Kas Yra Kvantinė Mechanika?

{h1}

Kvantinė mechanika yra mokslo įstatymų visuma, apibūdinanti netikėtą fotonų, elektronų ir kitų dalelių, sudarančių visatą, elgesį.

Kvantinė mechanika yra fizikos šaka, susijusi su labai maža.

Tai lemia labai keistas išvadas apie fizinį pasaulį. Atomų ir elektronų skalėje daugelis klasikinės mechanikos lygčių, apibūdinančių, kaip viskas juda kasdieniais dydžiais ir greičiu, nustoja būti naudingi. Klasikinėje mechanikoje objektai egzistuoja tam tikroje vietoje, tam tikru metu. Tačiau kvantinėje mechanikoje objektai egzistuoja tikimybės migloje; jie turi tam tikrą šansą būti taške A, kitą galimybę būti taške B ir pan.

Trys revoliuciniai principai

Kvantinė mechanika (QM) vystėsi per daugelį dešimtmečių, pradedant nuo prieštaringų matematinių eksperimentų, kurių klasikinės mechanikos matematika negalėjo paaiškinti, paaiškinimų. Tai prasidėjo XX amžiaus sandūroje, maždaug tuo pačiu metu, kai Albertas Einšteinas paskelbė savo reliatyvumo teoriją, atskirą fizikos matematinę revoliuciją, apibūdinančią daiktų judėjimą dideliu greičiu. Tačiau skirtingai nei reliatyvumas, QM ištakos negali būti priskiriamos nė vienam mokslininkui. Atvirkščiai, keli mokslininkai prisidėjo prie trijų revoliucinių principų, kurie palaipsniui sulaukė pripažinimo ir eksperimentinio patikrinimo 1900–1930 metais, pamatų. Jie yra:

Kiekybinės savybės: Tam tikros savybės, tokios kaip padėtis, greitis ir spalva, kartais gali atsirasti tik tam tikru, nustatytu dydžiu, panašiai kaip ratukas, kuris „spustelėja“ iš numerio į numerį. Tai užginčijo pagrindinę klasikinės mechanikos prielaidą, teigiančią, kad tokios savybės turėtų egzistuoti sklandžiame ištisiniame spektre. Apibūdindami mintį, kad kai kurios savybės „paspaudė“ kaip ratuką su konkrečiais nustatymais, mokslininkai sugalvojo žodį „kiekybiškai“.

Šviesos dalelės: Šviesa kartais gali elgtis kaip dalelė. Iš pradžių tai buvo sulaukta griežtos kritikos, nes tai prieštaravo 200 metų eksperimentams, rodantiems, kad šviesa elgėsi kaip banga; panašiai kaip ramunės ramaus ežero paviršiuje. Šviesa elgiasi panašiai, nes atsimuša nuo sienų ir sulenkia kampus, o bangos šlifavimas ir įdubimai gali susikaupti arba išnykti. Pridėtos bangos gali sukelti ryškesnę šviesą, o šalinančios bangos sukuria tamsą. Šviesos šaltinis gali būti laikomas kamuoliu ant lazdos, ritmiškai panardintu ežero centre. Spinduliuojama spalva atitinka atstumą tarp skiautelių, kurį lemia rutulio ritmo greitis.

Medžiagos bangos: Medžiaga taip pat gali elgtis kaip banga. Tai prieštaravo maždaug 30 metų trukusiems eksperimentams, kurie parodė, kad materija (tokia kaip elektronai) egzistuoja kaip dalelės.

Kiekybiškai įvertintos savybės?

1900 m. Vokiečių fizikas Maxas Planckas bandė paaiškinti spalvų, išsiskiriančių per spektrą, pasklidimą tarp raudonai karštų ir baltai karštų objektų, tokių kaip elektros lempučių siūlai. Fiziškai supratęs lygtį, kurią jis buvo gavęs apibūdinti šį pasiskirstymą, Planckas suprato, kad tai reiškia, kad buvo išmetami tik tam tikrų spalvų deriniai (nors jų yra labai daug), ypač tų, kurie yra sveikojo skaičiaus tam tikros bazinės vertės kartotiniai. Kažkaip spalvos buvo kiekybiškos! Tai buvo netikėta, nes buvo suprantama, kad šviesa veikia kaip banga, o tai reiškia, kad spalvos vertės turi būti ištisinis spektras. Kas gali uždrausti atomams gaminti spalvas tarp šių sveikojo skaičiaus kartotinių? Tai atrodė taip keista, kad Plankas kvantizavimą vertino kaip ne tik matematinį triuką. Kaip teigė Helge Kraghas savo 2000 m. Žurnale „Physics World“, „Maxas Planckas, besisukantis revoliucionierius“, „Jei 1900 m. Gruodžio mėn. Fizikoje įvyko revoliucija, niekas to nepastebėjo. Plankas nebuvo išimtis...“

Plancko lygtyje taip pat buvo skaičius, kuris vėliau taps labai svarbus būsimai QM raidai; šiandien jis žinomas kaip „Plancko konstanta“.

Kiekybiškumas padėjo paaiškinti kitas fizikos paslaptis. 1907 m. Einšteinas panaudojo Plancko kvantizacijos hipotezę, kad paaiškintų, kodėl kietos medžiagos temperatūra pasikeitė skirtingais kiekiais, jei į medžiagą įdėjote tą patį šilumos kiekį, bet pakeitėte pradinę temperatūrą.

Nuo 1800-ųjų pradžios spektroskopijos mokslas parodė, kad skirtingi elementai skleidžia ir sugeria specifines šviesos spalvas, vadinamas „spektrinėmis linijomis“. Nors spektroskopija buvo patikimas elementų, tokių kaip tolimos žvaigždės, elementų nustatymo metodas, mokslininkai buvo sužavėti kodėl kiekvienas elementas pirmiausia atidavė tas specifines linijas. 1888 m. Johanesas Rydbergas išvedė lygtį, apibūdinančią vandenilio skleidžiamas spektrines linijas, nors niekas negalėjo paaiškinti, kodėl ši lygtis veikė. Tai pasikeitė 1913 m., Kai Nielsas Bohras pritaikė Plancko kvantizacijos hipotezę Ernesto Rutherfordo 1911 m. „Planetiniam“ atomo modeliui, teigdamas, kad elektronai branduolį skriejo taip, kaip planetos skrieja aplink saulę. Remiantis „Physics 2000“ (svetainė iš Kolorado universiteto), Boras pasiūlė, kad elektronai būtų apriboti „ypatingomis“ orbitomis aplink atomo branduolį. Jie galėjo „šokinėti“ tarp specialių orbitų, o šuolio metu gaminama energija sukėlė specifines šviesos spalvas, stebimas kaip spektrines linijas. Nors kvantintos savybės buvo sugalvotos kaip tik matematinis triukas, jos paaiškino tiek, kad tapo pagrindiniu QM principu.

Šviesos dalelės?

1905 m. Einšteinas išleido dokumentą „Dėl euristinio požiūrio į šviesos sklidimą ir transformaciją“, kuriame jis įžvelgė šviesos sklidimą ne kaip bangą, o kaip tam tikrą „energijos kvantos“ būdą. Šis energijos paketas, kurį Einšteinas pasiūlė, galėtų būti „absorbuojamas arba generuojamas tik kaip visuma“, būtent tada, kai atomas „šokinėja“ tarp kvantuotų virpesių greičių. Tai taip pat būtų taikoma, kaip būtų parodyta po kelerių metų, kai elektronas „šokinėja“ tarp kvantuotų orbitų. Pagal šį modelį Einšteino „energijos kvantos“ sudarė šuolio energijos skirtumą; padalijus iš Plancko konstantos, tas energijos skirtumas nulėmė tų kvantų nešamos šviesos spalvą.

Naudodamas šį naują šviesos įsivaizdavimo būdą, Einšteinas pasiūlė įžvalgos apie devynių skirtingų reiškinių elgseną, įskaitant specifines spalvas, kurias Plankas apibūdino kaip spinduliuotės iš lemputės kaitinimo siūlelį. Taip pat paaiškinta, kaip tam tikros šviesos spalvos gali išstumti elektronus nuo metalinių paviršių, reiškinį, vadinamą „fotoelektriniu efektu“. Tačiau Einšteinas nebuvo visiškai pateisinamas atlikdamas šį šuolį, sakė Vinipego universiteto fizikos docentas Stephenas Klassenas. 2008 m. Dokumente „Fotoelektrinis efektas: istorijos atstatymas fizikos klasėje“ Klassenas teigia, kad Einšteino energijos kvantos nėra būtinos visiems tiems devyniems reiškiniams paaiškinti. Tam tikri matematiniai šviesos, kaip bangos, apdorojimai vis dar gali apibūdinti tiek specifines spalvas, kurias Plankas aprašė skleidžiant elektros lemputės siūlelį, tiek fotoelektrinį efektą. Iš tiesų, ginčijamai 1921 m. Nobelio premijai laimėjus Einšteiną, Nobelio komitetas pripažino tik „atradęs fotoelektrinio įstatymo dėsnį“, kuris konkrečiai nepasikliavo energijos kvantų samprata.

Praėjus maždaug dviem dešimtmečiams po Einšteino darbo, energijos kvantoms apibūdinti buvo išpopuliarėjęs terminas „fotonas“, dėka 1923 m. Arthuro Comptono darbo, kuris parodė, kad elektronų pluošto išsklaidyta šviesa pasikeitė spalva. Tai parodė, kad šviesos dalelės (fotonai) iš tikrųjų susidūrė su materijos (elektronų) dalelėmis, taip patvirtindamos Einšteino hipotezę. Iki šiol buvo aišku, kad šviesa gali elgtis ir kaip banga, ir kaip dalelė, todėl šviesos „bangos ir dalelės dualumas“ yra QM pagrindas.

Medžiagos bangos?

Nuo elektrono atradimo 1896 m. Pamažu kaupėsi įrodymai, kad visa materija egzistuoja dalelių pavidalu. Vis dėlto šviesos bangos dalelių dvilypumo demonstravimas privertė mokslininkus abejoti, ar materija apsiriboja vaidinimu tik kaip dalelės. Galbūt bangos dalelių dvilypumas gali skambėti ir dėl materijos? Pirmasis mokslininkas, žymiai pasistūmėjęs į šį samprotavimą, buvo prancūzų fizikas, vardu Louis de Broglie. 1924 m. De Broglie'as panaudojo Einšteino specialiojo reliatyvumo teorijos lygtis, kad parodytų, kad dalelės gali pasižymėti bangoms būdingomis savybėmis, o bangos gali turėti dalelėms panašias savybes. Tada 1925 m. Du mokslininkai, dirbdami savarankiškai ir naudodamiesi atskiromis matematinio mąstymo linijomis, pritaikė de Broglie samprotavimus, kad paaiškintų, kaip elektronai švilpavo atomuose (reiškinys, kuris buvo nepaaiškinamas naudojant klasikinės mechanikos lygtis). Vokietijoje fizikas Werneris Heisenbergas (kartu su Maxu Bornu ir Pascualu Jordanu) tai pasiekė sukūręs „matricos mechaniką“. Austrų fizikas Erwinas Schrödingeris sukūrė panašią teoriją, vadinamą „bangų mechanika“. 1926 m. Schrödingeris parodė, kad šie du požiūriai buvo lygiaverčiai (nors šveicarų fizikas Wolfgangas Pauli Jordanijai atsiuntė nepaskelbtą rezultatą, parodantį, kad matricos mechanika yra išsamesnė).

Heizenbergo-Schrödingerio atomo modelis, kuriame kiekvienas elektronas veikia kaip banga (kartais vadinama „debesiu“) aplink atomo branduolį, pakeitė Rutherfordo-Bohro modelį. Viena iš naujojo modelio sąlygų buvo ta, kad bangos, sudarančios elektroną, galai turi sutapti. „Kvantinė mechanika chemijoje, 3-asis leidimas“ (W. A. ​​Benjaminas, 1981), Melvinas Hanna rašo: „Nustačius ribines sąlygas energija buvo ribojama atskiromis vertybėmis“. Šis reikalavimas lemia, kad leidžiama naudoti tik sveikus pjūvių ir lovių skaičius, o tai paaiškina, kodėl kai kurios savybės yra kiekybiškai įvertintos. Heizenbergo-Schrödingerio atomo modelyje elektronai paklūsta „bangos funkcijai“ ir užima „orbitales“, o ne orbitas. Skirtingai nuo Rutherfordo-Bohro modelio žiedinių orbitų, atominės orbitalės yra įvairių formų - nuo sferų iki hantelių iki ramunėlių.

1927 m. Walteris Heitleris ir Fritzas Londonas toliau plėtojo bangų mechaniką, kad parodytų, kaip atominės orbitalės galėtų sujungti, kad sudarytų molekulines orbitalės, efektyviai parodydamos, kodėl atomai jungiasi vienas su kitu, kad sudarytų molekules. Tai buvo dar viena problema, kuri nebuvo išspręsta naudojant klasikinės mechanikos matematiką. Šios įžvalgos paskatino „kvantinės chemijos“ sritį.

Neapibrėžtumo principas

Taip pat 1927 m. Heisenbergas padarė dar vieną didelį indėlį į kvantinę fiziką. Jis samprotavo, kad kadangi materija veikia kaip bangos, kai kurios savybės, tokios kaip elektronų padėtis ir greitis, yra „viena kitą papildančios“, tai reiškia, kad yra riba (susijusi su Plancko konstanta), kiek gerai gali būti žinomas kiekvienos savybės tikslumas. Remiantis tuo, kas būtų vadinama „Heisenbergo neapibrėžtumo principu“, buvo pagrįsta, kad kuo tiksliau žinoma elektrono padėtis, tuo tiksliau galima žinoti jo greitį ir atvirkščiai. Šis neapibrėžtumo principas galioja ir kasdienio dydžio objektams, tačiau nepastebimas, nes tikslumo trūkumas yra ypač mažas. Pasak Dave'o Slaveno iš „Morningside“ koledžo („Sioux City“, IA), jei žinomas beisbolo greitis 0,1 mph tikslumu, maksimalus tikslumas, kurį įmanoma sužinoti apie rutulio padėtį, yra 0,000000000000000000000000000008 milimetrai.

Pirmyn

Kvantizacijos principai, bangų dalelių dvilypumas ir neapibrėžtumo principas įvedė naują QM erą. 1927 m. Paulius Diracas pritaikė kvantinį elektrinių ir magnetinių laukų supratimą, kad būtų galima pradėti tyrinėti „kvantinio lauko teoriją“ (QFT), kuri daleles (tokias kaip fotonai ir elektronai) traktavo kaip sužadinto fizinio lauko būsenas. Darbas QFT tęsėsi dešimtmetį, kol mokslininkai pasiekė kliūtį: Daugeliui QFT lygčių nustojo tekėti fizinė prasmė, nes buvo gauti begalybės rezultatai. Po dešimtmečio stagnacijos Hansas Bethe padarė perversmą 1947 m., Naudodamas techniką, vadinamą „renormalizacija“. Betė suprato, kad visi begaliniai rezultatai, susiję su dviem reiškiniais (konkrečiai - „elektronų savaiminė energija“ ir „vakuuminė poliarizacija“), tokie, kad pastebėtos elektronų masės ir elektronų krūvio vertės galėtų būti panaudotos, kad visos begalybės išnyktų.

Nuo renormalizacijos proveržio QFT buvo pagrindas kvantinių teorijų apie keturias pagrindines gamtos jėgas kūrimui: 1) elektromagnetizmas, 2) silpna branduolinė jėga, 3) stipri branduolinė jėga ir 4) gravitacija. Pirmoji QFT įžvalga buvo kvantinis elektromagnetizmo aprašymas pasitelkiant „kvantinę elektrodinamiką“ (QED), kuris padarė žingsnius 1940-ųjų pabaigoje ir 1950-ųjų pradžioje. Kitas buvo kiekybinis silpnos branduolinės jėgos, kuri buvo sujungta su elektromagnetizmu, aprašymas septintajame dešimtmetyje sukurti „elektrinio sklidimo teoriją“ (EWT). Galiausiai buvo atliktas stipriosios branduolinės jėgos kvantinis apdorojimas, naudojant „kvantinę chromodinamiką“ (QCD) septintajame ir aštuntajame dešimtmečiuose. QED, EWT ir QCD teorijos kartu sudaro dalelių fizikos standartinį modelį. Deja, QFT dar neturi parengti kvantinės gravitacijos teorijos. Šie ieškojimai tęsiami ir stygų teorijos bei kilpinės kvantinės gravitacijos tyrimuose.

Robertas Coolmanas yra mokslų daktaras Viskonsino-Madisono universitete, baigęs daktaro laipsnį. chemijos inžinerijoje. Jis rašo apie matematiką, mokslą ir kaip jie sąveikauja su istorija. Sekite Robertą @PrimeViridian. Sekite mus @wordssidekick, Facebook & „Google+“.

Papildomi resursai

  • Šis TED-Ed vaizdo įrašas paaiškina Heisenbergo neapibrėžtumo principą.
  • Pasinaudokite internetiniu Kvantinės fizikos I kursu iš Masačusetso technologijos instituto.
  • Sužinokite daugiau apie kvantinį mechaninį atomo modelį ir kuo jis skiriasi nuo Rutherfordo-Bohrso modelio.


Vaizdo Papildas: Mokslo sriuba: kvantinės fizikos keistumai.




Tyrimas


Štai Kaip Atrodo, Kai „G-Force“ Jus Išmuša
Štai Kaip Atrodo, Kai „G-Force“ Jus Išmuša

Norima Pagalbos: „Bigfoot“ Tyrėjas
Norima Pagalbos: „Bigfoot“ Tyrėjas

Mokslas Naujienos


Kiaušinių Baltymai: Nauda Sveikatai Ir Mitybos Faktai
Kiaušinių Baltymai: Nauda Sveikatai Ir Mitybos Faktai

Sutrikęs Miego Sutrikimas Skirtingai Veikia Kairiarankius
Sutrikęs Miego Sutrikimas Skirtingai Veikia Kairiarankius

Kaip Vystosi Gyvenimas?
Kaip Vystosi Gyvenimas?

Kodėl Amerikiečių Receptai Neišpildomi
Kodėl Amerikiečių Receptai Neišpildomi

Koks Buvo Pirmasis Dangoraižis Iš Plieno Rėmų?
Koks Buvo Pirmasis Dangoraižis Iš Plieno Rėmų?


LT.WordsSideKick.com
Visos Teisės Saugomos!
Dauginti Jokių Medžiagų Leidžiama Tik Prostanovkoy Aktyvią Nuorodą Į Svetainę LT.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LT.WordsSideKick.com