Kvant fizikasining mohiyati. Kvant fizikasi asoslari "qo'g'irchoqlar" uchun beshta tajribada

Fizika barcha fanlar ichida eng sirlisidir. Fizika bizga atrofimizdagi dunyo haqida tushuncha beradi. Fizika qonunlari mutlaqdir va shaxs va ijtimoiy mavqeidan qat'i nazar, istisnosiz hamma uchun amal qiladi.

Ushbu maqola 18 yoshdan oshgan shaxslar uchun mo'ljallangan.

Siz allaqachon 18 yoshdan oshganmisiz?

Kvant fizikasidagi fundamental kashfiyotlar

Isaak Nyuton, Nikola Tesla, Albert Eynshteyn va boshqalar ajoyib fizika olamida insoniyatning buyuk yo'lboshchilari bo'lib, ular xuddi payg'ambarlar singari insoniyatga koinotning eng buyuk sirlarini va jismoniy hodisalarni boshqarish qobiliyatini ochib berdilar. Ularning yorug‘ boshlari aql bovar qilmaydigan ko‘pchilikning jaholat zulmatini kesib o‘tdi va xuddi yo‘l ko‘rsatuvchi yulduzdek tun zulmatida insoniyatga yo‘l ko‘rsatdi. Fizika olamidagi ana shunday dirijyorlardan biri kvant fizikasining otasi Maks Plank edi.

Maks Plank nafaqat kvant fizikasining asoschisi, balki dunyoga mashhur kvant nazariyasi muallifi hamdir. Kvant nazariyasi kvant fizikasining eng muhim tarkibiy qismidir. Oddiy qilib aytganda, bu nazariya mikrozarrachalarning harakati, xatti-harakati va o'zaro ta'sirini tasvirlaydi. Kvant fizikasining asoschisi bizga zamonaviy fizikaning poydevoriga aylangan boshqa ko'plab ilmiy ishlarni ham keltirdi:

• issiqlik nurlanishi nazariyasi;
• maxsus nisbiylik nazariyasi;
• termodinamika sohasidagi tadqiqotlar;
• optika sohasidagi tadqiqotlar.

Mikrozarrachalarning xatti-harakati va o'zaro ta'siri haqidagi kvant fizikasi nazariyasi kondensatsiyalangan moddalar fizikasi, elementar zarralar fizikasi va yuqori energiya fizikasi uchun asos bo'ldi. Kvant nazariyasi bizga dunyomizning ko'plab hodisalarining mohiyatini tushuntiradi - elektron kompyuterlarning ishlashidan tortib, osmon jismlarining tuzilishi va xatti-harakatlarigacha. Ushbu nazariyani yaratuvchisi Maks Plank o'zining kashfiyoti tufayli elementar zarralar darajasida ko'p narsalarning asl mohiyatini tushunishga imkon berdi. Ammo bu nazariyani yaratish olimning yagona xizmatidan uzoqdir. U birinchi bo'lib olamning asosiy qonunini - energiyaning saqlanish qonunini kashf etdi. Maks Plankning fanga qo'shgan hissasini ortiqcha baholash qiyin. Xulosa qilib aytganda, uning kashfiyotlari fizika, kimyo, tarix, metodologiya va falsafa uchun bebahodir.

kvant maydon nazariyasi

Xulosa qilib aytganda, kvant maydon nazariyasi mikrozarrachalarning tavsifi, shuningdek, ularning kosmosdagi xatti-harakatlari, bir-biri bilan o'zaro ta'siri va o'zaro o'zgarishlari nazariyasidir. Bu nazariya erkinlik darajalari deb ataladigan kvant tizimlarining xatti-harakatlarini o'rganadi. Bu go'zal va romantik ism ko'pchiligimiz uchun hech narsa demaydi. Dummiyalar uchun erkinlik darajalari mexanik tizimning harakatini ko'rsatish uchun zarur bo'lgan mustaqil koordinatalar sonidir. Oddiy qilib aytganda, erkinlik darajalari harakatning o'ziga xos xususiyatidir. Elementar zarrachalarning o'zaro ta'siri sohasidagi qiziqarli kashfiyotlar Stiven Vaynberg tomonidan amalga oshirildi. U neytral oqim deb ataladigan narsani - kvarklar va leptonlar o'rtasidagi o'zaro ta'sir printsipini kashf etdi, buning uchun u 1979 yilda Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi.

Maks Plankning kvant nazariyasi

XVIII asrning 90-yillarida nemis fizigi Maks Plank termal nurlanishni o'rganishga kirishdi va oxir-oqibat energiyani taqsimlash formulasini oldi. Ushbu tadqiqotlar davomida tug'ilgan kvant gipotezasi 1900-yillarda kashf etilgan kvant fizikasi, shuningdek, kvant maydon nazariyasining boshlanishini belgilab berdi. Plankning kvant nazariyasi shundan iboratki, termal nurlanish paytida hosil bo'lgan energiya doimiy ravishda emas, balki epizodik ravishda, kvant sifatida chiqariladi va so'riladi. 1900 yil, Maks Plank tomonidan kashf etilgan ushbu kashfiyot tufayli kvant mexanikasining tug'ilgan yili bo'ldi. Plank formulasini ham eslatib o'tish joiz. Xulosa qilib aytganda, uning mohiyati quyidagicha - u tana harorati va uning nurlanishining nisbatiga asoslanadi.

Atom tuzilishining kvant-mexanik nazariyasi

Atom tuzilishining kvant mexanik nazariyasi kvant fizikasida va umuman olganda fizikada tushunchalarning asosiy nazariyalaridan biridir. Bu nazariya bizga hamma narsaning tuzilishini tushunishga imkon beradi va narsalar aslida nimadan iboratligi haqida sir pardasini ochadi. Va bu nazariyaga asoslangan xulosalar juda kutilmagan. Atomning tuzilishini qisqacha ko'rib chiqing. Xo'sh, aslida atom nimadan iborat? Atom yadro va elektron bulutidan iborat. Atomning asosi, uning yadrosi atomning deyarli butun massasini - 99 foizdan ko'prog'ini o'z ichiga oladi. Yadro har doim musbat zaryadga ega bo'lib, u atomning bir qismi bo'lgan kimyoviy elementni aniqlaydi. Atom yadrosining eng qiziq tomoni shundaki, u atomning deyarli butun massasini o'z ichiga oladi, lekin ayni paytda uning hajmining o'ndan mingdan bir qismini egallaydi. Bundan nima kelib chiqadi? Va xulosa juda kutilmagan. Bu atomdagi zich moddaning atigi o'n mingdan bir qismini tashkil etishini anglatadi. Va qolgan hamma narsa haqida nima deyish mumkin? Atomdagi qolgan hamma narsa elektron bulutdir.

Elektron bulut doimiy emas va hatto, aslida, moddiy modda emas. Elektron buluti - bu elektronlarning atomda paydo bo'lish ehtimoli. Ya'ni, yadro atomda bor-yo'g'i o'n mingdan birini egallaydi, qolgan hamma narsa bo'shlikdir. Atrofimizdagi chang zarralaridan tortib to samoviy jismlar, sayyoralar va yulduzlargacha bo‘lgan barcha jismlar atomlardan iborat ekanligini inobatga oladigan bo‘lsak, aslida hamma moddiy bo‘shliqning 99 foizdan ortig‘i bo‘shlikdan iborat ekani ma’lum bo‘ladi. Bu nazariya mutlaqo aql bovar qilmaydigan ko'rinadi va uning muallifi, hech bo'lmaganda, xayolparast odam, chunki atrofda mavjud bo'lgan narsalar mustahkam konsistensiyaga ega, vaznga ega va his etilishi mumkin. Qanday qilib u bo'shliqdan iborat bo'lishi mumkin? Materiya tuzilishi haqidagi bu nazariyada xatolik yuz berdimi? Ammo bu erda xatolik yo'q.

Barcha moddiy narsalar faqat atomlar orasidagi o'zaro ta'sir tufayli zich ko'rinadi. Narsalar faqat atomlar orasidagi tortishish yoki itarilish tufayli qattiq va zich konsistensiyaga ega bo'ladi. Bu kimyoviy moddalarning kristall panjarasining zichligi va qattiqligini ta'minlaydi, undan barcha materiallar mavjud. Ammo, qiziqarli nuqta, masalan, atrof-muhitning harorat sharoitlari o'zgarganda, atomlar orasidagi aloqalar, ya'ni ularning tortilishi va itarilishi zaiflashishi mumkin, bu esa kristall panjaraning zaiflashishiga va hatto uning yo'q qilinishiga olib keladi. Bu qizdirilganda moddalarning fizik xususiyatlarining o'zgarishini tushuntiradi. Masalan, temir qizdirilganda u suyuq holga keladi va har qanday shaklga ega bo'lishi mumkin. Muz erib ketganda, kristall panjaraning yo'q qilinishi materiya holatining o'zgarishiga olib keladi va u qattiq holatdan suyuqlikka aylanadi. Bular atomlar orasidagi bog'lanishning zaiflashishi va buning natijasida kristall panjaraning zaiflashishi yoki buzilishining yorqin misollari bo'lib, moddaning amorf bo'lishiga imkon beradi. Va bunday sirli metamorfozalarning sababi shundaki, moddalar faqat o'n mingdan bir qismi zich materiyadan iborat, qolgan hamma narsa bo'shlikdir.

Va moddalar faqat atomlar orasidagi kuchli aloqalar tufayli qattiq bo'lib tuyuladi, ularning zaiflashishi bilan modda o'zgaradi. Shunday qilib, atom tuzilishining kvant nazariyasi atrofimizdagi dunyoga butunlay boshqacha qarash imkonini beradi.

Atom nazariyasi asoschisi Nils Bor atomdagi elektronlar energiyani doimiy ravishda nurlantirmaydi, faqat ularning harakat traektoriyalari orasidagi o'tish momentida, degan qiziqarli tushunchani ilgari surdi. Bor nazariyasi ko'plab atom ichidagi jarayonlarni tushuntirishga yordam berdi, shuningdek, Mendeleev tomonidan yaratilgan jadvalning chegarasini tushuntirib, kimyo fanida yutuq yaratdi. ga ko'ra, vaqt va makonda mavjud bo'lishi mumkin bo'lgan oxirgi element bir yuz o'ttiz yetti seriya raqamiga ega va bir yuz o'ttiz sakkizinchidan boshlanadigan elementlar mavjud bo'lolmaydi, chunki ularning mavjudligi nisbiylik nazariyasiga ziddir. Shuningdek, Bor nazariyasi atom spektrlari kabi fizik hodisaning tabiatini tushuntirdi.

Bu erkin atomlarning o'zaro ta'sir spektrlari bo'lib, ular o'rtasida energiya chiqarilganda paydo bo'ladi. Bunday hodisalar gazsimon, bug'li moddalar va plazma holatidagi moddalar uchun xosdir. Shunday qilib, kvant nazariyasi fizika olamida inqilob qildi va olimlarga nafaqat ushbu fan sohasida, balki ko'plab turdosh fanlar: kimyo, termodinamika, optika va falsafada ham oldinga siljish imkonini berdi. Shuningdek, insoniyatga narsalar tabiatining sirlariga kirishga imkon berdi.

Atomlarning tabiatini anglash, ularning xatti-harakatlari va o'zaro ta'siri tamoyillarini tushunish uchun insoniyatning ongida hali ko'p narsa qilish kerak. Buni tushunganimizdan so'ng, biz atrofimizdagi dunyoning tabiatini tushuna olamiz, chunki bizni o'rab turgan hamma narsa, chang zarralaridan boshlab, quyoshning o'zigacha, va biz o'zimiz - hamma narsa atomlardan iborat, ularning tabiati sirli. va ajoyib va ​​juda ko'p sirlarga to'la.

Salom aziz o'quvchilar. Agar siz hayotdan ortda qolishni istamasangiz, chinakam baxtli va sog'lom inson bo'lishni xohlasangiz, zamonaviy kvant fizikasi sirlari haqida bilishingiz kerak, hech bo'lmaganda bugungi kunda olimlar koinotning qanday chuqurliklarini qazganliklari haqida ozgina tasavvurga ega bo'lishingiz kerak. Sizda chuqur ilmiy tafsilotlarga kirishga vaqtingiz yo'q, lekin siz faqat mohiyatini tushunishni xohlaysiz, lekin noma'lum dunyoning go'zalligini ko'rishni xohlaysiz, keyin ushbu maqola: oddiy mangalar yoki uy bekalari uchun kvant fizikasi shunchaki. Siz uchun. Men kvant fizikasi nima ekanligini tushuntirishga harakat qilaman, ammo oddiy so'zlar bilan aytganda, aniq ko'rsatish uchun.

"Baxt, salomatlik va kvant fizikasi o'rtasida qanday bog'liqlik bor?" deb so'raysiz.

Gap shundaki, u inson ongi, ongning tanaga ta'siri bilan bog'liq ko'plab tushunarsiz savollarga javob berishga yordam beradi. Afsuski, tibbiyot klassik fizikaga tayanib, har doim ham sog'lom bo'lishga yordam bermaydi. Psixologiya esa baxtni qanday topishni to'g'ri ayta olmaydi.

Faqatgina dunyoni chuqurroq bilish kasallikni qanday engish kerakligini va baxt qayerda yashashini tushunishga yordam beradi. Bu bilim koinotning chuqur qatlamlarida mavjud. Kvant fizikasi yordamga keladi. Tez orada siz hamma narsani bilib olasiz.

Kvant fizikasi oddiy so'zlar bilan nimani o'rganadi

Ha, haqiqatan ham kvant fizikasini tushunish juda qiyin, chunki u mikrodunyo qonunlarini o'rganadi. Ya'ni, dunyo o'zining chuqur qatlamlarida, juda kichik masofalarda, bu erda odamga qarash juda qiyin.

Ma’lum bo‘lishicha, dunyo u yerda o‘zini biz o‘rganib qolgandek emas, juda g‘alati, sirli va tushunarsiz tutadi.

Kvant fizikasining barcha murakkabligi va tushunmovchiligi shundan kelib chiqadi.

Ammo ushbu maqolani o'qib bo'lgach, siz o'z bilimlaringiz doirasini kengaytirasiz va dunyoga butunlay boshqacha nazar bilan qaraysiz.

Kvant fizikasi tarixi haqida qisqacha

Hammasi 20-asrning boshlarida, Nyuton fizikasi ko'p narsalarni tushuntirib bera olmagan va olimlar boshi berk ko'chaga kirgan paytda boshlandi. Keyin Maks Plank kvant tushunchasini kiritdi. Albert Eynshteyn bu fikrni oldi va yorug'lik uzluksiz emas, balki porsiyalarda - kvantlarda (fotonlarda) tarqalishini isbotladi. Bundan oldin yorug'lik to'lqinli tabiatga ega deb hisoblangan.

Ammo keyinroq ma'lum bo'lishicha, har qanday elementar zarra nafaqat kvant, ya'ni qattiq zarracha, balki to'lqin hamdir. Shunday qilib kvant fizikasida korpuskulyar-to'lqinli dualizm paydo bo'ldi, birinchi paradoks va mikrodunyoning sirli hodisalari kashfiyotining boshlanishi.

Eng qiziqarli paradokslar mashhur ikki yoriqli eksperiment o'tkazilganda boshlandi, shundan so'ng sirlar yanada ko'payib ketdi. Aytishimiz mumkinki, kvant fizikasi u bilan boshlangan. Keling, buni ko'rib chiqaylik.

Kvant fizikasida ikki yoriqli tajriba

Vertikal chiziqlar ko'rinishidagi ikkita tirqishli plastinkani tasavvur qiling. Biz bu plastinkaning orqasiga ekran qo'yamiz. Agar biz yorug'likni plastinkaga yo'naltirsak, ekranda interferentsiya naqshini ko'ramiz. Ya'ni, o'zgaruvchan qorong'u va yorqin vertikal chiziqlar. Interferentsiya biror narsaning to'lqin harakati natijasidir, bizning holatlarimizda yorug'lik.

Agar siz yonma-yon joylashgan ikkita teshikdan suv to'lqinini o'tkazsangiz, interferensiya nima ekanligini tushunasiz. Ya'ni, yorug'lik xuddi to'lqinli tabiatga ega bo'lib chiqadi. Ammo fizika, toʻgʻrirogʻi Eynshteyn isbotlaganidek, u foton zarralari orqali tarqaladi. Allaqachon paradoks. Ammo korpuskulyar-to'lqinli dualizm endi bizni ajablantirmaydi. Kvant fizikasi yorug'lik o'zini to'lqin kabi tutishini, lekin fotonlardan iborat ekanligini aytadi. Ammo mo''jizalar endi boshlanmoqda.

Keling, yorug'lik emas, balki elektronlar chiqaradigan ikkita teshikli plastinka oldiga qurol qo'yaylik. Elektronlarni otishni boshlaylik. Plastinka orqasidagi ekranda nimani ko'ramiz?

Axir, elektronlar zarralardir, ya'ni ikkita tirqishdan o'tadigan elektronlar oqimi ekranda faqat ikkita chiziq, tirqishlarga qarama-qarshi ikkita iz qoldirishi kerak. Ikki teshikdan o'tib, ekranga tegib turgan toshlarni tasavvur qildingizmi?

Lekin biz aslida nimani ko'ramiz? Hammasi bir xil interferentsiya sxemasi. Xulosa nima: elektronlar to'lqinlarda tarqaladi. Shunday qilib, elektronlar to'lqinlardir. Lekin oxir-oqibat u elementar zarradir. Yana fizikada korpuskulyar-to'lqinli dualizm.

Ammo biz taxmin qilishimiz mumkinki, chuqurroq darajada elektron zarrachadir va bu zarralar birlashganda, ular to'lqin kabi harakat qila boshlaydi. Masalan, dengiz to'lqini to'lqin, lekin u suv tomchilaridan, kichikroq darajada esa molekulalardan, keyin esa atomlardan iborat. OK, mantiq mustahkam.

Keyin elektronlar oqimi bilan emas, balki ma'lum vaqtdan keyin elektronlarni alohida-alohida qo'yib yuboraylik. Biz yoriqlardan dengiz to'lqini emas, balki bolalar suv to'pponchasidan individual tomchilarni tupurayotgandek.

Bu holda turli xil suv tomchilari turli teshiklarga tushishi mantiqan to'g'ri. Plitaning orqasidagi ekranda to'lqinning interferentsiyasini emas, balki har bir tirqishning qarshisida ikkita aniq zarba chekkasini ko'rish mumkin edi. Agar biz mayda toshlarni tashlasak, xuddi shu narsani ko'ramiz, ular ikkita yoriqdan uchib o'tib, ikkita teshikdan soya kabi iz qoldiradilar. Keling, elektron ta'sirlardan ekranda bu ikki chiziqni ko'rish uchun alohida elektronlarni o'qqa tutamiz. Ular birini qo'yib yuborishdi, kutishdi, ikkinchisini kutishdi va hokazo. Kvant fiziklari bunday tajribani amalga oshirishga muvaffaq bo'lishdi.

Lekin dahshat. Ushbu ikki chekka o'rniga bir nechta chekkalarning bir xil interferentsiya almashinuvi olinadi. Qanaqasiga? Bu, agar elektron bir vaqtning o'zida ikkita tirqishdan uchib o'tsa va plastinka orqasida, xuddi to'lqin kabi, o'zi bilan to'qnashib, aralashsa sodir bo'lishi mumkin. Ammo bu bo'lishi mumkin emas, chunki zarracha bir vaqtning o'zida ikkita joyda bo'lolmaydi. U birinchi teshikdan yoki ikkinchisi orqali uchadi.

Kvant fizikasining chinakam hayoliy narsalari shu erdan boshlanadi.

Kvant fizikasida superpozitsiya

Chuqurroq tahlil qilib, olimlar har qanday elementar kvant zarrasi yoki bir xil yorug'lik (foton) aslida bir vaqtning o'zida bir nechta joyda bo'lishi mumkinligini aniqladilar. Va bu mo''jizalar emas, balki mikrokosmosning haqiqiy faktlari. Buni kvant fizikasi aytadi. Shuning uchun to'pdan alohida zarrachani otishda biz interferensiya natijasini ko'ramiz. Plastinaning orqasida elektron o'zi bilan to'qnashadi va interferentsiya naqshini yaratadi.

Makrokosmosning oddiy ob'ektlari doimo bir joyda, bitta holatga ega. Misol uchun, siz hozir stulda o'tirasiz, masalan, 50 kg og'irlikda, yurak urish tezligi daqiqada 60 marta. Albatta, bu ko'rsatkichlar o'zgaradi, lekin ular bir muncha vaqt o'tgach o'zgaradi. Axir siz uyda va ishda bir vaqtning o'zida 50 va 100 kg og'irlikda bo'lolmaysiz. Bularning barchasi tushunarli, bu sog'lom fikr.

Mikrokosmos fizikasida hamma narsa boshqacha.

Kvant mexanikasi ta'kidlaydi va bu allaqachon tajribada tasdiqlangan, har qanday elementar zarra bir vaqtning o'zida nafaqat fazoning bir nechta nuqtasida, balki bir vaqtning o'zida bir nechta holatga ega bo'lishi mumkin, masalan, spin.

Bularning barchasi boshga to'g'ri kelmaydi, dunyo haqidagi odatiy g'oyalarni, eski fizika qonunlarini buzadi, fikrlashni o'zgartiradi, ishonch bilan aytish mumkinki, bu sizni aqldan ozdiradi.

Biz kvant mexanikasidagi “superpozitsiya” atamasini shunday tushunamiz.

Superpozitsiya mikrokosmos ob'ekti bir vaqtning o'zida kosmosning turli nuqtalarida bo'lishi va bir vaqtning o'zida bir nechta holatga ega bo'lishi mumkinligini anglatadi. Va bu elementar zarralar uchun normaldir. Bu qanchalik g'alati va fantastik ko'rinmasin, mikrodunyoning qonuni shunday.

Siz hayron bo'lasiz, lekin bu faqat gullar, kvant fizikasining eng tushunarsiz mo''jizalari, sirlari va paradokslari hali oldinda.

Oddiy so'zlar bilan aytganda, fizikada to'lqin funksiyasining qulashi

Keyin olimlar elektron haqiqatan ham ikkala tirqishdan o'tadimi yoki yo'qligini aniqlashga va aniqroq ko'rishga qaror qilishdi. To'satdan u bitta tirqishdan o'tadi va keyin qandaydir tarzda ajralib chiqadi va u o'tganda interferentsiya naqshini yaratadi. Xo'sh, siz hech qachon bilmaysiz. Ya'ni, siz tirqishning yonida elektronning o'tishini aniq qayd etadigan biron bir qurilmani qo'yishingiz kerak. Aytilgan gap otilgan o'q. Albatta, buni amalga oshirish qiyin, sizga qurilma emas, balki elektronning o'tishini ko'rish uchun boshqa narsa kerak. Ammo olimlar buni qilishdi.

Ammo yakunda natija barchani lol qoldirdi.

Elektron qaysi tirqishdan o‘tishini ko‘ra boshlasak, u o‘zini to‘lqin kabi emas, bir vaqtning o‘zida fazoning turli nuqtalarida joylashgan g‘alati modda kabi emas, balki oddiy zarracha kabi tuta boshlaydi. Ya'ni, u kvantning o'ziga xos xususiyatlarini ko'rsata boshlaydi: u faqat bir joyda joylashgan, u bitta tirqishdan o'tadi, bitta spin qiymatiga ega. Ekranda paydo bo'ladigan narsa interferentsiya namunasi emas, balki tirqishning qarshisidagi oddiy izdir.

Lekin bu qanday mumkin. Go'yo elektron hazillashib, biz bilan o'ynayapti. Avvaliga u o'zini to'lqin kabi tutadi, so'ngra biz uning yoriqdan o'tishini ko'rib chiqishga qaror qilganimizdan so'ng, u qattiq zarrachaning xususiyatlarini namoyon qiladi va faqat bitta tirqishdan o'tadi. Ammo mikrokosmosda bu shunday. Bular kvant fizikasi qonunlari.

Olimlar elementar zarralarning yana bir sirli xususiyatini ko‘rdilar. Kvant fizikasida to'lqin funksiyasining noaniqlik va qulashi tushunchalari shunday paydo bo'ldi.

Elektron bo'shliq tomon uchganda, u noaniq holatda yoki yuqorida aytganimizdek, superpozitsiyada bo'ladi. Ya'ni, u o'zini to'lqin kabi tutadi, u bir vaqtning o'zida kosmosning turli nuqtalarida bo'ladi, u ikkita aylanish qiymatiga ega (spin faqat ikkita qiymatga ega). Agar biz unga tegmasak, qarashga urinmasak, uning qayerdaligini aniq bilib olmasak, uning aylanish qiymatini o‘lchamasak, u to‘lqindek uchib ketar edi. bir vaqtning o'zida, ya'ni interferentsiya naqshini yaratadi. Kvant fizikasi uning traektoriyasi va parametrlarini to'lqin funksiyasidan foydalangan holda tasvirlaydi.

Biz o'lchovni amalga oshirganimizdan so'ng (va mikrodunyoning zarrasini faqat u bilan o'zaro ta'sir qilish orqali, masalan, boshqa zarrachani u bilan to'qnashtirish orqali o'lchash mumkin), keyin to'lqin funktsiyasi buziladi.

Ya'ni, endi elektron fazoda aynan bir joyda, bitta spin qiymatiga ega.

Aytish mumkinki, elementar zarracha sharpaga o'xshaydi, u mavjud bo'lib tuyuladi, lekin ayni paytda u bir joyda emas va ma'lum bir ehtimollik bilan to'lqin funksiyasi tavsifining istalgan joyida bo'lishi mumkin. Ammo biz u bilan bog'lana boshlaganimizdan so'ng, u sharpali ob'ektdan bizga tanish bo'lgan klassik dunyoning oddiy ob'ektlari kabi o'zini tutadigan haqiqiy moddiy moddaga aylanadi.

"Bu ajoyib", deysiz. Albatta, lekin kvant fizikasining ajoyibotlari endigina boshlanmoqda. Eng ajoyibi hali oldinda. Ammo keling, ma'lumotlarning ko'pligidan tanaffus qilaylik va kvant sarguzashtlariga boshqa safar, boshqa maqolada qaytaylik. Shu bilan birga, bugun o'rgangan narsalaringiz haqida o'ylang. Bunday mo''jizalar nimaga olib kelishi mumkin? Axir, ular bizni o'rab olishadi, bu bizning dunyomizning mulki, garchi chuqurroq darajada bo'lsa ham. Biz hali ham zerikarli dunyoda yashayapmiz deb o'ylaymizmi? Ammo keyinroq xulosa chiqaramiz.

Men kvant fizikasi asoslari haqida qisqacha va aniq gapirishga harakat qildim.

Ammo agar biror narsani tushunmasangiz, kvant fizikasi, ikkita tirqish bilan tajriba haqida ushbu multfilmni tomosha qiling, u erda hamma narsa tushunarli, sodda tilda aytilgan.

Kvant fizikasi haqida multfilm:

Yoki bu videoni ko'rishingiz mumkin, hammasi joyiga tushadi, kvant fizikasi juda qiziq.

Kvant fizikasi haqida video:

Qanday qilib oldin bu haqda bilmas edingiz?

Kvant fizikasidagi zamonaviy kashfiyotlar bizning tanish moddiy dunyomizni o'zgartirmoqda.

Blogga xush kelibsiz! Men sizdan juda xursandman!

Albatta, siz ko'p marta eshitgansiz kvant fizikasi va kvant mexanikasining tushunarsiz sirlari haqida. Uning qonunlari tasavvufni hayratda qoldiradi va hatto fiziklarning o'zlari ham ularni to'liq tushunmasliklarini tan olishadi. Bir tomondan, bu qonunlarni tushunish qiziq bo'lsa, ikkinchi tomondan, fizika bo'yicha ko'p jildli va murakkab kitoblarni o'qishga vaqt yo'q. Men sizni juda yaxshi tushunaman, chunki men ham bilimni va haqiqatni izlashni yaxshi ko'raman, lekin hamma kitoblar uchun vaqt etarli emas. Siz yolg'iz emassiz, ko'plab qiziquvchan odamlar qidiruv qatoriga yozadilar: "qo'g'irchoqlar uchun kvant fizikasi, qo'g'irchoqlar uchun kvant mexanikasi, yangi boshlanuvchilar uchun kvant fizikasi, yangi boshlanuvchilar uchun kvant mexanikasi, kvant fizikasi asoslari, kvant mexanikasi asoslari, bolalar uchun kvant fizikasi, kvant mexanikasi nima". Bu post siz uchun.

Kvant fizikasining asosiy tushunchalari va paradokslarini tushunasiz. Maqolada siz quyidagilarni bilib olasiz:

• Interferentsiya nima?
• Spin va superpozitsiya nima?
• "O'lchov" yoki "to'lqin funksiyasining qulashi" nima?
• Kvant chalkashliklari (yoki dummilar uchun kvant teleportatsiyasi) nima? (maqolaga qarang)
• Shredinger mushukining fikrlash tajribasi nima? (maqolaga qarang)

Kvant fizikasi va kvant mexanikasi nima?

Kvant mexanikasi kvant fizikasining bir qismidir.

Nega bu fanlarni tushunish juda qiyin? Javob oddiy: kvant fizikasi va kvant mexanikasi (kvant fizikasining bir qismi) mikrodunyo qonunlarini o‘rganadi. Va bu qonunlar bizning makrokosmos qonunlaridan mutlaqo farq qiladi. Shuning uchun mikrokosmosdagi elektronlar va fotonlar bilan nima sodir bo'lishini tasavvur qilish biz uchun qiyin.

Ibratli va mikro dunyo qonunlari o'rtasidagi farqga misol: bizning makrokosmosda, agar siz 2 qutidan biriga to'p qo'ysangiz, ulardan biri bo'sh, ikkinchisi esa to'p bo'ladi. Ammo mikrokosmosda (agar to'p o'rniga - atom bo'lsa) atom bir vaqtning o'zida ikkita qutida bo'lishi mumkin. Bu tajribada bir necha bor tasdiqlangan. Uni boshingizga solib qo'yish qiyin emasmi? Lekin faktlar bilan bahslasha olmaysiz.

Yana bir misol. Siz tez yugurayotgan qizil sport avtomobilini suratga oldingiz va fotosuratda siz loyqa gorizontal chiziqni ko'rdingiz, go'yo fotosurat paytida mashina kosmosning bir necha nuqtasidan kelgan. Suratda ko'rgan narsangizga qaramay, siz hali ham mashina suratga tushgan paytda bo'lganiga ishonchingiz komil. kosmosning ma'lum bir joyida. Mikro dunyoda bunday emas. Atom yadrosi atrofida aylanadigan elektron aslida aylanmaydi, lekin sferaning barcha nuqtalarida bir vaqtning o'zida joylashgan atom yadrosi atrofida. Yumshoq junning yumshoq o'ralgan to'pi kabi. Fizikada bu tushuncha deyiladi "elektron bulut" .

Tarixga kichik bir cheklov. 1900 yilda nemis fizigi Maks Plank metallar qizdirilganda nima uchun rangini o'zgartirishini aniqlashga urinib ko'rganida, olimlar birinchi marta kvant olami haqida o'ylashdi. Aynan u kvant tushunchasini kiritgan. Bundan oldin olimlar yorug'lik uzluksiz harakat qiladi deb o'ylashgan. Plankning kashfiyotini jiddiy qabul qilgan birinchi odam o'sha paytda noma'lum Albert Eynshteyn edi. U yorug'lik faqat to'lqin emasligini tushundi. Ba'zan u zarracha kabi harakat qiladi. Eynshteyn yorug'likning qismlarga, kvantlarga bo'linishini kashf etgani uchun Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi. Yorug'lik kvantiga foton deyiladi ( foton, Vikipediya) .

Kvant qonunlarini tushunishni osonlashtirish uchun fizika Va mexanika (Vikipediya), bizga tanish bo'lgan klassik fizika qonunlaridan ma'lum ma'noda mavhumlik qilish kerak. Tasavvur qiling-a, siz Elis singari quyon teshigidan mo''jizalar olamiga sho'ng'dingiz.

Va bu erda bolalar va kattalar uchun multfilm. 2 tirqish va kuzatuvchi bilan kvant mexanikasining fundamental tajribasi haqida gapiradi. Faqat 5 daqiqa davom etadi. Kvant fizikasining asosiy savollari va tushunchalarini o'rganishdan oldin uni tomosha qiling.

Dummies video uchun kvant fizikasi. Multfilmda kuzatuvchining "ko'ziga" e'tibor bering. Bu fiziklar uchun jiddiy sirga aylandi.

Interferentsiya nima?

Multfilmning boshida suyuqlik misolidan foydalanib, to'lqinlar o'zini qanday tutishi ko'rsatildi - ekranda tirqishli plastinka orqasida o'zgaruvchan quyuq va och vertikal chiziqlar paydo bo'ladi. Diskret zarrachalar (masalan, toshlar) plastinkaga "otilgan" bo'lsa, ular 2 teshikdan uchib o'tadi va ekranga to'g'ridan-to'g'ri tirqishlarga uriladi. Va ekranda faqat 2 ta vertikal chiziqni "chizing".

Nur shovqini- bu yorug'likning "to'lqinli" harakati, ekranda juda ko'p o'zgaruvchan yorqin va quyuq vertikal chiziqlar ko'rsatilganda. Va bu vertikal chiziqlar interferentsiya sxemasi deb ataladi.

Bizning makrokosmosimizda yorug'lik o'zini to'lqin kabi tutishini tez-tez kuzatamiz. Agar siz qo'lingizni sham oldiga qo'ysangiz, devorda qo'ldan aniq soya bo'lmaydi, lekin loyqa konturlar bilan.

Demak, bu unchalik qiyin emas! Endi bizga yorug'lik to'lqinli tabiatga ega ekanligi aniq bo'ldi va agar 2 ta tirqish yorug'lik bilan yoritilgan bo'lsa, ularning orqasidagi ekranda biz interferentsiya naqshini ko'ramiz. Endi ikkinchi tajribani ko'rib chiqing. Bu mashhur Stern-Gerlach tajribasi (o'tgan asrning 20-yillarida amalga oshirilgan).

Multfilmda tasvirlangan o'rnatishda ular yorug'lik bilan porlamadilar, balki elektronlar bilan (alohida zarralar sifatida) "otishdi". Keyin, o'tgan asrning boshlarida, butun dunyo bo'ylab fiziklar elektronlar materiyaning elementar zarralari bo'lib, to'lqinli tabiatga ega bo'lmasligi kerak, lekin toshlar bilan bir xil bo'lishi kerak, deb hisoblashgan. Axir, elektronlar materiyaning elementar zarralari, to'g'rimi? Ya'ni, agar ular toshlar kabi 2 ta uyaga "tashlangan" bo'lsa, u holda tirqishlar orqasidagi ekranda biz 2 ta vertikal chiziqni ko'rishimiz kerak.

Lekin... Natija ajoyib bo'ldi. Olimlar interferentsiya naqshini ko'rdilar - juda ko'p vertikal chiziqlar. Ya'ni, elektronlar ham yorug'lik kabi to'lqinli tabiatga ega bo'lishi mumkin, ular aralashishi mumkin. Boshqa tomondan, yorug'lik nafaqat to'lqin, balki zarracha - foton ham ekanligi ayon bo'ldi (maqola boshidagi tarixiy ma'lumotlardan biz Eynshteyn ushbu kashfiyot uchun Nobel mukofotini olganini bilib oldik).

Esingizda bo'lsa, maktabda bizga fizikadan aytilgan edi "zarracha-to'lqinli dualizm"? Demak, gap mikrodunyoning juda kichik zarralari (atomlar, elektronlar) haqida ketsa, u holda ular ham to'lqinlar, ham zarralardir

Bugun siz va men juda aqllimiz va yuqorida tavsiflangan ikkita tajriba - elektronlarni yoqish va yorug'lik bilan yoritgichlarni yoritish - bir xil ekanligini tushunamiz. Chunki biz kvant zarralarini tirqishlarga otmoqdamiz. Endi biz bilamizki, yorug'lik ham, elektron ham kvant tabiatiga ega, ular bir vaqtning o'zida ikkala to'lqin va zarrachadir. Va 20-asrning boshlarida bu tajriba natijalari shov-shuv bo'ldi.

Diqqat! Endi nozikroq masalaga o‘tamiz.

Biz yoriqlarimizda fotonlar (elektronlar) oqimi bilan porlaymiz - va biz ekrandagi yoriqlar orqasida interferentsiya naqshini (vertikal chiziqlar) ko'ramiz. Tushunarli. Ammo biz elektronlarning har biri tirqish orqali qanday uchishini ko'rishga qiziqamiz.

Taxminlarga ko'ra, bitta elektron chap tirqishga, ikkinchisi o'ngga uchadi. Ammo keyin ekranda to'g'ridan-to'g'ri uyalar qarshisida ikkita vertikal chiziq paydo bo'lishi kerak. Nima uchun interferentsiya namunasi olinadi? Ehtimol, elektronlar qandaydir tarzda ekranda bir-birlari bilan o'zaro ta'sir qilishlari mumkin. Va natijada shunday to'lqin namunasi. Bunga qanday amal qilishimiz mumkin?

Biz elektronlarni nurga emas, balki birma-bir tashlaymiz. Uni tashlang, kuting, keyingisini tashlang. Endi, elektron yolg'iz uchib ketganda, u ekranda boshqa elektronlar bilan o'zaro ta'sir qila olmaydi. Otishdan keyin har bir elektronni ekranda ro'yxatdan o'tkazamiz. Bir yoki ikkitasi, albatta, biz uchun aniq rasmni "bo'yamaydi". Ammo biz ularning ko'pini birma-bir uyalarga yuborganimizda, biz sezamiz ... oh dahshat - ular yana interferentsiya to'lqini naqshini "chizdilar"!

Biz asta-sekin aqldan ozishni boshlaymiz. Axir, biz uyalar qarshisida 2 ta vertikal chiziq bo'lishini kutgan edik! Ma’lum bo‘lishicha, biz fotonlarni birma-bir uloqtirganimizda, ularning har biri go‘yo bir vaqtning o‘zida 2 ta tirqishdan o‘tib, o‘ziga xalaqit bergan. Badiiy adabiyot! Ushbu hodisani tushuntirishga keyingi bo'limda qaytamiz.

Spin va superpozitsiya nima?

Endi biz aralashuv nima ekanligini bilamiz. Bu mikro zarralar - fotonlar, elektronlar, boshqa mikro zarralarning to'lqin harakati (soddalik uchun ularni endi fotonlar deb ataymiz).

Tajriba natijasida 1 ta fotonni 2 tirqishga tashlaganimizda, u bir vaqtning o'zida ikkita tirqishdan uchib o'tishini tushundik. Ekrandagi interferentsiya naqshini yana qanday tushuntirish mumkin?

Ammo foton bir vaqtning o'zida ikkita tirqishdan uchib o'tadigan rasmni qanday tasavvur qilish mumkin? 2 ta variant mavjud.

• 1-variant: foton, xuddi to'lqin kabi (suv kabi) bir vaqtning o'zida 2 tirqishdan "suzadi"
• 2-variant: foton, zarracha kabi, bir vaqtning o'zida 2 traektoriya bo'ylab uchadi (hatto ikkita emas, balki bir vaqtning o'zida)

Aslida, bu bayonotlar ekvivalentdir. Biz "yo'l integrali" ga yetib keldik. Bu Richard Feynmanning kvant mexanikasi formulasi.

Aytgancha, aniq Richard Feynman degan mashhur iboraga mansub kvant mexanikasini hech kim tushunmaydi, deb ishonch bilan aytishimiz mumkin

Ammo uning bu ifodasi asr boshlarida ishlagan. Ammo endi biz aqllimiz va bilamizki, foton ham zarracha, ham to'lqin sifatida o'zini tuta oladi. U bir vaqtning o'zida ikkita uyasi orqali biz uchun tushunarsiz tarzda ucha oladi. Shunday qilib, kvant mexanikasining quyidagi muhim bayonotini tushunish biz uchun oson bo'ladi:

To'g'ri aytganda, kvant mexanikasi bizga bu foton harakati istisno emas, balki qoida ekanligini aytadi. Har qanday kvant zarrasi, qoida tariqasida, bir vaqtning o'zida bir nechta holatda yoki kosmosning bir nechta nuqtasida bo'ladi.

Makrodunyo ob'ektlari faqat ma'lum bir joyda va ma'lum bir holatda bo'lishi mumkin. Ammo kvant zarrasi o'z qonunlariga ko'ra mavjud. Va u bizning ularni tushunmasligimizga ahamiyat bermaydi. Gap shundaki.

Kvant ob'ektining "superpozitsiyasi" bir vaqtning o'zida 2 yoki undan ortiq traektoriyada, bir vaqtning o'zida 2 yoki undan ortiq nuqtada bo'lishi mumkinligini aksioma sifatida qabul qilish biz uchun qoladi.

Xuddi shu narsa boshqa foton parametriga ham tegishli - spin (o'zining burchak momentumi). Spin vektor hisoblanadi. Kvant ob'ektini mikroskopik magnit deb hisoblash mumkin. Biz magnit vektorining (spin) yuqoriga yoki pastga yo'naltirilishiga o'rganib qolganmiz. Ammo elektron yoki foton bizga yana shunday deydi: “Bolalar, siz nimaga o'rganganingiz bizga ahamiyat bermaydi, biz bir vaqtning o'zida ikkala spin holatida ham bo'lishimiz mumkin (vektor yuqoriga, vektor pastga), xuddi biz ikkita traektoriyada bo'lishimiz mumkin. bir vaqtning o'zida yoki bir vaqtning o'zida 2 nuqtada!

"O'lchov" yoki "to'lqin funksiyasining qulashi" nima?

Bu biz uchun bir oz qoladi - "o'lchov" nima ekanligini va "to'lqin funktsiyasining qulashi" nima ekanligini tushunish.

to'lqin funktsiyasi kvant ob'ektining (bizning foton yoki elektron) holatining tavsifi.

Aytaylik, bizda elektron bor, u o'ziga uchadi noaniq holatda uning aylanishi bir vaqtning o'zida ham yuqoriga, ham pastga yo'naltiriladi. Biz uning holatini o'lchashimiz kerak.

Keling, magnit maydon yordamida o'lchaymiz: spini maydon yo'nalishi bo'yicha yo'naltirilgan elektronlar bir yo'nalishda, spini maydonga qarshi qaratilgan elektronlar esa boshqa yo'nalishda og'adi. Fotonlar polarizatsiya filtriga ham yuborilishi mumkin. Agar fotonning spini (polyarizatsiyasi) +1 bo'lsa, u filtrdan o'tadi va -1 bo'lsa, u o'tmaydi.

STOP! Bu erda muqarrar ravishda savol tug'iladi: O'lchovdan oldin, elektronning aniq aylanish yo'nalishi yo'q edi, shunday emasmi? U bir vaqtning o'zida barcha shtatlarda bo'lganmi?

Bu kvant mexanikasining hiylasi va hissiyotidir.. Kvant ob'ektining holatini o'lchamasangiz, u har qanday yo'nalishda aylanishi mumkin (o'z burchak momentum vektorining istalgan yo'nalishi - spinga ega). Ammo siz uning holatini o'lchaganingizda, u qaysi aylanish vektorini olishni hal qilayotganga o'xshaydi.

Bu kvant ob'ekti juda ajoyib - u o'z holati haqida qaror qabul qiladi. Va biz uni o'lchaydigan magnit maydonga uchib ketganda qanday qaror qabul qilishini oldindan taxmin qila olmaymiz. Uning "yuqoriga" yoki "pastga" aylanish vektoriga ega bo'lishga qaror qilish ehtimoli 50 dan 50% gacha. Ammo u qaror qilishi bilanoq, u ma'lum bir aylanish yo'nalishi bilan ma'lum bir holatda bo'ladi. Uning qaroriga sabab bizning "o'lchovimiz"!

Bu deyiladi " to'lqin funktsiyasi qulashi". O'lchovdan oldin to'lqin funktsiyasi noaniq edi, ya'ni. elektron spin vektori bir vaqtning o'zida barcha yo'nalishlarda bo'lgan, o'lchovdan so'ng elektron spin vektorining ma'lum bir yo'nalishini aniqladi.

Diqqat! Tushunish uchun bizning makrokosmosdan ajoyib misol-assotsiatsiya:

Stol ustidagi tangani tepa kabi aylantiring. Tanga aylanayotganda uning o'ziga xos ma'nosi yo'q - boshlar yoki dumlar. Ammo siz ushbu qiymatni "o'lchash" va tangani qo'lingiz bilan urishga qaror qilganingizdan so'ng, bu erda siz tanganing o'ziga xos holatini olasiz - boshlar yoki dumlar. Endi tasavvur qiling-a, bu tanga sizga qanday qiymatni "ko'rsatish" ni hal qiladi - boshlar yoki dumlar. Elektron taxminan xuddi shunday harakat qiladi.

Endi multfilm oxirida ko'rsatilgan tajribani eslang. Fotonlar tirqishlardan o'tkazilganda, ular o'zlarini to'lqin kabi tutdilar va ekranda interferentsiya naqshini ko'rsatdilar. Olimlar fotonlar tirqishdan oʻtib, ekran orqasiga “kuzatuvchi” qoʻygan paytni aniqlamoqchi boʻlganlarida (oʻlchash) fotonlar oʻzini toʻlqinlar kabi emas, balki zarrachalar kabi tuta boshladi. Va ekranda 2 ta vertikal chiziq "chizilgan". Bular. o'lchash yoki kuzatish paytida kvant ob'ektlari qanday holatda bo'lishlarini o'zlari tanlaydilar.

Badiiy adabiyot! Shundaymi?

Lekin bu hammasi emas. Nihoyat biz eng qiziqarlisiga yetib keldi.

Ammo ... menimcha, ma'lumotlarning haddan tashqari yuklanishi bo'ladi, shuning uchun biz ushbu ikkita tushunchani alohida postlarda ko'rib chiqamiz:

• Nima bo'ldi ?
• Fikrlash tajribasi nima.

Va endi, ma'lumotni javonlarga qo'yishni xohlaysizmi? Kanada nazariy fizika instituti tomonidan tayyorlangan hujjatli filmni tomosha qiling. 20 daqiqadan so'ng u sizga 1900 yilda Plank kashfiyotidan boshlab kvant fizikasining barcha kashfiyotlari haqida juda qisqa va xronologik tartibda aytib beradi. Va keyin ular sizga hozirda kvant fizikasi bilimlari asosida qanday amaliy ishlanmalar amalga oshirilayotganini aytib berishadi: eng aniq atom soatlaridan kvant kompyuterining o'ta tezkor hisoblarigacha. Men ushbu filmni ko'rishni tavsiya qilaman.

Ko'rishguncha!

Barchangizga barcha rejalaringiz va loyihalaringiz uchun ilhom tilayman!

P.S.2 Izohlarda savol va fikringizni yozing. Yozing, kvant fizikasi bo'yicha yana qanday savollar sizni qiziqtiradi?

P.S.3 Blogga obuna bo'ling - maqola ostidagi obuna shakli.

Yunoncha "fusis" dan "fizika" so'zi keladi. Bu "tabiat" degan ma'noni anglatadi. Miloddan avvalgi IV asrda yashagan Arastu birinchi marta bu tushunchani kiritgan.

Fizika fani M.V.Lomonosovning taklifi bilan birinchi darslikni nemis tilidan tarjima qilganida “ruscha” bo‘ldi.

fan fizikasi

Fizika asosiy fanlardan biridir.Dunyoda turli jarayonlar, oʻzgarishlar, yaʼni hodisalar doimo sodir boʻladi.

Misol uchun, iliq joyda muz bo'lagi eriy boshlaydi. Choynakdagi suv esa olovda qaynaydi. Simdan o'tgan elektr toki uni isitadi va hatto qizdiradi. Bu jarayonlarning har biri bir hodisadir. Fizikada bular fan tomonidan o'rganiladigan mexanik, magnit, elektr, tovush, issiqlik va yorug'lik o'zgarishlaridir. Ular jismoniy hodisalar deb ham ataladi. Ularni hisobga olib, olimlar qonunlar chiqaradilar.

Fanning vazifasi ana shu qonuniyatlarni kashf etish va o‘rganishdan iborat. Tabiatni biologiya, geografiya, kimyo, astronomiya kabi fanlar o‘rganadi. Ularning barchasi jismoniy qonunlarni qo'llaydi.

Shartlar

Fizikada odatiy bo'lganlardan tashqari, ular atamalar deb ataladigan maxsus so'zlardan ham foydalanadilar. Bular "energiya" (fizikada bu materiyaning o'zaro ta'siri va harakatining turli shakllarining o'lchovi, shuningdek, biridan ikkinchisiga o'tish), "kuch" (boshqa jismlar va maydonlarning ta'sirining intensivligi o'lchovi). tanada) va boshqalar. Ulardan ba'zilari asta-sekin so'zlashuv nutqiga kirishdi.

Masalan, kundalik hayotda insonga nisbatan "energiya" so'zini ishlatib, biz uning harakatlarining oqibatlarini baholashimiz mumkin, ammo fizikada energiya ko'p jihatdan o'rganish o'lchovidir.

Fizikada barcha jismlar jismoniy deyiladi. Ular hajmi va shakli bor. Ular moddalardan iborat bo'lib, ular o'z navbatida materiya turlaridan biridir - bu koinotda mavjud bo'lgan hamma narsa.

Tajribalar

Odamlar biladigan ko'p narsa kuzatishlar natijasida olingan. Hodisalarni o'rganish uchun ular doimiy ravishda kuzatiladi.

Misol uchun, erga tushgan turli jismlarni olaylik. Massalari teng bo'lmagan jismlar, turli balandliklar va hokazolar tushganda, bu hodisaning farqlanishini aniqlash kerak. Turli tanalarni kutish va tomosha qilish juda uzoq va har doim ham muvaffaqiyatli bo'lmaydi. Shuning uchun bunday maqsadlar uchun tajribalar o'tkaziladi. Ular kuzatishlardan farq qiladi, chunki ular oldindan belgilangan reja va aniq maqsadlarga muvofiq amalga oshiriladi. Odatda, rejada ba'zi taxminlar oldindan tuziladi, ya'ni ular farazlarni ilgari suradilar. Shunday qilib, tajribalar jarayonida ular rad etiladi yoki tasdiqlanadi. Tajribalar natijalarini o'ylab, tushuntirib bo'lgach, xulosalar chiqariladi. Ilmiy bilimlar shu tarzda olinadi.

Miqdorlar va ularning birliklari

Ko'pincha, har qanday o'rganish turli xil o'lchovlarni amalga oshiradi. Tana tushganda, masalan, balandlik, massa, tezlik va vaqt o'lchanadi. Bularning barchasi, ya'ni o'lchash mumkin bo'lgan narsadir.

Qiymatni o'lchash uni birlik sifatida qabul qilingan bir xil qiymat bilan solishtirishni anglatadi (jadval uzunligi uzunlik birligi bilan taqqoslanadi - metr yoki boshqa). Har bir bunday qiymat o'z birliklariga ega.

Barcha davlatlar yagona birliklardan foydalanishga harakat qilishadi. Rossiyada, boshqa mamlakatlarda bo'lgani kabi, Xalqaro birliklar tizimi (SI) qo'llaniladi (bu "xalqaro tizim" degan ma'noni anglatadi). U quyidagi birliklarni qabul qiladi:

• uzunlik (sonli ko'rinishda chiziqlar uzunligining xarakteristikasi) - metr;
• vaqt (jarayonlar oqimi, mumkin bo'lgan o'zgarish sharti) - ikkinchi;
• massa (bu fizikada materiyaning inertial va tortishish xususiyatlarini aniqlaydigan xususiyatdir) - kilogramm.

Ko'pincha an'anaviy ko'paytmalardan ancha katta bo'lgan birliklardan foydalanish kerak. Ular yunonchadan tegishli prefikslar bilan chaqiriladi: "deka", "hekto", "kilo" va boshqalar.

Qabul qilinganlardan kichikroq bo'lgan birliklar submultiplar deb ataladi. Ularga lotin tilidan prefikslar qo'llaniladi: "deci", "santi", "milli" va boshqalar.

O'lchov asboblari

Tajribalarni o'tkazish uchun sizga uskunalar kerak bo'ladi. Ulardan eng oddiylari o'lchagich, silindr, lenta o'lchovi va boshqalar. Fanning rivojlanishi bilan yangi qurilmalar takomillashtirilmoqda, murakkablashadi va yangi qurilmalar paydo bo'ladi: voltmetrlar, termometrlar, sekundomerlar va boshqalar.

Asosan, qurilmalar o'lchovga ega, ya'ni qiymatlar yozilgan chiziqli bo'limlar. O'lchashdan oldin bo'linish narxini aniqlang:

• qiymatlar bilan o'lchovning ikkita zarbasini oling;
• kattasidan kichiki ayiriladi va natijada olingan son o'rtasidagi bo'linmalar soniga bo'linadi.

Masalan, "yigirma" va "o'ttiz" qiymatlari bo'lgan ikkita zarba, ularning orasidagi masofa o'nta bo'shliqqa bo'linadi. Bunday holda, bo'linish qiymati birga teng bo'ladi.

To'g'ri o'lchovlar va xato bilan

O'lchovlar ko'proq yoki kamroq aniq. Ruxsat etilgan noaniqlik xato chegarasi deb ataladi. O'lchashda u o'lchov vositasining bo'linish qiymatidan katta bo'lishi mumkin emas.

Aniqlik o'lchov oralig'iga va asbobdan to'g'ri foydalanishga bog'liq. Ammo oxir-oqibat, har qanday o'lchovda faqat taxminiy qiymatlar olinadi.

Nazariy va eksperimental fizika

Bular fanning asosiy sohalaridir. Ular bir-biridan juda uzoqda bo'lib tuyulishi mumkin, ayniqsa ko'pchilik nazariyotchilar yoki eksperimentchilar bo'lganligi sababli. Biroq, ular doimo yonma-yon rivojlanmoqda. Har qanday muammo ham nazariyotchilar, ham eksperimentchilar tomonidan ko'rib chiqiladi. Birinchisining ishi ma'lumotlarni tavsiflash va gipotezalarni ishlab chiqish, ikkinchisi esa nazariyalarni amaliyotda sinab ko'rish, tajribalar o'tkazish va yangi ma'lumotlarni olishdir. Ba'zida yutuqlar nazariyalar ta'riflanmasdan, faqat tajribalar natijasida yuzaga keladi. Boshqa hollarda, aksincha, keyinroq tekshiriladigan natijalarni olish mumkin.

Kvant fizikasi

Bu yoʻnalish 1900-yil oxirida, uni kashf etgan nemis fizigi Maks Plank sharafiga Plank doimiysi deb atalgan yangi fizik fundamental konstanta kashf etilgandan soʻng paydo boʻlgan. U qizdirilgan jismlar chiqaradigan yorug'likning spektral taqsimoti muammosini hal qildi, klassik umumiy fizika esa buni qila olmadi. Plank klassik fizikaga mos kelmaydigan osilatorning kvant energiyasi haqida faraz qildi. Buning yordamida ko'plab fiziklar eski tushunchalarni qayta ko'rib chiqishni, ularni o'zgartirishni boshladilar, buning natijasida kvant fizikasi paydo bo'ldi. Bu dunyoga mutlaqo yangi qarash.

va ong

Inson ongining hodisasi nuqtai nazardan mutlaqo yangi emas. Uning poydevori Jung va Pauli tomonidan qo'yilgan. Ammo endigina, fanning ushbu yangi yo‘nalishi shakllanishi bilan bu hodisa keng miqyosda ko‘rib chiqilib, o‘rganila boshlandi.

Kvant dunyosi ko'p qirrali va ko'p o'lchovli bo'lib, uning ko'plab klassik yuzlari va proyeksiyalari mavjud.

Taklif etilayotgan kontseptsiya doirasidagi ikkita asosiy xususiyat - bu super intuitivlik (ya'ni, hech qanday joydan ma'lumot olish) va sub'ektiv haqiqatni nazorat qilish. Oddiy ongda odam dunyoning faqat bitta rasmini ko'rishi mumkin va bir vaqtning o'zida ikkitasini ko'rib chiqishga qodir emas. Holbuki, aslida ularning soni juda ko'p. Bularning barchasi birgalikda kvant dunyosi va yorug'likdir.

Aynan kvant fizikasi inson uchun yangi voqelikni ko'rishga o'rgatadi (garchi ko'plab Sharq dinlari, shuningdek, sehrgarlar bunday uslubga uzoq vaqtdan beri ega bo'lgan). Faqat inson ongini o'zgartirish kerak. Endi inson butun dunyodan ajralmas, lekin barcha tirik mavjudotlar va narsalarning manfaatlari hisobga olinadi.

Aynan o'sha paytda, u barcha alternativalarni ko'ra oladigan holatga tushib, idrok etadi, bu mutlaq haqiqatdir.

Kvant fizikasi nuqtai nazaridan hayot printsipi insonning boshqa narsalar qatori yaxshiroq dunyo tartibiga hissa qo'shishidir.

Menimcha, kvant mexanikasini hech kim tushunmaydi, deb aytish mumkin.

Fizik Richard Feynman

Yarimo'tkazgichli qurilmalarning ixtirosi inqilob bo'ldi, desak mubolag'a bo'lmaydi. Bu nafaqat ta'sirchan texnologik yutuq, balki zamonaviy jamiyatni abadiy o'zgartiradigan voqealarga ham yo'l ochdi. Yarimo'tkazgichli qurilmalar barcha turdagi mikroelektronik qurilmalarda, jumladan kompyuterlarda, tibbiy diagnostika va davolash uskunalarining ayrim turlarida va mashhur telekommunikatsiya qurilmalarida qo'llaniladi.

Ammo bu texnologik inqilob ortida umumiy fandagi inqilob: soha kvant nazariyasi. Tabiiy dunyoni tushunishda bunday sakrashsiz yarimo'tkazgichli qurilmalar (va ishlab chiqilayotgan yanada ilg'or elektron qurilmalar) hech qachon muvaffaqiyatga erisha olmas edi. Kvant fizikasi juda murakkab fan sohasidir. Ushbu bobda faqat qisqacha ma'lumot berilgan. Feynman kabi olimlar "hech kim [buni] tushunmaydi" deyishsa, bu haqiqatan ham qiyin mavzu ekanligiga amin bo'lishingiz mumkin. Kvant fizikasining asosiy tushunchasisiz yoki hech bo'lmaganda ularning rivojlanishiga olib kelgan ilmiy kashfiyotlar haqida tushunchasiz, yarimo'tkazgichli elektron qurilmalar qanday va nima uchun ishlashini tushunish mumkin emas. Aksariyat elektronika darsliklari yarimo'tkazgichlarni "klassik fizika" nuqtai nazaridan tushuntirishga harakat qiladi va bu ularni tushunishni yanada chalkashtirib yuboradi.

Ko'pchiligimiz quyidagi rasmga o'xshash atom modeli diagrammalarini ko'rganmiz.

Ruterford atomi: manfiy elektronlar kichik musbat yadro atrofida aylanadi

Moddaning mayda zarralari deyiladi protonlar Va neytronlar, atom markazini tashkil qiladi; elektronlar yulduz atrofida sayyoralar kabi aylanadi. Yadro protonlar mavjudligi sababli musbat elektr zaryadiga ega (neytronlarda elektr zaryadi yo'q), atomning muvozanatlashtiruvchi manfiy zaryadi esa orbitadagi elektronlarda joylashgan. Manfiy elektronlar musbat protonlarga tortiladi, xuddi sayyoralar Quyoshga tortiladi, lekin elektronlar harakati tufayli orbitalar barqarordir. Biz atomning ushbu mashhur modeli Ernest Ruterfordning ishi tufayli qarzdormiz, u taxminan 1911 yilda atomlarning musbat zaryadlari kichik, zich yadroda to'planganligini va tadqiqotchi JJ Tomson ilgari taxmin qilganidek, diametr bo'ylab bir tekis taqsimlanmaganligini eksperimental ravishda aniqlagan. .

Ruterfordning sochilish tajribasi quyidagi rasmda ko'rsatilganidek, yupqa oltin plyonkani musbat zaryadlangan alfa zarralari bilan bombardimon qilishdan iborat. Yosh aspirantlar X.Gayger va E.Marsdenlar kutilmagan natijalarga erishdilar. Ba'zi alfa zarralarining traektoriyasi katta burchakka og'ishdi. Ba'zi alfa zarralari orqaga, deyarli 180 ° burchak ostida tarqaldi. Aksariyat zarrachalar folga umuman yo‘qdek, traektoriyasini o‘zgartirmasdan oltin folga orqali o‘tdi. Bir nechta alfa zarralari o'z traektoriyasida katta og'ishlarni boshdan kechirganligi kichik musbat zaryadli yadrolarning mavjudligini ko'rsatadi.

Ruterfordning tarqalishi: alfa zarralari nuri yupqa oltin folga bilan sochilgan

Rezerfordning atom modeli eksperimental ma'lumotlar bilan Tomsonnikidan yaxshiroq tasdiqlangan bo'lsa-da, u hali ham nomukammal edi. Atomning tuzilishini aniqlash uchun keyingi urinishlar qilindi va bu harakatlar kvant fizikasining g'alati kashfiyotlariga yo'l ochishga yordam berdi. Bugungi kunda bizning atom haqidagi tushunchamiz biroz murakkabroq. Kvant fizikasining inqilobiga va uning atom tuzilishi haqidagi tushunchamizga qo'shgan hissasiga qaramay, Rezerfordning quyosh tizimini atomning tuzilishi sifatida tasvirlashi xalq ongiga shunchalik chuqur kirib bordiki, u ta'lim sohalarida saqlanib qolgan. u noto'g'ri joylashtirilgan.

Mashhur elektronika darsligidan olingan atomdagi elektronlarning qisqacha tavsifini ko'rib chiqing:

Aylanayotgan manfiy elektronlar musbat yadroga tortiladi, bu bizni nima uchun elektronlar atom yadrosiga uchmaydi degan savolga olib keladi. Javob shundaki, aylanadigan elektronlar ikkita teng, lekin qarama-qarshi kuchlar tufayli o'zlarining barqaror orbitalarida qoladilar. Elektronlarga ta'sir qiluvchi markazdan qochma kuchi tashqariga yo'naltiriladi va zaryadlarning jozibador kuchi elektronlarni yadro tomon tortishga harakat qiladi.

Rezerford modeliga ko'ra, muallif elektronlarni aylana orbitalarini egallagan materiyaning qattiq bo'laklari deb hisoblaydi, ularning qarama-qarshi zaryadlangan yadroga ichki tortilishi ularning harakati bilan muvozanatlanadi. "Markazdan qochma kuch" atamasidan foydalanish texnik jihatdan noto'g'ri (hatto orbitadagi sayyoralar uchun ham), lekin bu modelning mashhurligi tufayli osonlikcha kechiriladi: aslida kuch degan narsa yo'q, jirkanchhar qanday o'z orbitasining markazidan aylanadigan jism. Bu shunday ko'rinadi, chunki tananing inertsiyasi uning to'g'ri chiziq bo'ylab harakatlanishini ta'minlaydi va orbita to'g'ri chiziqli harakatdan doimiy og'ish (tezlanish) bo'lganligi sababli, tanani markazga tortadigan har qanday kuchga doimiy inersiya reaktsiyasi mavjud. orbitaning (markazga yo'naltirilgan), tortishish kuchi, elektrostatik tortishish yoki hatto mexanik bog'lanishning kuchlanishi.

Biroq, bu tushuntirishning haqiqiy muammosi, birinchi navbatda, elektronlarning aylana orbitalarida harakatlanishi g'oyasi. Tezlashtirilgan elektr zaryadlari elektromagnit nurlanishni chiqarishi isbotlangan haqiqat, bu haqiqat Ruterford davrida ham ma'lum edi. Aylanish harakati tezlanishning bir ko'rinishi bo'lganligi sababli (doimiy tezlanishda aylanuvchi jism, ob'ektni odatdagi to'g'ri chiziqli harakatidan uzoqlashtiradi), aylanadigan holatdagi elektronlar aylanayotgan g'ildirakdan loy kabi nurlanishni chiqarishi kerak. Zarrachalar tezlatgichlarida dumaloq yo'llar bo'ylab tezlashtirilgan elektronlar sinxrotronlar buni qilish ma'lum va natija chaqiriladi sinxrotron nurlanishi. Agar elektronlar shu tarzda energiyani yo'qotsa, ularning orbitalari oxir-oqibat buziladi va natijada ular musbat zaryadlangan yadro bilan to'qnashadi. Biroq, atomlar ichida bu odatda sodir bo'lmaydi. Haqiqatan ham, elektron "orbitalar" turli xil sharoitlarda hayratlanarli darajada barqarordir.

Bundan tashqari, "hayajonlangan" atomlar bilan o'tkazilgan tajribalar shuni ko'rsatdiki, elektromagnit energiya atom tomonidan faqat ma'lum chastotalarda chiqariladi. Atomlar yorug'lik kabi tashqi ta'sirlardan "hayajonlanadi", ma'lumki, energiyani yutish va ma'lum chastotalarda elektromagnit to'lqinlarni qaytarish, xuddi u urilmaguncha ma'lum bir chastotada jiringlamaydigan vilka kabi. Qo'zg'algan atom chiqaradigan yorug'lik prizma orqali uning tarkibiy chastotalariga (ranglariga) bo'linganda, spektrdagi ranglarning alohida chiziqlari topiladi, spektral chiziq naqshlari kimyoviy elementga xosdir. Bu hodisa odatda kimyoviy elementlarni aniqlash va hatto birikma yoki kimyoviy aralashmadagi har bir elementning nisbatlarini o'lchash uchun ishlatiladi. Rezerford atom modelining quyosh tizimi (elektronlarga nisbatan, ma'lum bir radiusli orbita bo'ylab erkin aylanadigan elektronlarga nisbatan) va klassik fizika qonunlariga ko'ra, hayajonlangan atomlar energiyani deyarli cheksiz chastota diapazonida qaytarishi kerak. tanlangan chastotalarda. Boshqacha qilib aytganda, agar Rezerford modeli to‘g‘ri bo‘lsa, u holda “tyuning vilka” effekti bo‘lmaydi va har qanday atom chiqaradigan rang spektri bir nechta alohida chiziqlar sifatida emas, balki uzluksiz ranglar bandi sifatida namoyon bo‘lardi.

Vodorod atomining Bor modeli (orbitalar masshtabga qarab chizilgan) elektronlar faqat diskret orbitalarda bo'ladi, deb taxmin qiladi. Balmer spektral chiziqlari qatorida n=3,4,5 yoki 6 dan n=2 gacha harakatlanuvchi elektronlar ko‘rsatilgan.

Niels Bor ismli tadqiqotchi 1912-yilda bir necha oy davomida Ruterford laboratoriyasida o‘rganganidan so‘ng, Ruterford modelini yaxshilashga harakat qildi. Boshqa fiziklarning (ayniqsa, Maks Plank va Albert Eynshteyn) natijalarini solishtirishga urinib, Bor har bir elektron ma'lum, o'ziga xos energiya miqdoriga ega va ularning orbitalari shunday taqsimlanganki, ularning har biri atrofdagi ma'lum joylarni egallashi mumkin degan fikrni ilgari surdi. yadro, xuddi to'plar kabi. , ilgari taxmin qilinganidek, erkin harakatlanuvchi sun'iy yo'ldoshlar sifatida emas, balki yadro atrofidagi aylana yo'llarida o'rnatiladi (yuqoridagi rasm). Elektromagnitizm va tezlashtiruvchi zaryadlar qonunlariga rioya qilgan holda, Bor "orbitalarni" deb atagan. statsionar holatlar ular mobil edi, degan talqindan qochish uchun.

Borning eksperimental ma'lumotlarga ko'proq mos keladigan atom tuzilishini qayta ko'rib chiqishga bo'lgan ambitsiyali urinishi fizikada muhim bosqich bo'lgan bo'lsa-da, u yakunlanmadi. Uning matematik tahlili tajribalar natijalarini oldingi modellarga qaraganda yaxshiroq bashorat qildi, ammo javobsiz savollar mavjud edi. nega elektronlar shunday g'alati tarzda harakat qilishlari kerak. Elektronlarning yadro atrofidagi statsionar kvant holatlarida mavjudligi haqidagi bayonot Ruterford modeliga qaraganda eksperimental ma'lumotlar bilan yaxshiroq bog'langan, ammo elektronlar bu maxsus holatlarga nima sabab bo'lganligi aytilmagan. Bu savolga javobni o'n yil o'tgach, boshqa fizik Lui de Broyl berishi kerak edi.

De Broyl elektronlar, xuddi fotonlar (yorug'lik zarralari) kabi zarrachalar xossalariga ham, to'lqinlar xossalariga ham ega bo'lishini taklif qildi. Bu taxminga asoslanib, u aylanuvchi elektronlarni to'lqinlar bo'yicha tahlil qilish zarrachalarga qaraganda yaxshiroq ekanligini va ularning kvant tabiati haqida ko'proq ma'lumot berishi mumkinligini aytdi. Darhaqiqat, tushunishda yana bir yutuq bo'ldi.

Ikki qo'zg'almas nuqta o'rtasida rezonans chastotada tebranuvchi ip doimiy to'lqin hosil qiladi

Atom, de Broylning fikriga ko'ra, doimiy to'lqinlardan iborat bo'lib, bu hodisa fiziklarga turli shakllarda yaxshi ma'lum. Musiqa asbobining uzilgan toriga o'xshab (yuqoridagi rasm), rezonans chastotada tebranish, uning uzunligi bo'ylab barqaror joylarda "tugun" va "anti-tugun" bilan. De Broyl atomlar atrofidagi elektronlarni aylana shaklida egilgan to'lqinlar sifatida tasavvur qildi (quyidagi rasm).

Yadro atrofidagi doimiy to'lqin kabi "aylanuvchi" elektronlar, (a) orbitada ikki tsikl, (b) orbitada uch tsikl

Elektronlar faqat yadro atrofidagi ma'lum, o'ziga xos "orbitalarda" bo'lishi mumkin, chunki ular to'lqin uchlari to'g'ri keladigan yagona masofadir. Boshqa har qanday radiusda to'lqin o'zi bilan halokatli to'qnashadi va shu tariqa mavjud bo'lishni to'xtatadi.

De Broyl gipotezasi atom ichidagi elektronlarning kvant holatlarini tushuntirish uchun ham matematik asos, ham qulay fizik analogiyani taqdim etdi, ammo uning atom modeli hali to'liq emas edi. Bir necha yillardan buyon fiziklar Verner Geyzenberg va Ervin Shredinger mustaqil ravishda ishlab, subatomik zarrachalarning yanada qat’iy matematik modellarini yaratish maqsadida de Broylning to‘lqin-zarralar dualligi kontseptsiyasi ustida ishlamoqda.

De Broylning ibtidoiy doimiy to'lqin modelidan Geyzenberg matritsasi va Shredinger differensial tenglamasi modellarigacha bo'lgan nazariy taraqqiyot kvant mexanikasi nomini oldi va u atomdan tashqari zarralar olamiga juda hayratlanarli xususiyatni kiritdi: ehtimollik belgisi, yoki noaniqlik. Yangi kvant nazariyasiga ko'ra, bir lahzada zarrachaning aniq joylashuvi va aniq impulsini aniqlash mumkin emas edi. Ushbu "noaniqlik printsipi" ning mashhur tushuntirishi shundan iboratki, o'lchash xatosi bor edi (ya'ni elektronning o'rnini aniq o'lchashga harakat qilib, siz uning momentumiga aralashasiz va shuning uchun siz pozitsiyani o'lchashni boshlashdan oldin nima ekanligini bilolmaysiz. , va aksincha). Kvant mexanikasining shov-shuvli xulosasi shundan iboratki, zarralar aniq pozitsiya va momentga ega emas va bu ikki miqdorning o'zaro bog'liqligi tufayli ularning qo'shma noaniqligi hech qachon ma'lum bir minimal qiymatdan pastga tushmaydi.

Bu “noaniqlik” aloqasi shakli kvant mexanikasidan boshqa sohalarda ham mavjud. Ushbu kitoblar seriyasining 2-jildidagi "Aralash chastotali o'zgaruvchan tok signallari" bo'limida muhokama qilinganidek, to'lqin shaklining vaqt domeni ma'lumotlariga ishonch va uning chastota domeni ma'lumotlari o'rtasida o'zaro bog'liqlik mavjud. Oddiy qilib aytganda, biz uning tarkibiy chastotalarini qanchalik ko'p bilsak, vaqt o'tishi bilan uning amplitudasini shunchalik kam aniq bilamiz va aksincha. O'zimdan iqtibos keltiraman:

Cheksiz davomiylikdagi signalni (cheksiz ko'p tsikllar) mutlaq aniqlik bilan tahlil qilish mumkin, lekin kompyuter qancha kamroq tsikllarni tahlil qilsa, tahlilning aniqligi kamroq bo'ladi... Signalning davrlari qanchalik kam bo'lsa, uning chastotasi shunchalik aniq bo'lmaydi. Ushbu kontseptsiyani mantiqiy ekstremalga olib keladigan bo'lsak, qisqa puls (hatto signalning to'liq davri ham emas) haqiqatda aniqlangan chastotaga ega emas, bu cheksiz chastota diapazoni. Bu tamoyil nafaqat o'zgaruvchan kuchlanish va oqimlar uchun emas, balki barcha to'lqin hodisalari uchun umumiydir.

O'zgaruvchan signalning amplitudasini aniq aniqlash uchun biz uni juda qisqa vaqt ichida o'lchashimiz kerak. Biroq, buni qilish to'lqin chastotasi haqidagi bilimimizni cheklaydi (kvant mexanikasidagi to'lqin sinus to'lqiniga o'xshash bo'lishi shart emas; bunday o'xshashlik alohida holat). Boshqa tomondan, to'lqinning chastotasini katta aniqlik bilan aniqlash uchun biz uni ko'p sonli davrlarda o'lchashimiz kerak, ya'ni biz har qanday vaqtda uning amplitudasini yo'qotamiz. Shunday qilib, biz bir vaqtning o'zida har qanday to'lqinning oniy amplitudasini va barcha chastotalarini cheksiz aniqlik bilan bila olmaymiz. Yana bir g'alati narsa, bu noaniqlik kuzatuvchining noaniqligidan ancha katta; bu to'lqinning o'ziga xos xususiyatidir. Tegishli texnologiyani hisobga olgan holda, bir vaqtning o'zida bir lahzali amplituda va chastotani aniq o'lchashni ta'minlash mumkin bo'lsa-da, bunday emas. To'g'ridan-to'g'ri ma'noda to'lqin bir vaqtning o'zida aniq lahzali amplituda va aniq chastotaga ega bo'lolmaydi.

Heisenberg va Schrödinger tomonidan ifodalangan zarracha pozitsiyasi va momentumning minimal noaniqligi o'lchovdagi cheklov bilan hech qanday aloqasi yo'q; balki zarrachaning to'lqin-zarra ikkiligi tabiatining o'ziga xos xususiyatidir. Shuning uchun elektronlar aslida o'zlarining "orbitalarida" materiyaning aniq belgilangan zarralari yoki hatto aniq belgilangan to'lqin shakllari sifatida emas, balki "bulutlar" - texnik atama sifatida mavjud. to'lqin funktsiyasi ehtimollik taqsimoti, go'yo har bir elektron turli pozitsiyalar va momentlar bo'yicha "tarqalgan" yoki "yo'llangan".

Elektronlarning noaniq bulutlar sifatidagi bunday radikal qarashi dastlab elektronlarning kvant holatlarining dastlabki tamoyiliga zid keladi: elektronlar atom yadrosi atrofida diskret, aniq “orbitalarda” mavjud. Bu yangi qarash, oxir-oqibat, kvant nazariyasini shakllantirish va tushuntirishga olib kelgan kashfiyot edi. Elektronlarning diskret xatti-harakatlarini tushuntirish uchun yaratilgan nazariya elektronlar materiyaning alohida qismlari sifatida emas, balki "bulutlar" sifatida mavjudligini e'lon qilishi qanchalik g'alati tuyuladi. Biroq, elektronlarning kvant harakati ma'lum koordinatalar va impuls qiymatlariga ega bo'lgan elektronlarga bog'liq emas, balki boshqa xususiyatlarga bog'liq. kvant raqamlari. Mohiyatan kvant mexanikasi mutlaq holat va mutlaq moment haqidagi umumiy tushunchalardan voz kechib, ularni umumiy amaliyotda oʻxshashi boʻlmagan tiplarning mutlaq tushunchalari bilan almashtiradi.

Elektronlar materiyaning alohida bo'laklarida emas, balki taqsimlangan ehtimollikning "bulutli" shakllarida mavjudligi ma'lum bo'lsa ham, bu "bulutlar" biroz boshqacha xususiyatlarga ega. Atomdagi har qanday elektronni to'rtta raqamli o'lchov (yuqorida aytib o'tilgan kvant raqamlari) bilan tavsiflash mumkin asosiy (radial), orbital (azimut), magnit Va aylanish raqamlar. Quyida ushbu raqamlarning har birining ma'nosi haqida qisqacha ma'lumot berilgan:

Bosh (radial) kvant soni: harf bilan belgilanadi n, bu raqam elektron joylashgan qobiqni tavsiflaydi. Elektron "qobiq" - atom yadrosi atrofida elektronlar mavjud bo'lishi mumkin bo'lgan fazo hududi, de Broyl va Borning barqaror "tik turgan to'lqin" modellariga mos keladi. Elektronlar qobiqdan qobiqqa "sakrashi" mumkin, lekin ular orasida mavjud bo'lolmaydi.

Bosh kvant soni musbat butun son bo'lishi kerak (1 dan katta yoki teng). Boshqacha qilib aytganda, elektronning asosiy kvant soni 1/2 yoki -3 bo'lishi mumkin emas. Bu butun sonlar o'zboshimchalik bilan emas, balki yorug'lik spektrining eksperimental dalillari orqali tanlandi: qo'zg'atilgan vodorod atomlari chiqaradigan yorug'likning turli chastotalari (ranglari) quyidagi rasmda ko'rsatilganidek, o'ziga xos butun son qiymatlariga bog'liq bo'lgan matematik munosabatlarga amal qiladi.

Har bir qobiq bir nechta elektronni ushlab turish qobiliyatiga ega. Elektron qobiqlarning o'xshashligi amfiteatrdagi konsentrik o'rindiqlar qatoridir. Amfiteatrda o'tirgan odam o'tirish uchun qator tanlashi kerak bo'lganidek (u qatorlar orasiga o'tira olmaydi), elektronlar "o'tirish" uchun ma'lum bir qobiqni "tanlashi" kerak. Amfiteatrdagi qatorlar singari, tashqi qobiqlar markazga yaqinroq bo'lgan qobiqlarga qaraganda ko'proq elektronni ushlab turadi. Bundan tashqari, amfiteatrdagi odamlar markaziy sahnaga eng yaqin joyni izlaganidek, elektronlar mavjud bo'lgan eng kichik qobiqni topishga intiladi. Qobiq soni qanchalik baland bo'lsa, elektronlar shunchalik ko'p energiyaga ega.

Har qanday qobiq tuta oladigan elektronlarning maksimal soni 2n 2 tenglama bilan tavsiflanadi, bu erda n - bosh kvant soni. Shunday qilib, birinchi qobiq (n = 1) 2 ta elektronni o'z ichiga olishi mumkin; ikkinchi qobiq (n = 2) - 8 elektron; va uchinchi qobiq (n = 3) - 18 elektron (quyidagi rasm).

Asosiy kvant soni n va elektronlarning maksimal soni 2(n 2) formula bilan bog'langan. Orbitalar masshtabga mos kelmaydi.

Atomdagi elektron qobiqlar raqamlar bilan emas, balki harflar bilan belgilangan. Birinchi qobiq (n = 1) K, ikkinchi qobiq (n = 2) L, uchinchi qobiq (n = 3) M, to'rtinchi qobiq (n = 4) N, beshinchi qobiq (n = 5) bilan belgilandi. O, oltinchi qobiq ( n = 6) P va ettinchi qobiq (n = 7) B.

Orbital (azimut) kvant soni: pastki qavatlardan tashkil topgan qobiq. Ba'zilar pastki qobiqlarni qobiqlarning oddiy qismlari, masalan, yo'lni ajratib turadigan chiziqlar deb hisoblashni qulayroq deb bilishlari mumkin. Subshelllar ancha g'alati. Pastki qavatlar - bu elektron "bulutlar" mavjud bo'lishi mumkin bo'lgan fazo mintaqalari va aslida turli pastki qavatlar turli shakllarga ega. Birinchi pastki qobiq to'p shaklida bo'ladi (quyidagi rasm (lar)), bu atom yadrosini uch o'lchamda o'rab turgan elektron buluti sifatida ko'rsatilganda mantiqiy bo'ladi.

Ikkinchi pastki qobiq atom markaziga yaqin bir nuqtada bog'langan ikkita "bargli" dan iborat dumbbellga o'xshaydi (quyidagi rasm (p)).

Uchinchi pastki qobiq odatda atom yadrosi atrofida to'plangan to'rtta "bargbarg" to'plamiga o'xshaydi. Ushbu pastki qobiq shakllari antennadan turli yo'nalishlarda cho'zilgan piyozga o'xshash loblari bo'lgan antenna naqshlarining grafik tasvirlariga o'xshaydi (quyidagi rasm (d)).

Orbitallar:
(lar) uch karra simmetriya;
(p) Ko'rsatilgan: p x, mos keladigan o'qlar bo'ylab uchta mumkin bo'lgan yo'nalishlardan biri (p x, p y, p z);
(d) Ko'rsatilgan: d x 2 -y 2 d xy , d yz , d xz ga o'xshaydi. Ko'rsatilgan: d z 2 . Mumkin bo'lgan d-orbitallar soni: beshta.

Orbital kvant soni uchun haqiqiy qiymatlar asosiy kvant sonidagi kabi musbat sonlardir, lekin nolni ham o'z ichiga oladi. Elektronlar uchun bu kvant raqamlari l harfi bilan belgilanadi. Pastki qavatlar soni qobiqning asosiy kvant soniga teng. Shunday qilib, birinchi qobiq (n = 1) 0 raqami bilan bitta pastki qavatga ega; ikkinchi qobiq (n = 2) 0 va 1 raqamli ikkita pastki qavatga ega; uchinchi qobiq (n = 3) 0, 1 va 2 raqamlangan uchta pastki qavatga ega.

Eski subshell konventsiyasi raqamlardan ko'ra harflardan foydalangan. Bu formatda birinchi pastki qavat (l = 0) s, ikkinchi pastki qavat (l = 1) p, uchinchi pastki qavat (l = 2) d, to'rtinchi pastki qavat (l = 3) deb belgilangan. f belgilangan. Harflar quyidagi so'zlardan kelgan: keskin, asosiy, tarqoq Va Asosiy. Siz hali ham bu belgilarni tashqi elektron konfiguratsiyasini belgilash uchun ishlatiladigan ko'plab davriy jadvallarda ko'rishingiz mumkin. valentlik) atomlarning qobiqlari.

(a) kumush atomining Bor tasviri;
(b) qobiqlarning pastki qavatlarga bo'linishi bilan Ag ning orbital tasviri (orbital kvant soni l).
Ushbu diagramma elektronlarning haqiqiy holati haqida hech narsani anglatmaydi, faqat energiya darajalarini ifodalaydi.

Magnit kvant soni: Elektron uchun magnit kvant soni elektron pastki qavat shaklining yo'nalishini tasniflaydi. Pastki qobiqlarning "barglari" bir necha yo'nalishga yo'naltirilishi mumkin. Bu turli orientatsiyalar orbitallar deyiladi. Sferaga o'xshash birinchi pastki qavat (s; l = 0) uchun "yo'nalish" ko'rsatilmagan. Har bir qobiqdagi ikkinchi (p; l = 1) uchun uchta mumkin bo'lgan yo'nalishga ishora qiluvchi dumbbellga o'xshash pastki qobiq. Tasavvur qiling-a, uchta dumbbellning boshida kesishadi, ularning har biri uch eksenli koordinatalar tizimida o'z o'qi bo'ylab ishora qiladi.

Berilgan kvant soni uchun haqiqiy qiymatlar -l dan l gacha bo'lgan butun sonlardan iborat va bu raqam quyidagicha belgilanadi. m l atom fizikasida va z yadro fizikasida. Har qanday pastki qavatdagi orbitallar sonini hisoblash uchun pastki qavat sonini ikki barobarga oshirish va 1, (2∙l + 1) qo'shish kerak. Masalan, har qanday qobiqdagi birinchi pastki qavat (l = 0) 0 raqamlangan bitta orbitalni o'z ichiga oladi; har qanday qobiqdagi ikkinchi pastki qavat (l = 1) -1, 0 va 1 raqamlari bo'lgan uchta orbitalni o'z ichiga oladi; uchinchi pastki qavat (l = 2) -2, -1, 0, 1 va 2 raqamlangan beshta orbitalni o'z ichiga oladi; va boshqalar.

Bosh kvant soni kabi magnit kvant soni ham bevosita eksperimental ma’lumotlardan kelib chiqqan: Zeeman effekti, ionlangan gazni magnit maydonga ta’sir qilish orqali spektral chiziqlarni ajratish, shuning uchun “magnit” kvant soni deb ataladi.

Spin kvant soni: magnit kvant soni kabi atom elektronlarining bu xossasi tajribalar orqali aniqlangan. Spektral chiziqlarni sinchkovlik bilan kuzatish shuni ko'rsatdiki, har bir chiziq aslida bir-biriga juda yaqin joylashgan juft chiziqlar bo'lib, bu shunday deb ataladi. nozik tuzilish har bir elektronning sayyora kabi o'z o'qi atrofida "aylanishi" natijasi edi. Turli xil "spin"larga ega elektronlar hayajonlanganda yorug'likning bir oz boshqacha chastotalarini chiqaradi. Aylanadigan elektron kontseptsiyasi endi eskirgan bo'lib, elektronlarni "bulut" sifatida emas, balki materiyaning alohida zarralari sifatida (noto'g'ri) ko'rish uchun ko'proq mos keladi, ammo nomi saqlanib qolgan.

Spin kvant raqamlari sifatida belgilanadi Xonim atom fizikasida va sz yadro fizikasida. Har bir pastki qavatdagi har bir orbital har bir qobiqda ikkita elektronga ega bo'lishi mumkin, ulardan biri spin +1/2, ikkinchisi esa -1/2.

Fizik Volfgang Pauli atomdagi elektronlarning ushbu kvant raqamlariga ko'ra tartibini tushuntiruvchi printsipni ishlab chiqdi. Uning printsipi, deyiladi Pauli istisno printsipi, bir atomdagi ikkita elektron bir xil kvant holatlarini egallamasligini bildiradi. Ya'ni, atomdagi har bir elektron o'ziga xos kvant raqamlariga ega. Bu har qanday berilgan orbital, pastki qavat va qobiqni egallashi mumkin bo'lgan elektronlar sonini cheklaydi.

Bu vodorod atomidagi elektronlarning joylashishini ko'rsatadi:

Yadroda bitta proton bo'lsa, atom o'zining elektrostatik muvozanati uchun bitta elektronni qabul qiladi (protonning musbat zaryadi elektronning manfiy zaryadi bilan to'liq muvozanatlangan). Bu elektron pastki qavatda (n = 1), birinchi pastki qavatda (l = 0), bu pastki qavatning yagona orbitalida (fazoviy yo'nalishi) (m l = 0), spin qiymati 1/2 ga teng. Ushbu tuzilmani tavsiflashning umumiy usuli elektronlarni qobiq va pastki qavatlarga ko'ra sanab o'tishdir. spektroskopik belgi. Bu belgida qobiq raqami butun son, pastki qavat harf (s,p,d,f) va pastki qavatdagi elektronlarning umumiy soni (barcha orbitallar, barcha spinlar) tepa belgisi sifatida ko'rsatilgan. Shunday qilib, asosiy sathda joylashgan yagona elektron bilan vodorod 1s 1 sifatida tavsiflanadi.

Keyingi atomga o'tsak (atom raqami bo'yicha), biz geliy elementini olamiz:

Geliy atomining yadrosida ikkita proton mavjud bo'lib, u ikki tomonlama musbat elektr zaryadini muvozanatlash uchun ikkita elektronni talab qiladi. Ikki elektron - biri spini 1/2, ikkinchisi -1/2 - bir xil orbitalda joylashganligi sababli, geliyning elektron tuzilishi ikkinchi elektronni ushlab turish uchun qo'shimcha pastki qavatlar yoki qobiqlarni talab qilmaydi.

Biroq, uch yoki undan ortiq elektronga muhtoj bo'lgan atom barcha elektronlarni ushlab turish uchun qo'shimcha pastki qavatlarga muhtoj bo'ladi, chunki pastki qavatda faqat ikkita elektron bo'lishi mumkin (n = 1). Atom raqamlarini ko'paytirish ketma-ketligidagi keyingi atomni ko'rib chiqing, lityum:

Lityum atomi qobiqning L sig'imining bir qismini ishlatadi (n = 2). Bu qobiq aslida sakkiz elektronning umumiy sig'imiga ega (maksimal qobiq sig'imi = 2n 2 elektron). Agar biz to'liq to'ldirilgan L qobig'i bo'lgan atomning tuzilishini ko'rib chiqsak, biz pastki qavatlar, orbitallar va spinlarning barcha kombinatsiyalarini elektronlar qanday egallashini ko'ramiz:

Ko'pincha, atomga spektroskopik belgi qo'yilganda, to'liq to'ldirilgan qobiqlar o'tkazib yuboriladi va to'ldirilmagan qobiqlar va yuqori darajadagi to'ldirilgan qobiqlar belgilanadi. Misol uchun, ikkita to'liq to'ldirilgan qobiqga ega bo'lgan neon elementi (yuqoridagi rasmda ko'rsatilgan) spektral jihatdan 1s 22 s 22 p 6 emas, balki 2p 6 sifatida tasvirlanishi mumkin. To'liq to'ldirilgan K qobig'i va L qobig'idagi bitta elektronga ega litiyni 1s 22 s 1 emas, balki 2s 1 deb ta'riflash mumkin.

To'liq to'ldirilgan pastki darajadagi qobiqlarning qoldirilishi nafaqat notalashning qulayligi uchun. Shuningdek, u kimyoning asosiy tamoyilini ko'rsatadi: elementning kimyoviy harakati birinchi navbatda uning to'ldirilmagan qobig'i bilan belgilanadi. Vodorod ham, litiy ham tashqi qobiqlarida bitta elektronga ega (mos ravishda 1 va 2s 1), yaʼni ikkala element ham oʻxshash xususiyatlarga ega. Ikkalasi ham yuqori reaktivdir va deyarli bir xil yo'llar bilan reaksiyaga kirishadi (o'xshash sharoitlarda o'xshash elementlar bilan bog'lanish). Litiy deyarli erkin L-qobig'i ostida to'liq to'ldirilgan K-qobig'iga ega bo'lishi juda muhim emas: to'ldirilmagan L-qobig'i uning kimyoviy harakatini belgilaydigan narsadir.

Tashqi qobiqlarni to'liq to'ldirgan elementlar olijanob deb tasniflanadi va boshqa elementlar bilan deyarli to'liq reaktsiya yo'qligi bilan tavsiflanadi. Bu elementlar umuman reaksiyaga kirishmaydi deb hisoblanganda inert deb tasniflangan, ammo ma’lum sharoitlarda boshqa elementlar bilan birikmalar hosil qilishi ma’lum.

Tashqi qobiqlarida bir xil elektron konfiguratsiyaga ega bo'lgan elementlarning kimyoviy xossalari o'xshash bo'lganligi sababli, Dmitriy Mendeleev kimyoviy elementlarni jadvalga mos ravishda tashkil qildi. Ushbu jadval sifatida tanilgan , va zamonaviy jadvallar quyidagi rasmda ko'rsatilgan ushbu umumiy tartibga amal qiladi.

Kimyoviy elementlarning davriy jadvali

Rus kimyogari Dmitriy Mendeleyev elementlarning davriy sistemasini birinchi bo‘lib ishlab chiqdi. Mendeleev o'z jadvalini atom raqamiga emas, balki atom massasiga ko'ra tuzgan va zamonaviy davriy jadvallar kabi foydali bo'lmagan jadval yaratgan bo'lsa ham, uning rivojlanishi ilmiy isbotning ajoyib namunasidir. Davriylik naqshlarini (atom massasiga ko'ra o'xshash kimyoviy xossalarni) ko'rib, Mendeleev barcha elementlar ushbu tartiblangan naqshga mos kelishi kerak deb faraz qildi. Jadvaldagi "bo'sh" joylarni topgach, u mavjud tartib mantig'iga amal qildi va hali noma'lum elementlarning mavjudligini taxmin qildi. Ushbu elementlarning keyingi kashfiyoti Mendeleev gipotezasining ilmiy to'g'riligini tasdiqladi, keyingi kashfiyotlar biz hozir ishlatadigan davriy jadval shakliga olib keldi.

Mana bunday kerak mehnat fani: gipotezalar mantiqiy xulosalarga olib keladi va eksperimental ma'lumotlarning xulosalari bilan muvofiqligiga qarab qabul qilinadi, o'zgartiriladi yoki rad etiladi. Mavjud eksperimental ma'lumotlarni tushuntirish uchun haqiqatdan keyin har qanday ahmoq gipotezani shakllantirishi mumkin va ko'pchilik buni qiladi. Ilmiy gipotezani post hoc spekulyatsiyadan ajratib turadigan narsa, kelajakda hali to'planmagan eksperimental ma'lumotlarni bashorat qilish va natijada bu ma'lumotlarni rad etishdir. Gipotezani mantiqiy xulosa(lar)iga jasorat bilan olib boring va kelajakdagi eksperimentlar natijalarini bashorat qilishga urinish iymonning dogmatik sakrashi emas, balki bu gipotezani ommaviy sinovdan o'tkazish, gipoteza muxoliflariga ochiq e'tirozdir. Boshqacha qilib aytadigan bo'lsak, ilmiy farazlar hali amalga oshirilmagan tajribalar natijalarini bashorat qilishga urinish tufayli doimo "xavfli" bo'ladi va shuning uchun tajribalar kutilgandek o'tmasa, soxtalashtirilishi mumkin. Shunday qilib, agar gipoteza takroriy tajribalar natijalarini to'g'ri bashorat qilsa, u rad etiladi.

Kvant mexanikasi avval gipoteza, keyin esa nazariya sifatida tajribalar natijalarini bashorat qilishda nihoyatda muvaffaqiyatli ekanligini isbotladi va shuning uchun yuqori ilmiy ishonchga sazovor bo'ldi. Ko'pgina olimlarning bu to'liq bo'lmagan nazariya deb ishonishlariga asoslari bor, chunki uning bashoratlari makroskopiklarga qaraganda mikrofizik miqyosda to'g'riroqdir, ammo shunga qaramay, bu zarralar va atomlarning o'zaro ta'sirini tushuntirish va bashorat qilish uchun juda foydali nazariyadir.

Ushbu bobda ko'rganingizdek, kvant fizikasi juda ko'p turli hodisalarni tasvirlash va bashorat qilishda muhim ahamiyatga ega. Keyingi bo'limda biz qattiq jismlarning, shu jumladan yarim o'tkazgichlarning elektr o'tkazuvchanligidagi ahamiyatini ko'rib chiqamiz. Oddiy qilib aytganda, kimyo yoki qattiq jismlar fizikasidagi hech narsa atom yadrosi atrofida aylanib yuruvchi materiyaning alohida zarralari sifatida mavjud bo'lgan elektronlarning mashhur nazariy tuzilishida miniatyura sun'iy yo'ldoshlari kabi ma'noga ega emas. Elektronlarga muntazam va davriy bo'lgan ma'lum, diskret holatlarda mavjud bo'lgan "to'lqin funktsiyalari" sifatida qaralsa, materiyaning harakatini tushuntirish mumkin.

Xulosa qilish

Atomlardagi elektronlar keng tarqalgan misollar ko'rsatadiki, miniatyura sun'iy yo'ldoshlari kabi yadro atrofida aylanadigan materiyaning diskret zarralari sifatida emas, balki taqsimlangan ehtimollik "bulutlarida" mavjud.

Atom yadrosi atrofidagi alohida elektronlar to'rtta kvant soni bilan tavsiflangan noyob "holatlarga" moyil bo'ladi: bosh (radial) kvant soni, nomi bilan tanilgan qobiq; orbital (azimut) kvant soni, nomi bilan tanilgan pastki qavat; magnit kvant soni tasvirlab berish orbital(podshell orientatsiyasi); Va spin kvant soni, yoki oddiygina aylanish. Bu holatlar kvantdir, ya'ni "ular orasida" elektronning mavjudligi uchun shartlar yo'q, kvant raqamlash sxemasiga mos keladigan holatlar bundan mustasno.

Glanoe (radial) kvant soni (n) elektron joylashgan asosiy sathni yoki qobiqni tavsiflaydi. Bu raqam qancha ko'p bo'lsa, atom yadrosidan elektron bulutining radiusi shunchalik katta bo'ladi va elektronning energiyasi shunchalik katta bo'ladi. Asosiy kvant raqamlari butun sonlar (musbat butun sonlar)

Orbital (azimutal) kvant soni (l) ma'lum bir qobiq yoki darajadagi elektron bulutning shaklini tavsiflaydi va ko'pincha "pastki qobiq" deb nomlanadi. Har qanday qobiqda qobiqning asosiy kvant soni kabi ko'plab pastki qavatlar (elektron bulutining shakllari) mavjud. Azimutal kvant raqamlari noldan boshlanuvchi va asosiy kvant sonidan birga kichik (n - 1) son bilan tugaydigan musbat butun sonlardir.

Magnit kvant soni (m l) pastki qobiq (elektron bulut shakli) qanday yo'nalishga ega ekanligini tavsiflaydi. Pastki qavatlar pastki qavat sonining ikki barobari (l) plyus 1, (2l+1) (ya'ni l=1, ml = -1, 0, 1 uchun) bo'lgan ko'p turli orientatsiyaga ega bo'lishi mumkin va har bir noyob yo'nalish orbital deb ataladi. . Bu raqamlar pastki qavat sonining (l) manfiy qiymatidan 0 gacha bo'lgan va pastki qavat sonining musbat qiymati bilan tugaydigan butun sonlardir.

Spin kvant soni (m s) elektronning boshqa xususiyatini tavsiflaydi va +1/2 va -1/2 qiymatlarini olishi mumkin.

Pauli istisno printsipi atomdagi ikkita elektron bir xil kvant sonlari to'plamiga ega bo'lolmaydi, deydi. Demak, har bir orbitalda koʻpi bilan ikkita elektron (spin=1/2 va spin=-1/2), har bir pastki qavatda 2l+1 orbital va har bir qobiqda n ta pastki qavat boʻlishi mumkin va undan ortiq boʻlmasligi mumkin.

Spektroskopik belgi atomning elektron tuzilishi haqidagi konventsiyadir. Chig'anoqlar butun sonlar sifatida ko'rsatilgan, undan keyin pastki qavat harflari (s, p, d, f) har bir tegishli pastki qavatda topilgan elektronlarning umumiy sonini ko'rsatadigan ustun raqamlari bilan ko'rsatilgan.

Atomning kimyoviy harakati faqat to'ldirilmagan qobiqlardagi elektronlar bilan belgilanadi. To'liq to'ldirilgan past darajadagi qobiqlar elementlarning kimyoviy bog'lanish xususiyatlariga juda kam yoki umuman ta'sir qilmaydi.

To'liq to'ldirilgan elektron qobiqli elementlar deyarli butunlay inert bo'lib, deyiladi olijanob elementlar (ilgari inert sifatida tanilgan).