Esența fizicii cuantice. Fundamentele fizicii cuantice în cinci experimente pentru „manichini”

Fizica este cea mai misterioasă dintre toate știința. Fizica ne oferă o înțelegere a lumii din jurul nostru. Legile fizicii sunt absolute și se aplică tuturor fără excepții, indiferent de persoană și statut social.

Acest articol este destinat persoanelor peste 18 ani.

Ai deja peste 18 ani?

Descoperiri fundamentale în fizica cuantică

Isaac Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein și mulți alții sunt marii ghiduri ai omenirii în minunata lume a fizicii, care, asemenea profeților, au dezvăluit omenirii cele mai mari secrete ale universului și capacitatea de a controla fenomenele fizice. Capetele lor strălucitoare au tăiat prin întunericul ignoranței majorității nerezonabile și, ca o stea călăuzitoare, au arătat calea către umanitate în întunericul nopții. Unul dintre acești conducători în lumea fizicii a fost Max Planck, părintele fizicii cuantice.

Max Planck nu este doar fondatorul fizicii cuantice, ci și autorul celebrei teorii cuantice. Teoria cuantică este cea mai importantă componentă a fizicii cuantice. În termeni simpli, această teorie descrie mișcarea, comportamentul și interacțiunea microparticulelor. Fondatorul fizicii cuantice ne-a adus și multe alte lucrări științifice care au devenit pietrele de temelie ale fizicii moderne:

• teoria radiației termice;
• teoria relativității speciale;
• cercetare în domeniul termodinamicii;
• cercetare în domeniul opticii.

Teoria fizicii cuantice despre comportamentul și interacțiunea microparticulelor a devenit baza pentru fizica materiei condensate, fizica particulelor elementare și fizica energiei înalte. Teoria cuantică ne explică esența multor fenomene ale lumii noastre - de la funcționarea computerelor electronice până la structura și comportamentul corpurilor cerești. Max Planck, creatorul acestei teorii, datorită descoperirii sale, ne-a permis să înțelegem adevărata esență a multor lucruri la nivelul particulelor elementare. Dar crearea acestei teorii este departe de singurul merit al omului de știință. El a fost primul care a descoperit legea fundamentală a universului - legea conservării energiei. Contribuția la știință a lui Max Planck este greu de supraestimat. Pe scurt, descoperirile sale sunt neprețuite pentru fizică, chimie, istorie, metodologie și filozofie.

teoria câmpului cuantic

Pe scurt, teoria cuantică a câmpului este o teorie a descrierii microparticulelor, precum și a comportamentului lor în spațiu, a interacțiunii între ele și a transformărilor reciproce. Această teorie studiază comportamentul sistemelor cuantice în cadrul așa-numitelor grade de libertate. Acest nume frumos și romantic nu spune nimic pentru mulți dintre noi. Pentru manechine, gradele de libertate sunt numărul de coordonate independente care sunt necesare pentru a indica mișcarea unui sistem mecanic. În termeni simpli, gradele de libertate sunt caracteristici ale mișcării. Descoperiri interesante în domeniul interacțiunii particulelor elementare au fost făcute de Steven Weinberg. A descoperit așa-numitul curent neutru - principiul interacțiunii dintre quarci și leptoni, pentru care a primit Premiul Nobel în 1979.

Teoria cuantică a lui Max Planck

În anii nouăzeci ai secolului al XVIII-lea, fizicianul german Max Planck a început studiul radiațiilor termice și a primit în cele din urmă o formulă de distribuție a energiei. Ipoteza cuantică, care a luat naștere în cursul acestor studii, a marcat începutul fizicii cuantice, precum și al teoriei cuantice a câmpului, descoperită în anul 1900. Teoria cuantică a lui Planck este că în timpul radiației termice, energia produsă este emisă și absorbită nu în mod constant, ci episodic, cuantic. Anul 1900, datorită acestei descoperiri făcute de Max Planck, a devenit anul nașterii mecanicii cuantice. De asemenea, merită menționată formula lui Planck. Pe scurt, esența sa este următoarea - se bazează pe raportul dintre temperatura corpului și radiația sa.

Teoria mecanică cuantică a structurii atomului

Teoria mecanică cuantică a structurii atomului este una dintre teoriile de bază ale conceptelor din fizica cuantică și, într-adevăr, din fizică în general. Această teorie ne permite să înțelegem structura a tot ceea ce este material și deschide vălul secretului asupra în ce constau de fapt lucrurile. Iar concluziile bazate pe această teorie sunt foarte neașteptate. Luați în considerare pe scurt structura atomului. Deci, din ce este format cu adevărat un atom? Un atom este format dintr-un nucleu și un nor de electroni. Baza atomului, nucleul său, conține aproape întreaga masă a atomului în sine - mai mult de 99 la sută. Nucleul are întotdeauna o sarcină pozitivă și determină elementul chimic din care face parte atomul. Cel mai interesant lucru despre nucleul unui atom este că acesta conține aproape întreaga masă a atomului, dar în același timp ocupă doar o zece miimi din volumul său. Ce rezultă din asta? Iar concluzia este foarte neașteptată. Aceasta înseamnă că materia densă din atom este de numai o zecemiime. Și ce rămâne cu toate celelalte? Orice altceva din atom este un nor de electroni.

Norul de electroni nu este o substanță permanentă și chiar, de fapt, nu este o substanță materială. Un nor de electroni este doar probabilitatea ca electronii să apară într-un atom. Adică, nucleul ocupă doar o zece miime în atom, iar orice altceva este gol. Și dacă ținem cont de faptul că toate obiectele din jurul nostru, de la particule de praf până la corpuri cerești, planete și stele, sunt formate din atomi, se dovedește că tot ceea ce material constă de fapt din mai mult de 99 la sută din vid. Această teorie pare cu totul de necrezut, iar autorul ei, cel puțin, o persoană delirante, pentru că lucrurile care există în jur au o consistență solidă, au greutate și pot fi simțite. Cum poate consta în gol? S-a strecurat vreo greșeală în această teorie a structurii materiei? Dar aici nu există nicio eroare.

Toate lucrurile materiale par dense doar datorită interacțiunii dintre atomi. Lucrurile au o consistență solidă și densă numai datorită atracției sau respingerii dintre atomi. Acest lucru asigură densitatea și duritatea rețelei cristaline de substanțe chimice, din care constă tot materialul. Dar, un punct interesant, atunci când, de exemplu, condițiile de temperatură ale mediului se modifică, legăturile dintre atomi, adică atracția și repulsia lor, se pot slăbi, ceea ce duce la o slăbire a rețelei cristaline și chiar la distrugerea acesteia. Aceasta explică modificarea proprietăților fizice ale substanțelor atunci când sunt încălzite. De exemplu, atunci când fierul este încălzit, acesta devine lichid și poate fi modelat în orice formă. Și când gheața se topește, distrugerea rețelei cristaline duce la o schimbare a stării materiei și se transformă din solid în lichid. Acestea sunt exemple clare de slăbire a legăturilor dintre atomi și, ca urmare, slăbirea sau distrugerea rețelei cristaline și permit substanței să devină amorfă. Și motivul pentru astfel de metamorfoze misterioase este tocmai faptul că substanțele constau din materie densă doar cu o zece miime, iar orice altceva este gol.

Iar substanțele par a fi solide doar din cauza legăturilor puternice dintre atomi, cu slăbirea cărora, substanța se schimbă. Astfel, teoria cuantică a structurii atomului ne permite să aruncăm o privire complet diferită asupra lumii din jurul nostru.

Fondatorul teoriei atomului, Niels Bohr, a prezentat un concept interesant conform căruia electronii din atom nu radiază energie în mod constant, ci doar în momentul tranziției între traiectorii mișcării lor. Teoria lui Bohr a ajutat la explicarea multor procese intra-atomice și, de asemenea, a făcut o descoperire în știința chimiei, explicând granița tabelului creat de Mendeleev. Potrivit , ultimul element care poate exista în timp și spațiu are numărul de serie o sută treizeci și șapte, iar elementele care încep de la o sută treizeci și opt nu pot exista, deoarece existența lor contrazice teoria relativității. De asemenea, teoria lui Bohr a explicat natura unui astfel de fenomen fizic precum spectrele atomice.

Acestea sunt spectrele de interacțiune ale atomilor liberi care apar atunci când se emite energie între ei. Astfel de fenomene sunt tipice pentru substanțele gazoase, vaporoase și substanțele în stare de plasmă. Astfel, teoria cuantică a făcut o revoluție în lumea fizicii și a permis oamenilor de știință să avanseze nu numai în domeniul acestei științe, ci și în domeniul multor științe conexe: chimie, termodinamică, optică și filozofie. Și, de asemenea, a permis umanității să pătrundă în secretele naturii lucrurilor.

Mai sunt încă multe de făcut de umanitate în conștiința sa pentru a realiza natura atomilor, pentru a înțelege principiile comportamentului și interacțiunii lor. După ce am înțeles acest lucru, vom putea înțelege natura lumii din jurul nostru, pentru că tot ceea ce ne înconjoară, începând cu particulele de praf și terminând cu soarele însuși, și noi înșine - totul constă din atomi, a căror natură este misterioasă. și uimitor și plin de o mulțime de secrete.

Salutare dragi cititori. Dacă nu vrei să rămâi în urmă vieții, vrei să devii o persoană cu adevărat fericită și sănătoasă, ar trebui să știi despre secretele fizicii cuantice moderne, măcar o mică idee în ce adâncimea universului au săpat oamenii de știință astăzi. Nu ai timp să intri în detalii științifice profunde, dar vrei să înțelegi doar esența, ci să vezi frumusețea lumii necunoscute, atunci acest articol: fizica cuantică pentru manechine obișnuite sau, s-ar putea spune, pentru gospodine, este doar Pentru dumneavoastră. Voi încerca să explic ce este fizica cuantică, dar în cuvinte simple, să arăt clar.

„Care este legătura dintre fericire, sănătate și fizica cuantică?” te întrebi.

Faptul este că ajută la răspunsul la multe întrebări de neînțeles legate de conștiința umană, influența conștiinței asupra corpului. Din păcate, medicina, bazându-se pe fizica clasică, nu ne ajută întotdeauna să fim sănătoși. Și psihologia nu vă poate spune cum să găsiți fericirea.

Doar cunoașterea mai profundă a lumii ne va ajuta să înțelegem cum să facem față cu adevărat bolii și unde trăiește fericirea. Această cunoaștere se găsește în straturile profunde ale universului. Fizica cuantică vine în ajutor. În curând vei ști totul.

Ce studiază fizica cuantică în cuvinte simple

Da, într-adevăr, fizica cuantică este foarte greu de înțeles deoarece studiază legile microlumii. Adică lumea în straturile ei mai adânci, la distanțe foarte mici, unde este foarte greu pentru o persoană să privească.

Și lumea, se dovedește, se comportă acolo foarte ciudat, misterios și de neînțeles, nu așa cum ne-am obișnuit.

De aici toată complexitatea și neînțelegerea fizicii cuantice.

Dar după ce vei citi acest articol, vei extinde orizontul cunoștințelor tale și vei privi lumea într-un mod complet diferit.

Pe scurt despre istoria fizicii cuantice

Totul a început la începutul secolului al XX-lea, când fizica newtoniană nu putea explica multe lucruri, iar oamenii de știință au ajuns într-o fundătură. Apoi Max Planck a introdus conceptul de cuantum. Albert Einstein a preluat această idee și a demonstrat că lumina nu se propagă continuu, ci în porțiuni - cuante (fotoni). Înainte de aceasta, se credea că lumina are o natură ondulatorie.

Dar, după cum sa dovedit mai târziu, orice particulă elementară nu este doar o cuantică, adică o particulă solidă, ci și o undă. Așa a apărut dualismul unde corpusculare în fizica cuantică, primul paradox și începutul descoperirilor de fenomene misterioase ale microlumii.

Cele mai interesante paradoxuri au început atunci când a fost realizat faimosul experiment cu dublă fante, după care misterele au devenit mult mai multe. Putem spune că fizica cuantică a început cu el. Să aruncăm o privire.

Experiment cu dublă fantă în fizica cuantică

Imaginați-vă o farfurie cu două fante sub formă de dungi verticale. Vom pune un paravan în spatele acestei plăci. Dacă direcționăm lumina pe placă, vom vedea un model de interferență pe ecran. Adică, alternează dungi verticale întunecate și luminoase. Interferența este rezultatul comportamentului undei a ceva, în cazul nostru lumina.

Dacă treceți un val de apă prin două găuri situate una lângă alta, veți înțelege ce este interferența. Adică, lumina se dovedește a fi un fel ca și cum ar avea o natură ondulatorie. Dar, după cum a dovedit fizica, sau mai degrabă Einstein, este propagat prin particule de fotoni. Deja un paradox. Dar e în regulă, dualismul cu unde corpusculare nu ne va mai surprinde. Fizica cuantică ne spune că lumina se comportă ca o undă, dar este formată din fotoni. Dar miracolele abia încep.

Să punem un pistol în fața unei plăci cu două fante, care va emite nu lumină, ci electroni. Să începem să tragem electroni. Ce vom vedea pe ecranul din spatele plăcii?

La urma urmei, electronii sunt particule, ceea ce înseamnă că fluxul de electroni, care trece prin două fante, ar trebui să lase doar două dungi pe ecran, două urme opuse fantelor. Ți-ai imaginat pietricele zburând prin două sloturi și lovind ecranul?

Dar ce vedem cu adevărat? Toate aceleași modele de interferență. Care este concluzia: electronii se propagă în unde. Deci electronii sunt unde. Dar la urma urmei este o particulă elementară. Din nou dualismul undelor corpusculare în fizică.

Dar putem presupune că la un nivel mai profund, un electron este o particulă, iar atunci când aceste particule se unesc, încep să se comporte ca undele. De exemplu, un val de mare este un val, dar este format din picături de apă, iar la un nivel mai mic, molecule și apoi atomi. Bine, logica este solidă.

Atunci să tragem dintr-un pistol nu cu un flux de electroni, ci să eliberăm electroni separat, după o anumită perioadă de timp. De parcă am trece prin crăpături nu un val de mare, ci scuipând picături individuale dintr-un pistol cu ​​apă pentru copii.

Este destul de logic ca în acest caz diferite picături de apă să cadă în sloturi diferite. Pe ecranul din spatele plăcii, se putea vedea nu un model de interferență de la val, ci două franjuri distincte de impact vizavi de fiecare fantă. Același lucru îl vom vedea dacă aruncăm cu pietre mici, ele, zburând prin două crăpături, ar lăsa o urmă, ca o umbră din două găuri. Acum să împușcăm electroni individuali pentru a vedea aceste două dungi pe ecran de la impactul electronilor. Au eliberat unul, au așteptat, al doilea, au așteptat și așa mai departe. Fizicienii cuantici au reușit să facă un astfel de experiment.

Dar groază. În locul acestor două franjuri se obțin aceleași alternanțe de interferență a mai multor franjuri. Cum așa? Acest lucru se poate întâmpla dacă un electron zboară simultan prin două fante, iar în spatele plăcii, ca o undă, s-ar ciocni cu el însuși și ar interfera. Dar acest lucru nu poate fi, deoarece o particulă nu poate fi în două locuri în același timp. Fie zboară prin primul slot, fie prin al doilea.

Aici încep lucrurile cu adevărat fantastice ale fizicii cuantice.

Suprapunerea în fizica cuantică

Cu o analiză mai profundă, oamenii de știință descoperă că orice particulă cuantică elementară sau aceeași lumină (foton) poate fi de fapt în mai multe locuri în același timp. Și acestea nu sunt miracole, ci faptele reale ale microcosmosului. Asta spune fizica cuantică. De aceea, când împușcăm o particulă separată dintr-un tun, vedem rezultatul interferenței. În spatele plăcii, electronul se ciocnește cu el însuși și creează un model de interferență.

Obiectele obișnuite ale macrocosmosului sunt întotdeauna într-un singur loc, au o singură stare. De exemplu, acum stați pe un scaun, cântăriți, să zicem, 50 kg, aveți o frecvență a pulsului de 60 de bătăi pe minut. Desigur, aceste indicații se vor schimba, dar se vor schimba după ceva timp. La urma urmei, nu poți fi acasă și la serviciu în același timp, cântărind 50 și 100 kg. Toate acestea sunt de înțeles, acesta este bunul simț.

În fizica microcosmosului, totul este diferit.

Mecanica cuantică susține, iar acest lucru a fost deja confirmat experimental, că orice particulă elementară poate fi simultan nu numai în mai multe puncte din spațiu, dar poate avea și mai multe stări în același timp, cum ar fi spinul.

Toate acestea nu se potrivesc în cap, subminează ideea obișnuită a lumii, vechile legi ale fizicii, transformă gândirea, se poate spune cu siguranță că te înnebunește.

Așa ajungem să înțelegem termenul „suprapunere” în mecanica cuantică.

Suprapunerea înseamnă că un obiect al microcosmosului poate fi simultan în diferite puncte ale spațiului și, de asemenea, poate avea mai multe stări în același timp. Și acest lucru este normal pentru particulele elementare. Aceasta este legea microlumii, oricât de ciudată și fantastică ar părea.

Ești surprins, dar acestea sunt doar flori, cele mai inexplicabile miracole, mistere și paradoxuri ale fizicii cuantice urmează să vină.

Colapsul funcției de undă în fizică în termeni simpli

Apoi, oamenii de știință au decis să afle și să vadă mai precis dacă electronul trece de fapt prin ambele fante. Dintr-o dată trece printr-o fantă și apoi se separă cumva și creează un model de interferență pe măsură ce trece. Ei bine, nu se știe niciodată. Adică, trebuie să puneți un dispozitiv lângă fantă, care să înregistreze cu exactitate trecerea unui electron prin ea. Făcut repede și foarte bine. Desigur, acest lucru este dificil de implementat, nu aveți nevoie de un dispozitiv, ci de altceva pentru a vedea trecerea unui electron. Dar oamenii de știință au făcut-o.

Dar, până la urmă, rezultatul a uimit pe toată lumea.

De îndată ce începem să ne uităm prin ce fantă trece un electron, acesta începe să se comporte nu ca o undă, nu ca o substanță ciudată care este situată în diferite puncte ale spațiului în același timp, ci ca o particulă obișnuită. Adică începe să arate proprietățile specifice ale unui cuantic: este situat doar într-un singur loc, trece printr-un singur slot, are o valoare de spin. Ceea ce apare pe ecran nu este un model de interferență, ci o simplă urmă vizavi de fantă.

Dar cum este posibil asta. Ca și cum electronul glumește, se joacă cu noi. La început, se comportă ca o undă, iar apoi, după ce ne-am hotărât să ne uităm la trecerea sa printr-o fantă, prezintă proprietățile unei particule solide și trece printr-o singură fantă. Dar așa stau lucrurile în microcosmos. Acestea sunt legile fizicii cuantice.

Oamenii de știință au văzut o altă proprietate misterioasă a particulelor elementare. Așa au apărut conceptele de incertitudine și colaps al funcției de undă în fizica cuantică.

Când un electron zboară spre decalaj, acesta se află într-o stare nedefinită sau, așa cum am spus mai sus, într-o suprapunere. Adică se comportă ca o undă, se află simultan în diferite puncte din spațiu, are două valori de spin (un spin are doar două valori). Dacă nu l-am atinge, nu am încerca să-l privim, nu am afla exact unde se află, dacă nu am măsura valoarea rotației sale, ar zbura ca un val prin două fante la nivelul în același timp, ceea ce înseamnă că ar crea un model de interferență. Fizica cuantică își descrie traiectoria și parametrii folosind funcția de undă.

După ce am făcut măsurarea (și este posibil să măsuram o particulă din microlume doar interacționând cu ea, de exemplu, ciocnind o altă particulă cu ea), atunci funcția de undă se prăbușește.

Adică, acum electronul se află exact într-un singur loc în spațiu, are o valoare de spin.

Se poate spune că o particulă elementară este ca o fantomă, pare să existe, dar în același timp nu se află într-un singur loc și, cu o anumită probabilitate, poate fi oriunde în descrierea funcției de undă. Dar de îndată ce începem să-l contactăm, se transformă dintr-un obiect fantomatic într-o substanță reală tangibilă care se comportă ca obiectele obișnuite ale lumii clasice care ne sunt familiare.

„Este fantastic”, spui tu. Sigur, dar minunile fizicii cuantice abia la început. Cel mai incredibil urmează să vină. Dar să luăm o pauză de la abundența de informații și să revenim la aventurile cuantice altădată, într-un alt articol. Între timp, reflectă la ceea ce ai învățat astăzi. La ce pot duce astfel de minuni? La urma urmei, ei ne înconjoară, aceasta este o proprietate a lumii noastre, deși la un nivel mai profund. Mai credem că trăim într-o lume plictisitoare? Dar concluziile le vom trage mai târziu.

Am încercat să vorbesc pe scurt și clar despre elementele de bază ale fizicii cuantice.

Dar dacă nu înțelegeți ceva, atunci urmăriți acest desen animat despre fizica cuantică, despre experimentul cu două fante, totul este de asemenea spus acolo într-un limbaj ușor de înțeles, simplu.

Desen animat despre fizica cuantică:

Sau puteți viziona acest videoclip, totul va cădea la loc, fizica cuantică este foarte interesantă.

Videoclip despre fizica cuantică:

Cum de nu știai despre asta înainte?

Descoperirile moderne în fizica cuantică schimbă lumea materială familiară.

Bun venit pe blog! Sunt foarte bucuros de tine!

Sigur ai auzit de multe ori despre misterele inexplicabile ale fizicii cuantice și ale mecanicii cuantice. Legile sale fascinează misticismul și chiar și fizicienii înșiși recunosc că nu le înțeleg pe deplin. Pe de o parte, este curios să înțelegem aceste legi, dar, pe de altă parte, nu există timp pentru a citi cărți complexe și în mai multe volume despre fizică. Te înțeleg foarte mult, pentru că și eu iubesc cunoașterea și căutarea adevărului, dar nu e destul timp pentru toate cărțile. Nu sunteți singuri, atât de mulți oameni curiosi tastează în linia de căutare: „fizica cuantică pentru manechine, mecanică cuantică pentru manechine, fizică cuantică pentru începători, mecanică cuantică pentru începători, elemente de bază ale fizicii cuantice, elemente de bază ale mecanicii cuantice, fizica cuantică pentru copii , ce este mecanica cuantică”. Această postare este pentru tine.

Veți înțelege conceptele și paradoxurile de bază ale fizicii cuantice. Din articol vei afla:

• Ce este interferența?
• Ce este spinul și suprapunerea?
• Ce este „măsurarea” sau „colapsul funcției de undă”?
• Ce este entanglementul cuantic (sau teleportarea cuantică pentru manechini)? (vezi articolul)
• Ce este experimentul gândirii Pisica lui Schrödinger? (vezi articolul)

Ce este fizica cuantică și mecanica cuantică?

Mecanica cuantică face parte din fizica cuantică.

De ce este atât de greu să înțelegi aceste științe? Răspunsul este simplu: fizica cuantică și mecanica cuantică (o parte a fizicii cuantice) studiază legile microlumii. Și aceste legi sunt absolut diferite de legile macrocosmosului nostru. Prin urmare, ne este dificil să ne imaginăm ce se întâmplă cu electronii și fotonii din microcosmos.

Un exemplu de diferență dintre legile macro și microlumilor: în macrocosmosul nostru, dacă puneți o minge într-una dintre cele 2 cutii, atunci una dintre ele va fi goală, iar cealaltă - o minge. Dar în microcosmos (dacă în loc de o minge - un atom), un atom poate fi simultan în două cutii. Acest lucru a fost confirmat în mod repetat experimental. Nu e greu să-ți bagi în cap? Dar nu poți contrazice faptele.

Încă un exemplu. Ai fotografiat o mașină sport roșie de curse rapidă și în fotografie ai văzut o bandă orizontală neclară, de parcă mașina din momentul fotografiei ar fi fost din mai multe puncte din spațiu. În ciuda a ceea ce vezi în fotografie, ești totuși sigur că mașina era în momentul în care ai fotografiat-o. într-un anumit loc în spațiu. Nu este așa în lumea micro. Un electron care se învârte în jurul nucleului unui atom nu se învârte de fapt, dar situate simultan în toate punctele sfereiîn jurul nucleului unui atom. Ca o minge de lână pufoasă înfășurată lejer. Acest concept în fizică se numește "nor electronic" .

O mică digresiune în istorie. Pentru prima dată, oamenii de știință s-au gândit la lumea cuantică când, în 1900, fizicianul german Max Planck a încercat să afle de ce metalele își schimbă culoarea atunci când sunt încălzite. El a fost cel care a introdus conceptul de cuantum. Înainte de asta, oamenii de știință credeau că lumina călătorește continuu. Prima persoană care a luat în serios descoperirea lui Planck a fost necunoscutul Albert Einstein. Și-a dat seama că lumina nu este doar un val. Uneori se comportă ca o particulă. Einstein a primit Premiul Nobel pentru descoperirea că lumina este emisă în porțiuni, cuante. Un cuantum de lumină se numește foton ( foton, Wikipedia) .

Pentru a facilita înțelegerea legilor cuanticei fizicăȘi mecanică (Wikipedia), este necesar, într-un anumit sens, să facem abstracție din legile fizicii clasice care ne sunt familiare. Și imaginează-ți că te-ai scufundat, ca Alice, în groapa iepurilor, în Țara Minunilor.

Și iată un desen animat pentru copii și adulți. Vorbește despre experimentul fundamental al mecanicii cuantice cu 2 fante și un observator. Durează doar 5 minute. Urmărește-l înainte de a ne aprofunda în întrebările și conceptele de bază ale fizicii cuantice.

Video cu fizica cuantică pentru manechini. În desene animate, acordați atenție „ochiului” observatorului. A devenit un mister serios pentru fizicieni.

Ce este interferența?

La începutul desenului animat, folosind exemplul unui lichid, s-a arătat cum se comportă undele - pe ecran apar dungi verticale întunecate și deschise, în spatele unei plăci cu fante. Și în cazul în care particulele discrete (de exemplu, pietricele) sunt „împușcate” în placă, ele zboară prin 2 sloturi și lovesc ecranul direct opus sloturilor. Și „desenează” pe ecran doar 2 dungi verticale.

Interferență luminoasă- Acesta este comportamentul „undă” al luminii, când pe ecran sunt afișate o mulțime de dungi verticale luminoase și întunecate alternativ. Și acele dungi verticale numit model de interferență.

În macrocosmosul nostru, observăm adesea că lumina se comportă ca o undă. Dacă puneți mâna în fața lumânării, atunci pe perete nu va fi o umbră clară de la mână, ci cu contururi neclare.

Deci, nu este chiar atât de greu! Acum este destul de clar pentru noi că lumina are o natură ondulatorie, iar dacă 2 fante sunt iluminate cu lumină, atunci pe ecranul din spatele lor vom vedea un model de interferență. Acum luați în considerare al 2-lea experiment. Acesta este faimosul experiment Stern-Gerlach (care a fost realizat în anii 20 ai secolului trecut).

În instalația descrisă în desene animate, nu au strălucit cu lumină, ci au „împușcat” cu electroni (ca particule separate). Apoi, la începutul secolului trecut, fizicienii din întreaga lume credeau că electronii sunt particule elementare de materie și nu ar trebui să aibă o natură ondulatorie, ci la fel ca pietricelele. La urma urmei, electronii sunt particule elementare de materie, nu? Adică, dacă sunt „aruncate” în 2 sloturi, ca niște pietricele, atunci pe ecranul din spatele sloturilor ar trebui să vedem 2 dungi verticale.

Dar... Rezultatul a fost uluitor. Oamenii de știință au văzut un model de interferență - o mulțime de dungi verticale. Adică, electronii, ca și lumina, pot avea și o natură ondulatorie, pot interfera. Pe de altă parte, a devenit clar că lumina nu este doar o undă, ci și o particulă - un foton (din contextul istoric de la începutul articolului am aflat că Einstein a primit Premiul Nobel pentru această descoperire).

Poate vă amintiți că la școală ni s-a spus la fizică „dualism particule-undă”? Înseamnă că atunci când vine vorba de particule foarte mici (atomi, electroni) din microlume, atunci sunt atât valuri, cât și particule

Astăzi tu și cu mine suntem atât de deștepți și înțelegem că cele 2 experimente descrise mai sus - arderea electronilor și iluminarea sloturilor cu lumină - sunt una și aceeași. Pentru că tragem particule cuantice în fante. Acum știm că atât lumina, cât și electronii sunt de natură cuantică, ambele sunt unde și particule în același timp. Și la începutul secolului al XX-lea, rezultatele acestui experiment au fost o senzație.

Atenţie! Acum să trecem la o problemă mai subtilă.

Strălucim pe fantele noastre cu un flux de fotoni (electroni) - și vedem un model de interferență (dungi verticale) în spatele fantelor de pe ecran. Este clar. Dar suntem interesați să vedem cum fiecare dintre electroni zboară prin fantă.

Probabil, un electron zboară spre fanta din stânga, celălalt spre dreapta. Dar apoi 2 dungi verticale ar trebui să apară pe ecran direct opus sloturilor. De ce se obține un model de interferență? Poate că electronii interacționează cumva unul cu celălalt deja pe ecran după ce au zburat prin fante. Și rezultatul este un astfel de model de undă. Cum putem urma asta?

Vom arunca electronii nu într-un fascicul, ci unul câte unul. Aruncă-l, așteaptă, aruncă-l pe următorul. Acum, când electronul zboară singur, nu va mai putea interacționa pe ecran cu alți electroni. Vom înregistra pe ecran fiecare electron după aruncare. Unul sau doi, desigur, nu ne vor „vopsi” o imagine clară. Dar când trimitem unul câte unul mulți dintre ei în sloturi, vom observa... oh groază - au „desenat” din nou un model de undă de interferență!

Începem să înnebunim încet. La urma urmei, ne așteptam să fie 2 dungi verticale vizavi de sloturi! Se pare că atunci când aruncam fotoni pe rând, fiecare dintre ei a trecut, parcă, prin 2 fante în același timp și a interferat cu el însuși. Fictiune! Vom reveni la explicarea acestui fenomen în secțiunea următoare.

Ce este spinul și suprapunerea?

Acum știm ce este interferența. Acesta este comportamentul ondulatoriu al microparticulelor - fotoni, electroni, alte microparticule (să le numim fotoni pentru simplitate de acum înainte).

În urma experimentului, când am aruncat 1 foton în 2 fante, ne-am dat seama că zboară parcă prin două fante în același timp. Cum altfel să explic modelul de interferență de pe ecran?

Dar cum să ne imaginăm o imagine în care un foton zboară prin două fante în același timp? Există 2 opțiuni.

• prima varianta: fotonul, ca un val (ca apa) „plutește” prin 2 fante în același timp
• a 2-a varianta: un foton, ca o particulă, zboară simultan de-a lungul a 2 traiectorii (nici măcar două, dar toate deodată)

În principiu, aceste afirmații sunt echivalente. Am ajuns la „integrala drumului”. Aceasta este formularea mecanicii cuantice a lui Richard Feynman.

Apropo, exact Richard Feynman aparţine binecunoscutei expresii care putem spune cu încredere că nimeni nu înțelege mecanica cuantică

Dar această expresie a operei sale a lucrat la începutul secolului. Dar acum suntem deștepți și știm că un foton se poate comporta atât ca o particulă, cât și ca o undă. Că poate zbura prin 2 sloturi în același timp într-un mod care ne este de neînțeles. Prin urmare, ne va fi ușor să înțelegem următoarea afirmație importantă a mecanicii cuantice:

Strict vorbind, mecanica cuantică ne spune că acest comportament foton este regula, nu excepția. Orice particulă cuantică se află, de regulă, în mai multe stări sau în mai multe puncte din spațiu simultan.

Obiectele macrolumii pot fi doar într-un loc specific și într-o stare specifică. Dar o particulă cuantică există conform propriilor sale legi. Și nu-i pasă că nu le înțelegem. Acesta este punctul.

Rămâne să acceptăm pur și simplu ca axiomă că „suprapunerea” unui obiect cuantic înseamnă că acesta poate fi pe 2 sau mai multe traiectorii în același timp, în 2 sau mai multe puncte în același timp.

Același lucru este valabil și pentru un alt parametru foton - spin (propul său moment unghiular). Spinul este un vector. Un obiect cuantic poate fi considerat ca un magnet microscopic. Suntem obișnuiți cu faptul că vectorul magnet (spin) este fie îndreptat în sus, fie în jos. Dar electronul sau fotonul ne spune din nou: „Băieți, nu ne interesează cu ce sunteți obișnuiți, putem fi în ambele stări de spin simultan (vector în sus, vector în jos), la fel cum putem fi pe 2 traiectorii la în același timp sau la 2 puncte în același timp!

Ce este „măsurarea” sau „colapsul funcției de undă”?

Ne rămâne puțin – să înțelegem ce este „măsurare” și ce este „colapsul funcției de undă”.

funcția de undă este o descriere a stării unui obiect cuantic (fotonul sau electronul nostru).

Să presupunem că avem un electron, acesta zboară spre el însuși într-o stare nedeterminată, spinul său este direcționat atât în ​​sus, cât și în jos în același timp. Trebuie să-i măsurăm starea.

Să măsurăm folosind un câmp magnetic: electronii al căror spin a fost îndreptat în direcția câmpului se vor abate într-o direcție, iar electronii al căror spin este îndreptat împotriva câmpului se vor abate în cealaltă direcție. Fotonii pot fi trimiși și către un filtru de polarizare. Dacă spinul (polarizarea) unui foton este +1, acesta trece prin filtru, iar dacă este -1, atunci nu.

Stop! Aici apare inevitabil întrebarea:înainte de măsurare, până la urmă, electronul nu avea nicio direcție de rotație anume, nu? A fost în toate statele în același timp?

Acesta este trucul și senzația mecanicii cuantice.. Atâta timp cât nu măsurați starea unui obiect cuantic, acesta se poate roti în orice direcție (are orice direcție a propriului său vector de moment unghiular - spin). Dar în momentul în care i-ai măsurat starea, pare că el decide ce vector de spin să ia.

Acest obiect cuantic este atât de cool - ia o decizie cu privire la starea lui.Și nu putem prezice dinainte ce decizie va lua atunci când zboară în câmpul magnetic în care îl măsurăm. Probabilitatea ca el să decidă să aibă un vector de spin „sus” sau „jos” este de 50 până la 50%. Dar de îndată ce decide, el se află într-o anumită stare cu o direcție de rotație specifică. Motivul deciziei sale este „dimensiunea” noastră!

Aceasta se numește „ colapsul funcției de undă". Funcția de undă înainte de măsurare a fost nedefinită, adică vectorul de spin al electronului a fost simultan în toate direcțiile, după măsurare, electronul a fixat o anumită direcție a vectorului său de spin.

Atenţie! Un exemplu excelent de asociere din macrocosmosul nostru pentru înțelegere:

Învârte o monedă pe masă ca un blat. În timp ce moneda se învârte, nu are o semnificație specifică - capete sau cozi. Dar de îndată ce decideți să „măsurați” această valoare și trântiți moneda cu mâna, de aici obțineți starea specifică a monedei - capete sau cozi. Acum imaginați-vă că această monedă decide ce valoare să vă „arată” – cap sau coadă. Electronul se comportă aproximativ la fel.

Acum amintiți-vă de experimentul prezentat la sfârșitul desenului animat. Când fotonii au fost trecuți prin fante, aceștia s-au comportat ca o undă și au arătat un model de interferență pe ecran. Și când oamenii de știință au vrut să stabilească (măsoare) momentul în care fotonii au trecut prin fantă și au pus un „observator” în spatele ecranului, fotonii au început să se comporte nu ca undele, ci ca niște particule. Și „desenat” 2 dungi verticale pe ecran. Acestea. în momentul măsurării sau observării, obiectele cuantice însele aleg în ce stare ar trebui să se afle.

Fictiune! Nu-i așa?

Dar asta nu este tot. In sfarsit noi ajuns la cel mai interesant.

Dar... mi se pare că va fi o supraîncărcare de informații, așa că vom lua în considerare aceste 2 concepte în postări separate:

• Ce s-a întâmplat ?
• Ce este un experiment de gândire.

Și acum, vrei ca informațiile să fie puse pe rafturi? Urmărește un documentar produs de Institutul Canadian pentru Fizică Teoretică. În 20 de minute, vă va spune foarte pe scurt și în ordine cronologică despre toate descoperirile fizicii cuantice, începând cu descoperirea lui Planck în 1900. Și apoi vă vor spune ce dezvoltări practice se desfășoară în prezent pe baza cunoștințelor fizicii cuantice: de la cele mai precise ceasuri atomice la calcule super-rapide ale unui computer cuantic. Recomand cu caldura vizionarea acestui film.

Te văd!

Vă doresc tuturor inspirație pentru toate planurile și proiectele voastre!

P.S.2 Scrieți întrebările și gândurile dvs. în comentarii. Scrieți, ce alte întrebări despre fizica cuantică vă interesează?

P.S.3 Aboneaza-te la blog - formularul de abonare de sub articol.

Din grecescul „fusis” provine cuvântul „fizică”. Înseamnă „natura”. Aristotel, care a trăit în secolul al IV-lea î.Hr., a introdus pentru prima dată acest concept.

Fizica a devenit „rusă” la sugestia lui M.V. Lomonosov, când a tradus primul manual din germană.

fizica stiintei

Fizica este una dintre cele principale, diverse procese, schimbări, adică fenomene au loc constant în întreaga lume.

De exemplu, o bucată de gheață într-un loc cald va începe să se topească. Iar apa din ibric fierbe pe foc. Un curent electric trecut prin fir îl va încălzi și chiar îl va încinge. Fiecare dintre aceste procese este un fenomen. În fizică, acestea sunt schimbări mecanice, magnetice, electrice, sonore, termice și luminoase care sunt studiate de știință. Ele sunt numite și fenomene fizice. Considerându-le, oamenii de știință deduc legi.

Sarcina științei este să descopere aceste legi și să le studieze. Natura este studiată de științe precum biologia, geografia, chimia și astronomia. Toți aplică legile fizice.

Termeni

Pe lângă cele obișnuite din fizică, se folosesc și cuvinte speciale numite termeni. Acestea sunt „energie” (în fizică este o măsură a diferitelor forme de interacțiune și mișcare a materiei, precum și tranziția de la una la alta), „forța” (o măsură a intensității influenței altor corpuri și câmpuri). pe un corp) și multe altele. Unii dintre ei au intrat treptat în vorbirea colocvială.

De exemplu, folosind cuvântul „energie” în viața de zi cu zi în relație cu o persoană, putem evalua consecințele acțiunilor sale, dar energia în fizică este o măsură de studiu în multe moduri diferite.

Toate corpurile din fizică sunt numite fizice. Au volum și formă. Ele constau din substanțe, care, la rândul lor, sunt unul dintre tipurile de materie - acesta este tot ceea ce există în Univers.

Experiențe

O mare parte din ceea ce știu oamenii provine din observații. Pentru a studia fenomenele, acestea sunt observate în mod constant.

Luați, de exemplu, diverse corpuri care cad la pământ. Este necesar să aflăm dacă acest fenomen diferă la căderea corpurilor de mase inegale, înălțimi diferite și așa mai departe. Așteptarea și urmărirea diferitelor corpuri ar fi foarte lungă și nu întotdeauna de succes. Prin urmare, experimentele sunt efectuate în astfel de scopuri. Ele diferă de observații, deoarece sunt implementate în mod specific conform unui plan prestabilit și cu obiective specifice. De obicei, în plan, unele ipoteze sunt construite în avans, adică pun ipoteze. Astfel, pe parcursul experimentelor, acestea vor fi infirmate sau confirmate. După gândirea și explicarea rezultatelor experimentelor, se trag concluzii. Așa se obțin cunoștințele științifice.

Cantitățile și unitățile acestora

Adesea, studiind orice efectuează măsurători diferite. Când un corp cade, de exemplu, se măsoară înălțimea, masa, viteza și timpul. Toate acestea sunt, adică ceva ce poate fi măsurat.

Măsurarea unei valori înseamnă compararea acesteia cu aceeași valoare, care este luată ca unitate (lungimea tabelului este comparată cu o unitate de lungime - un metru sau alta). Fiecare astfel de valoare are propriile sale unități.

Toate țările încearcă să folosească unități uniforme. În Rusia, ca și în alte țări, se folosește Sistemul Internațional de Unități (SI) (care înseamnă „sistem internațional”). Adoptă următoarele unități:

• lungime (caracteristică lungimii liniilor în termeni numerici) - metru;
• timpul (fluxul proceselor, condiția posibilei schimbări) - secundă;
• masa (aceasta este o caracteristică în fizică care determină proprietățile inerțiale și gravitaționale ale materiei) - kilogram.

Este adesea necesar să se utilizeze unități care sunt mult mai mari decât multiplii convenționali. Ele sunt numite cu prefixele corespunzătoare din greacă: „deka”, „hekto”, „kilo” și așa mai departe.

Unitățile care sunt mai mici decât cele acceptate se numesc submultipli. Li se aplică prefixe din limba latină: „deci”, „santi”, „milli” și așa mai departe.

Instrumente de masura

Pentru a efectua experimente, aveți nevoie de echipament. Cele mai simple dintre ele sunt rigla, cilindrul, banda de măsurare și altele. Odată cu dezvoltarea științei, noi dispozitive sunt îmbunătățite, complicate și apar aparate noi: voltmetre, termometre, cronometre și altele.

Practic, dispozitivele au o scară, adică diviziuni întrerupte pe care sunt scrise valori. Înainte de măsurare, determinați prețul diviziunii:

• luați două mișcări ale scalei cu valori;
• cel mai mic se scade din cel mai mare, iar numărul rezultat este împărțit la numărul de diviziuni care se află între ele.

De exemplu, două lovituri cu valorile „douăzeci” și „treizeci”, distanța dintre care este împărțită în zece spații. În acest caz, valoarea diviziunii va fi egală cu unu.

Măsurători precise și cu o eroare

Măsurătorile sunt mai mult sau mai puțin precise. Inexactitatea admisibilă se numește marjă de eroare. La măsurare, aceasta nu poate fi mai mare decât valoarea diviziunii dispozitivului de măsurare.

Precizia depinde de intervalul de scară și de utilizarea corectă a instrumentului. Dar până la urmă, în orice măsurătoare, se obțin doar valori aproximative.

Fizică teoretică și experimentală

Acestea sunt principalele ramuri ale științei. Poate părea că sunt foarte îndepărtate, mai ales că majoritatea oamenilor sunt fie teoreticieni, fie experimentatori. Cu toate acestea, ele evoluează constant unul lângă altul. Orice problemă este luată în considerare atât de teoreticieni, cât și de experimentatori. Afacerea celui dintâi este de a descrie datele și de a deriva ipoteze, în timp ce al doilea testează teoriile în practică, efectuând experimente și obținând date noi. Uneori realizările sunt cauzate doar de experimente, fără a fi descrise teorii. În alte cazuri, dimpotrivă, se pot obține rezultate care sunt verificate ulterior.

Fizica cuantică

Această direcție a apărut la sfârșitul anului 1900, când a fost descoperită o nouă constantă fizică fundamentală, numită constanta Planck în onoarea fizicianului german care a descoperit-o, Max Planck. El a rezolvat problema distribuției spectrale a luminii emise de corpurile încălzite, în timp ce fizica generală clasică nu putea face acest lucru. Planck a făcut o ipoteză despre energia cuantică a oscilatorului, care era incompatibilă cu fizica clasică. Datorită acesteia, mulți fizicieni au început să revizuiască concepte vechi, să le schimbe, în urma cărora a apărut fizica cuantică. Aceasta este o viziune complet nouă asupra lumii.

si constiinta

Fenomenul conștiinței umane din punct de vedere nu este cu totul nou. Fundația sa a fost pusă de Jung și Pauli. Dar abia acum, odată cu formarea acestei noi direcții a științei, fenomenul a început să fie luat în considerare și studiat la scară mai largă.

Lumea cuantică este multidimensională și multidimensională, are multe fețe și proiecții clasice.

Cele două proprietăți principale din cadrul conceptului propus sunt supraintuiția (adică obținerea de informații ca de nicăieri) și controlul realității subiective. În conștiința obișnuită, o persoană poate vedea o singură imagine a lumii și nu este capabilă să ia în considerare două deodată. În timp ce în realitate există un număr mare de ele. Toate acestea împreună sunt lumea cuantică și lumina.

Fizica cuantică este cea care ne învață să vedem o nouă realitate pentru o persoană (deși multe religii orientale, precum și magicieni, posedă de mult o astfel de tehnică). Este necesar doar schimbarea conștiinței umane. Acum o persoană este inseparabilă de întreaga lume, dar interesele tuturor viețuitoarelor și lucrurilor sunt luate în considerare.

Tocmai atunci, plonjând într-o stare în care este capabil să vadă toate alternativele, ajunge la perspicacitate, care este adevărul absolut.

Principiul vieții din punctul de vedere al fizicii cuantice este ca o persoană, printre altele, să contribuie la o ordine mondială mai bună.

Cred că este sigur să spun că nimeni nu înțelege mecanica cuantică.

Fizicianul Richard Feynman

Nu este o exagerare să spunem că invenția dispozitivelor semiconductoare a fost o revoluție. Nu numai că este o realizare tehnologică impresionantă, dar a deschis calea pentru evenimente care vor schimba societatea modernă pentru totdeauna. Dispozitivele semiconductoare sunt utilizate în toate tipurile de dispozitive microelectronice, inclusiv computere, anumite tipuri de echipamente de diagnostic și tratament medical și dispozitive de telecomunicații populare.

Dar în spatele acestei revoluții tehnologice se află și mai mult, o revoluție în știința generală: domeniul teoria cuantica. Fără acest salt în înțelegerea lumii naturale, dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare (și a dispozitivelor electronice mai avansate în curs de dezvoltare) nu ar fi reușit niciodată. Fizica cuantică este o ramură incredibil de complexă a științei. Acest capitol oferă doar o scurtă prezentare generală. Când oameni de știință precum Feynman spun „nimeni nu înțelege [o]”, poți fi sigur că acesta este un subiect cu adevărat dificil. Fără o înțelegere de bază a fizicii cuantice, sau cel puțin o înțelegere a descoperirilor științifice care au dus la dezvoltarea lor, este imposibil de înțeles cum și de ce funcționează dispozitivele electronice semiconductoare. Majoritatea manualelor de electronică încearcă să explice semiconductori în termeni de „fizică clasică”, făcându-le și mai confuze de înțeles ca rezultat.

Mulți dintre noi am văzut diagrame de model atomic care arată ca imaginea de mai jos.

Atom Rutherford: electronii negativi se rotesc în jurul unui mic nucleu pozitiv

Particule minuscule de materie numite protoniȘi neutroni, alcătuiesc centrul atomului; electroni se învârt ca planetele în jurul unei stele. Nucleul poartă o sarcină electrică pozitivă datorită prezenței protonilor (neutronii nu au sarcină electrică), în timp ce sarcina negativă de echilibrare a unui atom se află în electronii care orbitează. Electronii negativi sunt atrași de protonii pozitivi, așa cum planetele sunt atrase de Soare, dar orbitele sunt stabile datorită mișcării electronilor. Acest model popular al atomului îl datorăm lucrării lui Ernest Rutherford, care a determinat experimental în jurul anului 1911 că sarcinile pozitive ale atomilor sunt concentrate într-un nucleu mic și dens și nu sunt distribuite uniform de-a lungul diametrului, așa cum a presupus anterior exploratorul JJ Thomson. .

Experimentul de împrăștiere al lui Rutherford constă în bombardarea unei folii subțiri de aur cu particule alfa încărcate pozitiv, așa cum se arată în figura de mai jos. Tinerii absolvenți H. Geiger și E. Marsden au obținut rezultate neașteptate. Traiectoria unor particule alfa a fost deviată de un unghi mare. Unele particule alfa au fost împrăștiate înapoi, la un unghi de aproape 180°. Majoritatea particulelor au trecut prin folia de aur fără a-și schimba traiectoria, ca și cum nu ar fi fost deloc folie. Faptul că mai multe particule alfa au experimentat abateri mari în traiectoria lor indică prezența nucleelor ​​cu o mică sarcină pozitivă.

Imprăștirea Rutherford: un fascicul de particule alfa este împrăștiat de o folie subțire de aur

Deși modelul atomic al lui Rutherford era susținut de date experimentale mai bine decât cel al lui Thomson, el era încă imperfect. Au fost făcute noi încercări de a determina structura atomului, iar aceste eforturi au ajutat la deschiderea drumului pentru descoperirile ciudate ale fizicii cuantice. Astăzi înțelegerea noastră despre atom este puțin mai complexă. Cu toate acestea, în ciuda revoluției fizicii cuantice și a contribuțiilor acesteia la înțelegerea noastră a structurii atomului, descrierea de către Rutherford a sistemului solar ca structură a unui atom a prins rădăcini în conștiința populară în măsura în care persistă în domeniile educaționale, chiar dacă este deplasat.

Luați în considerare această scurtă descriere a electronilor dintr-un atom, luată dintr-un manual popular de electronică:

Electronii negativi care se rotesc sunt atrași de nucleul pozitiv, ceea ce ne duce la întrebarea de ce electronii nu zboară în nucleul atomului. Răspunsul este că electronii în rotație rămân pe orbita lor stabilă datorită a două forțe egale, dar opuse. Forța centrifugă care acționează asupra electronilor este îndreptată spre exterior, iar forța de atracție a sarcinilor încearcă să tragă electronii spre nucleu.

În conformitate cu modelul lui Rutherford, autorul consideră electronii ca fiind bucăți solide de materie care ocupă orbite rotunde, atracția lor către nucleul încărcat opus este echilibrată de mișcarea lor. Utilizarea termenului „forță centrifugă” este incorectă din punct de vedere tehnic (chiar și pentru planetele care orbitează), dar acest lucru este ușor de iertat datorită acceptării populare a modelului: de fapt, nu există forță, respingătororice corp în rotație din centrul orbitei sale. Acest lucru pare să fie așa, deoarece inerția corpului tinde să-l mențină în mișcare în linie dreaptă și, deoarece orbita este o abatere (accelerare) constantă de la mișcarea rectilinie, există o reacție inerțială constantă la orice forță care atrage corpul spre centru. a orbitei (centripetă), fie gravitație, atracție electrostatică, fie chiar tensiunea unei legături mecanice.

Cu toate acestea, adevărata problemă cu această explicație este, în primul rând, ideea electronilor care se mișcă pe orbite circulare. Un fapt dovedit că sarcinile electrice accelerate emit radiații electromagnetice, acest fapt era cunoscut chiar și pe vremea lui Rutherford. Deoarece mișcarea de rotație este o formă de accelerație (un obiect care se rotește în accelerație constantă, trăgând obiectul departe de mișcarea sa rectilinie normală), electronii în stare de rotație trebuie să emită radiații ca noroiul dintr-o roată care se învârte. Electronii au accelerat de-a lungul căilor circulare în acceleratoarele de particule numite sincrotroni sunt cunoscuți că fac acest lucru, iar rezultatul este numit radiatia sincrotron. Dacă electronii ar pierde energie în acest fel, orbitele lor ar fi în cele din urmă perturbate și, ca urmare, s-ar ciocni cu un nucleu încărcat pozitiv. Cu toate acestea, în interiorul atomilor acest lucru nu se întâmplă de obicei. Într-adevăr, „orbitele” electronice sunt surprinzător de stabile într-o gamă largă de condiții.

În plus, experimentele cu atomi „excitați” au arătat că energia electromagnetică este emisă de un atom doar la anumite frecvențe. Atomii sunt „excitați” de influențele externe, cum ar fi lumina, despre care se știe că absoarbe energie și returnează unde electromagnetice la anumite frecvențe, la fel ca un diapazon care nu sună la o anumită frecvență până când este lovit. Când lumina emisă de un atom excitat este împărțită de o prismă în frecvențele sale componente (culori), sunt găsite linii individuale de culori în spectru, modelul liniilor spectrale este unic pentru un element chimic. Acest fenomen este folosit în mod obișnuit pentru a identifica elemente chimice și chiar pentru a măsura proporțiile fiecărui element într-un compus sau amestec chimic. Conform sistemului solar al modelului atomic Rutherford (față de electroni, ca bucăți de materie, care se rotesc liber pe o orbită cu o anumită rază) și legile fizicii clasice, atomii excitați trebuie să returneze energie într-un interval de frecvență aproape infinit și nu la frecvențele selectate. Cu alte cuvinte, dacă modelul lui Rutherford ar fi corect, atunci nu ar exista niciun efect de „diapastie”, iar spectrul de culori emis de orice atom ar apărea ca o bandă continuă de culori, mai degrabă decât ca mai multe linii separate.

Modelul lui Bohr al atomului de hidrogen (cu orbitele desenate la scară) presupune că electronii sunt doar pe orbite discrete. Electronii care se deplasează de la n=3,4,5 sau 6 la n=2 sunt afișați pe o serie de linii spectrale Balmer

Un cercetător pe nume Niels Bohr a încercat să îmbunătățească modelul lui Rutherford după ce l-a studiat în laboratorul lui Rutherford timp de câteva luni în 1912. Încercând să împace rezultatele altor fizicieni (în special Max Planck și Albert Einstein), Bohr a sugerat că fiecare electron avea o anumită cantitate specifică de energie și că orbitele lor erau distribuite în așa fel încât fiecare dintre ei să poată ocupa anumite locuri din jurul lor. nucleul, ca niște bile, fixat pe trasee circulare în jurul nucleului, și nu ca sateliți care se mișcă liber, așa cum sa presupus anterior (figura de mai sus). Respectând legile electromagnetismului și sarcinilor acceleratoare, Bohr s-a referit la „orbite” ca stări staţionare pentru a evita interpretarea că erau mobile.

Deși încercarea ambițioasă a lui Bohr de a regândi structura atomului, care era mai în concordanță cu datele experimentale, a fost o piatră de hotar în fizică, ea nu a fost finalizată. Analiza sa matematică a fost mai bună la prezicerea rezultatelor experimentelor decât cele efectuate de modelele anterioare, dar mai erau întrebări fără răspuns despre De ce electronii trebuie să se comporte într-un mod atât de ciudat. Afirmația că electronii au existat în stări cuantice staționare în jurul nucleului s-a corelat mai bine cu datele experimentale decât modelul lui Rutherford, dar nu a spus ce determină electronii să preia aceste stări speciale. Răspunsul la această întrebare urma să vină de la un alt fizician, Louis de Broglie, aproximativ zece ani mai târziu.

De Broglie a sugerat că electronii, precum fotonii (particulele de lumină), au atât proprietățile particulelor, cât și proprietățile undelor. Pe baza acestei presupuneri, el a sugerat că analiza electronilor în rotație în termeni de unde este mai bună decât în ​​termeni de particule și poate oferi mai multe informații despre natura lor cuantică. Într-adevăr, s-a făcut un alt progres în înțelegere.

O coardă care vibrează la o frecvență de rezonanță între două puncte fixe formează o undă staționară

Atomul, potrivit lui de Broglie, era format din unde staționare, un fenomen bine cunoscut de fizicieni sub diferite forme. Ca și coarda ciupită a unui instrument muzical (foto sus), vibrând la o frecvență de rezonanță, cu „noduri” și „anti-noduri” în locuri stabile pe lungimea sa. De Broglie și-a imaginat electronii în jurul atomilor ca unde curbate într-un cerc (figura de mai jos).

Electroni „în rotație” ca o undă staționară în jurul nucleului, (a) două cicluri pe o orbită, (b) trei cicluri pe o orbită

Electronii pot exista doar în anumite „orbite” specifice în jurul nucleului, deoarece sunt singurele distanțe unde capetele undei coincid. La orice altă rază, unda se va ciocni distructiv cu ea însăși și astfel va înceta să mai existe.

Ipoteza lui De Broglie a oferit atât un cadru matematic, cât și o analogie fizică convenabilă pentru a explica stările cuantice ale electronilor dintr-un atom, dar modelul său al atomului era încă incomplet. De câțiva ani, fizicienii Werner Heisenberg și Erwin Schrödinger, lucrând independent, au lucrat la conceptul lui de Broglie de dualitate undă-particulă pentru a crea modele matematice mai riguroase ale particulelor subatomice.

Acest avans teoretic de la modelul primitiv de unde staționare al lui de Broglie la modelele matricei Heisenberg și ecuația diferențială Schrödinger a primit numele de mecanică cuantică și a introdus o trăsătură destul de șocantă în lumea particulelor subatomice: semnul probabilității, sau incertitudine. Conform noii teorii cuantice, a fost imposibil să se determine poziția exactă și impulsul exact al unei particule la un moment dat. O explicație populară pentru acest „principiu al incertitudinii” a fost că a existat o eroare de măsurare (adică încercând să măsurați cu precizie poziția unui electron, interferați cu impulsul acestuia și, prin urmare, nu puteți ști ce a fost înainte de a începe să măsurați poziția). , si invers). Concluzia senzațională a mecanicii cuantice este că particulele nu au poziții și momente exacte și, din cauza relației dintre aceste două cantități, incertitudinea lor combinată nu va scădea niciodată sub o anumită valoare minimă.

Această formă de conexiune „incertitudine” există și în alte domenii decât mecanica cuantică. După cum sa discutat în capitolul „Semnale AC cu frecvență mixtă” din volumul 2 al acestei serii de cărți, există relații care se exclud reciproc între încrederea în datele din domeniul timpului ale unei forme de undă și datele din domeniul frecvenței acesteia. Mai simplu spus, cu cât îi cunoaștem mai mult frecvențele componente, cu atât mai puțin exact îi cunoaștem amplitudinea în timp și invers. Citandu-ma:

Un semnal de durată infinită (un număr infinit de cicluri) poate fi analizat cu o acuratețe absolută, dar cu cât computerul are la dispoziție mai puține cicluri pentru analiză, cu atât analiza este mai puțin precisă... Cu cât semnalul are mai puține perioade, cu atât frecvența acestuia este mai puțin precisă. . Ducând acest concept la extrema sa logică, un impuls scurt (nici măcar o perioadă întreagă a unui semnal) nu are cu adevărat o frecvență definită, este o gamă infinită de frecvențe. Acest principiu este comun tuturor fenomenelor ondulatorii și nu numai tensiunilor și curenților variabili.

Pentru a determina cu precizie amplitudinea unui semnal în schimbare, trebuie să-l măsurăm într-un timp foarte scurt. Cu toate acestea, acest lucru limitează cunoștințele noastre despre frecvența undei (o undă în mecanica cuantică nu trebuie să fie similară cu o undă sinusoidală; o astfel de similitudine este un caz special). Pe de altă parte, pentru a determina frecvența unei unde cu mare precizie, trebuie să o măsurăm pe un număr mare de perioade, ceea ce înseamnă că vom pierde din vedere amplitudinea ei în orice moment. Astfel, nu putem cunoaște simultan amplitudinea instantanee și toate frecvențele oricărei unde cu o precizie nelimitată. O altă ciudățenie, această incertitudine este mult mai mare decât inexactitatea observatorului; este în însăși natura valului. Nu este cazul, deși ar fi posibil, având în vedere tehnologia adecvată, să se asigure simultan măsurători precise atât ale amplitudinii instantanee, cât și ale frecvenței. Într-un sens literal, o undă nu poate avea exact amplitudinea instantanee și frecvența exactă în același timp.

Incertitudinea minimă a poziției particulelor și a impulsului exprimată de Heisenberg și Schrödinger nu are nimic de-a face cu o limitare în măsurare; mai degrabă, este o proprietate intrinsecă a naturii dualității undă-particulă a particulei. Prin urmare, electronii nu există de fapt în „orbitele” lor ca particule de materie bine definite, sau chiar ca forme de undă bine definite, ci mai degrabă ca „nori” - un termen tehnic. funcția de undă distribuții de probabilitate, ca și cum fiecare electron ar fi „împrăștiat” sau „împrăștiat” pe o serie de poziții și momente.

Această viziune radicală a electronilor ca nori nedeterminați contrazice inițial principiul original al stărilor cuantice ale electronilor: electronii există în „orbite” discrete, definite, în jurul nucleului unui atom. La urma urmei, această nouă viziune a fost descoperirea care a condus la formarea și explicarea teoriei cuantice. Cât de ciudat pare că o teorie creată pentru a explica comportamentul discret al electronilor ajunge să declare că electronii există ca „nori” și nu ca bucăți separate de materie. Cu toate acestea, comportamentul cuantic al electronilor nu depinde de electronii care au anumite valori ale coordonatelor și impulsului, ci de alte proprietăți numite numere cuantice. În esență, mecanica cuantică renunță la conceptele comune de poziție absolută și moment absolut și le înlocuiește cu concepte absolute de tipuri care nu au analogi în practica comună.

Chiar dacă se știe că electronii există în forme neîncarnate, „înnorate” de probabilitate distribuită, mai degrabă decât bucăți separate de materie, acești „nori” au caracteristici ușor diferite. Orice electron dintr-un atom poate fi descris prin patru măsuri numerice (numerele cuantice menționate mai devreme), numite principal (radial), orbital (azimut), magneticȘi a învârti numere. Mai jos este o scurtă prezentare generală a semnificației fiecăruia dintre aceste numere:

Număr cuantic principal (radial).: notat printr-o literă n, acest număr descrie învelișul pe care se află electronul. „Învelișul” de electroni este o regiune a spațiului din jurul nucleului unui atom în care electronii pot exista, corespunzând modelelor stabile de „undă staționară” ale lui de Broglie și Bohr. Electronii pot „sări” de la o coajă la alta, dar nu pot exista între ei.

Numărul cuantic principal trebuie să fie un număr întreg pozitiv (mai mare sau egal cu 1). Cu alte cuvinte, numărul cuantic principal al unui electron nu poate fi 1/2 sau -3. Aceste numere întregi nu au fost alese în mod arbitrar, ci prin dovezi experimentale ale spectrului luminos: diferitele frecvențe (culori) ale luminii emise de atomii de hidrogen excitați urmează o relație matematică în funcție de valori întregi specifice, așa cum se arată în figura de mai jos.

Fiecare înveliș are capacitatea de a deține mai mulți electroni. O analogie pentru învelișurile de electroni sunt rândurile concentrice de scaune dintr-un amfiteatru. Așa cum o persoană care stă într-un amfiteatru trebuie să aleagă un rând pentru a se așeza (nu poate sta între rânduri), electronii trebuie să „alege” o anumită înveliș pentru a „se așeza”. La fel ca șirurile dintr-un amfiteatru, învelișurile exterioare dețin mai mulți electroni decât învelișurile mai aproape de centru. De asemenea, electronii tind să găsească cel mai mic înveliș disponibil, la fel cum oamenii dintr-un amfiteatru caută locul cel mai apropiat de scena centrală. Cu cât numărul de înveliș este mai mare, cu atât electronii au mai multă energie pe ea.

Numărul maxim de electroni pe care îi poate ține orice înveliș este descris de ecuația 2n 2 , unde n este numărul cuantic principal. Astfel, primul înveliș (n = 1) poate conține 2 electroni; a doua înveliș (n = 2) - 8 electroni; iar a treia înveliș (n = 3) - 18 electroni (figura de mai jos).

Numărul cuantic principal n și numărul maxim de electroni sunt legate prin formula 2(n 2). Orbitele nu sunt la scară.

Învelișurile de electroni din atom au fost notate mai degrabă cu litere decât cu cifre. Prima coajă (n = 1) a fost desemnată K, a doua coajă (n = 2) L, a treia coajă (n = 3) M, a patra coajă (n = 4) N, a cincea coajă (n = 5) O, a șasea coajă (n = 6) P și a șaptea coajă (n = 7) B.

Număr cuantic orbital (azimutal).: un înveliș compus din subcochilii. Unii ar putea considera că este mai convenabil să se gândească la subshell-uri ca la simple secțiuni de shell-uri, cum ar fi benzile care despart un drum. Subshell-urile sunt mult mai ciudate. Subcoapele sunt regiuni ale spațiului în care pot exista „nori” de electroni și, de fapt, diferite subcopii au forme diferite. Prima subînveliș are forma unei bile (Figura de mai jos (s)), ceea ce are sens atunci când este vizualizat ca un nor de electroni care înconjoară nucleul unui atom în trei dimensiuni.

Al doilea subshell seamănă cu o ganteră, constând din două „petale” conectate într-un punct aproape de centrul atomului (figura de mai jos (p)).

Cel de-al treilea subshell seamănă de obicei cu un set de patru „petale” grupate în jurul nucleului unui atom. Aceste forme de subshell seamănă cu reprezentări grafice ale modelelor de antene cu lobi asemănător ceapă care se extind de la antenă în diferite direcții (Figura de mai jos (d)).

Orbitali:
(s) triplă simetrie;
(p) Se arată: p x , una dintre cele trei orientări posibile (p x , p y , p z), de-a lungul axelor respective;
(d) Se arată: d x 2 -y 2 este similar cu d xy , d yz , d xz . Afișat: d z 2 . Numărul de orbitali d posibili: cinci.

Valorile valide pentru numărul cuantic orbital sunt numere întregi pozitive, ca și pentru numărul cuantic principal, dar includ și zero. Aceste numere cuantice pentru electroni sunt notate cu litera l. Numărul de subcochilii este egal cu numărul cuantic principal al învelișului. Astfel, primul shell (n = 1) are un subshell cu numărul 0; a doua înveliș (n = 2) are două subcochilii numerotate 0 și 1; a treia înveliș (n = 3) are trei subshell numerotate 0, 1 și 2.

Vechea convenție subshell folosea mai degrabă litere decât numere. În acest format, primul subshell (l = 0) a fost notat s, al doilea subshell (l = 1) a fost notat p, al treilea subshell (l = 2) a fost notat d, iar al patrulea subshell (l = 3) a fost notat notat f. Literele provin din cuvintele: ascuțit, principal, difuzȘi Fundamental. Puteți vedea în continuare aceste denumiri în multe tabele periodice folosite pentru a indica configurația electronică a exteriorului ( valenţă) învelișuri de atomi.

(a) reprezentarea Bohr a atomului de argint,
(b) Reprezentarea orbitală a Ag cu diviziunea învelișurilor în subînveliș (numărul cuantic orbital l).
Această diagramă nu implică nimic despre poziția actuală a electronilor, ci reprezintă doar nivelurile de energie.

Număr cuantic magnetic: Numărul cuantic magnetic al electronului clasifică orientarea figurii subînvelișului electronic. „Petalele” subcociilor pot fi îndreptate în mai multe direcții. Aceste orientări diferite se numesc orbitali. Pentru prima subshell (s; l = 0), care seamănă cu o sferă, „direcția” nu este specificată. Pentru o a doua (p; l = 1) subshell în fiecare coajă care seamănă cu o gantere îndreptată în trei direcții posibile. Imaginează-ți trei gantere care se intersectează la origine, fiecare îndreptată de-a lungul propriei axe într-un sistem de coordonate triaxial.

Valorile valide pentru un număr cuantic dat constau în numere întregi cuprinse între -l și l, iar acest număr este notat ca m lîn fizica atomică şi zîn fizica nucleară. Pentru a calcula numărul de orbitali din orice subshell, trebuie să dublați numărul subshellului și să adăugați 1, (2∙l + 1). De exemplu, primul subshell (l = 0) din orice înveliș conține un orbital numerotat 0; al doilea subshell (l = 1) din orice înveliș conține trei orbitali cu numerele -1, 0 și 1; al treilea subshell (l = 2) conține cinci orbitali numerotați -2, -1, 0, 1 și 2; etc.

La fel ca și numărul cuantic principal, numărul cuantic magnetic a apărut direct din datele experimentale: efectul Zeeman, separarea liniilor spectrale prin expunerea unui gaz ionizat la un câmp magnetic, de unde și denumirea de număr cuantic „magnetic”.

Spin număr cuantic: ca și numărul cuantic magnetic, această proprietate a electronilor unui atom a fost descoperită prin experimente. Observarea atentă a liniilor spectrale a arătat că fiecare linie era de fapt o pereche de linii foarte apropiate, s-a sugerat că acest așa-numit structură fină a fost rezultatul „învârtirii” fiecărui electron în jurul propriei axe, ca o planetă. Electronii cu „rotiri” diferite ar emite frecvențe de lumină ușor diferite atunci când sunt excitați. Conceptul de electron rotativ este acum depășit, fiind mai potrivit pentru viziunea (incorectă) a electronilor ca particule individuale de materie, mai degrabă decât ca „nori”, dar numele rămâne.

Numerele cuantice spin sunt notate ca Domnișoarăîn fizica atomică şi szîn fizica nucleară. Fiecare orbital din fiecare subshell poate avea doi electroni în fiecare înveliș, unul cu spin +1/2 și celălalt cu spin -1/2.

Fizicianul Wolfgang Pauli a dezvoltat un principiu care explică ordonarea electronilor într-un atom în funcție de aceste numere cuantice. Principiul lui, numit Principiul excluderii Pauli, afirmă că doi electroni din același atom nu pot ocupa aceleași stări cuantice. Adică, fiecare electron dintr-un atom are un set unic de numere cuantice. Acest lucru limitează numărul de electroni care pot ocupa orice orbital, subînveliș și înveliș dat.

Aceasta arată aranjarea electronilor într-un atom de hidrogen:

Cu un proton în nucleu, atomul acceptă un electron pentru echilibrul său electrostatic (sarcina pozitivă a protonului este exact echilibrată de sarcina negativă a electronului). Acest electron se află în învelișul inferior (n = 1), primul subshell (l = 0), în singurul orbital (orientare spațială) al acestui subshell (m l = 0), cu o valoare de spin de 1/2. Metoda generală de descriere a acestei structuri este prin enumerarea electronilor în funcție de învelișurile și subînvelișurile lor, conform unei convenții numite notație spectroscopică. În această notație, numărul de înveliș este afișat ca un întreg, subînvelișul ca o literă (s,p,d,f) și numărul total de electroni din subînveliș (toți orbitalii, toți spinii) ca un superscript. Astfel, hidrogenul, cu unicul său electron plasat la nivelul bazei, este descris ca 1s 1 .

Trecând la următorul atom (în ordinea numărului atomic), obținem elementul heliu:

Un atom de heliu are doi protoni în nucleul său, ceea ce necesită doi electroni pentru a echilibra sarcina electrică dublă pozitivă. Deoarece doi electroni - unul cu spin 1/2 și celălalt cu spin -1/2 - se află în același orbital, structura electronică a heliului nu necesită învelișuri sau învelișuri suplimentare pentru a deține al doilea electron.

Cu toate acestea, un atom care necesită trei sau mai mulți electroni va avea nevoie de subcoape suplimentare pentru a păstra toți electronii, deoarece doar doi electroni pot fi pe învelișul inferior (n = 1). Luați în considerare următorul atom din succesiunea numerelor atomice crescătoare, litiu:

Atomul de litiu folosește o parte din capacitatea L a carcasei (n = 2). Acest înveliș are de fapt o capacitate totală de opt electroni (capacitatea maximă a învelișului = 2n 2 electroni). Dacă luăm în considerare structura unui atom cu o înveliș L complet umplut, vedem cum toate combinațiile de subînvelișuri, orbitali și spini sunt ocupate de electroni:

Adesea, atunci când se atribuie o notație spectroscopică unui atom, orice înveliș complet umplut este omis și sunt notate învelișuri neumplute și învelișuri umplute de nivel superior. De exemplu, elementul neon (prezentat în figura de mai sus), care are două învelișuri complet umplute, poate fi descris spectral ca 2p 6 mai degrabă decât ca 1s 22 s 22 p 6 . Litiul, cu învelișul K complet umplut și un singur electron în învelișul L, poate fi descris pur și simplu ca 2s 1 mai degrabă decât 1s 22 s 1 .

Omiterea shell-urilor de nivel inferior complet populate nu este doar pentru comoditatea notării. De asemenea, ilustrează un principiu de bază al chimiei: comportamentul chimic al unui element este determinat în primul rând de învelișurile sale neumplute. Atât hidrogenul, cât și litiul au un electron pe învelișul lor exterior (ca 1 și, respectiv, 2s 1), adică ambele elemente au proprietăți similare. Ambele sunt foarte reactive și reacționează în moduri aproape identice (se leagă de elemente similare în condiții similare). Nu contează cu adevărat că litiul are un K-shell complet umplut sub un L-shell aproape liber: L-shell-ul neumplut este cel care îi determină comportamentul chimic.

Elementele care au umplut complet învelișurile exterioare sunt clasificate ca nobile și se caracterizează printr-o lipsă aproape completă de reacție cu alte elemente. Aceste elemente au fost clasificate drept inerte atunci când se considera că nu reacţionează deloc, dar se ştie că formează compuşi cu alte elemente în anumite condiţii.

Deoarece elementele cu aceeași configurație de electroni în învelișul lor exterioară au proprietăți chimice similare, Dmitri Mendeleev a organizat elementele chimice într-un tabel în consecință. Acest tabel este cunoscut ca , iar tabelele moderne urmează acest aspect general, prezentat în figura de mai jos.

Tabelul periodic al elementelor chimice

Dmitri Mendeleev, un chimist rus, a fost primul care a dezvoltat tabelul periodic al elementelor. Chiar dacă Mendeleev și-a organizat tabelul în funcție de masa atomică, nu de numărul atomic și a creat un tabel care nu a fost la fel de util ca tabelele periodice moderne, dezvoltarea sa este un exemplu excelent de dovezi științifice. Văzând modele de periodicitate (proprietăți chimice similare în funcție de masa atomică), Mendeleev a emis ipoteza că toate elementele trebuie să se încadreze în acest model ordonat. Când a descoperit locuri „goale” în tabel, a urmat logica ordinii existente și și-a asumat existența unor elemente încă necunoscute. Descoperirea ulterioară a acestor elemente a confirmat corectitudinea științifică a ipotezei lui Mendeleev, descoperiri ulterioare au condus la forma tabelului periodic pe care îl folosim acum.

Asa ar trebui săștiința muncii: ipotezele conduc la concluzii logice și sunt acceptate, modificate sau respinse în funcție de consistența datelor experimentale cu concluziile lor. Orice prost poate formula o ipoteză după fapt pentru a explica datele experimentale disponibile, și mulți o fac. Ceea ce distinge o ipoteză științifică de speculația post-hoc este predicția unor date experimentale viitoare care nu au fost încă colectate și, posibil, respingerea acestor date ca rezultat. Conduceți cu îndrăzneală ipoteza la concluzia(ele) logică(e) și încercarea de a prezice rezultatele experimentelor viitoare nu este un salt dogmatic de credință, ci mai degrabă o testare publică a acestei ipoteze, o provocare deschisă pentru oponenții ipotezei. Cu alte cuvinte, ipotezele științifice sunt întotdeauna „riscante” din cauza încercării de a prezice rezultatele experimentelor care nu au fost încă făcute și, prin urmare, pot fi falsificate dacă experimentele nu decurg conform așteptărilor. Astfel, dacă o ipoteză prezice corect rezultatele experimentelor repetate, aceasta este infirmată.

Mecanica cuantică, mai întâi ca ipoteză și apoi ca teorie, s-a dovedit a fi extrem de reușită în prezicerea rezultatelor experimentelor și, prin urmare, a primit un grad ridicat de credibilitate științifică. Mulți oameni de știință au motive să creadă că aceasta este o teorie incompletă, deoarece predicțiile ei sunt mai adevărate la scară microfizică decât la scară macroscopică, dar, cu toate acestea, este o teorie extrem de utilă pentru explicarea și prezicerea interacțiunii particulelor și atomilor.

După cum ați văzut în acest capitol, fizica cuantică este esențială în descrierea și prezicerea multor fenomene diferite. În secțiunea următoare, vom vedea semnificația acesteia în conductivitatea electrică a solidelor, inclusiv a semiconductorilor. Mai simplu spus, nimic din chimie sau fizica stării solide nu are sens în structura teoretică populară a electronilor existenți ca particule individuale de materie care înconjoară nucleul unui atom ca niște sateliți în miniatură. Când electronii sunt priviți ca „funcții de undă” existente în anumite stări discrete care sunt regulate și periodice, atunci comportamentul materiei poate fi explicat.

Rezumând

Electronii din atomi există în „nori” de probabilitate distribuită și nu ca particule discrete de materie care se rotesc în jurul nucleului, precum sateliții în miniatură, așa cum arată exemplele comune.

Electronii individuali din jurul nucleului unui atom tind la „stări” unice descrise de patru numere cuantice: număr cuantic principal (radial)., cunoscut ca coajă; număr cuantic orbital (azimut)., cunoscut ca subshell; număr cuantic magnetic descriind orbital(orientarea subshell); Și număr cuantic de spin, sau pur și simplu a învârti. Aceste stări sunt cuantice, adică „între ele” nu există condiții pentru existența unui electron, cu excepția stărilor care se încadrează în schema de numerotare cuantică.

Glanoe (radial) număr cuantic (n) descrie nivelul de bază sau învelișul în care se află electronul. Cu cât acest număr este mai mare, cu atât raza norului de electroni este mai mare de la nucleul atomului și cu atât energia electronului este mai mare. Numerele cuantice principale sunt numere întregi (numere întregi pozitive)

Număr cuantic orbital (azimutal) (l) descrie forma unui nor de electroni într-un anumit înveliș sau nivel și este adesea cunoscut sub numele de „subshell”. În orice înveliș, există tot atâtea subcochilii (forme ale unui nor de electroni) cât numărul cuantic principal al învelișului. Numerele cuantice azimutale sunt numere întregi pozitive care încep de la zero și se termină cu un număr mai mic decât numărul cuantic principal cu unu (n - 1).

Număr cuantic magnetic (m l) descrie ce orientare are subshell (forma norului de electroni). Subshell-urile pot avea tot atâtea orientări diferite cât de două ori numărul subshell (l) plus 1, (2l+1) (adică pentru l=1, ml = -1, 0, 1), iar fiecare orientare unică se numește orbital . Aceste numere sunt numere întregi care pornesc de la o valoare negativă a numărului subshell (l) până la 0 și se termină cu o valoare pozitivă a numărului subshell.

Număr cuantic de rotație (m s) descrie o altă proprietate a electronului și poate lua valorile +1/2 și -1/2.

Principiul excluderii Pauli spune că doi electroni dintr-un atom nu pot împărtăși același set de numere cuantice. Prin urmare, pot exista cel mult doi electroni în fiecare orbital (spin=1/2 și spin=-1/2), 2l+1 orbitali în fiecare subshell și n subshell în fiecare înveliș și nu mai mult.

Notație spectroscopică este o convenție pentru structura electronică a unui atom. Învelișurile sunt afișate sub formă de numere întregi, urmate de litere de subînveliș (s, p, d, f) cu numere în superscript care indică numărul total de electroni găsiți în fiecare subînveliș respectiv.

Comportamentul chimic al unui atom este determinat numai de electroni din învelișurile neumplute. Învelișurile de nivel scăzut care sunt complet umplute au un efect redus sau deloc asupra caracteristicilor de legare chimică a elementelor.

Elementele cu învelișuri de electroni complet umplute sunt aproape complet inerte și sunt numite nobil elemente (cunoscute anterior ca inerte).