Mis On Kvantmehaanika?

{h1}

Kvantmehaanika on teaduslike seaduste kogum, mis kirjeldab footone, elektronide ja muude universumi moodustavate osakeste nõutust käitumist.

Kvantmehaanika on väga väikese füüsika haru.

Selle tulemuseks võib olla mõni väga kummaline järeldus füüsilise maailma kohta. Aatomite ja elektronide skaalal ei ole paljud klassikalise mehaanika võrrandid, mis kirjeldavad, kuidas asjad liiguvad igapäevastel suurustel ja kiirustel, enam ära kasu. Klassikalises mehaanikas on objektid teatud ajahetkel kindlas kohas. Kuid kvantmehaanikates on objektid pigem tõenäosuse ummikus; neil on teatud võimalus olla punktis A, teine ​​võimalus olla punktis B ja nii edasi.

Kolm revolutsioonilist põhimõtet

Kvantmehaanika (QM) arenes mitmete aastakümnete jooksul, alustades vastumeelsetest matemaatilistest selgitustest eksperimentide kohta, mida klassikalise mehaanika matemaatika ei suutnud seletada. See algas 20. sajandi teisel poolel, umbes samal ajal, kui Albert Einstein avaldas oma relatiivsusteooria, eraldi füüsikalise matemaatilise revolutsiooni, mis kirjeldab asjade liikumist suurel kiirusel. Kuid erinevalt relatiivsusest ei saa QM-i päritolu omistada ühele teadlasele. Mitmed teadlased aitasid kaasa kolme revolutsioonilise põhimõtte loomisele, mis järk-järgult omandasid heakskiidu ja eksperimentaalse kontrolli aastatel 1900-1930. Need on:

Kvantifitseeritud omadused: Teatud omadused, nagu asukoht, kiirus ja värv, võivad vahel esineda ainult teatud kindlates kogustes, nagu dial, mis numbritest "klikib". See vaidlustas klassikalise mehaanika põhimõttelist eeldust, milles öeldi, et sellised omadused peaksid eksisteerima sujuval pideval spektril. Et kirjeldada ideed, et mõned omadused "klikiti" nagu dial koos konkreetsete seadetega, kirjutasid teadlased sõna "kvantitatiivne".

Valguse osakesed: Valgus võib mõnikord käituda osakesega. Seda algselt kohtus karm kriitika, kuna see oli vastuolus 200 aasta pikkuste katsetega, mis näitasid, et valgus käitus laineks; nagu rabava järve pinnale ripples. Valgus käitub sarnaselt sellega, et see põrkub seintest välja ja painub nurkade ümber ja et laine harjad ja süvendid võivad kokku panna või tühistada. Lisatud lainehobused toovad kaasa heledama valguse, samal ajal kui tühjad lained tekitavad pimedust. Valgusallikat võib vaadelda kui palli, mis on järve keskosas rütmiliselt libisev. Emitatav värv vastab harjutuste vahele, mis on määratud palli rütmi kiirusega.

Laineained: Materjal võib käituda ka lainetena. See oli vastuolus umbes 30 aasta pikkuste katsetega, mis näitasid, et asi (nagu elektronid) eksisteerib osakeste kujul.

Quantiseeritud omadused?

1900. aastal soovis saksa füüsik Max Planck selgitada punaste ja valgete kuumade objektide, nagu lambipirnide hõõgniidid, kiirgust kiirgavate värvide jaotumist. Kui planeerides füüsilist tähendust võrrandit kasutades, siis ta leidsin selle jaotuse kirjeldamiseks, et Planck mõistis, et see tähendab, et see eraldub ainult teatud värvide (kuigi suur hulk neist) kombinatsioone, eriti neid, mis olid mõne baasväärtuse täisarvuga korrutatuna. Kuid värvid kvantiseeriti! See oli ootamatu, sest valgust peeti laineks, mis tähendab, et värviväärtused peaksid olema pidev spekter. Mis võiks aatomitel keelata nende täisarvu värvide värvide tekitamise? See tundus nii kummaline, et Planck pidas kvantimisest midagi muud kui matemaatilist trikki. Helge Kraghi sõnul on tema 2000. aastal Physics World ajakirjas "Max Planck, Reluctant Revolutionary", "Kui 1900. aasta detsembris toimuks revolutsioon füüsikas, siis keegi ei tundnud seda märgata." Plank ei olnud erand... "

Plancki võrrand sisaldas ka numbrit, mis hiljem muutuks oluliseks QM edasiseks arenguks; täna on see tuntud kui "Plancki konstant".

Quantization aitas selgitada muid füüsika saladusi. 1907. aastal kasutas Einsteini Plancki kvantiseerimise hüpoteesi, et selgitada, miks muutub tahke aine temperatuur erinevateks kogusteks, kui paned materjali sama koguse kuumust, kuid muutis algtemperatuuri.

Alates 1800-ndate algusest oli spektroskoopia teadus näidanud, et erinevad elemendid kiirgavad ja absorbeerivad valguse spetsiifilisi värve, mida kutsutakse "spektraalideks". Kuigi spektroskoopia oli usaldusväärne meetod objektide, näiteks kaugete tähtede sisaldavate elementide määramiseks, oli teadlastel hämmingus miks iga element eraldas need konkreetsed read esiteks. 1888. aastal leidis Johannes Rydberg võrrandit, mis kirjeldas vesiniku poolt eralduvaid spektraalseid jooni, kuigi keegi ei suutnud selgitada, miks võrrand töötas. See muutus 1913. aastal, kui Niels Bohr rakendas Plancki kvantiseerimise hüpoteesi Ernest Rutherfordi 1911. aasta aatomi "planeetiline" mudelile, mis eeldas, et elektronid orbiidid tuumale samamoodi, kui planeedid orbiidiksid päikest. Vastavalt Physics 2000-le (Colorado ülikooli veebilehekülg) tegi Bohr ettepaneku, et elektronid piirduvad aatomite tuumaga ümbritsevate "eriliste" orbiitidega. Nad võiksid "hüppida" eri orbiitide vahel ja hüpata toodetud energia põhjustas spetsiifilisi valgustugevusi, mida täheldati spektraaljoonena. Kuigi kvantitatiivsed omadused leiutasid aga lihtsalt matemaatilise trikkina, selgitasid nad nii palju, et nad on QM-i aluspõhimõtted.

Valguse osakesed?

Aastal 1905 avaldas Einstein paberi "Heuristiline vaatepunkt heite ja valguse ümberkujundamise suunas", milles ta nägi valgust, mis ei liikunud laineks, vaid mõnevõrra "energiakvantiid". Einsteini soovituslik energiapakett võib "imenduda või genereerida ainult tervikuna", eriti kui aatom "hüppab" kvantiliste vibratsioonitasemete vahel. See kehtib ka, nagu oleks näha paar aastat hiljem, kui elektron liigub kvantitatiivsete orbiitide vahel. Selle mudeli järgi sisaldas Einsteini "energiakvanti" energia hüpoteesi erinevust; kui see on Plancki konstantest lahutatud, määratles see energia erinevus nende kvantide poolt läbitud valguse värvi.

Selle uue valgusviisi abil pakkus Einsteini ülevaate üheksa erineva nähtuse käitumisest, sh Planki eripärasest värvitoonist, mis pärines valgust. Samuti selgitas ta, kuidas teatud valgusvärvid võivad metalli pinnalt välja tõmmata elektronid, mis on nn fotoelektriline efekt. Kuid Einstein ei olnud selle hüppe võtmisega täiesti õigustatud, ütles Stephen Klassen, Winnipegi ülikooli füüsika dotsent. 2008. aasta paberil "Fotoelektriline efekt: füüsika klassiruumi taastamine", Klassen väidab, et Einsteini energiakvantiid ei ole vaja kõiki neid üheksa nähtust selgitada. Laine valguse teatud matemaatiline töötlemine suudab endiselt kirjeldada nii spetsiifilisi värve, mida Plank kirjeldas kui valguse hõõgniidi ja fotoelemendi kiirgust. Tõepoolest, Einsteini 1921. aasta Nobeli preemia vastuolulisel võitmisel tunnistas Nobeli komitee ainult seda, et ta avastas fotogalvaeseaduse õiguse, mis ei tuginenud energiakvantite mõistele.

Umbes kaks aastakümmet pärast Einšteini paberit kasutati Arthur Comptoni 1923. aasta töö jaoks populaarseks energiakvantite kirjeldamiseks termini "foton", kes näitasid, et elektronkiirega hajutatud valguse värvus muutub. See näitas, et valguse osakesed (footonid) tõepoolest olid kokkupuutes aine osakestega (elektronid), kinnitades nii Einsteini hüpoteesi. Praeguseks oli selge, et valgus võib käituda nii laine kui ka osakesena, pannes valguse "laine-osakeste duaalsuse" QM-i alusesse.

Laineained?

Pärast 1896. aasta elektroni avastamist tõi aeglaselt üles tõendeid selle kohta, et kõik asjad osutusid osakeste kujul. Kuid valguse laine-osakeste duaalsuse tutvustamine tegi teadlased küsimuse, kas küsimus piirdub tegutsemisega ainult osakestena. Võib-olla võib lainepartikli duaalsus tähendusele ka õige? Selle teadmisega jõudis esimene teadlane prantsuse füüsik nimega Louis de Broglie. 1924. aastal kasutas de Broglie Einsteini erirelatiivsusteooria võrrandeid, et näidata, et osakestel võivad olla laine-sarnased omadused ja et lained võivad avaldada tahkete osakeste omadusi. 1925. aastal rakendasid kaks teadlast, kes töötavad iseseisvalt ja kasutavad eraldi matemaatilise mõtlemise ridu, de Broglie arutlusel, kuidas selgitada, kuidas aatomites mööduvaid elektronid (nähtus, mida klassikalise mehaanika võrrandit kasutades ei olnud võimalik mõista). Saksamaal tegi füüsik Werner Heisenberg (koos Max Borni ja Pascual Jordaniga) seda "maatriksmehhaanika" arendamisega. Austria füüsik Erwin Schrödinger lõi sarnase teooria nimega "laine mehaanika". Schrödinger näitas 1926. aastal, et need kaks lähenemist olid samaväärsed (kuigi Šveitsi füüsik Wolfgang Pauli saatis Jordaaniale avaldamata tulemuse, mis näitas, et maatriksmehhaanika on täielikum).

Rutherford-Bohr mudel asendas aatomi tuuma ümber aatomi Heisenbergi-Schrödinger'i mudelit, milles iga elektron toimib laineks (mõnikord nimetatakse seda "pilveks"). Üks uue mudeli tingimus oli see, et elektroni moodustava laine otsad peavad vastama. In "Quantum Mechanics in Chemistry, 3. Ed." (W. A. ​​Benjamin, 1981), kirjutas Melvin Hanna: "Piirtingimuste kehtestamine on piiranud energiat diskreetsete väärtustega." Selle sätte tagajärg on see, et lubatud on ainult tervet arvu harjaseid ja süvendeid, mis seletab, miks mõned omadused on kvantiteeritud. Aatomi Heisenbergi-Schrödingeri mudelis järgivad elektronid lainefunktsiooni ja asuvad orbiidil kui orbiidil. Erinevalt Rutherford-Bohr-mudeli ringikujulistest orbiididest on aatomi orbiidil mitmeid kujundeid, ulatudes keradest kuni hantele kuni karikani.

1927. aastal töötasid Walter Heitler ja Fritz London edasi laine mehaanika, et näidata, kuidas aatomi orbiidid võiksid moodustada molekulaarsete orbitaalide moodustamiseks, näidates tõhusalt, miks aatomid üksteisega molekulide moodustamiseks siduvad. See oli veel üks probleem, mis oli klassikalise mehaanika matemaatika abil lahendamatu. Need teadmised tõid välja "kvantkeemia".

Määramatuse põhimõte

Ka 1927. aastal tegi Heisenberg veel ühe olulise panuse kvantfüüsikast. Ta põhjendas, et kuna aine toimib lainetena, on mõned omadused, nagu elektroni positsioon ja kiirus, "täiendavad", mis tähendab, et on võimalik piirata (mis on seotud Plancki konstandiga), kui hästi saab iga omandi täpsust teada. Selle põhjal, mida nimetatakse "Heisenbergi ebakindluse põhimõtteks", oli põhjendatud, et täpsemalt on elektroni positsioon teada, seda vähem täpselt saab selle kiirust teada ja vastupidi. See ebakindluse põhimõte kehtib ka igapäevase suurusega objektide kohta, kuid see ei ole märgatav, kuna täpsuse puudumine on erakordselt väike.Morningside kolledži Dave Slaveni (Sioux City, IA) sõnul on pesapalli kiirus teada täpselt 0,1 mph, maksimaalne täpsus, mille kohta on võimalik teada palli positsiooni, on 0,0000000000000000000000000008 millimeetrit.

Edasi

Kvaliteedi, laineparameetrite duaalsuse ja ebakindluse põhimõtted tõid esile uue kvaliteedimõju ajas. 1927. aastal rakendas Paul Dirac kvantmõistetust elektri- ja magnetväljade kohta, mille tulemuseks oli "kvantvälja teooria" (QFT) uurimine, mis käsitles osakesi (näiteks fotosid ja elektrone) füüsilise välju põnevate olekutega. Töö QFT-s jätkus kümme aastat, kuni teadlased põrkasid takistustega: paljud QFT-i võrrandid lõpetasid füüsilise mõtlemise, kuna need andsid lõpmatu tulemusi. Pärast aastakümne stagnatsiooni tegi Hans Bethe 1947. aastal läbimurde, kasutades tehnikat nimega "ümberkorraldamine". Siin mõistsid Bethe, et kõik lõpmatud tulemused on seotud kahe nähtusega (täpsemalt elektronide isereenergia ja vaakumpolarisatsiooni), nii et elektronide massi ja elektronide laengu täheldatud väärtusi saaks kasutada, et kõik lõpmatused kaovad.

Pärast renormaliseerimise läbimurret on QFT olnud aluseks kvanteooriate väljatöötamisele nelja põhilise looduse jõu kohta: 1) elektromagnetism, 2) nõrk tuumajõud, 3) tugev tuum jõud ja 4) raskusjõud. QFT poolt esitatud esimene arusaam oli elektromagnetismide kvantkõnesid "quantum electrodynamics" (QED) abil, mis tegi edusamme 1940. aastate lõpus ja 1950. aastate alguses. Järgmine oli nõrga tuumajõu quantum kirjeldus, mis ühendati elektromagnetismiga, et ehitada "elektriväände teooria" (EWT) kogu 1960. aastatel. Lõpuks jõudis 1960. ja 1970. aastatel kvantkromodünaamika (QCD) abil tugevale tuumajõule kvalitatiivne käsitlemine. QED, EWT ja QCD teooriad moodustavad koos osakeste füüsika standardmudeli aluse. Kahjuks ei ole QFT veel välja töötanud kvantitatiivset gravitatsiooni teooriat. See quest jätkub tänapäeval string teooria ja silmuse kvantgravitatsiooni uuringutes.

Robert Coolman on Wisconsini-Madisoni ülikooli kraadiõppur, lõpetades oma doktorikraadi. keemiatehnoloogias. Ta kirjutab matemaatika, teaduse ja selle kohta, kuidas nad ajalooga suhtlevad. Jälgi Robertit @PrimeViridian. Järgne meile @wordssidekick, Facebook & Google+.

Lisaressursid

  • See TED-Ed video selgitab Heisenbergi ebakindluse põhimõtet.
  • Võtke ühendust Massachusettsi tehnoloogiainstituudi Quantum Physics I veebikursusel.
  • Lisateavet aatomi kvantmehaanilise mudeli kohta ja kuidas see erineb Rutherford-Bohrsi mudelist.


Video Täiendada: Stephen Hawking.




Uurimistöö


Bad Rap: Miks B.O.B On Lameda Maa Kohta Vale?
Bad Rap: Miks B.O.B On Lameda Maa Kohta Vale?

Salvador Edward Luria
Salvador Edward Luria

Teadusuudised


Teadlased Leiavad Kümneid Peidetud Maavärinaid, Mis On Maetud Antarktika Jääle
Teadlased Leiavad Kümneid Peidetud Maavärinaid, Mis On Maetud Antarktika Jääle

30-Aastane Amneesia: Kuidas Aju Äkki Mäletab
30-Aastane Amneesia: Kuidas Aju Äkki Mäletab

Baby-Koos Magamine Aitab Tõsta Sidsi Ohtu
Baby-Koos Magamine Aitab Tõsta Sidsi Ohtu

Vesi, Loodusjõudude Säilitamine (Op-Ed)
Vesi, Loodusjõudude Säilitamine (Op-Ed)

Suhkurtõve Ravim Võib Pikendada Eluiga
Suhkurtõve Ravim Võib Pikendada Eluiga


ET.WordsSideKick.com
Kõik Õigused Reserveeritud!
Mistahes Materjalide Reprodutseerimine Lubatud Ainult Prostanovkoy Aktiivne Link Saidile ET.WordsSideKick.com

© 2005–2019 ET.WordsSideKick.com