ը և ավարտվում ենթաթաղանթի համարի դրական արժեքով:

Սպին քվանտային համարը (մ վրկ)նկարագրում է էլեկտրոնի մեկ այլ հատկություն և կարող է ընդունել +1/2 և -1/2 արժեքները:

Պաուլիի բացառման սկզբունքըասում է, որ ատոմում երկու էլեկտրոնները չեն կարող կիսել քվանտային թվերի նույն խումբը: Հետևաբար, յուրաքանչյուր ուղեծրում կարող է լինել առավելագույնը երկու էլեկտրոն (սպին=1/2 և սպին=-1/2), յուրաքանչյուր ենթաշղթայում 2լ+1 ուղեծր, իսկ յուրաքանչյուր թաղանթում՝ n ենթաշենք և ոչ ավելին։

Սպեկտրոսկոպիկ նշումատոմի էլեկտրոնային կառուցվածքի կոնվենցիա է։ Թաղանթները ցուցադրվում են որպես ամբողջ թվեր, որին հաջորդում են ենթաշենքի տառերը (s, p, d, f)՝ վերնագրի թվերով, որոնք ցույց են տալիս յուրաքանչյուր համապատասխան ենթաշղթայում հայտնաբերված էլեկտրոնների ընդհանուր թիվը:

Ատոմի քիմիական վարքագիծը որոշվում է բացառապես չլցված թաղանթների էլեկտրոններով: Ցածր մակարդակի պատյանները, որոնք ամբողջությամբ լցված են, քիչ կամ ընդհանրապես չեն ազդում տարրերի քիմիական կապի բնութագրերի վրա:

Ամբողջությամբ լցված էլեկտրոնային թաղանթներով տարրերը գրեթե ամբողջությամբ իներտ են և կոչվում են վեհտարրեր (նախկինում հայտնի էր որպես իներտ):