Kvantu fizikas būtība. Kvantu fizikas pamati piecos eksperimentos "manekeniem"

Fizika ir visnoslēpumainākā no visām zinātnēm. Fizika sniedz mums izpratni par apkārtējo pasauli. Fizikas likumi ir absolūti un attiecas uz visiem bez izņēmuma neatkarīgi no personas un sociālā stāvokļa.

Šis raksts ir paredzēts personām, kas vecākas par 18 gadiem.

Vai tev jau ir 18 gadi?

Fundamentāli atklājumi kvantu fizikā

Īzaks Ņūtons, Nikola Tesla, Alberts Einšteins un daudzi citi ir lielie cilvēces ceļveži brīnišķīgajā fizikas pasaulē, kuri, tāpat kā pravieši, atklāja cilvēcei Visuma lielākos noslēpumus un spēju kontrolēt fiziskās parādības. Viņu gaišās galvas griezās cauri nesaprātīgā vairākuma neziņas tumsai un kā vadzvaigzne rādīja ceļu cilvēcei nakts melnumā. Viens no šiem vadītājiem fizikas pasaulē bija Makss Planks, kvantu fizikas tēvs.

Makss Planks ir ne tikai kvantu fizikas pamatlicējs, bet arī pasaulslavenās kvantu teorijas autors. Kvantu teorija ir vissvarīgākā kvantu fizikas sastāvdaļa. Vienkāršā izteiksmē šī teorija apraksta mikrodaļiņu kustību, uzvedību un mijiedarbību. Kvantu fizikas pamatlicējs mums atnesa arī daudzus citus zinātniskus darbus, kas kļuvuši par mūsdienu fizikas stūrakmeņiem:

• termiskā starojuma teorija;
• speciālā relativitātes teorija;
• pētījumi termodinamikas jomā;
• pētījumi optikas jomā.

Kvantu fizikas teorija par mikrodaļiņu uzvedību un mijiedarbību kļuva par kondensētās vielas fizikas, elementārdaļiņu fizikas un augstas enerģijas fizikas pamatu. Kvantu teorija mums izskaidro daudzu mūsu pasaules parādību būtību – no elektronisko datoru darbības līdz debess ķermeņu uzbūvei un uzvedībai. Makss Planks, šīs teorijas radītājs, pateicoties viņa atklājumam, ļāva mums izprast daudzu lietu patieso būtību elementārdaļiņu līmenī. Bet šīs teorijas radīšana nebūt nav vienīgais zinātnieka nopelns. Viņš bija pirmais, kurš atklāja Visuma pamatlikumu – enerģijas nezūdamības likumu. Maksa Planka ieguldījumu zinātnē ir grūti pārvērtēt. Īsāk sakot, viņa atklājumi ir nenovērtējami fizikas, ķīmijas, vēstures, metodoloģijas un filozofijas jomā.

kvantu lauka teorija

Īsumā, kvantu lauka teorija ir teorija par mikrodaļiņu aprakstu, kā arī to uzvedību telpā, savstarpējo mijiedarbību un savstarpējām transformācijām. Šī teorija pēta kvantu sistēmu uzvedību tā sauktajās brīvības pakāpēs. Šis skaistais un romantiskais vārds daudziem no mums neko neizsaka. Manekeniem brīvības pakāpes ir neatkarīgo koordinātu skaits, kas nepieciešams, lai norādītu mehāniskās sistēmas kustību. Vienkārši izsakoties, brīvības pakāpes ir kustības īpašības. Interesantus atklājumus elementārdaļiņu mijiedarbības jomā veica Stīvens Veinbergs. Viņš atklāja tā saukto neitrālo strāvu – kvarku un leptonu mijiedarbības principu, par ko 1979. gadā saņēma Nobela prēmiju.

Maksa Planka kvantu teorija

Astoņpadsmitā gadsimta deviņdesmitajos gados vācu fiziķis Makss Planks sāka pētīt termisko starojumu un galu galā saņēma enerģijas sadales formulu. Kvantu hipotēze, kas dzima šo pētījumu gaitā, iezīmēja kvantu fizikas, kā arī 1900. gadā atklātās kvantu lauka teorijas sākumu. Planka kvantu teorija ir tāda, ka termiskā starojuma laikā saražotā enerģija tiek emitēta un absorbēta nevis pastāvīgi, bet gan epizodiski, kvantiski. 1900. gads, pateicoties šim Maksa Planka atklājumam, kļuva par kvantu mehānikas dzimšanas gadu. Ir vērts pieminēt arī Planka formulu. Īsāk sakot, tā būtība ir šāda – tās pamatā ir ķermeņa temperatūras un tā starojuma attiecība.

Atoma uzbūves kvantu mehāniskā teorija

Atomu struktūras kvantu mehāniskā teorija ir viena no kvantu fizikas un arī fizikas pamatteorijām. Šī teorija ļauj mums izprast visa materiālā struktūru un paver noslēpumainības plīvuru pār to, no kā lietas patiesībā sastāv. Un uz šo teoriju balstītie secinājumi ir ļoti negaidīti. Īsi apsveriet atoma struktūru. Tātad, no kā īsti sastāv atoms? Atoms sastāv no kodola un elektronu mākoņa. Atoma pamats, tā kodols satur gandrīz visu paša atoma masu - vairāk nekā 99 procentus. Kodolam vienmēr ir pozitīvs lādiņš, un tas nosaka ķīmisko elementu, kura sastāvdaļa ir atoms. Interesantākais atoma kodolā ir tas, ka tajā ir gandrīz visa atoma masa, bet tajā pašā laikā tas aizņem tikai vienu desmittūkstošdaļu no tā tilpuma. Kas no tā izriet? Un secinājums ir ļoti negaidīts. Tas nozīmē, ka blīvā viela atomā ir tikai viena desmittūkstošā daļa. Un kā ar visu pārējo? Viss pārējais atomā ir elektronu mākonis.

Elektronu mākonis nav pastāvīga un pat faktiski nav materiāla viela. Elektronu mākonis ir tikai elektronu parādīšanās varbūtība atomā. Tas ir, kodols aizņem tikai vienu desmit tūkstošdaļu atomā, un viss pārējais ir tukšums. Un, ja ņemam vērā, ka visi objekti mums apkārt, sākot no putekļu daļiņām līdz debess ķermeņiem, planētām un zvaigznēm, sastāv no atomiem, izrādās, ka viss materiālais patiesībā sastāv no vairāk nekā 99 procentiem tukšuma. Šī teorija šķiet pilnīgi neticama, un tās autors vismaz maldīgs cilvēks, jo apkārt esošajām lietām ir pamatīga konsistence, ir svars un tās ir jūtamas. Kā tas var sastāvēt no tukšuma? Vai šajā matērijas uzbūves teorijā ir iezagusies kļūda? Bet šeit nav kļūdu.

Visas materiālās lietas šķiet blīvas tikai atomu mijiedarbības dēļ. Lietām ir cieta un blīva konsistence tikai atomu pievilkšanās vai atgrūšanās dēļ. Tas nodrošina ķīmisko vielu kristāliskā režģa blīvumu un cietību, no kura sastāv viss materiāls. Bet interesants moments, kad, piemēram, mainās vides temperatūras apstākļi, var vājināties saites starp atomiem, tas ir, to pievilkšanās un atgrūšanās, kas noved pie kristāla režģa vājināšanās un pat tā iznīcināšanas. Tas izskaidro vielu fizikālo īpašību izmaiņas karsējot. Piemēram, kad dzelzi karsē, tas kļūst šķidrs un var tikt veidots jebkurā formā. Un, kad ledus kūst, kristāla režģa iznīcināšana izraisa izmaiņas vielas stāvoklī, un tas kļūst no cietas uz šķidru. Tie ir skaidri piemēri, kas liecina par saišu vājināšanos starp atomiem un tā rezultātā kristāliskā režģa vājināšanos vai iznīcināšanu, un ļauj vielai kļūt amorfai. Un šādu noslēpumainu metamorfožu cēlonis ir tieši tas, ka vielas no blīvas matērijas sastāv tikai par vienu desmittūkstošdaļu, un viss pārējais ir tukšums.

Un vielas šķiet cietas tikai tāpēc, ka starp atomiem ir spēcīgas saites, kurām, vājinoties, viela mainās. Tādējādi atoma uzbūves kvantu teorija ļauj paskatīties uz apkārtējo pasauli pavisam citādāk.

Atoma teorijas pamatlicējs Nīls Bors izvirzīja interesantu koncepciju, ka elektroni atomā neizstaro enerģiju pastāvīgi, bet tikai pārejas brīdī starp to kustības trajektorijām. Bora teorija palīdzēja izskaidrot daudzus iekšējos atomu procesus, kā arī radīja izrāvienu ķīmijas zinātnē, izskaidrojot Mendeļejeva izveidotās tabulas robežu. Saskaņā ar , pēdējam elementam, kas var pastāvēt laikā un telpā, ir kārtas numurs simts trīsdesmit septiņi, un elementi, kas sākas no simts trīsdesmit astotā, nevar pastāvēt, jo to esamība ir pretrunā ar relativitātes teoriju. Arī Bora teorija izskaidroja tādas fiziskas parādības kā atomu spektri būtību.

Tie ir brīvo atomu mijiedarbības spektri, kas rodas, starp tiem izstarojot enerģiju. Šādas parādības ir raksturīgas gāzveida, tvaiku vielām un vielām plazmas stāvoklī. Tādējādi kvantu teorija radīja revolūciju fizikas pasaulē un ļāva zinātniekiem virzīties uz priekšu ne tikai šīs zinātnes jomā, bet arī daudzu saistīto zinātņu jomā: ķīmijā, termodinamikā, optikā un filozofijā. Un arī ļāva cilvēcei iekļūt lietu būtības noslēpumos.

Cilvēcei savā apziņā vēl ir daudz darāmā, lai apzinātos atomu būtību, izprastu to uzvedības un mijiedarbības principus. To sapratuši, varēsim izprast apkārtējās pasaules dabu, jo viss, kas mūs ieskauj, sākot ar putekļu daļiņām un beidzot ar pašu sauli, un mēs paši - viss sastāv no atomiem, kuru būtība ir noslēpumaina un pārsteidzošs un pilns ar daudziem noslēpumiem.

Sveiki dārgie lasītāji. Ja nevēlaties atpalikt no dzīves, vēlaties kļūt par patiesi laimīgu un veselīgu cilvēku, jums vajadzētu zināt par mūsdienu kvantu fizikas noslēpumiem, vismaz nedaudz nojaust, kādās Visuma dzīlēm mūsdienās ir izrakuši zinātnieki. Jums nav laika iedziļināties dziļās zinātniskās detaļās, bet vēlaties izprast tikai būtību, bet redzēt nezināmās pasaules skaistumu, tad šis raksts: kvantu fizika parastajiem manekeniem vai, varētu teikt, mājsaimniecēm, ir tikai tev. Es mēģināšu izskaidrot, kas ir kvantu fizika, bet vienkāršiem vārdiem, lai skaidri parādītu.

"Kāda ir saikne starp laimi, veselību un kvantu fiziku?" jūs jautājat.

Fakts ir tāds, ka tas palīdz atbildēt uz daudziem nesaprotamiem jautājumiem, kas saistīti ar cilvēka apziņu, apziņas ietekmi uz ķermeni. Diemžēl medicīna, paļaujoties uz klasisko fiziku, ne vienmēr palīdz mums būt veseliem. Un psiholoģija nevar pareizi pateikt, kā atrast laimi.

Tikai dziļākas zināšanas par pasauli palīdzēs mums saprast, kā patiesi tikt galā ar slimībām un kur mīt laime. Šīs zināšanas ir atrodamas Visuma dziļajos slāņos. Kvantu fizika nāk palīgā. Drīz jūs visu uzzināsiet.

Ko kvantu fizika pēta vienkāršos vārdos

Jā, patiešām, kvantu fiziku ir ļoti grūti saprast, jo tā pēta mikropasaules likumus. Tas ir, pasaule tās dziļākajos slāņos, ļoti mazos attālumos, kur cilvēkam ir ļoti grūti skatīties.

Un pasaule, izrādās, tur uzvedas ļoti dīvaini, mistiski un neizprotami, nevis tā, kā esam pieraduši.

Līdz ar to visa kvantu fizikas sarežģītība un pārpratumi.

Taču pēc šī raksta izlasīšanas tu paplašināsi savu zināšanu apvāršņus un skatīsies uz pasauli pavisam citādāk.

Īsi par kvantu fizikas vēsturi

Viss sākās 20. gadsimta sākumā, kad Ņūtona fizika nespēja izskaidrot daudzas lietas un zinātnieki nonāca strupceļā. Tad Makss Planks iepazīstināja ar kvantu jēdzienu. Alberts Einšteins paņēma šo ideju un pierādīja, ka gaisma neizplatās nepārtraukti, bet pa daļām - kvantiem (fotoniem). Pirms tam tika uzskatīts, ka gaismai ir viļņu raksturs.

Bet, kā izrādījās vēlāk, jebkura elementārdaļiņa ir ne tikai kvants, tas ir, cieta daļiņa, bet arī vilnis. Tā kvantu fizikā parādījās korpuskulāro viļņu duālisms, pirmais paradokss un mikropasaules noslēpumainu parādību atklājumu sākums.

Interesantākie paradoksi sākās, kad tika veikts slavenais eksperiments ar dubulto spraugu, pēc kura noslēpumu kļuva daudz vairāk. Var teikt, ka kvantu fizika sākās ar viņu. Apskatīsim to.

Divu spraugu eksperiments kvantu fizikā

Iedomājieties plāksni ar divām spraugām vertikālu svītru veidā. Aiz šīs plāksnes uzliksim sietu. Ja mēs virzīsim gaismu uz plāksni, ekrānā redzēsim traucējumu modeli. Tas ir, mainīgas tumšas un spilgtas vertikālas svītras. Traucējumi ir kaut kā, mūsu gadījumā gaismas, viļņu uzvedības rezultāts.

Ja jūs izlaižat ūdens vilni caur diviem caurumiem, kas atrodas blakus, jūs sapratīsit, kas ir traucējumi. Tas ir, izrādās, ka gaismai ir viļņveida raksturs. Bet, kā pierādīja fizika vai drīzāk Einšteins, to izplata fotonu daļiņas. Jau paradokss. Bet tas ir labi, korpuskulāro viļņu duālisms mūs vairs nepārsteigs. Kvantu fizika stāsta, ka gaisma uzvedas kā vilnis, bet sastāv no fotoniem. Bet brīnumi tikai sākas.

Noliksim ieroci priekšā plāksnei ar diviem spraugām, kas izstaros nevis gaismu, bet gan elektronus. Sāksim šaut elektronus. Ko mēs redzēsim uz ekrāna aiz šķīvja?

Galu galā elektroni ir daļiņas, kas nozīmē, ka elektronu plūsmai, kas iet cauri diviem spraugām, uz ekrāna jāatstāj tikai divas svītras, divas pēdas pretī spraugām. Vai esat iedomājies, ka oļi lido cauri divām spraugām un atsitas pret ekrānu?

Bet ko mēs īsti redzam? Viss tas pats traucējumu modelis. Kāds ir secinājums: elektroni izplatās viļņos. Tātad elektroni ir viļņi. Bet galu galā tā ir elementāra daļiņa. Atkal korpuskulāro viļņu duālisms fizikā.

Bet mēs varam pieņemt, ka dziļākā līmenī elektrons ir daļiņa, un, kad šīs daļiņas saplūst, tās sāk uzvesties kā viļņi. Piemēram, jūras vilnis ir vilnis, bet to veido ūdens pilieni, bet mazākā līmenī – molekulas un pēc tam atomi. Labi, loģika ir stabila.

Tad šausim no pistoles nevis ar elektronu plūsmu, bet atlaidīsim elektronus atsevišķi, pēc noteikta laika. It kā mēs izlaistu cauri plaisām nevis jūras vilnis, bet spļautu atsevišķas lāses no bērnu ūdens pistoles.

Diezgan loģiski, ka šajā gadījumā dažādas ūdens lāses iekristu dažādās spraugās. Uz ekrāna aiz plāksnes varēja redzēt nevis viļņa radītu traucējumu rakstu, bet gan divas atšķirīgas trieciena bārkstis iepretim katrai spraugai. To pašu mēs redzēsim, ja metīsim mazus akmeņus, tie, izlidojot pa divām spraugām, atstātu pēdas, kā ēna no divām bedrēm. Tagad uzņemsim atsevišķus elektronus, lai redzētu šīs divas svītras uz ekrāna no elektronu triecieniem. Viņi atlaida vienu, gaidīja, otro, gaidīja utt. Kvantu fiziķi ir spējuši veikt šādu eksperimentu.

Bet šausmas. Šo divu bārkstiņu vietā tiek iegūtas vienas un tās pašas vairāku bārkstiņu interferences maiņas. Kā tā? Tas var notikt, ja elektrons vienlaikus lido cauri diviem spraugām, bet aiz plāksnes kā vilnis saduras ar sevi un traucē. Bet tā nevar būt, jo daļiņa nevar atrasties divās vietās vienlaikus. Tas lido vai nu caur pirmo slotu, vai caur otro.

Šeit sākas patiesi fantastiskās kvantu fizikas lietas.

Superpozīcija kvantu fizikā

Ar dziļāku analīzi zinātnieki atklāj, ka jebkura elementāra kvantu daļiņa vai tā pati gaisma (fotons) faktiski var atrasties vairākās vietās vienlaikus. Un tie nav brīnumi, bet gan īstie mikrokosmosa fakti. Tā saka kvantu fizika. Tāpēc, izšaujot no lielgabala atsevišķu daļiņu, mēs redzam traucējumu rezultātu. Aiz plāksnes elektrons saduras ar sevi un rada traucējumu modeli.

Parastie makrokosmosa objekti vienmēr atrodas vienā vietā, tiem ir viens stāvoklis. Piemēram, jūs tagad sēžat uz krēsla, sverat, teiksim, 50 kg, jūsu pulsa ātrums ir 60 sitieni minūtē. Protams, šīs indikācijas mainīsies, bet pēc kāda laika tās mainīsies. Galu galā jūs nevarat vienlaikus būt mājās un darbā, sverot 50 un 100 kg. Tas viss ir saprotams, tas ir veselais saprāts.

Mikrokosmosa fizikā viss ir savādāk.

Kvantu mehānika apgalvo, un tas jau ir eksperimentāli apstiprināts, ka jebkura elementārdaļiņa var vienlaikus atrasties ne tikai vairākos telpas punktos, bet arī vienlaikus būt vairākiem stāvokļiem, piemēram, spin.

Tas viss neiederas galvā, grauj ierasto priekšstatu par pasauli, vecos fizikas likumus, pārvērš domāšanu, var droši teikt, ka tracina.

Tādā veidā mēs saprotam terminu "superpozīcija" kvantu mehānikā.

Superpozīcija nozīmē, ka mikrokosmosa objekts vienlaikus var atrasties dažādos telpas punktos, kā arī vienlaikus var būt vairāki stāvokļi. Un tas ir normāli elementārdaļiņām. Tāds ir mikropasaules likums, lai cik dīvains un fantastisks tas nešķistu.

Jūs esat pārsteigts, bet tie ir tikai ziedi, neizskaidrojamākie kvantu fizikas brīnumi, noslēpumi un paradoksi vēl tikai priekšā.

Viļņu funkcijas sabrukums fizikā vienkāršā izteiksmē

Tad zinātnieki nolēma noskaidrot un precīzāk redzēt, vai elektrons tiešām iziet cauri abiem spraugām. Pēkšņi tas iziet cauri vienai spraugai un tad kaut kā atdalās un, ejot cauri, rada traucējumu modeli. Nu, nekad nevar zināt. Tas ir, spraugas tuvumā ir jānovieto kāda ierīce, kas precīzi reģistrētu elektrona iziešanu caur to. Ne ātrāk pateikts, kā izdarīts. Protams, to ir grūti īstenot, lai redzētu elektrona pāreju, nav vajadzīga ierīce, bet kaut kas cits. Bet zinātnieki to ir izdarījuši.

Taču beigu beigās rezultāts visus satrieca.

Tiklīdz mēs sākam skatīties, caur kuru spraugu iziet elektrons, tas sāk uzvesties nevis kā vilnis, nevis kā dīvaina viela, kas vienlaikus atrodas dažādos telpas punktos, bet kā parasta daļiņa. Tas ir, tas sāk parādīt kvantu specifiskās īpašības: tas atrodas tikai vienā vietā, tas iet caur vienu slotu, tam ir viena griešanās vērtība. Tas, kas parādās ekrānā, nav traucējumu modelis, bet gan vienkārša pēda pretī spraugai.

Bet kā tas ir iespējams. It kā elektrons joko, spēlējas ar mums. Sākumā tas uzvedas kā vilnis, un pēc tam, kad mēs nolēmām aplūkot tā izeju caur spraugu, tam piemīt cietas daļiņas īpašības un tas iziet tikai caur vienu spraugu. Bet tā tas ir mikrokosmosā. Tie ir kvantu fizikas likumi.

Zinātnieki ir redzējuši vēl vienu noslēpumainu elementārdaļiņu īpašību. Tādā veidā kvantu fizikā parādījās viļņu funkcijas nenoteiktības un sabrukuma jēdzieni.

Kad elektrons lido uz spraugu, tas atrodas nenoteiktā stāvoklī vai, kā mēs teicām iepriekš, superpozīcijā. Tas ir, tas uzvedas kā vilnis, tas vienlaikus atrodas dažādos telpas punktos, tam ir divas griešanās vērtības (griešanās ir tikai divas vērtības). Ja mēs tam nepieskartos, nemēģinātu skatīties, precīzi nenoskaidrotu, kur tas atrodas, ja mēs neizmērītu tā griešanās vērtību, tas kā vilnis lidotu cauri divām spraugām. tajā pašā laikā, kas nozīmē, ka tas radītu traucējumu modeli. Kvantu fizika apraksta tās trajektoriju un parametrus, izmantojot viļņu funkciju.

Pēc tam, kad esam veikuši mērījumu (un mikropasaules daļiņu iespējams izmērīt tikai mijiedarbojoties ar to, piemēram, ar to saduroties citai daļiņai), tad viļņu funkcija sabrūk.

Tas ir, tagad elektrons atrodas tieši vienā vietā telpā, tam ir viena spina vērtība.

Var teikt, ka elementārdaļiņa ir kā spoks, tā it kā eksistē, bet tajā pašā laikā tā neatrodas vienā vietā un ar zināmu varbūtību var atrasties jebkur viļņa funkcijas aprakstā. Taču, tiklīdz ar to sākam kontaktēties, tas no spokaina objekta pārvēršas par reālu taustāmu vielu, kas uzvedas kā parasti mums pazīstami klasiskās pasaules objekti.

"Tas ir fantastiski," jūs sakāt. Protams, bet kvantu fizikas brīnumi tikai sākas. Pats neticamākais vēl tikai priekšā. Taču atpūtīsimies no informācijas pārbagātības un atgriezīsimies pie kvantu piedzīvojumiem citreiz, citā rakstā. Tikmēr pārdomājiet to, ko šodien uzzinājāt. Pie kā tādi brīnumi var novest? Galu galā viņi mūs ieskauj, tas ir mūsu pasaules īpašums, kaut arī dziļākā līmenī. Vai mēs joprojām domājam, ka dzīvojam garlaicīgā pasaulē? Bet secinājumus izdarīsim vēlāk.

Es mēģināju īsi un skaidri runāt par kvantu fizikas pamatiem.

Bet ja kaut ko nesaproti, tad noskaties šo multfilmu par kvantu fiziku, par eksperimentu ar diviem spraugām, tur arī viss ir pateikts saprotamā, vienkāršā valodā.

Multfilma par kvantu fiziku:

Vai arī varat noskatīties šo video, viss nostāsies savās vietās, kvantu fizika ir ļoti interesanta.

Video par kvantu fiziku:

Kā jūs par to iepriekš nezinājāt?

Mūsdienu atklājumi kvantu fizikā maina mūsu pazīstamo materiālo pasauli.

Laipni lūdzam emuārā! Es ļoti priecājos par jums!

Noteikti esat dzirdējuši daudzas reizes par neizskaidrojamajiem kvantu fizikas un kvantu mehānikas noslēpumiem. Tās likumi aizrauj ar mistiku, un pat paši fiziķi atzīst, ka līdz galam tos neizprot. No vienas puses, ir ziņkārīgi izprast šos likumus, bet, no otras puses, nav laika lasīt daudzsējumu un sarežģītas fizikas grāmatas. Es jūs ļoti saprotu, jo arī man patīk zināšanas un patiesības meklējumi, bet visām grāmatām ļoti nepietiek laika. Jūs neesat viens, tāpēc daudzi zinātkāri cilvēki ieraksta meklēšanas rindā: "kvantu fizika manekeniem, kvantu mehānika manekeniem, kvantu fizika iesācējiem, kvantu mehānika iesācējiem, kvantu fizikas pamati, kvantu mehānikas pamati, kvantu fizika bērniem , kas ir kvantu mehānika". Šis ieraksts ir paredzēts jums.

Jūs sapratīsit kvantu fizikas pamatjēdzienus un paradoksus. No raksta jūs uzzināsit:

• Kas ir iejaukšanās?
• Kas ir spin un superpozīcija?
• Kas ir "mērīšana" vai "viļņu funkcijas sabrukums"?
• Kas ir kvantu sapīšanās (vai kvantu teleportācija manekeniem)? (skat. rakstu)
• Kas ir Šrēdingera kaķa domu eksperiments? (skat. rakstu)

Kas ir kvantu fizika un kvantu mehānika?

Kvantu mehānika ir daļa no kvantu fizikas.

Kāpēc ir tik grūti saprast šīs zinātnes? Atbilde ir vienkārša: kvantu fizika un kvantu mehānika (kvantu fizikas daļa) pēta mikropasaules likumus. Un šie likumi absolūti atšķiras no mūsu makrokosmosa likumiem. Tāpēc mums ir grūti iedomāties, kas notiek ar elektroniem un fotoniem mikrokosmosā.

Piemērs atšķirībai starp makro un mikropasaules likumiem: mūsu makrokosmosā, ja jūs ievietojat bumbu vienā no 2 kastēm, tad viena no tām būs tukša, bet otra - bumba. Bet mikrokosmosā (ja lodītes vietā - atoms) atoms var būt vienlaicīgi divās kastēs. Tas ir vairākkārt apstiprināts eksperimentāli. Vai nav grūti to ielikt galvā? Bet jūs nevarat strīdēties ar faktiem.

Vēl viens piemērs. Jūs fotografējāt ātru sacīkšu sarkanu sporta automašīnu un fotoattēlā redzējāt izplūdušu horizontālu joslu, it kā automašīna fotoattēla uzņemšanas brīdī būtu no vairākiem kosmosa punktiem. Neskatoties uz to, ko redzat fotoattēlā, jūs joprojām esat pārliecināts, ka automašīna bija tajā brīdī, kad to fotografējāt. vienā konkrētā vietā telpā. Mikro pasaulē tā nav. Elektrons, kas griežas ap atoma kodolu, patiesībā negriežas, bet gan kas atrodas vienlaicīgi visos sfēras punktos ap atoma kodolu. Kā brīvi uztīta pūkainas vilnas bumba. Šo jēdzienu fizikā sauc "elektroniskais mākonis" .

Neliela atkāpe vēsturē. Pirmo reizi zinātnieki aizdomājās par kvantu pasauli, kad 1900. gadā vācu fiziķis Makss Planks mēģināja noskaidrot, kāpēc metāli karsējot maina krāsu. Tas bija viņš, kurš ieviesa kvantu jēdzienu. Pirms tam zinātnieki domāja, ka gaisma ceļo nepārtraukti. Pirmais, kurš nopietni uztvēra Planka atklājumu, bija tolaik nezināmais Alberts Einšteins. Viņš saprata, ka gaisma nav tikai vilnis. Dažreiz tas uzvedas kā daļiņa. Einšteins saņēma Nobela prēmiju par atklājumu, ka gaisma tiek izstarota porcijās, kvantos. Gaismas kvantu sauc par fotonu ( fotons, Wikipedia) .

Lai būtu vieglāk izprast kvantu likumus fizika Un mehānika (Wikipedia), zināmā mērā ir nepieciešams abstrahēties no mums pazīstamajiem klasiskās fizikas likumiem. Un iedomājieties, ka jūs, tāpat kā Alise, ienira truša bedrē, Brīnumzemē.

Un šeit ir multfilma bērniem un pieaugušajiem. Stāsta par kvantu mehānikas fundamentālo eksperimentu ar 2 spraugām un novērotāju. Ilgst tikai 5 minūtes. Noskatieties to, pirms iedziļināmies kvantu fizikas pamatjautājumos un jēdzienos.

Kvantu fizika manekeniem video. Karikatūrā pievērsiet uzmanību novērotāja "acij". Fiziķiem tas ir kļuvis par nopietnu noslēpumu.

Kas ir iejaukšanās?

Multfilmas sākumā, izmantojot šķidruma piemēru, tika parādīts, kā uzvedas viļņi - ekrānā aiz šķīvja ar spraugām parādās pamīšus tumšas un gaišas vertikālas svītras. Un gadījumā, ja diskrētas daļiņas (piemēram, oļi) tiek “izšautas” pie plāksnes, tās izlido cauri 2 spraugām un atsitas pret ekrānu tieši pretī spraugām. Un uz ekrāna "uzzīmējiet" tikai 2 vertikālas svītras.

Gaismas traucējumi- Tā ir gaismas "viļņu" uzvedība, kad ekrānā tiek parādīts daudz mainīgu spilgtu un tumšu vertikālu svītru. Un tās vertikālās svītras sauc par traucējumu modeli.

Mūsu makrokosmosā mēs bieži novērojam, ka gaisma uzvedas kā vilnis. Ja noliec roku sveces priekšā, tad uz sienas būs nevis skaidra ēna no rokas, bet ar izplūdušām kontūrām.

Tātad, tas nemaz nav tik grūti! Tagad mums ir pilnīgi skaidrs, ka gaismai ir viļņu raksturs, un, ja 2 spraugas ir apgaismotas ar gaismu, tad uz ekrāna aiz tiem mēs redzēsim traucējumu rakstu. Tagad apsveriet otro eksperimentu. Šis ir slavenais Stern-Gerlach eksperiments (kas tika veikts pagājušā gadsimta 20. gados).

Karikatūrā aprakstītajā instalācijā tie nespīdēja ar gaismu, bet “šāva” ar elektroniem (kā atsevišķas daļiņas). Toreiz, pagājušā gadsimta sākumā, fiziķi visā pasaulē uzskatīja, ka elektroni ir matērijas elementārdaļiņas un tiem nevajadzētu būt viļņveida, bet tādiem pašiem kā oļiem. Galu galā elektroni ir elementāras matērijas daļiņas, vai ne? Tas ir, ja tie ir “iemeti” 2 spraugās, piemēram, oļi, tad uz ekrāna aiz spraugām mums vajadzētu redzēt 2 vertikālas svītras.

Bet... Rezultāts bija satriecošs. Zinātnieki ieraudzīja traucējumu rakstu - daudz vertikālu svītru. Tas ir, elektroniem, tāpat kā gaismai, var būt arī viļņu raksturs, tie var traucēt. No otras puses, kļuva skaidrs, ka gaisma ir ne tikai vilnis, bet arī daļiņa - fotons (no vēsturiskā fona raksta sākumā uzzinājām, ka Einšteins saņēma Nobela prēmiju par šo atklājumu).

Varbūt atceries, ka skolā mums fizikā stāstīja par "daļiņu-viļņu duālisms"? Tas nozīmē, ka, runājot par ļoti mazām mikropasaules daļiņām (atomiem, elektroniem), tad tie ir gan viļņi, gan daļiņas

Tieši šodien mēs ar jums esam tik gudri un saprotam, ka 2 iepriekš aprakstītie eksperimenti - elektronu izšaušana un spraugu apgaismošana ar gaismu - ir viens un tas pats. Jo mēs šaujam uz spraugām kvantu daļiņas. Tagad mēs zinām, ka gan gaismai, gan elektroniem ir kvantu daba, tie vienlaikus ir gan viļņi, gan daļiņas. Un 20. gadsimta sākumā šī eksperimenta rezultāti bija sensācija.

Uzmanību! Tagad pāriesim pie smalkāka jautājuma.

Mēs spīdam uz savām spraugām ar fotonu (elektronu) plūsmu — un aiz ekrāna spraugām redzam traucējumu rakstu (vertikālas svītras). Tas ir skaidrs. Bet mums ir interesanti redzēt, kā katrs no elektroniem lido caur spraugu.

Jādomā, ka viens elektrons lido uz kreiso spraugu, otrs pa labi. Bet tad ekrānā tieši pretī slotiem jāparādās 2 vertikālām svītrām. Kāpēc tiek iegūts traucējumu modelis? Varbūt elektroni kaut kādā veidā mijiedarbojas viens ar otru jau ekrānā pēc izlidošanas caur spraugām. Un rezultāts ir tāds viļņu raksts. Kā mēs varam tam sekot?

Mēs metīsim elektronus nevis starā, bet pa vienam. Nomet, pagaidi, nomet nākamo. Tagad, kad elektrons lido viens, tas vairs nevarēs mijiedarboties uz ekrāna ar citiem elektroniem. Mēs reģistrēsim ekrānā katru elektronu pēc metiena. Viens vai divi, protams, mums “neuzzīmēs” skaidru ainu. Bet, kad mēs tos pa vienam iesūtām slotos, mēs pamanīsim ... ak šausmas - viņi atkal “uzzīmēja” traucējumu viļņu rakstu!

Sākam lēnām trakot. Galu galā mēs gaidījām, ka pretī spraugām būs 2 vertikālas svītras! Izrādās, kad mēs pa vienam metām fotonus, katrs no tiem izgāja it kā vienlaikus caur 2 spraugām un traucēja sev. Daiļliteratūra! Mēs atgriezīsimies pie šīs parādības skaidrojuma nākamajā sadaļā.

Kas ir spin un superpozīcija?

Tagad mēs zinām, kas ir iejaukšanās. Tāda ir mikrodaļiņu – fotonu, elektronu, citu mikrodaļiņu (turpmāk vienkāršības labad sauksim tos par fotoniem) viļņu uzvedība.

Eksperimenta rezultātā, iemetot 1 fotonu 2 spraugās, sapratām, ka tas lido it kā pa divām spraugām vienlaikus. Kā citādi izskaidrot traucējumu modeli ekrānā?

Bet kā iedomāties attēlu, kurā fotons vienlaikus izlido pa divām spraugām? Ir 2 varianti.

• 1. variants: fotons, kā vilnis (kā ūdens) "peld" pa 2 spraugām vienlaicīgi
• 2. variants: fotons, tāpat kā daļiņa, lido vienlaikus pa 2 trajektorijām (pat ne divām, bet visām vienlaikus)

Principā šie apgalvojumi ir līdzvērtīgi. Esam nonākuši pie "ceļa integrāļa". Šis ir Ričarda Feinmena kvantu mehānikas formulējums.

Starp citu, tieši tā Ričards Feinmens pieder pie plaši pazīstamā izteiciena, ka mēs varam droši teikt, ka neviens nesaprot kvantu mehāniku

Bet šī viņa izpausme darbojās gadsimta sākumā. Bet tagad mēs esam gudri un zinām, ka fotons var uzvesties gan kā daļiņa, gan kā vilnis. Ka viņš kaut kādā mums nesaprotamā veidā var izlidot pa 2 slotiem vienlaicīgi. Tāpēc mums būs viegli saprast šādu svarīgo kvantu mehānikas apgalvojumu:

Stingri sakot, kvantu mehānika mums saka, ka šī fotonu uzvedība ir noteikums, nevis izņēmums. Jebkura kvantu daļiņa, kā likums, atrodas vairākos stāvokļos vai vairākos telpas punktos vienlaicīgi.

Makropasaules objekti var atrasties tikai vienā noteiktā vietā un vienā noteiktā stāvoklī. Bet kvantu daļiņa pastāv saskaņā ar saviem likumiem. Un viņai ir vienalga, ka mēs viņus nesaprotam. Šī ir būtība.

Mums atliek vienkārši pieņemt kā aksiomu, ka kvantu objekta "superpozīcija" nozīmē, ka tas var atrasties uz 2 vai vairākām trajektorijām vienlaikus, 2 vai vairāk punktos vienlaicīgi.

Tas pats attiecas uz citu fotona parametru - spin (savu leņķisko impulsu). Spin ir vektors. Kvantu objektu var uzskatīt par mikroskopisku magnētu. Mēs esam pieraduši, ka magnēta vektors (spin) ir vērsts vai nu uz augšu, vai uz leju. Bet elektrons vai fotons mums atkal saka: “Puiši, mums ir vienalga, pie kā jūs esat pieraduši, mēs varam atrasties abos griešanās stāvokļos vienlaikus (vektors uz augšu, vektors uz leju), tāpat kā mēs varam atrasties 2 trajektorijās tajā pašā laikā vai 2 punktos vienlaicīgi!

Kas ir "mērīšana" vai "viļņu funkcijas sabrukums"?

Mums atliek nedaudz - saprast, kas ir "mērīšana" un kas ir "viļņu funkcijas sabrukums".

viļņu funkcija ir kvantu objekta (mūsu fotona vai elektrona) stāvokļa apraksts.

Pieņemsim, ka mums ir elektrons, tas lido pie sevis nenoteiktā stāvoklī tā griešanās ir vērsta gan uz augšu, gan uz leju vienlaicīgi. Mums ir jāizmēra viņa stāvoklis.

Mērīsim, izmantojot magnētisko lauku: elektroni, kuru spins bija vērsts lauka virzienā, novirzīsies vienā virzienā, bet elektroni, kuru spins ir vērsts pret lauku, novirzīsies otrā virzienā. Fotonus var nosūtīt arī uz polarizācijas filtru. Ja fotona spins (polarizācija) ir +1, tas iziet cauri filtram, un, ja ir -1, tad ne.

Stop! Šeit neizbēgami rodas jautājums: pirms mērījuma galu galā elektronam nebija nekāda īpaša griešanās virziena, vai ne? Vai viņš bija visos štatos vienlaikus?

Tas ir kvantu mehānikas triks un sajūta.. Kamēr jūs nemērāt kvantu objekta stāvokli, tas var griezties jebkurā virzienā (tam ir jebkurš sava leņķiskā impulsa vektora virziens - spin). Bet brīdī, kad jūs mērījāt viņa stāvokli, šķiet, ka viņš izlemj, kuru griešanās vektoru izvēlēties.

Šis kvantu objekts ir tik foršs - tas pieņem lēmumu par savu stāvokli. Un mēs nevaram iepriekš paredzēt, kādu lēmumu tas pieņems, kad tas ielidos magnētiskajā laukā, kurā mēs to mērām. Varbūtība, ka viņš nolemj iegūt griešanās vektoru "uz augšu" vai "uz leju", ir 50 līdz 50%. Bet, tiklīdz viņš izlemj, viņš atrodas noteiktā stāvoklī ar noteiktu griešanās virzienu. Viņa lēmuma iemesls ir mūsu "dimensija"!

To sauc par " viļņu funkcijas sabrukums". Viļņu funkcija pirms mērījuma bija nenoteikta, t.i. elektronu spin vektors bija vienlaicīgi visos virzienos, pēc mērījuma elektrons fiksēja noteiktu virzienu savam spin vektoram.

Uzmanību! Lielisks piemērs-asociācija no mūsu makrokosmosa izpratnei:

Pagrieziet monētu uz galda kā virsu. Kamēr monēta griežas, tai nav konkrētas nozīmes – galvas vai astes. Bet, tiklīdz jūs nolemjat "izmērīt" šo vērtību un sasit monētu ar roku, šeit jūs iegūstat īpašo monētas stāvokli - galvas vai astes. Tagad iedomājieties, ka šī monēta izlemj, kādu vērtību jums "parādīt" - galvas vai astes. Elektrons uzvedas aptuveni tāpat.

Tagad atcerieties eksperimentu, kas parādīts multfilmas beigās. Kad fotoni tika izlaisti caur spraugām, tie izturējās kā vilnis un ekrānā parādīja traucējumu modeli. Un, kad zinātnieki vēlējās fiksēt (izmērīt) brīdi, kad fotoni izgāja cauri spraugai un aiz ekrāna novietoja “novērotāju”, fotoni sāka uzvesties nevis kā viļņi, bet gan kā daļiņas. Un uz ekrāna “uzzīmētas” 2 vertikālas svītras. Tie. mērīšanas vai novērošanas brīdī kvantu objekti paši izvēlas, kādā stāvoklī tiem jāatrodas.

Daiļliteratūra! Vai ne?

Bet tas vēl nav viss. Beidzot mēs nokļuva interesantākajā.

Bet... man šķiet, ka būs informācijas pārslodze, tāpēc šos 2 jēdzienus aplūkosim atsevišķos ierakstos:

• Kas notika ?
• Kas ir domu eksperiments.

Un tagad, vai vēlaties, lai informācija tiktu ievietota plauktos? Noskatieties Kanādas Teorētiskās fizikas institūta veidoto dokumentālo filmu. 20 minūtēs tas ļoti īsi un hronoloģiskā secībā pastāstīs par visiem kvantu fizikas atklājumiem, sākot ar Planka atklāšanu 1900. gadā. Un tad viņi jums pastāstīs, kādi praktiski pasākumi pašlaik tiek veikti, pamatojoties uz zināšanām par kvantu fiziku: no visprecīzākajiem atompulksteņiem līdz superātrām kvantu datora aprēķiniem. Ļoti iesaku noskatīties šo filmu.

Uz redzēšanos!

Es novēlu jums visiem iedvesmu visiem jūsu plāniem un projektiem!

P.S.2 Rakstiet savus jautājumus un domas komentāros. Uzraksti, kādi vēl jautājumi par kvantu fiziku tevi interesē?

P.S.3 Abonēt emuāru - abonēšanas veidlapa zem raksta.

No grieķu vārda "fusis" nāk vārds "fizika". Tas nozīmē "daba". Aristotelis, kurš dzīvoja ceturtajā gadsimtā pirms mūsu ēras, pirmo reizi ieviesa šo jēdzienu.

Fizika kļuva par "krievu" pēc M.V.Lomonosova ierosinājuma, kad viņš no vācu valodas tulkoja pirmo mācību grāmatu.

zinātnes fizika

Fizika ir viena no galvenajām.Visā pasaulē nemitīgi notiek dažādi procesi, izmaiņas, tas ir, parādības.

Piemēram, ledus gabals siltā vietā sāks kust. Un ūdens tējkannā vārās uz uguns. Caur vadu izvadītā elektriskā strāva to uzsildīs un pat padarīs karstu. Katrs no šiem procesiem ir fenomens. Fizikā tās ir mehāniskās, magnētiskās, elektriskās, skaņas, termiskās un gaismas izmaiņas, kuras pēta zinātne. Tos sauc arī par fizikālām parādībām. Ņemot vērā tos, zinātnieki secina likumus.

Zinātnes uzdevums ir atklāt šos likumus un tos izpētīt. Dabu pēta tādas zinātnes kā bioloģija, ģeogrāfija, ķīmija un astronomija. Viņi visi piemēro fiziskos likumus.

Noteikumi

Papildus parastajiem fizikā viņi izmanto arī īpašus vārdus, ko sauc par terminiem. Tie ir “enerģija” (fizikā tas ir matērijas dažādu mijiedarbības un kustības formu, kā arī pārejas no viena uz otru mērs), “spēks” (citu ķermeņu un lauku ietekmes intensitātes mērs). uz ķermeņa) un daudzi citi. Daži no viņiem pamazām ienāca sarunvalodā.

Piemēram, lietojot vārdu "enerģija" ikdienā attiecībā uz cilvēku, varam izvērtēt viņa rīcības sekas, bet enerģija fizikā ir mācību mērs daudz un dažādos veidos.

Fizikā visus ķermeņus sauc par fizikāliem. Viņiem ir apjoms un forma. Tās sastāv no vielām, kas, savukārt, ir viens no matērijas veidiem – tas ir viss, kas pastāv Visumā.

Pieredzes

Liela daļa no tā, ko cilvēki zina, nāk no novērojumiem. Lai pētītu parādības, tās pastāvīgi tiek novērotas.

Ņemiet, piemēram, dažādus ķermeņus, kas nokrīt zemē. Jānoskaidro, vai šī parādība atšķiras, krītot nevienādas masas, dažāda augstuma ķermeņiem utt. Gaidīšana un dažādu ķermeņu vērošana būtu ļoti ilga un ne vienmēr veiksmīga. Tāpēc šādiem nolūkiem tiek veikti eksperimenti. Tie atšķiras no novērojumiem, jo ​​tiek īpaši īstenoti pēc iepriekš noteikta plāna un ar konkrētiem mērķiem. Parasti plānā daži minējumi tiek veidoti iepriekš, tas ir, tie izvirza hipotēzes. Tādējādi eksperimentu gaitā tie tiks atspēkoti vai apstiprināti. Pārdomājot un izskaidrojot eksperimentu rezultātus, tiek izdarīti secinājumi. Tādā veidā tiek iegūtas zinātniskās zināšanas.

Daudzumi un to mērvienības

Bieži vien, pētot jebkuru veikt dažādus mērījumus. Piemēram, ķermenim krītot, tiek mērīts augstums, masa, ātrums un laiks. Tas viss ir, tas ir, kaut kas, ko var izmērīt.

Vērtības mērīšana nozīmē tās salīdzināšanu ar to pašu vērtību, kas tiek ņemta par vienību (tabulas garumu salīdzina ar garuma vienību - metru vai citu). Katrai šādai vērtībai ir savas vienības.

Visas valstis cenšas izmantot vienotas vienības. Krievijā, tāpat kā citās valstīs, tiek izmantota Starptautiskā vienību sistēma (SI) (kas nozīmē "starptautiskā sistēma"). Tas pieņem šādas vienības:

• garums (raksturo rindu garumu skaitliskā izteiksmē) - metrs;
• laiks (procesu plūsma, iespējamo izmaiņu nosacījums) - sekunde;
• masa (tā fizikā ir īpašība, kas nosaka vielas inerciālās un gravitācijas īpašības) - kilograms.

Bieži vien ir jāizmanto mērvienības, kas ir daudz lielākas nekā parastie reizinātāji. Tos sauc ar atbilstošajiem prefiksiem no grieķu valodas: “deka”, “hekto”, “kilo” un tā tālāk.

Vienības, kas ir mazākas par pieņemtajām, sauc par apakšreizēm. Viņiem tiek lietoti latīņu valodas prefiksi: “deci”, “santi”, “milli” un tā tālāk.

Mērinstrumenti

Lai veiktu eksperimentus, jums ir nepieciešams aprīkojums. Vienkāršākie no tiem ir lineāls, cilindrs, mērlente un citi. Attīstoties zinātnei, tiek pilnveidotas jaunas ierīces, parādās sarežģītas un jaunas ierīces: voltmetri, termometri, hronometri un citi.

Būtībā ierīcēm ir skala, tas ir, punktēti dalījumi, uz kuriem tiek rakstītas vērtības. Pirms mērīšanas nosakiet dalīšanas cenu:

• veiciet divus skalas sitienus ar vērtībām;
• mazākais tiek atņemts no lielākā, un iegūtais skaitlis tiek dalīts ar dalījumu skaitu, kas atrodas starp.

Piemēram, divi sitieni ar vērtībām "divdesmit" un "trīsdesmit", attālums starp kuriem ir sadalīts desmit atstarpēs. Šajā gadījumā dalījuma vērtība būs vienāda ar vienu.

Precīzi mērījumi un ar kļūdu

Mērījumi ir vairāk vai mazāk precīzi. Pieļaujamo neprecizitāti sauc par kļūdas robežu. Mērot tas nevar būt lielāks par mērierīces dalījuma vērtību.

Precizitāte ir atkarīga no skalas intervāla un instrumenta pareizas lietošanas. Bet galu galā jebkurā mērījumā tiek iegūtas tikai aptuvenas vērtības.

Teorētiskā un eksperimentālā fizika

Šīs ir galvenās zinātnes nozares. Var šķist, ka viņi ir ļoti tālu viens no otra, jo īpaši tāpēc, ka lielākā daļa cilvēku ir vai nu teorētiķi, vai eksperimentētāji. Tomēr tie pastāvīgi attīstās līdzās. Jebkuru problēmu izskata gan teorētiķi, gan eksperimentētāji. Pirmo uzdevums ir aprakstīt datus un izvirzīt hipotēzes, bet otrās pārbauda teorijas praksē, veicot eksperimentus un iegūstot jaunus datus. Dažkārt sasniegumus rada tikai eksperimenti, bez teoriju apraksta. Citos gadījumos, gluži pretēji, ir iespējams iegūt rezultātus, kas tiek pārbaudīti vēlāk.

Kvantu fizika

Šis virziens radās 1900. gada beigās, kad tika atklāta jauna fizikālā fundamentālā konstante, ko sauca par Planka konstanti par godu vācu fiziķim, kurš to atklāja, Maksam Plankam. Viņš atrisināja sakarsētu ķermeņu izstarotās gaismas spektrālā sadalījuma problēmu, savukārt klasiskā vispārējā fizika to nevarēja izdarīt. Planks izvirzīja hipotēzi par oscilatora kvantu enerģiju, kas nebija savienojama ar klasisko fiziku. Pateicoties tam, daudzi fiziķi sāka pārskatīt vecos jēdzienus, tos mainīt, kā rezultātā radās kvantu fizika. Tas ir pilnīgi jauns skatījums uz pasauli.

un apziņa

Cilvēka apziņas fenomens no skatu punkta nav gluži jauns. Tās pamatus ielika Jungs un Pauli. Taču tikai tagad, veidojoties šim jaunajam zinātnes virzienam, fenomenu sāka apsvērt un pētīt plašākā mērogā.

Kvantu pasaule ir daudzpusīga un daudzdimensionāla, tai ir daudz klasisku seju un projekciju.

Divas galvenās īpašības piedāvātās koncepcijas ietvaros ir superintuīcija (tas ir, informācijas iegūšana it kā no nekurienes) un subjektīvās realitātes kontrole. Parastā apziņā cilvēks var redzēt tikai vienu pasaules attēlu un nespēj apsvērt divus uzreiz. Lai gan patiesībā to ir ļoti daudz. Tas viss kopā ir kvantu pasaule un gaisma.

Tieši kvantu fizika māca ieraudzīt cilvēkam jaunu realitāti (lai gan daudzām austrumu reliģijām, kā arī burvjiem šāda tehnika jau sen pieder). Ir tikai jāmaina cilvēka apziņa. Tagad cilvēks ir neatdalāms no visas pasaules, bet tiek ņemtas vērā visu dzīvo būtņu un lietu intereses.

Tieši tad, ienirstot stāvoklī, kurā viņš spēj saskatīt visas alternatīvas, viņš nonāk pie ieskata, kas ir absolūta patiesība.

Dzīves princips no kvantu fizikas viedokļa ir, lai cilvēks cita starpā veicinātu labāku pasaules kārtību.

Es domāju, ka var droši teikt, ka neviens nesaprot kvantu mehāniku.

Fiziķis Ričards Feinmens

Nav pārspīlēts teikt, ka pusvadītāju ierīču izgudrojums bija revolūcija. Tas ir ne tikai iespaidīgs tehnoloģiju sasniegums, bet arī pavēra ceļu notikumiem, kas uz visiem laikiem mainīs mūsdienu sabiedrību. Pusvadītāju ierīces izmanto visu veidu mikroelektronikas ierīcēs, tostarp datoros, noteikta veida medicīniskās diagnostikas un ārstēšanas iekārtās un populārās telekomunikāciju ierīcēs.

Bet aiz šīs tehnoloģiskās revolūcijas slēpjas vēl vairāk — revolūcija vispārējā zinātnē: joma kvantu teorija. Bez šī lēciena dabas pasaules izpratnē pusvadītāju ierīču (un jaunāko elektronisko ierīču izstrādes stadijā) izstrāde nekad nebūtu bijusi veiksmīga. Kvantu fizika ir neticami sarežģīta zinātnes nozare. Šajā nodaļā ir sniegts tikai īss pārskats. Kad tādi zinātnieki kā Feinmens saka "neviens [to] nesaprot", jūs varat būt pārliecināti, ka šī ir patiešām sarežģīta tēma. Bez pamata izpratnes par kvantu fiziku vai vismaz izpratnes par zinātniskajiem atklājumiem, kas noveda pie to attīstības, nav iespējams saprast, kā un kāpēc darbojas pusvadītāju elektroniskās ierīces. Lielākā daļa elektronikas mācību grāmatu mēģina izskaidrot pusvadītājus ar "klasisko fiziku", tādējādi padarot tos vēl mulsinošākus.

Daudzi no mums ir redzējuši atomu modeļu diagrammas, kas izskatās kā attēlā zemāk.

Rezerforda atoms: negatīvie elektroni griežas ap nelielu pozitīvu kodolu

Sīkas matērijas daļiņas sauc protoni Un neitroni, veido atoma centru; elektroni griežas kā planētas ap zvaigzni. Kodolam ir pozitīvs elektriskais lādiņš protonu klātbūtnes dēļ (neitroniem nav elektriskā lādiņa), savukārt atoma balansējošais negatīvais lādiņš atrodas orbītā esošajos elektronos. Negatīvie elektroni tiek piesaistīti pozitīviem protoniem, tāpat kā planētas tiek piesaistītas Saulei, bet orbītas ir stabilas elektronu kustības dēļ. Mēs esam parādā šo populāro atoma modeli Ernesta Raterforda darbam, kurš ap 1911. gadu eksperimentāli noteica, ka atomu pozitīvie lādiņi ir koncentrēti niecīgā, blīvā kodolā un nav vienmērīgi sadalīti pa diametru, kā iepriekš bija pieņēmis pētnieks Dž.Dž.Tomsons. .

Rezerforda izkliedes eksperiments sastāv no plānas zelta folijas bombardēšanas ar pozitīvi lādētām alfa daļiņām, kā parādīts attēlā zemāk. Jaunie absolventi H. Geigers un E. Marsdens guva negaidītus rezultātus. Dažu alfa daļiņu trajektorija tika novirzīta lielā leņķī. Dažas alfa daļiņas tika izkliedētas atpakaļ gandrīz 180 ° leņķī. Lielākā daļa daļiņu izgāja cauri zelta folijai, nemainot savu trajektoriju, it kā folijas nemaz nebūtu. Fakts, ka vairākas alfa daļiņas piedzīvoja lielas novirzes to trajektorijā, norāda uz kodolu klātbūtni ar nelielu pozitīvu lādiņu.

Rezerforda izkliede: alfa daļiņu staru izkliedē plāna zelta folija

Lai gan Rezerforda atoma modeli eksperimentālie dati atbalstīja labāk nekā Tomsona modeli, tas joprojām bija nepilnīgs. Tika veikti turpmāki mēģinājumi noteikt atoma struktūru, un šie centieni palīdzēja pavērt ceļu dīvainajiem kvantu fizikas atklājumiem. Mūsdienās mūsu izpratne par atomu ir nedaudz sarežģītāka. Tomēr, neskatoties uz kvantu fizikas revolūciju un tās ieguldījumu mūsu izpratnē par atoma uzbūvi, Rezerforda Saules sistēmas kā atoma struktūras attēlojums tautas apziņā ir iesakņojies tādā mērā, ka tas saglabājas izglītības jomās, pat ja tas ir nevietā.

Apsveriet šo īso elektronu aprakstu atomā, kas ņemts no populāras elektronikas mācību grāmatas:

Rotējošie negatīvie elektroni tiek piesaistīti pozitīvajam kodolam, kas mūs noved pie jautājuma, kāpēc elektroni nelido atoma kodolā. Atbilde ir tāda, ka rotējošie elektroni paliek savā stabilā orbītā divu vienādu, bet pretēju spēku dēļ. Centrbēdzes spēks, kas iedarbojas uz elektroniem, ir vērsts uz āru, un lādiņu pievilcīgais spēks cenšas vilkt elektronus uz kodolu.

Saskaņā ar Rezerforda modeli autors elektronus uzskata par cietām matērijas daļām, kas aizņem apaļas orbītas, kuru iekšējā pievilcība pret pretēji lādētu kodolu tiek līdzsvarota ar to kustību. Termina "centrbēdzes spēks" lietojums ir tehniski nepareizs (pat attiecībā uz planētām, kas riņķo), taču tas ir viegli piedodams, jo modelis ir populārs: patiesībā nav tādas lietas kā spēks, atbaidošsjebkura rotējošs ķermenis no orbītas centra. Šķiet, ka tas tā ir, jo ķermeņa inercei ir tendence noturēt to kustībā taisnā līnijā, un, tā kā orbīta ir pastāvīga novirze (paātrinājums) no taisnvirziena kustības, pastāv pastāvīga inerciāla reakcija uz jebkuru spēku, kas piesaista ķermeni centram. orbītas (centripetāla) neatkarīgi no tā, vai tas ir gravitācija, elektrostatiskā pievilcība vai pat mehāniskās saites spriegums.

Tomēr šī skaidrojuma patiesā problēma, pirmkārt, ir ideja par elektroniem, kas pārvietojas apļveida orbītā. Pierādīts fakts, ka paātrināti elektriskie lādiņi izstaro elektromagnētisko starojumu, šis fakts bija zināms pat Rezerforda laikos. Tā kā rotācijas kustība ir paātrinājuma veids (rotējošs objekts ar pastāvīgu paātrinājumu, velkot objektu prom no tā parastās taisnvirziena kustības), elektroniem rotējošā stāvoklī ir jāizstaro starojums kā dubļi no griežamā riteņa. Elektroni paātrinājās pa apļveida ceļiem daļiņu paātrinātājos, ko sauc sinhrotroni ir zināms, ka to dara, un rezultāts tiek saukts sinhrotronu starojums. Ja elektroni šādā veidā zaudētu enerģiju, to orbītas galu galā tiktu izjauktas, un rezultātā tie sadurtos ar pozitīvi lādētu kodolu. Tomēr atomu iekšienē tas parasti nenotiek. Patiešām, elektroniskās "orbītas" ir pārsteidzoši stabilas dažādos apstākļos.

Turklāt eksperimenti ar "satrauktajiem" atomiem ir parādījuši, ka elektromagnētisko enerģiju atoms izstaro tikai noteiktās frekvencēs. Atomus "satrauc" ārējā ietekme, piemēram, gaisma, kas, kā zināms, absorbē enerģiju un atgriež elektromagnētiskos viļņus noteiktās frekvencēs, līdzīgi kā kamertonis, kas nezvana noteiktā frekvencē, līdz tiek trāpīts. Kad ierosinātā atoma izstarotā gaisma tiek sadalīta ar prizmu tās sastāvdaļu frekvencēs (krāsās), tiek atrastas atsevišķas spektra krāsu līnijas, spektrālās līnijas modelis ir unikāls ķīmiskajam elementam. Šo parādību parasti izmanto, lai identificētu ķīmiskos elementus un pat noteiktu katra elementa proporcijas savienojumā vai ķīmiskajā maisījumā. Saskaņā ar Raterforda atoma modeļa Saules sistēmu (attiecībā pret elektroniem, kā matērijas gabaliņiem, kas brīvi rotē orbītā ar noteiktu rādiusu) un klasiskās fizikas likumiem, ierosinātajiem atomiem ir jāatdod enerģija gandrīz bezgalīgā frekvenču diapazonā, nevis izvēlētajās frekvencēs. Citiem vārdiem sakot, ja Rezerforda modelis būtu pareizs, tad nebūtu "skaņotāja" efekta, un jebkura atoma izstarotais krāsu spektrs parādītos kā nepārtraukta krāsu josla, nevis kā vairākas atsevišķas līnijas.

Bora ūdeņraža atoma modelis (ar orbītām, kas novilktas pēc mēroga) pieņem, ka elektroni atrodas tikai diskrētās orbītās. Elektroni, kas pārvietojas no n = 3, 4, 5 vai 6 uz n = 2, tiek parādīti Balmera spektrālo līniju sērijā

Pētnieks Nīls Bors mēģināja uzlabot Raterforda modeli pēc tam, kad 1912. gadā vairākus mēnešus bija pētījis to Raterforda laboratorijā. Mēģinot saskaņot citu fiziķu (īpaši Maksa Planka un Alberta Einšteina) rezultātus, Bors ierosināja, ka katram elektronam ir noteikts, konkrēts enerģijas daudzums un ka to orbītas ir sadalītas tā, lai katrs no tiem varētu ieņemt noteiktas vietas apkārt. kodols, piemēram, bumbiņas. , fiksēts uz apļveida ceļiem ap kodolu, nevis kā brīvi kustīgi pavadoņi, kā tika pieņemts iepriekš (attēls iepriekš). Ievērojot elektromagnētisma un paātrinošo lādiņu likumus, Bors apzīmēja "orbītas" kā stacionāri stāvokļi lai izvairītos no interpretācijas, ka viņi ir mobili.

Lai gan Bora ambiciozais mēģinājums pārdomāt atoma struktūru, kas vairāk atbilst eksperimentālajiem datiem, bija pagrieziena punkts fizikā, tas netika pabeigts. Viņa matemātiskā analīze labāk prognozēja eksperimentu rezultātus nekā iepriekšējie modeļi, taču joprojām bija neatbildēti jautājumi par to, vai kāpēc elektroniem jārīkojas tik dīvaini. Apgalvojums, ka elektroni eksistēja stacionāros kvantu stāvokļos ap kodolu, labāk korelēja ar eksperimentālajiem datiem nekā Raterforda modelis, taču netika teikts, kas liek elektroniem uzņemties šos īpašos stāvokļus. Atbilde uz šo jautājumu bija nākusi no cita fiziķa Luija de Brolija, kādus desmit gadus vēlāk.

De Broglie ierosināja, ka elektroniem, tāpat kā fotoniem (gaismas daļiņām), ir gan daļiņu, gan viļņu īpašības. Pamatojoties uz šo pieņēmumu, viņš ierosināja, ka rotējošo elektronu analīze viļņu izteiksmē ir labāka nekā daļiņu analīze un var sniegt plašāku ieskatu to kvantu dabā. Patiešām, izpratnē tika panākts vēl viens izrāviens.

Virkne, kas vibrē ar rezonanses frekvenci starp diviem fiksētiem punktiem, veido stāvviļņu

Atoms, saskaņā ar de Broglie teikto, sastāvēja no stāvošiem viļņiem, kas dažādās formās ir labi pazīstama fiziķiem. Tāpat kā mūzikas instrumenta noplūktā stīga (attēlā augstāk), kas vibrē rezonanses frekvencē, ar "mezgliem" un "pretmezgliem" stabilās vietās visā garumā. De Broglie iztēlojās elektronus ap atomiem kā viļņus, kas izliekti aplī (attēls zemāk).

"Rotējošie" elektroni kā stāvošs vilnis ap kodolu, (a) divi cikli orbītā, (b) trīs cikli orbītā

Elektroni var pastāvēt tikai noteiktās, specifiskās "orbītās" ap kodolu, jo tie ir vienīgie attālumi, kur viļņa gali sakrīt. Jebkurā citā rādiusā vilnis destruktīvi sadursies ar sevi un tādējādi pārstās eksistēt.

De Broglie hipotēze sniedza gan matemātisko sistēmu, gan ērtu fizikālu analoģiju, lai izskaidrotu elektronu kvantu stāvokļus atomā, taču viņa atoma modelis joprojām bija nepilnīgs. Vairākus gadus fiziķi Verners Heizenbergs un Ervins Šrēdingers, strādājot neatkarīgi, ir strādājuši pie de Broglie koncepcijas par viļņu daļiņu dualitāti, lai izveidotu stingrākus subatomisko daļiņu matemātiskos modeļus.

Šī teorētiskā virzība no de Broglie primitīvā stāvviļņu modeļa uz Heizenberga matricas un Šrēdingera diferenciālvienādojuma modeļiem tika nosaukta par kvantu mehāniku, un tā subatomisko daļiņu pasaulē ir ieviesusi diezgan šokējošu iezīmi: varbūtības zīmi, vai nenoteiktība. Saskaņā ar jauno kvantu teoriju nebija iespējams vienā brīdī noteikt precīzu daļiņas atrašanās vietu un precīzu impulsu. Populārs skaidrojums šim "nenoteiktības principam" bija mērījumu kļūda (tas ir, mēģinot precīzi izmērīt elektrona pozīciju, jūs traucējat tā impulsu, un tāpēc nevarat zināt, kas tas bija, pirms sākat mērīt pozīciju , un otrādi). Kvantu mehānikas sensacionālais secinājums ir tāds, ka daļiņām nav precīzu pozīciju un momentu, un šo divu lielumu attiecības dēļ to kopējā nenoteiktība nekad nesamazinās zem noteiktas minimālās vērtības.

Šis "nenoteiktības" savienojuma veids pastāv arī citās jomās, nevis kvantu mehānikā. Kā minēts šīs grāmatu sērijas 2. sējuma nodaļā "Jauktās frekvences maiņstrāvas signāli", pastāv savstarpēji izslēdzošas attiecības starp viļņu formas laika domēna datu pārliecību un tās frekvenču domēna datiem. Vienkārši sakot, jo vairāk mēs zinām tā komponentu frekvences, jo mazāk precīzi zinām tā amplitūdu laika gaitā un otrādi. Citējot sevi:

Bezgalīga ilguma signālu (bezgalīgu ciklu skaitu) var analizēt ar absolūtu precizitāti, bet jo mazāk ciklu ir pieejams datoram analīzei, jo neprecīzāka ir analīze... Jo mazāk signāla periodu, jo mazāk precīza ir tā frekvence. . Ņemot šo koncepciju līdz tās loģiskajai galējībai, īsam impulsam (pat ne pilnam signāla periodam) patiesībā nav noteiktas frekvences, tas ir bezgalīgs frekvenču diapazons. Šis princips ir kopīgs visām viļņu parādībām, un ne tikai mainīgiem spriegumiem un strāvām.

Lai precīzi noteiktu mainīgā signāla amplitūdu, mums tas ir jāizmēra ļoti īsā laikā. Tomēr tas ierobežo mūsu zināšanas par viļņa frekvenci (vilnim kvantu mehānikā nav jābūt līdzīgam sinusoidālajam vilnim; šāda līdzība ir īpašs gadījums). No otras puses, lai ar lielu precizitāti noteiktu viļņa frekvenci, mums tas ir jāmēra daudzos periodos, kas nozīmē, ka mēs jebkurā brīdī pazaudēsim tā amplitūdu. Tādējādi mēs nevaram vienlaikus ar neierobežotu precizitāti zināt jebkura viļņa momentāno amplitūdu un visas frekvences. Vēl viena dīvainība, šī nenoteiktība ir daudz lielāka par novērotāja neprecizitāti; tas ir pašā viļņa būtībā. Tas tā nav, lai gan, izmantojot atbilstošu tehnoloģiju, būtu iespējams vienlaikus nodrošināt precīzus gan momentānās amplitūdas, gan frekvences mērījumus. Burtiskā nozīmē vilnim nevar vienlaikus būt precīza momentāna amplitūda un precīza frekvence.

Heizenberga un Šrēdingera izteiktajai daļiņu stāvokļa un impulsa minimālajai nenoteiktībai nav nekāda sakara ar mērījumu ierobežojumiem; drīzāk tā ir daļiņas viļņu-daļiņu dualitātes būtības īpašība. Tāpēc elektroni patiesībā nepastāv savās "orbītās" kā skaidri noteiktas matērijas daļiņas vai pat kā skaidri noteiktas viļņu formas, bet drīzāk kā "mākoņi" - tehnisks termins. viļņu funkcija varbūtības sadalījumi, it kā katrs elektrons būtu "izkliedēts" vai "izsmērēts" vairāku pozīciju un momentu diapazonā.

Šis radikālais uzskats par elektroniem kā nenoteiktiem mākoņiem sākotnēji ir pretrunā ar sākotnējo elektronu kvantu stāvokļu principu: elektroni pastāv diskrētās, noteiktās "orbītās" ap atoma kodolu. Galu galā šis jaunais skatījums bija atklājums, kas noveda pie kvantu teorijas veidošanās un skaidrošanas. Cik dīvaini šķiet, ka teorija, kas izveidota, lai izskaidrotu elektronu diskrēto uzvedību, galu galā paziņo, ka elektroni pastāv kā "mākoņi", nevis kā atsevišķi matērijas gabali. Tomēr elektronu kvantu uzvedība nav atkarīga no elektroniem, kuriem ir noteiktas koordinātu un impulsa vērtības, bet gan no citām īpašībām, t.s. kvantu skaitļi. Būtībā kvantu mehānika atsakās no vispārpieņemtiem absolūtās pozīcijas un absolūtā momenta jēdzieniem un aizstāj tos ar absolūtajiem tipu jēdzieniem, kuriem nav analogu parastajā praksē.

Pat ja ir zināms, ka elektroni eksistē bezķermeņainās, "mākoņainās" sadalītās varbūtības formās, nevis atsevišķās matērijas daļās, šiem "mākoņiem" ir nedaudz atšķirīgas īpašības. Jebkuru elektronu atomā var aprakstīt ar četriem skaitliskiem mēriem (iepriekš minētie kvantu skaitļi), ko sauc galvenais (radiāls), orbīta (azimuts), magnētisks Un spin cipariem. Tālāk ir sniegts īss pārskats par katra no šiem skaitļiem:

Galvenais (radiālais) kvantu skaitlis: apzīmēts ar burtu n, šis skaitlis raksturo apvalku, uz kura atrodas elektrons. Elektronu "apvalks" ir telpas apgabals ap atoma kodolu, kurā var pastāvēt elektroni, kas atbilst de Brolija un Bora stabilajiem "stāvošā viļņa" modeļiem. Elektroni var "lēkt" no čaulas uz apvalku, bet nevar pastāvēt starp tiem.

Galvenajam kvantu skaitlim ir jābūt pozitīvam veselam skaitlim (lielākam par 1 vai vienādam ar to). Citiem vārdiem sakot, elektrona galvenais kvantu skaitlis nevar būt 1/2 vai -3. Šie veselie skaitļi netika izvēlēti patvaļīgi, bet gan ar eksperimentāliem gaismas spektra pierādījumiem: ierosināto ūdeņraža atomu izstarotās gaismas dažādās frekvences (krāsas) atbilst matemātiskām attiecībām atkarībā no konkrētām veselu skaitļu vērtībām, kā parādīts attēlā zemāk.

Katram apvalkam ir iespēja noturēt vairākus elektronus. Elektronu apvalku analoģija ir koncentriskas sēdekļu rindas amfiteātrī. Tāpat kā amfiteātrī sēdošajam ir jāizvēlas rinda, kur apsēsties (viņš nevar sēdēt starp rindām), elektroniem ir "jāizvēlas" konkrēts apvalks, lai "apsēstos". Tāpat kā rindas amfiteātrī, ārējie apvalki satur vairāk elektronu nekā čaulas, kas atrodas tuvāk centram. Tāpat elektroniem ir tendence atrast mazāko pieejamo apvalku, tāpat kā cilvēki amfiteātrī meklē vietu, kas ir vistuvāk centrālajai skatuvei. Jo lielāks ir čaulas skaitlis, jo vairāk enerģijas uz tā ir elektroniem.

Maksimālo elektronu skaitu, ko var saturēt jebkura apvalka, apraksta ar vienādojumu 2n 2 , kur n ir galvenais kvantu skaitlis. Tādējādi pirmajā apvalkā (n = 1) var būt 2 elektroni; otrais apvalks (n = 2) - 8 elektroni; un trešais apvalks (n = 3) - 18 elektroni (attēls zemāk).

Galvenais kvantu skaitlis n un maksimālais elektronu skaits ir saistīti ar formulu 2(n 2). Orbītas nav mērogā.

Elektronu apvalki atomā tika apzīmēti ar burtiem, nevis cipariem. Pirmais apvalks (n = 1) tika apzīmēts ar K, otrais apvalks (n = 2) L, trešais apvalks (n = 3) M, ceturtais apvalks (n = 4) N, piektais apvalks (n = 5) O, sestais apvalks (n = 6) P un septītais apvalks (n = 7) B.

Orbitālais (azimuta) kvantu skaitlis: apvalks, kas sastāv no apakščaulām. Dažiem var šķist ērtāk uzskatīt apakščaulas kā vienkāršus čaulu posmus, piemēram, joslas, kas sadala ceļu. Apakščaulas ir daudz dīvainākas. Apakščaulas ir telpas apgabali, kuros var pastāvēt elektronu "mākoņi", un patiesībā dažādiem apakščauliem ir dažādas formas. Pirmais apakšapvalks ir bumbiņas formā (attēls zemāk (s)), kas ir jēga, ja to vizualizē kā elektronu mākoni, kas trīs dimensijās ieskauj atoma kodolu.

Otrais apakšapvalks atgādina hanteli, kas sastāv no divām "ziedlapiņām", kas savienotas vienā punktā netālu no atoma centra (attēls zemāk (p)).

Trešā apakščaula parasti atgādina četru "ziedlapu" kopu, kas sagrupētas ap atoma kodolu. Šīs apakščaulas formas atgādina antenas modeļu grafiskus attēlojumus ar sīpoliem līdzīgām daivām, kas stiepjas no antenas dažādos virzienos (attēls zemāk (d)).

Orbitāles:
s) trīskāršā simetrija;
(p) Parādīts: p x , viena no trim iespējamajām orientācijām (p x , p y , p z) pa attiecīgajām asīm;
(d) Parādīts: d x 2 -y 2 ir līdzīgs d xy , d yz , d xz . Parādīts: d z 2 . Iespējamo d-orbitāļu skaits: piecas.

Orbitālā kvantu skaitļa derīgās vērtības ir pozitīvi veseli skaitļi, tāpat kā galvenajam kvantu skaitlim, bet ietver arī nulli. Šos kvantu skaitļus elektroniem apzīmē ar burtu l. Apakščaulu skaits ir vienāds ar čaulas galveno kvantu skaitu. Tādējādi pirmajam apvalkam (n = 1) ir viena apakščaula ar skaitli 0; otrajam apvalkam (n = 2) ir divas apakščaulas, kas numurētas ar 0 un 1; trešajam apvalkam (n = 3) ir trīs apakščaulas, kas numurētas ar 0, 1 un 2.

Vecajā apakščaulas konvencijā tika izmantoti burti, nevis cipari. Šajā formātā pirmā apakščaula (l = 0) tika apzīmēta ar s, otrā apakščaula (l = 1) tika apzīmēta ar p, trešā apakščaula (l = 2) tika apzīmēta ar d, bet ceturtā apakščaula (l = 3) apzīmēts ar f. Vēstules nāca no vārdiem: asas, galvenais, izkliedēts Un Fundamentāls. Šos apzīmējumus joprojām var redzēt daudzās periodiskajās tabulās, ko izmanto, lai apzīmētu ārējās ( valence) atomu čaulas.

a) sudraba atoma Bora attēlojums,
(b) Ag orbitālais attēlojums ar čaulu sadalīšanu apakščaulās (orbitālais kvantu skaitlis l).
Šī diagramma neko nenozīmē par elektronu faktisko stāvokli, bet tikai attēlo enerģijas līmeņus.

Magnētiskais kvantu skaitlis: elektrona magnētiskais kvantu skaitlis klasificē elektronu apakščaulas figūras orientāciju. Apakščaulu "ziedlapiņas" var virzīt vairākos virzienos. Šīs dažādās orientācijas sauc par orbitālēm. Pirmajai apakščaulai (s; l = 0), kas atgādina sfēru, "virziens" nav norādīts. Katrai čaulai otrai (p; l = 1) apakščaulai, kas atgādina hanteles, kas norāda trīs iespējamos virzienos. Iedomājieties trīs hanteles, kas krustojas sākuma punktā, un katra norāda pa savu asi triaksiālā koordinātu sistēmā.

Dotā kvantu skaitļa derīgās vērtības sastāv no veseliem skaitļiem no -l līdz l, un šis skaitlis tiek apzīmēts kā m l atomu fizikā un z kodolfizikā. Lai aprēķinātu orbitāļu skaitu jebkurā apakščaulā, jums ir nepieciešams dubultot apakščaulas numuru un pievienot 1, (2∙l + 1). Piemēram, pirmā apakščaula (l = 0) jebkurā čaulā satur vienu orbitāli ar numuru 0; otrā apakščaula (l = 1) jebkurā apvalkā satur trīs orbitāles ar skaitļiem -1, 0 un 1; trešajā apakšapvalkā (l = 2) ir piecas orbitāles, kas numurētas ar -2, -1, 0, 1 un 2; utt.

Tāpat kā galvenais kvantu skaitlis, arī magnētiskais kvantu skaitlis radās tieši no eksperimentāliem datiem: Zēmana efekts, spektrālo līniju atdalīšana, pakļaujot jonizētu gāzi magnētiskajam laukam, tāpēc arī nosaukums "magnētiskais" kvantu skaitlis.

Griezuma kvantu skaitlis: tāpat kā magnētiskais kvantu skaitlis, šī atoma elektronu īpašība tika atklāta eksperimentos. Rūpīgi novērojot spektrālās līnijas, tika konstatēts, ka katra līnija patiesībā bija pāris ļoti cieši izvietotu līniju, ir izskanējis viedoklis, ka šī t.s. smalka struktūra bija rezultāts tam, ka katrs elektrons "griežas" ap savu asi, piemēram, planēta. Elektroni ar dažādiem "spiniņiem" uzbudināti izdalītu nedaudz atšķirīgas gaismas frekvences. Vērpšanas elektronu koncepcija tagad ir novecojusi, jo tā ir vairāk piemērota (nepareizam) priekšstatam par elektroniem kā atsevišķām matērijas daļiņām, nevis kā "mākoņiem", taču nosaukums paliek.

Griešanās kvantu skaitļi tiek apzīmēti kā jaunkundze atomu fizikā un sz kodolfizikā. Katrā orbitālē katrā apakščaulā var būt divi elektroni, viens ar spinu +1/2 un otrs ar spinu -1/2.

Fiziķis Volfgangs Pauli izstrādāja principu, kas izskaidro elektronu secību atomā atbilstoši šiem kvantu skaitļiem. Viņa princips, saukts Pauli izslēgšanas princips, norāda, ka divi elektroni vienā atomā nevar ieņemt vienus un tos pašus kvantu stāvokļus. Tas nozīmē, ka katram elektronam atomā ir unikāls kvantu skaitļu kopums. Tas ierobežo elektronu skaitu, kas var aizņemt jebkuru orbitāli, apakšapvalku un apvalku.

Tas parāda elektronu izvietojumu ūdeņraža atomā:

Ar vienu protonu kodolā atoms pieņem vienu elektronu savam elektrostatiskajam līdzsvaram (protona pozitīvais lādiņš ir precīzi līdzsvarots ar elektrona negatīvo lādiņu). Šis elektrons atrodas apakšējā apvalkā (n = 1), pirmajā apakšapvalkā (l = 0), šī apakščaulas vienīgajā orbitālē (telpiskā orientācija) (m l = 0), ar spina vērtību 1/2. Šīs struktūras vispārīgā aprakstīšanas metode ir elektronu uzskaitīšana atbilstoši to apvalkiem un apakščaulām saskaņā ar vienošanos, ko sauc par spektroskopiskais apzīmējums. Šajā apzīmējumā čaulas numurs tiek parādīts kā vesels skaitlis, apakščaula kā burts (s,p,d,f), bet kopējais elektronu skaits apakščaulā (visas orbitāles, visi spini) kā augšindekss. Tādējādi ūdeņradis ar vienu elektronu, kas atrodas bāzes līmenī, tiek aprakstīts kā 1s 1 .

Pārejot uz nākamo atomu (atomu skaita secībā), mēs iegūstam elementu hēlijs:

Hēlija atoma kodolā ir divi protoni, kuriem ir nepieciešami divi elektroni, lai līdzsvarotu dubulto pozitīvo elektrisko lādiņu. Tā kā divi elektroni - viens ar spinu 1/2 un otrs ar spin -1/2 - atrodas vienā orbitālē, hēlija elektroniskajai struktūrai nav nepieciešami papildu apakščaulas vai čaulas, lai noturētu otru elektronu.

Tomēr atomam, kuram nepieciešami trīs vai vairāk elektroni, būs nepieciešami papildu apakšapvalki, lai noturētu visus elektronus, jo apakšējā apvalkā var atrasties tikai divi elektroni (n = 1). Apsveriet nākamo atomu litija atomu skaita palielināšanas secībā:

Litija atoms izmanto daļu no apvalka kapacitātes L (n = 2). Šī apvalka kopējā kapacitāte faktiski ir astoņi elektroni (maksimālā apvalka kapacitāte = 2n 2 elektroni). Ja mēs ņemam vērā atoma struktūru ar pilnībā aizpildītu L apvalku, mēs redzam, kā visas apakšapvalku, orbitāļu un spinu kombinācijas aizņem elektroni:

Bieži vien, piešķirot atomam spektroskopisku apzīmējumu, visi pilnībā aizpildītie apvalki tiek izlaisti un tiek apzīmēti neaizpildītie apvalki un augstākā līmeņa aizpildītie apvalki. Piemēram, elementu neons (parādīts attēlā iepriekš), kuram ir divi pilnībā piepildīti apvalki, spektrāli var vienkārši aprakstīt kā 2p 6, nevis kā 1s 22 s 22 p 6. Litiju ar pilnībā piepildītu K apvalku un vienu elektronu L apvalkā var vienkārši raksturot kā 2s 1, nevis 1s 22 s 1.

Pilnībā aizpildītu zemāka līmeņa čaulu izlaišana nav paredzēta tikai apzīmējumu ērtībai. Tas arī ilustrē ķīmijas pamatprincipu: elementa ķīmisko uzvedību galvenokārt nosaka tā neaizpildītie apvalki. Gan ūdeņradim, gan litijam ārējos apvalkos ir viens elektrons (attiecīgi kā 1 un 2s 1), tas ir, abiem elementiem ir līdzīgas īpašības. Abi ir ļoti reaģējoši un reaģē gandrīz identiski (līdzīgos apstākļos saistās ar līdzīgiem elementiem). Nav īsti svarīgi, ka litijam ir pilnībā piepildīts K veida apvalks zem gandrīz brīva L veida apvalka: neaizpildītais L veida apvalks nosaka tā ķīmisko uzvedību.

Elementi, kuriem ir pilnībā aizpildīti ārējie apvalki, tiek klasificēti kā cēli, un tiem raksturīgs gandrīz pilnīgs reakcijas trūkums ar citiem elementiem. Šie elementi tika klasificēti kā inerti, ja tika uzskatīts, ka tie vispār nereaģē, bet ir zināms, ka noteiktos apstākļos tie veido savienojumus ar citiem elementiem.

Tā kā elementiem ar vienādu elektronu konfigurāciju ārējos apvalkos ir līdzīgas ķīmiskās īpašības, Dmitrijs Mendeļejevs ķīmiskos elementus attiecīgi sakārtoja tabulā. Šī tabula ir pazīstama kā , un mūsdienu tabulas atbilst šim vispārīgajam izkārtojumam, kas parādīts attēlā zemāk.

Ķīmisko elementu periodiskā tabula

Krievu ķīmiķis Dmitrijs Mendeļejevs bija pirmais, kurš izstrādāja periodisko elementu tabulu. Lai gan Mendeļejevs sakārtoja savu tabulu pēc atommasas, nevis pēc atomu skaita un izveidoja tabulu, kas nebija tik noderīga kā mūsdienu periodiskās tabulas, viņa attīstība ir lielisks zinātniska pierādījuma piemērs. Redzot periodiskuma modeļus (līdzīgas ķīmiskās īpašības atkarībā no atomu masas), Mendeļejevs izvirzīja hipotēzi, ka visiem elementiem ir jāiekļaujas šajā sakārtotajā shēmā. Atklājot tabulā "tukšas" vietas, viņš sekoja esošās kārtības loģikai un pieņēma vēl nezināmu elementu esamību. Turpmākā šo elementu atklāšana apstiprināja Mendeļejeva hipotēzes zinātnisko pareizību, un turpmākie atklājumi noveda pie periodiskās tabulas formas, ko mēs izmantojam tagad.

Kā šis vajadzētu darba zinātne: hipotēzes noved pie loģiskiem secinājumiem un tiek pieņemtas, mainītas vai noraidītas atkarībā no eksperimentālo datu atbilstības to secinājumiem. Jebkurš muļķis var formulēt hipotēzi pēc fakta, lai izskaidrotu pieejamos eksperimentālos datus, un daudzi to dara. Zinātnisko hipotēzi no post hoc spekulācijām atšķir nākotnes eksperimentālo datu prognozēšana, kas vēl nav savākti, un, iespējams, šo datu atspēkošana. Drosmīgi novest hipotēzi līdz tās loģiskam(-iem) secinājumam(-iem), un mēģinājums paredzēt turpmāko eksperimentu rezultātus nav dogmatisks ticības lēciens, bet gan šīs hipotēzes publiska pārbaude, atklāts izaicinājums hipotēzes pretiniekiem. Citiem vārdiem sakot, zinātniskās hipotēzes vienmēr ir "riskantas", jo mēģina paredzēt vēl neveiktu eksperimentu rezultātus, un tāpēc tās var viltot, ja eksperimenti nenotiek tā, kā paredzēts. Tādējādi, ja hipotēze pareizi paredz atkārtotu eksperimentu rezultātus, tā tiek atspēkota.

Kvantu mehānika vispirms kā hipotēze un pēc tam kā teorija ir izrādījusies ārkārtīgi veiksmīga, prognozējot eksperimentu rezultātus, un līdz ar to ir saņēmusi augstu zinātniskās ticamības pakāpi. Daudziem zinātniekiem ir pamats uzskatīt, ka šī ir nepilnīga teorija, jo tās prognozes ir vairāk patiesas mikrofizikālos mērogos nekā makroskopiskās, taču, neskatoties uz to, tā ir ārkārtīgi noderīga teorija, lai izskaidrotu un prognozētu daļiņu un atomu mijiedarbību.

Kā jūs redzējāt šajā nodaļā, kvantu fizika ir būtiska daudzu dažādu parādību aprakstīšanai un prognozēšanai. Nākamajā sadaļā mēs redzēsim tā nozīmi cietvielu, tostarp pusvadītāju, elektrovadītspējā. Vienkārši sakot, nekam ķīmijā vai cietvielu fizikā nav jēgas populārajā teorētiskajā elektronu struktūrā, kas pastāv kā atsevišķas matērijas daļiņas, kas riņķo ap atoma kodolu kā miniatūri pavadoņi. Ja elektronus uzskata par "viļņu funkcijām", kas pastāv noteiktos, diskrētos stāvokļos, kas ir regulāri un periodiski, tad matērijas uzvedību var izskaidrot.

Summējot

Elektroni atomos pastāv sadalītas varbūtības "mākoņos", nevis kā diskrētas matērijas daļiņas, kas riņķo ap kodolu, piemēram, miniatūri pavadoņi, kā liecina izplatīti piemēri.

Atsevišķiem elektroniem ap atoma kodolu ir tendence uz unikāliem "stāvokļiem", ko raksturo četri kvantu skaitļi: galvenais (radiālais) kvantu skaitlis, zināms kā apvalks; orbitālais (azimuta) kvantu skaitlis, zināms kā apakščaula; magnētiskais kvantu skaitlis aprakstot orbitālā(apakščaulas orientācija); Un griešanās kvantu skaitlis vai vienkārši spin. Šie stāvokļi ir kvanti, tas ir, “starp tiem” nav nosacījumu elektrona pastāvēšanai, izņemot stāvokļus, kas iekļaujas kvantu numerācijas shēmā.

Glanoe (radiālais) kvantu skaitlis (n) apraksta bāzes līmeni vai apvalku, kurā atrodas elektrons. Jo lielāks šis skaitlis, jo lielāks ir elektronu mākoņa rādiuss no atoma kodola un jo lielāka ir elektrona enerģija. Galvenie kvantu skaitļi ir veseli skaitļi (pozitīvi veseli skaitļi)

Orbitālais (azimutālais) kvantu skaitlis (l) apraksta elektronu mākoņa formu noteiktā apvalkā vai līmenī, un to bieži sauc par "apakščaulu". Jebkurā apvalkā ir tik daudz apakščaulu (elektronu mākoņa formu), cik čaulas galvenais kvantu skaitlis. Azimutālie kvantu skaitļi ir pozitīvi veseli skaitļi, kas sākas no nulles un beidzas ar skaitli, kas ir par vienu mazāks par galveno kvantu skaitli (n - 1).

Magnētiskais kvantu skaitlis (m l) apraksta, kāda ir apakščaulas (elektronu mākoņa formas) orientācija. Apakšapvalkiem var būt tik dažādas orientācijas, cik divreiz lielāks par apakščaulas skaitli (l) plus 1, (2l+1) (tas ir, ja l=1, ml = -1, 0, 1), un katru unikālo orientāciju sauc par orbitāli. . Šie skaitļi ir veseli skaitļi, kas sākas no apakščaulas skaitļa negatīvas vērtības (l) līdz 0 un beidzas ar apakščaulas skaitļa pozitīvu vērtību.

Pagrieziena kvantu skaitlis (m s) apraksta citu elektrona īpašību un var iegūt vērtības +1/2 un -1/2.

Pauli izslēgšanas princips saka, ka diviem elektroniem atomā nevar būt vienāda kvantu skaitļu kopa. Tāpēc katrā orbitālē var būt ne vairāk kā divi elektroni (spin=1/2 un spin=-1/2), 2l+1 orbitāles katrā apakščaulā un n apakščaulas katrā un ne vairāk.

Spektroskopiskais apzīmējums ir konvencija par atoma elektronisko struktūru. Apvalki tiek parādīti kā veseli skaitļi, kam seko apakščaulas burti (s, p, d, f) ar augšējo indeksu cipariem, kas norāda kopējo elektronu skaitu, kas atrasti katrā attiecīgajā apakščaulā.

Atoma ķīmisko uzvedību nosaka tikai elektroni neaizpildītās čaulās. Zema līmeņa čaumalas, kas ir pilnībā piepildītas, maz vai nemaz neietekmē elementu ķīmiskās saistīšanās īpašības.

Elementi ar pilnībā piepildītiem elektronu apvalkiem ir gandrīz pilnīgi inerti, un tos sauc cēls elementi (iepriekš zināmi kā inerti).