Kvantinės fizikos esmė. Kvantinės fizikos pagrindai penkiuose „manekenų“ eksperimentuose

Fizika yra paslaptingiausias iš visų mokslų. Fizika suteikia mums supratimą apie mus supantį pasaulį. Fizikos dėsniai yra absoliutūs ir galioja visiems be išimties, nepriklausomai nuo asmens ir socialinės padėties.

Šis straipsnis skirtas vyresniems nei 18 metų asmenims.

Ar tau jau 18 metų?

Pagrindiniai kvantinės fizikos atradimai

Izaokas Niutonas, Nikola Tesla, Albertas Einšteinas ir daugelis kitų yra didieji žmonijos vedliai nuostabiame fizikos pasaulyje, kurie, kaip pranašai, atskleidė žmonijai didžiausias visatos paslaptis ir gebėjimą valdyti fizinius reiškinius. Jų šviesios galvos perrėžė neprotingos daugumos nežinios tamsą ir tarsi kelrodė žvaigždė rodė kelią žmonijai nakties tamsoje. Vienas iš šių laidininkų fizikos pasaulyje buvo Maxas Planckas, kvantinės fizikos tėvas.

Maxas Planckas yra ne tik kvantinės fizikos įkūrėjas, bet ir visame pasaulyje žinomos kvantinės teorijos autorius. Kvantinė teorija yra svarbiausias kvantinės fizikos komponentas. Paprastai tariant, ši teorija apibūdina mikrodalelių judėjimą, elgesį ir sąveiką. Kvantinės fizikos pradininkas mums atnešė ir daug kitų mokslinių darbų, tapusių kertiniais šiuolaikinės fizikos akmenimis:

• šiluminės spinduliuotės teorija;
• specialioji reliatyvumo teorija;
• termodinamikos srities tyrimai;
• tyrimai optikos srityje.

Kvantinės fizikos teorija apie mikrodalelių elgesį ir sąveiką tapo kondensuotųjų medžiagų fizikos, elementariųjų dalelių fizikos ir didelės energijos fizikos pagrindu. Kvantinė teorija mums paaiškina daugelio mūsų pasaulio reiškinių esmę – nuo ​​elektroninių kompiuterių veikimo iki dangaus kūnų sandaros ir elgesio. Šios teorijos kūrėjas Maxas Planckas savo atradimo dėka leido suvokti daugelio dalykų tikrąją esmę elementariųjų dalelių lygmenyje. Tačiau šios teorijos sukūrimas toli gražu nėra vienintelis mokslininko nuopelnas. Jis pirmasis atrado pagrindinį visatos dėsnį – energijos tvermės dėsnį. Maxo Plancko indėlį į mokslą sunku pervertinti. Trumpai tariant, jo atradimai neįkainojami fizikai, chemijai, istorijai, metodikai ir filosofijai.

kvantinio lauko teorija

Trumpai tariant, kvantinio lauko teorija yra mikrodalelių, taip pat jų elgesio erdvėje, tarpusavio sąveikos ir abipusių transformacijų aprašymo teorija. Ši teorija tiria kvantinių sistemų elgesį vadinamuosiuose laisvės laipsniuose. Šis gražus ir romantiškas vardas daugeliui iš mūsų nieko nesako. Manekenams laisvės laipsniai yra nepriklausomų koordinačių, reikalingų mechaninės sistemos judėjimui nurodyti, skaičius. Paprastais žodžiais tariant, laisvės laipsniai yra judėjimo charakteristikos. Įdomių atradimų elementariųjų dalelių sąveikos srityje padarė Stevenas Weinbergas. Jis atrado vadinamąją neutralią srovę – kvarkų ir leptonų sąveikos principą, už kurį 1979 metais gavo Nobelio premiją.

Maxo Plancko kvantinė teorija

Devintajame XVIII amžiaus dešimtmetyje vokiečių fizikas Maksas Plankas ėmėsi šiluminės spinduliuotės tyrimo ir galiausiai gavo energijos paskirstymo formulę. Kvantinė hipotezė, gimusi šių tyrimų metu, žymėjo kvantinės fizikos, taip pat kvantinio lauko teorijos, atrastos 1900 m., pradžią. Planko kvantinė teorija teigia, kad šiluminės spinduliuotės metu pagaminta energija išspinduliuojama ir sugeriama ne nuolat, o epizodiškai, kvantiškai. Dėl šio Maxo Plancko atradimo 1900-ieji tapo kvantinės mechanikos gimimo metais. Taip pat verta paminėti Plancko formulę. Trumpai tariant, jo esmė tokia – ji pagrįsta kūno temperatūros ir jo spinduliavimo santykiu.

Kvantinė-mechaninė atomo sandaros teorija

Kvantinė mechaninė atomo sandaros teorija yra viena iš pagrindinių kvantinės fizikos ir apskritai fizikos sąvokų teorijų. Ši teorija leidžia suprasti visko, kas materialu, struktūrą ir atveria paslapties šydą, iš ko iš tikrųjų viskas susideda. O šios teorijos pagrindu padarytos išvados labai netikėtos. Trumpai apsvarstykite atomo struktūrą. Taigi iš ko iš tikrųjų sudarytas atomas? Atomas susideda iš branduolio ir elektronų debesies. Atomo pagrinde, jo branduolyje yra beveik visa paties atomo masė – daugiau nei 99 proc. Branduolys visada turi teigiamą krūvį ir nustato cheminį elementą, kurio dalis yra atomas. Įdomiausia atomo branduolyje yra tai, kad jame yra beveik visa atomo masė, bet tuo pačiu jis užima tik vieną dešimtį tūkstantąją jo tūrio. Kas iš to seka? Ir išvada labai netikėta. Tai reiškia, kad tanki medžiaga atome yra tik viena dešimtoji tūkstantoji dalis. O kaip dėl viso kito? Visa kita atome yra elektronų debesys.

Elektronų debesis nėra nuolatinė ir net, tiesą sakant, ne materiali medžiaga. Elektronų debesis yra tik elektronų atsiradimo atome tikimybė. Tai yra, branduolys atome užima tik vieną dešimtąją tūkstantąją dalį, o visa kita yra tuštuma. Ir jei atsižvelgsime į tai, kad visi mus supantys objektai – nuo ​​dulkių dalelių iki dangaus kūnų, planetų ir žvaigždžių – susideda iš atomų, paaiškėtų, kad visa, kas medžiaga, iš tikrųjų susideda iš daugiau nei 99 procentų tuštumos. Ši teorija atrodo visiškai neįtikėtina, o jos autorius bent jau apkvaitęs žmogus, nes aplink esantys daiktai yra vientisos konsistencijos, turi svorio ir jaučiami. Kaip tai gali būti tuštuma? Ar į šią materijos sandaros teoriją įsivėlė klaida? Bet čia nėra jokios klaidos.

Visi materialūs dalykai atrodo tankūs tik dėl atomų sąveikos. Daiktai turi vientisą ir tankią konsistenciją tik dėl traukos ar atstūmimo tarp atomų. Tai užtikrina cheminių medžiagų kristalinės gardelės, iš kurios susideda visa medžiaga, tankį ir kietumą. Tačiau įdomus momentas, kai, pavyzdžiui, keičiasi aplinkos temperatūros sąlygos, gali susilpnėti ryšiai tarp atomų, tai yra jų trauka ir atstūmimas, o tai lemia kristalinės gardelės susilpnėjimą ir net jos sunaikinimą. Tai paaiškina medžiagų fizikinių savybių pasikeitimą kaitinant. Pavyzdžiui, kaitinant geležį, ji tampa skysta ir gali būti bet kokios formos. O kai ledas tirpsta, kristalinės gardelės sunaikinimas lemia medžiagos būsenos pasikeitimą, ir ji iš kietos tampa skysta. Tai yra aiškūs ryšių tarp atomų susilpnėjimo ir dėl to kristalinės gardelės susilpnėjimo arba sunaikinimo pavyzdžiai, leidžiantys medžiagai tapti amorfine. O tokių paslaptingų metamorfozių priežastis yra būtent ta, kad medžiagos iš tankios medžiagos susideda tik viena dešimtadaliu, o visa kita yra tuštuma.

O medžiagos atrodo kietos tik dėl stiprių ryšių tarp atomų, kuriems susilpnėjus, medžiaga kinta. Taigi, kvantinė atomo sandaros teorija leidžia visiškai kitaip pažvelgti į mus supantį pasaulį.

Atomo teorijos pradininkas Nielsas Bohras iškėlė įdomią koncepciją, kad atome esantys elektronai energiją spinduliuoja ne nuolat, o tik perėjimo tarp jų judėjimo trajektorijų momentu. Bohro teorija padėjo paaiškinti daugelį intraatominių procesų, taip pat padarė proveržį chemijos moksle, paaiškindama Mendelejevo sukurtos lentelės ribą. Pagal , paskutinio elemento, galinčio egzistuoti laike ir erdvėje, eilės numeris yra šimtas trisdešimt septyni, o elementų, prasidedančių nuo šimto trisdešimt aštuntojo, negali egzistuoti, nes jų egzistavimas prieštarauja reliatyvumo teorijai. Taip pat Bohro teorija paaiškino tokio fizinio reiškinio, kaip atomų spektrai, prigimtį.

Tai yra laisvųjų atomų sąveikos spektrai, atsirandantys, kai tarp jų išsiskiria energija. Tokie reiškiniai būdingi dujinėms, garinėms ir plazminės būsenos medžiagoms. Taigi kvantinė teorija padarė revoliuciją fizikos pasaulyje ir leido mokslininkams žengti į priekį ne tik šio mokslo, bet ir daugelio susijusių mokslų srityse: chemijos, termodinamikos, optikos ir filosofijos. Ir taip pat leido žmonijai įsiskverbti į daiktų prigimties paslaptis.

Žmonija dar turi daug ką nuveikti savo sąmonėje, kad suvoktų atomų prigimtį, suprastų jų elgesio ir sąveikos principus. Tai supratę, galėsime suprasti mus supančio pasaulio prigimtį, nes viskas, kas mus supa, pradedant dulkių dalelėmis ir baigiant pačia saule, o mes patys - viskas susideda iš atomų, kurių prigimtis yra paslaptinga. ir nuostabus bei kupinas daug paslapčių.

Sveiki mieli skaitytojai. Jei nenorite atsilikti nuo gyvenimo, norite tapti tikrai laimingu ir sveiku žmogumi, turėtumėte žinoti apie kvantinės šiuolaikinės fizikos paslaptis, bent šiek tiek suvokti, į kokias visatos gelmes šiandien iškasė mokslininkai. Jūs neturite laiko gilintis į gilias mokslines detales, bet norite suvokti tik esmę, o pamatyti nežinomo pasaulio grožį, tada šis straipsnis: kvantinė fizika paprastiems manekenams arba, galima sakyti, namų šeimininkėms, yra tiesiog tau. Pabandysiu paaiškinti, kas yra kvantinė fizika, bet paprastais žodžiais, aiškiai parodyti.

„Koks ryšys tarp laimės, sveikatos ir kvantinės fizikos?“ – klausiate.

Faktas yra tai, kad jis padeda atsakyti į daugelį nesuprantamų klausimų, susijusių su žmogaus sąmone, sąmonės įtaka kūnui. Deja, medicina, pasikliaudama klasikine fizika, ne visada padeda mums būti sveikiems. Ir psichologija negali tinkamai pasakyti, kaip rasti laimę.

Tik gilesnis pasaulio pažinimas padės suprasti, kaip iš tikrųjų susidoroti su liga ir kur gyvena laimė. Šios žinios randamos giliuose Visatos sluoksniuose. Kvantinė fizika ateina į pagalbą. Greitai tu viską sužinosi.

Ką paprastais žodžiais tiria kvantinė fizika

Taip, iš tiesų, kvantinę fiziką labai sunku suprasti, nes ji tiria mikropasaulio dėsnius. Tai yra pasaulis savo gilesniuose sluoksniuose, labai mažais atstumais, kur žmogui labai sunku žiūrėti.

O pasaulis, pasirodo, ten elgiasi labai keistai, paslaptingai ir nesuprantamai, ne taip, kaip esame įpratę.

Taigi visas kvantinės fizikos sudėtingumas ir nesusipratimas.

Tačiau perskaitę šį straipsnį praplėsite savo žinių akiratį ir pažvelgsite į pasaulį visai kitaip.

Trumpai apie kvantinės fizikos istoriją

Viskas prasidėjo XX amžiaus pradžioje, kai Niutono fizika negalėjo paaiškinti daugelio dalykų ir mokslininkai atsidūrė aklavietėje. Tada Maxas Planckas pristatė kvanto sąvoką. Albertas Einšteinas ėmėsi šios idėjos ir įrodė, kad šviesa sklinda ne nuolat, o dalimis – kvantais (fotonais). Prieš tai buvo manoma, kad šviesa turi banginį pobūdį.

Bet kaip vėliau paaiškėjo, bet kuri elementarioji dalelė yra ne tik kvantinė, tai yra kietoji dalelė, bet ir banga. Taip kvantinėje fizikoje atsirado korpuskulinės bangos dualizmas, pirmasis paradoksas ir paslaptingų mikropasaulio reiškinių atradimų pradžia.

Įdomiausi paradoksai prasidėjo, kai buvo atliktas garsusis dvigubo plyšio eksperimentas, po kurio paslapčių tapo daug daugiau. Galima sakyti, kad kvantinė fizika prasidėjo nuo jo. Pažvelkime į tai.

Dvigubo plyšio eksperimentas kvantinėje fizikoje

Įsivaizduokite plokštę su dviem vertikalių juostelių formos plyšiais. Už šios plokštės pastatysime ekraną. Jei nukreipsime šviesą į plokštę, ekrane pamatysime trukdžių modelį. Tai yra, kintamos tamsios ir ryškios vertikalios juostelės. Trikdžiai yra kažko, mūsų atveju šviesos, bangos elgsenos rezultatas.

Jei perleisite vandens bangą per dvi vienas šalia kito esančias skyles, suprasite, kas yra trukdžiai. Tai reiškia, kad šviesa yra tarsi banginė. Tačiau, kaip įrodė fizika, tiksliau Einšteinas, jis plinta fotonų dalelėmis. Jau paradoksas. Bet viskas gerai, korpuskulinės bangos dualizmas mūsų nebestebins. Kvantinė fizika mums sako, kad šviesa elgiasi kaip banga, bet yra sudaryta iš fotonų. Tačiau stebuklai tik prasideda.

Priešais lėkštę su dviem plyšiais pastatykime ginklą, kuris skleis ne šviesą, o elektronus. Pradėkime šaudyti elektronus. Ką pamatysime ekrane už lėkštės?

Juk elektronai yra dalelės, o tai reiškia, kad elektronų srautas, eidamas per du plyšius, ekrane turėtų palikti tik dvi juosteles, du pėdsakus priešais plyšius. Ar įsivaizdavote, kad akmenukai praskrieja per du plyšius ir atsitrenkia į ekraną?

Bet ką mes iš tikrųjų matome? Visiems tas pats trukdžių modelis. Kokia išvada: elektronai sklinda bangomis. Taigi elektronai yra bangos. Bet juk tai elementari dalelė. Vėl korpuskulinės bangos dualizmas fizikoje.

Tačiau galime manyti, kad gilesniame lygyje elektronas yra dalelė, o kai šios dalelės susijungia, jos pradeda elgtis kaip bangos. Pavyzdžiui, jūros banga yra banga, tačiau ją sudaro vandens lašeliai, o mažesniame lygyje – molekulės, o vėliau – atomai. Gerai, logika tvirta.

Tada šaudykime iš ginklo ne elektronų srautu, o elektronus paleiskime atskirai, po tam tikro laiko. Tarsi pro plyšius eitume ne jūros banga, o spjaudytume pavienius lašus iš vaikiško vandens šautuvo.

Gana logiška, kad tokiu atveju skirtingi vandens lašai nukristų į skirtingus plyšius. Už plokštės esančiame ekrane matėsi ne bangos trukdžių raštas, o du skirtingi smūgio pakraščiai priešais kiekvieną plyšį. Tą patį pamatysime, jei mestume mažus akmenėlius, jie, praskrisdami pro du plyšius, paliktų pėdsaką, tarsi šešėlį iš dviejų skylių. Dabar nušaukime atskirus elektronus, kad pamatytume šias dvi juosteles ekrane nuo elektronų smūgių. Vieną paleido, laukė, antrą, laukė ir t.t. Tokį eksperimentą pavyko atlikti kvantiniams fizikai.

Bet siaubas. Vietoj šių dviejų pakraščių gaunami vienodi kelių pakraščių interferenciniai kaitai. Kaip tai? Taip gali nutikti, jei elektronas vienu metu praskrieja per du plyšius, bet už plokštės, kaip banga, atsitrenkia į save ir trukdo. Bet taip negali būti, nes dalelė negali būti dviejose vietose vienu metu. Jis skrenda per pirmąjį lizdą arba per antrąjį.

Čia prasideda tikrai fantastiški kvantinės fizikos dalykai.

Superpozicija kvantinėje fizikoje

Atlikę gilesnę analizę, mokslininkai išsiaiškina, kad bet kuri elementari kvantinė dalelė arba ta pati šviesa (fotonas) iš tikrųjų gali būti keliose vietose vienu metu. Ir tai ne stebuklai, o tikri mikrokosmoso faktai. Taip sako kvantinė fizika. Štai kodėl šaudydami į atskirą dalelę iš patrankos matome trukdžių rezultatą. Už plokštės elektronas susiduria su savimi ir sukuria interferencijos modelį.

Paprasti makrokosmoso objektai visada yra vienoje vietoje, turi vieną būseną. Pavyzdžiui, dabar sėdite ant kėdės, sveriate, tarkime, 50 kg, pulso dažnis yra 60 dūžių per minutę. Žinoma, šios indikacijos keisis, tačiau po kurio laiko jos pasikeis. Juk negali būti namuose ir darbe vienu metu, sveriantis 50 ir 100 kg. Visa tai suprantama, tai yra sveikas protas.

Mikrokosmoso fizikoje viskas yra kitaip.

Kvantinė mechanika teigia, ir tai jau buvo patvirtinta eksperimentiškai, kad bet kuri elementarioji dalelė vienu metu gali būti ne tik keliuose erdvės taškuose, bet ir turėti kelias būsenas vienu metu, pavyzdžiui, suktis.

Visa tai netelpa į galvą, griauna įprastą pasaulio idėją, senuosius fizikos dėsnius, apverčia mąstymą, galima drąsiai sakyti, veda iš proto.

Taip kvantinėje mechanikoje suprantame terminą „superpozicija“.

Superpozicija reiškia, kad mikrokosmoso objektas vienu metu gali būti skirtinguose erdvės taškuose ir vienu metu turėti kelias būsenas. Ir tai yra normalu elementarioms dalelėms. Toks yra mikropasaulio dėsnis, kad ir kaip keistai ir fantastiškai jis atrodytų.

Nustembate, bet tai tik gėlės, nepaaiškinami kvantinės fizikos stebuklai, paslaptys ir paradoksai dar laukia.

Bangos funkcijos žlugimas fizikoje paprastais žodžiais

Tada mokslininkai nusprendė išsiaiškinti ir tiksliau pažiūrėti, ar elektronas tikrai prasiskverbia pro abu plyšius. Staiga jis praeina per vieną plyšį, o tada kažkaip atsiskiria ir, eidamas pro jį, sukuria trukdžių modelį. Na, niekada nežinai. Tai yra, šalia plyšio reikia pastatyti kokį nors įrenginį, kuris tiksliai fiksuotų elektrono praėjimą pro jį. Ne anksčiau pasakyta, nei padaryta. Žinoma, tai sunku įgyvendinti, norint pamatyti elektrono praėjimą, reikia ne įrenginio, o kažko kito. Tačiau mokslininkai tai padarė.

Tačiau galiausiai rezultatas visus pribloškė.

Kai tik pradedame žiūrėti, pro kurį plyšį praeina elektronas, jis pradeda elgtis ne kaip banga, ne kaip keista medžiaga, kuri vienu metu yra skirtinguose erdvės taškuose, o kaip įprasta dalelė. Tai yra, jis pradeda rodyti specifines kvanto savybes: jis yra tik vienoje vietoje, eina per vieną plyšį, turi vieną sukimosi reikšmę. Tai ne trukdžių modelis, kuris pasirodo ekrane, o paprastas pėdsakas priešais plyšį.

Bet kaip tai įmanoma. Tarsi elektronas juokauja, žaidžia su mumis. Iš pradžių ji elgiasi kaip banga, o po to, kai nusprendėme pažvelgti į jos praėjimą pro plyšį, ji pasižymi kietosios dalelės savybėmis ir praeina tik per vieną plyšį. Bet taip yra mikrokosme. Tai yra kvantinės fizikos dėsniai.

Mokslininkai įžvelgė dar vieną paslaptingą elementariųjų dalelių savybę. Taip kvantinėje fizikoje atsirado banginės funkcijos neapibrėžtumo ir žlugimo sąvokos.

Kai elektronas skrenda link tarpo, jis yra neapibrėžtoje būsenoje arba, kaip minėjome aukščiau, superpozicijoje. Tai yra, jis elgiasi kaip banga, vienu metu yra skirtinguose erdvės taškuose, turi dvi sukimosi reikšmes (sukinys turi tik dvi reikšmes). Jei mes jo neliestume, nebandytume žiūrėti, tiksliai nesužinotų, kur jis yra, jei neišmatuotume jo sukimosi vertės, jis kaip banga praskris per du plyšius. tuo pačiu metu, o tai reiškia, kad tai sukurs trukdžių modelį. Kvantinė fizika aprašo jos trajektoriją ir parametrus naudodama bangų funkciją.

Atlikus matavimą (o išmatuoti mikropasaulio dalelę galima tik su ja sąveikaujant, pavyzdžiui, susidūrus su ja kita dalele), tada banginė funkcija žlunga.

Tai yra, dabar elektronas yra tiksliai vienoje erdvės vietoje, turi vieną sukimosi reikšmę.

Galima sakyti, kad elementarioji dalelė yra kaip vaiduoklis, atrodo, kad ji egzistuoja, bet tuo pačiu ji nėra vienoje vietoje ir su tam tikra tikimybe gali būti bet kur banginės funkcijos aprašyme. Tačiau kai tik pradedame su juo susisiekti, jis iš vaiduokliško objekto virsta tikra apčiuopiama substancija, kuri elgiasi kaip įprasti mums pažįstami klasikinio pasaulio objektai.

„Tai fantastiška“, – sakote jūs. Žinoma, bet kvantinės fizikos stebuklai tik prasideda. Pats neįtikėtiniausias dar laukia. Tačiau pailsėkime nuo informacijos gausos ir grįžkime prie kvantinių nuotykių kitą kartą, kitame straipsnyje. Tuo tarpu apmąstykite tai, ko išmokote šiandien. Prie ko tokie stebuklai gali privesti? Juk jie mus supa, tai mūsų pasaulio savybė, nors ir gilesniame lygmenyje. Ar vis dar manome, kad gyvename nuobodžiame pasaulyje? Bet išvadas padarysime vėliau.

Apie kvantinės fizikos pagrindus bandžiau kalbėti trumpai ir aiškiai.

Bet jei ko nesupranti, tai pažiūrėk šį animacinį filmuką apie kvantinę fiziką, apie eksperimentą su dviem plyšiais, ten taip pat viskas papasakota suprantama, paprasta kalba.

Animacinis filmas apie kvantinę fiziką:

Arba galite pažiūrėti šį vaizdo įrašą, viskas stos į savo vietas, kvantinė fizika yra labai įdomi.

Vaizdo įrašas apie kvantinę fiziką:

Kaip anksčiau apie tai nežinojote?

Šiuolaikiniai kvantinės fizikos atradimai keičia mums pažįstamą materialų pasaulį.

Sveiki atvykę į tinklaraštį! labai dziaugiuosi uz jus!

Tikrai ne kartą girdėjote apie nepaaiškinamas kvantinės fizikos ir kvantinės mechanikos paslaptis. Jos dėsniai žavi mistika, ir net patys fizikai pripažįsta, kad iki galo jų nesupranta. Viena vertus, smalsu suprasti šiuos dėsnius, bet, kita vertus, nėra laiko skaityti daugiatomes ir sudėtingas fizikos knygas. Aš tave labai suprantu, nes man taip pat patinka žinios ir tiesos ieškojimas, bet visoms knygoms laiko labai neužtenka. Jūs nesate vieni, daug smalsuolių į paieškos eilutę įrašo: „kvantinė fizika manekenams, kvantinė mechanika manekenams, kvantinė fizika pradedantiesiems, kvantinė mechanika pradedantiesiems, kvantinės fizikos pagrindai, kvantinės mechanikos pagrindai, kvantinė fizika vaikams, kas yra kvantinė mechanika“. Šis įrašas skirtas jums.

Suprasite pagrindines kvantinės fizikos sąvokas ir paradoksus. Iš straipsnio sužinosite:

• Kas yra trukdžiai?
• Kas yra sukimasis ir superpozicija?
• Kas yra „matavimas“ arba „bangos funkcijos žlugimas“?
• Kas yra kvantinis įsipainiojimas (arba kvantinė teleportacija manekenams)? (žr. straipsnį)
• Kas yra Šriodingerio katės minties eksperimentas? (žr. straipsnį)

Kas yra kvantinė fizika ir kvantinė mechanika?

Kvantinė mechanika yra kvantinės fizikos dalis.

Kodėl taip sunku suprasti šiuos mokslus? Atsakymas paprastas: kvantinė fizika ir kvantinė mechanika (kvantinės fizikos dalis) tiria mikropasaulio dėsnius. Ir šie dėsniai visiškai skiriasi nuo mūsų makrokosmoso dėsnių. Todėl mums sunku įsivaizduoti, kas vyksta su elektronais ir fotonais mikrokosmose.

Makro- ir mikropasaulių dėsnių skirtumo pavyzdys: mūsų makrokosme, jei į vieną iš 2 dėžių įdėsite kamuolį, tada viena iš jų bus tuščia, o kita - rutulys. Tačiau mikrokosme (jei vietoj rutulio – atomas) atomas vienu metu gali būti dviejose dėžėse. Tai ne kartą buvo patvirtinta eksperimentiškai. Ar nesunku tai įsimesti į galvą? Bet jūs negalite ginčytis su faktais.

Dar vienas pavyzdys. Fotografavote greitą lenktyninį raudoną sportinį automobilį ir nuotraukoje matėte neryškią horizontalią juostą, tarsi automobilis nuotraukos metu būtų iš kelių erdvės taškų. Nepaisant to, ką matote nuotraukoje, vis tiek esate tikri, kad automobilis buvo tuo metu, kai jį fotografavote. vienoje konkrečioje erdvės vietoje. Ne taip mikro pasaulyje. Aplink atomo branduolį besisukantis elektronas iš tikrųjų nesisuka, o esančių vienu metu visuose sferos taškuose aplink atomo branduolį. Kaip laisvai suvyniotas pūkuotos vilnos kamuolys. Ši sąvoka fizikoje vadinama "elektroninis debesis" .

Mažas nukrypimas į istoriją. Pirmą kartą mokslininkai susimąstė apie kvantinį pasaulį, kai 1900 metais vokiečių fizikas Maksas Plankas bandė išsiaiškinti, kodėl kaitinant metalai keičia spalvą. Būtent jis pristatė kvanto sąvoką. Prieš tai mokslininkai manė, kad šviesa keliauja nuolat. Pirmasis žmogus, rimtai įvertinęs Plancko atradimą, buvo tuomet dar nežinomas Albertas Einšteinas. Jis suprato, kad šviesa nėra tik banga. Kartais jis elgiasi kaip dalelė. Einšteinas gavo Nobelio premiją už atradimą, kad šviesa išspinduliuojama dalimis, kvantais. Šviesos kvantas vadinamas fotonu ( fotonas, Vikipedija) .

Kad būtų lengviau suprasti kvantinius dėsnius fizika Ir mechanika (Wikipedia), tam tikra prasme būtina abstrahuotis nuo mums žinomų klasikinės fizikos dėsnių. Ir įsivaizduokite, kad jūs, kaip Alisa, nėrėte į triušio duobę, į Stebuklų šalį.

O štai animacinis filmas vaikams ir suaugusiems. Kalba apie fundamentalų kvantinės mechanikos eksperimentą su 2 plyšiais ir stebėtoju. Trunka tik 5 minutes. Peržiūrėkite jį prieš gilindamiesi į pagrindinius kvantinės fizikos klausimus ir sąvokas.

Kvantinė fizika manekenams vaizdo įrašas. Animaciniame filme atkreipkite dėmesį į stebėtojo „akį“. Fizikams tai tapo rimta paslaptimi.

Kas yra trukdžiai?

Animacinio filmo pradžioje, naudojant skysčio pavyzdį, buvo parodyta, kaip elgiasi bangos – ekrane už lėkštės su plyšiais atsiranda pakaitomis tamsios ir šviesios vertikalios juostelės. O tuo atveju, kai į plokštelę „šaunamos“ atskiros dalelės (pavyzdžiui, akmenukai), jos praskrenda per 2 plyšius ir atsitrenkia į ekraną tiesiai priešais plyšius. O ekrane „nupieškite“ tik 2 vertikalias juosteles.

Šviesos trukdžiai– Tai šviesos „bangavimo“ elgesys, kai ekrane rodoma daug kintančių ryškių ir tamsių vertikalių juostų. Ir tos vertikalios juostelės vadinamas trukdžių modeliu.

Savo makrokosme dažnai pastebime, kad šviesa elgiasi kaip banga. Jei padėsite ranką prieš žvakę, tada ant sienos bus ne aiškus šešėlis nuo rankos, o neryškūs kontūrai.

Taigi, tai nėra taip sunku! Dabar mums visiškai aišku, kad šviesa turi banginį pobūdį ir jei šviesa apšviečiami 2 plyšiai, tai už jų esančiame ekrane matysime interferencinį raštą. Dabar apsvarstykite antrąjį eksperimentą. Tai garsusis Stern-Gerlach eksperimentas (kuris buvo atliktas praėjusio amžiaus 20-aisiais).

Animaciniame filme aprašytoje instaliacijoje jie ne šviečia šviesa, o „šovė“ elektronais (kaip atskiromis dalelėmis). Tada, praėjusio amžiaus pradžioje, viso pasaulio fizikai manė, kad elektronai yra elementarios materijos dalelės ir turi būti ne banginės, o tokios pat kaip akmenukai. Juk elektronai yra elementarios materijos dalelės, tiesa? Tai yra, jei jie yra „įmesti“ į 2 plyšius, kaip akmenukai, tada ekrane už lizdų turėtume matyti 2 vertikalias juosteles.

Bet... Rezultatas buvo stulbinantis. Mokslininkai pamatė trukdžių modelį – daug vertikalių juostelių. Tai yra, elektronai, kaip ir šviesa, taip pat gali turėti banginį pobūdį, jie gali trukdyti. Kita vertus, paaiškėjo, kad šviesa yra ne tik banga, bet ir dalelė – fotonas (iš istorinio fono straipsnio pradžioje sužinojome, kad už šį atradimą Einšteinas gavo Nobelio premiją).

Galbūt prisimenate, kad mokykloje mums fizikoje buvo pasakojama apie „dalelių ir bangų dualizmas“? Tai reiškia, kad kalbant apie labai mažas mikropasaulio daleles (atomus, elektronus), tada jie yra ir bangos, ir dalelės

Būtent šiandien jūs ir aš esame tokie protingi ir suprantame, kad 2 aukščiau aprašyti eksperimentai – elektronų šaudymas ir plyšių apšvietimas šviesa – yra vienas ir tas pats. Nes mes paleidžiame kvantines daleles į plyšius. Dabar žinome, kad tiek šviesa, tiek elektronai yra kvantinės prigimties, jie yra ir bangos, ir dalelės vienu metu. O XX amžiaus pradžioje šio eksperimento rezultatai buvo sensacija.

Dėmesio! Dabar pereikime prie subtilesnio klausimo.

Ant savo plyšių šviečiame fotonų (elektronų) srautu – ir už ekrano plyšių matome trukdžių raštą (vertikalias juosteles). Aišku. Tačiau mums įdomu pamatyti, kaip kiekvienas elektronas praskrenda pro plyšį.

Tikėtina, kad vienas elektronas skrenda į kairįjį plyšį, kitas – į dešinę. Bet tada ekrane turėtų atsirasti 2 vertikalios juostelės, esančios tiesiai priešais lizdus. Kodėl gaunamas trukdžių modelis? Galbūt elektronai kažkaip sąveikauja tarpusavyje jau ekrane, praskrieję pro plyšius. Ir rezultatas yra toks bangų raštas. Kaip mes galime tai sekti?

Elektronus messime ne į spindulį, o po vieną. Numesk, palauk, numesk kitą. Dabar, kai elektronas skrenda vienas, jis nebegalės sąveikauti ekrane su kitais elektronais. Kiekvieną elektroną po metimo užregistruosime ekrane. Vienas ar du, aišku, mums aiškaus paveikslo „nepieš“. Bet kai po vieną jų daug siunčiame į lizdus, ​​pastebėsime... o siaube - jie vėl „nupiešė“ trukdžių bangos modelį!

Mes pamažu pradedame išprotėti. Juk tikėjomės, kad priešais lizdus bus 2 vertikalios juostos! Pasirodo, kai mes mėtėme fotonus po vieną, kiekvienas iš jų vienu metu tarsi per 2 plyšius praeidavo ir įsiterpė į save. Grožinė literatūra! Prie šio reiškinio paaiškinimo grįšime kitame skyriuje.

Kas yra sukimasis ir superpozicija?

Dabar žinome, kas yra trukdžiai. Tai yra mikrodalelių – fotonų, elektronų, kitų mikrodalelių (paprastumo dėlei nuo šiol pavadinkime jas fotonais) banginis elgesys.

Eksperimento rezultate, kai įmetėme 1 fotoną į 2 plyšius, supratome, kad jis skrenda tarsi per du plyšius vienu metu. Kaip kitaip paaiškinti trukdžių modelį ekrane?

Tačiau kaip įsivaizduoti vaizdą, kuriame fotonas vienu metu praskrieja per du plyšius? Yra 2 variantai.

• 1 variantas: fotonas, kaip banga (kaip vanduo) "plaukia" per 2 plyšius vienu metu
• 2 variantas: fotonas, kaip dalelė, vienu metu skrenda 2 trajektorijomis (net ne dviem, o visomis iš karto)

Iš esmės šie teiginiai yra lygiaverčiai. Priėjome „kelio integralą“. Tai Richardo Feynmano kvantinės mechanikos formuluotė.

Beje, tiksliai Richardas Feynmanas priklauso gerai žinomai posakiui, kad galime drąsiai teigti, kad niekas nesupranta kvantinės mechanikos

Tačiau ši jo išraiška veikė amžiaus pradžioje. Tačiau dabar esame protingi ir žinome, kad fotonas gali elgtis ir kaip dalelė, ir kaip banga. Kad jis kažkaip mums nesuprantamu būdu gali skristi per 2 lizdus vienu metu. Todėl mums bus lengva suprasti šį svarbų kvantinės mechanikos teiginį:

Griežtai kalbant, kvantinė mechanika mums sako, kad toks fotonų elgesys yra taisyklė, o ne išimtis. Bet kuri kvantinė dalelė, kaip taisyklė, yra keliose būsenose arba keliuose erdvės taškuose vienu metu.

Makropasaulio objektai gali būti tik vienoje konkrečioje vietoje ir vienoje konkrečioje būsenoje. Tačiau kvantinė dalelė egzistuoja pagal savo dėsnius. Ir jai nerūpi, kad mes jų nesuprantame. Tai yra esmė.

Belieka tiesiog priimti kaip aksiomą, kad kvantinio objekto „superpozicija“ reiškia, kad jis gali būti 2 ar daugiau trajektorijų vienu metu, 2 ar daugiau taškų vienu metu.

Tas pats pasakytina ir apie kitą fotono parametrą – sukimąsi (savo kampinį momentą). Sukas yra vektorius. Kvantinis objektas gali būti laikomas mikroskopiniu magnetu. Esame įpratę, kad magneto vektorius (sukimas) yra nukreiptas aukštyn arba žemyn. Bet elektronas arba fotonas vėl mums sako: „Vaikinai, mums nesvarbu, prie ko esate įpratę, mes galime būti abiejose sukimosi būsenose vienu metu (vektorius aukštyn, vektorius žemyn), lygiai taip pat, kaip galime eiti 2 trajektorijomis tuo pačiu metu arba 2 taškais tuo pačiu metu!

Kas yra „matavimas“ arba „bangos funkcijos žlugimas“?

Mums belieka šiek tiek – suprasti, kas yra „matavimas“, o kas „banginės funkcijos žlugimas“.

bangos funkcija yra kvantinio objekto (mūsų fotono arba elektrono) būsenos aprašymas.

Tarkime, kad turime elektroną, jis skrenda į save neapibrėžtoje būsenoje jo sukimasis yra nukreiptas ir aukštyn, ir žemyn tuo pačiu metu. Turime išmatuoti jo būklę.

Matuokime naudodami magnetinį lauką: elektronai, kurių sukinys buvo nukreiptas lauko kryptimi, nukryps viena kryptimi, o elektronai, kurių sukinys nukreiptas prieš lauką – kita kryptimi. Fotonai taip pat gali būti siunčiami į poliarizacinį filtrą. Jei fotono sukinys (poliarizacija) yra +1, jis praeina pro filtrą, o jei -1, tai ne.

Sustabdyti! Štai čia neišvengiamai kyla klausimas: prieš matavimą, juk elektronas neturėjo jokios konkrečios sukimosi krypties, ar ne? Ar jis buvo visose valstijose vienu metu?

Tai yra kvantinės mechanikos gudrybė ir pojūtis.. Kol nematuojate kvantinio objekto būsenos, jis gali suktis bet kuria kryptimi (turėti bet kurią savo kampinio momento vektoriaus kryptį – sukimąsi). Tačiau tuo metu, kai išmatavote jo būseną, atrodo, kad jis sprendžia, kurį sukimosi vektorių pasirinkti.

Šis kvantinis objektas yra toks šaunus – jis priima sprendimą dėl savo būsenos. Ir negalime iš anksto numatyti, kokį sprendimą jis priims, kai įskris į magnetinį lauką, kuriame jį matuojame. Tikimybė, kad jis nuspręs turėti sukimosi vektorių „aukštyn“ arba „žemyn“, yra 50–50%. Bet kai tik jis nusprendžia, jis yra tam tikroje būsenoje su konkrečia sukimosi kryptimi. Jo sprendimo priežastis – mūsų „matmenys“!

Tai vadinama " bangos funkcijos žlugimas“. Banginė funkcija prieš matavimą buvo neapibrėžta, t.y. elektronų sukimosi vektorius buvo vienu metu visomis kryptimis, po matavimo elektronas fiksavo tam tikrą savo sukimosi vektoriaus kryptį.

Dėmesio! Puikus pavyzdys-asociacija iš mūsų makrokosmoso, siekiant suprasti:

Sukite monetą ant stalo kaip viršų. Kol moneta sukasi, ji neturi konkrečios reikšmės – galvos ar uodegos. Tačiau kai tik nusprendi „pasimatuoti“ šią vertę ir trinkteli monetą ranka, čia ir gaunama specifinė monetos būsena – galvutės ar uodegos. Dabar įsivaizduokite, kad ši moneta nusprendžia, kokią vertę jums „parodyti“ – galvas ar uodegas. Elektronas elgiasi maždaug taip pat.

Dabar prisiminkite eksperimentą, parodytą animacinio filmo pabaigoje. Kai fotonai buvo praleisti pro plyšius, jie elgėsi kaip banga ir ekrane rodė trukdžių modelį. O kai mokslininkai norėjo fiksuoti (išmatuoti) momentą, kai pro plyšį prasibrovė fotonai ir už ekrano pastatė „stebėtoją“, fotonai pradėjo elgtis ne kaip bangos, o kaip dalelės. Ir ekrane "nupiešė" 2 vertikalias juosteles. Tie. matavimo ar stebėjimo momentu kvantiniai objektai patys pasirenka, kokioje būsenoje jie turi būti.

Grožinė literatūra! Ar ne taip?

Bet tai dar ne viskas. Pagaliau mes pateko į įdomiausią.

Bet... man atrodo, kad bus informacijos perteklius, todėl šias 2 sąvokas panagrinėsime atskiruose įrašuose:

• Kas nutiko ?
• Kas yra minties eksperimentas.

O dabar ar norite, kad informacija būtų dedama į lentynas? Žiūrėkite Kanados teorinės fizikos instituto sukurtą dokumentinį filmą. Per 20 minučių labai trumpai ir chronologine tvarka papasakos apie visus kvantinės fizikos atradimus, pradedant Planko atradimu 1900 m. Ir tada jie jums pasakys, kokie praktiniai pokyčiai šiuo metu vykdomi remiantis kvantinės fizikos žiniomis: nuo tiksliausių atominių laikrodžių iki itin greitų kvantinio kompiuterio skaičiavimų. Labai rekomenduoju pažiūrėti šį filmą.

Iki!

Linkiu įkvėpimo visiems jūsų planams ir projektams!

P.S.2 Savo klausimus ir mintis rašykite komentaruose. Parašyk, kokie dar kvantinės fizikos klausimai tave domina?

P.S.3 Prenumeruoti tinklaraštį – prenumeratos forma po straipsniu.

Iš graikų kalbos „fusis“ kilęs žodis „fizika“. Tai reiškia „gamtą“. Aristotelis, gyvenęs IV amžiuje prieš Kristų, pirmą kartą pristatė šią sąvoką.

Fizika tapo „rusiška“ M.V.Lomonosovo pasiūlymu, kai jis iš vokiečių kalbos išvertė pirmąjį vadovėlį.

mokslo fizika

Fizika yra viena iš pagrindinių.Pasaulyje nuolat vyksta įvairūs procesai, pokyčiai, tai yra reiškiniai.

Pavyzdžiui, šiltoje vietoje esantis ledo gabalas pradės tirpti. O vanduo virdulyje verda ant ugnies. Per laidą pratekėjusi elektros srovė jį sušildys ir net įkais. Kiekvienas iš šių procesų yra reiškinys. Fizikoje tai yra mechaniniai, magnetiniai, elektriniai, garso, šiluminiai ir šviesos pokyčiai, kuriuos tiria mokslas. Jie taip pat vadinami fiziniais reiškiniais. Atsižvelgdami į juos, mokslininkai išveda dėsnius.

Mokslo uždavinys – atrasti šiuos dėsnius ir juos ištirti. Gamtą tiria tokie mokslai kaip biologija, geografija, chemija ir astronomija. Visi jie taiko fizinius dėsnius.

Sąlygos

Be įprastų fizikoje, jie vartoja ir specialius žodžius, vadinamus terminais. Tai yra „energija“ (fizikoje tai yra skirtingų materijos sąveikos ir judėjimo formų, taip pat perėjimo iš vienos į kitą matas), „jėga“ (kitų kūnų ir laukų įtakos intensyvumo matas). ant kūno) ir daugelis kitų. Kai kurie iš jų pamažu įsitraukė į šnekamąją kalbą.

Pavyzdžiui, vartodami žodį „energija“ kasdieniame gyvenime žmogaus atžvilgiu, galime įvertinti jo veiksmų pasekmes, tačiau energija fizikoje yra studijų matas įvairiais būdais.

Visi kūnai fizikoje vadinami fiziniais. Jie turi tūrį ir formą. Jie susideda iš medžiagų, kurios savo ruožtu yra viena iš materijos rūšių - tai viskas, kas egzistuoja Visatoje.

Patirtys

Didžioji dalis to, ką žmonės žino, buvo gauta iš stebėjimų. Norint ištirti reiškinius, jie nuolat stebimi.

Paimkime, pavyzdžiui, įvairius ant žemės krentančius kūnus. Reikia išsiaiškinti, ar šis reiškinys skiriasi, kai krinta nevienodos masės, skirtingo aukščio kūnai ir pan. Laukti ir stebėti skirtingus kūnus būtų labai ilgai ir ne visada pavyktų. Todėl tokiais tikslais atliekami eksperimentai. Jie skiriasi nuo stebėjimų, nes yra specialiai įgyvendinami pagal iš anksto numatytą planą ir turint konkrečius tikslus. Paprastai plane kai kurie spėjimai yra pastatyti iš anksto, tai yra, iškeliamos hipotezės. Taigi eksperimentų metu jie bus paneigti arba patvirtinti. Pagalvojus ir paaiškinus eksperimentų rezultatus, daromos išvados. Taip gaunamos mokslinės žinios.

Kiekiai ir jų vienetai

Dažnai studijuodami bet kuriuos atlieka skirtingus matavimus. Pavyzdžiui, kūnui krentant, matuojamas aukštis, masė, greitis ir laikas. Visa tai yra kažkas, ką galima išmatuoti.

Išmatuoti reikšmę reiškia lyginti ją su ta pačia reikšme, kuri imama kaip vienetas (lentelės ilgis lyginamas su ilgio vienetu – metru ar kitu). Kiekviena tokia vertė turi savo vienetus.

Visos šalys stengiasi naudoti vienodus vienetus. Rusijoje, kaip ir kitose šalyse, naudojama tarptautinė vienetų sistema (SI) (tai reiškia „tarptautinė sistema“). Jis priima šiuos vienetus:

• ilgis (būdingas eilučių ilgiui skaitine išraiška) - metras;
• laikas (procesų eiga, galimo pokyčio sąlyga) – sekundė;
• masė (tai fizikoje charakteristika, lemianti medžiagos inercines ir gravitacines savybes) – kilogramas.

Dažnai reikia naudoti vienetus, kurie yra daug didesni nei įprasti kartotiniai. Jie vadinami atitinkamais priešdėliais iš graikų kalbos: „deka“, „hekto“, „kilo“ ir pan.

Vienetai, kurie yra mažesni už priimtus, vadinami daliniais. Jiems taikomi priešdėliai iš lotynų kalbos: „deci“, „santi“, „milli“ ir pan.

Matavimo prietaisai

Norėdami atlikti eksperimentus, jums reikia įrangos. Paprasčiausi iš jų – liniuotė, cilindras, matuoklis ir kt. Tobulėjant mokslui, tobulinami nauji prietaisai, atsiranda komplikuotų ir naujų prietaisų: voltmetrų, termometrų, chronometrų ir kt.

Iš esmės įrenginiuose yra skalė, tai yra brūkšniniai skyriai, ant kurių užrašomos reikšmės. Prieš matavimą nustatykite padalijimo kainą:

• paimkite du skalės brūkšnius su reikšmėmis;
• mažesnis atimamas iš didesnio, o gautas skaičius dalijamas iš padalų, esančių tarp, skaičiaus.

Pavyzdžiui, du smūgiai su reikšmėmis "dvidešimt" ir "trisdešimt", atstumas tarp kurių yra padalintas į dešimt tarpų. Tokiu atveju padalijimo reikšmė bus lygi vienetui.

Tikslūs matavimai ir su klaida

Matavimai yra daugiau ar mažiau tikslūs. Leistinas netikslumas vadinamas paklaidos riba. Matuojant ji negali būti didesnė už matavimo prietaiso padalijimo vertę.

Tikslumas priklauso nuo skalės intervalo ir teisingo prietaiso naudojimo. Bet galų gale, atliekant bet kokį matavimą, gaunamos tik apytikslės vertės.

Teorinė ir eksperimentinė fizika

Tai yra pagrindinės mokslo šakos. Gali atrodyti, kad jie yra labai toli vienas nuo kito, juolab kad dauguma žmonių yra arba teoretikai, arba eksperimentuotojai. Tačiau jie nuolat tobulėja greta. Bet kokią problemą svarsto ir teoretikai, ir eksperimentuotojai. Pirmųjų darbas yra aprašyti duomenis ir iškelti hipotezes, o antrosios teorijas tikrina praktiškai, atlikdamos eksperimentus ir gaudamos naujus duomenis. Kartais laimėjimus nulemia tik eksperimentai, neaprašant teorijų. Kitais atvejais, atvirkščiai, galima gauti rezultatus, kurie vėliau tikrinami.

Kvantinė fizika

Ši kryptis atsirado 1900 m. pabaigoje, kai buvo atrasta nauja fizinė fundamentali konstanta, pavadinta Planko konstanta ją atradusio vokiečių fiziko Maxo Plancko garbei. Jis išsprendė įkaitusių kūnų skleidžiamos šviesos spektrinio pasiskirstymo problemą, o klasikinė bendroji fizika to negalėjo padaryti. Planckas iškėlė hipotezę apie osciliatoriaus kvantinę energiją, kuri buvo nesuderinama su klasikine fizika. Jos dėka daugelis fizikų pradėjo peržiūrėti senas sąvokas, jas keisti, dėl ko atsirado kvantinė fizika. Tai visiškai naujas požiūris į pasaulį.

ir sąmonė

Žmogaus sąmonės fenomenas iš požiūrio taško nėra visiškai naujas. Jos pamatus padėjo Jungas ir Pauli. Tačiau tik dabar, susiformavus šiai naujai mokslo krypčiai, šis reiškinys pradėtas svarstyti ir tirti plačiau.

Kvantinis pasaulis yra daugialypis ir daugialypis, turi daug klasikinių veidų ir projekcijų.

Dvi pagrindinės savybės siūlomos koncepcijos rėmuose yra superintuicija (tai yra informacijos gavimas tarsi iš niekur) ir subjektyvios tikrovės kontrolė. Įprastoje sąmonėje žmogus gali matyti tik vieną pasaulio vaizdą ir negali svarstyti dviejų iš karto. Nors iš tikrųjų jų yra labai daug. Visa tai kartu yra kvantinis pasaulis ir šviesa.

Būtent kvantinė fizika moko pamatyti žmogui naują realybę (nors daugelis Rytų religijų, taip pat magai, jau seniai turi tokią techniką). Reikia tik pakeisti žmogaus sąmonę. Dabar žmogus neatsiejamas nuo viso pasaulio, tačiau atsižvelgiama į visokios gyvybės ir daiktų interesus.

Kaip tik tada, pasinerdamas į būseną, kai jis gali matyti visas alternatyvas, jis ateina į įžvalgą, kuri yra absoliuti tiesa.

Kvantinės fizikos požiūriu gyvybės principas yra tas, kad žmogus, be kita ko, prisidėtų prie geresnės pasaulio tvarkos.

Manau, galima drąsiai teigti, kad niekas nesupranta kvantinės mechanikos.

Fizikas Richardas Feynmanas

Neperdedame sakyti, kad puslaidininkinių įtaisų išradimas buvo revoliucija. Tai ne tik įspūdingas technologinis pasiekimas, bet ir atvėrė kelią įvykiams, kurie amžinai pakeis šiuolaikinę visuomenę. Puslaidininkiniai įtaisai naudojami visų rūšių mikroelektronikos įrenginiuose, įskaitant kompiuterius, tam tikros rūšies medicininę diagnostikos ir gydymo įrangą bei populiarius telekomunikacijų įrenginius.

Tačiau už šios technologinės revoliucijos slypi dar daugiau, bendro mokslo revoliucija: sritis kvantinė teorija. Be šio gamtos pasaulio supratimo šuolio puslaidininkinių įtaisų (ir kuriamų pažangesnių elektroninių prietaisų) kūrimas niekada nebūtų pavykęs. Kvantinė fizika yra neįtikėtinai sudėtinga mokslo šaka. Šiame skyriuje pateikiama tik trumpa apžvalga. Kai tokie mokslininkai kaip Feynmanas sako „niekas [to] nesupranta“, galite būti tikri, kad tai tikrai sudėtinga tema. Neturint elementaraus kvantinės fizikos supratimo ar bent jau mokslo atradimų, paskatinusių jų vystymąsi supratimo, neįmanoma suprasti, kaip ir kodėl veikia puslaidininkiniai elektroniniai prietaisai. Daugumoje elektronikos vadovėlių puslaidininkius bandoma paaiškinti „klasikine fizika“, todėl juos suprasti dar labiau sunku.

Daugelis iš mūsų matė atominių modelių diagramas, kurios atrodo kaip paveikslėlyje žemiau.

Rutherfordo atomas: neigiami elektronai sukasi aplink mažą teigiamą branduolį

Mažos medžiagos dalelės vadinamos protonų Ir neutronų, sudaro atomo centrą; elektronų sukasi kaip planetos aplink žvaigždę. Branduolys turi teigiamą elektros krūvį dėl protonų buvimo (neutronai neturi elektros krūvio), o balansuojantis neigiamas atomo krūvis yra skriejančiame elektronuose. Neigiamus elektronus traukia teigiami protonai, kaip planetas traukia Saulė, tačiau orbitos yra stabilios dėl elektronų judėjimo. Šį populiarų atomo modelį esame skolingi Ernesto Rutherfordo darbui, kuris apie 1911 m. eksperimentiškai nustatė, kad teigiami atomų krūviai yra susitelkę mažame tankiame branduolyje, o ne tolygiai pasiskirstę išilgai skersmens, kaip anksčiau manė tyrinėtojas JJ Thomsonas. .

Rutherfordo sklaidos eksperimentas susideda iš plonos aukso folijos bombardavimo teigiamai įkrautomis alfa dalelėmis, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau. Jaunieji abiturientai H. Geigeris ir E. Marsdenas sulaukė netikėtų rezultatų. Kai kurių alfa dalelių trajektorija buvo nukrypusi dideliu kampu. Kai kurios alfa dalelės buvo išsklaidytos atgal, beveik 180° kampu. Dauguma dalelių praėjo per aukso foliją nepakeitusios trajektorijos, tarsi folijos visai nebūtų. Tai, kad kelios alfa dalelės patyrė didelius trajektorijos nukrypimus, rodo, kad yra branduolių su mažu teigiamu krūviu.

Rutherfordo sklaida: alfa dalelių pluoštas yra išsklaidytas plona aukso folija

Nors Rutherfordo atomo modelis buvo paremtas eksperimentiniais duomenimis geriau nei Thomsono, jis vis tiek buvo netobulas. Toliau buvo bandoma nustatyti atomo struktūrą, ir šios pastangos padėjo atverti kelią keistiems kvantinės fizikos atradimams. Šiandien mūsų supratimas apie atomą yra šiek tiek sudėtingesnis. Tačiau nepaisant kvantinės fizikos revoliucijos ir jos indėlio į mūsų supratimą apie atomo sandarą, Rutherfordo Saulės sistemos kaip atomo struktūros vaizdavimas populiarioje sąmonėje įsitvirtino tiek, kad jis išlieka švietimo srityse, net jei jis ne vietoje.

Apsvarstykite šį trumpą elektronų atome aprašymą, paimtą iš populiaraus elektronikos vadovėlio:

Besisukančius neigiamus elektronus traukia teigiamasis branduolys, todėl kyla klausimas, kodėl elektronai neskrenda į atomo branduolį. Atsakymas yra tas, kad besisukantys elektronai išlieka savo stabilioje orbitoje dėl dviejų lygių, bet priešingų jėgų. Išcentrinė jėga, veikianti elektronus, nukreipta į išorę, o krūvių traukos jėga bando traukti elektronus link branduolio.

Remdamasis Rutherfordo modeliu, autorius elektronus laiko kietais materijos gabalėliais, užimančiais apvalias orbitas, jų trauką į priešingą krūvį turintį branduolį subalansuoja judėjimas. Sąvokos „išcentrinė jėga“ vartojimas yra techniškai neteisingas (netgi kalbant apie orbitoje skriejančias planetas), tačiau tai lengvai atleidžiama dėl populiarios modelio pripažinimo: iš tikrųjų nėra tokio dalyko kaip jėga, atstumiantisbet koks besisukantis kūnas nuo savo orbitos centro. Atrodo, kad taip yra todėl, kad kūno inercija yra linkusi išlaikyti jį tiesia linija, o kadangi orbita yra nuolatinis nuokrypis (pagreitis) nuo tiesinio judėjimo, yra nuolatinė inercinė reakcija į bet kokią jėgą, traukiančią kūną į centrą. orbitos (centripetalinė), nesvarbu, ar tai būtų gravitacija, elektrostatinė trauka ar net mechaninio ryšio įtempimas.

Tačiau tikroji šio paaiškinimo problema visų pirma yra elektronų judėjimo žiedinėmis orbitomis idėja. Įrodytas faktas, kad pagreitinti elektros krūviai skleidžia elektromagnetinę spinduliuotę, šis faktas buvo žinomas dar Rutherfordo laikais. Kadangi sukamasis judesys yra pagreičio forma (sukasis objektas nuolat greitėjant, atitraukiantis objektą nuo įprasto tiesinio judėjimo), besisukantys elektronai turi skleisti spinduliuotę kaip purvas iš besisukančio rato. Elektronai pagreitėjo žiediniais takais dalelių greitintuvuose, vadinamuose sinchrotronai Yra žinoma, kad tai daro, o rezultatas vadinamas sinchrotroninė spinduliuotė. Jei elektronai tokiu būdu prarastų energiją, jų orbitos ilgainiui sutriktų ir dėl to jie susidurtų su teigiamai įkrautu branduoliu. Tačiau atomų viduje tai paprastai neįvyksta. Iš tiesų, elektroninės „orbitos“ yra stebėtinai stabilios įvairiomis sąlygomis.

Be to, eksperimentai su „sužadintais“ atomais parodė, kad elektromagnetinę energiją atomas skleidžia tik tam tikrais dažniais. Atomai yra „sužadinami“ išorinių poveikių, tokių kaip šviesa, kuri, kaip žinoma, sugeria energiją ir grąžina tam tikro dažnio elektromagnetines bangas, panašiai kaip kamertonas, kuris neskamba tam tikru dažniu, kol nepatrenkiamas. Sužadinto atomo skleidžiamą šviesą prizme padalijus į jos komponentinius dažnius (spalvas), randamos atskiros spektro spalvų linijos, spektrinės linijos raštas būdingas tik cheminiam elementui. Šis reiškinys dažniausiai naudojamas identifikuoti cheminius elementus ir netgi matuoti kiekvieno elemento proporcijas junginyje ar cheminiame mišinyje. Pagal Rutherfordo atominio modelio Saulės sistemą (elektronų, kaip medžiagos gabalėlių, laisvai besisukančių orbitoje tam tikru spinduliu) ir klasikinės fizikos dėsnius, sužadinti atomai turi grąžinti energiją beveik begaliniame dažnių diapazone, o ne pasirinktus dažnius. Kitaip tariant, jei Rutherfordo modelis būtų teisingas, nebūtų „kamertono“ efekto, o bet kurio atomo skleidžiamas spalvų spektras atrodytų kaip ištisinė spalvų juosta, o ne kaip kelios atskiros linijos.

Vandenilio atomo Bohr modelis (su masteliu nubrėžtomis orbitomis) daro prielaidą, kad elektronai yra tik atskirose orbitose. Elektronai, judantys nuo n = 3, 4, 5 arba 6 iki n = 2, rodomi Balmerio spektrinių linijų serijoje

Mokslininkas Nielsas Bohras bandė patobulinti Rutherfordo modelį po to, kai 1912 m. kelis mėnesius jį tyrinėjo Rutherfordo laboratorijoje. Bandydamas suderinti kitų fizikų (ypač Maxo Plancko ir Alberto Einšteino) rezultatus, Bohras pasiūlė, kad kiekvienas elektronas turi tam tikrą, specifinį energijos kiekį ir kad jų orbitos būtų pasiskirstytos taip, kad kiekvienas iš jų galėtų užimti tam tikras vietas aplinkui. Branduolys, kaip rutuliukai. , pritvirtintas žiediniais takais aplink branduolį, o ne kaip laisvai judantys palydovai, kaip buvo manyta anksčiau (paveikslėlis aukščiau). Gerbdamas elektromagnetizmo ir greitėjančių krūvių dėsnius, Bohras vadino „orbitomis“ stacionarios būsenos kad būtų išvengta aiškinimo, kad jie buvo mobilūs.

Nors ambicingas Bohro bandymas permąstyti atomo struktūrą, kuri labiau atitiko eksperimentinius duomenis, buvo fizikos etapas, jis nebuvo baigtas. Jo matematinė analizė numatė geresnius eksperimentų rezultatus nei atliktų pagal ankstesnius modelius, tačiau vis tiek liko neatsakytų klausimų, ar kodėl elektronai turi elgtis taip keistai. Teiginys, kad elektronai egzistavo nejudančiose kvantinėse būsenose aplink branduolį, geriau koreliavo su eksperimentiniais duomenimis nei Rutherfordo modelis, tačiau nepasakė, dėl ko elektronai įgauna šias ypatingas būsenas. Atsakymą į šį klausimą turėjo gauti kitas fizikas Louis de Broglie, po kokių dešimties metų.

De Broglie pasiūlė, kad elektronai, kaip ir fotonai (šviesos dalelės), turi ir dalelių, ir bangų savybių. Remdamasis šia prielaida, jis pasiūlė, kad besisukančių elektronų analizė bangų požiūriu yra geresnė nei dalelių ir gali suteikti daugiau informacijos apie jų kvantinę prigimtį. Iš tiesų supratimo srityje įvyko dar vienas lūžis.

Styga, vibruojanti rezonansiniu dažniu tarp dviejų fiksuotų taškų, sudaro stovinčią bangą

Atomą, pasak de Broglie, sudarė stovinčios bangos – reiškinys, įvairiomis formomis gerai žinomas fizikams. Kaip muzikos instrumento nuplėšta styga (nuotrauka aukščiau), vibruojanti rezonansiniu dažniu, stabiliose vietose išilgai „mazgų“ ir „antimazgų“. De Broglie įsivaizdavo elektronus aplink atomus kaip bangas, išlenktas į apskritimą (paveikslas žemiau).

„Besisukantys“ elektronai kaip stovi banga aplink branduolį, (a) du ciklai orbitoje, (b) trys ciklai orbitoje

Elektronai gali egzistuoti tik tam tikrose, specifinėse „orbitose“ aplink branduolį, nes tai yra vieninteliai atstumai, kuriuose bangos galai sutampa. Bet kuriuo kitu spinduliu banga destruktyviai susidurs su savimi ir taip nustos egzistuoti.

De Broglie hipotezė suteikė ir matematinę sistemą, ir patogią fizinę analogiją, paaiškinančią elektronų kvantines būsenas atome, tačiau jo atomo modelis vis dar buvo neišsamus. Jau keletą metų fizikai Werneris Heisenbergas ir Erwinas Schrödingeris, dirbdami savarankiškai, kūrė de Broglie bangų ir dalelių dvilypumo koncepciją, siekdami sukurti griežtesnius matematinius subatominių dalelių modelius.

Šiai teorinei pažangai nuo de Broglie primityvaus stovinčios bangos modelio iki Heisenbergo matricos ir Šriodingerio diferencialinės lygties modelių buvo suteiktas kvantinės mechanikos pavadinimas ir į subatominių dalelių pasaulį atsirado gana šokiruojantis bruožas: tikimybės ženklas, arba netikrumas. Pagal naująją kvantinę teoriją buvo neįmanoma nustatyti tikslios dalelės padėties ir tikslaus momento vienu momentu. Populiarus šio „neapibrėžtumo principo“ paaiškinimas buvo tas, kad buvo matavimo klaida (ty bandydami tiksliai išmatuoti elektrono padėtį, jūs trukdote jo impulsui, todėl negalite žinoti, kas jis buvo prieš pradėdamas matuoti padėtį. , ir atvirkščiai). Sensacinga kvantinės mechanikos išvada yra ta, kad dalelės neturi tikslių pozicijų ir momentų, o dėl šių dviejų dydžių ryšio jų bendra neapibrėžtis niekada nesumažės žemiau tam tikros minimalios vertės.

Ši „neapibrėžtumo“ ryšio forma egzistuoja ir kitose nei kvantinės mechanikos srityse. Kaip aptarta šios knygų serijos 2 tomo skyriuje „Mišraus dažnio kintamosios srovės signalai“, yra vienas kitą paneigiantys ryšiai tarp bangos formos laiko srities duomenų ir jos dažnių srities duomenų pasitikėjimo. Paprasčiau tariant, kuo daugiau žinome jo komponentų dažnius, tuo mažiau tiksliai žinome jo amplitudę laikui bėgant ir atvirkščiai. Cituoju save:

Begalinės trukmės signalą (begalinį ciklų skaičių) galima išanalizuoti absoliučiu tikslumu, tačiau kuo mažiau ciklų turi kompiuteris analizei, tuo analizės tikslesnės... Kuo mažiau signalo periodų, tuo tikslesnis jo dažnis. . Pažvelgus į šią koncepciją iki loginio kraštutinumo, trumpas impulsas (net ne visas signalo periodas) iš tikrųjų neturi apibrėžto dažnio, tai yra begalinis dažnių diapazonas. Šis principas būdingas visiems bangų reiškiniams, o ne tik kintamoms įtampoms ir srovėms.

Norėdami tiksliai nustatyti kintančio signalo amplitudę, turime ją išmatuoti per labai trumpą laiką. Tačiau tai riboja mūsų žinias apie bangos dažnį (banga kvantinėje mechanikoje nebūtinai turi būti panaši į sinusinę bangą; toks panašumas yra ypatingas atvejis). Kita vertus, norėdami labai tiksliai nustatyti bangos dažnį, turime jį matuoti per daug periodų, o tai reiškia, kad bet kuriuo momentu prarasime jos amplitudę. Taigi negalime vienu metu neribotu tikslumu žinoti momentinės amplitudės ir visų bangų dažnių. Kita keistenybė, šis neapibrėžtumas yra daug didesnis nei stebėtojo netikslumas; tai yra pačioje bangos prigimtyje. Taip nėra, nors naudojant atitinkamą technologiją būtų įmanoma vienu metu pateikti tikslius momentinės amplitudės ir dažnio matavimus. Tiesiogine prasme banga negali turėti tikslios momentinės amplitudės ir tikslaus dažnio tuo pačiu metu.

Minimali dalelių padėties ir impulso neapibrėžtis, išreikšta Heisenbergo ir Schrödingerio, neturi nieko bendra su matavimo apribojimu; veikiau tai yra dalelės bangos ir dalelės dvilypumo prigimties savybė. Todėl elektronai iš tikrųjų neegzistuoja savo „orbitose“ kaip tiksliai apibrėžtos materijos dalelės ar net kaip tiksliai apibrėžtos bangos formos, o veikiau kaip „debesys“ – techninis terminas. bangos funkcija tikimybių pasiskirstymai, tarsi kiekvienas elektronas būtų „išsklaidytas“ arba „išteptas“ pozicijų ir momentų diapazone.

Šis radikalus požiūris į elektronus kaip neapibrėžtus debesis iš pradžių prieštarauja pradiniam elektronų kvantinių būsenų principui: elektronai egzistuoja diskrečiomis, apibrėžtomis „orbitomis“ aplink atomo branduolį. Galų gale, šis naujas požiūris buvo atradimas, dėl kurio buvo suformuota ir paaiškinta kvantinė teorija. Kaip keista atrodo, kad teorija, sukurta atskirtam elektronų elgesiui paaiškinti, galiausiai skelbia, kad elektronai egzistuoja kaip „debesys“, o ne kaip atskiros materijos gabalėliai. Tačiau elektronų kvantinis elgesys priklauso ne nuo elektronų, turinčių tam tikras koordinačių ir impulso reikšmes, o nuo kitų savybių, vadinamų. kvantiniai skaičiai. Iš esmės kvantinė mechanika atsisako bendrų absoliučios padėties ir absoliutaus momento sąvokų ir pakeičia jas absoliučiomis tipų sąvokomis, kurios neturi analogų įprastoje praktikoje.

Nors žinoma, kad elektronai egzistuoja nekūniškose, „drumstinėse“ paskirstytos tikimybės formose, o ne atskirose materijos dalyse, šie „debesys“ turi šiek tiek kitokias charakteristikas. Bet kurį atomo elektroną galima apibūdinti keturiais skaitiniais matais (anksčiau minėtais kvantiniais skaičiais), vadinamais pagrindinis (radialinis), orbita (azimutas), magnetinis Ir suktis numeriai. Žemiau pateikiama trumpa kiekvieno iš šių skaičių reikšmės apžvalga:

Pagrindinis (radialinis) kvantinis skaičius: žymimas raide n, šis skaičius apibūdina apvalkalą, kuriame yra elektronas. Elektronų „apvalkalas“ yra erdvės sritis aplink atomo branduolį, kurioje gali egzistuoti elektronai, atitinkantys de Broglie ir Bohro stabilius „stovinčios bangos“ modelius. Elektronai gali „šokinėti“ iš apvalkalo į apvalkalą, bet negali egzistuoti tarp jų.

Pagrindinis kvantinis skaičius turi būti teigiamas sveikasis skaičius (didesnis arba lygus 1). Kitaip tariant, pagrindinis elektrono kvantinis skaičius negali būti 1/2 arba -3. Šie sveikieji skaičiai buvo pasirinkti ne savavališkai, o remiantis eksperimentiniais šviesos spektro įrodymais: skirtingi sužadintų vandenilio atomų skleidžiamos šviesos dažniai (spalvos) priklauso nuo konkrečių sveikųjų skaičių verčių, kaip parodyta toliau pateiktame paveikslėlyje.

Kiekvienas apvalkalas turi galimybę laikyti kelis elektronus. Elektronų apvalkalų analogija yra koncentrinės sėdynių eilės amfiteatre. Kaip žmogus, sėdintis amfiteatre, turi pasirinkti eilę atsisėsti (jis negali sėdėti tarp eilių), elektronai turi „pasirinkti“ tam tikrą apvalkalą, kad galėtų „atsisėsti“. Kaip eilės amfiteatre, išoriniuose apvalkaluose yra daugiau elektronų nei arčiau centro esančiuose apvalkaluose. Be to, elektronai linkę rasti mažiausią turimą apvalkalą, kaip ir žmonės amfiteatre ieško vietos arčiausiai centrinės scenos. Kuo didesnis apvalkalo skaičius, tuo daugiau energijos turi elektronai.

Didžiausias elektronų skaičius, kurį gali turėti bet kuris apvalkalas, apibūdinamas lygtimi 2n 2 , kur n yra pagrindinis kvantinis skaičius. Taigi pirmame apvalkale (n = 1) gali būti 2 elektronai; antrasis apvalkalas (n = 2) - 8 elektronai; o trečiasis apvalkalas (n = 3) – 18 elektronų (paveikslas žemiau).

Pagrindinis kvantinis skaičius n ir didžiausias elektronų skaičius yra susieti pagal formulę 2(n 2). Orbitos nėra tinkamo mastelio.

Elektronų apvalkalai atome buvo žymimi raidėmis, o ne skaičiais. Pirmasis apvalkalas (n = 1) buvo pažymėtas K, antrasis apvalkalas (n = 2) L, trečiasis apvalkalas (n = 3) M, ketvirtasis apvalkalas (n = 4) N, penktasis apvalkalas (n = 5) O, šeštasis apvalkalas (n = 6) P ir septintasis apvalkalas (n = 7) B.

Orbitinis (azimutinis) kvantinis skaičius: apvalkalas, sudarytas iš subkorpusų. Kai kuriems gali būti patogiau galvoti apie apvalius kaip paprastas apvalkalo dalis, pavyzdžiui, juostas, skiriančias kelią. Apvalkalai yra daug keistesni. Apvalkalai yra erdvės sritys, kuriose gali egzistuoti elektronų „debesys“, o iš tikrųjų skirtingi subapvalkalai turi skirtingas formas. Pirmasis posluoksnis yra rutulio formos (paveikslas žemiau (s)), kuris yra prasmingas, kai vizualizuojamas kaip elektronų debesis, supantis atomo branduolį trimis matmenimis.

Antrasis apvalkalas primena hantelį, susidedantį iš dviejų "žiedlapių", sujungtų viename taške netoli atomo centro (paveikslas žemiau (p)).

Trečiasis posluoksnis paprastai primena keturių „žiedlapių“, susitelkusių aplink atomo branduolį, rinkinį. Šios subshell formos primena grafinius antenos modelių vaizdus su svogūnais panašiomis skiltelėmis, besitęsiančiomis iš antenos įvairiomis kryptimis (pav. toliau (d)).

Orbitos:
s) triguba simetrija;
(p) Rodoma: p x , viena iš trijų galimų orientacijų (p x , p y , p z), išilgai atitinkamų ašių;
(d) Parodyta: d x 2 -y 2 yra panašus į d xy , d yz , d xz . Rodoma: d z 2 . Galimų d-orbitalių skaičius: penki.

Tinkamos orbitinio kvantinio skaičiaus reikšmės yra teigiami sveikieji skaičiai, kaip ir pagrindinio kvantinio skaičiaus, bet taip pat apima nulį. Šie elektronų kvantiniai skaičiai žymimi raide l. Apvalkalų skaičius lygus pagrindiniam apvalkalo kvantiniam skaičiui. Taigi pirmasis apvalkalas (n = 1) turi vieną posluoksnį, kurio skaičius yra 0; antrasis apvalkalas (n = 2) turi du posluoksnius, sunumeruotus 0 ir 1; trečiasis apvalkalas (n = 3) turi tris posluoksnius, sunumeruotus 0, 1 ir 2.

Senoji subshell konvencija naudojo raides, o ne skaičius. Šiame formate pirmasis poapvalkalas (l = 0) buvo pažymėtas s, antrasis poapvalkalas (l = 1) buvo pažymėtas p, trečiasis subapvalkalas (l = 2) buvo žymimas d, o ketvirtasis subapvalkalas (l = 3) žymimas f. Laiškai kilo iš žodžių: aštrus, pagrindinis, difuzinis Ir Fundamentalus. Šiuos pavadinimus vis dar galite matyti daugelyje periodinių lentelių, naudojamų išorinės ( valentingumas) atomų apvalkalai.

a) sidabro atomo Boro atvaizdas,
b) Orbitinis Ag vaizdavimas su apvalkalų padalijimu į subapvalus (orbitinis kvantinis skaičius l).
Ši diagrama nieko nereiškia tikrosios elektronų padėties, o tik parodo energijos lygius.

Magnetinis kvantinis skaičius: Elektrono magnetinis kvantinis skaičius klasifikuoja elektrono posluoksnio figūros orientaciją. Požievių „žiedlapiai“ gali būti nukreipti keliomis kryptimis. Šios skirtingos orientacijos vadinamos orbitomis. Pirmajam posluoksniui (s; l = 0), kuris primena sferą, „kryptis“ nenurodyta. Kiekviename apvalkale yra antrasis (p; l = 1) posluoksnis, panašus į hantelį, nukreiptą trimis galimomis kryptimis. Įsivaizduokite tris hantelius, susikertančius pradžioje, kurių kiekvienas yra nukreiptas išilgai savo ašies triašėje koordinačių sistemoje.

Tinkamas tam tikro kvantinio skaičiaus vertes sudaro sveikieji skaičiai nuo -l iki l, ir šis skaičius žymimas kaip m l atominėje fizikoje ir z branduolinėje fizikoje. Norėdami apskaičiuoti orbitalių skaičių bet kuriame posluoksnyje, turite padvigubinti posluoksnio skaičių ir pridėti 1, (2∙l + 1). Pavyzdžiui, pirmame posluoksnyje (l = 0) bet kuriame apvalkale yra viena orbita, pažymėta 0; antrasis posluoksnis (l = 1) bet kuriame apvalkale turi tris orbitas su skaičiais -1, 0 ir 1; trečiajame posluoksnyje (l = 2) yra penkios orbitos, sunumeruotos -2, -1, 0, 1 ir 2; ir tt

Kaip ir pagrindinis kvantinis skaičius, magnetinis kvantinis skaičius atsirado tiesiogiai iš eksperimentinių duomenų: Zeemano efekto, spektrinių linijų atskyrimo veikiant jonizuotas dujas magnetiniam laukui, iš čia ir vadinamas „magnetinis“ kvantinis skaičius.

Sukimosi kvantinis skaičius: kaip ir magnetinis kvantinis skaičius, ši atomo elektronų savybė buvo atrasta atliekant eksperimentus. Kruopštus spektro linijų stebėjimas parodė, kad kiekviena linija iš tikrųjų buvo pora labai arti išdėstytų linijų, buvo pasiūlyta, kad ši vadinamoji. smulki struktūra buvo kiekvieno elektrono „sukimosi“ aplink savo ašį, kaip planetos, rezultatas. Elektronai su skirtingais „sukimais“ sužadinti skleistų šiek tiek skirtingus šviesos dažnius. Besisukančių elektronų koncepcija dabar yra pasenusi, labiau tinkanti (neteisingai) vertinti elektronus kaip atskiras materijos daleles, o ne kaip „debesis“, tačiau pavadinimas išlieka.

Sukimosi kvantiniai skaičiai žymimi kaip m s atominėje fizikoje ir sz branduolinėje fizikoje. Kiekvienoje orbitoje kiekviename posluoksnyje gali būti po du elektronus, vienas su sukiniu +1/2, o kitas su sukiniu -1/2.

Fizikas Wolfgangas Pauli sukūrė principą, paaiškinantį elektronų išdėstymą atome pagal šiuos kvantinius skaičius. Jo principas, vadinamas Pauli išskyrimo principas, teigia, kad du elektronai tame pačiame atome negali užimti tų pačių kvantinių būsenų. Tai reiškia, kad kiekvienas atomo elektronas turi unikalų kvantinių skaičių rinkinį. Tai riboja elektronų, galinčių užimti bet kurią konkrečią orbitą, subapvalką ir apvalkalą, skaičių.

Tai rodo elektronų išsidėstymą vandenilio atome:

Kai branduolyje yra vienas protonas, atomas priima vieną elektroną savo elektrostatiniam balansui (protono teigiamą krūvį tiksliai subalansuoja neigiamas elektrono krūvis). Šis elektronas yra apatiniame apvalkale (n = 1), pirmame posluoksnyje (l = 0), vienintelėje šio posluoksnio orbitoje (erdvinėje orientacijoje) (m l = 0), jo sukimosi reikšmė yra 1/2. Bendras šios struktūros apibūdinimo metodas yra elektronų išvardijimas pagal jų apvalkalus ir posluoksnius pagal susitarimą, vadinamą spektroskopinis žymėjimas. Šiame žymėjime apvalkalo numeris rodomas kaip sveikasis skaičius, posluoksnis - kaip raidė (s,p,d,f), o bendras elektronų skaičius posluoksnyje (visos orbitos, visi sukiniai) kaip viršutinis indeksas. Taigi vandenilis, kurio vienas elektronas yra baziniame lygyje, apibūdinamas kaip 1s 1 .

Pereinant prie kito atomo (atomo skaičiaus tvarka), gauname elementą helis:

Helio atomo branduolyje yra du protonai, kuriems reikia dviejų elektronų, kad subalansuotų dvigubą teigiamą elektros krūvį. Kadangi du elektronai – vienas su sukiniu 1/2, o kitas su sukiniu –1/2 – yra toje pačioje orbitoje, elektroninei helio struktūrai nereikia papildomų poapvalių ar apvalkalų, kad būtų laikomas antrasis elektronas.

Tačiau atomui, kuriam reikia trijų ar daugiau elektronų, reikės papildomų posluoksnių, kad būtų galima laikyti visus elektronus, nes apatiniame apvalkale gali būti tik du elektronai (n = 1). Apsvarstykite kitą atomą, esantį didėjančių atominių skaičių sekoje, litį:

Ličio atomas naudoja dalį korpuso talpos L (n = 2). Šio apvalkalo bendra talpa iš tikrųjų yra aštuoni elektronai (maksimali apvalkalo talpa = 2n 2 elektronai). Atsižvelgdami į atomo su visiškai užpildytu L apvalkalu struktūrą, pamatysime, kaip elektronai užima visas subapvalkų, orbitalių ir sukinių kombinacijas:

Dažnai, priskiriant atomui spektroskopinį žymėjimą, visi visiškai užpildyti apvalkalai praleidžiami, o neužpildyti apvalkalai ir aukščiausio lygio užpildyti apvalkalai yra žymimi. Pavyzdžiui, elementas neonas (parodytas aukščiau esančiame paveikslėlyje), turintis du visiškai užpildytus apvalkalus, spektriniu požiūriu gali būti apibūdintas tiesiog kaip 2p 6, o ne kaip 1s 22 s 22 p 6. Litis su pilnai užpildytu K apvalkalu ir vienu elektronu L apvalkale gali būti apibūdintas kaip 2s 1, o ne 1s 22 s 1.

Visiškai užpildyti žemesnio lygio apvalkalai praleidžiami ne tik dėl žymėjimo patogumo. Tai taip pat iliustruoja pagrindinį chemijos principą: elemento cheminę elgseną pirmiausia lemia jo neužpildyti apvalkalai. Vandenilio ir ličio išoriniuose apvalkaluose yra vienas elektronas (atitinkamai 1 ir 2s 1), tai yra, abu elementai turi panašias savybes. Abi yra labai reaktyvios ir reaguoja beveik identiškai (panašiomis sąlygomis jungiasi su panašiais elementais). Nesvarbu, kad litis turi visiškai užpildytą K apvalkalą po beveik laisvu L apvalkalu: neužpildytas L apvalkalas yra tas, kuris lemia jo cheminį elgesį.

Elementai, kurių išoriniai apvalkalai yra visiškai užpildyti, yra klasifikuojami kaip kilnūs ir jiems būdingas beveik visiškas reakcijos su kitais elementais trūkumas. Šie elementai buvo klasifikuojami kaip inertiški, kai buvo manoma, kad jie visiškai nereaguoja, tačiau žinoma, kad tam tikromis sąlygomis jie sudaro junginius su kitais elementais.

Kadangi elementai su ta pačia elektronų konfigūracija išoriniuose apvalkaluose turi panašias chemines savybes, Dmitrijus Mendelejevas atitinkamai suskirstė cheminius elementus lentelėje. Ši lentelė žinoma kaip , o šiuolaikinės lentelės atitinka šį bendrą išdėstymą, parodytą paveikslėlyje žemiau.

Periodinė cheminių elementų lentelė

Rusijos chemikas Dmitrijus Mendelejevas pirmasis sukūrė periodinę elementų lentelę. Nors Mendelejevas savo lentelę sutvarkė pagal atominę masę, o ne pagal atominį skaičių ir sukūrė lentelę, kuri nebuvo tokia naudinga kaip šiuolaikinės periodinės lentelės, jo plėtra yra puikus mokslinio įrodymo pavyzdys. Matydamas periodiškumo modelius (panašias chemines savybes pagal atominę masę), Mendelejevas iškėlė hipotezę, kad visi elementai turi tilpti į šį tvarkingą modelį. Atrasdamas „tuščias“ lentelės vietas, jis vadovavosi esamos tvarkos logika ir manė, kad egzistuoja dar nežinomi elementai. Vėlesnis šių elementų atradimas patvirtino mokslinį Mendelejevo hipotezės teisingumą, o tolesni atradimai lėmė periodinės lentelės formą, kurią naudojame dabar.

Kaip šitas turėtų darbo mokslas: hipotezės veda prie logiškų išvadų ir yra priimamos, keičiamos arba atmetamos priklausomai nuo eksperimentinių duomenų atitikimo jų išvadoms. Kiekvienas kvailys gali po fakto suformuluoti hipotezę, paaiškindamas turimus eksperimentinius duomenis, ir daugelis tai daro. Mokslinę hipotezę nuo post hoc spekuliacijų skiria būsimų eksperimentinių duomenų, kurie dar nebuvo surinkti, numatymas ir galbūt dėl ​​to tų duomenų paneigimas. Drąsiai priveskite hipotezę prie jos logiškos išvados (-ių) ir bandymas nuspėti būsimų eksperimentų rezultatus nėra dogmatiškas tikėjimo šuolis, o veikiau viešas šios hipotezės patikrinimas, atviras iššūkis hipotezės priešininkams. Kitaip tariant, mokslinės hipotezės visada yra „rizikingos“, nes bandoma nuspėti dar neatliktų eksperimentų rezultatus, todėl gali būti suklastotos, jei eksperimentai vyksta ne taip, kaip tikėtasi. Taigi, jei hipotezė teisingai numato pakartotinių eksperimentų rezultatus, ji yra paneigta.

Kvantinė mechanika, iš pradžių kaip hipotezė, o vėliau kaip teorija, pasirodė esanti itin sėkminga numatant eksperimentų rezultatus, todėl gavo didelį mokslinį patikimumą. Daugelis mokslininkų turi pagrindo manyti, kad tai yra neišsami teorija, nes jos prognozės labiau teisingos mikrofizinėmis mastelėmis nei makroskopinėmis, tačiau nepaisant to, tai yra nepaprastai naudinga teorija paaiškinant ir numatant dalelių ir atomų sąveiką.

Kaip matėte šiame skyriuje, kvantinė fizika yra būtina norint aprašyti ir nuspėti daugybę skirtingų reiškinių. Kitame skyriuje pamatysime jo reikšmę kietųjų kūnų, įskaitant puslaidininkius, elektriniam laidumui. Paprasčiau tariant, niekas chemijoje ar kietojo kūno fizikoje neturi prasmės populiarioje teorinėje elektronų, egzistuojančių kaip atskiros materijos dalelės, sukasi aplink atomo branduolį kaip miniatiūriniai palydovai, struktūroje. Kai elektronai laikomi „bangų funkcijomis“, egzistuojančiomis tam tikrose, diskrečiose būsenose, kurios yra reguliarios ir periodiškos, materijos elgesį galima paaiškinti.

Apibendrinant

Elektronai atomuose egzistuoja paskirstytos tikimybės „debesyse“, o ne kaip atskiros medžiagos dalelės, besisukančios aplink branduolį, kaip miniatiūriniai palydovai, kaip rodo įprasti pavyzdžiai.

Atskiri elektronai aplink atomo branduolį linkę į unikalias „būsenas“, apibūdinamas keturiais kvantiniais skaičiais: pagrindinis (radialinis) kvantinis skaičius, žinomas kaip apvalkalas; orbitinis (azimutinis) kvantinis skaičius, žinomas kaip subshell; magnetinis kvantinis skaičius apibūdina orbita(subshell orientacija); Ir sukimosi kvantinis skaičius, arba tiesiog suktis. Šios būsenos yra kvantinės, tai yra, „tarp jų“ nėra sąlygų elektronui egzistuoti, išskyrus būsenas, kurios telpa į kvantinio numeravimo schemą.

Glanoe (radialinis) kvantinis skaičius (n) apibūdina bazinį lygį arba apvalkalą, kuriame yra elektronas. Kuo didesnis šis skaičius, tuo didesnis elektronų debesies spindulys nuo atomo branduolio ir tuo didesnė elektrono energija. Pagrindiniai kvantiniai skaičiai yra sveikieji skaičiai (teigiami sveikieji skaičiai)

Orbitinis (azimutalinis) kvantinis skaičius (l) apibūdina elektronų debesies formą tam tikrame apvalkale arba lygyje ir dažnai yra žinomas kaip „posluoksnis“. Bet kuriame apvalkale yra tiek posluoksnių (elektronų debesies formų), kiek yra pagrindinis apvalkalo kvantinis skaičius. Azimutiniai kvantiniai skaičiai yra teigiami sveikieji skaičiai, pradedant nuo nulio ir baigiant skaičiumi, mažesniu už pagrindinį kvantinį skaičių vienu (n - 1).

Magnetinis kvantinis skaičius (m l) aprašo, kokią orientaciją turi poapvalas (elektronų debesies forma). Apvalkalai gali turėti tiek skirtingų orientacijų, kiek du kartus didesnis už posluoksnio skaičių (l) plius 1, (2l+1) (tai yra, jei l = 1, ml = -1, 0, 1), ir kiekviena unikali orientacija vadinama orbita . Šie skaičiai yra sveikieji skaičiai, prasidedantys nuo neigiamos sublukšto skaičiaus reikšmės (l) iki 0 ir baigiant teigiama posluoksnio skaičiaus reikšme.

Sukimo kvantinis skaičius (m s) apibūdina kitą elektrono savybę ir gali turėti +1/2 ir -1/2 reikšmes.

Pauli išskyrimo principas sako, kad du elektronai atome negali turėti to paties kvantinių skaičių rinkinio. Todėl kiekvienoje orbitoje gali būti daugiausiai du elektronai (spin = 1/2 ir spin = -1/2), 2l + 1 orbitalės kiekviename posluoksnyje ir n posluoksnių kiekviename apvalkale ir ne daugiau.

Spektroskopinis žymėjimas yra atomo elektroninės struktūros susitarimas. Apvalkalai rodomi kaip sveikieji skaičiai, po kurių pateikiamos subapvalkalo raidės (s, p, d, f) su viršutinio indekso skaičiais, rodančiais bendrą kiekviename atitinkamame posluoksnyje rastų elektronų skaičių.

Cheminę atomo elgseną lemia tik neužpildytuose apvalkaluose esantys elektronai. Žemo lygio apvalkalai, kurie yra visiškai užpildyti, mažai veikia arba neturi jokio poveikio elementų cheminėms surišimo savybėms.

Elementai su visiškai užpildytais elektronų apvalkalais yra beveik visiškai inertiški ir vadinami kilnus elementai (anksčiau vadinti inertiniais).