양자 물리학의 본질. "인형"에 대한 5가지 실험에서 양자 물리학의 기초

물리학은 모든 과학 중에서 가장 신비로운 학문입니다. 물리학은 우리 주변의 세계에 대한 이해를 제공합니다. 물리 법칙은 절대적이며 사람과 사회적 지위에 관계없이 예외 없이 모든 사람에게 적용됩니다.

이 기사는 18세 이상을 대상으로 합니다.

당신은 이미 18 세 이상입니까?

양자 물리학의 기본 발견

아이작 뉴턴(Isaac Newton), 니콜라 테슬라(Nikola Tesla), 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)을 비롯한 많은 사람들은 놀라운 물리학 세계에서 인류의 위대한 안내자로서 예언자처럼 인류에게 우주의 가장 큰 비밀과 물리적 현상을 제어할 수 있는 능력을 계시해 주었습니다. 그들의 밝은 머리는 불합리한 대다수의 무지의 어둠을 뚫고 인도하는 별처럼 밤의 어둠 속에서 인류에게 가는 길을 보여주었다. 물리학 세계에서 이러한 지휘자 중 하나는 양자 물리학의 아버지 막스 플랑크였습니다.

막스 플랑크는 양자 물리학의 창시자일 뿐만 아니라 세계적으로 유명한 양자 이론의 저자이기도 합니다. 양자 이론은 양자 물리학의 가장 중요한 구성 요소입니다. 간단히 말해서, 이 이론은 미세입자의 움직임, 거동 및 상호작용을 설명합니다. 양자 물리학의 창시자는 현대 물리학의 초석이 된 다른 많은 과학 연구도 가져왔습니다.

• 열복사 이론;
• 특수 상대성 이론;
• 열역학 분야의 연구;
• 광학 분야의 연구.

미세입자의 거동과 상호작용에 관한 양자물리학 이론은 응집물질물리학, 소립자물리학, 고에너지물리학의 기초가 되었습니다. 양자 이론은 전자 컴퓨터의 기능에서 천체의 구조와 행동에 이르기까지 우리 세계의 많은 현상의 본질을 설명합니다. 이 이론의 창시자인 막스 플랑크는 그의 발견 덕분에 많은 것의 진정한 본질을 소립자 수준에서 이해할 수 있었습니다. 그러나 이 이론의 창안은 과학자의 유일한 장점과는 거리가 멀다. 그는 우주의 기본 법칙인 에너지 보존 법칙을 최초로 발견했습니다. 막스 플랑크의 과학에 대한 기여는 과대 평가하기 어렵습니다. 요컨대, 그의 발견은 물리학, 화학, 역사, 방법론 및 철학에 있어 값을 매길 수 없습니다.

양자장 이론

간단히 말해서, 양자장 이론은 미세 입자에 대한 설명은 물론 공간에서의 행동, 서로 상호 작용 및 상호 변환에 대한 이론입니다. 이 이론은 소위 자유도 내에서 양자 시스템의 거동을 연구합니다. 이 아름답고 낭만적인 이름은 우리 중 많은 사람들에게 아무 말도 하지 않습니다. 인형의 경우 자유도는 기계 시스템의 동작을 나타내는 데 필요한 독립 좌표의 수입니다. 간단히 말해서 자유도는 운동의 특성입니다. 기본 입자의 상호 작용 분야에서 흥미로운 발견은 Steven Weinberg에 의해 이루어졌습니다. 그는 쿼크와 ​​렙톤 사이의 상호작용 원리인 소위 중성 전류를 발견하여 1979년 노벨상을 받았습니다.

막스 플랑크의 양자 이론

18세기의 90년대에 독일 물리학자 막스 플랑크는 열복사 연구를 시작했고 결국 에너지 분포 공식을 받았습니다. 이러한 연구과정에서 탄생한 양자가설은 1900년에 발견된 양자장론은 물론 양자물리학의 시발점이 되었다. 플랑크의 양자 이론은 열복사 동안 생성된 에너지가 일정하지 않고 일시적으로 양자적으로 방출 및 흡수된다는 것입니다. 1900년은 막스 플랑크의 이 발견 덕분에 양자역학이 탄생한 해가 되었습니다. Planck의 공식을 언급할 가치도 있습니다. 요컨대, 그 본질은 다음과 같습니다. 체온과 방사선의 비율을 기반으로합니다.

원자 구조의 양자 역학 이론

원자 구조의 양자 역학 이론은 양자 물리학, 그리고 실제로 일반 물리학의 기본 개념 이론 중 하나입니다. 이 이론은 물질적인 모든 것의 구조를 이해할 수 있게 하고 사물이 실제로 무엇으로 구성되어 있는지에 대한 비밀의 베일을 엽니다. 그리고 이 이론에 근거한 결론은 매우 의외입니다. 원자의 구조를 간단히 고려하십시오. 그렇다면 원자는 실제로 무엇으로 구성되어 있습니까? 원자는 핵과 전자 구름으로 구성됩니다. 원자의 기초인 핵은 원자 자체의 거의 전체 질량(99% 이상)을 포함합니다. 핵은 항상 양전하를 띠며 원자를 구성하는 화학 원소를 결정합니다. 원자핵에 대한 가장 흥미로운 점은 원자핵이 원자의 거의 전체 질량을 포함하지만 동시에 부피의 10,000분의 1밖에 차지하지 않는다는 것입니다. 이것으로부터 무엇이 뒤따릅니까? 그리고 그 결론은 매우 의외입니다. 이것은 원자의 밀도가 1/10000에 불과하다는 것을 의미합니다. 그리고 다른 모든 것은 어떻습니까? 원자의 다른 모든 것은 전자 구름입니다.

전자 구름은 영구적이지 않으며 사실 물질적 물질도 아닙니다. 전자 구름은 원자에 전자가 나타날 확률입니다. 즉, 핵은 원자에서 1만분의 1만 차지하고 나머지는 모두 공(空)이다. 그리고 먼지 입자에서 천체, 행성 및 별에 이르기까지 우리 주변의 모든 물체가 원자로 구성되어 있다는 점을 고려하면 실제로 모든 물질은 99% 이상의 공으로 구성되어 있음이 밝혀졌습니다. 이 이론은 완전히 믿을 수 없을 것 같고, 그 저자는 적어도 미혹된 사람입니다. 왜냐하면 주변에 존재하는 것들은 견고한 일관성을 가지고 있고 무게가 있고 느낄 수 있기 때문입니다. 어떻게 그것이 공허함으로 이루어질 수 있겠는가? 물질의 구조에 관한 이 이론에 오류가 숨어 있습니까? 그러나 여기에는 오류가 없습니다.

모든 물질은 원자 간의 상호 작용으로 인해 밀도가 높아 보입니다. 물체는 원자 사이의 인력 또는 반발력으로 인해서만 견고하고 조밀한 일관성을 갖습니다. 이것은 모든 재료를 구성하는 화학 물질의 결정 격자의 밀도와 경도를 보장합니다. 그러나 흥미로운 점은 예를 들어 환경의 온도 조건이 바뀌면 원자 사이의 결합, 즉 인력과 반발력이 약화되어 결정 격자가 약화되고 심지어 파괴된다는 것입니다. 이것은 가열될 때 물질의 물리적 특성의 변화를 설명합니다. 예를 들어, 철을 가열하면 액체가 되어 어떤 모양으로도 만들 수 있습니다. 그리고 얼음이 녹을 때 결정격자의 파괴로 물질의 상태가 변화하여 고체에서 액체로 변합니다. 이것은 원자 사이의 결합이 약해지고 결과적으로 결정 격자가 약해지거나 파괴되고 물질이 무정형이 되도록 하는 분명한 예입니다. 그리고 그러한 신비한 변태의 이유는 바로 물질이 1만분의 1의 밀도로 구성되어 있고 나머지는 모두 공(空)이기 때문입니다.

그리고 물질은 원자 사이의 강한 결합 때문에 단단한 것처럼 보이며, 그 결합이 약해지면 물질이 바뀝니다. 따라서 원자 구조에 대한 양자 이론을 통해 우리는 우리 주변의 세계를 완전히 다르게 볼 수 있습니다.

원자 이론의 창시자인 Niels Bohr는 원자의 전자가 에너지를 지속적으로 방출하는 것이 아니라 운동 궤적 사이의 전환 순간에만 에너지를 방출한다는 흥미로운 개념을 제시했습니다. 보어의 이론은 많은 원자 내 과정을 설명하는 데 도움이 되었고 또한 멘델레예프가 만든 표의 경계를 설명하는 화학 과학의 돌파구를 마련했습니다. 에 따르면 시간과 공간에 존재할 수 있는 마지막 원소는 일련번호가 137이고, 138부터 시작하는 원소는 존재가 상대성 이론과 모순되기 때문에 존재할 수 없습니다. 또한 보어의 이론은 원자 스펙트럼과 같은 물리적 현상의 본질을 설명했습니다.

이것들은 에너지가 그들 사이에서 방출될 때 발생하는 자유 원자의 상호 작용 스펙트럼입니다. 이러한 현상은 기체, 증기 물질 및 플라즈마 상태의 물질에 일반적입니다. 따라서 양자 이론은 물리학 세계에서 혁명을 일으켰고 과학자들이 이 과학 분야뿐만 아니라 화학, 열역학, 광학 및 철학과 같은 많은 관련 과학 분야에서도 발전할 수 있도록 했습니다. 또한 인류가 사물의 본질에 대한 비밀을 꿰뚫을 수 있도록 허용했습니다.

원자의 본성을 깨닫고 원자의 행동과 상호작용의 원리를 이해하기 위해서는 인류가 의식적으로 해야 할 일이 아직 많이 남아 있습니다. 이것을 이해하면 먼지 입자로 시작하여 태양 자체로 끝나는 우리를 둘러싼 모든 것과 우리 자신 - 모든 것이 원자로 구성되어 있기 때문에 우리는 주변 세계의 본질을 이해할 수 있습니다. 놀랍고 많은 비밀로 가득 차 있습니다.

친애하는 독자 여러분, 안녕하세요. 삶에 뒤처지고 싶지 않고 진정으로 행복하고 건강한 사람이 되고 싶다면 양자 현대 물리학의 비밀에 대해 알아야 합니다. 적어도 오늘날 과학자들이 어느 정도의 우주 깊이를 팠는지에 대한 약간의 아이디어가 있어야 합니다. 깊은 과학적 세부 사항에 들어갈 시간이 없지만 본질만 이해하고 미지의 세계의 아름다움을 보고 싶다면 이 기사: 일반 인형이나 말할 수 있는 주부를 위한 양자 물리학은 당신을 위한. 양자 물리학이 무엇인지 설명하려고 하지만 간단하게 말해서 명확하게 보여주려고 합니다.

"행복, 건강 및 양자 물리학 사이의 연관성은 무엇입니까?"라고 질문합니다.

사실 그것은 인간의 의식, 의식이 신체에 미치는 영향과 관련된 많은 이해할 수 없는 질문에 답하는 데 도움이 된다는 것입니다. 불행히도, 고전 물리학에 의존하는 의학이 항상 우리의 건강에 도움이 되는 것은 아닙니다. 그리고 심리학은 행복을 찾는 방법을 제대로 알려줄 수 없습니다.

세상에 대한 더 깊은 지식만이 질병에 진정으로 대처하는 방법과 행복이 어디에 있는지 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 이 지식은 우주의 깊은 층에서 발견됩니다. 양자 물리학이 구출됩니다. 곧 모든 것을 알게 될 것입니다.

양자 물리학은 간단한 단어로 무엇을 연구합니까?

그렇습니다. 실제로 양자 물리학은 미시 세계의 법칙을 연구하기 때문에 이해하기가 매우 어렵습니다. 즉, 사람이 보기에 매우 어려운 매우 작은 거리에 있는 더 깊은 층의 세계입니다.

그리고 세상은 그곳에서 우리가 익숙하지 않은 방식으로 매우 이상하고 신비하고 이해할 수 없을 정도로 행동한다는 것이 밝혀졌습니다.

따라서 양자 물리학의 모든 복잡성과 오해.

그러나 이 기사를 읽고 나면 지식의 지평을 넓히고 세상을 완전히 다른 방식으로 바라볼 수 있을 것입니다.

양자 물리학의 역사에 대해 간략하게

이 모든 것은 뉴턴 물리학이 많은 것을 설명할 수 없었고 과학자들이 막다른 골목에 도달한 20세기 초에 시작되었습니다. 그런 다음 막스 플랑크는 양자 개념을 도입했습니다. 알버트 아인슈타인은이 아이디어를 선택하고 빛이 지속적으로 전파되지 않고 부분적으로-양자 (광자)를 전파한다는 것을 증명했습니다. 이전에는 빛이 파동성을 가지고 있다고 믿었습니다.

그러나 나중에 밝혀진 바와 같이 모든 소립자는 양자, 즉 고체 입자일 뿐만 아니라 파동이기도 합니다. 이것이 양자 물리학에서 미립자 파동 이원론이 나타난 첫 번째 역설이자 미시 세계의 신비한 현상 발견의 시작입니다.

가장 흥미로운 역설은 유명한 이중 슬릿 실험이 수행되었을 때 시작되었으며 그 후에 신비가 훨씬 더 많아졌습니다. 양자 물리학은 그와 함께 시작되었다고 말할 수 있습니다. 살펴보겠습니다.

양자 물리학의 이중 슬릿 실험

세로 줄무늬 형태로 두 개의 슬롯이 있는 판을 상상해 보십시오. 우리는 이 판 뒤에 스크린을 둘 것입니다. 빛을 판에 비추면 화면에 간섭 패턴이 나타납니다. 즉, 어둡고 밝은 세로 줄무늬가 번갈아 나타납니다. 간섭은 우리의 경우 빛과 같은 무언가의 파동 행동의 결과입니다.

나란히 위치한 두 개의 구멍에 물결을 통과시키면 간섭이 무엇인지 이해할 수 있습니다. 즉, 빛은 일종의 파동성을 가진 것으로 판명됩니다. 그러나 물리학 또는 아인슈타인이 증명했듯이 광자 입자에 의해 전파됩니다. 이미 역설입니다. 하지만 괜찮아, 미립자파 이원론은 더 이상 우리를 놀라게 하지 않을 것입니다. 양자 물리학은 빛이 파동처럼 행동하지만 광자로 구성되어 있다고 말합니다. 그러나 기적은 이제 시작에 불과합니다.

빛이 아니라 전자를 방출하는 두 개의 슬롯이 있는 판 앞에 총을 놓으십시오. 전자를 쏘기 시작합시다. 접시 뒤의 화면에서 무엇을 볼 수 있습니까?

결국, 전자는 입자입니다. 즉, 두 개의 슬릿을 통과하는 전자의 흐름은 화면에 두 개의 줄무늬만 남겨야 합니다. 자갈이 두 개의 슬롯을 통해 날아와 화면에 부딪히는 것을 상상해 보셨습니까?

그러나 우리는 실제로 무엇을 보는가? 모두 동일한 간섭 패턴입니다. 결론은 무엇입니까? 전자는 파동으로 전파됩니다. 따라서 전자는 파동입니다. 그러나 결국 그것은 소립자입니다. 다시 물리학의 미립자 파동 이원론.

그러나 더 깊은 수준에서 전자는 입자이고 이 입자가 함께 모이면 파동처럼 행동하기 시작한다고 가정할 수 있습니다. 예를 들어, 바다 물결은 파도이지만 물방울과 더 작은 수준에서는 분자, 그 다음에는 원자로 구성됩니다. 좋아요, 논리가 확고합니다.

그럼 전자의 흐름이 아닌 총에서 쏘자. 일정 시간이 지나면 따로 전자를 방출하자. 마치 우리가 파도가 아니라 어린이 물총에서 한 방울씩 뱉어내는 균열을 통과하는 것처럼.

이 경우 다른 물방울이 다른 슬롯에 떨어지는 것은 매우 논리적입니다. 판 뒤의 스크린에서 파도의 간섭 패턴이 아니라 각 슬릿 반대편에 있는 두 개의 뚜렷한 충격 무늬를 볼 수 있습니다. 작은 돌을 던지면 두 개의 균열을 통해 날아가 두 구멍의 그림자처럼 흔적을 남길 수 있습니다. 이제 개별 전자를 쏴서 전자 충돌로 인한 화면의 이 두 줄무늬를 살펴보겠습니다. 그들은 하나를 발표하고, 기다렸고, 두 번째를 놓고, 기다렸습니다. 양자 물리학자들은 그러한 실험을 할 수 있었습니다.

하지만 공포. 이 두 변두리 대신 여러 변두리의 동일한 간섭 교번이 얻어집니다. 어때요? 이것은 전자가 동시에 두 개의 슬릿을 통과하지만 판 뒤에서 파동처럼 자신과 충돌하여 간섭하는 경우 발생할 수 있습니다. 그러나 입자는 동시에 두 장소에 있을 수 없기 때문에 그럴 수 없습니다. 첫 번째 슬롯이나 두 번째 슬롯을 통해 날아갑니다.

여기에서 양자 물리학의 진정으로 환상적인 것이 시작됩니다.

양자 물리학의 중첩

심층 분석을 통해 과학자들은 기본 양자 입자 또는 동일한 빛(광자)이 실제로 동시에 여러 장소에 있을 수 있음을 발견했습니다. 그리고 이것은 기적이 아니라 소우주의 실제 사실입니다. 이것이 양자 물리학이 말하는 것입니다. 그렇기 때문에 대포에서 별도의 입자를 쏠 때 간섭의 결과를 봅니다. 판 뒤에서 전자는 자신과 충돌하여 간섭 패턴을 만듭니다.

대우주의 평범한 물체는 항상 한 곳에 있고 하나의 상태를 가지고 있습니다. 예를 들어, 당신은 지금 의자에 앉아 있고 체중이 50kg이고 맥박수가 분당 60회입니다. 물론 이러한 표시는 변경되지만 시간이 지나면 변경됩니다. 결국, 50kg과 100kg의 무게로 집과 직장에 동시에 있을 수 없습니다. 이 모든 것은 이해할 수 있으며 이것은 상식입니다.

소우주의 물리학에서는 모든 것이 다릅니다.

양자역학은 모든 소립자가 공간의 여러 지점에서 동시에 존재할 수 있을 뿐만 아니라 스핀과 같이 동시에 여러 상태를 가질 수 있다고 주장하며 이는 이미 실험적으로 확인되었습니다.

이 모든 것이 머리에 맞지 않고, 세상의 일반적인 생각, 물리학의 오래된 법칙을 훼손하고, 생각을 바꾸며, 그것이 당신을 미치게 한다고 안전하게 말할 수 있습니다.

이것이 우리가 양자 역학에서 "중첩"이라는 용어를 이해하게 된 방법입니다.

중첩은 소우주의 대상이 동시에 공간의 다른 지점에 있을 수 있고 동시에 여러 상태를 가질 수 있음을 의미합니다. 그리고 이것은 소립자에 대해 정상입니다. 그것이 아무리 이상하고 환상적으로 보일지라도 이것이 미시 세계의 법칙입니다.

당신은 놀랐지만 이것은 꽃일 뿐이며 양자 물리학의 가장 설명할 수 없는 기적, 신비 및 역설은 아직 오지 않았습니다.

간단한 용어로 물리학의 파동 함수 붕괴

그런 다음 과학자들은 전자가 실제로 두 슬릿을 통과하는지 여부를 더 정확하게 알아내기로 결정했습니다. 갑자기 하나의 슬릿을 통과한 다음 통과하면서 어떻게든 분리되어 간섭 패턴을 만듭니다. 글쎄요, 당신은 절대 모릅니다. 즉, 전자의 통과를 정확하게 기록할 장치를 슬릿 근처에 놓아야 합니다. 곧 완료됩니다. 물론 이것은 구현하기 어렵습니다. 장치가 아니라 전자의 통과를 보기 위해 다른 것이 필요합니다. 그러나 과학자들은 해냈습니다.

그러나 결과는 결국 모두를 놀라게 했다.

전자가 어떤 슬릿을 통과하는지 살펴보기 시작하자마자 그것은 파동처럼, 공간의 다른 지점에 동시에 위치한 이상한 물질처럼 행동하지 않고 일반 입자처럼 행동하기 시작합니다. 즉, 양자의 특정한 성질을 보이기 시작한다. 그것은 한 곳에만 위치하며, 하나의 슬롯을 통과하고, 하나의 스핀 값을 갖는다. 화면에 나타나는 것은 간섭무늬가 아니라 슬릿 반대편에 있는 단순한 궤적이다.

그러나 그것이 어떻게 가능합니다. 전자가 우리를 가지고 장난치는 것처럼. 처음에는 파동처럼 행동하다가 슬릿을 통과하는 모습을 보기로 결정한 후 고체 입자의 성질을 보이며 하나의 슬릿만 통과한다. 그러나 그것이 소우주에 있는 방식입니다. 이것이 양자 물리학의 법칙입니다.

과학자들은 소립자의 또 다른 신비한 특성을 보았습니다. 이것이 양자 물리학에서 파동 함수의 불확실성과 붕괴의 개념이 등장한 방식입니다.

전자가 간극을 향해 날아갈 때 그것은 무기한 상태에 있거나 위에서 말했듯이 중첩 상태에 있습니다. 즉, 그것은 파동처럼 행동하고 공간의 다른 지점에 동시에 위치하며 두 개의 스핀 값을 갖습니다(스핀에는 두 개의 값만 있음). 만지지도 않고, 보려고 하지도 않고, 정확히 어디에 있는지도 모르고, 스핀 값을 측정하지 않으면 두 개의 슬릿을 통해 파도처럼 날아갈 것입니다. 동시에 간섭 패턴을 생성한다는 의미입니다. 양자 물리학은 파동 함수를 사용하여 궤적과 매개변수를 설명합니다.

측정을 수행한 후(예를 들어, 다른 입자를 충돌시키는 것과 같은 상호 작용을 통해서만 미시 세계의 입자를 측정할 수 있음) 파동 함수가 붕괴됩니다.

즉, 이제 전자는 공간의 정확히 한 위치에 있고 하나의 스핀 값을 갖습니다.

소립자는 유령과 같다고 할 수 있고, 존재하는 것 같지만, 동시에 한 곳에 있지 않고, 어느 정도 확률로 파동함수의 기술 내에서 어디든지 있을 수 있다. 그러나 우리가 그것을 접촉하기 시작하자마자 그것은 유령의 물체에서 우리에게 친숙한 고전 세계의 평범한 물체처럼 행동하는 실제 유형의 물질로 변합니다.

"이것은 환상적입니다."라고 당신은 말합니다. 물론입니다. 하지만 양자 물리학의 경이로움은 이제 막 시작되었습니다. 가장 놀라운 것은 아직 오지 않았습니다. 그러나 다른 기사에서 풍부한 정보에서 잠시 휴식을 취하고 양자 모험으로 돌아가 보겠습니다. 그동안 오늘 배운 내용을 곰곰이 생각해 보세요. 그러한 기적은 무엇으로 이어질 수 있습니까? 결국, 그것들은 우리를 둘러싸고 있습니다. 이것은 더 깊은 수준에서라도 우리 세계의 자산입니다. 우리는 여전히 지루한 세상에 살고 있다고 생각합니까? 그러나 우리는 나중에 결론을 내릴 것입니다.

양자물리학의 기초를 간단명료하게 이야기하려고 노력했습니다.

그러나 무언가를 이해하지 못한다면 양자 물리학, 두 개의 슬릿 실험에 관한 이 만화를 보십시오. 모든 것이 이해할 수 있고 간단한 언어로 설명되어 있습니다.

양자 물리학에 대한 만화:

또는 이 비디오를 볼 수 있습니다. 모든 것이 제자리에 들어갈 것이고 양자 물리학은 매우 흥미로울 것입니다.

양자 물리학에 대한 비디오:

어떻게 전에 이것을 몰랐습니까?

양자 물리학의 현대적 발견은 우리의 친숙한 물질 세계를 변화시키고 있습니다.

블로그에 오신 것을 환영합니다! 나는 당신에게 매우 기쁘게 생각합니다!

확실히 당신은 여러 번 들었습니다. 양자 물리학과 양자 역학의 불가해한 신비에 대해. 그 법칙은 신비주의에 매료되어 물리학자 스스로도 그것들을 완전히 이해하지 못한다는 것을 인정합니다. 한편으로는 이러한 법칙을 이해하는 것이 궁금하지만, 다른 한편으로는 물리학에 관한 여러 권의 복잡한 책을 읽을 시간이 없습니다. 나는 또한 지식과 진리 탐구를 사랑하기 때문에 당신을 매우 이해하지만 모든 책을 읽을 시간이 너무 부족합니다. 당신은 혼자가 아닙니다. 많은 호기심 많은 사람들이 검색 라인에 다음과 같이 입력합니다. 양자역학이란 무엇인가?" 이 게시물은 당신을위한 것입니다.

양자 물리학의 기본 개념과 역설을 이해합니다. 이 기사에서 다음을 배우게 됩니다.

• 간섭이란 무엇입니까?
• 스핀과 중첩이란 무엇입니까?
• "측정" 또는 "파동 함수 붕괴"란 무엇입니까?
• 양자 얽힘(또는 인형을 위한 양자 순간이동)이란 무엇입니까? (기사 참조)
• 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험이란? (기사 참조)

양자 물리학과 양자 역학이란 무엇입니까?

양자 역학은 양자 물리학의 일부입니다.

이러한 과학을 이해하는 것이 왜 그렇게 어려운가? 답은 간단합니다. 양자 물리학과 양자 역학(양자 물리학의 일부)은 미시 세계의 법칙을 연구합니다. 그리고 이러한 법칙은 우리의 거시세계의 법칙과 절대적으로 다릅니다. 그러므로 우리는 소우주에서 전자와 광자에게 어떤 일이 일어나는지 상상하기 어렵습니다.

거시 세계와 미시 세계의 법칙의 차이점에 대한 예: 우리의 대우주에서 공을 2개의 상자 중 하나에 넣으면 그 중 하나는 비어 있고 다른 하나는 공입니다. 그러나 소우주(공 대신 원자인 경우)에서 원자는 동시에 두 개의 상자에 있을 수 있습니다. 이것은 실험적으로 반복적으로 확인되었습니다. 머리에 쏙쏙 들어오지 않나요? 그러나 당신은 사실에 대해 논쟁할 수 없습니다.

예를 하나 더.당신은 빠르게 질주하는 빨간 스포츠카를 촬영했고 사진에는 마치 사진 당시의 차가 우주의 여러 지점에서 온 것처럼 흐릿한 가로 띠가 보였습니다. 사진에서 볼 수 있는 내용에도 불구하고, 당신은 여전히 ​​당신이 사진을 찍은 그 순간에 차가 있었다고 확신합니다. 공간의 특정 장소에서. 마이크로 세계에서는 그렇지 않습니다. 원자핵 주위를 도는 전자는 실제로 회전하지 않지만 구의 모든 지점에 동시에 위치원자핵 주변. 느슨하게 감긴 솜털 양털 공처럼. 물리학에서 이 개념은 "전자 클라우드" .

역사에 대한 작은 탈선.과학자들은 1900년 독일 물리학자 막스 플랑크가 금속이 가열될 때 색이 변하는 이유를 알아내려고 시도했을 때 처음으로 양자 세계에 대해 생각했습니다. 양자의 개념을 도입한 사람은 바로 그 사람이었습니다. 그 이전에 과학자들은 빛이 계속해서 움직인다고 생각했습니다. 플랑크의 발견을 진지하게 받아들인 최초의 사람은 당시 알려지지 않은 알베르트 아인슈타인이었습니다. 그는 빛이 단순한 파동이 아니라는 것을 깨달았습니다. 때로는 입자처럼 행동합니다. 아인슈타인은 빛이 부분적으로, 양자적으로 방출된다는 발견으로 노벨상을 받았습니다. 빛의 양자를 광자( 광자, 위키피디아) .

양자의 법칙을 더 쉽게 이해하기 위해 물리학그리고 역학(위키피디아), 어떤 의미에서는 우리에게 친숙한 고전 물리학 법칙에서 추상화하는 것이 필요합니다. 그리고 앨리스처럼 토끼굴 아래로 이상한 나라로 뛰어들었다고 상상해 보십시오.

그리고 여기 어린이와 성인을 위한 만화가 있습니다. 2개의 슬릿과 관찰자가 있는 양자 역학의 기본 실험에 대해 이야기합니다. 5분 동안만 지속됩니다. 양자 물리학의 기본 질문과 개념을 탐구하기 전에 시청하십시오.

인형 비디오를 위한 양자 물리학. 만화에서 관찰자의 "눈"에주의하십시오. 그것은 물리학자들에게 심각한 미스터리가 되었습니다.

간섭이란 무엇입니까?

만화의 시작 부분에서 액체의 예를 사용하여 파도가 어떻게 행동하는지 보여주었습니다. 슬롯이 있는 판 뒤의 화면에 어둡고 밝은 수직 줄무늬가 번갈아 나타납니다. 그리고 이산 입자(예: 자갈)가 판에 "사격"되는 경우 2개의 슬롯을 통해 날아가 슬롯 바로 맞은편에 있는 화면에 충돌합니다. 그리고 화면에 2개의 세로 줄무늬만 "그립니다".

빛 간섭- 이것은 밝고 어두운 수직 줄무늬가 화면에 많이 표시될 때 빛의 "파동" 동작입니다. 그리고 저 세로 줄무늬 간섭무늬라고 함.

우리의 대우주에서 우리는 빛이 파동처럼 행동하는 것을 종종 관찰합니다. 양초 앞에 손을 대면 벽에 손의 그림자가 명확하지 않고 윤곽이 흐려집니다.

그래서, 모든 것이 그렇게 어렵지 않습니다! 이제 빛에는 파동이 있다는 것이 매우 분명해졌으며 2개의 슬릿에 빛이 비추면 그 뒤에 있는 화면에서 간섭 패턴을 볼 수 있습니다. 이제 두 번째 실험을 고려하십시오. 이것은 유명한 Stern-Gerlach 실험(지난 세기의 20년대에 수행됨)입니다.

만화에 설명된 설치에서 그들은 빛으로 빛나지 않았지만 전자(별도의 입자로)로 "총"했습니다. 그런 다음 지난 세기 초 전 세계의 물리학자들은 전자가 물질의 소립자이며 파동성을 가지지 않고 자갈과 같아야한다고 믿었습니다. 결국 전자는 물질의 소립자죠? 즉, 자갈과 같은 2개의 슬롯에 "던진" 경우 슬롯 뒤의 화면에 2개의 수직 줄무늬가 표시되어야 합니다.

하지만… 결과는 충격적이었습니다. 과학자들은 많은 수직 줄무늬인 간섭 패턴을 보았습니다. 즉, 전자도 빛과 마찬가지로 파동성을 가질 수 있으며 간섭할 수 있습니다. 반면에 빛은 파동일 뿐만 아니라 입자인 광자(아인슈타인이 이 발견으로 노벨상을 받았다는 기사 시작 부분의 역사적 배경에서 알 수 있음)라는 것이 분명해졌습니다.

학교에서 물리학에서 "입자 파동 이원론"? 그것은 미시 세계의 매우 작은 입자(원자, 전자)에 관해서는 다음을 의미합니다. 그들은 파동과 입자입니다

오늘은 여러분과 제가 너무 똑똑해서 위에서 설명한 두 가지 실험(전자를 발사하고 빛으로 슬롯을 비추는 것)이 하나이고 동일하다는 것을 이해하고 있습니다. 우리가 슬릿에서 양자 입자를 발사하기 때문입니다. 이제 우리는 빛과 전자가 양자의 성질을 가지고 있다는 것을 압니다. 그들은 동시에 파동이자 입자입니다. 그리고 20세기 초 이 실험의 결과는 센세이션을 일으켰습니다.

주목! 이제 좀 더 미묘한 문제로 넘어가 보겠습니다.

우리는 광자(전자)의 흐름으로 슬릿을 비추고 화면의 슬릿 뒤에 간섭 패턴(수직 줄무늬)을 봅니다. 그것은 분명하다. 그러나 우리는 각 전자가 슬릿을 통해 어떻게 날아가는지 확인하는 데 관심이 있습니다.

아마도 하나의 전자는 왼쪽 슬릿으로 날아가고 다른 하나는 오른쪽 슬릿으로 날아갑니다. 그러나 슬롯 바로 맞은편 화면에 2개의 세로 줄무늬가 나타나야 합니다. 간섭 무늬가 생기는 이유는 무엇입니까? 아마도 전자는 슬릿을 통해 날아간 후 화면에서 이미 서로 어떻게 든 상호 작용할 수 있습니다. 그리고 그 결과는 그러한 물결 패턴입니다. 우리는 이것을 어떻게 따를 수 있습니까?

우리는 빔이 아닌 한 번에 하나씩 전자를 던질 것입니다. 놓으십시오, 기다려, 다음 것을 놓으십시오. 이제 전자가 혼자 날아가면 더 이상 화면에서 다른 전자와 상호 작용할 수 없습니다. 던진 후 각 전자를 화면에 등록합니다. 물론 한 두 가지는 우리에게 명확한 그림을 "그릴" 수 없습니다. 그러나 하나씩 슬롯에 많은 것을 보낼 때 우리는 알게 될 것입니다 ... 오 끔찍합니다. 간섭 파동 패턴을 다시 "그렸습니다"!

우리는 천천히 미쳐가기 시작합니다. 결국, 우리는 슬롯 반대편에 2개의 수직 줄무늬가 있을 것으로 예상했습니다! 우리가 한 번에 하나씩 광자를 던졌을 때 각각은 마치 동시에 2 개의 슬릿을 통과하여 자체 간섭하는 것으로 나타났습니다. 공상! 다음 섹션에서 이 현상에 대한 설명으로 돌아갑니다.

스핀과 중첩이란 무엇입니까?

이제 간섭이 무엇인지 압니다. 이것은 광자, 전자, 기타 미세 입자와 같은 미세 입자의 파동 거동입니다(이제부터는 간단하게 광자라고 부르겠습니다).

실험 결과 1개의 광자를 2개의 슬릿에 던졌을 때 마치 2개의 슬릿을 동시에 통과하는 것처럼 날아가는 것을 깨달았습니다. 화면의 간섭 패턴을 설명하는 다른 방법은 무엇입니까?

그러나 광자가 동시에 두 개의 슬릿을 통해 날아가는 그림을 상상하는 방법은 무엇입니까? 2가지 옵션이 있습니다.

• 첫 번째 옵션:물과 같은 파동과 같은 광자는 동시에 2개의 슬릿을 통해 "뜨다"
• 두 번째 옵션:입자와 같은 광자는 2개의 궤적을 따라 동시에 날아갑니다(둘이 아니라 한 번에 모두).

원칙적으로 이러한 진술은 동일합니다. 우리는 "경로 적분"에 도달했습니다. 이것은 Richard Feynman의 양자 역학 공식입니다.

그건 그렇고, 정확히 리처드 파인만라는 잘 알려진 표현에 속한다. 아무도 양자역학을 이해하지 못한다고 자신있게 말할 수 있습니다.

그러나 그의 이러한 표현은 세기 초에 일했습니다. 그러나 이제 우리는 똑똑하고 광자가 입자와 파동으로 행동할 수 있다는 것을 압니다. 그는 우리가 이해할 수 없는 방식으로 2개의 슬롯을 통해 동시에 날 수 있습니다. 따라서 다음과 같은 양자 역학의 중요한 진술을 이해하는 것이 쉬울 것입니다.

엄밀히 말하면, 양자 역학은 이 광자 행동이 예외가 아니라 규칙이라고 말합니다. 모든 양자 입자는 원칙적으로 여러 상태에 있거나 동시에 공간의 여러 지점에 있습니다.

거시 세계의 개체는 하나의 특정 위치와 하나의 특정 상태에만 있을 수 있습니다. 그러나 양자 입자는 자신의 법칙에 따라 존재합니다. 그리고 그녀는 우리가 그들을 이해하지 못한다고 신경 쓰지 않습니다. 이것이 요점입니다.

양자 물체의 "중첩"은 그것이 동시에 2개 이상의 궤적, 2개 이상의 지점에 있을 수 있음을 의미한다는 것을 단순히 공리로 받아들이는 것이 남아 있습니다.

다른 광자 매개변수인 스핀(자체 각운동량)에도 동일하게 적용됩니다. 스핀은 벡터입니다. 양자 물체는 미세한 자석으로 생각할 수 있습니다. 우리는 자석 벡터(스핀)가 위 또는 아래로 향한다는 사실에 익숙합니다. 그러나 전자나 광자는 다시 다음과 같이 말합니다. 동시에 또는 동시에 2개 지점에서!

"측정" 또는 "파동 함수 붕괴"란 무엇입니까?

"측정"이 무엇이고 "파동 함수의 붕괴"가 무엇인지 이해하는 것은 조금 남아 있습니다.

파동 함수양자 물체(우리의 광자 또는 전자)의 상태에 대한 설명입니다.

전자가 있다고 가정하면 스스로 날아갑니다. 불확정 상태에서 스핀은 동시에 위아래로 향합니다.. 그의 상태를 측정해야 합니다.

자기장을 사용하여 측정해 봅시다. 자기장 방향으로 스핀을 가한 전자는 한 방향으로 편향되고 스핀이 자기장 방향으로 향하는 전자는 다른 방향으로 편향됩니다. 광자는 편광 필터로 보낼 수도 있습니다. 광자의 스핀(편광)이 +1이면 필터를 통과하고 -1이면 통과하지 않습니다.

중지! 여기서 필연적으로 다음과 같은 질문이 생깁니다.측정하기 전에는 결국 전자가 특정한 스핀 방향을 가지고 있지 않았죠? 그는 동시에 모든 주에 있었습니까?

이것이 양자역학의 속임수이자 감각입니다.. 양자 물체의 상태를 측정하지 않는 한, 그것은 어떤 방향으로도 회전할 수 있습니다(자체 각운동량 벡터 - 스핀의 방향을 가짐). 그러나 당신이 그의 상태를 측정하는 순간 그는 어떤 스핀 벡터를 취할 것인지 결정하는 것 같습니다.

이 양자 개체는 매우 훌륭하여 상태에 대한 결정을 내립니다.그리고 그것이 우리가 측정하는 자기장 속으로 날아갈 때 어떤 결정을 내릴지 미리 예측할 수 없습니다. 그가 스핀 벡터를 "업" 또는 "다운"으로 결정할 확률은 50~50%입니다. 하지만 결정하자마자 특정 스핀 방향을 가진 상태가 된다. 그의 결정의 이유는 우리의 "차원"입니다!

이것은 ... 불리운다 " 파동 함수 붕괴". 측정 전의 파동 함수는 부정확했습니다. 전자 스핀 벡터는 모든 방향에서 동시에 측정되었으며 전자는 스핀 벡터의 특정 방향을 고정했습니다.

주목! 이해를 위한 대우주의 훌륭한 사례 연합:

테이블에 동전을 팽이처럼 돌립니다. 동전이 회전하는 동안에는 앞면이나 뒷면과 같은 특별한 의미가 없습니다. 그러나 이 값을 "측정"하기로 결정하고 손으로 동전을 던지면 바로 여기에서 동전의 앞면 또는 뒷면과 같은 특정 상태를 알 수 있습니다. 이제 이 동전이 앞면 또는 뒷면 중 "보여줄" 가치를 결정한다고 상상해 보십시오. 전자는 거의 같은 방식으로 행동합니다.

이제 만화의 끝 부분에 표시된 실험을 기억하십시오. 광자가 슬릿을 통과하면 파동처럼 행동하여 화면에 간섭 패턴을 나타냅니다. 그리고 과학자들이 광자가 슬릿을 통과하고 스크린 뒤에 "관찰자"를 두는 순간을 고정(측정)하기를 원했을 때, 광자는 파동이 아니라 입자처럼 행동하기 시작했습니다. 그리고 화면에 2개의 세로 줄무늬가 "그려졌습니다". 저것들. 측정 또는 관찰의 순간에 양자 물체 자체가 어떤 상태에 있어야 하는지를 선택합니다.

공상! 안 그래?

하지만 그게 다가 아닙니다. 마침내 우리는 가장 흥미로운 것을 얻었습니다.

하지만 ... 정보가 너무 많을 것 같아서 별도의 게시물에서 이 두 가지 개념을 고려할 것입니다.

• 뭐라고요 ?
• 사고 실험이란 무엇입니까?

이제 정보를 선반에 올려 놓으시겠습니까? Canadian Institute for Theoretical Physics에서 제작한 다큐멘터리를 시청하십시오. 20분 안에 1900년 플랑크의 발견을 시작으로 양자물리학의 모든 발견에 대해 아주 간략하고 시간순으로 알려드립니다. 그런 다음 가장 정확한 원자 시계에서 양자 컴퓨터의 초고속 계산에 이르기까지 양자 물리학 지식을 기반으로 현재 어떤 실용적인 개발이 진행되고 있는지 알려줍니다. 이 영화를 보는 것이 좋습니다.

또 봐요!

모든 계획과 프로젝트에 영감을 주기를 바랍니다!

P.S.2 댓글에 질문과 생각을 적어주세요. 쓰십시오. 양자 물리학에 대한 다른 질문에 관심이 있습니까?

P.S.3 블로그 구독 - 기사 아래의 구독 양식.

그리스어 "fusis"에서 "physics"라는 단어가 나옵니다. 그것은 "자연"을 의미합니다. 기원전 4세기에 살았던 아리스토텔레스가 이 개념을 처음 도입했습니다.

물리학은 M.V. Lomonosov가 독일어에서 첫 번째 교과서를 번역했을 때 제안으로 "러시아어"가 되었습니다.

과학 물리학

물리학은 그 주요 학문 중 하나로 전 세계적으로 다양한 과정, 변화, 즉 현상이 끊임없이 일어나고 있습니다.

예를 들어 따뜻한 장소에 있는 얼음 조각이 녹기 시작합니다. 그리고 주전자의 물은 불에 끓습니다. 전선을 통과하는 전류는 전선을 가열하고 심지어 뜨거워지게 합니다. 이러한 각 과정은 하나의 현상입니다. 물리학에서 이들은 과학에서 연구하는 기계적, 자기적, 전기적, 소리, 열 및 빛의 변화입니다. 물리적 현상이라고도 합니다. 그것들을 고려하여 과학자들은 법칙을 추론합니다.

과학의 임무는 이러한 법칙을 발견하고 연구하는 것입니다. 자연은 생물학, 지리학, 화학 및 천문학과 같은 과학에서 연구됩니다. 그들은 모두 물리적 법칙을 적용합니다.

자귀

물리학의 일반적인 용어 외에도 용어라는 특수 단어도 사용합니다. 이것들은 "에너지"(물리학에서는 물질의 상호 작용 및 이동의 다양한 형태뿐만 아니라 상호 작용에서 다른 것으로의 전이), "힘"(다른 물체 및 필드의 영향 강도 측정)입니다. 몸에) 그리고 많은 다른 사람들. 그들 중 일부는 점차 구어체 연설을 시작했습니다.

예를 들어, 일상 생활에서 사람과 관련하여 "에너지"라는 단어를 사용하면 그의 행동의 결과를 평가할 수 있지만 물리학의 에너지는 다양한 방식으로 연구의 척도입니다.

물리학의 모든 신체를 물리적이라고 합니다. 부피와 모양이 있습니다. 그들은 물질로 구성되어 있으며 차례로 물질 유형 중 하나입니다. 이것은 우주에 존재하는 모든 것입니다.

경험담

사람들이 알고 있는 것의 대부분은 관찰에서 나온 것입니다. 현상을 연구하기 위해 끊임없이 관찰됩니다.

예를 들어 땅에 떨어지는 다양한 시체를 생각해보십시오. 이 현상이 같지 않은 질량, 다른 높이의 물체가 떨어질 때 다른지 여부를 알아낼 필요가 있습니다. 다른 시체를 기다리고 관찰하는 것은 매우 길고 항상 성공적인 것은 아닙니다. 따라서 이러한 목적으로 실험이 수행됩니다. 사전 계획된 계획과 특정 목표에 따라 구체적으로 구현되기 때문에 관찰과 다릅니다. 일반적으로 계획에서 일부 추측이 미리 만들어집니다. 즉, 가설을 제시합니다. 따라서 실험 과정에서 논박되거나 확인됩니다. 실험 결과를 생각하고 설명한 후 결론을 내립니다. 과학적 지식을 얻는 방법입니다.

수량 및 단위

종종 연구는 다른 측정을 수행합니다. 예를 들어 물체가 떨어지면 높이, 질량, 속도 및 시간이 측정됩니다. 이 모든 것은, 즉 측정할 수 있는 것입니다.

값을 측정한다는 것은 동일한 값과 비교하는 것을 의미하며, 이는 단위로 간주됩니다(테이블의 길이는 길이 단위(미터 또는 기타)와 비교됨). 이러한 각 값에는 고유한 단위가 있습니다.

모든 국가는 균일한 단위를 사용하려고 합니다. 러시아에서는 다른 국가와 마찬가지로 국제 단위계(SI)가 사용됩니다("국제 시스템"을 의미함). 다음 단위를 채택합니다.

• 길이 (수치로 선 길이의 특성) - 미터;
• 시간(프로세스의 흐름, 가능한 변경 조건) - 초;
• 질량 (이것은 물질의 관성 및 중력 특성을 결정하는 물리학의 특성입니다) - 킬로그램.

기존 배수보다 훨씬 큰 단위를 사용해야 하는 경우가 종종 있습니다. 그들은 그리스어 "deka", "hekto", "kilo"등의 해당 접두사로 호출됩니다.

허용되는 것보다 작은 단위를 부분 배수라고 합니다. 라틴 언어의 접두사가 "deci", "santi", "milli" 등으로 적용됩니다.

측정기

실험을 하려면 장비가 필요합니다. 가장 간단한 것은 자, 실린더, 줄자 및 기타입니다. 과학이 발전함에 따라 전압계, 온도계, 스톱워치 등의 새로운 기기가 개선되고 복잡하고 새로운 장치가 등장합니다.

기본적으로 장치에는 값이 기록되는 눈금, 즉 파선 분할이 있습니다. 측정하기 전에 분할 가격을 결정합니다.

• 값으로 눈금을 두 번 칩니다.
• 더 작은 것을 더 큰 것에서 빼서 결과 숫자를 그 사이의 나눗셈 수로 나눕니다.

예를 들어, 값이 "twenty"와 "thirty"인 두 개의 스트로크 사이의 거리는 10개의 공백으로 나뉩니다. 이 경우 나눗셈 값은 1과 같습니다.

정확한 측정 및 오류

측정은 다소 정확합니다. 허용 오차를 오차 한계라고 합니다. 측정 시 측정 장치의 분할 값보다 클 수 없습니다.

정확도는 스케일 간격과 기기의 올바른 사용에 따라 다릅니다. 그러나 결국 모든 측정에서 대략적인 값만 얻습니다.

이론 및 실험 물리학

이들은 과학의 주요 분야입니다. 특히 대부분의 사람들이 이론가이거나 실험가이기 때문에 그것들은 매우 멀리 떨어져 있는 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 그들은 끊임없이 나란히 진화하고 있습니다. 모든 문제는 이론가와 실험가 모두 고려합니다. 전자의 업무는 데이터를 기술하고 가설을 도출하는 것이고 후자는 이론을 실제로 테스트하고 실험을 수행하고 새로운 데이터를 얻는 것입니다. 때때로 성과는 이론을 설명하지 않고 실험에 의해서만 발생합니다. 반대로 나중에 확인하는 결과를 얻을 수 있는 경우도 있습니다.

양자 물리학

이 방향은 1900년 말에 새로운 물리적 기본 상수가 발견되었을 때 시작되었으며, 이를 발견한 독일 물리학자 막스 플랑크를 기리기 위해 플랑크 상수라고 합니다. 그는 가열된 물체에서 방출되는 빛의 스펙트럼 분포 문제를 해결했지만 고전 일반 물리학으로는 해결할 수 없었습니다. 플랑크는 고전 물리학과 양립할 수 없는 발진기의 양자 에너지에 대한 가설을 세웠습니다. 덕분에 많은 물리학자들이 오래된 개념을 수정하고 변경하기 시작했으며 그 결과 양자 물리학이 발생했습니다. 이것은 완전히 새로운 세계관입니다.

그리고 의식

관점에서 볼 때 인간 의식의 현상은 완전히 새로운 것은 아닙니다. 그 기초는 Jung과 Pauli에 의해 마련되었습니다. 그러나 이제이 새로운 과학 방향이 형성되면서 현상이 더 큰 규모로 고려되고 연구되기 시작했습니다.

양자 세계는 다면적이고 다차원적이며 많은 고전적인 면과 투영을 가지고 있습니다.

제안된 개념의 틀 내에서 두 가지 주요 속성은 초직관(즉, 아무데도 없는 것처럼 정보를 얻음)과 주관적 현실의 통제입니다. 보통의식에서 사람은 세상을 단 하나의 그림만 볼 수 있고 동시에 두 개를 생각할 수 없습니다. 실제로는 엄청나게 많습니다. 이 모든 것이 양자 세계와 빛입니다.

(비록 많은 동양 종교와 마술사들이 오랫동안 그러한 기술을 가지고 있었지만) 사람의 새로운 현실을 보도록 가르치는 것은 양자 물리학입니다. 인간의 의식을 바꾸는 것만이 필요합니다. 이제 사람은 전 세계와 분리 할 수 ​​​​없지만 모든 생물과 사물의 이익이 고려됩니다.

그제서야 모든 대안을 볼 수 있는 상태에 빠지면서, 그것은 절대적인 진리인 통찰에 이르게 된다.

양자 물리학의 관점에서 볼 때 생명의 원리는 무엇보다도 사람이 더 나은 세계 질서에 기여하는 것입니다.

아무도 양자 역학을 이해하지 못한다고 말하는 것이 안전하다고 생각합니다.

물리학자 리처드 파인만

반도체 장치의 발명은 혁명이라고 해도 과언이 아닙니다. 이는 인상적인 기술적 성과일 뿐만 아니라 현대 사회를 영원히 바꿀 사건의 발판을 마련했습니다. 반도체 장치는 컴퓨터, 특정 유형의 의료 진단 및 치료 장비, 대중적인 통신 장치를 포함한 모든 종류의 마이크로 전자 장치에 사용됩니다.

그러나 이 기술 혁명의 이면에는 훨씬 더 많은 일반 과학의 혁명이 있습니다. 양자 이론. 자연 세계를 이해하는 이러한 도약이 없었다면 반도체 장치(및 개발 중인 고급 전자 장치)의 개발은 결코 성공하지 못했을 것입니다. 양자 물리학은 엄청나게 복잡한 과학 분야입니다. 이 장에서는 간략한 개요만 제공합니다. Feynman과 같은 과학자들이 "아무도 [그것]을 이해하지 못한다"고 말할 때, 이것이 정말 어려운 주제라는 것을 확신할 수 있습니다. 양자 물리학에 대한 기본적인 이해가 없거나 최소한 그 발전을 이끈 과학적 발견에 대한 이해 없이는 반도체 전자 장치가 작동하는 방식과 이유를 이해할 수 없습니다. 대부분의 전자 교과서는 "고전 물리학"의 관점에서 반도체를 설명하려고 하므로 결과적으로 이해하기가 훨씬 더 혼란스럽습니다.

우리 중 많은 사람들이 아래 그림과 같은 원자 모델 다이어그램을 본 적이 있습니다.

러더퍼드 원자: 음의 전자는 작은 양의 핵 주위를 돌고 있습니다.

라고 불리는 작은 물질 입자 양성자그리고 중성자, 원자의 중심을 구성합니다. 전자별 주위를 행성처럼 회전합니다. 핵은 양성자의 존재로 인해 양전하를 띠고(중성자는 전하를 띠지 않음) 원자의 균형을 이루는 음전하는 궤도를 도는 전자에 있습니다. 행성이 태양에 끌리는 것처럼 음의 전자는 양의 양성자에 끌리지만 전자의 움직임으로 인해 궤도는 안정적입니다. 우리는 이 인기 있는 원자 모델을 탐험가 J. J. Thomson이 이전에 가정한 것처럼 원자의 양전하가 작고 조밀한 핵에 집중되어 있으며 직경을 따라 고르게 분포되어 있지 않다는 것을 실험적으로 결정한 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)의 연구에 빚지고 있습니다. .

Rutherford의 산란 실험은 아래 그림과 같이 양전하를 띤 알파 입자로 얇은 금박에 충격을 가하는 것을 포함합니다. 젊은 대학원생 H. Geiger와 E. Marsden은 예상치 못한 결과를 얻었습니다. 일부 알파 입자의 궤적은 큰 각도로 벗어났습니다. 일부 알파 입자는 거의 180°의 각도로 뒤쪽으로 흩어져 있었습니다. 대부분의 입자는 금박이 전혀 없는 것처럼 궤적을 바꾸지 않고 금박을 통과했습니다. 여러 알파 입자가 궤적에서 큰 편차를 경험했다는 사실은 작은 양전하를 가진 핵의 존재를 나타냅니다.

Rutherford 산란: 알파 입자 빔이 얇은 금박에 의해 산란됨

Rutherford의 원자 모델은 Thomson의 것보다 실험 데이터에 의해 더 잘 뒷받침되었지만 여전히 불완전했습니다. 원자의 구조를 결정하기 위한 더 많은 시도가 있었고 이러한 노력은 양자 물리학의 이상한 발견을 위한 길을 닦는 데 도움이 되었습니다. 오늘날 원자에 대한 우리의 이해는 조금 더 복잡합니다. 그러나 양자 물리학의 혁명과 그것이 원자 구조에 대한 우리의 이해에 기여했음에도 불구하고, 러더퍼드의 태양계를 원자 구조로 묘사하는 것은 교육 분야에서 지속되는 정도로 대중 의식에 뿌리를 내렸습니다. 잘못된 위치에 있습니다.

인기있는 전자 교과서에서 가져온 원자의 전자에 대한 다음과 같은 간단한 설명을 고려하십시오.

회전하는 음의 전자는 양의 핵에 끌리므로 전자가 원자핵으로 날아가지 않는 이유에 대한 질문으로 이어집니다. 대답은 회전하는 전자가 두 개의 동일하지만 반대되는 힘으로 인해 안정적인 궤도에 남아 있다는 것입니다. 전자에 작용하는 원심력은 바깥쪽으로 향하고 전하의 인력은 전자를 핵 쪽으로 당기려고 합니다.

Rutherford의 모델에 따라 저자는 전자를 둥근 궤도를 차지하는 고체 조각으로 간주하며 반대 전하를 띤 핵에 대한 내부 인력은 움직임에 의해 균형을 이룹니다. "원심력"이라는 용어의 사용은 기술적으로 부정확하지만(심지어 궤도를 도는 행성의 경우에도) 이 모델의 대중적인 수용으로 인해 쉽게 용서됩니다. 사실, 힘과 같은 것은 없습니다. 혐오스러운어느궤도 중심에서 회전하는 물체. 이는 물체의 관성이 물체를 직선으로 계속 움직이는 경향이 있고 궤도가 직선 운동에서 일정한 편차(가속도)이기 때문에 물체를 중심으로 끌어당기는 힘에 대해 일정한 관성 반작용이 있기 때문인 것 같습니다. 중력, 정전기적 인력 또는 기계적 결합의 장력에 관계없이 궤도(구심)의

그러나 이 설명의 진짜 문제는 애초에 전자가 원형 궤도를 돌고 있다는 생각입니다. 가속된 전하가 전자기 복사를 방출한다는 입증된 사실은 러더퍼드 시대에도 알려져 있었습니다. 회전 운동은 가속도의 한 형태이기 때문에(일정한 가속도로 회전하는 물체는 물체를 정상적인 직선 운동에서 멀어지게 잡아당김) 회전 상태의 전자는 물레에서 나오는 진흙과 같은 복사를 방출해야 합니다. 입자 가속기의 원형 경로를 따라 가속된 전자 싱크로트론이 작업을 수행하는 것으로 알려져 있으며 결과는 싱크로트론 방사선. 전자가 이러한 방식으로 에너지를 잃으면 결국 궤도가 교란되고 결과적으로 양전하를 띤 핵과 충돌하게 됩니다. 그러나 원자 내부에서는 일반적으로 이런 일이 발생하지 않습니다. 실제로 전자 "궤도"는 광범위한 조건에서 놀라울 정도로 안정적입니다.

또한 "들뜬" 원자에 대한 실험은 전자기 에너지가 특정 주파수에서만 원자에 의해 방출된다는 것을 보여주었습니다. 원자는 충격을 받을 때까지 특정 주파수에서 울리지 않는 소리굽쇠처럼 특정 주파수에서 에너지를 흡수하고 전자기파를 반환하는 것으로 알려진 빛과 같은 외부 영향에 의해 "흥분"됩니다. 여기된 원자에서 방출된 빛이 프리즘에 의해 구성 주파수(색상)로 분할될 때 스펙트럼에서 개별 색상 라인이 발견되고 스펙트럼 라인 패턴은 화학 원소에 고유합니다. 이 현상은 일반적으로 화학 원소를 식별하고 화합물 또는 화학 혼합물에서 각 원소의 비율을 측정하는 데 사용됩니다. 러더퍼드 원자 모델의 태양계(전자와 관련하여 물질 조각로서 일정 반경의 궤도에서 자유롭게 회전함)와 고전 물리학 법칙에 따르면 여기된 원자는 거의 무한한 주파수 범위에서 에너지를 반환해야 합니다. 선택한 주파수에서. 다시 말해서, 러더포드의 모델이 정확하다면 "소리굽쇠" 효과가 없고 임의의 원자에서 방출되는 색상 스펙트럼은 여러 개의 개별 선이 아니라 색상의 연속 띠로 나타납니다.

수소 원자의 보어 모델(궤도를 축척에 맞게 그린 것)은 전자가 이산 궤도에만 있다고 가정합니다. n=3,4,5 또는 6에서 n=2로 이동하는 전자는 일련의 발머 스펙트럼 라인에 표시됩니다.

Niels Bohr라는 연구원은 1912년 Rutherford의 실험실에서 몇 달 동안 Rutherford의 모델을 연구한 후 Rutherford의 모델을 개선하려고 했습니다. 다른 물리학자들(특히 막스 플랑크와 알베르트 아인슈타인)의 결과를 조화시키기 위해 보어는 각각의 전자가 특정한 양의 에너지를 가지고 있으며 전자의 궤도가 주변의 특정 위치를 차지할 수 있는 방식으로 분포되어 있다고 제안했습니다. 공과 같은 핵은 핵 주위의 원형 경로에 고정되어 있으며 이전에 가정한 것처럼 자유롭게 움직이는 위성이 아닙니다(위 그림). 전자기 및 가속 전하의 법칙을 존중하여 보어는 "궤도"를 다음과 같이 언급했습니다. 정지 상태이동식이라는 해석을 피하기 위해.

실험 데이터와 더 일치하는 원자의 구조를 재고하려는 보어의 야심 찬 시도가 물리학의 이정표였지만 완료되지는 않았습니다. 그의 수학적 분석은 이전 모델에 의해 수행된 것보다 실험 결과를 더 잘 예측했지만 여전히 왜전자는 그런 이상한 방식으로 행동해야 합니다. 전자가 핵 주변의 고정된 양자 상태로 존재한다는 진술은 러더퍼드의 모델보다 실험 데이터와 더 나은 상관관계가 있었지만 전자가 이러한 특수 상태를 취하는 원인에 대해서는 언급하지 않았습니다. 이 질문에 대한 답은 약 10년 후에 다른 물리학자 루이 드 브로이(Louis de Broglie)로부터 나온 것이었습니다.

De Broglie는 광자(빛의 입자)와 같은 전자가 입자의 속성과 파동의 속성을 모두 가지고 있다고 제안했습니다. 이러한 가정을 바탕으로 그는 회전하는 전자를 파동으로 분석하는 것이 입자로 분석하는 것보다 더 낫고 양자 특성에 대한 더 많은 통찰력을 제공할 수 있다고 제안했습니다. 실제로, 이해에서 또 다른 돌파구가 만들어졌습니다.

두 개의 고정점 사이에서 공진 주파수로 진동하는 현이 정상파를 형성합니다.

de Broglie에 따르면 원자는 다양한 형태로 물리학자들에게 잘 알려진 현상인 정상파로 구성되어 있습니다. 뽑아낸 악기 현(위 그림)과 같이 공명 주파수로 진동하며 길이를 따라 안정된 위치에 "매듭"과 "매듭 방지"가 있습니다. De Broglie는 원자 주위의 전자를 원으로 휘어진 파동으로 상상했습니다(아래 그림).

핵 주위의 정상파와 같은 "회전하는" 전자, (a) 한 궤도의 두 주기, (b) 한 궤도의 세 주기

전자는 파동의 끝이 일치하는 유일한 거리이기 때문에 핵 주위의 특정 특정 "궤도"에만 존재할 수 있습니다. 다른 반경에서 파동은 파괴적으로 충돌하여 존재를 멈춥니다.

De Broglie의 가설은 원자 내 전자의 양자 상태를 설명하기 위해 수학적 틀과 편리한 물리적 유추를 제공했지만 그의 원자 모델은 여전히 ​​불완전했습니다. 몇 년 동안 물리학자 Werner Heisenberg와 Erwin Schrödinger는 독립적으로 작업하여 아원자 입자의 보다 엄격한 수학적 모델을 만들기 위해 de Broglie의 파동-입자 이중성 개념에 대해 연구해 왔습니다.

드 브로이의 원시적 정상파 모델에서 하이젠베르크 행렬 및 슈뢰딩거 미분 방정식의 모델로의 이러한 이론적 발전은 양자 역학이라는 이름을 얻었으며, 아원자 입자의 세계에 다소 충격적인 특징을 도입했습니다. 확률의 부호, 또는 불확실성. 새로운 양자 이론에 따르면 한 순간에 입자의 정확한 위치와 정확한 운동량을 결정하는 것은 불가능했습니다. 이 "불확실성 원리"에 대한 일반적인 설명은 측정 오류가 있다는 것입니다(즉, 전자의 위치를 ​​정확하게 측정하려고 하면 전자의 운동량을 방해하므로 위치 측정을 시작하기 전에 그것이 무엇인지 알 수 없습니다. , 그 반대). 양자역학의 놀라운 결론은 입자는 정확한 위치와 운동량을 가지고 있지 않으며, 이 두 양의 관계로 인해 결합된 불확실성이 특정 최소값 아래로 절대 감소하지 않는다는 것입니다.

이러한 형태의 "불확실성" 연결은 양자 역학 이외의 분야에도 존재합니다. 이 책 시리즈 2권의 "혼합 주파수 AC 신호" 장에서 논의한 바와 같이 파형의 시간 도메인 데이터에 대한 신뢰도와 해당 주파수 도메인 데이터 사이에는 상호 배타적인 관계가 있습니다. 간단히 말해서 구성 요소 주파수를 더 많이 알수록 시간에 따른 진폭을 덜 정확하게 알 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 자신을 인용:

무한 기간(무한한 주기)의 신호는 절대 정확도로 분석할 수 있지만, 분석을 위해 컴퓨터에서 사용할 수 있는 주기가 적을수록 분석 정확도가 떨어집니다... 신호 주기가 적을수록 주파수의 정확도가 떨어집니다. . 이 개념을 논리적으로 극단으로 치면 짧은 펄스(신호의 전체 주기도 아님)에는 실제로 정의된 주파수가 없으며 주파수의 무한 범위입니다. 이 원리는 가변 전압과 전류뿐만 아니라 모든 파동 현상에 공통적입니다.

변화하는 신호의 진폭을 정확하게 결정하려면 매우 짧은 시간에 이를 측정해야 합니다. 그러나 이렇게 하면 파동의 주파수에 대한 지식이 제한됩니다(양자 역학의 파동은 정현파와 유사할 필요는 없습니다. 이러한 유사성은 특별한 경우입니다). 반면에 파동의 주파수를 매우 정확하게 결정하려면 많은 주기에 걸쳐 측정해야 합니다. 즉, 주어진 순간에 진폭을 볼 수 없게 됩니다. 따라서 우리는 어떤 파동의 순간 진폭과 모든 주파수를 무한정의 정확도로 동시에 알 수 없습니다. 또 다른 이상한 점은 이 불확실성이 관찰자의 부정확성보다 훨씬 더 크다는 것입니다. 그것은 파도의 본질에 있습니다. 적절한 기술이 주어지면 순시 진폭과 주파수를 동시에 정확하게 측정하는 것이 가능하지만 이것은 사실이 아닙니다. 말 그대로 파동은 정확한 순간 진폭과 정확한 주파수를 동시에 가질 수 없습니다.

Heisenberg와 Schrödinger가 표현한 입자 위치와 운동량의 최소 불확실성은 측정의 한계와 관련이 없습니다. 오히려 그것은 입자의 파동-입자 이중성의 본성의 본질적인 속성이다. 따라서 전자는 실제로 "궤도"에 잘 정의된 물질 입자 또는 잘 정의된 파형으로 존재하는 것이 아니라 기술 용어인 "구름"으로 존재합니다. 파동 함수각각의 전자가 위치와 운동량의 범위에 걸쳐 "산란"되거나 "번져 나가는" 것처럼 확률 분포.

전자를 불확실한 구름으로 보는 이러한 급진적인 견해는 처음에는 전자의 양자 상태의 원래 원리와 모순됩니다. 전자는 원자핵 주위에 불연속적이고 명확한 "궤도"에 존재합니다. 이 새로운 견해는 결국 양자 이론의 형성과 설명으로 이어진 발견이었습니다. 전자의 불연속적인 거동을 설명하기 위해 만들어진 이론이 결국 전자가 별도의 물질 조각이 아니라 "구름"으로 존재한다고 선언하는 것이 이상해 보입니다. 그러나 전자의 양자 거동은 좌표와 운동량의 특정 값을 갖는 전자에 의존하는 것이 아니라 양자수. 본질적으로 양자 역학은 절대 위치와 절대 모멘트라는 일반적인 개념을 생략하고 일반적인 관행에서 유사점이 없는 유형의 절대 개념으로 대체합니다.

전자가 별도의 물질 조각이 아니라 분산 확률의 "흐림" 형태로 존재하는 것으로 알려져 있지만 이러한 "구름"은 약간 다른 특성을 가지고 있습니다. 원자에 있는 모든 전자는 4가지 수치 척도(앞서 언급한 양자수) 메인(방사형), 궤도(방위각), 자기그리고 회전숫자. 다음은 이러한 각 숫자의 의미에 대한 간략한 개요입니다.

주(방사형) 양자수: 문자로 표시 N, 이 숫자는 전자가 있는 껍질을 나타냅니다. 전자 "껍질"은 전자가 존재할 수 있는 원자핵 주변의 공간 영역으로, 드 브로이와 보어의 안정적인 "정재파" 모델에 해당합니다. 전자는 껍질에서 껍질로 "점프"할 수 있지만 그 사이에 존재할 수는 없습니다.

주요 양자 수는 양의 정수(1 이상)여야 합니다. 즉, 전자의 주요 양자수는 1/2 또는 -3이 될 수 없습니다. 이 정수는 임의로 선택한 것이 아니라 광 스펙트럼의 실험적 증거를 통해 선택되었습니다. 여기 수소 원자에서 방출되는 빛의 다른 주파수(색상)는 아래 그림과 같이 특정 정수 값에 따라 수학적 관계를 따릅니다.

각 껍질은 여러 전자를 보유할 수 있습니다. 전자 껍질에 대한 비유는 원형 극장의 동심원 좌석 열입니다. 원형 극장에 앉아 있는 사람이 앉을 줄을 선택해야 하는 것처럼(그는 줄 사이에 앉을 수 없습니다) 전자는 "앉기" 위해 특정 껍질을 "선택"해야 합니다. 원형 극장의 줄처럼 외부 껍질은 중앙에 가까운 껍질보다 더 많은 전자를 보유합니다. 또한 원형극장에 있는 사람들이 중앙 무대에서 가장 가까운 곳을 찾는 것처럼 전자는 사용 가능한 가장 작은 껍질을 찾는 경향이 있습니다. 껍질 번호가 높을수록 전자가 더 많은 에너지를 가지고 있습니다.

모든 껍질이 보유할 수 있는 최대 전자 수는 방정식 2n 2 로 설명되며, 여기서 n은 주요 양자 수입니다. 따라서 첫 번째 껍질(n = 1)은 2개의 전자를 포함할 수 있습니다. 두 번째 껍질 (n = 2) - 8 전자; 세 번째 껍질(n = 3) - 18개의 전자(아래 그림).

주양자수 n과 전자의 최대수는 식 2(n 2)와 관계가 있다. 궤도는 비례하지 않습니다.

원자의 전자 껍질은 숫자가 아닌 문자로 표시되었습니다. 첫 번째 껍질(n = 1)은 K, 두 번째 껍질(n = 2) L, 세 번째 껍질(n = 3) M, 네 번째 껍질(n = 4) N, 다섯 번째 껍질(n = 5)로 지정되었습니다. O, 여섯 번째 껍질(n = 6) P, 일곱 번째 껍질(n = 7) B.

궤도(방위각) 양자수: 서브쉘로 구성된 쉘. 어떤 사람들은 서브쉘을 도로를 나누는 차선과 같은 쉘의 단순한 부분으로 생각하는 것이 더 편리할 수 있습니다. 서브쉘은 훨씬 더 이상합니다. 서브쉘은 전자 "구름"이 존재할 수 있는 공간 영역이며, 실제로 다른 서브쉘은 다른 모양을 가지고 있습니다. 첫 번째 하위 껍질은 구 모양으로 되어 있으며(아래 그림(s)), 3차원에서 원자의 핵을 둘러싸고 있는 전자 구름으로 시각화할 때 의미가 있습니다.

두 번째 하위 껍질은 원자 중심 근처의 한 지점에서 연결된 두 개의 "꽃잎"으로 구성된 덤벨과 비슷합니다(아래 그림(p)).

세 번째 하위 껍질은 일반적으로 원자핵 주위에 모여 있는 4개의 "꽃잎" 세트와 유사합니다. 이러한 서브쉘 모양은 안테나에서 다양한 방향으로 확장되는 양파 모양의 돌출부가 있는 안테나 패턴의 그래픽 표현과 유사합니다(아래 그림(d)).

궤도:
(s) 삼중 대칭;
(p) 표시됨: p x , 각 축을 따라 세 가지 가능한 방향(p x , p y , p z) 중 하나.
(d) 표시됨: d x 2 -y 2 는 d xy , d yz , d xz 와 유사합니다. 표시: d z 2 . 가능한 d-오비탈의 수: 5.

궤도 양자 수에 대한 유효한 값은 주 양자 수와 마찬가지로 양의 정수이지만 0도 포함합니다. 전자에 대한 이러한 양자 수는 문자 l로 표시됩니다. 하위 껍질의 수는 껍질의 주요 양자 수와 같습니다. 따라서 첫 번째 쉘(n = 1)에는 번호가 0인 하나의 서브쉘이 있습니다. 두 번째 쉘(n = 2)에는 0과 1로 번호가 매겨진 두 개의 서브쉘이 있습니다. 세 번째 쉘(n = 3)에는 0, 1, 2로 번호가 매겨진 세 개의 서브쉘이 있습니다.

이전 서브쉘 규칙은 숫자 대신 문자를 사용했습니다. 이 형식에서 첫 번째 서브쉘(l = 0)은 s, 두 번째 서브쉘(l = 1)은 p, 세 번째 서브쉘(l = 2)은 d, 네 번째 서브쉘(l = 3)은 f로 표시됩니다. 편지는 다음과 같은 단어에서 나왔습니다. 날카로운, 주요한, 퍼지다그리고 근본적인. 외부( 원자가) 원자의 껍질.

(a) 은 원자의 보어 표현,
(b) 쉘이 서브쉘로 분할된 Ag의 궤도 표현(궤도 양자 수 l).
이 다이어그램은 전자의 실제 위치에 대해 아무 것도 암시하지 않고 에너지 준위만 나타냅니다.

자기양자수: 전자에 대한 자기양자수는 전자 서브쉘 도형의 방향을 분류합니다. 하위 껍질의 "꽃잎"은 여러 방향으로 향할 수 있습니다. 이러한 서로 다른 방향을 오비탈이라고 합니다. 구와 유사한 첫 번째 서브쉘(s; l = 0)의 경우 "방향"이 지정되지 않습니다. 세 가지 가능한 방향을 가리키는 덤벨과 유사한 각 쉘의 두 번째(p; l = 1) 서브쉘. 3개의 덤벨이 원점에서 교차하고 각각이 3축 좌표계에서 자체 축을 따라 가리키는 것을 상상해 보십시오.

주어진 양자 수에 대한 유효한 값은 -l에서 l까지의 정수로 구성되며 이 숫자는 다음과 같이 표시됩니다. 밀리원자 물리학과 지핵물리학에서. 임의의 하위 껍질에 있는 궤도의 수를 계산하려면 하위 껍질의 수를 두 배로 늘리고 1, (2∙l + 1)을 더해야 합니다. 예를 들어, 모든 껍질의 첫 번째 하위 껍질(l = 0)에는 0으로 번호가 매겨진 하나의 궤도가 있습니다. 모든 껍질의 두 번째 하위 껍질 (l = 1)에는 -1, 0 및 1의 숫자가있는 세 개의 궤도가 포함됩니다. 세 번째 하위 껍질(l = 2)에는 -2, -1, 0, 1 및 2로 번호가 매겨진 5개의 오비탈이 있습니다. 등.

주요 양자 수와 마찬가지로 자기 양자 수는 실험 데이터에서 직접 발생했습니다. 제만 효과, 이온화된 가스를 자기장에 노출시켜 스펙트럼 선을 분리하므로 "자기" 양자 수라는 이름이 붙었습니다.

스핀 양자수: 자기양자수와 마찬가지로 원자 전자의 이러한 성질은 실험을 통해 밝혀졌다. 스펙트럼 선을 주의 깊게 관찰하면 각 선이 실제로 매우 밀접하게 간격을 둔 한 쌍의 선이라는 것을 알 수 있습니다. 미세 구조각 전자가 행성처럼 자체 축을 중심으로 "회전"한 결과였습니다. 다른 "스핀"을 가진 전자는 여기될 때 약간 다른 주파수의 빛을 방출합니다. 회전하는 전자 개념은 이제 구식이며 전자를 "구름"이 아닌 개별 입자로 보는 (잘못된) 관점에 더 적합하지만 이름은 남아 있습니다.

스핀 양자 수는 다음과 같이 표시됩니다. 초원자 물리학과 sz핵물리학에서. 각 하위 껍질의 각 궤도는 각 껍질에 두 개의 전자를 가질 수 있습니다. 하나는 스핀 +1/2이고 다른 하나는 스핀 -1/2입니다.

물리학자 볼프강 파울리(Wolfgang Pauli)는 이러한 양자수에 따라 원자에서 전자의 순서를 설명하는 원리를 개발했습니다. 라고 불리는 그의 원칙은 파울리 배제 원칙, 같은 원자에 있는 두 개의 전자가 같은 양자 상태를 차지할 수 없다고 말합니다. 즉, 원자의 각 전자는 고유한 양자수 집합을 가지고 있습니다. 이것은 주어진 오비탈, 서브쉘 및 쉘을 차지할 수 있는 전자의 수를 제한합니다.

이것은 수소 원자의 전자 배열을 보여줍니다.

핵에 하나의 양성자가 있으면 원자는 정전기 균형을 위해 하나의 전자를 받아들입니다(양성자의 양전하는 전자의 음전하와 정확히 균형을 이룹니다). 이 전자는 스핀 값이 1/2인 이 하위 껍질(m l = 0)의 유일한 궤도(공간 방향)에 있는 아래쪽 껍질(n = 1), 첫 번째 하위 껍질(l = 0)에 있습니다. 이 구조를 설명하는 일반적인 방법은 전자를 전자의 껍질과 하위 껍질에 따라 열거하는 것입니다. 분광 표기법. 이 표기법에서 쉘 번호는 정수로, 서브쉘은 문자(s,p,d,f)로, 서브쉘의 총 전자 수(모든 궤도, 모든 스핀)는 위 첨자로 표시됩니다. 따라서 단일 전자가 기본 수준에 있는 수소는 1s 1 로 설명됩니다.

다음 원자로 이동하면(원자 번호 순서대로) 헬륨 원소를 얻습니다.

헬륨 원자의 핵에는 2개의 양성자가 있으며 이중 양전하의 균형을 유지하려면 2개의 전자가 필요합니다. 두 개의 전자(하나는 스핀 1/2이고 다른 하나는 스핀 -1/2)는 동일한 궤도에 있기 때문에 헬륨의 전자 구조는 두 번째 전자를 보유하기 위해 추가 하위 껍질이나 껍질이 필요하지 않습니다.

그러나 3개 이상의 전자를 필요로 하는 원자는 모든 전자를 보유하기 위해 추가 서브쉘이 필요합니다. 왜냐하면 2개의 전자만 바닥 쉘(n = 1)에 있을 수 있기 때문입니다. 원자 번호가 증가하는 순서에서 다음 원자인 리튬을 고려하십시오.

리튬 원자는 쉘의 커패시턴스 L의 일부를 사용합니다(n = 2). 이 껍질은 실제로 총 8개의 전자 용량을 가지고 있습니다(최대 껍질 용량 = 2n 2 전자). 완전히 채워진 L 껍질을 가진 원자의 구조를 고려하면 하위 껍질, 궤도 및 스핀의 모든 조합이 전자에 의해 어떻게 채워지는지 알 수 있습니다.

종종 원자에 분광 표기법을 할당할 때 완전히 채워진 껍질은 건너뛰고 채워지지 않은 껍질과 최상위 채워진 껍질이 표시됩니다. 예를 들어, 두 개의 완전히 채워진 껍질이 있는 요소 네온(위 그림 참조)은 스펙트럼상 1s 22 s 22 p 6 대신 단순히 2p 6 으로 설명할 수 있습니다. 완전히 채워진 K 껍질과 L 껍질에 단일 전자가 있는 리튬은 1s 22 s 1 대신 2s 1 로 간단히 설명할 수 있습니다.

완전히 채워진 하위 레벨 쉘의 생략은 표기의 편의를 위한 것만이 아닙니다. 또한 화학의 기본 원리를 설명합니다. 즉, 요소의 화학적 거동은 채워지지 않은 껍질에 의해 주로 결정됩니다. 수소와 리튬은 모두 외부 껍질에 하나의 전자를 가지고 있습니다(각각 1과 2s 1로). 즉, 두 원소는 비슷한 속성을 가지고 있습니다. 둘 다 반응성이 높으며 거의 ​​동일한 방식으로 반응합니다(유사한 조건에서 유사한 요소와 결합). 리튬이 거의 자유로운 L 껍질 아래에 완전히 채워진 K 껍질을 가지고 있다는 것은 별로 중요하지 않습니다. 채워지지 않은 L 껍질은 화학적 거동을 결정하는 것입니다.

외부 껍질이 완전히 채워진 요소는 고귀한 것으로 분류되며 다른 요소와 거의 완전히 반응하지 않는 것이 특징입니다. 이들 원소는 전혀 반응하지 않는 것으로 간주될 때 불활성으로 분류되지만, 특정 조건에서 다른 원소와 화합물을 형성하는 것으로 알려져 있다.

외부 껍질에 동일한 전자 배열을 가진 원소가 유사한 화학적 성질을 가지기 때문에 Dmitri Mendeleev는 그에 따라 화학 원소를 표로 정리했습니다. 이 테이블은 , 최신 테이블은 아래 그림과 같이 이 일반 레이아웃을 따릅니다.

화학 원소의 주기율표

원소 주기율표를 최초로 개발한 사람은 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프(Dmitri Mendeleev)입니다. 멘델레예프가 원자 번호가 아닌 원자 질량에 따라 표를 정리하고 현대 주기율표만큼 유용하지 않은 표를 만들었지만 그의 발전은 과학적 증거의 훌륭한 예입니다. 주기성 패턴(원자 질량에 따른 유사한 화학적 특성)을 보고 멘델레예프는 모든 요소가 이 정렬된 패턴에 맞아야 한다는 가설을 세웠습니다. 그는 테이블에서 "빈" 자리를 발견했을 때 기존 질서의 논리에 따라 아직 알려지지 않은 요소의 존재를 가정했습니다. 이러한 원소의 후속 발견은 멘델레예프의 가설의 과학적 정확성을 확인했으며 추가 발견은 우리가 현재 사용하는 주기율표의 형태로 이어졌습니다.

이와 같이 ~해야 한다작업 과학: 가설은 논리적 결론을 도출하고 실험 데이터와 결론의 일관성에 따라 수용, 변경 또는 거부됩니다. 어떤 바보라도 사용 가능한 실험 데이터를 설명하기 위해 사실 이후에 가설을 세울 수 있으며 많은 사람들이 그렇게 합니다. 과학적 가설과 사후 추측을 구별하는 것은 아직 수집되지 않은 미래의 실험 데이터에 대한 예측과 결과적으로 해당 데이터에 대한 반박 가능성입니다. 대담하게 가설을 논리적 결론으로 ​​이끌어 내고 미래 실험의 결과를 예측하려는 시도는 독단적인 믿음이 아니라 이 가설에 대한 공개 테스트이며 가설 반대자들에 대한 공개적인 도전입니다. 다시 말해, 과학적 가설은 아직 수행되지 않은 실험의 결과를 예측하려고 하기 때문에 항상 "위험"하고, 따라서 실험이 예상대로 진행되지 않으면 반증될 수 있습니다. 따라서 가설이 반복된 실험의 결과를 정확하게 예측한다면 그것은 반증됩니다.

양자역학은 처음에는 가설로, 다음으로는 이론으로 실험 결과를 예측하는 데 매우 성공적임이 입증되어 높은 수준의 과학적 신뢰성을 얻었습니다. 많은 과학자들은 이것이 불완전한 이론이라고 믿을 만한 이유가 있습니다. 그 예측은 거시적인 것보다 미시물리적 규모에서 더 사실이기 때문이지만 그럼에도 불구하고 입자와 원자의 상호 작용을 설명하고 예측하는 데는 매우 유용한 이론입니다.

이 장에서 보았듯이 양자 물리학은 다양한 현상을 설명하고 예측하는 데 필수적입니다. 다음 섹션에서는 반도체를 포함한 고체의 전기 전도도에서 그 중요성을 볼 것입니다. 간단히 말해서, 화학이나 고체 물리학의 어떤 것도 미니어처 위성처럼 원자의 핵 주위를 도는 개별 물질 입자로 존재하는 전자의 대중적인 이론 구조에서 의미가 없습니다. 전자를 규칙적이고 주기적인 특정 불연속 상태에 존재하는 "파동 함수"로 볼 때 물질의 거동을 설명할 수 있습니다.

합산

원자의 전자는 확률 분포의 "구름"에 존재하며 일반적인 예에서 볼 수 있듯이 소형 위성처럼 핵 주위를 회전하는 개별 물질 입자가 아닙니다.

원자핵 주위의 개별 전자는 4개의 양자수로 설명되는 고유한 "상태"를 나타내는 경향이 있습니다. 주(방사형) 양자수, 로 알려진 껍데기; 궤도(방위각) 양자수, 로 알려진 서브쉘; 자기양자수설명 궤도 함수(서브쉘 방향); 그리고 스핀 양자수, 또는 단순히 회전. 이러한 상태는 양자입니다. 즉 "그들 사이"에는 양자 번호 매기기 체계에 맞는 상태를 제외하고는 전자의 존재 조건이 없습니다.

글라노(방사형) 양자수(n)전자가 있는 기본 수준 또는 껍질을 설명합니다. 이 숫자가 클수록 원자핵에서 전자구름의 반경이 커지고 전자의 에너지가 커집니다. 주요 양자 수는 정수(양의 정수)입니다.

궤도(방위각) 양자수(l)특정 껍질이나 수준에서 전자 구름의 모양을 설명하며 종종 "하위 껍질"로 알려져 있습니다. 모든 껍질에는 껍질의 주요 양자 수만큼 많은 하위 껍질(전자 구름 형태)이 있습니다. 방위각 양자 수는 0에서 시작하여 주 양자 수보다 1(n - 1) 작은 수로 끝나는 양의 정수입니다.

자기양자수(m l)서브쉘(전자 구름 모양)의 방향을 설명합니다. 하위 껍질은 하위 껍질 번호 (l) + 1, (2l+1)(즉, l=1의 경우 m l = -1, 0, 1)의 두 배만큼 다양한 방향을 가질 수 있으며 각각의 고유한 방향을 궤도라고 합니다. . 이 숫자는 서브쉘 번호(l)의 음수 값에서 시작하여 0까지의 정수이며 서브쉘 번호의 양수 값으로 끝나는 정수입니다.

스핀 양자수(ms)전자의 또 다른 속성을 설명하고 +1/2 및 -1/2 값을 취할 수 있습니다.

파울리 배제 원칙원자에 있는 두 개의 전자는 동일한 양자수 집합을 공유할 수 없다고 말합니다. 따라서 각 오비탈에는 최대 2개의 전자(스핀=1/2 및 스핀=-1/2), 각 하위 껍질에 2l+1개의 오비탈, 각 껍질에 n개의 하위 껍질이 있을 수 있으며 그 이상은 없습니다.

분광 표기법원자의 전자 구조에 대한 규칙입니다. 껍질은 정수로 표시되며 각 하위 껍질에서 발견된 총 전자 수를 나타내는 위 첨자 번호와 함께 하위 껍질 문자(s, p, d, f)가 뒤따릅니다.

원자의 화학적 거동은 채워지지 않은 껍질의 전자에 의해서만 결정됩니다. 완전히 채워진 낮은 수준의 껍질은 요소의 화학적 결합 특성에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않습니다.

완전히 채워진 전자 껍질을 가진 요소는 거의 완전히 불활성이며 고귀한요소(이전에는 불활성으로 알려짐).