L'essenza della fisica quantistica. Fondamenti di fisica quantistica in cinque esperimenti per "manichini"

La fisica è la più misteriosa di tutte le scienze. La fisica ci dà una comprensione del mondo che ci circonda. Le leggi della fisica sono assolute e si applicano a tutti senza eccezioni, indipendentemente dalla persona e dallo stato sociale.

Questo articolo è destinato a persone di età superiore ai 18 anni.

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Scoperte fondamentali della fisica quantistica

Isaac Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein e molti altri sono le grandi guide dell'umanità nel meraviglioso mondo della fisica, che, come profeti, ha rivelato all'umanità i più grandi segreti dell'universo e la capacità di controllare i fenomeni fisici. Le loro teste luminose tagliavano l'oscurità dell'ignoranza della maggioranza irragionevole e, come una stella guida, mostravano la via all'umanità nell'oscurità della notte. Uno di questi conduttori nel mondo della fisica era Max Planck, il padre della fisica quantistica.

Max Planck non è solo il fondatore della fisica quantistica, ma anche l'autore della famosa teoria quantistica. La teoria quantistica è la componente più importante della fisica quantistica. In termini semplici, questa teoria descrive il movimento, il comportamento e l'interazione delle microparticelle. Il fondatore della fisica quantistica ci ha portato anche molti altri lavori scientifici che sono diventati i capisaldi della fisica moderna:

• teoria della radiazione termica;
• teoria della relatività speciale;
• ricerca nel campo della termodinamica;
• ricerca nel campo dell'ottica.

La teoria della fisica quantistica sul comportamento e l'interazione delle microparticelle divenne la base per la fisica della materia condensata, la fisica delle particelle elementari e la fisica delle alte energie. La teoria quantistica ci spiega l'essenza di molti fenomeni del nostro mondo: dal funzionamento dei computer elettronici alla struttura e al comportamento dei corpi celesti. Max Planck, l'ideatore di questa teoria, grazie alla sua scoperta ci ha permesso di comprendere la vera essenza di molte cose a livello di particelle elementari. Ma la creazione di questa teoria è tutt'altro che l'unico merito dello scienziato. Fu il primo a scoprire la legge fondamentale dell'universo: la legge di conservazione dell'energia. Il contributo alla scienza di Max Planck è difficile da sopravvalutare. In breve, le sue scoperte non hanno prezzo per la fisica, la chimica, la storia, la metodologia e la filosofia.

teoria quantistica dei campi

In poche parole, la teoria quantistica dei campi è una teoria della descrizione delle microparticelle, nonché del loro comportamento nello spazio, dell'interazione tra loro e delle trasformazioni reciproche. Questa teoria studia il comportamento dei sistemi quantistici all'interno dei cosiddetti gradi di libertà. Questo nome bello e romantico non dice nulla a molti di noi. Per i manichini, i gradi di libertà sono il numero di coordinate indipendenti necessarie per indicare il movimento di un sistema meccanico. In parole povere, i gradi di libertà sono caratteristiche del moto. Interessanti scoperte nel campo dell'interazione delle particelle elementari sono state fatte da Steven Weinberg. Ha scoperto la cosiddetta corrente neutra, il principio di interazione tra quark e leptoni, per il quale ha ricevuto il Premio Nobel nel 1979.

La teoria quantistica di Max Planck

Negli anni novanta del diciottesimo secolo, il fisico tedesco Max Planck iniziò lo studio della radiazione termica e alla fine ricevette una formula per la distribuzione dell'energia. L'ipotesi quantistica, nata nel corso di questi studi, ha segnato l'inizio della fisica quantistica, così come la teoria quantistica dei campi, scoperta nel 1900° anno. La teoria quantistica di Planck è che durante la radiazione termica, l'energia prodotta viene emessa e assorbita non costantemente, ma in modo episodico, quantistico. L'anno 1900, grazie a questa scoperta fatta da Max Planck, divenne l'anno della nascita della meccanica quantistica. Vale anche la pena ricordare la formula di Planck. In breve, la sua essenza è la seguente: si basa sul rapporto tra la temperatura corporea e la sua radiazione.

Teoria quantomeccanica della struttura dell'atomo

La teoria della meccanica quantistica della struttura dell'atomo è una delle teorie di base dei concetti nella fisica quantistica, e in effetti nella fisica in generale. Questa teoria ci permette di comprendere la struttura di tutto ciò che è materiale e apre il velo di segretezza su ciò in cui le cose consistono effettivamente. E le conclusioni basate su questa teoria sono molto inaspettate. Considera brevemente la struttura dell'atomo. Quindi di cosa è fatto veramente un atomo? Un atomo è costituito da un nucleo e da una nuvola di elettroni. La base dell'atomo, il suo nucleo, contiene quasi l'intera massa dell'atomo stesso, oltre il 99%. Il nucleo ha sempre una carica positiva e determina l'elemento chimico di cui l'atomo fa parte. La cosa più interessante del nucleo di un atomo è che contiene quasi l'intera massa dell'atomo, ma allo stesso tempo occupa solo un decimillesimo del suo volume. Cosa ne consegue? E la conclusione è molto inaspettata. Ciò significa che la materia densa nell'atomo è solo un decimillesimo. E tutto il resto? Tutto il resto nell'atomo è una nuvola di elettroni.

La nuvola di elettroni non è una sostanza permanente e nemmeno, in effetti, materiale. Una nuvola di elettroni è solo la probabilità che gli elettroni appaiano in un atomo. Cioè, il nucleo occupa solo un decimillesimo nell'atomo, e tutto il resto è vuoto. E se prendiamo in considerazione che tutti gli oggetti intorno a noi, dalle particelle di polvere ai corpi celesti, ai pianeti e alle stelle, sono costituiti da atomi, si scopre che tutto ciò che è materiale in realtà consiste per oltre il 99 per cento di vuoto. Questa teoria sembra del tutto incredibile, e il suo autore, almeno, una persona illusa, perché le cose che esistono intorno hanno una consistenza solida, hanno un peso e possono essere sentite. Come può consistere nel vuoto? Si è insinuato un errore in questa teoria della struttura della materia? Ma non c'è nessun errore qui.

Tutte le cose materiali appaiono dense solo a causa dell'interazione tra gli atomi. Le cose hanno una consistenza solida e densa solo per attrazione o repulsione tra atomi. Ciò garantisce la densità e la durezza del reticolo cristallino delle sostanze chimiche, di cui è costituito tutto il materiale. Ma, un punto interessante, quando, ad esempio, le condizioni di temperatura dell'ambiente cambiano, i legami tra gli atomi, cioè la loro attrazione e repulsione, possono indebolirsi, il che porta a un indebolimento del reticolo cristallino e persino alla sua distruzione. Questo spiega il cambiamento nelle proprietà fisiche delle sostanze quando riscaldate. Ad esempio, quando il ferro viene riscaldato, diventa liquido e può essere modellato in qualsiasi forma. E quando il ghiaccio si scioglie, la distruzione del reticolo cristallino porta a un cambiamento nello stato della materia e passa da solido a liquido. Questi sono chiari esempi dell'indebolimento dei legami tra atomi e, di conseguenza, dell'indebolimento o della distruzione del reticolo cristallino e consentono alla sostanza di diventare amorfa. E la ragione di tali misteriose metamorfosi è proprio che le sostanze consistono di materia densa solo per un decimillesimo, e tutto il resto è vuoto.

E le sostanze sembrano solide solo a causa dei forti legami tra gli atomi, con l'indebolimento dei quali la sostanza cambia. Pertanto, la teoria quantistica della struttura dell'atomo ci consente di dare uno sguardo completamente diverso al mondo che ci circonda.

Il fondatore della teoria dell'atomo, Niels Bohr, ha avanzato un concetto interessante secondo cui gli elettroni nell'atomo non irradiano energia costantemente, ma solo nel momento di transizione tra le traiettorie del loro movimento. La teoria di Bohr ha aiutato a spiegare molti processi intra-atomici e ha anche fatto un passo avanti nella scienza della chimica, spiegando il confine del tavolo creato da Mendeleev. Secondo , l'ultimo elemento che può esistere nel tempo e nello spazio ha il numero seriale centotrentasette, e gli elementi che iniziano da centotrentotto non possono esistere, poiché la loro esistenza contraddice la teoria della relatività. Inoltre, la teoria di Bohr spiegava la natura di un fenomeno fisico come gli spettri atomici.

Questi sono gli spettri di interazione degli atomi liberi che sorgono quando l'energia viene emessa tra di loro. Tali fenomeni sono tipici per le sostanze gassose, vaporose e le sostanze allo stato plasma. Pertanto, la teoria quantistica ha fatto una rivoluzione nel mondo della fisica e ha permesso agli scienziati di avanzare non solo nel campo di questa scienza, ma anche nel campo di molte scienze correlate: chimica, termodinamica, ottica e filosofia. E ha anche permesso all'umanità di penetrare i segreti della natura delle cose.

C'è ancora molto da fare da parte dell'umanità nella sua coscienza per realizzare la natura degli atomi, per comprendere i principi del loro comportamento e interazione. Avendo capito questo, saremo in grado di comprendere la natura del mondo che ci circonda, perché tutto ciò che ci circonda, a cominciare dalle particelle di polvere e finendo con il sole stesso, e noi stessi - tutto è costituito da atomi, la cui natura è misteriosa e sorprendente e pieno di molti segreti.

Ciao cari lettori. Se non vuoi rimanere indietro rispetto alla vita, vuoi diventare una persona veramente felice e sana, dovresti conoscere i segreti della fisica quantistica moderna, almeno una piccola idea di quali profondità dell'universo gli scienziati hanno scavato oggi. Non hai tempo per entrare in profondi dettagli scientifici, ma vuoi comprenderne solo l'essenza, ma per vedere la bellezza del mondo sconosciuto, allora questo articolo: fisica quantistica per manichini ordinari o, si potrebbe dire, per casalinghe, è solo per te. Cercherò di spiegare cos'è la fisica quantistica, ma in parole semplici, di mostrarlo chiaramente.

"Qual è la connessione tra felicità, salute e fisica quantistica?" chiedi.

Il fatto è che aiuta a rispondere a molte domande incomprensibili relative alla coscienza umana, all'influenza della coscienza sul corpo. Sfortunatamente, la medicina, basandosi sulla fisica classica, non sempre ci aiuta a essere sani. E la psicologia non può dirti come trovare la felicità.

Solo una conoscenza più approfondita del mondo ci aiuterà a capire come affrontare veramente la malattia e dove vive la felicità. Questa conoscenza si trova negli strati profondi dell'universo. La fisica quantistica viene in soccorso. Presto saprai tutto.

Cosa studia la fisica quantistica in parole semplici

Sì, in effetti, la fisica quantistica è molto difficile da capire perché studia le leggi del micromondo. Cioè, il mondo nei suoi strati più profondi, a distanze molto piccole, dove è molto difficile per una persona guardare.

E il mondo, a quanto pare, si comporta lì in modo molto strano, misterioso e incomprensibile, non come siamo abituati.

Da qui tutta la complessità e l'incomprensione della fisica quantistica.

Ma dopo aver letto questo articolo, amplierai gli orizzonti delle tue conoscenze e guarderai il mondo in un modo completamente diverso.

Brevemente sulla storia della fisica quantistica

Tutto ebbe inizio all'inizio del 20° secolo, quando la fisica newtoniana non poteva spiegare molte cose e gli scienziati raggiunsero un vicolo cieco. Poi Max Planck ha introdotto il concetto di quantistica. Albert Einstein raccolse questa idea e dimostrò che la luce non si propaga continuamente, ma in porzioni - quanti (fotoni). Prima di questo, si credeva che la luce avesse una natura ondulatoria.

Ma come si è scoperto in seguito, qualsiasi particella elementare non è solo un quanto, cioè una particella solida, ma anche un'onda. Così è apparso nella fisica quantistica il dualismo corpuscolare-onda, il primo paradosso e l'inizio delle scoperte di misteriosi fenomeni del micromondo.

I paradossi più interessanti sono iniziati quando è stato effettuato il famoso esperimento della doppia fenditura, dopo di che i misteri sono diventati molto di più. Possiamo dire che la fisica quantistica è iniziata con lui. Diamo un'occhiata.

Esperimento della doppia fenditura in fisica quantistica

Immagina un piatto con due fessure a forma di strisce verticali. Metteremo uno schermo dietro questo piatto. Se dirigiamo la luce sulla lastra, vedremo uno schema di interferenza sullo schermo. Cioè, strisce verticali scure e luminose alternate. L'interferenza è il risultato del comportamento ondulatorio di qualcosa, nel nostro caso la luce.

Se passi un'onda d'acqua attraverso due fori affiancati, capirai cos'è l'interferenza. Cioè, la luce risulta essere una specie di natura ondulatoria. Ma come ha dimostrato la fisica, o meglio Einstein, viene propagato da particelle di fotoni. Già un paradosso. Ma va bene, il dualismo corpuscolare-onda non ci sorprenderà più. La fisica quantistica ci dice che la luce si comporta come un'onda ma è composta da fotoni. Ma i miracoli sono solo all'inizio.

Mettiamo una pistola davanti a una piastra con due fessure, che non emetterà luce, ma elettroni. Iniziamo a sparare agli elettroni. Cosa vedremo sullo schermo dietro il piatto?

Dopotutto, gli elettroni sono particelle, il che significa che il flusso di elettroni, passando attraverso due fenditure, dovrebbe lasciare solo due strisce sullo schermo, due tracce opposte alle fenditure. Hai mai immaginato dei ciottoli che volano attraverso due slot e colpiscono lo schermo?

Ma cosa vediamo veramente? Tutti lo stesso schema di interferenza. Qual è la conclusione: gli elettroni si propagano in onde. Quindi gli elettroni sono onde. Ma in fondo è una particella elementare. Di nuovo il dualismo corpuscolare-onda in fisica.

Ma possiamo presumere che a un livello più profondo, un elettrone sia una particella e quando queste particelle si uniscono, iniziano a comportarsi come onde. Ad esempio, un'onda del mare è un'onda, ma è composta da goccioline d'acqua e, a un livello più piccolo, da molecole e quindi atomi. Ok, la logica è solida.

Quindi spariamo da una pistola non con un flusso di elettroni, ma rilasciamo gli elettroni separatamente, dopo un certo periodo di tempo. Come se stessimo passando attraverso le fessure non un'onda del mare, ma sputando singole gocce da una pistola ad acqua per bambini.

È abbastanza logico che in questo caso gocce d'acqua diverse cadano in fessure diverse. Sullo schermo dietro la lastra, non si poteva vedere uno schema di interferenza dell'onda, ma due distinte frange di impatto di fronte a ciascuna fenditura. Vedremo la stessa cosa se lanciamo dei piccoli sassi, essi, volando attraverso due fessure, lascerebbero una traccia, come un'ombra da due buchi. Ora spariamo ai singoli elettroni per vedere queste due strisce sullo schermo dagli impatti degli elettroni. Ne hanno rilasciato uno, aspettato, il secondo, aspettato e così via. I fisici quantistici sono stati in grado di fare un simile esperimento.

Ma orrore. Al posto di queste due frange si ottengono le stesse alternanze di interferenza di più frange. Come mai? Questo può accadere se un elettrone vola attraverso due fenditure contemporaneamente, ma dietro la piastra, come un'onda, si scontra con se stesso e interferisce. Ma questo non può essere, perché una particella non può trovarsi in due posti contemporaneamente. O vola attraverso il primo slot o attraverso il secondo.

È qui che iniziano le cose veramente fantastiche della fisica quantistica.

Sovrapposizione in fisica quantistica

Con un'analisi più approfondita, gli scienziati scoprono che qualsiasi particella quantistica elementare o la stessa luce (fotone) può effettivamente trovarsi in più luoghi contemporaneamente. E questi non sono miracoli, ma i fatti reali del microcosmo. Questo è ciò che dice la fisica quantistica. Ecco perché, sparando a una particella separata da un cannone, vediamo il risultato dell'interferenza. Dietro la piastra, l'elettrone si scontra con se stesso e crea uno schema di interferenza.

Gli oggetti ordinari del macrocosmo sono sempre in un posto, hanno uno stato. Ad esempio, ora sei seduto su una sedia, pesi, diciamo, 50 kg, hai una frequenza cardiaca di 60 battiti al minuto. Naturalmente, queste indicazioni cambieranno, ma cambieranno dopo un po' di tempo. Dopotutto, non puoi essere a casa e al lavoro allo stesso tempo, con un peso di 50 e 100 kg. Tutto questo è comprensibile, questo è buon senso.

Nella fisica del microcosmo, tutto è diverso.

La meccanica quantistica afferma, e questo è già stato confermato sperimentalmente, che qualsiasi particella elementare può trovarsi contemporaneamente non solo in più punti dello spazio, ma avere anche più stati contemporaneamente, come lo spin.

Tutto questo non entra nella testa, mina la solita idea del mondo, le vecchie leggi della fisica, gira a pensare, si può tranquillamente dire che fa impazzire.

Questo è il modo in cui arriviamo a comprendere il termine "sovrapposizione" nella meccanica quantistica.

Sovrapposizione significa che un oggetto del microcosmo può trovarsi contemporaneamente in diversi punti dello spazio e avere anche più stati contemporaneamente. E questo è normale per le particelle elementari. Tale è la legge del micromondo, non importa quanto strano e fantastico possa sembrare.

Sei sorpreso, ma questi sono solo fiori, i miracoli, i misteri e i paradossi più inspiegabili della fisica quantistica devono ancora arrivare.

La funzione d'onda crolla in fisica in termini semplici

Quindi gli scienziati hanno deciso di scoprire e vedere più precisamente se l'elettrone passa effettivamente attraverso entrambe le fessure. All'improvviso passa attraverso una fessura e poi in qualche modo si separa e crea uno schema di interferenza mentre lo attraversa. Beh, non si sa mai. Cioè, devi mettere un dispositivo vicino alla fenditura, che registrerebbe accuratamente il passaggio di un elettrone attraverso di essa. Detto fatto. Certo, questo è difficile da implementare, non è necessario un dispositivo, ma qualcos'altro per vedere il passaggio di un elettrone. Ma gli scienziati lo hanno fatto.

Ma alla fine, il risultato ha sbalordito tutti.

Non appena iniziamo a guardare attraverso quale fenditura passa un elettrone, inizia a comportarsi non come un'onda, non come una strana sostanza che si trova in diversi punti dello spazio allo stesso tempo, ma come una particella ordinaria. Cioè, inizia a mostrare le proprietà specifiche di un quanto: si trova solo in un punto, passa attraverso uno slot, ha un valore di spin. Quello che appare sullo schermo non è uno schema di interferenza, ma una semplice traccia opposta alla fenditura.

Ma come è possibile. Come se l'elettrone stesse scherzando, giocando con noi. All'inizio si comporta come un'onda e poi, dopo aver deciso di osservare il suo passaggio attraverso una fenditura, mostra le proprietà di una particella solida e passa attraverso una sola fenditura. Ma è così nel microcosmo. Queste sono le leggi della fisica quantistica.

Gli scienziati hanno visto un'altra misteriosa proprietà delle particelle elementari. È così che sono comparsi nella fisica quantistica i concetti di incertezza e collasso della funzione d'onda.

Quando un elettrone vola verso lo spazio vuoto, è in uno stato indefinito o, come abbiamo detto sopra, in una sovrapposizione. Cioè, si comporta come un'onda, si trova contemporaneamente in diversi punti dello spazio, ha due valori di spin (uno spin ha solo due valori). Se non lo toccassimo, non provassimo a guardarlo, non scoprissimo esattamente dove si trova, se non misurassimo il valore della sua rotazione, volerebbe come un'onda attraverso due fenditure al allo stesso tempo, il che significa che creerebbe uno schema di interferenza. La fisica quantistica ne descrive la traiettoria e i parametri usando la funzione d'onda.

Dopo aver effettuato la misurazione (ed è possibile misurare una particella del micromondo solo interagendo con essa, ad esempio facendo urtare un'altra particella con essa), la funzione d'onda collassa.

Cioè, ora l'elettrone è esattamente in un punto nello spazio, ha un valore di spin.

Si può dire che una particella elementare è come un fantasma, sembra esistere, ma allo stesso tempo non è in un posto, e con una certa probabilità può essere ovunque all'interno della descrizione della funzione d'onda. Ma non appena iniziamo a contattarlo, si trasforma da oggetto spettrale in una reale sostanza tangibile che si comporta come oggetti ordinari del mondo classico che ci sono familiari.

"Questo è fantastico", dici. Certo, ma le meraviglie della fisica quantistica sono solo all'inizio. Il più incredibile deve ancora venire. Ma prendiamoci una pausa dall'abbondanza di informazioni e torniamo alle avventure quantistiche un'altra volta, in un altro articolo. Nel frattempo, rifletti su ciò che hai imparato oggi. A cosa possono portare tali miracoli? Dopotutto, ci circondano, questa è una proprietà del nostro mondo, anche se a un livello più profondo. Pensiamo ancora di vivere in un mondo noioso? Ma trarremo conclusioni più avanti.

Ho cercato di parlare brevemente e chiaramente delle basi della fisica quantistica.

Ma se non capisci qualcosa, allora guarda questo cartone animato sulla fisica quantistica, sull'esperimento con due fenditure, tutto è anche raccontato in un linguaggio comprensibile e semplice.

Cartone animato sulla fisica quantistica:

Oppure puoi guardare questo video, tutto andrà a posto, la fisica quantistica è molto interessante.

Video sulla fisica quantistica:

Come non lo sapevi prima?

Le moderne scoperte della fisica quantistica stanno cambiando il nostro mondo materiale familiare.

Benvenuto nel blog! Sono molto contento per te!

Sicuramente l'hai sentito molte volte sui misteri inspiegabili della fisica quantistica e della meccanica quantistica. Le sue leggi affascinano con il misticismo e anche i fisici stessi ammettono di non comprenderle appieno. Da un lato è curioso capire queste leggi, ma dall'altro non c'è tempo per leggere libri di fisica multi-volume e complessi. Ti capisco molto, perché anch'io amo la conoscenza e la ricerca della verità, ma non c'è molto tempo per tutti i libri. Non sei solo, molte persone curiose digitano nella riga di ricerca: “fisica quantistica per manichini, meccanica quantistica per manichini, fisica quantistica per principianti, meccanica quantistica per principianti, basi di fisica quantistica, basi di meccanica quantistica, fisica quantistica per bambini, cos'è la meccanica quantistica". Questo post è per te.

Comprenderai i concetti di base e i paradossi della fisica quantistica. Dall'articolo imparerai:

• Cos'è l'interferenza?
• Che cos'è rotazione e sovrapposizione?
• Che cos'è la "misurazione" o il "collasso della funzione d'onda"?
• Che cos'è l'entanglement quantistico (o teletrasporto quantistico per i manichini)? (vedi articolo)
• Qual è l'esperimento mentale del gatto di Schrödinger? (vedi articolo)

Che cos'è la fisica quantistica e la meccanica quantistica?

La meccanica quantistica fa parte della fisica quantistica.

Perché è così difficile comprendere queste scienze? La risposta è semplice: la fisica quantistica e la meccanica quantistica (una parte della fisica quantistica) studiano le leggi del micromondo. E queste leggi sono assolutamente diverse dalle leggi del nostro macrocosmo. Pertanto, è difficile per noi immaginare cosa succede agli elettroni e ai fotoni nel microcosmo.

Un esempio della differenza tra le leggi di macro e micromondi: nel nostro macrocosmo, se metti una palla in una delle 2 scatole, una di esse sarà vuota e l'altra una palla. Ma nel microcosmo (se invece di una palla - un atomo), un atomo può essere contemporaneamente in due scatole. Ciò è stato ripetutamente confermato sperimentalmente. Non è difficile mettertelo in testa? Ma non puoi discutere con i fatti.

Un altro esempio. Hai fotografato un'auto sportiva rossa da corsa veloce e nella foto hai visto una striscia orizzontale sfocata, come se l'auto al momento della foto fosse da più punti nello spazio. Nonostante quello che vedi nella foto, sei comunque sicuro che l'auto fosse nel momento in cui l'hai fotografata. in un luogo specifico nello spazio. Non così nel micromondo. Un elettrone che ruota attorno al nucleo di un atomo in realtà non ruota, ma situato contemporaneamente in tutti i punti della sfera attorno al nucleo di un atomo. Come un gomitolo di lana soffice avvolto in modo lasco. Questo concetto in fisica è chiamato "nuvola elettronica" .

Una piccola digressione nella storia. Per la prima volta, gli scienziati hanno pensato al mondo quantistico quando, nel 1900, il fisico tedesco Max Planck ha cercato di scoprire perché i metalli cambiano colore quando riscaldati. Fu lui a introdurre il concetto di quantistica. Prima di allora, gli scienziati pensavano che la luce viaggiasse continuamente. La prima persona a prendere sul serio la scoperta di Planck fu l'allora sconosciuto Albert Einstein. Capì che la luce non è solo un'onda. A volte si comporta come una particella. Einstein ha ricevuto il Premio Nobel per la sua scoperta che la luce viene emessa in porzioni, i quanti. Un quanto di luce è chiamato fotone ( fotone, Wikipedia) .

Per facilitare la comprensione delle leggi dei quanti fisica e meccanica (Wikipedia), è necessario, in un certo senso, astrarre dalle leggi della fisica classica a noi familiari. E immagina di tuffarti, come Alice, nella tana del coniglio, nel Paese delle Meraviglie.

Ed ecco un cartone animato per bambini e adulti. Parla dell'esperimento fondamentale della meccanica quantistica con 2 fenditure e un osservatore. Dura solo 5 minuti. Guardalo prima di approfondire le domande e i concetti di base della fisica quantistica.

Fisica quantistica per i video dei manichini. Nel cartone animato, presta attenzione all '"occhio" dell'osservatore. È diventato un mistero serio per i fisici.

Cos'è l'interferenza?

All'inizio del cartone animato, usando l'esempio di un liquido, è stato mostrato come si comportano le onde: sullo schermo compaiono strisce verticali scure e chiare alternate dietro un piatto con delle fessure. E nel caso in cui particelle discrete (ad esempio, ciottoli) vengono "sparate" sulla piastra, volano attraverso 2 fessure e colpiscono lo schermo direttamente di fronte alle fessure. E "disegna" sullo schermo solo 2 strisce verticali.

Interferenza luminosa- Questo è il comportamento "ondulatorio" della luce, quando sullo schermo vengono visualizzate molte strisce verticali luminose e scure alternate. E quelle strisce verticali chiamato pattern di interferenza.

Nel nostro macrocosmo, osserviamo spesso che la luce si comporta come un'onda. Se metti la mano davanti alla candela, sul muro non ci sarà un'ombra chiara dalla mano, ma con contorni sfocati.

Quindi, non è poi così difficile! Ora ci è abbastanza chiaro che la luce ha una natura ondulatoria e se 2 fessure sono illuminate con luce, sullo schermo dietro di esse vedremo uno schema di interferenza. Consideriamo ora il secondo esperimento. Questo è il famoso esperimento Stern-Gerlach (che è stato condotto negli anni '20 del secolo scorso).

Nell'installazione descritta nel cartone animato, non brillavano di luce, ma "sparavano" di elettroni (come particelle separate). Quindi, all'inizio del secolo scorso, i fisici di tutto il mondo credevano che gli elettroni fossero particelle elementari di materia e non dovessero avere una natura ondulatoria, ma la stessa dei ciottoli. Dopotutto, gli elettroni sono particelle elementari di materia, giusto? Cioè, se vengono "gettati" in 2 slot, come ciottoli, sullo schermo dietro gli slot dovremmo vedere 2 strisce verticali.

Ma... Il risultato è stato sbalorditivo. Gli scienziati hanno visto uno schema di interferenza: molte strisce verticali. Cioè, gli elettroni, come la luce, possono anche avere una natura ondulatoria, possono interferire. D'altra parte, è diventato chiaro che la luce non è solo un'onda, ma anche una particella - un fotone (dal contesto storico all'inizio dell'articolo abbiamo appreso che Einstein ha ricevuto il Premio Nobel per questa scoperta).

Forse ricorderete che a scuola ci parlavano di fisica "dualismo particella-onda"? Significa che quando si tratta di particelle molto piccole (atomi, elettroni) del micromondo, allora sono sia onde che particelle

È oggi che tu ed io siamo così intelligenti e comprendiamo che i 2 esperimenti sopra descritti - sparare elettroni e illuminare le fessure con la luce - sono la stessa cosa. Perché stiamo sparando particelle quantistiche alle fessure. Ora sappiamo che sia la luce che gli elettroni sono di natura quantistica, sono sia onde che particelle allo stesso tempo. E all'inizio del 20° secolo, i risultati di questo esperimento fecero scalpore.

Attenzione! Passiamo ora a una questione più sottile.

Brilliamo sulle nostre fenditure con un flusso di fotoni (elettroni) - e vediamo uno schema di interferenza (strisce verticali) dietro le fenditure sullo schermo. È chiaro. Ma siamo interessati a vedere come ciascuno degli elettroni vola attraverso la fenditura.

Presumibilmente, un elettrone vola verso la fenditura sinistra, l'altro verso destra. Ma poi sullo schermo dovrebbero apparire 2 strisce verticali direttamente di fronte agli slot. Perché si ottiene uno schema di interferenza? Forse gli elettroni in qualche modo interagiscono tra loro già sullo schermo dopo aver volato attraverso le fessure. E il risultato è un tale modello d'onda. Come possiamo seguire questo?

Getteremo elettroni non in un raggio, ma uno alla volta. Lascia perdere, aspetta, lascia cadere il prossimo. Ora, quando l'elettrone vola da solo, non sarà più in grado di interagire sullo schermo con altri elettroni. Registreremo sullo schermo ogni elettrone dopo il lancio. Uno o due, ovviamente, non "dipingeranno" un quadro chiaro per noi. Ma quando uno per uno ne mandiamo molti negli slot, noteremo ... oh orrore - hanno di nuovo "disegnato" uno schema d'onda di interferenza!

Iniziamo a impazzire piano piano. Dopotutto, ci aspettavamo che ci fossero 2 strisce verticali di fronte agli slot! Si scopre che quando abbiamo lanciato i fotoni uno alla volta, ognuno di essi è passato, per così dire, attraverso 2 fenditure contemporaneamente e ha interferito con se stesso. finzione! Torneremo sulla spiegazione di questo fenomeno nel prossimo paragrafo.

Che cos'è rotazione e sovrapposizione?

Ora sappiamo cos'è l'interferenza. Questo è il comportamento ondulatorio delle microparticelle - fotoni, elettroni, altre microparticelle (chiamiamola fotoni per semplicità d'ora in poi).

Come risultato dell'esperimento, quando abbiamo lanciato 1 fotone in 2 fenditure, ci siamo resi conto che vola come se attraversasse due fenditure contemporaneamente. In quale altro modo spiegare lo schema di interferenza sullo schermo?

Ma come immaginare un'immagine in cui un fotone vola attraverso due fessure contemporaneamente? Ci sono 2 opzioni.

• 1a opzione: fotone, come un'onda (come l'acqua) "galleggia" attraverso 2 fenditure contemporaneamente
• 2a opzione: un fotone, come una particella, vola contemporaneamente lungo 2 traiettorie (nemmeno due, ma tutte in una volta)

In linea di principio, queste affermazioni sono equivalenti. Siamo arrivati ​​al "cammino integrale". Questa è la formulazione della meccanica quantistica di Richard Feynman.

A proposito, esattamente Richard Feynman appartiene alla nota espressione che possiamo affermare con sicurezza che nessuno comprende la meccanica quantistica

Ma questa sua espressione operò all'inizio del secolo. Ma ora siamo intelligenti e sappiamo che un fotone può comportarsi sia come particella che come onda. Che possa volare attraverso 2 slot contemporaneamente in un modo per noi incomprensibile. Pertanto, sarà facile per noi comprendere la seguente importante affermazione della meccanica quantistica:

A rigor di termini, la meccanica quantistica ci dice che questo comportamento dei fotoni è la regola, non l'eccezione. Qualsiasi particella quantistica si trova, di regola, in più stati o in più punti nello spazio contemporaneamente.

Gli oggetti del macromondo possono trovarsi solo in un luogo specifico e in uno stato specifico. Ma una particella quantistica esiste secondo le sue stesse leggi. E non le importa che non li capiamo. Questo è il punto.

Resta da accettare semplicemente come assioma che la "sovrapposizione" di un oggetto quantistico significa che può trovarsi su 2 o più traiettorie contemporaneamente, in 2 o più punti contemporaneamente

Lo stesso vale per un altro parametro del fotone: lo spin (il proprio momento angolare). Lo spin è un vettore. Un oggetto quantistico può essere pensato come un magnete microscopico. Siamo abituati al fatto che il vettore del magnete (spin) sia diretto verso l'alto o verso il basso. Ma l'elettrone o il fotone ci dice ancora: “Ragazzi, non ci interessa a cosa siete abituati, possiamo essere in entrambi gli stati di spin contemporaneamente (vettore su, vettore giù), proprio come possiamo essere su 2 traiettorie al contemporaneamente o in 2 punti contemporaneamente!

Che cos'è la "misurazione" o il "collasso della funzione d'onda"?

Ci resta un po': capire cos'è la "misurazione" e cos'è il "collasso della funzione d'onda".

Funzione d'ondaè una descrizione dello stato di un oggetto quantistico (il nostro fotone o elettrone).

Supponiamo di avere un elettrone, esso vola su se stesso in uno stato indeterminato, la sua rotazione è diretta sia verso l'alto che verso il basso allo stesso tempo. Dobbiamo misurare le sue condizioni.

Misuriamo usando un campo magnetico: gli elettroni il cui spin è diretto nella direzione del campo devieranno in una direzione e gli elettroni il cui spin è diretto contro il campo devieranno nell'altra direzione. I fotoni possono anche essere inviati a un filtro polarizzatore. Se lo spin (polarizzazione) di un fotone è +1, passa attraverso il filtro e se è -1, non lo fa.

Fermare! È qui che sorge inevitabilmente la domanda: prima della misurazione, dopotutto, l'elettrone non aveva una direzione di spin particolare, giusto? Era in tutti gli stati contemporaneamente?

Questo è il trucco e la sensazione della meccanica quantistica.. Finché non si misura lo stato di un oggetto quantistico, può ruotare in qualsiasi direzione (avere qualsiasi direzione del proprio vettore momento angolare - rotazione). Ma nel momento in cui hai misurato il suo stato, sembra che stia decidendo quale vettore di rotazione prendere.

Questo oggetto quantistico è così bello che prende una decisione sul suo stato. E non possiamo prevedere in anticipo quale decisione prenderà quando vola nel campo magnetico in cui lo misuriamo. La probabilità che decida di avere un vettore di rotazione "su" o "giù" è compresa tra il 50 e il 50%. Ma non appena decide, si trova in un certo stato con una specifica direzione di rotazione. Il motivo della sua decisione è la nostra "dimensione"!

Questo è chiamato " collasso della funzione d'onda". La funzione d'onda prima della misurazione era indefinita, cioè il vettore di spin dell'elettrone era simultaneamente in tutte le direzioni, dopo la misurazione, l'elettrone ha fissato una certa direzione del suo vettore di spin.

Attenzione! Un eccellente esempio-associazione dal nostro macrocosmo per capire:

Fai girare una moneta sul tavolo come una trottola. Mentre la moneta gira, non ha un significato specifico: testa o croce. Ma non appena decidi di "misurare" questo valore e sbatti la moneta con la tua mano, è qui che ottieni lo stato specifico della moneta: testa o croce. Ora immagina che questa moneta decida quale valore "mostrarti" - testa o croce. L'elettrone si comporta più o meno allo stesso modo.

Ora ricorda l'esperimento mostrato alla fine del cartone animato. Quando i fotoni sono passati attraverso le fenditure, si sono comportati come un'onda e hanno mostrato uno schema di interferenza sullo schermo. E quando gli scienziati hanno voluto fissare (misurare) il momento in cui i fotoni sono passati attraverso la fenditura e hanno messo un "osservatore" dietro lo schermo, i fotoni hanno iniziato a comportarsi non come onde, ma come particelle. E "disegnate" 2 strisce verticali sullo schermo. Quelli. al momento della misurazione o dell'osservazione, gli oggetti quantistici stessi scelgono in quale stato dovrebbero trovarsi.

finzione! Non è vero?

Ma questo non è tutto. Finalmente noi arrivato al più interessante.

Ma ... mi sembra che ci sarà un sovraccarico di informazioni, quindi considereremo questi 2 concetti in post separati:

• Che è successo ?
• Che cos'è un esperimento mentale.

E ora, vuoi che le informazioni vengano messe sugli scaffali? Guarda un documentario prodotto dal Canadian Institute for Theoretical Physics. In 20 minuti ti racconterà molto brevemente e in ordine cronologico di tutte le scoperte della fisica quantistica, a partire dalla scoperta di Planck nel 1900. E poi ti diranno quali sviluppi pratici sono attualmente in corso sulla base della conoscenza della fisica quantistica: dai più accurati orologi atomici ai calcoli super veloci di un computer quantistico. Consiglio vivamente la visione di questo film.

Ci vediamo!

Vi auguro tutta l'ispirazione per tutti i vostri piani e progetti!

PS2 Scrivi le tue domande e pensieri nei commenti. Scrivi, quali altre domande sulla fisica quantistica ti interessano?

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Dal greco "fusis" deriva la parola "fisica". Significa "natura". Aristotele, vissuto nel IV secolo aC, introdusse per primo questo concetto.

La fisica divenne "russa" su suggerimento di M.V. Lomonosov, quando tradusse il primo libro di testo dal tedesco.

fisica delle scienze

La fisica è una delle principali: vari processi, cambiamenti, cioè fenomeni, si verificano costantemente in tutto il mondo.

Ad esempio, un pezzo di ghiaccio in un luogo caldo inizierà a sciogliersi. E l'acqua nel bollitore bolle in fiamme. Una corrente elettrica passata attraverso il filo lo riscalderà e lo renderà persino caldo. Ognuno di questi processi è un fenomeno. In fisica, si tratta di cambiamenti meccanici, magnetici, elettrici, sonori, termici e luminosi studiati dalla scienza. Sono anche chiamati fenomeni fisici. Considerandoli, gli scienziati deducono le leggi.

Il compito della scienza è scoprire queste leggi e studiarle. La natura è studiata da scienze come la biologia, la geografia, la chimica e l'astronomia. Tutti applicano leggi fisiche.

Termini

Oltre ai soliti in fisica, usano anche parole speciali chiamate termini. Queste sono "energia" (in fisica è una misura di diverse forme di interazione e movimento della materia, nonché il passaggio dall'una all'altra), "forza" (una misura dell'intensità dell'influenza di altri corpi e campi su un corpo) e molti altri. Alcuni di loro entrarono gradualmente nel discorso colloquiale.

Ad esempio, usando la parola "energia" nella vita di tutti i giorni in relazione a una persona, possiamo valutare le conseguenze delle sue azioni, ma l'energia in fisica è una misura di studio in molti modi diversi.

Tutti i corpi in fisica sono chiamati fisici. Hanno volume e forma. Sono costituiti da sostanze che, a loro volta, sono uno dei tipi di materia: questo è tutto ciò che esiste nell'Universo.

Esperienze

Gran parte di ciò che la gente sa è venuto dalle osservazioni. Per studiare i fenomeni, vengono costantemente osservati.

Prendi, ad esempio, vari corpi che cadono a terra. È necessario scoprire se questo fenomeno differisce quando cadono corpi di massa disuguale, altezze diverse e così via. Aspettare e guardare corpi diversi sarebbe molto lungo e non sempre riuscito. Pertanto, gli esperimenti vengono eseguiti per tali scopi. Si differenziano dalle osservazioni, in quanto sono specificamente attuate secondo un piano predeterminato e con obiettivi specifici. Di solito, nel piano, alcune ipotesi vengono costruite in anticipo, ovvero avanzano ipotesi. Pertanto, nel corso degli esperimenti, saranno confutati o confermati. Dopo aver pensato e spiegato i risultati degli esperimenti, si traggono le conclusioni. Così si ottiene la conoscenza scientifica.

Quantità e loro unità

Spesso, studiando qualsiasi eseguire misurazioni diverse. Quando un corpo cade, ad esempio, vengono misurate altezza, massa, velocità e tempo. Tutto questo è, cioè, qualcosa che può essere misurato.

Misurare un valore significa confrontarlo con lo stesso valore, che viene preso come unità (la lunghezza della tabella viene confrontata con un'unità di lunghezza - un metro o un altro). Ciascuno di questi valori ha le proprie unità.

Tutti i paesi cercano di utilizzare unità uniformi. In Russia, come in altri paesi, viene utilizzato il Sistema Internazionale di Unità (SI) (che significa "sistema internazionale"). Adotta le seguenti unità:

• lunghezza (caratteristica della lunghezza delle linee in termini numerici) - metro;
• tempo (flusso di processi, condizione di possibile cambiamento) - secondo;
• massa (questa è una caratteristica della fisica che determina le proprietà inerziali e gravitazionali della materia) - chilogrammo.

Spesso è necessario utilizzare unità molto più grandi dei multipli convenzionali. Sono chiamati con i corrispondenti prefissi dal greco: “deka”, “hekto”, “kilo” e così via.

Le unità più piccole di quelle accettate sono dette sottomultipli. Ad essi vengono applicati i prefissi della lingua latina: “deci”, “santi”, “milli” e così via.

Strumenti di misura

Per condurre esperimenti, hai bisogno di attrezzature. I più semplici sono il righello, il cilindro, il metro a nastro e altri. Con lo sviluppo della scienza, nuovi dispositivi vengono migliorati, complicati e compaiono nuovi dispositivi: voltmetri, termometri, cronometri e altri.

Fondamentalmente, i dispositivi hanno una scala, cioè divisioni tratteggiate su cui sono scritti i valori. Prima della misurazione, determinare il prezzo di divisione:

• prendi due tratti della scala con i valori;
• il minore viene sottratto dal maggiore e il numero risultante viene diviso per il numero di divisioni comprese tra.

Ad esempio, due tratti con i valori "venti" e "trenta", la cui distanza è divisa in dieci spazi. In questo caso, il valore della divisione sarà uguale a uno.

Misurazioni accurate e con un errore

Le misurazioni sono più o meno accurate. L'imprecisione consentita è chiamata margine di errore. Durante la misurazione, non può essere maggiore del valore di divisione del dispositivo di misurazione.

La precisione dipende dall'intervallo di scala e dal corretto utilizzo dello strumento. Ma alla fine, in qualsiasi misurazione, si ottengono solo valori approssimativi.

Fisica teorica e sperimentale

Questi sono i rami principali della scienza. Può sembrare che siano molto distanti, soprattutto perché la maggior parte delle persone sono teorici o sperimentatori. Tuttavia, sono in continua evoluzione fianco a fianco. Qualsiasi problema è considerato sia dai teorici che dagli sperimentatori. Il compito del primo è descrivere i dati e ricavare ipotesi, mentre il secondo verifica teorie nella pratica, conducendo esperimenti e ottenendo nuovi dati. A volte i risultati sono causati solo da esperimenti, senza che le teorie vengano descritte. In altri casi, invece, è possibile ottenere risultati che verranno verificati successivamente.

La fisica quantistica

Questa direzione ebbe origine alla fine del 1900, quando fu scoperta una nuova costante fondamentale fisica, chiamata costante di Planck in onore del fisico tedesco che la scoprì, Max Planck. Ha risolto il problema della distribuzione spettrale della luce emessa da corpi riscaldati, mentre la fisica generale classica non poteva farlo. Planck fece un'ipotesi sull'energia quantistica dell'oscillatore, che era incompatibile con la fisica classica. Grazie ad esso, molti fisici hanno iniziato a rivedere i vecchi concetti, a cambiarli, a seguito dei quali è nata la fisica quantistica. Questa è una visione del mondo completamente nuova.

e coscienza

Il fenomeno della coscienza umana dal punto di vista non è del tutto nuovo. Le sue fondamenta furono gettate da Jung e Pauli. Ma solo ora, con la formazione di questa nuova direzione della scienza, il fenomeno ha cominciato a essere considerato e studiato su scala più ampia.

Il mondo quantistico è multiforme e multidimensionale, ha molte facce e proiezioni classiche.

Le due proprietà principali nell'ambito del concetto proposto sono la superintuizione (cioè ottenere informazioni come dal nulla) e il controllo della realtà soggettiva. Nella coscienza ordinaria, una persona può vedere solo un'immagine del mondo e non è in grado di considerarne due contemporaneamente. Mentre in realtà ce ne sono un numero enorme. Tutto questo insieme è il mondo quantistico e la luce.

È la fisica quantistica che ci insegna a vedere una nuova realtà per una persona (sebbene molte religioni orientali, così come i maghi, possiedano da tempo una tale tecnica). È solo necessario cambiare la coscienza umana. Ora una persona è inseparabile dal mondo intero, ma si tiene conto degli interessi di tutti gli esseri viventi e le cose.

Proprio in quel momento, precipitando in uno stato in cui è in grado di vedere tutte le alternative, arriva all'intuizione, che è la verità assoluta.

Il principio della vita dal punto di vista della fisica quantistica è che una persona, tra le altre cose, contribuisca a un migliore ordine mondiale.

Penso che si possa affermare con sicurezza che nessuno capisce la meccanica quantistica.

Il fisico Richard Feynman

Non è esagerato dire che l'invenzione dei dispositivi a semiconduttore è stata una rivoluzione. Non solo questo è un risultato tecnologico impressionante, ma ha anche aperto la strada a eventi che cambieranno per sempre la società moderna. I dispositivi a semiconduttore sono utilizzati in tutti i tipi di dispositivi microelettronici, inclusi computer, alcuni tipi di apparecchiature mediche diagnostiche e terapeutiche e dispositivi di telecomunicazione popolari.

Ma dietro questa rivoluzione tecnologica c'è ancora di più, una rivoluzione nella scienza in generale: il campo teoria dei quanti. Senza questo salto nella comprensione del mondo naturale, lo sviluppo di dispositivi a semiconduttore (e dispositivi elettronici più avanzati in fase di sviluppo) non sarebbe mai riuscito. La fisica quantistica è una branca della scienza incredibilmente complessa. Questo capitolo fornisce solo una breve panoramica. Quando scienziati come Feynman dicono "nessuno lo capisce", puoi star certo che questo è un argomento davvero difficile. Senza una conoscenza di base della fisica quantistica, o almeno una comprensione delle scoperte scientifiche che hanno portato al loro sviluppo, è impossibile capire come e perché i dispositivi elettronici a semiconduttore funzionano. La maggior parte dei libri di testo di elettronica cerca di spiegare i semiconduttori in termini di "fisica classica", rendendoli di conseguenza ancora più confusi da capire.

Molti di noi hanno visto diagrammi di modelli atomici simili all'immagine qui sotto.

Atomo di Rutherford: gli elettroni negativi ruotano attorno a un piccolo nucleo positivo

Minuscole particelle di materia chiamate protoni e neutroni, costituiscono il centro dell'atomo; elettroni ruotano come pianeti attorno a una stella. Il nucleo porta una carica elettrica positiva per la presenza di protoni (i neutroni non hanno carica elettrica), mentre la carica negativa di bilanciamento di un atomo risiede negli elettroni orbitanti. Gli elettroni negativi sono attratti dai protoni positivi come i pianeti sono attratti dal Sole, ma le orbite sono stabili a causa del movimento degli elettroni. Dobbiamo questo modello popolare dell'atomo al lavoro di Ernest Rutherford, che determinò sperimentalmente intorno al 1911 che le cariche positive degli atomi sono concentrate in un nucleo minuscolo e denso e non uniformemente distribuite lungo il diametro, come aveva ipotizzato in precedenza l'esploratore JJ Thomson .

L'esperimento di scattering di Rutherford consiste nel bombardare una sottile lamina d'oro con particelle alfa cariche positivamente, come mostrato nella figura seguente. I giovani dottorandi H. Geiger ed E. Marsden hanno ottenuto risultati inaspettati. La traiettoria di alcune particelle alfa è stata deviata di un ampio angolo. Alcune particelle alfa sono state sparse all'indietro, con un angolo di quasi 180°. La maggior parte delle particelle è passata attraverso la lamina d'oro senza cambiare la loro traiettoria, come se non ci fosse alcuna lamina. Il fatto che diverse particelle alfa abbiano subito grandi deviazioni nella loro traiettoria indica la presenza di nuclei con una piccola carica positiva.

Scattering Rutherford: un raggio di particelle alfa è sparso da una sottile lamina d'oro

Sebbene il modello dell'atomo di Rutherford fosse supportato da dati sperimentali migliori di quelli di Thomson, era comunque imperfetto. Sono stati fatti ulteriori tentativi per determinare la struttura dell'atomo e questi sforzi hanno contribuito a spianare la strada alle strane scoperte della fisica quantistica. Oggi la nostra comprensione dell'atomo è un po' più complessa. Eppure, nonostante la rivoluzione della fisica quantistica e i suoi contributi alla nostra comprensione della struttura dell'atomo, la rappresentazione di Rutherford del sistema solare come struttura di un atomo ha messo radici nella coscienza popolare nella misura in cui persiste nei campi dell'istruzione, anche se è fuori luogo.

Considera questa breve descrizione degli elettroni in un atomo, tratta da un popolare libro di testo di elettronica:

Gli elettroni negativi rotanti sono attratti dal nucleo positivo, il che ci porta alla domanda sul perché gli elettroni non volano nel nucleo dell'atomo. La risposta è che gli elettroni rotanti rimangono nella loro orbita stabile a causa di due forze uguali ma opposte. La forza centrifuga che agisce sugli elettroni è diretta verso l'esterno e la forza di attrazione delle cariche sta cercando di attirare gli elettroni verso il nucleo.

In accordo con il modello di Rutherford, l'autore considera gli elettroni come pezzi solidi di materia che occupano orbite rotonde, la loro attrazione verso il nucleo di carica opposta è bilanciata dal loro movimento. L'uso del termine "forza centrifuga" è tecnicamente scorretto (anche per i pianeti in orbita), ma questo è facilmente perdonabile data l'accettazione popolare del modello: infatti, non esiste forza, ripugnantequalunque corpo rotante dal centro della sua orbita. Questo sembra essere così perché l'inerzia del corpo tende a mantenerlo in movimento in linea retta, e poiché l'orbita è una deviazione (accelerazione) costante dal moto rettilineo, c'è una reazione inerziale costante a qualsiasi forza che attragga il corpo al centro dell'orbita (centripeta), sia per gravità, attrazione elettrostatica o anche per tensione di un legame meccanico.

Tuttavia, il vero problema con questa spiegazione in primo luogo è l'idea degli elettroni che si muovono su orbite circolari. Un fatto provato che le cariche elettriche accelerate emettono radiazioni elettromagnetiche, questo fatto era noto anche ai tempi di Rutherford. Poiché il movimento rotatorio è una forma di accelerazione (un oggetto rotante in accelerazione costante, che allontana l'oggetto dal suo normale movimento rettilineo), gli elettroni in uno stato rotante devono emettere radiazioni come il fango da un arcolaio. Gli elettroni hanno accelerato lungo percorsi circolari in acceleratori di particelle chiamati sincrotroni sono noti per farlo e il risultato viene chiamato radiazione di sincrotrone. Se gli elettroni dovessero perdere energia in questo modo, le loro orbite alla fine verrebbero interrotte e, di conseguenza, entrerebbero in collisione con un nucleo carico positivamente. Tuttavia, all'interno degli atomi questo di solito non accade. In effetti, le "orbite" elettroniche sono sorprendentemente stabili in un'ampia gamma di condizioni.

Inoltre, esperimenti con atomi "eccitati" hanno dimostrato che l'energia elettromagnetica viene emessa da un atomo solo a determinate frequenze. Gli atomi sono "eccitati" da influenze esterne come la luce, nota per assorbire energia e restituire onde elettromagnetiche a determinate frequenze, proprio come un diapason che non suona a una certa frequenza finché non viene colpito. Quando la luce emessa da un atomo eccitato è divisa da un prisma nelle sue frequenze componenti (colori), si trovano le singole linee di colori nello spettro, il modello di linea spettrale è unico per un elemento chimico. Questo fenomeno è comunemente usato per identificare elementi chimici e persino per misurare le proporzioni di ciascun elemento in un composto o miscela chimica. Secondo il sistema solare del modello atomico di Rutherford (relativo agli elettroni, come pezzi di materia, che ruotano liberamente in un'orbita con un certo raggio) e le leggi della fisica classica, gli atomi eccitati devono restituire energia in una gamma di frequenze quasi infinita, e non a frequenze selezionate. In altre parole, se il modello di Rutherford fosse corretto, non ci sarebbe alcun effetto "diapason" e lo spettro dei colori emesso da qualsiasi atomo apparirà come una banda continua di colori, piuttosto che come diverse linee separate.

Il modello di Bohr dell'atomo di idrogeno (con le orbite disegnate in scala) presuppone che gli elettroni si trovino solo in orbite discrete. Gli elettroni che si spostano da n=3,4,5 o 6 a n=2 vengono visualizzati su una serie di righe spettrali di Balmer

Un ricercatore di nome Niels Bohr ha cercato di migliorare il modello di Rutherford dopo averlo studiato nel laboratorio di Rutherford per diversi mesi nel 1912. Cercando di conciliare i risultati di altri fisici (in particolare Max Planck e Albert Einstein), Bohr suggerì che ogni elettrone avesse una certa quantità specifica di energia e che le loro orbite fossero distribuite in modo tale che ciascuno di essi potesse occupare determinati posti intorno il nucleo, come sfere. , fissato su percorsi circolari attorno al nucleo, e non come satelliti liberi, come precedentemente ipotizzato (figura sopra). In ossequio alle leggi dell'elettromagnetismo e dell'accelerazione delle cariche, Bohr chiamò "orbite". stati stazionari per evitare l'interpretazione che fossero mobili.

Sebbene l'ambizioso tentativo di Bohr di ripensare la struttura dell'atomo, che era più coerente con i dati sperimentali, fosse una pietra miliare nella fisica, non fu completato. La sua analisi matematica era migliore nel prevedere i risultati degli esperimenti rispetto a quelli eseguiti dai modelli precedenti, ma c'erano ancora domande senza risposta sul fatto che perché gli elettroni devono comportarsi in un modo così strano. L'affermazione secondo cui gli elettroni esistevano in stati quantici stazionari attorno al nucleo era correlata meglio con i dati sperimentali rispetto al modello di Rutherford, ma non ha detto cosa fa sì che gli elettroni assumano questi stati speciali. La risposta a questa domanda doveva venire da un altro fisico, Louis de Broglie, circa dieci anni dopo.

De Broglie ha suggerito che gli elettroni, come i fotoni (particelle di luce), hanno sia le proprietà delle particelle che le proprietà delle onde. Sulla base di questa ipotesi, ha suggerito che l'analisi degli elettroni rotanti in termini di onde è migliore che in termini di particelle e può fornire maggiori informazioni sulla loro natura quantistica. In effetti, è stata fatta un'altra svolta nella comprensione.

Una corda che vibra a una frequenza di risonanza tra due punti fissi forma un'onda stazionaria

L'atomo, secondo de Broglie, era costituito da onde stazionarie, un fenomeno ben noto ai fisici in varie forme. Come la corda pizzicata di uno strumento musicale (nella foto sopra), che vibra a una frequenza di risonanza, con "nodi" e "antinodi" in luoghi stabili lungo la sua lunghezza. De Broglie immaginava gli elettroni attorno agli atomi come onde che si curvavano in un cerchio (figura sotto).

Elettroni "in rotazione" come un'onda stazionaria attorno al nucleo, (a) due cicli in un'orbita, (b) tre cicli in un'orbita

Gli elettroni possono esistere solo in determinate "orbite" specifiche attorno al nucleo, perché sono le uniche distanze in cui le estremità dell'onda coincidono. A qualsiasi altro raggio, l'onda si scontrerà in modo distruttivo con se stessa e quindi cesserà di esistere.

L'ipotesi di De Broglie forniva sia una struttura matematica che una comoda analogia fisica per spiegare gli stati quantistici degli elettroni all'interno di un atomo, ma il suo modello dell'atomo era ancora incompleto. Per diversi anni, i fisici Werner Heisenberg ed Erwin Schrödinger, lavorando indipendentemente, hanno lavorato sul concetto di de Broglie di dualità onda-particella per creare modelli matematici più rigorosi delle particelle subatomiche.

A questo progresso teorico dal primitivo modello ad onde stazionarie di de Broglie ai modelli della matrice di Heisenberg e dell'equazione differenziale di Schrödinger è stato dato il nome di meccanica quantistica, e ha introdotto una caratteristica piuttosto scioccante nel mondo delle particelle subatomiche: il segno di probabilità, o incertezza. Secondo la nuova teoria quantistica, era impossibile determinare la posizione esatta e la quantità di moto esatta di una particella in un momento. Una spiegazione popolare per questo "principio di incertezza" era che c'era un errore di misurazione (cioè, cercando di misurare con precisione la posizione di un elettrone, si interferisce con la sua quantità di moto e quindi non si può sapere cosa fosse prima di iniziare a misurare la posizione , e viceversa). La conclusione sensazionale della meccanica quantistica è che le particelle non hanno posizioni e momenti esatti e, a causa della relazione di queste due quantità, la loro incertezza combinata non diminuirà mai al di sotto di un certo valore minimo.

Questa forma di connessione di "incertezza" esiste anche in campi diversi dalla meccanica quantistica. Come discusso nel capitolo "Segnali CA a frequenza mista" nel volume 2 di questa serie di libri, esistono relazioni che si escludono a vicenda tra la fiducia nei dati nel dominio del tempo di una forma d'onda ei suoi dati nel dominio della frequenza. In poche parole, più conosciamo le sue frequenze componenti, meno accuratamente conosciamo la sua ampiezza nel tempo e viceversa. Citando me stesso:

Un segnale di durata infinita (un numero infinito di cicli) può essere analizzato con assoluta precisione, ma meno cicli a disposizione del computer per l'analisi, meno accurata sarà l'analisi... Meno periodi del segnale, meno accurata sarà la sua frequenza . Portando questo concetto al suo estremo logico, un breve impulso (nemmeno un intero periodo di un segnale) non ha una frequenza definita, è una gamma infinita di frequenze. Questo principio è comune a tutti i fenomeni ondulatori, e non solo a tensioni e correnti variabili.

Per determinare con precisione l'ampiezza di un segnale che cambia, dobbiamo misurarlo in un lasso di tempo molto breve. Tuttavia, ciò limita la nostra conoscenza della frequenza dell'onda (un'onda in meccanica quantistica non ha bisogno di essere simile a un'onda sinusoidale; tale somiglianza è un caso speciale). D'altra parte, per determinare la frequenza di un'onda con grande precisione, dobbiamo misurarla su un gran numero di periodi, il che significa che perderemo di vista la sua ampiezza in un dato momento. Pertanto, non possiamo conoscere simultaneamente l'ampiezza istantanea e tutte le frequenze di qualsiasi onda con precisione illimitata. Un'altra stranezza, questa incertezza è molto maggiore dell'imprecisione dell'osservatore; è nella natura stessa dell'onda. Questo non è il caso, anche se sarebbe possibile, data la tecnologia appropriata, fornire misurazioni accurate sia dell'ampiezza istantanea che della frequenza contemporaneamente. In senso letterale, un'onda non può avere l'esatta ampiezza istantanea e la frequenza esatta allo stesso tempo.

L'incertezza minima della posizione delle particelle e della quantità di moto espressa da Heisenberg e Schrödinger non ha nulla a che fare con una limitazione nella misurazione; piuttosto, è una proprietà intrinseca della natura della dualità onda-particella della particella. Pertanto, gli elettroni in realtà non esistono nelle loro "orbite" come particelle di materia ben definite, o anche come forme d'onda ben definite, ma piuttosto come "nuvole" - un termine tecnico. Funzione d'onda distribuzioni di probabilità, come se ogni elettrone fosse "sparso" o "spalmato" su un intervallo di posizioni e momenti.

Questa visione radicale degli elettroni come nubi indeterminate contraddice inizialmente il principio originale degli stati quantistici degli elettroni: gli elettroni esistono in "orbite" discrete e definite attorno al nucleo di un atomo. Questa nuova visione, dopo tutto, è stata la scoperta che ha portato alla formazione e alla spiegazione della teoria quantistica. Com'è strano che una teoria creata per spiegare il comportamento discreto degli elettroni finisca per dichiarare che gli elettroni esistono come "nuvole" e non come pezzi separati di materia. Tuttavia, il comportamento quantistico degli elettroni non dipende dagli elettroni che hanno determinati valori di coordinate e quantità di moto, ma da altre proprietà chiamate numeri quantici. In sostanza, la meccanica quantistica elimina i concetti comuni di posizione assoluta e momento assoluto e li sostituisce con concetti assoluti di tipi che non hanno analoghi nella pratica comune.

Anche se è noto che gli elettroni esistono in forme di probabilità distribuite "nuvolose" disincarnate, piuttosto che in pezzi separati di materia, queste "nuvole" hanno caratteristiche leggermente diverse. Qualsiasi elettrone in un atomo può essere descritto da quattro misure numeriche (i numeri quantici menzionati in precedenza), chiamate principale (radiale), orbitale (azimutale), magnetico e roteare numeri. Di seguito una breve panoramica del significato di ciascuno di questi numeri:

Numero quantico principale (radiale).: indicato da una lettera n, questo numero descrive il guscio su cui risiede l'elettrone. Il "guscio" di elettroni è una regione di spazio attorno al nucleo di un atomo in cui possono esistere elettroni, corrispondente ai modelli stabili di "onda stazionaria" di de Broglie e Bohr. Gli elettroni possono "saltare" da un guscio all'altro, ma non possono esistere tra di loro.

Il numero quantico principale deve essere un numero intero positivo (maggiore o uguale a 1). In altre parole, il numero quantico principale di un elettrone non può essere 1/2 o -3. Questi numeri interi non sono stati scelti arbitrariamente, ma attraverso prove sperimentali dello spettro luminoso: le diverse frequenze (colori) della luce emessa dagli atomi di idrogeno eccitati seguono una relazione matematica che dipende da valori interi specifici, come mostrato nella figura seguente.

Ogni guscio ha la capacità di contenere più elettroni. Un'analogia per i gusci di elettroni sono le file concentriche di sedili in un anfiteatro. Proprio come una persona seduta in un anfiteatro deve scegliere una fila per sedersi (non può sedersi tra le file), gli elettroni devono "scegliere" un particolare guscio per "sedersi". Come le file in un anfiteatro, i gusci esterni contengono più elettroni dei gusci più vicini al centro. Inoltre, gli elettroni tendono a trovare il guscio più piccolo disponibile, proprio come le persone in un anfiteatro cercano il posto più vicino al palco centrale. Più alto è il numero di shell, più energia hanno gli elettroni su di esso.

Il numero massimo di elettroni che un guscio può contenere è descritto dall'equazione 2n 2 , dove n è il numero quantico principale. Pertanto, il primo guscio (n = 1) può contenere 2 elettroni; il secondo guscio (n = 2) - 8 elettroni; e il terzo guscio (n = 3) - 18 elettroni (figura sotto).

Il numero quantico principale n e il numero massimo di elettroni sono correlati dalla formula 2(n 2). Le orbite non sono in scala.

I gusci di elettroni nell'atomo erano indicati da lettere anziché da numeri. Il primo guscio (n = 1) è stato designato K, il secondo guscio (n = 2) L, il terzo guscio (n = 3) M, il quarto guscio (n = 4) N, il quinto guscio (n = 5) O, la sesta shell ( n = 6) P, e la settima shell (n = 7) B.

Numero quantico orbitale (azimutale).: una shell composta da subshell. Alcuni potrebbero trovare più conveniente pensare ai subshell come semplici sezioni di shell, come le corsie che dividono una strada. I subshell sono molto più strani. I subshell sono regioni dello spazio in cui possono esistere "nuvole" di elettroni e in effetti diversi subshell hanno forme diverse. Il primo subshell ha la forma di una palla (figura sotto (s)), che ha senso se visualizzato come una nuvola di elettroni che circonda il nucleo di un atomo in tre dimensioni.

Il secondo subshell assomiglia a un manubrio, costituito da due "petali" collegati in un punto vicino al centro dell'atomo (figura sotto (p)).

Il terzo subshell di solito assomiglia a un insieme di quattro "petali" raggruppati attorno al nucleo di un atomo. Queste forme subshell assomigliano a rappresentazioni grafiche di modelli di antenne con lobi a cipolla che si estendono dall'antenna in varie direzioni (Figura sotto (d)).

Orbitali:
(s) tripla simmetria;
(p) Indicato: p x , uno dei tre possibili orientamenti (p x , p y , p z), lungo i rispettivi assi;
(d) In figura: d x 2 -y 2 è simile a d xy , d yz , d xz . Mostrato: d z 2 . Numero di possibili orbitali d: cinque.

I valori validi per il numero quantico orbitale sono interi positivi, come per il numero quantico principale, ma includono anche zero. Questi numeri quantici per gli elettroni sono indicati dalla lettera l. Il numero di subshell è uguale al numero quantico principale della shell. Pertanto, la prima shell (n = 1) ha una subshell con numero 0; la seconda shell (n = 2) ha due subshell numerate 0 e 1; la terza shell (n = 3) ha tre subshell numerate 0, 1 e 2.

La vecchia convenzione della subshell utilizzava lettere anziché numeri. In questo formato, la prima sottoshell (l = 0) è stata indicata con s, la seconda sottoshell (l = 1) è stata indicata con p, la terza sottoshell (l = 2) è stata indicata con d e la quarta sottoshell (l = 3) è stata indicato f. Le lettere provenivano dalle parole: affilato, principale, diffondere e Fondamentale. Puoi ancora vedere queste designazioni in molte tavole periodiche usate per denotare la configurazione elettronica dell'esterno ( valenza) gusci di atomi.

(a) la rappresentazione di Bohr dell'atomo d'argento,
(b) Rappresentazione orbitale di Ag con divisione dei gusci in subshell (numero quantico orbitale l).
Questo diagramma non implica nulla sulla posizione effettiva degli elettroni, ma rappresenta solo i livelli di energia.

Numero quantico magnetico: Il numero quantico magnetico per l'elettrone classifica l'orientamento della figura del subshell dell'elettrone. I "petali" dei subshell possono essere diretti in diverse direzioni. Questi diversi orientamenti sono chiamati orbitali. Per la prima subshell (s; l = 0), che assomiglia a una sfera, la "direzione" non è specificata. Per un secondo (p; l = 1) subshell in ogni guscio che assomiglia a un manubrio che punta in tre possibili direzioni. Immagina tre manubri che si intersecano all'origine, ciascuno rivolto lungo il proprio asse in un sistema di coordinate triassiali.

I valori validi per un dato numero quantico sono costituiti da numeri interi che vanno da -l a l, e questo numero è indicato come m l in fisica atomica e z nella fisica nucleare. Per calcolare il numero di orbitali in qualsiasi subshell, è necessario raddoppiare il numero della subshell e aggiungere 1, (2∙l + 1). Ad esempio, la prima subshell (l = 0) in qualsiasi shell contiene un orbitale numerato 0; la seconda subshell (l = 1) in ogni shell contiene tre orbitali con i numeri -1, 0 e 1; la terza subshell (l = 2) contiene cinque orbitali numerati -2, -1, 0, 1 e 2; eccetera.

Come il numero quantico principale, il numero quantico magnetico è nato direttamente da dati sperimentali: l'effetto Zeeman, la separazione delle righe spettrali mediante l'esposizione di un gas ionizzato a un campo magnetico, da cui il nome di numero quantico "magnetico".

Numero quantico di spin: come il numero quantico magnetico, questa proprietà degli elettroni di un atomo è stata scoperta attraverso esperimenti. Un'attenta osservazione delle righe spettrali ha mostrato che ciascuna riga era in realtà una coppia di righe molto ravvicinate, è stato suggerito che questo cosiddetto struttura fine era il risultato di ogni elettrone che "ruota" attorno al proprio asse, come un pianeta. Elettroni con "spin" diversi emetterebbero frequenze di luce leggermente diverse quando eccitati. Il concetto di elettrone rotante è ora obsoleto, essendo più appropriato per la visione (errata) degli elettroni come singole particelle di materia piuttosto che come "nuvole", ma il nome rimane.

I numeri quantici di spin sono indicati come SM in fisica atomica e tg nella fisica nucleare. Ogni orbitale in ogni subshell può avere due elettroni in ogni shell, uno con spin +1/2 e l'altro con spin -1/2.

Il fisico Wolfgang Pauli ha sviluppato un principio che spiega l'ordine degli elettroni in un atomo secondo questi numeri quantici. Il suo principio, chiamato Principio di esclusione di Pauli, afferma che due elettroni nello stesso atomo non possono occupare gli stessi stati quantistici. Cioè, ogni elettrone in un atomo ha un insieme unico di numeri quantici. Ciò limita il numero di elettroni che possono occupare un dato orbitale, subshell e shell.

Questo mostra la disposizione degli elettroni in un atomo di idrogeno:

Con un protone nel nucleo, l'atomo accetta un elettrone per il suo equilibrio elettrostatico (la carica positiva del protone è esattamente bilanciata dalla carica negativa dell'elettrone). Questo elettrone è nel guscio inferiore (n = 1), il primo subshell (l = 0), nell'unico orbitale (orientamento spaziale) di questo subshell (m l = 0), con un valore di spin di 1/2. Il metodo generale per descrivere questa struttura è enumerare gli elettroni secondo i loro gusci e subshell, secondo una convenzione chiamata notazione spettroscopica. In questa notazione, il numero di shell è mostrato come un intero, la subshell come una lettera (s,p,d,f) e il numero totale di elettroni nella subshell (tutti gli orbitali, tutti gli spin) come un apice. Pertanto, l'idrogeno, con il suo singolo elettrone posto al livello di base, è descritto come 1s 1 .

Passando all'atomo successivo (in ordine di numero atomico), otteniamo l'elemento elio:

Un atomo di elio ha due protoni nel suo nucleo, che richiede due elettroni per bilanciare la doppia carica elettrica positiva. Poiché due elettroni - uno con spin 1/2 e l'altro con spin -1/2 - si trovano nello stesso orbitale, la struttura elettronica dell'elio non richiede subshell o gusci aggiuntivi per contenere il secondo elettrone.

Tuttavia, un atomo che richiede tre o più elettroni avrà bisogno di subshell aggiuntivi per contenere tutti gli elettroni, poiché solo due elettroni possono trovarsi sul guscio inferiore (n = 1). Considera l'atomo successivo nella sequenza di numeri atomici crescenti, il litio:

L'atomo di litio utilizza parte della capacità L del guscio (n = 2). Questo guscio ha in realtà una capacità totale di otto elettroni (capacità massima del guscio = 2n 2 elettroni). Se consideriamo la struttura di un atomo con un guscio L completamente riempito, vediamo come tutte le combinazioni di subshell, orbitali e spin sono occupate da elettroni:

Spesso, quando si assegna una notazione spettroscopica a un atomo, tutti i gusci completamente riempiti vengono saltati e vengono indicati i gusci non riempiti e i gusci pieni di livello superiore. Ad esempio, l'elemento neon (mostrato nella figura sopra), che ha due gusci completamente riempiti, può essere descritto spettralmente semplicemente come 2p 6 piuttosto che come 1s 22 s 22 p 6 . Il litio, con il suo guscio K completamente riempito e un singolo elettrone nel guscio L, può essere semplicemente descritto come 2s 1 anziché 1s 22 s 1 .

L'omissione di shell di livello inferiore completamente popolate non è solo per comodità di notazione. Illustra anche un principio di base della chimica: il comportamento chimico di un elemento è determinato principalmente dai suoi gusci vuoti. Sia l'idrogeno che il litio hanno un elettrone nei loro gusci esterni (rispettivamente come 1 e 2s 1), cioè entrambi gli elementi hanno proprietà simili. Entrambi sono altamente reattivi e reagiscono in modi quasi identici (legandosi con elementi simili in condizioni simili). Non importa che il litio abbia un guscio K completamente riempito sotto un guscio a L quasi libero: il guscio a L non riempito è quello che determina il suo comportamento chimico.

Gli elementi che hanno un guscio esterno completamente riempito sono classificati come nobili e sono caratterizzati da una quasi totale assenza di reazione con altri elementi. Questi elementi sono stati classificati come inerti quando si riteneva che non reagissero affatto, ma è noto che formano composti con altri elementi in determinate condizioni.

Poiché gli elementi con la stessa configurazione di elettroni nei loro gusci esterni hanno proprietà chimiche simili, Dmitri Mendeleev ha organizzato gli elementi chimici in una tabella di conseguenza. Questa tabella è conosciuta come , e le tabelle moderne seguono questo layout generale, mostrato nella figura seguente.

Tavola periodica degli elementi chimici

Dmitri Mendeleev, un chimico russo, fu il primo a sviluppare la tavola periodica degli elementi. Anche se Mendeleev ha organizzato la sua tavola in base alla massa atomica, non al numero atomico, e ha creato una tavola che non era utile come le moderne tavole periodiche, il suo sviluppo rappresenta un eccellente esempio di prova scientifica. Vedendo schemi di periodicità (proprietà chimiche simili in base alla massa atomica), Mendeleev ipotizzò che tutti gli elementi dovessero rientrare in questo schema ordinato. Quando ha scoperto dei posti "vuoti" nella tavola, ha seguito la logica dell'ordine esistente e ha ipotizzato l'esistenza di elementi ancora sconosciuti. La successiva scoperta di questi elementi ha confermato la correttezza scientifica dell'ipotesi di Mendeleev, ulteriori scoperte hanno portato alla forma della tavola periodica che usiamo ora.

Come questo dovrebbe scienza del lavoro: le ipotesi portano a conclusioni logiche e sono accettate, modificate o rifiutate a seconda della coerenza dei dati sperimentali con le loro conclusioni. Qualsiasi sciocco può formulare un'ipotesi dopo il fatto per spiegare i dati sperimentali disponibili, e molti lo fanno. Ciò che distingue un'ipotesi scientifica dalla speculazione post hoc è la previsione di futuri dati sperimentali che non sono stati ancora raccolti e, di conseguenza, la confutazione di tali dati. Conduci coraggiosamente l'ipotesi alle sue logiche conclusioni e il tentativo di prevedere i risultati di esperimenti futuri non è un dogmatico atto di fede, ma piuttosto un test pubblico di questa ipotesi, una sfida aperta agli oppositori dell'ipotesi. In altre parole, le ipotesi scientifiche sono sempre "rischiose" perché cercano di prevedere i risultati di esperimenti che non sono stati ancora fatti, e quindi possono essere falsificati se gli esperimenti non vanno come previsto. Pertanto, se un'ipotesi prevede correttamente i risultati di esperimenti ripetuti, è smentita.

La meccanica quantistica, prima come ipotesi e poi come teoria, si è rivelata estremamente efficace nel predire i risultati degli esperimenti, e quindi ha ricevuto un alto grado di credibilità scientifica. Molti scienziati hanno motivo di ritenere che questa sia una teoria incompleta, poiché le sue previsioni sono più vere su scale microfisiche che macroscopiche, ma tuttavia è una teoria estremamente utile per spiegare e prevedere l'interazione di particelle e atomi.

Come avete visto in questo capitolo, la fisica quantistica è essenziale per descrivere e prevedere molti fenomeni differenti. Nella prossima sezione vedremo il suo significato nella conduttività elettrica dei solidi, compresi i semiconduttori. In poche parole, niente in chimica o fisica dello stato solido ha senso nella popolare struttura teorica degli elettroni esistenti come singole particelle di materia che girano attorno al nucleo di un atomo come satelliti in miniatura. Quando gli elettroni sono visti come "funzioni d'onda" esistenti in determinati stati discreti che sono regolari e periodici, allora il comportamento della materia può essere spiegato.

Riassumendo

Gli elettroni negli atomi esistono in "nuvole" di probabilità distribuita e non come particelle discrete di materia che ruotano attorno al nucleo, come satelliti in miniatura, come mostrano esempi comuni.

I singoli elettroni attorno al nucleo di un atomo tendono a "stati" unici descritti da quattro numeri quantici: numero quantico principale (radiale)., conosciuto come guscio; numero quantico orbitale (azimutale)., conosciuto come subshell; numero quantico magnetico descrivendo orbitale(orientamento subshell); e numero quantico di spin, o semplicemente roteare. Questi stati sono quantistici, cioè "tra di loro" non ci sono condizioni per l'esistenza di un elettrone, ad eccezione degli stati che rientrano nello schema di numerazione quantistica.

Numero quantico di Glanoe (radiale) (n) descrive il livello di base o guscio in cui risiede l'elettrone. Maggiore è questo numero, maggiore è il raggio della nuvola di elettroni dal nucleo dell'atomo e maggiore è l'energia dell'elettrone. I numeri quantici principali sono interi (interi positivi)

Numero quantico orbitale (azimutale) (l) descrive la forma di una nuvola di elettroni in un particolare guscio o livello ed è spesso noto come "subshell". In ogni shell, ci sono tante subshell (forme di una nuvola di elettroni) quanto il numero quantico principale della shell. I numeri quantici azimutali sono numeri interi positivi che iniziano da zero e terminano con un numero inferiore di uno (n - 1) al numero quantico principale.

Numero quantico magnetico (ml) descrive quale orientamento ha la subshell (forma della nuvola di elettroni). I subshell possono avere tanti orientamenti diversi quanto il doppio del numero di subshell (l) più 1, (2l+1) (ovvero, per l=1, ml = -1, 0, 1), e ogni orientamento univoco è chiamato orbitale . Questi numeri sono numeri interi che iniziano da un valore negativo del numero di subshell (l) fino a 0 e terminano con un valore positivo del numero di subshell.

Numero quantico di rotazione (m s) descrive un'altra proprietà dell'elettrone e può assumere i valori +1/2 e -1/2.

Principio di esclusione di Pauli dice che due elettroni in un atomo non possono condividere lo stesso insieme di numeri quantici. Pertanto, possono esserci al massimo due elettroni in ciascun orbitale (spin=1/2 e spin=-1/2), 2l+1 orbitali in ogni subshell e n subshell in ogni shell e non di più.

Notazione spettroscopicaè una convenzione per la struttura elettronica di un atomo. I gusci sono mostrati come numeri interi, seguiti da lettere di subshell (s, p, d, f) con numeri in apice che indicano il numero totale di elettroni trovati in ogni rispettivo subshell.

Il comportamento chimico di un atomo è determinato esclusivamente dagli elettroni nei gusci vuoti. I gusci di basso livello completamente riempiti hanno scarso o nessun effetto sulle caratteristiche di legame chimico degli elementi.

Gli elementi con gusci di elettroni completamente riempiti sono quasi completamente inerti e sono chiamati nobile elementi (precedentemente noti come inerti).