Суть квантової фізики. Основи квантової фізики у п'яти експериментах для "чайників"

Фізика - найзагадковіша з усіх наук. Фізика дає нам розуміння навколишнього світу. Закони фізики абсолютні та діють на всіх без винятку, не дивлячись на особи та соціальний статус.

Ця стаття призначена для осіб старше 18 років

А вам уже виповнилося 18?

Фундаментальні відкриття в галузі квантової фізики

Ісаак Ньютон, Нікола Тесла, Альберт Ейнштейн та багато інших — великі провідники людства у дивовижному світі фізики, які подібно до пророків відкрили людству найбільші таємниці світобудови та можливості управління фізичними явищами. Їхні світлі голови розсікли темряву невігластва нерозумної більшості і подібно до дороговказної зірки вказали шлях людству в темряві ночі. Одним із таких провідників у світі фізики став Макс Планк – батько квантової фізики.

Макс Планк не лише основоположник квантової фізики, а й автор всесвітньо відомої квантової теорії. Квантова теорія - найважливіша складова квантової фізики. Простими словами, ця теорія визначає рух, поведінку та взаємодію мікрочастинок. Засновник квантової фізики також приніс нам і безліч інших наукових праць, які стали наріжними каменями сучасної фізики:

теорія теплового випромінювання;
спеціальна теорія відносності;
дослідження у галузі термодинаміки;
дослідження у галузі оптики.

Теорія квантової фізики про поведінку та взаємодію мікрочастинок стала основою для фізики конденсованого стану, фізики елементарних частинок та фізики високих енергій. Квантова теорія пояснює нам суть багатьох явищ нашого світу — від функціонування електронних обчислювальних машин до будови та поведінки небесних тіл. Макс Планк, творець цієї теорії, завдяки своєму відкриттю дозволив нам осягнути справжню суть багатьох речей лише на рівні елементарних частинок. Але створення цієї теорії — далеко ще не єдина заслуга вченого. Він став першим, хто відкрив фундаментальний закон Всесвіту – закон збереження енергії. Вклад у науку Макса Планка важко переоцінити. Якщо говорити коротко, то його відкриття безцінні для фізики, хімії, історії, методології та філософії.

Квантова теорія поля

У двох словах, квантова теорія поля - це теорія опису мікрочастинок, а також їх поведінки у просторі, взаємодії між собою та взаємоперетворення. Ця теорія вивчає поведінку квантових систем у межах, так званих ступенів свободи. Ця гарна і романтична назва багатьом з нас до пуття нічого не говорить. Для чайників, ступеня свободи – це кількість незалежних координат, які необхідні для позначення руху механічної системи. Простими словами, ступеня свободи це характеристики руху. Цікаві відкриття у сфері взаємодії елементарних частинок зробив Стівен Вайнберг. Він відкрив так званий нейтральний струм — принцип взаємодії між кварками та лептонами, за що й отримав Нобелівську премію 1979 року.

Квантова теорія Макса Планка

У дев'яностих роках вісімнадцятого століття німецький фізик Макс Планк зайнявся вивченням теплового випромінювання і отримав формулу для розподілу енергії. Квантова гіпотеза, яка народилася в ході даних досліджень, започаткувала квантову фізику, а також квантову теорію поля, відкриту в 1900-му році. Квантова теорія Планка полягає в тому, що при тепловому випромінюванні енергія, що продукується, виходить і поглинається не постійно, а епізодично, квантово. 1900 рік, завдяки даному відкриття, яке зробив Макс Планк, став роком народження квантової механіки. Також варто згадати про формулу Планка. Якщо говорити коротко, то її суть наступна — вона ґрунтується на співвідношенні температури тіла та його випромінювання.

Квантово-механічна теорія будови атома

Квантово-механічна теорія будови атома є однією з базових теорій понять у квантовій фізиці, та й у фізиці взагалі. Ця теорія дозволяє нам зрозуміти будову всього матеріального і відкриває завісу таємниці над тим, з чого насправді складаються речі. А висновки, виходячи з цієї теорії, виходять дуже несподівані. Розглянемо будову атома коротко. Отже, з чого насправді складається атом? Атом складається з ядра та хмари електронів. Основа атома, його ядро, містить майже всю масу самого атома — понад 99 відсотків. Ядро має позитивний заряд, і він визначає хімічний елемент, частиною якого є атом. Найцікавішим в ядрі атома є те, що він містить у собі практично всю масу атома, але при цьому займає лише одну десятитисячну його обсягу. Що ж із цього випливає? А висновок напрошується дуже несподіваний. Це означає, що щільна речовина в атомі — лише одна десятитисячна. А що ж займає все інше? А решта в атомі — електронна хмара.

Електронна хмара — це постійна і навіть, по суті, не матеріальна субстанція. Електронна хмара - це лише можливість появи електронів в атомі. Тобто ядро займає в атомі лише одну десятитисячну, а решту — порожнеча. І якщо врахувати, що всі предмети, що оточують нас, починаючи від порошинок і закінчуючи небесними тілами, планетами і зірками, складаються з атомів, то виходить, що все матеріальне насправді більш ніж на 99 відсотків складається з порожнечі. Ця теорія здається зовсім неймовірною, а її автор, як мінімум, людиною, що помиляється, адже речі, що існують навколо, мають тверду консистенцію, мають вагу і їх можна сприймати. Як же вони можуть складатися з порожнечі? Чи не закралася помилка у цю теорію будови речовини? Але помилки тут жодної немає.

Усі матеріальні речі здаються щільними лише з допомогою взаємодії між атомами. Речі мають тверду і щільну консистенцію лише за рахунок тяжіння або відштовхування між атомами. Це і забезпечує щільність і твердість кристалічних ґрат хімічних речовин, з яких і складається все матеріальне. Але, цікавий момент, при зміні, наприклад, температурних умов навколишнього середовища, зв'язку між атомами, тобто їхнє тяжіння та відштовхування може слабшати, що призводить до ослаблення кристалічних ґрат і навіть до її руйнування. Саме цим пояснюється зміна фізичних властивостей при нагріванні. Наприклад, при нагріванні заліза воно стає рідким і йому можна надати будь-якої форми. А при таненні льоду, руйнування кристалічних ґрат призводить до зміни стану речовини, і з твердого воно перетворюється на рідке. Це яскраві приклади ослаблення зв'язків між атомами і, як наслідок, ослаблення або руйнування кристалічних ґрат, і дозволяють речовині стати аморфним. А причина таких загадкових метаморфоз якраз у тому, що речовини лише на одну десятитисячну складаються із щільної матерії, а все інше – порожнеча.

І речовини здаються твердими лише через міцні зв'язки між атомами, при ослабленні яких речовина видозмінюється. Таким чином, квантова теорія будови атома дозволяє по-іншому поглянути на навколишній світ.

Засновник теорії атома, Нільс Бор, висунув цікаву концепцію у тому, що електрони в атомі не випромінюють енергію постійно, лише у момент переходу між траєкторіями свого руху. Теорія Бора допомогла пояснити багато внутрішньоатомних процесів, а також зробила прорив у галузі такої науки, як хімія, пояснюючи межу таблиці, створеної Менделєєвим. Згідно , останній елемент, здатний існувати в часі та просторі, має порядковий номер сто тридцять сім, а елементи, починаючи зі сто тридцять восьмого, існувати не можуть, оскільки їхнє існування суперечить теорії відносності. Також теорія Бора пояснила природу такого фізичного явища, як атомні спектри.

Це діапазони взаємодії вільних атомів, що виникають при випромінюванні енергії між ними. Такі явища характерні для газоподібних, пароподібних речовин та речовин у стані плазми. Таким чином, квантова теорія зробила революцію у світі фізики та дозволила просунутися вченим не тільки у сфері цієї науки, а й у сфері багатьох суміжних наук: хімії, термодинаміки, оптики та філософії. А також дозволила людству проникнути у таємниці природи речей.

Ще дуже багато слід перевернути людству у своїй свідомості, щоб усвідомити природу атомів, зрозуміти принципи їхньої поведінки та взаємодії. Зрозумівши це, ми зможемо зрозуміти і природу навколишнього світу, адже все, що нас оточує, починаючи з порошин і закінчуючи самим сонцем, та й ми самі — все складається з атомів, природа яких загадкова і дивовижна і таїть у собі ще безліч таємниць.

Здрастуйте, дорогі читачі. Якщо ви не хочете відставати від життя, хочете стати по-справжньому щасливою та здоровою людиною, ви повинні знати про таємниці квантової сучасної фізики, хоч трохи уявляти до яких глибин світобудови докопалися сьогодні вчені. Вам ніколи вдаватися в глибокі наукові подробиці, а хочете осягнути лише суть, але побачити красу незвіданого світу, тоді ця стаття: квантова фізика для звичайних чайників або можна сказати для домогосподарок якраз для вас. Я постараюсь пояснити, що таке квантова фізика, але простими словами показати наочно.

"Який зв'язок між щастям, здоров'ям і квантовою фізикою?" - Запитаєте ви.

Справа в тому, що вона допомагає відповісти на багато незрозумілих питань, пов'язаних зі свідомістю людини, впливу свідомості на тіло. На жаль, медицина, спираючись на класичну фізику, не завжди допомагає нам бути здоровим. А психологія не може нормально сказати, як здобути щастя.

Тільки глибші пізнання світу допоможуть нам зрозуміти, як по-справжньому впоратися з хворобами і де живе щастя. Це знання перебувають у глибоких верствах Всесвіту. На допомогу нам приходить квантова фізика. Скоро ви все дізнаєтесь.

Що вивчає квантова фізика простими словами

Так, справді квантову фізику дуже складно зрозуміти через те, що вона вивчає закони мікросвіту. Тобто світ на більш глибоких шарах, на дуже малих відстанях, там, куди дуже складно зазирнути людині.

А світ, виявляється, поводиться там дуже дивно, загадково і незбагненно, не так як ми звикли.

Звідси вся складність та нерозуміння квантової фізики.

Але після прочитання цієї статті ви розсунете горизонти свого пізнання і подивіться світ зовсім по-іншому.

Коротко про історію квантової фізики

Все почалося на початку 20 століття, коли ньютонівська фізика не могла пояснити багато речей і вчені зайшли в глухий кут. Тоді Максом Планком було запроваджено поняття кванта. Альберт Ейнштейн підхопив цю ідею і довів, що світло поширюється не безперервно, а порціями – квантами (фотонами). Перш за все вважалося, що світло має хвильову природу.

Але як виявилося пізніше будь-яка елементарна частка, це квант, тобто тверда частка, і навіть хвиля. Так виник корпускулярно-хвильовий дуалізм у квантовій фізиці, перший феномен і початок відкриттів загадкових явищ мікросвіту.

Найцікавіші парадокси почалися, коли було проведено знаменитий експеримент із двома щілинами, після якого загадок стало набагато більше. Можна сказати, що квантова фізика розпочалася з нього. Давайте його розглянемо.

Експеримент із двома щілинами у квантовій фізиці

Уявіть пластину з двома щілинами у вигляді вертикальних смуг. За цією пластиною поставимо екран. Якщо направити світло на пластину, то на екрані побачимо інтерференційну картину. Тобто темні і яскраві вертикальні смуги, що чергуються. Інтерференція це результат хвильової поведінки чогось, у разі світла.

Якщо ви пропустите хвилю води через два отвори розташованих поруч, ви зрозумієте, що таке інтерференція. Тобто світло виходить ніби має хвильову природу. Але, як довела фізика, вірніше Ейнштейн, він поширюється частинками-фотонами. Вже парадокс. Але це добре, корпускулярно-хвильовим дуалізмом нас уже не здивувати. Квантова фізика каже нам, що світло поводиться як хвиля, але складається з фотонів. Але чудеса лише починаються.

Давайте перед пластиною з двома прорізами поставимо гармату, яка випромінюватиме не світло, а електрони. Почнемо стріляти електронами. Що ми побачимо на екрані за пластиною?

Адже електрони це частинки, отже потік електронів, проходячи через дві щілини, повинні залишати на екрані всього дві смуги, два сліди навпроти щілин. Уявили собі камінці, що пролітають крізь дві щілини й ударяють об екран?

Але що ми бачимо насправді? Всю ту саму інтерференційну картину. Який висновок: електрони розповсюджуються хвилями. Отже електрони це хвилі. Але це елементарна частка. Знову корпускулярно-хвильовий дуалізм у фізиці.

Але можна припустити, що на більш глибокому рівні електрон – це частка, а коли ці частинки збираються разом, вони починають поводитися як хвилі. Наприклад, морська хвиля це хвиля, але вона складається з крапель води, але в дрібнішому рівні з молекул, та був з атомів. Добре, логіка тверда.

Тоді давайте стріляти з гармати не потоком електронів, а випускати електрони окремо, через якийсь проміжок часу. Якби ми пропускали через щілини не морську хвилю, а плювалися б окремими краплями з дитячого водяного пістолета.

Цілком логічно, що в такому разі різні краплі води потрапляли б у різні щілини. На екрані за пластиною можна було б не інтерференційну картину від хвилі, а дві чіткі смуги від удару навпроти кожної щілини. Те саме ми побачимо, якщо кидати дрібне каміння, вони, пролітаючи крізь дві щілини, залишали б слід, наче тінь від двох отворів. Давайте тепер стріляти окремими електронами, щоб побачити ці дві смуги на екрані від ударів електронів. Випустили один, зачекали, другий, зачекали і так далі. Вчені квантової фізики змогли зробити такий експеримент.

Але жах. Замість цих двох смуг виходять ті самі інтерференційні чергування декількох смуг. Як так? Таке може статися, якби електрон пролітав одночасно через дві щілини, а за пластиною, як хвиля стикався б сам із собою та інтерферував. Але таке не може бути, адже частка не може бути у двох місцях одночасно. Вона або пролітає через першу щілину або через другу.

Ось тут починаються воістину фантастичні речі квантової фізики.

Суперпозиція у квантовій фізиці

При глибшому аналізі вчені з'ясовують, що будь-яка елементарна квантова частка або той самий світло (фотон) насправді можуть знаходитися в декількох місцях одночасно. І це не дива, а реальні факти мікросвіту. Так стверджує квантова фізика. Саме тому, стріляючи з гармати окремою часткою, бачимо результат інтерференції. За пластиною електрон стикається сам із собою і створює інтерференційну картину.

Звичайні нам об'єкти макросвіту завжди в одному місці, мають один стан. Наприклад, ви зараз сидите на стільці, важите, припустимо, 50 кг, маєте частоту пульсу 60 ударів на хвилину. Звичайно, ці показання зміняться, але вони зміняться через якийсь час. Адже ви не можете одночасно бути вдома та на роботі, важити 50 та 100 кг. Все це зрозуміло, це здоровий глузд.

У фізиці мікросвіту все по-іншому.

Квантова механіка стверджує, а це вже підтверджено експериментально, що будь-яка елементарна частка може бути одночасно не тільки в декількох точках простору, але також мати в той же час кілька станів, наприклад спин.

Все це не вкладається в голову, підриває звичне уявлення про світ, старі закони фізики, перевертає мислення, можна сміливо сказати зводить з розуму.

Так ми приходимо до розуміння терміна "суперпозиції" у квантовій механіці.

Суперпозиція означає, що об'єкт мікросвіту може одночасно перебувати у різних точках простору, а також мати кілька станів одночасно. І це нормально для елементарних частинок. Такий закон мікросвіту, яким би дивним та фантастичним він не здавався.

Ви здивовані, але це тільки квіточки, найнезрозуміліші дива, загадки та парадокси квантової фізики ще попереду.

Колапс хвильової функції у фізиці простими словами

Потім вчені вирішили з'ясувати і подивитися точніше, чи реально електрон проходить через обидві щілини. Раптом він проходить через одну щілину, а потім якимось чином поділяється і створює інтерференційну картину, проходячи через неї. Ну хіба мало. Тобто потрібно поставити якийсь прилад біля щілини, який би точно зафіксував проходження електрона через неї. Сказано зроблено. Звичайно, здійснити це складно, потрібний не прилад, а щось інше, щоб побачити проходження електрона. Але вчені це зробили.

Але в результаті результат приголомшив усіх.

Як тільки ми починаємо дивитися, через яку щілину проходить електрон, так він починає поводитись не як хвиля, не як дивна речовина, яка одночасно знаходиться в різних точках простору, а як звичайна частка. Тобто починає проявляти конкретні властивості кванта: знаходиться лише в одному місці, проходить через одну щілину, має значення спина. На екрані з'являється не інтерференційна картина, а простий слід напроти щілини.

Але як таке можливе. Начебто електрон жартує, грає з нами. Спочатку він поводиться як хвиля, а потім, після того, як ми вирішили подивитися проходження його через щілину, виявляє властивості твердої частки і проходить лише через одну щілину. Але так воно і є у мікросвіті. Такими є закони квантової фізики.

Вчені побачили ще одну загадкову властивість елементарних частинок. Так виникли у квантовій фізиці поняття невизначеність та колапс хвильової функції.

Коли електрон летить до щілини, він знаходиться в невизначеному стані або як ми сказали вище суперпозиції. Тобто поводиться як хвиля, знаходиться одночасно в різних точках простору, має одразу два значення спина (у спина всього два значення). Якби ми його не чіпали, не намагалися дивитись на нього, не з'ясовували, де саме він знаходиться, не вимірювали б значення його спина, він би так і пролетів як хвиля одночасно через дві щілини, а отже, створив інтерференційну картину. Його траєкторія та параметри квантова фізика описує за допомогою хвильової функції.

Після того, як ми виміряли (а зробити вимір частинки мікросвіту можна тільки взаємодіючи з нею, наприклад, зіштовхнути з нею іншу частинку), то відбувається колапс хвильової функції.

Тобто тепер електрон знаходиться точно в одному місці простору, має одне значення спина.

Можна сказати елементарна частка як примара, вона як би є, але одночасно її немає в одному місці, і може з певною ймовірністю опинитися в будь-якому місці в межах опису функцією хвиль. Але як тільки ми починаємо з нею контактувати, вона із примарного об'єкта перетворюється на реальну відчутну речовину, яка веде себе як звичайні, звичні для нас предмети класичного світу.

"Оце фантастика" - скажете ви. Звичайно, але чудеса квантової фізики лише починаються. Найнеймовірніше ще попереду. Але давайте трохи відпочинемо від великої кількості інформації і повернемося до квантових пригод іншим разом, в іншій статті. А поки що поміркуйте про те, що ви сьогодні дізналися. До чого можуть призвести такі чудеса? Адже вони оточують нас, це властивість нашого світу, хоч і на глибшому рівні. А ми все ще думаємо, що живемо у нудному світі? Але висновки зробимо пізніше.

Я спробував розповісти про основи квантової фізики коротко та зрозуміло.

Але якщо ви щось не зрозуміли, тоді подивіться цей мультик про квантову фізику, про експеримент з двома щілинами, там також все розповідається зрозумілою, простою мовою.

Мультфільм про квантову фізику:

Або можна дивитися ось це відео, все стане на свої місця, адже квантова фізика дуже цікава.

Відео про квантову фізику:

І як ви раніше про це не знали.

Сучасні відкриття квантової фізики змінюють наш звичний матеріальний світ.

Ласкаво просимо в блог! Я дуже рада вам!

Напевно, Ви багато разів чули про незрозумілі таємниці квантової фізики та квантової механіки. Її закони зачаровують містикою, і самі фізики зізнаються, що остаточно не розуміють їх. З одного боку, цікаво зрозуміти ці закони, але з іншого боку, немає часу читати багатотомні та складні книги з фізики. Я дуже розумію Вас, тому що теж люблю пізнання та пошук істини, але часу на всі книги катастрофічно не вистачає. Ви не самотні, дуже багато допитливих людей набирають у пошуковому рядку: «квантова фізика для чайників, квантова механіка для чайників, квантова фізика для початківців, квантова механіка для початківців, основи квантової фізики, основи квантової механіки, квантова фізика для дітей, що таке механіка». Саме для Вас ця публікація.

Вам стануть зрозумілі основні поняття та парадокси квантової фізики. Зі статті Ви дізнаєтесь:

Що таке інтерференція?
Що таке спин та суперпозиція?
Що таке "вимір" або "колапс хвильової функції"?
Що таке квантова заплутаність (або Квантова телепортація для чайників)? (див. статтю)
Що таке уявний експеримент "Кіт Шредінгера"? (див. статтю)

Що таке квантова фізика та квантова механіка?

Квантова механіка – це частина квантової фізики.

Чому ж так складно зрозуміти ці науки? Відповідь проста: квантова фізика та квантова механіка (частина квантової фізики) вивчають закони мікросвіту. І ці закони абсолютно відрізняються від законів нашого макросвіту. Тому нам важко уявити те, що відбувається з електронами та фотонами у мікросвіті.

Приклад відмінності законів макро- та мікросвітів: у нашому макросвіті, якщо Ви покладете шар в одну з 2-х коробок, то в одній з них буде порожньо, а в іншій - шар. Але в мікросвіті (якщо замість кулі – атом), атом може знаходитися одночасно у двох коробках. Це багаторазово підтверджено експериментально. Чи не так, важко це вмістити в голові? Але з фактами не посперечаєшся.

Ще один приклад.Ви сфотографували червону спортивну машину, що швидко мчить, і на фото побачили розмиту горизонтальну смугу, ніби-машина в момент фото знаходилася з декількох точках простору. Незважаючи на те, що Ви бачите на фото, Ви все одно впевнені, що машина в ту секунду, коли Ви її фотографували. в одному конкретному місці у просторі. У мікро світі все не так. Електрон, що обертається навколо ядра атома, насправді не обертається, а знаходиться одночасно у всіх точках сферинавколо ядра атома. На зразок намотаного нещільно клубка пухнастої вовни. Це поняття у фізиці називається «електронною хмарою» .

Невеликий екскурс до історії.Вперше про квантовий світ вчені задумалися, коли 1900 року німецький фізик Макс Планк спробував з'ясувати, чому при нагріванні метали змінюють колір. Саме він увів поняття кванта. До цього вчені думали, що світло поширюється безперервно. Першим, хто серйозно сприйняв відкриття Планка, був тоді нікому невідомий Альберт Енштейн. Він зрозумів, що світло це не тільки хвиля. Іноді він поводиться, як частка. Енштейн отримав Нобелівську премію за відкриття, що світло випромінюється порціями, квантами. Квант світла називається фотоном ( фотон, Вікіпедія) .

Для того, щоб легше було зрозуміти закони квантової фізикиі механіки (Вікіпедія), Треба у певному сенсі абстрагуватися від звичних нам законів класичної фізики. І уявити, що Ви занурилися, як Аліса, в кролячу нору, в Країну чудес.

А ось і мультик для дітей та дорослих.Розповідає про фундаментальний експеримент квантової механіки з двома щілинами та спостерігачем. Триває лише 5 хвилин. Подивіться його перед тим, як ми заглибимося в основні питання та поняття квантової фізики.

Квантова фізика для чайників. У мультику зверніть увагу на «око» спостерігача. Він став серйозною загадкою для вчених-фізиків.

Що таке інтерференція?

На початку мультика було показано на прикладі рідини, як поводяться хвилі - на екрані за пластиною зі щілинами з'являються темні і світлі вертикальні смуги, що чергуються. А якщо у пластину «стріляють» дискретними частинками (наприклад, камінчиками), то вони пролітають крізь 2 щілини і потрапляють на екран прямо навпроти щілин. І «малюють» на екрані лише 2 вертикальні смуги.

Інтерференція світла– це «хвильова» поведінка світла, коли на екрані відображається багато яскравих і темних вертикальних смуг, що чергуються. Ще ці вертикальні смуги називаються інтерференційною картиною.

У нашому макросвіті ми часто спостерігаємо, що світло поводиться як хвиля. Якщо поставити руку навпроти свічки, то на стіні буде не чітка тінь від руки, а з контурами, що розпливаються.

Отже, не так вже й складно! Нам зараз цілком зрозуміло, що світло має хвильову природу і якщо дві щілини освітлювати світлом, то на екрані за ними ми побачимо інтерференційну картину. Тепер розглянемо другий експеримент. Це знаменитий експеримент Штерна-Герлаха (який провели у 20-х роках минулого століття).

В установку, описану в мультику, світлом не світили, а «стріляли» електронами (як окремими частинками). Тоді, на початку минулого століття, фізики всього світу вважали, що електрони - це елементарні частинки матерії і повинні мати не хвильову природу, а таку, як камінчики. Адже електрони це елементарні частинки матерії, правильно? Тобто, якщо ними «кидати» в 2 щілини, як камінчиками, то на екрані за прорізами ми повинні побачити 2 вертикальні смужки.

Але… Результат був приголомшливий. Вчені побачили інтерференційну картину – багато вертикальних смужок. Тобто електрони, як і світло, теж можуть мати хвильову природу, можуть інтерферувати. А з іншого боку стало зрозуміло, що світло не лише хвиля, а й трохи й частка — фотон (з історичної довідки на початку статті ми дізналися, що за це відкриття Енштейн отримав Нобелівську премію).

Може пам'ятаєте, у школі нам розповідали на фізиці про «корпускулярно-хвильовий дуалізм»? Він означає, що коли йдеться про дуже маленькі частинки (атоми, електрони) мікросвіту, то вони одночасно і хвилі, і частки

Це сьогодні ми з Вами такі розумні і розуміємо, що 2 вище описані експерименти – стрілянина електронами та освітлення щілин світлом – суть одне й теж. Тому що ми стріляємо по прорізах квантовими частинками. Зараз ми знаємо, що світло і електрони мають квантову природу, є і хвилями, і частинками одночасно. А на початку 20 століття результати цього експерименту були сенсацією.

Увага! Тепер перейдемо до тоншого питання.

Ми світимо на наші щілини потоком фотонів (електронів) і бачимо за щілинами на екрані інтерференційну картину (вертикальні смужки). Це зрозуміло. Але нам цікаво побачити, як пролітає кожен із електронів у прорізі.

Імовірно, один електрон летить у лівий проріз, інший – у правий. Але тоді повинні на екрані з'явитися дві вертикальні смужки прямо навпроти прорізів. Чому ж виходить інтерференційна картина? Може електрони якось взаємодіють між собою вже на екрані після прольоту через щілини. І в результаті виходить така хвилева картина. Як нам за цим простежити?

Будемо кидати електрони не пучком, а по одному. Кинемо, почекаємо, кинемо наступний. Тепер, коли електрон летить один, він не зможе взаємодіяти на екрані з іншими електронами. Реєструватимемо на екрані кожен електрон після кидка. Один-два, звичайно, не «намалюють» нам зрозумілої картини. Але коли по одному відправимо в прорізі їх багато, то зауважимо ... жах - вони знову «намалювали» інтерференційну хвильову картину!

Починаємо повільно божеволіти. Адже ми очікували, що буде дві вертикальні смужки навпроти щілин! Виходить, що коли ми кидали фотони по одному, кожен з них проходив, як через 2 щілини одночасно і інтерферував сам з собою. Фантастика! Повернемося до пояснення цього феномена у наступному розділі.

Що таке спин та суперпозиція?

Ми знаємо, що таке інтерференція. Це хвильове поведінка мікро частинок – фотонів, електронів, інших мікро частинок (давайте простоти з цього часу називати їх фотонами).

В результаті експерименту, коли ми кидали в 2 щілини по 1 фотону, ми зрозуміли, що він пролітає начебто через дві щілини одночасно. Інакше, як пояснити інтерференційну картину на екрані?

Але як уявити картину, що фотон пролітає крізь дві щілини одночасно? Є 2 варіанти.

1-й варіант:фотон, як хвиля (як вода) «пропливає» крізь 2 щілини одночасно
2-й варіант:фотон, як частка, летить одночасно по 2-м траєкторіям (навіть не по двох, а по всіх одразу)

У принципі ці твердження рівносильні. Ми прийшли до «інтегралу з траєкторій». Це формулювання квантової механіки від Річарда Фейнмана.

До речі, саме Річарду Фейнмануналежить відомий вираз, що впевнено можна стверджувати, що квантову механіку ніхто не розуміє

Але це його вираз працював на початку століття. Але ми тепер розумні і знаємо, що фотон може поводитися і як частка, і як хвиля. Що він може якимось незрозумілим для нас способом пролітати одночасно через 2 щілини. Тому нам легко буде зрозуміти таке важливе твердження квантової механіки:

Строго кажучи, квантова механіка каже нам, що така поведінка фотона – правило, а не виняток. Будь-яка квантова частка знаходиться, як правило, в декількох станах або в декількох точках простору одночасно.

Об'єкти макросвіту можуть бути лише в одному певному місці та в одному певному стані. Але квантова частка існує за своїми законами. І їй і справи немає до того, що ми їх не розуміємо. На цьому – точка.

Нам залишається просто визнати, як аксіому, що «суперпозиція» квантового об'єкта означає те, що він може перебувати на 2-х або більше траєкторіях одночасно, у 2-х або більше точках одночасно

Те саме відноситься і до іншого параметра фотона - спину (його власному кутовому моменту). Спин – це вектор. Квантовий об'єкт можна як мікроскопічний магнітик. Ми звикли, що вектор магніту (спин) або спрямований вгору або вниз. Але електрон або фотон знову кажуть нам: «Хлопці, нам начхати, до чого Ви звикли, ми можемо бути в обох станах спина відразу (вектор вгору, вектор вниз), так само, як ми можемо знаходитися на 2-х траєкторіях одночасно або у 2-х точках одночасно!».

Що таке "вимір" або "колапс хвильової функції"?

Нам залишилося небагато — ще зрозуміти, що таке «вимір» і що таке «колапс хвильової функції».

Хвильова функція- Це опис стану квантового об'єкта (нашого фотона або електрона).

Припустимо, ми маємо електрон, він летить собі у невизначеному стані, спин його спрямований і вгору, і вниз одночасно. Нам треба виміряти його стан.

Виміряємо за допомогою магнітного поля: електрони, у яких спин був спрямований у напрямку поля, відхиляться в один бік, а електрони, у яких спин спрямований проти поля – в іншу. Ще фотони можна надсилати в поляризаційний фільтр. Якщо спин (поляризація) фотона +1 - він проходить через фільтр, а якщо -1, то ні.

Стоп! Ось тут у Вас неминуче виникне питання:адже в електрона не було якогось конкретного напрямку спина, так? Адже він був у всіх станах одночасно?

У цьому й полягає фішка і сенсація квантової механіки. Поки Ви не вимірюєте стан квантового об'єкта, він може обертатися будь-яку сторону (мати будь-який напрямок вектора власного кутового моменту – спина). Але в момент, коли Ви виміряли його стан, він начебто приймає рішення, який вектор спина йому прийняти.

Ось такий крутий цей квантовий об'єкт – сам ухвалює рішення про свій стан.І ми не можемо заздалегідь передбачити, яке рішення він ухвалить, коли влетить у магнітне поле, в якому ми його вимірюємо. Імовірність того, що він вирішить мати вектор спина вгору або вниз - 50 на 50%. Але як тільки він вирішив – він перебуває у певному стані із конкретним напрямком спина. Причиною його вирішення є «вимірювання»!

Це і називається « колапсом хвильової функції». Хвильова функція до виміру була невизначеною, тобто. вектор спина електрона знаходився одночасно у всіх напрямках, після вимірювання електрон зафіксував певний напрямок вектора свого спина.

Увага! Відмінний для розуміння приклад-асоціація з нашого макросвіту:

Розкрутіть на столі монету, як юлу. Поки монетка крутиться, вона не має конкретного значення — орел або решка. Але як тільки Ви вирішите «виміряти» це значення і закрийте монету рукою, ось тут і отримаєте конкретний стан монети - орел або решка. А тепер уявіть, що ця монета приймає рішення, яке значення Вам "показати" - орел або решка. Приблизно поводиться і електрон.

А тепер згадайте експеримент, показаний наприкінці мультика. Коли фотони пропускали через щілини, вони поводилися як хвиля і показували на екрані інтерференційну картину. А коли вчені захотіли зафіксувати (виміряти) момент прольоту фотонів через щілину і поставили за екраном «спостерігача», фотони стали поводитися не як хвилі, а як частинки. І «намалювали» на екрані 2 вертикальні смуги. Тобто. у момент виміру чи спостереження квантові об'єкти самі вибирають, у стані ним бути.

Фантастика! Чи не правда?

Але це ще не все. Нарешті ми дісталися найцікавішого.

Але… мені здається, що вийде перевантаження інформації, тому ці поняття ми розглянемо в окремих постах:

Що таке ?
Що таке уявний експеримент.

А зараз хочете, щоб інформація розклалася по поличках? Перегляньте документальний фільм, підготовлений Канадським інститутом теоретичної фізики. У ньому за 20 хвилин дуже коротко і в хронологічному порядку Вам повідають про всі відкриття квантової фізики, починаючи з відкриття Планка 1900 року. А потім розкажуть, які практичні розробки виконуються зараз на базі знань з квантової фізики: від найточніших атомних годинників до супершвидкісних обчислень квантового комп'ютера. Дуже рекомендую переглянути цей фільм.

До зустрічі!

Бажаю всім натхнення для всіх задуманих планів та проектів!

P.S.2 Пишіть Ваші запитання та думки у коментарях. Пишіть, які ще питання щодо квантової фізики Вам цікаві?

P.S.3 Підписуйтесь на блог – форма для підписки під статтею.

Від грецької «фюзис» походить слово «фізика». Це означає "природа". Аристотель, який жив у четвертому столітті до нашої ери, вперше запровадив це поняття.

«Російська» фізика стала з подачі М. В. Ломоносова, коли він переклав перший підручник з німецької мови.

Наука фізика

Фізика - це одна з основних У світі навколо постійно відбуваються різні процеси, зміни, тобто явища.

Наприклад, шматочок льоду в теплому місці почне танути. А вода у чайнику на вогні закипає. Електричний струм, пропущений по дроту, нагріє і навіть розжарить. Кожен із цих процесів — явище. У фізиці це механічні, магнітні, електричні, звукові, теплові та світлові зміни, що вивчаються наукою. Вони ще називають фізичними явищами. Розглядаючи їх, вчені виводять закони.

Завдання науки полягає у відкритті цих законів та їх дослідженні. Природу вивчають такі науки, як біологія, географія, хімія та астрономія. Усі вони застосовують фізичні закони.

Терміни

Крім звичайних у фізиці використовують і спеціальні слова, які називаються термінами. Це «енергія» (у фізиці це міра різних форм взаємодії та руху матерії, а також переходу з однієї в іншу), «сила» (захід інтенсивності впливу інших тіл і полів на якесь тіло) та багато інших. Частина з них поступово увійшла до розмовної мови.

Наприклад, використовуючи слово «енергія» у повсякденному житті стосовно людини, ми можемо оцінювати наслідки його дій, але енергія у фізиці — це міра вивчення безліччю різних способів.

Усі тіла у фізиці називають фізичними. Вони мають обсяг та форму. Складаються з речовин, які, у свою чергу, є одними з видів матерії – це все, що існує у Всесвіті.

Досліди

Багато чого з того, що знають люди, було отримано під час спостережень. Щоб вивчити явища, їх спостерігають.

Візьмемо, наприклад, падіння землі різних тіл. Необхідно з'ясувати, чи це явище відрізняється при падінні тіл неоднакової маси, різній висоті і так далі. Чекати і спостерігати за різними тілами було б дуже довго та далеко не завжди успішно. Тому для подібних цілей проводять досліди. Вони відрізняються від спостережень, тому що їх спеціально реалізують за наперед складеним планом і з певними цілями. Зазвичай у плані будують якісь здогади заздалегідь, тобто висувають гіпотези. Таким чином, у ході проведення дослідів вони спростовуватимуться або підтверджуватимуться. Після обмірковування та пояснення результатів дослідів робляться висновки. Так виходять наукові знання.

Величини та одиниці їх виміру

Часто, вивчаючи будь-які виконують різні виміри. При падінні тіла, наприклад, вимірюють висоту, масу, швидкість та час. Все це є тим, що можна виміряти.

Вимірювання величини означає порівняння її з такою самою величиною, яка приймається за одиницю (довжина столу порівнюється з одиницею довжини – метром чи іншою). Кожна така величина має одиниці.

У всіх країнах намагаються користуватися єдиними одиницями. У Росії її, як та інших державах, використовується Міжнародна система одиниць СІ (що означає " система міжнародна " ). У ній прийнято такі одиниці:

довжина (характеристика протяжності ліній у числовому вираженні) – метр;
час (протікання процесів, умова можливої зміни) - секунда;
маса (це у фізиці характеристика, що визначає інертні та гравітаційні властивості матерії) - кілограм.

Часто буває необхідно застосовувати одиниці, які набагато перевищують загальноприйняті за величиною - кратні. Їх називають із відповідними приставками з грецької: «дека», «гекто», «кіло» тощо.

Одиниці, які менші за прийняті, називаються дольними. До них застосовуються приставки з латинської мови: "Деці", "Санті", "Міллі" і так далі.

Прилади для вимірювання

Щоб проводити досліди, потрібні прилади. Найпростішими з них є лінійка, циліндр, рулетка та інші. З розвитком науки удосконалюються, ускладнюються та з'являються нові прилади: вольтметри, термометри, секундоміри та інші.

Здебільшого прилади мають шкалу, тобто штрихові поділки, у яких написані значення. Перед виміром визначають ціну розподілу:

беруть два штрихи шкали зі значеннями;
з більшого віднімають менше, а отримане число ділять на число поділів, що знаходяться між.

Наприклад, два штрихи зі значеннями "двадцять" та "тридцять", відстань між якими розділена на десять проміжків. У цьому випадку ціна поділу дорівнюватиме одиниці.

Точні виміри та з похибкою

Вимірювання виконуються більш-менш точно. Допустима неточність називається похибкою. При вимірі вона може бути більше ціни розподілу приладу для вимірів.

Точність залежить від ціни поділу та правильного використання приладу. Однак у будь-якому вимірі виходять лише приблизні значення.

Теоретична та експериментальна фізика

Це головні галузі науки. Може здаватися, що вони дуже далекі один від одного, тим більше більшість людей є або теоретиками, або експериментаторами. Однак вони розвиваються постійно пліч-о-пліч. Будь-яку проблему розглядають і теоретики, і експериментатори. Справа перших є опис даних і виведення гіпотез, а другі перевіряють теорії на практиці, проводячи експерименти і отримуючи нові дані. Іноді досягнення викликаються лише експериментами, без описаних теорій. В інших випадках, навпаки, вдається отримати результати, що перевіряються пізніше.

Квантова фізика

Цей напрямок зародився наприкінці 1900 року, коли було відкрито нову фізичну фундаментальну константу, що отримала назву постійної Планка на честь німецького фізика, що її відкрила, - Макса Планка. Він вирішив проблему спектрального розподілу світла, яке випромінюють нагріті тіла, тоді як класична загальна фізика цього зробити не змогла. Планк висловив гіпотезу про квантову енергію осцилятора, яка була несумісна з класичною фізикою. Завдяки їй багато фізиків стали переглядати старі поняття, змінювати їх, у результаті виникла квантова фізика. Це зовсім нове уявлення про світ.

і свідомість

Феномен людської свідомості з погляду перестав бути зовсім новим. Основа його була закладена ще Юнгом та Паулі. Але тільки зараз, зі становленням цього нового напряму науки, феномен став розглядатися і більш масштабно вивчатися.

Квантовий світ багатоликий і багатовимірний, у ньому є безліч класичних осіб та проекцій.

Двома основними властивостями в рамках запропонованої концепції є надінтуїція (тобто отримання ні звідки інформації) та управління суб'єктивною реальністю. У звичайній свідомості людина може бачити лише одну картину світу і не здатна розглянути дві відразу. Тоді як насправді існує їх величезна кількість. Все це разом і є квантовий світ і світло.

Це квантова фізика вчить бачити нову для людини реальність (хоча багато східних релігій, а також маги давно володіють такою технікою). Потрібно лише змінити людську свідомість. Тепер людина невіддільна від усього світу, але до уваги беруться інтереси всього живого та сущого.

Саме тоді, поринаючи у стан, де він здатний побачити всі альтернативи, йому приходить осяяння, яке є абсолютною істиною.

Принцип життя з погляду квантової фізики полягає для людини в тому, щоб він, крім усього іншого, зробив свій внесок у кращий світоустрій.

Думаю, можна сказати, що ніхто не розуміє квантової механіки
Фізик Річард Фейнман

Висловлювання у тому, що винахід напівпровідникових приладів було революцією, нічого очікувати перебільшенням. Це не тільки вражаюче технологічне досягнення, але також проклало шлях для подій, які назавжди змінюють сучасне суспільство. Напівпровідникові прилади застосовуються у всіляких пристроях мікроелектроніки, у тому числі й у комп'ютерах, окремих видах медичного діагностичного та лікувального обладнання, популярних телекомунікаційних пристроях.

Але за цією технологічною революцією стоїть навіть більше, революція у спільній науці: область квантової теорії. Без цього стрибка в розумінні природного світу, розвиток напівпровідникових приладів (і більш розвинених електронних пристроїв) ніколи б не вдалося. Квантова фізика – це неймовірно складний розділ науки. У цьому розділі дається лише короткий огляд. Коли вчені рівня Фейнмана кажуть, що «ніхто не розуміє [це]», ви можете бути певні, що це справді складна тема. Без базового розуміння квантової фізики або, принаймні, розуміння наукових відкриттів, які призвели до їхньої розробки, неможливо зрозуміти, як і чому працюють напівпровідникові електронні прилади. Більшість підручників з електроніки намагаються пояснити напівпровідники з погляду «класичної фізики», у результаті роблячи їх ще заплутанішими для розуміння.

Багато хто з нас бачив діаграми моделей атомів, які схожі на малюнок нижче.

Атом Резерфорда: негативні електрони обертаються довкола невеликого позитивного ядра

Крихітні частинки матерії протонамиі нейтронамискладають центр атома; електрониобертаються як планети навколо зірки. Ядро несе позитивний електричний заряд, завдяки наявності протонів (нейтрони не мають жодного електричного заряду), у той час як врівноважуючий негативний заряд атома знаходиться в електронах, що рухаються по орбіті. Негативні електрони притягуються до позитивних протонів, як планети притягуються силою тяжіння до Сонця, проте орбіти стабільні завдяки руху електронів. Ми зобов'язані цією популярною моделлю атома роботі Ернеста Резерфорда, який приблизно в 1911 експериментально визначив, що позитивні заряди атомів зосереджені в крихітному, щільному ядрі, а не рівномірно розподілені по діаметру, як раніше припускав дослідник Дж. Дж. Томсон.

Експеримент Резерфорда по розсіянню полягає у бомбардуванні тонкої золотої фольги позитивно зарядженими альфа-частинками, як показано на малюнку нижче. Молоді аспіранти Х. Гейгер та Е. Марсден отримали несподівані результати. Траєкторія руху деяких альфа-часток була відхилена на великий кут. Деякі альфа-частинки були розпорошені у зворотному напрямку, під кутом майже на 180°. Більшість частинок пройшло через золоту фольгу, не змінивши траєкторію шляху, ніби фольги не було зовсім. Факт того, що кілька альфа-частинок зазнавали великих відхилень у траєкторії руху, вказує на присутність ядер з невеликим позитивним зарядом.

Розсіяння Резерфорда: пучок альфа-частинок розсіюється тонкою золотою фольгою

Хоча модель атома Резерфорда підтверджувалася експериментальними даними краще, ніж модель Томсона, вона ще була неідеальна. Були зроблені подальші спроби визначення структури атома, і ці зусилля допомогли прокласти шлях для дивних відкриттів квантової фізики. Сьогодні наше розуміння атома трохи складніше. Проте, незважаючи на революцію квантової фізики та її внесок у наше розуміння будови атома, зображення сонячної системи Резерфорда як структура атома, прижилося в масовій свідомості настільки, що воно зберігається в областях освіти, навіть якщо воно недоречне.

Розглянемо цей короткий опис електронів в атомі, взятий із популярного підручника з електроніки:

Негативні електрони, що обертаються, притягуються до позитивного ядра, яке призводить нас до питання про те, чому електрони не летять в ядро атом. Відповідь у тому, що електрони, що обертаються, залишаються на своїй стабільній орбіті через дві рівні, але протилежні сили. Відцентрова сила, що діє на електрони, спрямована назовні, а сила тяжіння зарядів намагається притягнути електрони до ядра.

Відповідно до моделі Резерфорда, автор вважає електрони твердими шматками матерії, що займають круглі орбіти, їх тяжіння всередину до протилежно зарядженого ядра врівноважується їх рухом. Використання терміна «відцентрова сила» технічно невірно (навіть для планет, що обертаються на орбітах), але це легко пробачити через популярне прийняття моделі: насправді, не існує такого поняття, як сила, відштовхуючабудь-якетіло, що обертається, від центру його орбіти. Здається, що це так тому, що інерція тіла прагнути зберегти його рух по прямій лінії, а так як орбіта є постійним відхиленням (прискоренням) від прямолінійного руху, є постійна інерційна протидія до будь-якої сили, що притягує тіло до центру орбіти (центромісткою), будь то гравітація, електростатичне тяжіння, і навіть натяг механічного зв'язку.

Тим не менш, реальна проблема з цим поясненням, в першу чергу, полягає в ідеї електронів, що рухаються круговими орбітами. Цей факт був відомий навіть у часи Резерфорда. Так як обертальний рух є формою прискорення (об'єкт, що обертається в постійному прискоренні, що відводить об'єкт від нормального прямолінійного руху), електрони в стані, що обертається, повинні викидати випромінювання, як бруд від буксуючого колеса. Електрони, прискорені за круговими траєкторіями, у прискорювачах частинок синхротронами, як відомо, роблять це, і результат називається синхротронне випромінювання. Якби електрони втрачали енергію у такий спосіб, їх орбіти, зрештою, порушилися б, і в результаті вони зіткнулися б із позитивно зарядженим ядром. Проте всередині атомів цього зазвичай не відбувається. Справді, електронні «орбіти» напрочуд стійкі у широкому діапазоні умов.

Крім того, експерименти зі «збудженими» атомами показали, що електромагнітна енергія випромінюється атомом лише на певних частотах. Атоми «збуджуються» зовнішніми впливами, такими як світло, як відомо, щоб поглинути енергію та повернути електромагнітні хвилі на певних частотах, як камертон, який не дзвонить на певній частоті, доки його не вдарять. Коли світло, що випромінюється збудженим атомом, ділиться призмою на складові частоти (кольору), виявляються окремі лінії кольорів у спектрі, картина спектральних ліній є унікальною для хімічного елемента. Це зазвичай використовується для ідентифікації хімічних елементів, і навіть для вимірювання пропорцій кожного елемента в поєднанні або хімічної суміші. Згідно з сонячною системою атомної моделі Резерфорда (щодо електронів, як шматків матерії, що вільно обертаються на орбіті з якимось радіусом) та законів класичної фізики, збуджені атоми повинні повернути енергію в практично нескінченному діапазоні частот, а не на обраних частотах. Іншими словами, якщо модель Резерфорда була правильною, то не було б ефекту «камертону», і колірний спектр, який випромінює будь-який атом, виглядав би як безперервна смуга кольорів, а не як кілька окремих ліній.

Боровська модель атома водню (з орбітами, намальованими масштабом) передбачає перебування електронів лише з дискретних орбітах. Електрони, що переходять із n=3,4,5 або 6 на n=2, відображаються на серії спектральних ліній Бальмера

Дослідник на ім'я Нільс Бор спробував поліпшити модель Резерфорда після її вивчення в лабораторії Резерфорда протягом декількох місяців у 1912 році. Намагаючись узгодити результати інших фізиків (зокрема, Макса Планка та Альберта Ейнштейна), Бор припустив, що кожен електрон мав певну, конкретну кількість енергії, і що їхні орбіти розподіляються таким чином, що кожен з них може займати певні місця навколо ядра, як кульки , Зафіксовані на кругових доріжках навколо ядра, а не як супутники, що вільно рухаються, як передбачалося раніше (рисунок вище). На знак поваги до законів електромагнетизму та прискорюючих зарядів Бор посилався на «орбіти», як на стаціонарні станищоб уникнути трактування, що вони були рухливі.

Хоча амбітна спроба Бору переосмислення будови атома, яке ближче узгоджувалося з експериментальними даними, була важливою віхою у фізиці, але була завершена. Його математичний аналіз краще передбачав результати експериментів у порівнянні з аналізами, що виробляються згідно з попередніми моделями, але ще залишалися без відповідей питання про те, чомуелектрони повинні поводитися таким дивним чином. Твердження, що електрони існували в стаціонарних квантових станах навколо ядра, співвідносилося з експериментальними даними краще, ніж модель Резерфорда, але не говорило, що змушує електрони приймати ці спеціальні стани. Відповідь на це питання мала прийти від іншого фізика Луї де Бройля приблизно через десять років.

Де Бройль припустив, що електрони, як фотони (частинки світла), мають і властивості частинок, і властивості хвиль. Спираючись на це припущення, він припустив, що аналіз електронів, що обертаються, з точки зору хвиль підходить краще, ніж з точки зору частинок, і може дати більше розуміння про їх квантову природу. І справді, у розумінні було здійснено ще один прорив.

Струна, що вібрує на резонансній частоті між двома фіксованими точками, утворює хвилю стоячи

Атом, згідно з де Бройлем, складався зі стоячих хвиль, явище, добре відоме фізикам у різних формах. Як дернута струна музичного інструменту (малюнок вище), що вібрує на резонансній частоті, з «вузлами» та «антивузлами» у стабільних місцях вздовж своєї довжини. Де Бройль представив електрони навколо атомів як хвиль, вигнутих у коло (малюнок нижче).

«Обертаються» електрони, як стояча хвиля навколо ядра, (a) два цикли в орбіті, (b) три цикли в орбіті

Електрони можуть існувати тільки на певних, конкретних «орбітах» навколо ядра, тому що вони є єдиними відстанями, на яких хвилі збігаються. За будь-якого іншого радіусу хвиля буде руйнівно зіштовхуватися сама з собою і, таким чином, перестане існувати.

Гіпотеза де Бройля дала як математичне забезпечення, і зручну фізичну аналогію пояснення квантових станів електронів всередині атома, та його модель атома була ще неповною. Протягом кількох років фізики Вернер Гейзенберг та Ервін Шредінгер, працюючи незалежно один від одного, працювали над концепцією корпускулярно-хвильового дуалізму де Бройля, щоб створити суворіші математичні моделі субатомних частинок.

Цьому теоретичному просуванню від примітивної моделі стоячої хвилі де Бройля до моделей матриці Гейзенберга та диференціального рівняння Шредінгера було дано назву квантова механіка, вона ввела досить шокуючу характеристику у світ субатомних частинок: ознака ймовірності чи невизначеності. За новою квантовою теорією, неможливо було визначити точне положення і точний імпульс частинки в один момент. Популярне пояснення цього «принципу невизначеності» полягало в тому, що існувала похибка виміру (тобто намагаючись точно виміряти положення електрона, ви заважаєте його імпульсу, і, отже, не можете знати, що було до початку виміру положення, і навпаки). Сенсаційний висновок квантової механіки полягає в тому, що частинки не мають точних положень та імпульсів, і через зв'язок цих двох величин їхня сукупна невизначеність ніколи не зменшиться нижче певного мінімального значення.

Ця форма зв'язку "невизначеності" існує і в інших галузях, крім квантової механіки. Як обговорювалося в розділі «Сигнали змінного струму змішаної частоти» тому 2 цієї серії книг, є взаємовиключні зв'язки між впевненістю в даних тимчасової області форми сигналу та його даними у частотній області. Простіше кажучи, чим більше ми знаємо його складові частоти, тим менш точно знаємо його амплітуду в часі, і навпаки. Цитую себе:

Сигнал нескінченної тривалості (нескінченна кількість циклів) може бути проаналізований з абсолютною точністю, але чим менше циклів доступно комп'ютеру для аналізу, тим менша точність аналізу... Чим менше періодів сигналу, тим менша точність його частоти. Приймаючи цю концепцію до її логічної крайності, короткий імпульс (навіть повний період сигналу) насправді немає певної частоти, є нескінченний діапазон частот. Цей принцип є загальним всім хвильових явищ, а чи не лише змінних напруг і струмів.

Щоб точно визначити амплітуду сигналу, що змінюється, ми повинні виміряти його в дуже короткий проміжок часу. Проте виконання цього обмежує наші знання про частоту хвилі (хвиля в квантовій механіці не повинна бути подібна до синусоїдальної хвилі; така подоба є окремим випадком). З іншого боку, щоб визначити частоту хвилі з великою точністю, ми повинні вимірювати його протягом великої кількості періодів, а значить, ми втратимо з уваги його амплітуду у будь-який заданий момент. Таким чином, ми не можемо одночасно знати миттєву амплітуду та всі частоти будь-якої хвилі з необмеженою точністю. Ще одна дивність, ця невизначеність набагато більша за неточність спостерігача; вона знаходиться у самій природі хвилі. Це не так, хоча можна, враховуючи відповідні технології, забезпечити точні вимірювання і миттєвої амплітуди, і частоти одночасно. У буквальному значенні хвиля не може точну миттєву амплітуду і точну частоту одночасно.

Мінімальна невизначеність положення частинки та імпульсу, виражена Гейзенбергом та Шредінгером, не має нічого спільного з обмеженням у вимірі; швидше це внутрішня властивість природи корпускулярно-хвильового дуалізму частки. Отже, електрони насправді не існують у своїх «орбітах» як певні частки матерії або навіть як точно певні форми хвиль, а скоріше як «хмари» - технічний термін хвильової функціїрозподілу ймовірності, якби кожен електрон був «розсіяний» або «розмазаний» у діапазоні положень та імпульсів.

Цей радикальний погляд на електрони, як на невизначені хмари, спочатку суперечить первісному принципу квантових станів електронів: електрони існують у дискретних, певних «орбітах» навколо ядра атома. Цей новий погляд, зрештою, був відкриттям, що призвело до утворення та пояснення квантової теорії. Як дивно здається, що теорія, створена пояснення дискретного поведінки електронів, закінчується, оголосивши, що електрони існують як «хмари», ніж як окремі шматочки матерії. Тим не менш, квантова поведінка електронів залежить не від електронів, що мають певні значення координат та імпульсу, а від інших властивостей, званих квантовими числами. По суті, квантова механіка обходиться без поширених понять абсолютного становища та абсолютного моменту, а замінює їх абсолютними поняттями таких типів, які не мають аналогів у загальній практиці.

Навіть якщо електрони, як відомо, існують у безтілесних, «хмарних» формах розподіленої ймовірності, а не у вигляді окремих частин матерії, ці «хмари» мають дещо інші характеристики. Будь-який електрон в атомі може бути описаний чотирма числовими заходами (згаданими раніше квантовими числами), які називаються головне (радіальне), орбітальне (азимутальне), магнітнеі спиновечисла. Нижче наведено короткий огляд значення кожного з цих чисел:

Головне (радіальне) квантове число: позначається літерою n, це число визначає оболонку, де перебуває електрон. Електронна «оболонка» є область простору навколо ядра атома, де електрони можуть існувати, відповідаючи моделям стабільної «стоячої хвилі» де Бройля і Бора. Електрони можуть стрибати з оболонки на оболонку, але не можуть існувати між ними.

Головне квантове число має бути позитивним цілим числом (великим або рівним 1). Інакше кажучи, головне квантове число електрона може бути 1/2 чи -3. Ці цілі числа були обрані не довільно, а через експериментальні докази світлового спектра: різні частоти (кольору) світла, випромінювані збудженими атомами водню, випливають з математичної залежності, що залежить від конкретних цілих значень, як показано на малюнку нижче.

Кожна оболонка має здатність утримувати кілька електронів. Як аналогія для електронних оболонок можна навести концентричні ряди сидінь в амфітеатрі. Так само, як людина, яка сидить в амфітеатрі, повинна вибрати ряд, щоб сісти (він не може сісти між рядами), електрони повинні вибрати конкретну оболонку, щоб сісти. Як і ряди в амфітеатрі, крайні оболонки утримують більше електронів, порівняно з оболонками, ближче до центру. Також електрони прагнуть знайти найменшу доступну оболонку, як люди в амфітеатрі шукають найближче до центральної сцени місце. Що номер оболонки, то більше енергії в електронів у ньому.

Максимальна кількість електронів, яку будь-яка оболонка може утримувати, описується рівняння 2n 2 де n - головне квантове число. Таким чином, перша оболонка (n = 1) може містити 2 електрони; друга оболонка (n = 2) – 8 електронів; і третя оболонка (n = 3) – 18 електронів (малюнок нижче).

Головне квантове число n та максимальна кількість електронів пов'язані формулою 2(n 2). Орбіти над масштабу.

Електронні оболонки в атомі були позначені літерами, а чи не цифрами. Перша оболонка (n = 1) була позначена K, друга оболонка (n = 2) L, третя оболонка (n = 3) M, четверта оболонка (n = 4) N, п'ята оболонка (n = 5) O, шоста оболонка ( n = 6) P і сьома оболонка (n = 7) B.

Орбітальне (азимутальне) квантове число: оболонка, що складається із підболочок. Комусь може бути зручніше думати про підболочки як про прості секції оболонок, як смуги ділять дорогу. Подоболочки набагато дивніші. Подоболочки – це області простору, де можуть існувати електронні «хмари», і насправді різні підболочки мають різні форми. Перша підболочка у формі кулі (малюнок нижче (s)), який має сенс, коли візуалізується у вигляді електронної хмари, що оточує ядро атома у трьох вимірах.

Друга підболочка нагадує гантель, що складається з двох «пелюсток», з'єднаних в одній точці неподалік центру атома (рисунок нижче (p)).

Третя підболочка зазвичай нагадує набір із чотирьох «пелюсток», згрупованих навколо ядра атома. Ці форми підболочок нагадують графічні зображення діаграм спрямованості антен з пелюстками, схожими на цибулини, що тягнуться від антени в різних напрямках (рисунок нижче (d)).

Орбіталі:
(s) триразова симетричність;
(p) Показано: p x , одна з трьох можливих орієнтацій (p x , p y , p z), вздовж відповідних осей;
(d) Показана: d x 2 -y 2 схожа на d xy, d yz, d xz. Показано: d z 2 . Кількість можливих d-орбіталей: 5.

Допустимими значеннями орбітального квантового числа є позитивні цілі числа, як і для головного квантового числа, але також включають нуль. Ці квантові числа для електронів позначаються літерою l. Кількість підболочок дорівнює головному квантовому числу оболонки. Таким чином, перша оболонка (n = 1) має одну підболочку з номером 0; друга оболонка (n = 2) має дві підболочки з номерами 0 та 1; третя оболонка (n = 3) має три підболочки з номерами 0, 1 та 2.

Стара угода опису підболочок використовувала літери, а чи не цифри. А в цьому форматі перша підболочка (l = 0) позначалася s, друга підболочка (l = 1) позначалася p, третя підболочка (l = 2) позначалася d, і четверта підболочка (l = 3) позначалася f. Літери прийшли від слів: sharp, principal, diffuseі fundamental. Ви можете побачити ці позначення в багатьох періодичних таблицях, які використовуються для позначення електронної конфігурації зовнішніх ( валентних) оболонок атомів.

(a) представлення атома срібла за Бором,
(b) орбітальне уявлення Ag з поділом оболонок на підболочки (орбітальне квантове число l).
Дана діаграма не має на увазі нічого про фактичне становище електронів, а представляє лише енергетичні рівні.

Магнітне квантове число: Магнітне квантове число для електрона класифікує, орієнтацію фігури підболочки електрона. «Пелюстки» підболочок можуть бути спрямовані в декількох напрямках. Ці різні орієнтації називаються орбіталями. Для першої підболочки (s; l = 0), що нагадує сферу, «напрямок» не вказується. Для другої (p; l = 1) підболочки в кожній оболонці, що нагадує гантель, що вказує у трьох можливих напрямках. Подайте три гантелі, що перетинаються на початку координат, кожна спрямована вздовж своєї осі в тривісній системі координат.

Допустимі значення для даного квантового числа складаються з цілих чисел, починаючи від -l до l, а позначається це число як m lв атомній фізиці та l zу ядерній фізиці. Щоб розрахувати кількість орбіталей у будь-якій підболочці, необхідно подвоїти номер підболочки та додати 1, (2∙l + 1). Наприклад, перша підболочка (l = 0) у будь-якій оболонці містить одну орбіталь з номером 0; друга підболочка (l = 1) у будь-якій оболонці містить три орбіталі з номерами -1, 0 та 1; третя підболочка (l = 2) містить п'ять орбіталей з номерами -2, -1, 0, 1 та 2; і так далі.

Як і головне квантове число, магнітне квантове число виникло прямо з експериментальних даних: ефект Зеемана, поділ спектральних ліній, піддаючи іонізований газ впливу магнітного поля, звідси і назва «магнітне» квантове число.

Спинове квантове число: як і магнітне квантове число, дана властивість електронів атома була виявлена за допомогою експериментів Ретельне спостереження спектральних ліній показало, що кожна лінія була насправді парою дуже близько розташованих ліній, було припущення, що ця так звана тонка структурабула результатом кожного електрона, що «обертався» навколо своєї осі, як планета. Електрони з різним «обертанням» віддавали б частоти світла, що трохи відрізняються, при збудженні. Концепція обертового електрона нині застаріла, будучи більш підходящою для (неправильного) погляду на електрони, як на окремі частинки матерії, а не як на «хмари», але назва лишилася.

Спинові квантові числа позначаються як m sв атомній фізиці та s zу ядерній фізиці. На кожній орбіталі на кожній підболочці в кожній оболонці може бути два електрони, один зі спином +1/2, а інший зі спином -1/2.

Фізик Вольфганг Паулі розробив принцип, що пояснює упорядкованість електронів в атомі відповідно до цих квантових чисел. Його принцип, званий принципом заборони Паулі, стверджує, що два електрони в одному атомі не можуть займати однакові квантові стани. Тобто кожен електрон в атомі має унікальний набір квантових чисел. Це обмежує кількість електронів, які можуть займати будь-яку орбіталь, підболочку та оболонку.

Тут показано розташування електронів в атомі водню:

З одним протоном в ядрі атом приймає один електрон для свого електростатичного балансу (позитивний заряд протона в точності врівноважується негативним зарядом електрона). Цей електрон знаходиться на нижній оболонці (n = 1), першій підболочці (l = 0), на єдиній орбіталі (просторова орієнтація) цієї підболочки (m l = 0), зі значенням спина 1/2. Загальний метод опису цієї структури виконується за допомогою перерахування електронів відповідно до їх оболонок та підболочок згідно з угодою, званою спектроскопічним позначенням. У цьому позначенні номер оболонки показується як ціле число, підболочка як буква (s,p,d,f), і загальна кількість електронів у підболочці (всі орбіталі, всі спини) як верхній індекс. Таким чином, водень з єдиним електроном, розміщеним на базовому рівні, описується як 1s 1 .

Переходячи до наступного атома (по порядку атомного номера), ми отримуємо елемент гелій:

Атом гелію складається з двох протонів в ядрі, а це вимагає два електрони, щоб збалансувати подвійний позитивний електричний заряд. Так як два електрони - один зі спином 1/2 та інший зі спином -1/2 - знаходяться на одній орбіталі, електронна структура гелію не вимагає додаткових підболочок або оболонок, щоб утримувати другий електрон.

Тим не менш, атом, що вимагає три і більше електрона, потребуватиме додаткових підболочок, щоб утримувати всі електрони, оскільки тільки два електрони можуть перебувати на нижній оболонці (n = 1). Розглянемо наступний атом в послідовності атомних номерів, що збільшуються, літій:

Атом літію використовує частину ємності L оболонки (n = 2). Ця оболонка насправді має загальну ємність завбільшки вісім електронів (максимальна ємність оболонки = 2n 2 електронів). Якщо ми розглянемо структуру атома з повністю заповненою L оболонкою, ми побачимо, як усі комбінації підболочок, орбіталей та спинів зайняті електронами:

Часто при призначенні атому спектроскопічного позначення будь-які повністю заповнені оболонки пропускаються, а не заповнені оболонки і заповнені оболонки вищого рівня позначаються. Наприклад, елемент неон (показаний на малюнку вище), який має дві повністю заповнені оболонки, може бути спектрально описаний просто як 2p 6 а не як 1s 22 s 22 p 6 . Літій з його повністю заповненою K-оболонкою та єдиним електроном на L-оболонці, може бути описаний просто як 2s 1 , а не 1s 22 s 1 .

Перепустка повністю заповнених оболонок нижнього рівня виконується не тільки для зручності запису. Він також ілюструє основний принцип хімії: хімічна поведінка елемента насамперед визначається його незаповненими оболонками. І водень, і літій мають на своїх зовнішніх оболонках одним електроном (as 1 і 2s 1 відповідно), тобто, обидва елементи мають схожі властивості. Обидва мають високу реакційну здатність, і вступають у реакції майже однаковими способами (зв'язування з аналогічними елементами в аналогічних умовах). Не має великого значення, що літій має повністю заповнену K-оболонку під майже вільною L-оболонкою: незаповнена L-оболонка – це та оболонка, яка визначає її хімічну поведінку.

Елементи, що мають повністю заповнені зовнішні оболонки, класифікуються як шляхетні та відрізняються майже повною відсутністю реакції з іншими елементами. Ці елементи класифікувалися як інертні, коли вважалося, що вони не вступають у реакції, але, як відомо, вони утворюють сполуки коїться з іншими елементами за певних умов.

Оскільки елементи з однаковими конфігураціями електронів у зовнішніх оболонках мають подібні хімічні властивості, Дмитро Менделєєв відповідним чином організував хімічні елементи в таблиці. Ця таблиця відома як , і сучасні таблиці наслідують цей загальний вигляд, показаному на малюнку нижче.

Періодична таблиця хімічних елементів

Дмитро Менделєєв, російський хімік, був першим, хто розробив періодичну таблицю елементів. Незважаючи на те, що Менделєєв організував свою таблицю відповідно до атомної маси, а не атомного номера, і створив таблицю, яка була, не настільки корисна, як сучасні періодичні таблиці, його розробка виступає як чудовий приклад наукового доказу. Побачивши закономірності періодичності (аналогічні хімічні властивості відповідно до атомної маси), Менделєєв висунув гіпотезу, що всі елементи повинні вписуватися в цю впорядковану схему. Коли він виявив «порожні» місця в таблиці, він наслідував логіку існуючого порядку і припустив існування ще невідомих елементів. Подальше відкриття цих елементів підтвердило наукову правильність гіпотези Менделєєва, подальші відкриття сприяли тому виду періодичної таблиці, яку ми використовуємо зараз.

Ось так повиннаПрацювати наука: гіпотези ведуть до логічних висновків і приймаються, змінюються або відхиляються в залежності від узгодженості експериментальних даних з їх висновками. Будь-який дурень може сформулювати гіпотезу постфактум, щоб пояснити наявні експериментальні дані, і багато хто так і робить. Що відрізняється наукову гіпотезу від спекуляції постфактум, так це прогноз майбутніх експериментальних даних, які поки не зібрані, і, можливо, спростування в результаті цих даних. Сміливо ведіть гіпотезу до її логічного висновку і спроба передбачити результати майбутніх експериментів це не догматичний стрибок віри, а скоріше публічна перевірка цієї гіпотези, відкритий виклик противникам гіпотези. Іншими словами, наукові гіпотези завжди "ризиковані" через спробу передбачити результати ще не проведених експериментів, і тому можуть бути спростовані, якщо експерименти пройдуть не так, як очікувалося. Таким чином, якщо гіпотеза правильно пророкує результати повторних експериментів, її хибність спростована.

Квантова механіка, спочатку як гіпотези, а потім як теорія, виявилася надзвичайно успішною в прогнозуванні результатів експериментів, отже, отримала високий рівень наукової довіри. У багатьох вчених є підстави вважати, що це неповна теорія, тому що її прогнози більш правдиві на мікрофізичних масштабах, а не в макроскопічних розмірах, але це надзвичайно корисна теорія для пояснення і прогнозування взаємодії частинок і атомів.

Як ви вже побачили в цьому розділі, квантова фізика має важливе значення при описі та прогнозуванні множини різних явищ. У наступному розділі ми побачимо її значення в електричній провідності твердих речовин, у тому числі напівпровідників. Простіше кажучи, нічого в хімії або у фізиці твердого тіла не має сенсу в популярній теоретичній структурі електронів, що існують як окремі частинки матерії, що кружляють навколо ядра атом, як мініатюрні супутники. Коли електрони розглядаються як «хвильові функції», що існують у певних, дискретних станах, які регулярні та періодичні, тоді поведінка речовини може бути пояснена.

Підведемо підсумки

Електрони в атомах існують в «хмарах» розподіленої ймовірності, а не як дискретні частинки матерії, що обертаються навколо ядра, як мініатюрні супутники, як показують найпоширеніші приклади.

Окремі електрони навколо ядра атом прагнуть унікальних «станів», що описуються чотирма квантовими числами: головне (радіальне) квантове число, відоме як оболонка; орбітальне (азимутальне) квантове число, відоме як підболочка; магнітне квантове число, що описує орбіталь(орієнтацію підболочки); і спинове квантове число, або просто спин. Ці стани квантові, тобто між ними немає умов для існування електрона, крім станів, які вписуються в схему квантової нумерації.

Глане (радіальне) квантове число (n)визначає базовий рівень або оболонку, де знаходиться електрон. Чим більше це число, тим більший радіус електронної хмари від ядра атома, і тим більша енергія електрона. Основні квантові числа є цілими числами (позитивними цілими)

Орбітальне (азимутальне) квантове число (l)описує форму електронної хмари в конкретній оболонці або рівні і часто відомо як «подоболочка». У будь-якій оболонці стільки підболочок (форм електронної хмари), яке є основним квантовим числом оболонки. Азимутальні квантові числа - цілі позитивні числа, що починаються з нуля і закінчуються числом, меншим за основне квантове число на одиницю (n - 1).

Магнітне квантове число (ml)визначає, яку орієнтацію має підболочка (фігура електронної хмари). Подоболочки можуть допускати стільки різних орієнтацій, чому дорівнює подвоєний номер подоболочки (l) плюс 1, (2l+1) (тобто, для l=1, m l = -1, 0, 1), і кожна унікальна орієнтація називається орбіталлю. Ці числа - цілі числа, що починаються від негативного значення номера підболілки (l) через 0 і закінчуються позитивним значенням номера підболілки.

Спинове квантове число (ms)описує іншу властивість електрона і може набувати значень +1/2 і -1/2.

Принцип заборони Паулікаже, що два електрони в атомі не можуть розділяти той самий набір квантових чисел. Отже, може бути не більше двох електронів на кожній орбіталі (спін=1/2 і спін=-1/2), 2l+1 орбіталей у кожній підболочці, і n підболочок у кожній оболонці, і не більше.

Спектроскопічне позначення- ця угода для позначення електронної структури атома. Оболонки показуються як цілі числа, за ними слідують букви підболочок (s, p, d, f) з числами у верхньому індексі, що позначають загальну кількість електронів, що знаходяться в кожній відповідній підболочці.

Хімічна поведінка атома визначається виключно електронами у незаповнених оболонках. Оболонки низького рівня, які повністю заповнені мало або не впливають на хімічні характеристики зв'язування елементів.

Елементи з повністю заповненими електронними оболонками майже повністю інертні, і називаються благороднимиелементами (раніше були відомі як інертні).