Kärnan i kvantfysiken. Grunderna i kvantfysiken i fem experiment för "dummies"

Fysiken är den mest mystiska av alla vetenskaper. Fysiken ger oss en förståelse för världen omkring oss. Fysikens lagar är absoluta och gäller alla utan undantag, oavsett person och social status.

Denna artikel är avsedd för personer över 18 år.

Är du redan över 18?

Grundläggande upptäckter inom kvantfysik

Isaac Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein och många andra är mänsklighetens stora guider i fysikens underbara värld, som liksom profeter avslöjade för mänskligheten universums största hemligheter och förmågan att kontrollera fysiska fenomen. Deras ljusa huvuden skar genom okunnighetens mörker hos den orimliga majoriteten och visade som en ledstjärna vägen till mänskligheten i nattens mörker. En av dessa ledare i fysikens värld var Max Planck, kvantfysikens fader.

Max Planck är inte bara grundaren av kvantfysiken, utan också författaren till den världsberömda kvantteorin. Kvantteorin är den viktigaste komponenten i kvantfysiken. Enkelt uttryckt beskriver denna teori mikropartiklars rörelse, beteende och interaktion. Grundaren av kvantfysiken gav oss också många andra vetenskapliga verk som har blivit hörnstenarna i modern fysik:

• teori om termisk strålning;
• speciell relativitetsteori;
• forskning inom området termodynamik;
• forskning inom optikområdet.

Kvantfysikens teori om mikropartiklars beteende och interaktion blev grunden för kondenserad materiens fysik, elementarpartikelfysik och högenergifysik. Kvantteorin förklarar för oss essensen av många fenomen i vår värld - från hur elektroniska datorer fungerar till himlakropparnas struktur och beteende. Max Planck, skaparen av denna teori, tillät oss tack vare sin upptäckt att förstå den sanna essensen av många saker på nivån av elementarpartiklar. Men skapandet av denna teori är långt ifrån vetenskapsmannens enda förtjänst. Han var den förste som upptäckte universums grundläggande lag - lagen om energibevarande. Max Plancks bidrag till vetenskapen är svårt att överskatta. Kort sagt, hans upptäckter är ovärderliga för fysik, kemi, historia, metodik och filosofi.

kvantfältteori

I ett nötskal är kvantfältteori en teori om beskrivningen av mikropartiklar, såväl som deras beteende i rymden, interaktion med varandra och ömsesidiga transformationer. Denna teori studerar beteendet hos kvantsystem inom de så kallade frihetsgraderna. Detta vackra och romantiska namn säger ingenting för många av oss. För dummies är frihetsgrader antalet oberoende koordinater som behövs för att indikera rörelsen hos ett mekaniskt system. Enkelt uttryckt är frihetsgrader kännetecken för rörelse. Intressanta upptäckter inom området för interaktion mellan elementarpartiklar gjordes av Steven Weinberg. Han upptäckte den så kallade neutrala strömmen - principen om interaktion mellan kvarkar och leptoner, som han fick Nobelpriset för 1979.

Max Plancks kvantteorin

På 1700-talets nittiotalet tog den tyske fysikern Max Planck upp studien av termisk strålning och fick så småningom en formel för energifördelning. Kvanthypotesen, som föddes under dessa studier, markerade början av kvantfysiken, såväl som kvantfältteorin, som upptäcktes på 1900-talet. Plancks kvantteori är att under termisk strålning emitteras och absorberas den energi som produceras inte konstant, utan episodiskt, kvantum. År 1900, tack vare denna upptäckt gjord av Max Planck, blev året för kvantmekanikens födelse. Det är också värt att nämna Plancks formel. Kort sagt, dess väsen är som följer - den är baserad på förhållandet mellan kroppstemperatur och dess strålning.

Kvantmekanisk teori om atomens struktur

Den kvantmekaniska teorin om atomens struktur är en av de grundläggande teorierna om begrepp inom kvantfysiken, och faktiskt i fysiken i allmänhet. Denna teori låter oss förstå strukturen av allt materiellt och öppnar hemlighetens slöja över vad saker egentligen består av. Och slutsatserna baserade på denna teori är mycket oväntade. Betrakta atomens struktur kort. Så vad är egentligen en atom gjord av? En atom består av en kärna och ett moln av elektroner. Grunden för atomen, dess kärna, innehåller nästan hela massan av själva atomen - mer än 99 procent. Kärnan har alltid en positiv laddning, och den bestämmer det kemiska elementet som atomen är en del av. Det mest intressanta med en atoms kärna är att den innehåller nästan hela atomens massa, men samtidigt upptar den bara en tiotusendel av sin volym. Vad följer av detta? Och slutsatsen är mycket oväntad. Det betyder att den täta materien i atomen bara är en tiotusendel. Och hur är det med allt annat? Allt annat i atomen är ett elektronmoln.

Elektronmolnet är inte ett permanent och till och med inte ett materiellt ämne. Ett elektronmoln är bara sannolikheten för att elektroner dyker upp i en atom. Det vill säga kärnan upptar bara en tiotusendel i atomen, och allt annat är tomhet. Och om vi tar hänsyn till att alla föremål runt omkring oss, från dammpartiklar till himlakroppar, planeter och stjärnor, består av atomer, visar det sig att allt materiellt i själva verket består av mer än 99 procent av tomhet. Den här teorin verkar helt otrolig, och dess författare är åtminstone en vanföreställning, eftersom de saker som finns runt omkring har en solid konsistens, har tyngd och kan kännas. Hur kan det bestå av tomhet? Har ett misstag smugit sig in i denna teori om materiens struktur? Men det är inget fel här.

Alla materiella ting verkar täta endast på grund av interaktionen mellan atomer. Saker har en solid och tät konsistens endast på grund av attraktion eller repulsion mellan atomer. Detta säkerställer tätheten och hårdheten hos kristallgittret av kemikalier, som allt material består av. Men, en intressant punkt, när, till exempel, temperaturförhållandena i miljön förändras, kan bindningarna mellan atomer, det vill säga deras attraktion och avstötning, försvagas, vilket leder till en försvagning av kristallgittret och till och med till dess förstörelse. Detta förklarar förändringen i ämnens fysikaliska egenskaper när de värms upp. Till exempel, när järn värms upp blir det flytande och kan formas till vilken form som helst. Och när is smälter leder förstörelsen av kristallgittret till en förändring i materiens tillstånd, och det övergår från fast till flytande. Dessa är tydliga exempel på försvagning av bindningar mellan atomer och, som ett resultat, försvagning eller förstörelse av kristallgittret, och låter ämnet bli amorft. Och anledningen till sådana mystiska metamorfoser är just att ämnen består av tät materia endast med en tiotusendel, och allt annat är tomhet.

Och ämnen verkar vara fasta endast på grund av de starka bindningarna mellan atomer, vars försvagning ändras. Således tillåter kvantteorin om atomens struktur oss att ta en helt annan titt på världen omkring oss.

Grundaren av teorin om atomen, Niels Bohr, lade fram ett intressant koncept att elektronerna i atomen inte utstrålar energi konstant, utan bara i övergångsögonblicket mellan banorna för deras rörelse. Bohrs teori hjälpte till att förklara många intraatomära processer och gjorde också ett genombrott inom kemivetenskapen och förklarade gränsen för tabellen skapad av Mendeleev. Enligt , det sista elementet som kan existera i tid och rum har serienumret hundra trettiosju, och element som börjar från hundra trettioåttonde kan inte existera, eftersom deras existens strider mot relativitetsteorin. Bohrs teori förklarade också karaktären av ett sådant fysiskt fenomen som atomspektra.

Dessa är interaktionsspektra för fria atomer som uppstår när energi emitteras mellan dem. Sådana fenomen är typiska för gasformiga, ångformiga ämnen och ämnen i plasmatillstånd. Kvantteorin gjorde således en revolution i fysikens värld och gjorde det möjligt för forskare att avancera inte bara inom denna vetenskap, utan också inom många relaterade vetenskaper: kemi, termodynamik, optik och filosofi. Och tillät också mänskligheten att tränga in i sakernas naturs hemligheter.

Det finns fortfarande mycket att göra av mänskligheten i dess medvetande för att inse atomernas natur, för att förstå principerna för deras beteende och interaktion. Efter att ha förstått detta kommer vi att kunna förstå naturen hos världen omkring oss, eftersom allt som omger oss, börjar med dammpartiklar och slutar med själva solen, och vi själva - allt består av atomer, vars natur är mystisk och fantastiska och fyllda med många hemligheter.

Hej kära läsare. Om du inte vill släpa efter livet, du vill bli en verkligt lycklig och frisk person, bör du känna till hemligheterna i den moderna kvantfysiken, åtminstone en liten aning om vilka djup i universum som forskare har grävt i dag. Du har inte tid att gå in på djupa vetenskapliga detaljer, men du vill bara förstå essensen, men för att se skönheten i den okända världen, då är denna artikel: kvantfysik för vanliga dummies eller, kan man säga, för hemmafruar, bara till dig. Jag ska försöka förklara vad kvantfysik är, men i enkla ord, för att visa tydligt.

”Vad är sambandet mellan lycka, hälsa och kvantfysik?” frågar du.

Faktum är att det hjälper till att svara på många obegripliga frågor relaterade till mänskligt medvetande, medvetandets inflytande på kroppen. Tyvärr hjälper medicin, som förlitar sig på klassisk fysik, oss inte alltid att vara friska. Och psykologi kan inte riktigt berätta hur man hittar lycka.

Endast djupare kunskap om världen kommer att hjälpa oss att förstå hur vi verkligen kan hantera sjukdomar och var lyckan bor. Denna kunskap finns i universums djupa lager. Kvantfysiken kommer till undsättning. Snart vet du allt.

Vad studerar kvantfysiken i enkla ord

Ja, faktiskt, kvantfysiken är mycket svår att förstå eftersom den studerar mikrovärldens lagar. Det vill säga världen på dess djupare lager, på mycket små avstånd, där det är väldigt svårt för en person att titta.

Och världen, visar det sig, beter sig där väldigt konstigt, mystiskt och obegripligt, inte som vi är vana vid.

Därav all komplexiteten och missförståndet i kvantfysiken.

Men efter att ha läst den här artikeln kommer du att vidga dina kunskapers horisonter och se på världen på ett helt annat sätt.

Kort om kvantfysikens historia

Allt började i början av 1900-talet, när den newtonska fysiken inte kunde förklara många saker och forskare hamnade i en återvändsgränd. Sedan introducerade Max Planck begreppet kvantum. Albert Einstein tog upp denna idé och bevisade att ljus inte fortplantar sig kontinuerligt, utan i portioner - kvanta (fotoner). Dessförinnan trodde man att ljus har en vågnatur.

Men som det visade sig senare är varje elementär partikel inte bara ett kvantum, det vill säga en fast partikel, utan också en våg. Så här uppträdde korpuskulär vågdualism i kvantfysiken, den första paradoxen och början på upptäckter av mystiska fenomen i mikrovärlden.

De mest intressanta paradoxerna började när det berömda dubbelslitsexperimentet genomfördes, varefter mysterierna blev mycket fler. Vi kan säga att kvantfysiken började med honom. Låt oss ta en titt på det.

Dubbelslitsexperiment i kvantfysik

Föreställ dig en tallrik med två slitsar i form av vertikala ränder. Vi kommer att sätta en skärm bakom denna tallrik. Om vi ​​riktar ljus mot plattan kommer vi att se ett interferensmönster på skärmen. Det vill säga omväxlande mörka och ljusa vertikala ränder. Interferens är resultatet av vågbeteendet hos något, i vårt fall ljus.

Om du passerar en våg av vatten genom två hål som ligger sida vid sida kommer du att förstå vad störning är. Det vill säga, ljuset visar sig vara ungefär som om det har en vågnatur. Men som fysiken, eller snarare Einstein, har bevisat, så fortplantas den av fotonpartiklar. Redan en paradox. Men det är okej, korpuskulär vågdualism kommer inte längre att överraska oss. Kvantfysiken säger att ljus beter sig som en våg men består av fotoner. Men miraklen har bara börjat.

Låt oss sätta en pistol framför en platta med två slitsar, som inte kommer att avge ljus, utan elektroner. Låt oss börja skjuta elektroner. Vad kommer vi att se på skärmen bakom tallriken?

När allt kommer omkring är elektroner partiklar, vilket betyder att flödet av elektroner, som passerar genom två slitsar, bara ska lämna två ränder på skärmen, två spår mitt emot slitsarna. Har du föreställt dig småsten som flyger genom två luckor och träffar skärmen?

Men vad ser vi egentligen? Alla samma interferensmönster. Vad är slutsatsen: elektroner fortplantar sig i vågor. Så elektroner är vågor. Men trots allt är det en elementarpartikel. Återigen corpuscular-wave dualism i fysiken.

Men vi kan anta att på en djupare nivå är en elektron en partikel, och när dessa partiklar kommer samman börjar de bete sig som vågor. Till exempel är en havsvåg en våg, men den består av vattendroppar och på en mindre nivå molekyler och sedan atomer. Okej, logiken är solid.

Låt oss sedan skjuta från en pistol inte med en ström av elektroner, utan låt oss släppa ut elektroner separat, efter en viss tidsperiod. Som om vi passerade genom springorna, inte en havsvåg, utan spottade individuella droppar från en barnvattenpistol.

Det är ganska logiskt att i det här fallet skulle olika vattendroppar falla i olika slitsar. På skärmen bakom plattan kunde man inte se ett interferensmönster från vågen, utan två distinkta anslagsfransar mittemot varje slits. Vi kommer att se samma sak om vi kastar små stenar, de, som flyger genom två sprickor, skulle lämna ett spår, som en skugga från två hål. Låt oss nu skjuta individuella elektroner för att se dessa två ränder på skärmen från elektronstötar. De släppte en, väntade, den andra, väntade och så vidare. Kvantfysiker har kunnat göra ett sådant experiment.

Men skräck. Istället för dessa två fransar erhålls samma interferensväxlingar av flera fransar. Hur så? Detta kan hända om en elektron flyger genom två slitsar samtidigt, men bakom plattan, som en våg, kolliderar den med sig själv och stör. Men så kan det inte vara, eftersom en partikel inte kan vara på två ställen samtidigt. Den flyger antingen genom den första springan eller genom den andra.

Det är här kvantfysikens verkligt fantastiska saker börjar.

Superposition i kvantfysik

Med en djupare analys får forskarna reda på att vilken elementär kvantpartikel eller samma ljus (foton) faktiskt kan finnas på flera ställen samtidigt. Och det här är inte mirakel, utan mikrokosmos verkliga fakta. Detta är vad kvantfysiken säger. Det är därför, när vi skjuter en separat partikel från en kanon, ser vi resultatet av interferens. Bakom plattan kolliderar elektronen med sig själv och skapar ett interferensmönster.

Vanliga objekt i makrokosmos är alltid på ett ställe, har ett tillstånd. Till exempel sitter du nu på en stol, väger säg 50 kg, har en puls på 60 slag per minut. Naturligtvis kommer dessa indikationer att ändras, men de kommer att ändras efter en tid. Du kan trots allt inte vara hemma och på jobbet samtidigt, väga 50 och 100 kg. Allt detta är förståeligt, det här är sunt förnuft.

I mikrokosmos fysik är allt annorlunda.

Kvantmekaniken hävdar, och detta har redan bekräftats experimentellt, att vilken elementarpartikel som helst kan vara samtidigt inte bara på flera punkter i rymden, utan också ha flera tillstånd samtidigt, såsom spinn.

Allt detta passar inte in i huvudet, undergräver den vanliga idén om världen, fysikens gamla lagar, vänder på tänkandet, man kan lugnt säga att det gör dig galen.

Det är så vi kommer att förstå termen "superposition" inom kvantmekaniken.

Superposition innebär att ett objekt i mikrokosmos samtidigt kan befinna sig i olika punkter i rymden, och även ha flera tillstånd samtidigt. Och detta är normalt för elementarpartiklar. Sådan är mikrovärldens lag, hur konstigt och fantastiskt det än kan verka.

Du är förvånad, men det här är bara blommor, kvantfysikens mest oförklarliga mirakel, mysterier och paradoxer har ännu inte kommit.

Vågfunktion kollaps i fysiken i enkla termer

Sedan bestämde sig forskarna för att ta reda på och se mer exakt om elektronen faktiskt passerar genom båda slitsarna. Helt plötsligt går den genom en slits och separeras sedan på något sätt och skapar ett interferensmönster när den passerar igenom. Tja, man vet aldrig. Det vill säga, du måste placera någon enhet nära slitsen, som korrekt skulle registrera passagen av en elektron genom den. Inte tidigare sagt än gjort. Naturligtvis är detta svårt att implementera, du behöver inte en enhet, utan något annat för att se en elektrons passage. Men forskare har gjort det.

Men i slutändan häpnade resultatet alla.

Så fort vi börjar titta genom vilken slits en elektron passerar genom, börjar den bete sig inte som en våg, inte som ett konstigt ämne som befinner sig på olika punkter i rymden samtidigt, utan som en vanlig partikel. Det vill säga, det börjar visa de specifika egenskaperna hos ett kvantum: det ligger bara på ett ställe, det passerar genom en fack, det har ett spin-värde. Det som visas på skärmen är inte ett interferensmönster, utan ett enkelt spår mittemot slitsen.

Men hur är det möjligt. Som om elektronen skojar och leker med oss. Till en början beter den sig som en våg, och sedan, efter att vi bestämde oss för att titta på dess passage genom en slits, uppvisar den egenskaperna hos en fast partikel och passerar endast en slits. Men så är det i mikrokosmos. Dessa är kvantfysikens lagar.

Forskare har sett en annan mystisk egenskap hos elementarpartiklar. Det var så begreppen osäkerhet och kollaps av vågfunktionen dök upp i kvantfysiken.

När en elektron flyger mot gapet är den i ett obestämt tillstånd eller, som vi sa ovan, i en superposition. Det vill säga, den beter sig som en våg, den är placerad samtidigt på olika punkter i rymden, den har två snurrvärden (ett snurr har bara två värden). Om vi ​​inte rörde den, inte försökte titta på den, inte fick reda på exakt var den är, om vi inte mätte värdet på dess snurr, skulle den flyga som en våg genom två springor vid samtidigt, vilket betyder att det skulle skapa ett interferensmönster. Kvantfysiken beskriver dess bana och parametrar med hjälp av vågfunktionen.

Efter att vi har gjort mätningen (och det är möjligt att mäta en partikel i mikrovärlden endast genom att interagera med den, till exempel genom att kollidera med en annan partikel med den), då kollapsar vågfunktionen.

Det vill säga, nu är elektronen exakt på ett ställe i rymden, har ett spinnvärde.

Man kan säga att en elementarpartikel är som ett spöke, den verkar finnas, men samtidigt finns den inte på ett ställe, och med en viss sannolikhet kan den vara var som helst inom beskrivningen av vågfunktionen. Men så fort vi börjar kontakta det förvandlas det från ett spöklikt föremål till ett verkligt påtagligt ämne som beter sig som vanliga föremål i den klassiska världen som är bekanta för oss.

"Det här är fantastiskt", säger du. Visst, men kvantfysikens underverk har bara börjat. Det mest otroliga är ännu att komma. Men låt oss ta en paus från överflöd av information och återgå till kvantäventyr en annan gång, i en annan artikel. Under tiden, reflektera över vad du lärde dig idag. Vad kan sådana mirakel leda till? När allt kommer omkring omger de oss, detta är en egenskap hos vår värld, om än på en djupare nivå. Tror vi fortfarande att vi lever i en tråkig värld? Men vi kommer att dra slutsatser senare.

Jag försökte prata om grunderna i kvantfysik kort och tydligt.

Men om du inte förstår något, se den här tecknade filmen om kvantfysik, om experimentet med två slitsar, allt berättas också där på ett begripligt, enkelt språk.

Tecknad film om kvantfysik:

Eller så kan du titta på den här videon, allt kommer att falla på plats, kvantfysik är väldigt intressant.

Video om kvantfysik:

Hur visste du inte om detta innan?

Moderna upptäckter inom kvantfysiken förändrar vår välbekanta materiella värld.

Välkommen till bloggen! Jag är väldigt glad för dig!

Du har säkert hört många gånger om kvantfysikens och kvantmekanikens oförklarliga mysterier. Dess lagar fascinerar med mystik, och även fysikerna själva medger att de inte helt förstår dem. Å ena sidan är det nyfiket att förstå dessa lagar, men å andra sidan finns det ingen tid att läsa flervolymer och komplexa böcker om fysik. Jag förstår dig väldigt mycket, för jag älskar också kunskap och sökandet efter sanning, men det finns verkligen inte tillräckligt med tid för alla böcker. Du är inte ensam, många nyfikna människor skriver på sökraden: "kvantfysik för dummies, kvantmekanik för dummies, kvantfysik för nybörjare, kvantmekanik för nybörjare, grunderna i kvantfysik, grunderna för kvantmekanik, kvantfysik för barn, vad är kvantmekanik". Det här inlägget är till dig.

Du kommer att förstå kvantfysikens grundläggande begrepp och paradoxer. Från artikeln kommer du att lära dig:

• Vad är interferens?
• Vad är spin och superposition?
• Vad är "mätning" eller "vågfunktionskollaps"?
• Vad är kvantentanglement (eller kvantteleportation för dummies)? (se artikel)
• Vad är tankeexperimentet Schrödingers katt? (se artikel)

Vad är kvantfysik och kvantmekanik?

Kvantmekaniken är en del av kvantfysiken.

Varför är det så svårt att förstå dessa vetenskaper? Svaret är enkelt: kvantfysik och kvantmekanik (en del av kvantfysiken) studerar mikrovärldens lagar. Och dessa lagar skiljer sig absolut från lagarna i vårt makrokosmos. Därför är det svårt för oss att föreställa oss vad som händer med elektroner och fotoner i mikrokosmos.

Ett exempel på skillnaden mellan makro- och mikrovärldarnas lagar: i vårt makrokosmos, om du lägger en boll i en av de två lådorna, kommer en av dem att vara tom och den andra - en boll. Men i mikrokosmos (om istället för en boll - en atom), kan en atom vara samtidigt i två lådor. Detta har upprepade gånger bekräftats experimentellt. Är det inte svårt att sätta det i huvudet? Men du kan inte argumentera mot fakta.

Ännu ett exempel. Du fotograferade en snabb racing röd sportbil och på bilden såg du en suddig horisontell remsa, som om bilen vid fototillfället var från flera punkter i rymden. Trots det du ser på bilden är du fortfarande säker på att bilen befann sig i det ögonblick du fotograferade den. på en specifik plats i rymden. Inte så i mikrovärlden. En elektron som kretsar kring en atoms kärna kretsar faktiskt inte, men lokaliserad samtidigt på alla punkter i sfären runt en atoms kärna. Som en löst lindad boll av fluffig ull. Detta begrepp i fysiken kallas "elektroniskt moln" .

En liten utvikning i historien. För första gången tänkte forskare på kvantvärlden när den tyske fysikern Max Planck år 1900 försökte ta reda på varför metaller ändrar färg när de värms upp. Det var han som introducerade begreppet kvantum. Innan dess trodde forskare att ljus färdades kontinuerligt. Den första personen som tog Plancks upptäckt på allvar var den då okända Albert Einstein. Han insåg att ljus inte bara är en våg. Ibland beter den sig som en partikel. Einstein fick Nobelpriset för sin upptäckt att ljus sänds ut i portioner, kvanta. Ett ljuskvantum kallas en foton ( foton, Wikipedia) .

För att göra det lättare att förstå kvantlagarna fysik och mekanik (Wikipedia), är det nödvändigt, i en viss mening, att abstrahera från den klassiska fysikens lagar som vi känner till. Och föreställ dig att du dök, som Alice, ner i kaninhålet, in i Underlandet.

Och här är en tecknad serie för barn och vuxna. Talar om kvantmekanikens grundläggande experiment med 2 slitsar och en observatör. Varar bara 5 minuter. Titta på det innan vi fördjupar oss i kvantfysikens grundläggande frågor och begrepp.

Kvantfysik för dummies video. Var uppmärksam på observatörens "öga" i den tecknade filmen. Det har blivit ett allvarligt mysterium för fysiker.

Vad är interferens?

I början av den tecknade filmen, med hjälp av exemplet med en vätska, visades det hur vågor beter sig - omväxlande mörka och ljusa vertikala ränder visas på skärmen bakom en platta med slitsar. Och i fallet när diskreta partiklar (till exempel småsten) "skjuts" på plattan, flyger de genom 2 slitsar och träffar skärmen mittemot slitsarna. Och "rita" på skärmen bara 2 vertikala ränder.

Ljus störningar– Det här är ljusets "våg"-beteende, när många omväxlande ljusa och mörka vertikala ränder visas på skärmen. Och de där vertikala ränderna kallas ett interferensmönster.

I vårt makrokosmos observerar vi ofta att ljus beter sig som en våg. Om du lägger handen framför ljuset, kommer det inte att finnas en tydlig skugga från handen på väggen, utan med suddiga konturer.

Så det är inte så svårt! Det är nu ganska tydligt för oss att ljus har en vågnatur, och om 2 slitsar är upplysta med ljus, kommer vi på skärmen bakom dem att se ett interferensmönster. Tänk nu på det andra experimentet. Detta är det berömda Stern-Gerlach-experimentet (som genomfördes på 20-talet av förra seklet).

I installationen som beskrivs i den tecknade filmen lyste de inte med ljus, utan "skott" med elektroner (som separata partiklar). Sedan, i början av förra seklet, trodde fysiker runt om i världen att elektroner är elementära partiklar av materia och inte borde ha en vågnatur, utan detsamma som småsten. När allt kommer omkring är elektroner elementära partiklar av materia, eller hur? Det vill säga, om de "kastas" i 2 slitsar, som småsten, bör vi se 2 vertikala ränder på skärmen bakom spåren.

Men... Resultatet var fantastiskt. Forskare såg ett interferensmönster - många vertikala ränder. Det vill säga att elektroner, liksom ljus, också kan ha en vågnatur, de kan störa. Å andra sidan blev det tydligt att ljus inte bara är en våg, utan också en partikel - en foton (från den historiska bakgrunden i början av artikeln fick vi veta att Einstein fick Nobelpriset för denna upptäckt).

Ni kanske minns att i skolan fick vi veta i fysik om "partikelvågsdualism"? Det betyder att när det kommer till mycket små partiklar (atomer, elektroner) i mikrovärlden, alltså de är både vågor och partiklar

Det är idag du och jag är så smarta och förstår att de 2 experimenten som beskrivs ovan - att avfyra elektroner och belysa slitsar med ljus - är ett och samma. För att vi skjuter kvantpartiklar mot slitsarna. Nu vet vi att både ljus och elektroner är av kvantnatur, de är både vågor och partiklar på samma gång. Och i början av 1900-talet var resultaten av detta experiment en sensation.

Uppmärksamhet! Låt oss nu gå vidare till en mer subtil fråga.

Vi lyser på våra slitsar med en ström av fotoner (elektroner) – och vi ser ett interferensmönster (vertikala ränder) bakom slitsarna på skärmen. Det är klart. Men vi är intresserade av att se hur var och en av elektronerna flyger genom springan.

Förmodligen flyger en elektron till den vänstra slitsen, den andra till höger. Men då ska 2 vertikala ränder dyka upp på skärmen mittemot slitsarna. Varför erhålls ett interferensmönster? Kanske interagerar elektronerna på något sätt med varandra redan på skärmen efter att ha flugit genom slitsarna. Och resultatet är ett sådant vågmönster. Hur kan vi följa detta?

Vi kommer att kasta elektroner inte i en stråle, utan en i taget. Släpp det, vänta, släpp nästa. Nu, när elektronen flyger ensam, kommer den inte längre att kunna interagera på skärmen med andra elektroner. Vi kommer att registrera varje elektron på skärmen efter kastet. En eller två kommer naturligtvis inte att "måla" en tydlig bild för oss. Men när vi en efter en skickar in många av dem i luckorna kommer vi att märka ... oh skräck - de "ritade" igen ett interferensvågmönster!

Vi börjar sakta bli galna. Vi förväntade oss trots allt att det skulle finnas 2 vertikala ränder mittemot slitsarna! Det visar sig att när vi kastade fotoner en i taget, passerade var och en av dem, så att säga, genom 2 slitsar samtidigt och störde sig själv. Fantasi! Vi återkommer till förklaringen av detta fenomen i nästa avsnitt.

Vad är spin och superposition?

Vi vet nu vad störning är. Detta är mikropartiklarnas vågbeteende - fotoner, elektroner, andra mikropartiklar (låt oss kalla dem fotoner för enkelhetens skull från och med nu).

Som ett resultat av experimentet, när vi kastade 1 foton i 2 slitsar, insåg vi att den flyger som om genom två slitsar samtidigt. Hur ska man annars förklara störningsmönstret på skärmen?

Men hur kan man föreställa sig en bild som en foton flyger genom två slitsar samtidigt? Det finns 2 alternativ.

• 1:a alternativet: foton, som en våg (som vatten) "svävar" genom 2 slitsar samtidigt
• Alternativ 2: en foton, som en partikel, flyger samtidigt längs två banor (inte ens två, utan alla på en gång)

I princip är dessa uttalanden likvärdiga. Vi har kommit fram till "vägintegralen". Detta är Richard Feynmans formulering av kvantmekaniken.

Förresten, precis Richard Feynman tillhör det välkända uttrycket att vi kan med säkerhet säga att ingen förstår kvantmekaniken

Men detta uttryck av hans verk verkade i början av seklet. Men nu är vi smarta och vi vet att en foton kan bete sig både som en partikel och som en våg. Att han kan flyga genom 2 slots samtidigt på något sätt som är obegripligt för oss. Därför kommer det att vara lätt för oss att förstå följande viktiga uttalande om kvantmekanik:

Strängt taget säger kvantmekaniken oss att detta fotonbeteende är regeln, inte undantaget. Varje kvantpartikel befinner sig som regel i flera tillstånd eller på flera punkter i rymden samtidigt.

Objekt i makrovärlden kan bara vara på en specifik plats och i ett specifikt tillstånd. Men en kvantpartikel existerar enligt sina egna lagar. Och hon bryr sig inte om att vi inte förstår dem. Det här är poängen.

Det återstår för oss att helt enkelt acceptera som ett axiom att "superpositionen" av ett kvantobjekt betyder att det kan vara på 2 eller flera banor samtidigt, på 2 eller flera punkter samtidigt

Detsamma gäller för en annan fotonparameter - spinn (sin egen rörelsemängd). Spin är en vektor. Ett kvantobjekt kan ses som en mikroskopisk magnet. Vi är vana vid att magnetvektorn (spin) antingen är riktad uppåt eller nedåt. Men elektronen eller fotonen säger igen till oss: "Gubbar, vi bryr oss inte om vad ni är vana vid, vi kan vara i båda spinntillstånden samtidigt (vektor upp, vektor ner), precis som vi kan vara på 2 banor vid samma tid eller vid 2 poäng samtidigt!

Vad är "mätning" eller "vågfunktionskollaps"?

Det återstår för oss lite - att förstå vad som är "mätning" och vad som är "kollaps av vågfunktionen".

vågfunktionär en beskrivning av tillståndet för ett kvantobjekt (vår foton eller elektron).

Anta att vi har en elektron, den flyger till sig själv i ett obestämt tillstånd riktas dess snurr både uppåt och nedåt samtidigt. Vi måste mäta hans tillstånd.

Låt oss mäta med hjälp av ett magnetfält: elektroner vars snurr riktades i fältets riktning kommer att avvika i en riktning, och elektroner vars spinn är riktad mot fältet kommer att avvika i den andra riktningen. Fotoner kan också skickas till ett polariserande filter. Om spinnet (polarisationen) för en foton är +1, passerar den genom filtret, och om den är -1, så gör den det inte.

Sluta! Det är här frågan oundvikligen uppstår: före mätningen hade väl inte elektronen någon speciell spinnriktning? Var han i alla stater samtidigt?

Detta är kvantmekanikens trick och känsla.. Så länge du inte mäter tillståndet för ett kvantobjekt kan det rotera i vilken riktning som helst (ha vilken riktning som helst av sin egen rörelsemängdsvektor - spinn). Men i det ögonblick när du mätte hans tillstånd verkar han bestämma sig för vilken spinvektor han ska ta.

Detta kvantobjekt är så coolt - det fattar ett beslut om dess tillstånd. Och vi kan inte i förväg förutse vilket beslut den kommer att fatta när den flyger in i magnetfältet som vi mäter den i. Sannolikheten att han bestämmer sig för att ha en spinvektor "upp" eller "ner" är 50 till 50%. Men så fort han bestämmer sig är han i ett visst tillstånd med en specifik snurrriktning. Anledningen till hans beslut är vår "dimension"!

Det här kallas " vågfunktion kollaps". Vågfunktionen före mätningen var obestämd, d.v.s. elektronspinvektorn var samtidigt i alla riktningar, efter mätningen fixerade elektronen en viss riktning av sin spinnvektor.

Uppmärksamhet! Ett utmärkt exempel-association från vårt makrokosmos för förståelse:

Snurra ett mynt på bordet som en topp. Medan myntet snurrar har det ingen specifik betydelse - huvuden eller svansar. Men så fort du bestämmer dig för att "mäta" detta värde och smälla in myntet med handen, är det här du får det specifika tillståndet för myntet - huvuden eller svansar. Föreställ dig nu att det här myntet bestämmer vilket värde du ska "visa" - huvuden eller svansar. Elektronen beter sig ungefär på samma sätt.

Kom nu ihåg experimentet som visas i slutet av den tecknade filmen. När fotoner passerades genom slitsarna, betedde de sig som en våg och visade ett interferensmönster på skärmen. Och när forskarna ville fixa (mäta) ögonblicket när fotoner passerade genom slitsen och satte en "observatör" bakom skärmen, började fotonerna inte bete sig som vågor, utan som partiklar. Och "ritade" 2 vertikala ränder på skärmen. De där. i ögonblicket för mätning eller observation väljer kvantobjekt själva vilket tillstånd de ska vara i.

Fantasi! Är det inte?

Men det är inte allt. Äntligen vi kom till det mest intressanta.

Men ... det verkar för mig att det kommer att finnas en överbelastning av information, så vi kommer att överväga dessa två begrepp i separata inlägg:

• Vad ?
• Vad är ett tankeexperiment.

Och nu, vill du att informationen ska läggas på hyllorna? Se en dokumentär producerad av Canadian Institute for Theoretical Physics. På 20 minuter kommer den att berätta mycket kort och i kronologisk ordning om kvantfysikens alla upptäckter, med början med upptäckten av Planck år 1900. Och sedan kommer de att berätta vilken praktisk utveckling som för närvarande genomförs på grundval av kunskap om kvantfysik: från de mest exakta atomklockorna till supersnabba beräkningar av en kvantdator. Jag rekommenderar starkt att se den här filmen.

Vi ses!

Jag önskar er all inspiration till alla era planer och projekt!

P.S.2 Skriv dina frågor och tankar i kommentarerna. Skriv, vilka andra frågor om kvantfysik är du intresserad av?

P.S.3 Prenumerera på bloggen - prenumerationsformuläret under artikeln.

Från grekiskan "fusis" kommer ordet "fysik". Det betyder "natur". Aristoteles, som levde på 300-talet f.Kr., introducerade först detta koncept.

Fysiken blev "rysk" på förslag av M.V. Lomonosov, när han översatte den första läroboken från tyska.

vetenskap fysik

Fysiken är en av de viktigaste. Olika processer, förändringar, det vill säga fenomen pågår hela tiden runt om i världen.

Till exempel kommer en isbit på en varm plats att börja smälta. Och vattnet i vattenkokaren kokar i eld. En elektrisk ström som passerar genom tråden kommer att värma upp den och till och med göra den varm. Var och en av dessa processer är ett fenomen. Inom fysiken är dessa mekaniska, magnetiska, elektriska, ljud-, termiska och ljusförändringar som studeras av vetenskapen. De kallas också fysiska fenomen. Med tanke på dem härleder forskare lagar.

Vetenskapens uppgift är att upptäcka dessa lagar och studera dem. Naturen studeras av sådana vetenskaper som biologi, geografi, kemi och astronomi. De tillämpar alla fysiska lagar.

Villkor

Utöver de vanliga inom fysik använder de även speciella ord som kallas termer. Dessa är "energi" (i fysiken är det ett mått på olika former av interaktion och rörelse av materia, såväl som övergången från en till en annan), "kraft" (ett mått på intensiteten av påverkan från andra kroppar och fält på en kropp) och många andra. Några av dem inledde gradvis tal.

Till exempel genom att använda ordet "energi" i vardagen i förhållande till en person kan vi utvärdera konsekvenserna av hans handlingar, men energi i fysiken är ett mått på studier på många olika sätt.

Alla kroppar i fysiken kallas fysiska. De har volym och form. De består av ämnen, som i sin tur är en av de typer av materia - det här är allt som finns i universum.

Erfarenheter

Mycket av det folk vet har kommit från observationer. För att studera fenomen observeras de ständigt.

Ta till exempel olika kroppar som faller till marken. Det är nödvändigt att ta reda på om detta fenomen skiljer sig vid fallande kroppar med ojämna massor, olika höjder och så vidare. Att vänta och titta på olika kroppar skulle vara väldigt länge och inte alltid framgångsrikt. Därför utförs experiment för sådana ändamål. De skiljer sig från observationer, eftersom de är specifikt implementerade enligt en förutbestämd plan och med specifika mål. Vanligtvis, i planen, byggs vissa gissningar i förväg, det vill säga de lägger fram hypoteser. Sålunda kommer de under experimentens gång att motbevisas eller bekräftas. Efter att ha funderat och förklarat resultaten av experimenten dras slutsatser. Det är så vetenskaplig kunskap erhålls.

Kvantiteter och deras enheter

Ofta studerar någon utföra olika mätningar. När en kropp faller mäts till exempel höjd, massa, hastighet och tid. Allt detta är, det vill säga något som går att mäta.

Att mäta ett värde innebär att jämföra det med samma värde, som tas som en enhet (tabellens längd jämförs med en längdenhet - en meter eller en annan). Varje sådant värde har sina egna enheter.

Alla länder försöker använda enhetliga enheter. I Ryssland, liksom i andra länder, används International System of Units (SI) (vilket betyder "internationellt system"). Den antar följande enheter:

• längd (karakteristisk för längden på linjer i numeriska termer) - meter;
• tid (flöde av processer, tillstånd för möjlig förändring) - andra;
• massa (detta är en egenskap i fysiken som bestämmer materiens tröghets- och gravitationsegenskaper) - kilogram.

Det är ofta nödvändigt att använda enheter som är mycket större än de konventionella multiplarna. De kallas med motsvarande prefix från grekiskan: "deka", "hekto", "kilo" och så vidare.

Enheter som är mindre än de accepterade kallas submultiplar. Prefix från det latinska språket appliceras på dem: "deci", "santi", "milli" och så vidare.

Mätinstrument

För att utföra experiment behöver du utrustning. De enklaste av dem är linjalen, cylindern, måttbandet och andra. Med utvecklingen av vetenskapen förbättras nya enheter, komplicerade och nya enheter dyker upp: voltmetrar, termometrar, stoppur och andra.

I grund och botten har enheter en skala, det vill säga streckade divisioner på vilka värden är skrivna. Bestäm divisionspriset före mätning:

• ta två drag på skalan med värden;
• det mindre subtraheras från det större, och det resulterande talet divideras med antalet divisioner som är mellan.

Till exempel två slag med värdena "tjugo" och "trettio", avståndet mellan vilka är uppdelat i tio utrymmen. I det här fallet kommer divisionsvärdet att vara lika med ett.

Noggranna mätningar och med ett fel

Måtten är mer eller mindre exakta. Den tillåtna felaktigheten kallas felmarginalen. Vid mätning får det inte vara större än mätanordningens divisionsvärde.

Noggrannheten beror på skalintervallet och korrekt användning av instrumentet. Men i slutändan, i alla mätningar, erhålls endast ungefärliga värden.

Teoretisk och experimentell fysik

Dessa är vetenskapens huvudgrenar. Det kan tyckas att de är väldigt långt ifrån varandra, särskilt eftersom de flesta är antingen teoretiker eller experimenterande. Men de utvecklas ständigt sida vid sida. Alla problem övervägs av både teoretiker och experimentörer. Den förstnämndes verksamhet är att beskriva data och härleda hypoteser, medan de senare testar teorier i praktiken, genomför experiment och skaffar nya data. Ibland orsakas prestationer endast av experiment, utan att teorier beskrivs. I andra fall går det tvärtom att få resultat som kontrolleras senare.

Kvantfysiken

Denna riktning uppstod i slutet av 1900, när en ny fysisk grundkonstant upptäcktes, kallad Planck-konstanten för att hedra den tyska fysikern som upptäckte den, Max Planck. Han löste problemet med spektralfördelningen av ljus som emitteras av uppvärmda kroppar, medan klassisk allmän fysik inte kunde göra detta. Planck gjorde en hypotes om oscillatorns kvantenergi, som var oförenlig med klassisk fysik. Tack vare det började många fysiker att revidera gamla begrepp, ändra dem, som ett resultat av vilket kvantfysik uppstod. Detta är en helt ny syn på världen.

och medvetande

Fenomenet mänskligt medvetande ur synvinkel är inte helt nytt. Dess grund lades av Jung och Pauli. Men först nu, med bildandet av denna nya vetenskapsriktning, började fenomenet övervägas och studeras i större skala.

Kvantvärlden är mångsidig och mångdimensionell, den har många klassiska ansikten och projektioner.

De två huvudsakliga egenskaperna inom ramen för det föreslagna konceptet är superintuition (det vill säga att få information som från ingenstans) och kontroll av subjektiv verklighet. I vanligt medvetande kan en person bara se en bild av världen och kan inte överväga två samtidigt. Medan det i verkligheten finns ett stort antal av dem. Allt detta tillsammans är kvantvärlden och ljuset.

Det är kvantfysiken som lär oss att se en ny verklighet för en person (även om många österländska religioner, såväl som magiker, länge har haft en sådan teknik). Det är bara nödvändigt att förändra det mänskliga medvetandet. Nu är en person oskiljaktig från hela världen, men alla levande varelsers och tings intressen beaktas.

Just då, när han kastar sig in i ett tillstånd där han kan se alla alternativ, kommer han till insikt, vilket är den absoluta sanningen.

Livsprincipen ur kvantfysikens synvinkel är att en människa bland annat ska bidra till en bättre världsordning.

Jag tror att det är säkert att säga att ingen förstår kvantmekaniken.

Fysikern Richard Feynman

Det är ingen överdrift att säga att uppfinningen av halvledarenheter var en revolution. Detta är inte bara en imponerande teknisk bedrift, utan det banade också vägen för händelser som kommer att förändra det moderna samhället för alltid. Halvledarenheter används i alla typer av mikroelektroniska enheter, inklusive datorer, vissa typer av medicinsk diagnostik- och behandlingsutrustning och populära telekommunikationsenheter.

Men bakom denna tekniska revolution ligger ännu mer, en revolution inom allmän vetenskap: fältet kvantteorin. Utan detta språng i förståelsen av den naturliga världen skulle utvecklingen av halvledarenheter (och mer avancerade elektroniska enheter under utveckling) aldrig ha lyckats. Kvantfysik är en otroligt komplex gren av vetenskapen. Detta kapitel ger endast en kort översikt. När forskare som Feynman säger "ingen förstår [det]", kan du vara säker på att detta är ett riktigt svårt ämne. Utan en grundläggande förståelse för kvantfysik, eller åtminstone en förståelse för de vetenskapliga upptäckter som ledde till deras utveckling, är det omöjligt att förstå hur och varför elektroniska halvledarenheter fungerar. De flesta elektronikläroböcker försöker förklara halvledare i termer av "klassisk fysik", vilket gör dem ännu mer förvirrande att förstå som ett resultat.

Många av oss har sett atommodelldiagram som ser ut som bilden nedan.

Rutherford-atom: negativa elektroner kretsar kring en liten positiv kärna

Små partiklar av materia kallas protoner och neutroner, utgör centrum av atomen; elektroner kretsar som planeter runt en stjärna. Kärnan bär en positiv elektrisk laddning på grund av närvaron av protoner (neutroner har ingen elektrisk laddning), medan den balanserande negativa laddningen av en atom finns i de kretsande elektronerna. Negativa elektroner attraheras av positiva protoner som planeter attraheras av solen, men banorna är stabila på grund av elektronernas rörelse. Vi är skyldiga denna populära modell av atomen till Ernest Rutherfords arbete, som experimentellt bestämde omkring 1911 att atomernas positiva laddningar är koncentrerade i en liten, tät kärna och inte jämnt fördelade längs diametern, som upptäcktsresande J. J. Thomson tidigare hade antagit. .

Rutherfords spridningsexperiment består av att bombardera en tunn guldfolie med positivt laddade alfapartiklar, som visas i figuren nedan. Unga doktorander H. Geiger och E. Marsden fick oväntade resultat. Banan för vissa alfapartiklar avvek med en stor vinkel. Vissa alfapartiklar spreds bakåt, i en vinkel på nästan 180°. De flesta av partiklarna passerade genom guldfolien utan att ändra sin bana, som om det inte fanns någon folie alls. Det faktum att flera alfapartiklar upplevde stora avvikelser i sin bana indikerar närvaron av kärnor med en liten positiv laddning.

Rutherford-spridning: en stråle av alfapartiklar sprids av tunn guldfolie

Även om Rutherfords modell av atomen stöddes av experimentella data bättre än Thomsons, var den fortfarande ofullkomlig. Ytterligare försök gjordes för att bestämma atomens struktur, och dessa ansträngningar bidrog till att bana väg för kvantfysikens märkliga upptäckter. Idag är vår förståelse av atomen lite mer komplex. Men trots kvantfysikens revolution och dess bidrag till vår förståelse av atomens struktur, har Rutherfords skildring av solsystemet som en atoms struktur slagit rot i folkligt medvetande i den utsträckning som den består inom utbildningsområden, även om den är felplacerad.

Betrakta denna korta beskrivning av elektronerna i en atom, hämtad från en populär elektroniklärobok:

De snurrande negativa elektronerna attraheras av den positiva kärnan, vilket leder oss till frågan om varför elektronerna inte flyger in i atomkärnan. Svaret är att de roterande elektronerna förblir i sin stabila bana på grund av två lika stora men motsatta krafter. Centrifugalkraften som verkar på elektronerna är riktad utåt och laddningarnas attraktionskraft försöker dra elektronerna mot kärnan.

I enlighet med Rutherfords modell anser författaren att elektroner är fasta bitar av materia som upptar runda banor, deras inåtriktade attraktion till den motsatt laddade kärnan balanseras av deras rörelse. Användningen av termen "centrifugalkraft" är tekniskt felaktig (även för kretsande planeter), men detta är lätt förlåtet på grund av den populära acceptansen av modellen: i själva verket finns det inget sådant som kraft, motbjudandenågra roterande kropp från mitten av sin bana. Detta verkar vara så eftersom kroppens tröghet tenderar att hålla den i rörelse i en rät linje, och eftersom omloppsbanan är en konstant avvikelse (acceleration) från rätlinjig rörelse, finns det en konstant tröghetsreaktion på varje kraft som attraherar kroppen till centrum av omloppsbanan (centripetal), antingen gravitation, elektrostatisk attraktion eller till och med spänningen hos en mekanisk bindning.

Men det verkliga problemet med denna förklaring i första hand är idén om elektroner som rör sig i cirkulära banor. Ett bevisat faktum att accelererade elektriska laddningar avger elektromagnetisk strålning, detta faktum var känt även på Rutherfords tid. Eftersom rotationsrörelse är en form av acceleration (ett roterande föremål i konstant acceleration, som drar föremålet bort från dess normala rätlinjiga rörelse), måste elektroner i ett roterande tillstånd avge strålning som lera från ett snurrande hjul. Elektroner accelererade längs cirkulära banor i partikelacceleratorer som kallas synkrotronerär kända för att göra detta, och resultatet kallas synkrotronstrålning. Om elektroner skulle förlora energi på detta sätt skulle deras banor så småningom störas, och som ett resultat skulle de kollidera med en positivt laddad kärna. Men inuti atomer händer detta vanligtvis inte. Faktum är att elektroniska "banor" är förvånansvärt stabila över ett brett spektrum av förhållanden.

Dessutom har experiment med "exciterade" atomer visat att elektromagnetisk energi emitteras av en atom endast vid vissa frekvenser. Atomer "exciteras" av yttre påverkan som ljus, kända för att absorbera energi och returnera elektromagnetiska vågor vid vissa frekvenser, ungefär som en stämgaffel som inte ringer vid en viss frekvens förrän den träffas. När ljuset som emitteras av en exciterad atom delas av ett prisma i dess komponentfrekvenser (färger), hittas individuella färglinjer i spektrumet, spektrallinjemönstret är unikt för ett kemiskt element. Detta fenomen används ofta för att identifiera kemiska grundämnen, och till och med för att mäta proportionerna av varje grundämne i en förening eller kemisk blandning. Enligt Rutherfords atommodells solsystem (i förhållande till elektroner, som bitar av materia, fritt roterande i en omloppsbana med någon radie) och den klassiska fysikens lagar måste exciterade atomer returnera energi i ett nästan oändligt frekvensområde, och inte vid utvalda frekvenser. Med andra ord, om Rutherfords modell var korrekt, skulle det inte finnas någon "stämgaffel"-effekt, och färgspektrumet som emitteras av en atom skulle framstå som ett kontinuerligt band av färger, snarare än som flera separata linjer.

Bohrs modell av väteatomen (med banorna ritade i skala) antar att elektroner endast befinner sig i diskreta banor. Elektroner som rör sig från n=3,4,5 eller 6 till n=2 visas på en serie Balmer-spektrallinjer

En forskare vid namn Niels Bohr försökte förbättra Rutherfords modell efter att ha studerat den i Rutherfords laboratorium i flera månader 1912. För att försöka förena resultaten från andra fysiker (särskilt Max Planck och Albert Einstein), föreslog Bohr att varje elektron hade en viss, specifik mängd energi och att deras banor var fördelade på ett sådant sätt att var och en av dem kunde ockupera vissa platser runt kärnan, som kulor. , fixerad på cirkulära banor runt kärnan, och inte som fritt rörliga satelliter, som tidigare antagits (figur ovan). I respekt för lagarna för elektromagnetism och accelererande laddningar, hänvisade Bohr till "banor" som stationära tillstånd för att undvika tolkningen att de var mobila.

Även om Bohrs ambitiösa försök att ompröva atomens struktur, som var mer överensstämmande med experimentella data, var en milstolpe inom fysiken, blev det inte fullbordat. Hans matematiska analys var bättre på att förutsäga resultaten av experiment än de som utfördes av tidigare modeller, men det fanns fortfarande obesvarade frågor om huruvida Varför elektronerna måste bete sig på ett så konstigt sätt. Påståendet att elektroner existerade i stationära kvanttillstånd runt kärnan korrelerade bättre med experimentella data än Rutherfords modell, men sa inte vad som får elektronerna att anta dessa speciella tillstånd. Svaret på denna fråga skulle komma från en annan fysiker, Louis de Broglie, cirka tio år senare.

De Broglie föreslog att elektroner, liksom fotoner (ljuspartiklar), har både egenskaperna hos partiklar och egenskaperna hos vågor. Baserat på detta antagande föreslog han att analysen av roterande elektroner i termer av vågor är bättre än vad gäller partiklar, och kan ge mer insikt i deras kvantnatur. I själva verket gjordes ytterligare ett genombrott i förståelsen.

En sträng som vibrerar med en resonansfrekvens mellan två fasta punkter bildar en stående våg

Atomen, enligt de Broglie, bestod av stående vågor, ett fenomen välkänt för fysiker i olika former. Som den plockade strängen på ett musikinstrument (bilden ovan), vibrerande vid en resonansfrekvens, med "knutar" och "antiknutar" på stabila ställen längs dess längd. De Broglie föreställde sig elektroner runt atomer som vågor böjda till en cirkel (figur nedan).

"Roterande" elektroner som en stående våg runt kärnan, (a) två cykler i en bana, (b) tre cykler i en bana

Elektroner kan bara existera i vissa, specifika "banor" runt kärnan, eftersom de är de enda avstånden där vågens ändar sammanfaller. Vid vilken annan radie som helst kommer vågen att kollidera destruktivt med sig själv och därmed upphöra att existera.

De Broglies hypotes gav både en matematisk ram och en praktisk fysisk analogi för att förklara elektronernas kvanttillstånd inom en atom, men hans modell av atomen var fortfarande ofullständig. I flera år har fysikerna Werner Heisenberg och Erwin Schrödinger, som arbetar oberoende, arbetat på de Broglies koncept om våg-partikeldualitet för att skapa mer rigorösa matematiska modeller av subatomära partiklar.

Detta teoretiska framsteg från de Broglies primitiva stående vågmodell till modeller av Heisenbergmatrisen och Schrödinger differentialekvation har fått namnet kvantmekanik, och det har introducerat en ganska chockerande egenskap i subatomära partiklars värld: sannolikhetens tecken, eller osäkerhet. Enligt den nya kvantteorin var det omöjligt att bestämma den exakta positionen och exakta rörelsemängden för en partikel vid ett ögonblick. En populär förklaring till denna "osäkerhetsprincip" var att det fanns ett mätfel (det vill säga att genom att försöka mäta positionen för en elektron noggrant stör du dess rörelsemängd och kan därför inte veta vad det var innan du började mäta positionen , och vice versa). Kvantmekanikens sensationella slutsats är att partiklar inte har exakta positioner och moment, och på grund av förhållandet mellan dessa två kvantiteter kommer deras kombinerade osäkerhet aldrig att minska under ett visst minimivärde.

Denna form av "osäkerhets"-koppling finns även inom andra områden än kvantmekanik. Som diskuterats i kapitlet "Blandade frekvensväxelströmssignaler" i volym 2 av denna bokserie, finns det ömsesidigt uteslutande samband mellan förtroendet för tidsdomändata för en vågform och dess frekvensdomändata. Enkelt uttryckt, ju mer vi känner till dess komponentfrekvenser, desto mindre noggrant vet vi dess amplitud över tid, och vice versa. Citerar mig själv:

En signal med oändlig varaktighet (ett oändligt antal cykler) kan analyseras med absolut noggrannhet, men ju färre cykler som finns tillgängliga för datorn för analys, desto mindre exakt analys... Ju färre perioder av signalen, desto mindre exakt är dess frekvens . Om man tar det här konceptet till sin logiska ytterlighet, har en kort puls (inte ens en hel period av en signal) inte riktigt en definierad frekvens, det är ett oändligt intervall av frekvenser. Denna princip är gemensam för alla vågfenomen, och inte bara för variabla spänningar och strömmar.

För att exakt bestämma amplituden hos en föränderlig signal måste vi mäta den på mycket kort tid. Men att göra detta begränsar vår kunskap om vågens frekvens (en våg inom kvantmekaniken behöver inte likna en sinusvåg, sådan likhet är ett specialfall). Å andra sidan, för att bestämma frekvensen för en våg med stor noggrannhet, måste vi mäta den över ett stort antal perioder, vilket innebär att vi kommer att förlora dess amplitud ur sikte vid varje givet ögonblick. Således kan vi inte samtidigt veta den momentana amplituden och alla frekvenser för någon våg med obegränsad noggrannhet. En annan märklighet, denna osäkerhet är mycket större än observatörens felaktighet; det ligger i vågens natur. Detta är inte fallet, även om det skulle vara möjligt, givet lämplig teknologi, att tillhandahålla exakta mätningar av både momentan amplitud och frekvens samtidigt. I bokstavlig mening kan en våg inte ha den exakta momentana amplituden och den exakta frekvensen samtidigt.

Den minsta osäkerheten för partikelposition och rörelsemängd uttryckt av Heisenberg och Schrödinger har ingenting att göra med en begränsning i mätning; snarare är det en inneboende egenskap hos partikelns våg-partikeldualitet. Därför existerar inte elektroner faktiskt i sina "banor" som väldefinierade partiklar av materia, eller ens som väldefinierade vågformer, utan snarare som "moln" - en teknisk term. vågfunktion sannolikhetsfördelningar, som om varje elektron var "spridd" eller "utsmetad" över en rad positioner och moment.

Denna radikala syn på elektroner som obestämda moln motsäger initialt den ursprungliga principen för elektronernas kvanttillstånd: elektroner existerar i diskreta, bestämda "banor" runt en atoms kärna. Denna nya syn var trots allt upptäckten som ledde till bildandet och förklaringen av kvantteorin. Hur konstigt det verkar att en teori skapad för att förklara elektronernas diskreta beteende slutar med att förklara att elektroner existerar som "moln" och inte som separata bitar av materia. Elektronernas kvantbeteende beror dock inte på att elektroner har vissa värden på koordinater och momentum, utan på andra egenskaper som kallas kvanttal. I huvudsak avstår kvantmekaniken från de vanliga begreppen absolut position och absolut moment, och ersätter dem med absoluta begrepp av typer som inte har några analoger i vanlig praktik.

Även om elektroner är kända för att existera i okroppsliga, "molniga" former av distribuerad sannolikhet, snarare än separata bitar av materia, har dessa "moln" något olika egenskaper. Vilken elektron som helst i en atom kan beskrivas med fyra numeriska mått (de tidigare nämnda kvanttalen), som kallas huvud (radial), orbital (azimut), magnetisk och snurra tal. Nedan följer en kort översikt över innebörden av vart och ett av dessa nummer:

Huvudsakliga (radial) kvanttal: betecknas med en bokstav n, beskriver detta nummer skalet på vilket elektronen finns. Elektron "skal" är ett område av rymden runt kärnan i en atom där elektroner kan existera, vilket motsvarar de Broglie och Bohrs stabila "stående våg"-modeller. Elektroner kan "hoppa" från skal till skal, men kan inte existera mellan dem.

Det huvudsakliga kvanttalet måste vara ett positivt heltal (större än eller lika med 1). Med andra ord kan det huvudsakliga kvanttalet för en elektron inte vara 1/2 eller -3. Dessa heltal valdes inte godtyckligt, utan genom experimentella bevis på ljusspektrumet: de olika frekvenserna (färgerna) av ljus som emitteras av exciterade väteatomer följer ett matematiskt samband beroende på specifika heltalsvärden, som visas i figuren nedan.

Varje skal har förmågan att hålla flera elektroner. En analogi för elektronskal är de koncentriska stolsraderna i en amfiteater. Precis som en person som sitter i en amfiteater måste välja en rad att sitta ner på (han kan inte sitta mellan raderna), måste elektroner "välja" ett speciellt skal för att "sätta sig ner". Som rader i en amfiteater rymmer de yttre skalen fler elektroner än skalen närmare mitten. Dessutom tenderar elektronerna att hitta det minsta tillgängliga skalet, precis som människor i en amfiteater letar efter platsen närmast den centrala scenen. Ju högre skalnummer, desto mer energi har elektronerna på sig.

Det maximala antalet elektroner som ett skal kan innehålla beskrivs av ekvationen 2n 2 , där n är det huvudsakliga kvanttalet. Således kan det första skalet (n = 1) innehålla 2 elektroner; det andra skalet (n = 2) - 8 elektroner; och det tredje skalet (n = 3) - 18 elektroner (figur nedan).

Huvudkvanttalet n och det maximala antalet elektroner är relaterade till formeln 2(n 2). Banorna är inte skalenliga.

Elektronskalen i atomen betecknades med bokstäver snarare än siffror. Det första skalet (n = 1) betecknades K, det andra skalet (n = 2) L, det tredje skalet (n = 3) M, det fjärde skalet (n = 4) N, det femte skalet (n = 5) O, det sjätte skalet (n = 6) P, och det sjunde skalet (n = 7) B.

Orbital (azimut) kvantnummer: ett skal som består av underskal. Vissa kanske tycker att det är mer bekvämt att tänka på underskal som enkla delar av skal, som körfält som delar en väg. Subshells är mycket konstigare. Subshells är områden i rymden där elektron "moln" kan existera, och faktiskt olika subshell har olika former. Det första underskalet är i form av en sfär (Figur nedan (s)), vilket är vettigt när det visualiseras som ett elektronmoln som omger kärnan i en atom i tre dimensioner.

Det andra underskalet liknar en hantel, bestående av två "kronblad" anslutna vid en punkt nära atomens mitt (figur nedan (p)).

Det tredje underskalet liknar vanligtvis en uppsättning av fyra "kronblad" som är samlade runt kärnan i en atom. Dessa underskalsformer liknar grafiska representationer av antennmönster med lökliknande lober som sträcker sig från antennen i olika riktningar (Figur nedan (d)).

Orbitaler:
(s) Trippelsymmetri;
(p) Visat: p x , en av tre möjliga orienteringar (p x , p y , p z), längs respektive axlar;
(d) Visat: d x 2 - y 2 liknar d xy , d yz , d xz . Visat: d z 2 . Antal möjliga d-orbitaler: fem.

Giltiga värden för det orbitala kvanttalet är positiva heltal, som för det huvudsakliga kvanttalet, men inkluderar också noll. Dessa kvanttal för elektroner betecknas med bokstaven l. Antalet underskal är lika med skalets huvudsakliga kvantnummer. Således har det första skalet (n = 1) ett underskal med nummer 0; det andra skalet (n = 2) har två underskal numrerade 0 och 1; det tredje skalet (n = 3) har tre underskal numrerade 0, 1 och 2.

Den gamla underskalskonventionen använde bokstäver snarare än siffror. I det här formatet betecknades det första underskalet (l = 0) s, det andra underskalet (l = 1) betecknades p, det tredje underskalet (l = 2) betecknades d och det fjärde underskalet (l = 3) var betecknad f. Bokstäverna kom från orden: skarp, rektor, diffus och Grundläggande. Du kan fortfarande se dessa beteckningar i många periodiska tabeller som används för att beteckna elektronkonfigurationen för den yttre ( valens) skal av atomer.

(a) Bohr-representationen av silveratomen,
(b) Orbital representation av Ag med uppdelning av skal i subskal (orbital kvantnummer l).
Detta diagram antyder inget om elektronernas faktiska position, utan representerar bara energinivåerna.

Magnetiskt kvantnummer: Det magnetiska kvantnumret för elektronen klassificerar orienteringen av elektronunderskalsfiguren. Underskalens "kronblad" kan riktas i flera riktningar. Dessa olika orienteringar kallas orbitaler. För det första underskalet (s; l = 0), som liknar en sfär, anges inte "riktning". För ett andra (p; l = 1) underskal i varje skal som liknar en hantel som pekar i tre möjliga riktningar. Föreställ dig tre hantlar som skär varandra vid origo, var och en pekar längs sin egen axel i ett triaxiellt koordinatsystem.

Giltiga värden för ett givet kvanttal består av heltal som sträcker sig från -l till l, och detta tal betecknas som m l i atomfysik och z i kärnfysik. För att beräkna antalet orbitaler i ett underskal måste du dubbla numret på underskalet och lägga till 1, (2∙l + 1). Till exempel innehåller det första underskalet (l = 0) i ett skal en orbital numrerad 0; det andra underskalet (l = 1) i vilket skal innehåller tre orbitaler med siffrorna -1, 0 och 1; det tredje underskalet (l = 2) innehåller fem orbitaler numrerade -2, -1, 0, 1 och 2; etc.

Liksom det huvudsakliga kvanttalet uppstod det magnetiska kvanttalet direkt från experimentella data: Zeeman-effekten, separationen av spektrallinjer genom att exponera en joniserad gas för ett magnetfält, därav namnet "magnetiskt" kvanttal.

Spin kvantnummer: liksom det magnetiska kvanttalet upptäcktes denna egenskap hos en atoms elektroner genom experiment. Noggrann observation av spektrallinjerna visade att varje linje i själva verket var ett par mycket tätt placerade linjer, det har föreslagits att denna s.k. fin struktur var resultatet av att varje elektron "snurrade" runt sin egen axel, som en planet. Elektroner med olika "snurr" skulle avge lite olika frekvenser av ljus när de exciterades. Det snurrande elektronkonceptet är nu föråldrat och är mer lämpligt för den (felaktiga) synen på elektroner som individuella partiklar av materia snarare än som "moln", men namnet finns kvar.

Spin kvanttal betecknas som Fröken i atomfysik och sz i kärnfysik. Varje orbital i varje underskal kan ha två elektroner i varje skal, en med spin +1/2 och den andra med spin -1/2.

Fysikern Wolfgang Pauli utvecklade en princip som förklarar ordningen av elektroner i en atom enligt dessa kvanttal. Hans princip, kallas Pauli uteslutningsprincip, säger att två elektroner i samma atom inte kan uppta samma kvanttillstånd. Det vill säga att varje elektron i en atom har en unik uppsättning kvanttal. Detta begränsar antalet elektroner som kan ockupera en given orbital, subskal och skal.

Detta visar arrangemanget av elektroner i en väteatom:

Med en proton i kärnan accepterar atomen en elektron för sin elektrostatiska balans (protonens positiva laddning balanseras exakt av elektronens negativa laddning). Denna elektron är i det nedre skalet (n = 1), det första underskalet (l = 0), i den enda orbitalen (spatiala orienteringen) av detta underskal (ml = 0), med ett spinvärde på 1/2. Den allmänna metoden för att beskriva denna struktur är genom att räkna upp elektronerna enligt deras skal och underskal, enligt en konvention som kallas spektroskopisk notation. I den här notationen visas skalnumret som ett heltal, underskalet som en bokstav (s,p,d,f) och det totala antalet elektroner i underskalet (alla orbitaler, alla snurr) som en upphöjd. Således beskrivs väte, med sin enda elektron placerad på basnivån, som 1s 1 .

Går vi vidare till nästa atom (i ordning efter atomnummer), får vi grundämnet helium:

En heliumatom har två protoner i sin kärna, vilket kräver två elektroner för att balansera den dubbla positiva elektriska laddningen. Eftersom två elektroner - en med spin 1/2 och den andra med spin -1/2 - är i samma orbital, kräver den elektroniska strukturen av helium inte ytterligare underskal eller skal för att hålla den andra elektronen.

En atom som kräver tre eller fler elektroner kommer dock att behöva ytterligare underskal för att hålla alla elektroner, eftersom endast två elektroner kan finnas på bottenskalet (n = 1). Betrakta nästa atom i sekvensen av ökande atomnummer, litium:

Litiumatomen använder en del av kapacitansen L i skalet (n = 2). Detta skal har faktiskt en total kapacitet på åtta elektroner (maximal skalkapacitet = 2n 2 elektroner). Om vi ​​betraktar strukturen hos en atom med ett helt fyllt L-skal, ser vi hur alla kombinationer av underskal, orbitaler och spinn är upptagna av elektroner:

Ofta, när man tilldelar en spektroskopisk notation till en atom, hoppas man över alla helt fyllda skal, och ofyllda skal och fyllda skal på toppnivå betecknas. Till exempel kan elementet neon (visas i figuren ovan), som har två helt fyllda skal, beskrivas spektralt som helt enkelt 2p 6 snarare än 1s 22 s 22 p 6 . Litium, med sitt fullt fyllda K-skal och en enda elektron i L-skalet, kan enkelt beskrivas som 2s 1 snarare än 1s 22 s 1 .

Utelämnandet av fullt befolkade skal på lägre nivå är inte bara för att underlätta notationen. Det illustrerar också en grundläggande princip för kemi: det kemiska beteendet hos ett element bestäms i första hand av dess ofyllda skal. Både väte och litium har en elektron på sina yttre skal (som 1 respektive 2s 1), det vill säga båda grundämnena har liknande egenskaper. Båda är mycket reaktiva och reagerar på nästan identiska sätt (binder med liknande element under liknande förhållanden). Det spelar egentligen ingen roll att litium har ett fullt fyllt K-skal under ett nästan fritt L-skal: det ofyllda L-skalet är det som bestämmer dess kemiska beteende.

Element som har helt fyllda yttre skal klassificeras som ädla och kännetecknas av en nästan fullständig avsaknad av reaktion med andra grundämnen. Dessa grundämnen klassificerades som inerta när de ansågs inte reagera alls, men de är kända för att bilda föreningar med andra grundämnen under vissa förhållanden.

Eftersom element med samma konfiguration av elektroner i deras yttre skal har liknande kemiska egenskaper, organiserade Dmitri Mendeleev de kemiska elementen i en tabell därefter. Denna tabell är känd som , och moderna tabeller följer denna allmänna layout, som visas i figuren nedan.

Periodiska systemet för kemiska grundämnen

Dmitri Mendeleev, en rysk kemist, var den första som utvecklade grundämnenas periodiska system. Även om Mendeleev organiserade sin tabell efter atommassa, inte atomnummer, och skapade en tabell som inte var lika användbar som moderna periodiska system, står hans utveckling som ett utmärkt exempel på vetenskapliga bevis. Genom att se mönster av periodicitet (liknande kemiska egenskaper enligt atommassa), antog Mendeleev att alla element måste passa in i detta ordnade mönster. När han upptäckte "tomma" platser i tabellen, följde han logiken i den existerande ordningen och antog existensen av ännu okända element. Den efterföljande upptäckten av dessa element bekräftade den vetenskapliga riktigheten av Mendeleevs hypotes, ytterligare upptäckter ledde till formen av det periodiska systemet som vi använder nu.

Så här skall arbetsvetenskap: hypoteser leder till logiska slutsatser och accepteras, ändras eller förkastas beroende på experimentella datas överensstämmelse med deras slutsatser. Vilken dåre som helst kan formulera en hypotes i efterhand för att förklara tillgängliga experimentella data, och många gör det. Det som skiljer en vetenskaplig hypotes från post hoc-spekulation är förutsägelsen av framtida experimentella data som ännu inte har samlats in, och möjligen vederläggningen av dessa data som ett resultat. För djärvt hypotesen till dess logiska slutsats(er) och försöket att förutsäga resultaten av framtida experiment är inte ett dogmatiskt språng i tro, utan snarare ett offentligt test av denna hypotes, en öppen utmaning för hypotesens motståndare. Vetenskapliga hypoteser är med andra ord alltid "riskiga" på grund av att man försöker förutsäga resultaten av experiment som ännu inte har gjorts, och därför kan de falsifieras om experimenten inte går som förväntat. Således, om en hypotes korrekt förutsäger resultaten av upprepade experiment, motbevisas den.

Kvantmekaniken, först som en hypotes och sedan som en teori, har visat sig vara extremt framgångsrik när det gäller att förutsäga resultaten av experiment, och har därför fått en hög grad av vetenskaplig trovärdighet. Många forskare har anledning att tro att detta är en ofullständig teori, eftersom dess förutsägelser är mer sanna på mikrofysiska skalor än makroskopiska, men ändå är det en extremt användbar teori för att förklara och förutsäga samspelet mellan partiklar och atomer.

Som du har sett i det här kapitlet är kvantfysiken väsentlig för att beskriva och förutsäga många olika fenomen. I nästa avsnitt kommer vi att se dess betydelse för den elektriska ledningsförmågan hos fasta ämnen, inklusive halvledare. Enkelt uttryckt är ingenting i kemi eller fast tillståndsfysik vettigt i den populära teoretiska strukturen hos elektroner som existerar som individuella partiklar av materia som cirkulerar runt kärnan i en atom som miniatyrsatelliter. När elektroner ses som "vågfunktioner" som existerar i vissa, diskreta tillstånd som är regelbundna och periodiska, då kan materiens beteende förklaras.

Summering

Elektronerna i atomer finns i "moln" med fördelad sannolikhet, och inte som diskreta partiklar av materia som kretsar runt kärnan, som miniatyrsatelliter, som vanliga exempel visar.

Individuella elektroner runt kärnan i en atom tenderar till unika "tillstånd" som beskrivs av fyra kvanttal: huvudsakliga (radial) kvanttal, känd som skal; orbital (azimut) kvantnummer, känd som underskal; magnetiskt kvantnummer beskriver orbital(underskalsorientering); och spin kvantnummer, eller bara snurra. Dessa tillstånd är kvantum, det vill säga "mellan dem" finns det inga villkor för existensen av en elektron, förutom tillstånd som passar in i kvantnumreringsschemat.

Glanoe (radial) kvantnummer (n) beskriver basnivån eller skalet där elektronen finns. Ju större detta tal, desto större radie av elektronmolnet från atomkärnan, och desto större energi har elektronen. Huvudkvanttal är heltal (positiva heltal)

Orbital (azimutalt) kvantnummer (l) beskriver formen av ett elektronmoln i ett visst skal eller nivå och är ofta känt som ett "underskal". I vilket skal finns det lika många underskal (former av ett elektronmoln) som skalets huvudsakliga kvantnummer. Azimutala kvanttal är positiva heltal som börjar från noll och slutar med ett tal mindre än huvudkvanttalet med ett (n - 1).

Magnetiskt kvantnummer (m l) beskriver vilken orientering underskalet (elektronmolnformen) har. Delskal kan ha så många olika orienteringar som dubbla delskalstalet (l) plus 1, (2l+1) (det vill säga för l=1, m l = -1, 0, 1), och varje unik orientering kallas en orbital . Dessa tal är heltal som börjar från ett negativt värde på delskalsnumret (l) till 0 och slutar med ett positivt värde av delskalsnumret.

Spin Quantum Number (m s) beskriver en annan egenskap hos elektronen och kan ta värdena +1/2 och -1/2.

Pauli uteslutningsprincip säger att två elektroner i en atom inte kan dela samma uppsättning kvanttal. Därför kan det finnas högst två elektroner i varje orbital (spin=1/2 och spin=-1/2), 2l+1 orbitaler i varje delskal och n delskal i varje skal, och inte fler.

Spektroskopisk notationär en konvention för en atoms elektroniska struktur. Skal visas som heltal, följt av underskalbokstäver (s, p, d, f) med upphöjda siffror som indikerar det totala antalet elektroner som finns i varje respektive underskal.

En atoms kemiska beteende bestäms enbart av elektroner i ofyllda skal. Lågnivåskal som är helt fyllda har liten eller ingen effekt på elementens kemiska bindningsegenskaper.

Element med helt fyllda elektronskal är nästan helt inerta, och kallas ädel element (tidigare känt som inerta).