Hallo liebe Leser. Wenn Sie nicht hinter dem Leben zurückbleiben wollen, um ein wirklich glücklicher und gesunder Mensch zu sein, müssen Sie die Geheimnisse der modernen Quantenphysik kennen, zumindest eine kleine Vorstellung davon haben, welche Tiefen des Universums Wissenschaftler ausgegraben haben heute. Sie haben keine Zeit, in tiefe wissenschaftliche Details einzusteigen, sondern wollen nur das Wesentliche begreifen, sondern die Schönheit der unbekannten Welt sehen, dann ist dieser Artikel: Quantenphysik für gewöhnliche Dummköpfe oder, könnte man sagen, für Hausfrauen, genau das Richtige für dich. Ich werde versuchen zu erklären, was Quantenphysik ist, aber in einfachen Worten, um es klar zu zeigen.

"Was ist der Zusammenhang zwischen Glück, Gesundheit und Quantenphysik?", fragen Sie.

Tatsache ist, dass es hilft, viele unverständliche Fragen zu beantworten, die sich auf das menschliche Bewusstsein und den Einfluss des Bewusstseins auf den Körper beziehen. Leider hilft uns die Medizin, die sich auf die klassische Physik stützt, nicht immer, gesund zu sein. Und die Psychologie kann dir nicht richtig sagen, wie du Glück finden kannst.

Nur eine tiefere Kenntnis der Welt wird uns helfen zu verstehen, wie wir mit Krankheit wirklich fertig werden und wo das Glück wohnt. Dieses Wissen findet sich in den tiefen Schichten des Universums. Die Quantenphysik kommt zur Rettung. Bald wirst du alles wissen.

Was studiert die Quantenphysik in einfachen Worten

Ja, die Quantenphysik ist in der Tat sehr schwer zu verstehen, weil sie die Gesetze der Mikrowelt untersucht. Das heißt, die Welt in ihren tieferen Schichten, in sehr geringen Entfernungen, wo es für eine Person sehr schwierig ist, hinzusehen.

Und es stellt sich heraus, dass sich die Welt dort sehr seltsam, geheimnisvoll und unverständlich verhält, nicht so, wie wir es gewohnt sind.

Daher all die Komplexität und das Missverständnis der Quantenphysik.

Aber nach der Lektüre dieses Artikels werden Sie Ihren Wissenshorizont erweitern und die Welt mit ganz anderen Augen sehen.

Kurz zur Geschichte der Quantenphysik

Begonnen hat alles zu Beginn des 20. Jahrhunderts, als die Newtonsche Physik vieles nicht erklären konnte und die Wissenschaft in eine Sackgasse geriet. Dann führte Max Planck den Begriff der Quanten ein. Albert Einstein griff diese Idee auf und bewies, dass sich Licht nicht kontinuierlich ausbreitet, sondern in Portionen – Quanten (Photonen). Zuvor wurde angenommen, dass Licht eine Wellennatur hat.

Aber wie sich später herausstellte, ist jedes Elementarteilchen nicht nur ein Quant, also ein festes Teilchen, sondern auch eine Welle. So entstand der Korpuskularwellen-Dualismus in der Quantenphysik, das erste Paradoxon und der Beginn der Entdeckung mysteriöser Phänomene der Mikrowelt.

Die interessantesten Paradoxien begannen, als das berühmte Doppelspaltexperiment durchgeführt wurde, wonach die Mysterien viel mehr wurden. Wir können sagen, dass die Quantenphysik mit ihm begann. Werfen wir einen Blick darauf.

Doppelspaltexperiment in der Quantenphysik

Stellen Sie sich eine Platte mit zwei Schlitzen in Form von vertikalen Streifen vor. Hinter dieser Platte werden wir einen Bildschirm anbringen. Richten wir Licht auf die Platte, sehen wir auf dem Schirm ein Interferenzmuster. Das heißt, abwechselnd dunkle und helle vertikale Streifen. Interferenz ist das Ergebnis des Wellenverhaltens von etwas, in unserem Fall Licht.

Wenn Sie eine Wasserwelle durch zwei nebeneinander liegende Löcher leiten, werden Sie verstehen, was Interferenz ist. Das heißt, das Licht stellt sich so heraus, als hätte es eine Wellennatur. Aber wie die Physik bzw. Einstein bewiesen hat, wird sie durch Photonenteilchen verbreitet. Schon paradox. Aber es ist in Ordnung, der Korpuskularwellen-Dualismus wird uns nicht länger überraschen. Die Quantenphysik sagt uns, dass sich Licht wie eine Welle verhält, aber aus Photonen besteht. Aber die Wunder fangen gerade erst an.

Stellen wir eine Waffe vor eine Platte mit zwei Schlitzen, die kein Licht, sondern Elektronen aussendet. Fangen wir an, Elektronen zu schießen. Was sehen wir auf dem Bildschirm hinter der Platte?

Schließlich sind Elektronen Teilchen, was bedeutet, dass der Elektronenfluss, der durch zwei Schlitze geht, nur zwei Streifen auf dem Bildschirm hinterlassen sollte, zwei Spuren gegenüber den Schlitzen. Haben Sie sich vorgestellt, wie Kieselsteine ​​durch zwei Schlitze fliegen und auf den Bildschirm treffen?

Aber was sehen wir wirklich? Alle das gleiche Interferenzmuster. Was ist die Schlussfolgerung: Elektronen breiten sich in Wellen aus. Elektronen sind also Wellen. Aber immerhin ist es ein Elementarteilchen. Wieder Korpuskularwellen-Dualismus in der Physik.

Aber wir können davon ausgehen, dass ein Elektron auf einer tieferen Ebene ein Teilchen ist, und wenn diese Teilchen zusammenkommen, beginnen sie sich wie Wellen zu verhalten. Zum Beispiel ist eine Meereswelle eine Welle, aber sie besteht aus Wassertröpfchen und auf einer kleineren Ebene aus Molekülen und dann aus Atomen. Okay, die Logik ist solide.

Dann schießen wir nicht mit einem Elektronenstrom aus einer Kanone, sondern lassen nach einer bestimmten Zeit Elektronen separat frei. Als würden wir durch die Ritzen keine Meereswelle passieren, sondern einzelne Tropfen aus einer Kinderwasserpistole spucken.

Es ist ganz logisch, dass in diesem Fall verschiedene Wassertropfen in verschiedene Schlitze fallen würden. Auf dem Schirm hinter der Platte konnte man kein Interferenzmuster von der Welle sehen, sondern zwei deutliche Aufprallstreifen gegenüber jedem Schlitz. Wir werden dasselbe sehen, wenn wir kleine Steine ​​werfen, sie würden, wenn sie durch zwei Risse fliegen, eine Spur hinterlassen, wie ein Schatten aus zwei Löchern. Lassen Sie uns nun einzelne Elektronen abschießen, um diese beiden Streifen auf dem Bildschirm von Elektronenstößen zu sehen. Sie ließen einen los, warteten, den zweiten, warteten und so weiter. Quantenphysikern ist es gelungen, ein solches Experiment durchzuführen.

Aber Schrecken. Anstelle dieser beiden Streifen werden die gleichen Interferenzwechsel mehrerer Streifen erhalten. Wie so? Das kann passieren, wenn ein Elektron gleichzeitig durch zwei Spalte fliegt, aber hinter der Platte wie eine Welle mit sich selbst kollidiert und interferiert. Das kann aber nicht sein, denn ein Teilchen kann nicht gleichzeitig an zwei Orten sein. Es fliegt entweder durch den ersten Schlitz oder durch den zweiten.

Hier beginnen die wirklich fantastischen Dinge der Quantenphysik.

Superposition in der Quantenphysik

Mit einer tieferen Analyse finden Wissenschaftler heraus, dass jedes elementare Quantenteilchen oder dasselbe Licht (Photon) tatsächlich an mehreren Orten gleichzeitig sein kann. Und das sind keine Wunder, sondern die wahren Tatsachen des Mikrokosmos. Das sagt die Quantenphysik. Aus diesem Grund sehen wir beim Schießen eines separaten Partikels aus einer Kanone das Ergebnis der Interferenz. Hinter der Platte kollidiert das Elektron mit sich selbst und erzeugt ein Interferenzmuster.

Gewöhnliche Objekte des Makrokosmos sind immer an einem Ort, haben einen Zustand. Sie sitzen jetzt beispielsweise auf einem Stuhl, wiegen beispielsweise 50 kg, haben einen Puls von 60 Schlägen pro Minute. Natürlich werden sich diese Angaben ändern, aber sie werden sich nach einiger Zeit ändern. Schließlich kann man mit 50 und 100 kg nicht gleichzeitig zu Hause und am Arbeitsplatz sein. All dies ist verständlich, das ist gesunder Menschenverstand.

In der Physik des Mikrokosmos ist alles anders.

Die Quantenmechanik behauptet, und das wurde bereits experimentell bestätigt, dass jedes Elementarteilchen nicht nur gleichzeitig an mehreren Punkten im Raum sein kann, sondern auch mehrere Zustände gleichzeitig haben kann, wie zum Beispiel Spin.

Das alles passt nicht in den Kopf, untergräbt die gewohnte Vorstellung von der Welt, die alten Gesetze der Physik, macht das Denken verkehrt, man kann getrost sagen, es macht einen wahnsinnig.

So verstehen wir den Begriff „Superposition“ in der Quantenmechanik.

Superposition bedeutet, dass sich ein Objekt des Mikrokosmos gleichzeitig in verschiedenen Raumpunkten befinden und auch mehrere Zustände gleichzeitig haben kann. Und das ist normal für Elementarteilchen. So ist das Gesetz der Mikrowelt, egal wie seltsam und fantastisch es erscheinen mag.

Sie sind überrascht, aber das sind nur Blumen, die unerklärlichsten Wunder, Mysterien und Paradoxien der Quantenphysik stehen noch bevor.

Wellenfunktionskollaps in der Physik in einfachen Worten

Dann entschieden sich die Wissenschaftler herauszufinden und genauer zu sehen, ob das Elektron tatsächlich beide Spalte passiert. Plötzlich geht es durch einen Schlitz und trennt sich dann irgendwie und erzeugt beim Durchgang ein Interferenzmuster. Nun, man weiß nie. Das heißt, Sie müssen ein Gerät in der Nähe des Schlitzes platzieren, das den Durchgang eines Elektrons durch ihn genau aufzeichnet. Gesagt, getan. Das ist natürlich schwierig umzusetzen, man braucht kein Gerät, sondern etwas anderes, um den Durchgang eines Elektrons zu sehen. Aber Wissenschaftler haben es geschafft.

Aber am Ende hat das Ergebnis alle verblüfft.

Sobald wir anfangen zu schauen, durch welchen Schlitz ein Elektron geht, verhält es sich nicht wie eine Welle, nicht wie eine fremde Substanz, die sich gleichzeitig an verschiedenen Stellen im Raum befindet, sondern wie ein gewöhnliches Teilchen. Das heißt, es zeigt die spezifischen Eigenschaften eines Quants: Es befindet sich nur an einer Stelle, es passiert einen Schlitz, es hat einen Spinwert. Was auf dem Bildschirm erscheint, ist kein Interferenzmuster, sondern eine einfache Spur gegenüber dem Schlitz.

Aber wie ist das möglich. Als würde das Elektron scherzen und mit uns spielen. Zunächst verhält es sich wie eine Welle, und nachdem wir uns entschieden haben, den Durchgang durch einen Spalt zu betrachten, zeigt es die Eigenschaften eines festen Teilchens und geht nur durch einen Spalt. Aber so ist das im Mikrokosmos. Das sind die Gesetze der Quantenphysik.

Wissenschaftler haben eine weitere mysteriöse Eigenschaft von Elementarteilchen entdeckt. So tauchten in der Quantenphysik die Konzepte der Unsicherheit und des Zusammenbruchs der Wellenfunktion auf.

Wenn ein Elektron auf die Lücke zufliegt, befindet es sich in einem unbestimmten Zustand oder, wie wir oben sagten, in einer Superposition. Das heißt, es verhält sich wie eine Welle, es befindet sich gleichzeitig an verschiedenen Punkten im Raum, es hat zwei Spinwerte (ein Spin hat nur zwei Werte). Wenn wir es nicht berührten, nicht versuchten, es anzuschauen, nicht genau herausfanden, wo es ist, wenn wir nicht den Wert seines Spins messen würden, würde es wie eine Welle durch zwei Schlitze auf die zufliegen gleichzeitig, was bedeutet, dass es ein Interferenzmuster erzeugen würde. Die Quantenphysik beschreibt ihre Flugbahn und Parameter mit der Wellenfunktion.

Nachdem wir eine Messung durchgeführt haben (und es ist möglich, ein Teilchen der Mikrowelt nur zu messen, indem man mit ihm interagiert, beispielsweise indem man ein anderes Teilchen damit kollidiert), dann kollabiert die Wellenfunktion.

Das heißt, jetzt befindet sich das Elektron genau an einem Ort im Raum, hat einen Spinwert.

Man kann sagen, dass ein Elementarteilchen wie ein Gespenst ist, es scheint zu existieren, aber gleichzeitig ist es nicht an einem Ort, und mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit kann es überall innerhalb der Beschreibung der Wellenfunktion sein. Aber sobald wir anfangen, damit in Kontakt zu treten, verwandelt es sich von einem gespenstischen Objekt in eine real greifbare Substanz, die sich wie gewöhnliche Objekte der klassischen Welt verhält, die uns vertraut sind.

„Das ist fantastisch“, sagst du. Sicher, aber die Wunder der Quantenphysik stehen erst am Anfang. Das Unglaublichste kommt noch. Aber machen wir eine Pause von der Fülle an Informationen und kehren ein anderes Mal, in einem anderen Artikel, zu den Quantenabenteuern zurück. Reflektieren Sie in der Zwischenzeit, was Sie heute gelernt haben. Wozu können solche Wunder führen? Schließlich umgeben sie uns, das ist eine Eigenschaft unserer Welt, wenn auch auf einer tieferen Ebene. Glauben wir immer noch, wir leben in einer langweiligen Welt? Aber wir werden später Schlussfolgerungen ziehen.

Ich habe versucht, kurz und klar über die Grundlagen der Quantenphysik zu sprechen.

Aber wenn Sie etwas nicht verstehen, dann schauen Sie sich diesen Cartoon über die Quantenphysik an, über das Experiment mit zwei Schlitzen, dort wird auch alles in einer verständlichen, einfachen Sprache erzählt.

Cartoon über Quantenphysik:

Oder Sie können sich dieses Video ansehen, alles wird sich ergeben, Quantenphysik ist sehr interessant.

Video zur Quantenphysik:

Wieso wussten Sie vorher nichts davon?

Moderne Entdeckungen in der Quantenphysik verändern unsere vertraute materielle Welt.

Ich denke, man kann mit Sicherheit sagen, dass niemand die Quantenmechanik versteht.

Physiker Richard Feynman

Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass die Erfindung der Halbleiterbauelemente eine Revolution war. Dies ist nicht nur eine beeindruckende technologische Errungenschaft, sondern ebnete auch den Weg für Ereignisse, die die moderne Gesellschaft für immer verändern werden. Halbleiterbauelemente werden in allen Arten von mikroelektronischen Geräten verwendet, einschließlich Computern, bestimmten Arten von medizinischen Diagnose- und Behandlungsgeräten und gängigen Telekommunikationsgeräten.

Aber hinter dieser technologischen Revolution steckt noch mehr, eine Revolution in der allgemeinen Wissenschaft: das Feld Quantentheorie. Ohne diesen Sprung im Verständnis der natürlichen Welt wäre die Entwicklung von Halbleitergeräten (und fortschrittlicheren elektronischen Geräten, die sich in der Entwicklung befinden) niemals erfolgreich gewesen. Die Quantenphysik ist ein unglaublich komplexer Wissenschaftszweig. Dieses Kapitel gibt nur einen kurzen Überblick. Wenn Wissenschaftler wie Feynman sagen „Niemand versteht [es]“, können Sie sicher sein, dass dies ein wirklich schwieriges Thema ist. Ohne ein grundlegendes Verständnis der Quantenphysik oder zumindest ein Verständnis der wissenschaftlichen Entdeckungen, die zu ihrer Entwicklung geführt haben, ist es unmöglich zu verstehen, wie und warum elektronische Halbleitergeräte funktionieren. Die meisten Elektronik-Lehrbücher versuchen, Halbleiter mit Begriffen der „klassischen Physik“ zu erklären, wodurch sie noch verwirrender zu verstehen sind.

Viele von uns haben Atommodelldiagramme gesehen, die wie das Bild unten aussehen.

Rutherford-Atom: Negative Elektronen kreisen um einen kleinen positiven Kern

Winzige Materieteilchen genannt Protonen und Neutronen, bilden das Zentrum des Atoms; Elektronen kreisen wie Planeten um einen Stern. Der Kern trägt aufgrund der Anwesenheit von Protonen eine positive elektrische Ladung (Neutronen haben keine elektrische Ladung), während die ausgleichende negative Ladung eines Atoms in den umkreisenden Elektronen liegt. Negative Elektronen werden von positiven Protonen angezogen, wie Planeten von der Sonne angezogen werden, aber die Umlaufbahnen sind aufgrund der Bewegung der Elektronen stabil. Wir verdanken dieses populäre Atommodell der Arbeit von Ernest Rutherford, der um 1911 experimentell feststellte, dass die positiven Ladungen von Atomen in einem winzigen, dichten Kern konzentriert und nicht gleichmäßig über den Durchmesser verteilt sind, wie der Forscher J. J. Thomson zuvor angenommen hatte .

Rutherfords Streuexperiment besteht aus dem Beschuss einer dünnen Goldfolie mit positiv geladenen Alphateilchen, wie in der Abbildung unten gezeigt. Die jungen Doktoranden H. Geiger und E. Marsden erzielten unerwartete Ergebnisse. Die Flugbahn einiger Alpha-Teilchen wurde um einen großen Winkel abgelenkt. Einige Alphateilchen wurden in einem Winkel von fast 180° nach hinten gestreut. Die meisten Partikel passierten die Goldfolie, ohne ihre Flugbahn zu ändern, als ob es überhaupt keine Folie gäbe. Die Tatsache, dass mehrere Alpha-Teilchen große Abweichungen in ihrer Flugbahn erfahren haben, weist auf das Vorhandensein von Kernen mit einer kleinen positiven Ladung hin.

Rutherford-Streuung: Ein Strahl von Alpha-Teilchen wird von einer dünnen Goldfolie gestreut

Obwohl Rutherfords Atommodell durch experimentelle Daten besser unterstützt wurde als das von Thomson, war es immer noch unvollkommen. Weitere Versuche wurden unternommen, um die Struktur des Atoms zu bestimmen, und diese Bemühungen trugen dazu bei, den Weg für die seltsamen Entdeckungen der Quantenphysik zu ebnen. Heute ist unser Verständnis des Atoms etwas komplexer. Doch trotz der Revolution der Quantenphysik und ihres Beitrags zu unserem Verständnis der Struktur des Atoms hat sich Rutherfords Darstellung des Sonnensystems als Struktur eines Atoms in einem Ausmaß im Bewusstsein der Bevölkerung verwurzelt, dass es in Bildungsbereichen fortbesteht, auch wenn es ist fehl am Platz.

Betrachten Sie diese kurze Beschreibung der Elektronen in einem Atom, entnommen aus einem populären Lehrbuch der Elektronik:

Die sich drehenden negativen Elektronen werden vom positiven Kern angezogen, was uns zu der Frage führt, warum die Elektronen nicht in den Kern des Atoms fliegen. Die Antwort ist, dass die rotierenden Elektronen aufgrund zweier gleicher, aber entgegengesetzter Kräfte in ihrer stabilen Umlaufbahn bleiben. Die auf die Elektronen wirkende Zentrifugalkraft ist nach außen gerichtet, und die Anziehungskraft der Ladungen versucht, die Elektronen zum Kern hin zu ziehen.

In Übereinstimmung mit Rutherfords Modell betrachtet der Autor Elektronen als feste Materiestücke, die runde Bahnen einnehmen, ihre innere Anziehungskraft auf den entgegengesetzt geladenen Kern wird durch ihre Bewegung ausgeglichen. Die Verwendung des Begriffs "Zentrifugalkraft" ist technisch falsch (sogar für umlaufende Planeten), aber dies ist aufgrund der allgemeinen Akzeptanz des Modells leicht zu verzeihen: Tatsächlich gibt es keine Kraft, abstoßendirgendein rotierender Körper aus dem Mittelpunkt seiner Umlaufbahn. Dies scheint so zu sein, weil die Trägheit des Körpers dazu neigt, ihn in einer geraden Linie zu bewegen, und da die Umlaufbahn eine konstante Abweichung (Beschleunigung) von der geradlinigen Bewegung ist, gibt es eine konstante Trägheitsreaktion auf jede Kraft, die den Körper zum Zentrum zieht der Umlaufbahn (zentripetal), ob Gravitation, elektrostatische Anziehung oder sogar die Spannung einer mechanischen Bindung.

Das eigentliche Problem bei dieser Erklärung ist jedoch in erster Linie die Idee, dass sich Elektronen auf Kreisbahnen bewegen. Eine nachgewiesene Tatsache, dass beschleunigte elektrische Ladungen elektromagnetische Strahlung aussenden, diese Tatsache war schon zu Rutherfords Zeiten bekannt. Da Rotationsbewegung eine Form der Beschleunigung ist (ein rotierendes Objekt mit konstanter Beschleunigung, das das Objekt von seiner normalen geradlinigen Bewegung wegzieht), müssen Elektronen in einem rotierenden Zustand Strahlung aussenden wie Schlamm von einem sich drehenden Rad. In sogenannten Teilchenbeschleunigern werden Elektronen auf Kreisbahnen beschleunigt Synchrotrons sind dafür bekannt, und das Ergebnis wird aufgerufen Synchrotronstrahlung. Würden Elektronen auf diese Weise Energie verlieren, würden ihre Umlaufbahnen irgendwann gestört und sie würden in der Folge mit einem positiv geladenen Kern kollidieren. Innerhalb von Atomen geschieht dies jedoch normalerweise nicht. Tatsächlich sind elektronische "Umlaufbahnen" über einen weiten Bereich von Bedingungen überraschend stabil.

Außerdem haben Experimente mit "angeregten" Atomen gezeigt, dass elektromagnetische Energie nur bei bestimmten Frequenzen von einem Atom abgestrahlt wird. Atome werden durch äußere Einflüsse wie Licht „erregt“, von denen bekannt ist, dass sie Energie absorbieren und elektromagnetische Wellen mit bestimmten Frequenzen zurücksenden, ähnlich wie eine Stimmgabel, die nicht mit einer bestimmten Frequenz klingelt, bis sie angeschlagen wird. Wenn das von einem angeregten Atom emittierte Licht durch ein Prisma in seine Teilfrequenzen (Farben) aufgeteilt wird, werden einzelne Farblinien im Spektrum gefunden, das Spektrallinienmuster ist einzigartig für ein chemisches Element. Dieses Phänomen wird üblicherweise zur Identifizierung chemischer Elemente und sogar zur Messung der Anteile jedes Elements in einer Verbindung oder chemischen Mischung verwendet. Gemäß dem Sonnensystem des Rutherford-Atommodells (relativ zu Elektronen, als Materieteilchen, frei rotierend auf einer Umlaufbahn mit einem bestimmten Radius) und den Gesetzen der klassischen Physik müssen angeregte Atome Energie in einem nahezu unendlichen Frequenzbereich zurückgeben, und nicht bei ausgewählten Frequenzen. Mit anderen Worten, wenn Rutherfords Modell richtig wäre, gäbe es keinen „Stimmgabel“-Effekt, und das von jedem Atom emittierte Farbspektrum würde als kontinuierliches Farbband und nicht als mehrere separate Linien erscheinen.

Bohrs Modell des Wasserstoffatoms (mit maßstabsgetreuen Bahnen) geht davon aus, dass sich Elektronen nur auf diskreten Bahnen befinden. Elektronen, die sich von n=3,4,5 oder 6 nach n=2 bewegen, werden auf einer Reihe von Balmer-Spektrallinien angezeigt

Ein Forscher namens Niels Bohr versuchte, Rutherfords Modell zu verbessern, nachdem er es 1912 mehrere Monate lang in Rutherfords Labor studiert hatte. Beim Versuch, die Ergebnisse anderer Physiker (insbesondere Max Planck und Albert Einstein) in Einklang zu bringen, schlug Bohr vor, dass jedes Elektron eine bestimmte, spezifische Menge an Energie hat und dass ihre Umlaufbahnen so verteilt sind, dass jedes von ihnen bestimmte Plätze einnehmen kann der Kern, wie Kugeln, auf Kreisbahnen um den Kern fixiert, und nicht als frei bewegliche Satelliten, wie bisher angenommen (Abbildung oben). In Anlehnung an die Gesetze des Elektromagnetismus und der Beschleunigung von Ladungen bezeichnete Bohr „Orbits“ als stationäre Zustände um die Interpretation zu vermeiden, dass sie mobil waren.

Obwohl Bohrs ehrgeiziger Versuch, die Struktur des Atoms zu überdenken, der eher mit experimentellen Daten übereinstimmte, ein Meilenstein in der Physik war, wurde er nicht vollendet. Seine mathematische Analyse sagte die Ergebnisse von Experimenten besser voraus als die nach früheren Modellen durchgeführten, aber es gab noch unbeantwortete Fragen darüber, ob warum die Elektronen müssen sich so seltsam verhalten. Die Aussage, dass Elektronen in stationären Quantenzuständen um den Kern herum existierten, korrelierte besser mit experimentellen Daten als Rutherfords Modell, sagte aber nicht, was die Elektronen dazu veranlasst, diese speziellen Zustände anzunehmen. Die Antwort auf diese Frage sollte etwa zehn Jahre später von einem anderen Physiker, Louis de Broglie, kommen.

De Broglie schlug vor, dass Elektronen wie Photonen (Lichtteilchen) sowohl die Eigenschaften von Teilchen als auch die Eigenschaften von Wellen haben. Basierend auf dieser Annahme schlug er vor, dass die Analyse rotierender Elektronen in Form von Wellen besser ist als in Form von Teilchen und einen besseren Einblick in ihre Quantennatur geben kann. Tatsächlich wurde ein weiterer Durchbruch im Verständnis erzielt.

Eine Saite, die mit einer Resonanzfrequenz zwischen zwei festen Punkten schwingt, bildet eine stehende Welle

Das Atom bestand laut de Broglie aus stehenden Wellen, ein Phänomen, das Physikern in verschiedenen Formen wohlbekannt ist. Wie die gezupfte Saite eines Musikinstruments (oben abgebildet), die mit einer Resonanzfrequenz schwingt, mit „Knoten“ und „Anti-Knoten“ an stabilen Stellen entlang ihrer Länge. De Broglie stellte sich Elektronen um Atome herum als Wellen vor, die sich zu einem Kreis krümmen (Abbildung unten).

"Rotierende" Elektronen wie eine stehende Welle um den Kern, (a) zwei Zyklen in einer Umlaufbahn, (b) drei Zyklen in einer Umlaufbahn

Elektronen können nur in bestimmten, spezifischen "Umlaufbahnen" um den Kern existieren, weil dies die einzigen Entfernungen sind, auf denen die Enden der Welle zusammenfallen. Bei jedem anderen Radius kollidiert die Welle destruktiv mit sich selbst und hört somit auf zu existieren.

De Broglies Hypothese lieferte sowohl einen mathematischen Rahmen als auch eine bequeme physikalische Analogie zur Erklärung der Quantenzustände von Elektronen innerhalb eines Atoms, aber sein Modell des Atoms war noch unvollständig. Seit mehreren Jahren arbeiten die Physiker Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger unabhängig voneinander an de Broglies Konzept der Welle-Teilchen-Dualität, um strengere mathematische Modelle subatomarer Teilchen zu erstellen.

Dieser theoretische Fortschritt von de Broglies primitivem Stehwellenmodell zu Modellen der Heisenberg-Matrix und der Schrödinger-Differentialgleichung hat den Namen Quantenmechanik erhalten und eine ziemlich schockierende Eigenschaft in die Welt der subatomaren Teilchen eingeführt: das Vorzeichen der Wahrscheinlichkeit, oder Ungewissheit. Nach der neuen Quantentheorie war es unmöglich, die exakte Position und den exakten Impuls eines Teilchens zu einem bestimmten Zeitpunkt zu bestimmen. Eine beliebte Erklärung für dieses „Unsicherheitsprinzip“ war, dass es einen Messfehler gab (das heißt, wenn Sie versuchen, die Position eines Elektrons genau zu messen, stören Sie seinen Impuls und können daher nicht wissen, was es war, bevor Sie mit der Messung der Position begonnen haben , und umgekehrt). Die sensationelle Schlussfolgerung der Quantenmechanik ist, dass Teilchen keine genauen Positionen und Impulse haben und aufgrund der Beziehung dieser beiden Größen ihre kombinierte Unsicherheit niemals unter einen bestimmten Mindestwert sinken wird.

Diese Form der "Unsicherheitsverbindung" existiert auch in anderen Bereichen als der Quantenmechanik. Wie im Kapitel „Wechselstromsignale mit gemischten Frequenzen“ in Band 2 dieser Buchreihe besprochen, gibt es sich gegenseitig ausschließende Beziehungen zwischen dem Vertrauen in die Zeitbereichsdaten einer Wellenform und ihren Frequenzbereichsdaten. Einfach ausgedrückt, je mehr wir seine Komponentenfrequenzen kennen, desto ungenauer kennen wir seine Amplitude über die Zeit und umgekehrt. Ich zitiere mich selbst:

Ein Signal unendlicher Dauer (eine unendliche Anzahl von Zyklen) kann mit absoluter Genauigkeit analysiert werden, aber je weniger Zyklen dem Computer zur Analyse zur Verfügung stehen, desto ungenauer ist die Analyse ... Je weniger Perioden das Signal hat, desto ungenauer ist seine Frequenz . Um dieses Konzept auf das logische Extrem zu bringen, hat ein kurzer Impuls (nicht einmal eine vollständige Periode eines Signals) nicht wirklich eine definierte Frequenz, sondern einen unendlichen Frequenzbereich. Dieses Prinzip ist allen Wellenphänomenen gemeinsam, nicht nur variablen Spannungen und Strömen.

Um die Amplitude eines sich ändernden Signals genau zu bestimmen, müssen wir es in sehr kurzer Zeit messen. Dadurch wird jedoch unser Wissen über die Frequenz der Welle eingeschränkt (eine Welle in der Quantenmechanik muss einer Sinuswelle nicht ähnlich sein; eine solche Ähnlichkeit ist ein Sonderfall). Andererseits müssen wir, um die Frequenz einer Welle mit großer Genauigkeit zu bestimmen, sie über eine große Anzahl von Perioden messen, was bedeutet, dass wir ihre Amplitude zu jedem beliebigen Zeitpunkt aus den Augen verlieren. Daher können wir nicht gleichzeitig die momentane Amplitude und alle Frequenzen irgendeiner Welle mit unbegrenzter Genauigkeit kennen. Eine weitere Kuriosität, diese Unsicherheit ist viel größer als die Ungenauigkeit des Beobachters; es liegt in der Natur der Welle. Dies ist nicht der Fall, obwohl es bei entsprechender Technologie möglich wäre, gleichzeitig genaue Messungen sowohl der momentanen Amplitude als auch der Frequenz bereitzustellen. Im wörtlichen Sinne kann eine Welle nicht gleichzeitig die exakte momentane Amplitude und die exakte Frequenz haben.

Die von Heisenberg und Schrödinger ausgedrückte minimale Unsicherheit von Teilchenort und -impuls hat nichts mit einer Begrenzung der Messung zu tun; vielmehr ist es eine intrinsische Eigenschaft der Natur der Welle-Teilchen-Dualität des Teilchens. Daher existieren Elektronen auf ihren "Bahnen" eigentlich nicht als wohldefinierte Materieteilchen oder gar als wohldefinierte Wellenformen, sondern als "Wolken" - ein Fachbegriff. Wellenfunktion Wahrscheinlichkeitsverteilungen, als ob jedes Elektron über eine Reihe von Positionen und Impulsen "gestreut" oder "ausgeschmiert" wäre.

Diese radikale Betrachtungsweise von Elektronen als unbestimmte Wolken widerspricht zunächst dem ursprünglichen Prinzip der Quantenzustände von Elektronen: Elektronen existieren in diskreten, definierten „Bahnen“ um den Kern eines Atoms. Diese neue Sichtweise war schließlich die Entdeckung, die zur Bildung und Erklärung der Quantentheorie führte. Wie seltsam scheint es, dass eine Theorie, die zur Erklärung des diskreten Verhaltens von Elektronen geschaffen wurde, am Ende erklärt, dass Elektronen als "Wolken" und nicht als getrennte Materiestücke existieren. Das Quantenverhalten von Elektronen hängt jedoch nicht davon ab, dass Elektronen bestimmte Werte von Koordinaten und Impuls haben, sondern von anderen so genannten Eigenschaften Quantenzahlen. Im Wesentlichen verzichtet die Quantenmechanik auf die üblichen Konzepte der absoluten Position und des absoluten Moments und ersetzt sie durch absolute Konzepte von Typen, die in der gängigen Praxis keine Analoga haben.

Obwohl bekannt ist, dass Elektronen in körperlosen, „wolkigen“ Formen mit verteilter Wahrscheinlichkeit existieren und nicht als separate Materiestücke, haben diese „Wolken“ leicht unterschiedliche Eigenschaften. Jedes Elektron in einem Atom kann durch vier Zahlenmaße (die zuvor erwähnten Quantenzahlen) beschrieben werden Haupt (radial), Orbital (Azimut), magnetisch und rotieren Zahlen. Nachfolgend finden Sie eine kurze Übersicht über die Bedeutung jeder dieser Zahlen:

Haupt-(Radial-)Quantenzahl: bezeichnet durch einen Buchstaben n, diese Zahl beschreibt die Schale, auf der sich das Elektron befindet. Die Elektronen-"Hülle" ist ein Raumbereich um den Kern eines Atoms, in dem Elektronen existieren können, entsprechend den stabilen "stehenden Wellen"-Modellen von de Broglie und Bohr. Elektronen können von Schale zu Schale "springen", aber nicht zwischen ihnen existieren.

Die Hauptquantenzahl muss eine positive ganze Zahl (größer oder gleich 1) sein. Mit anderen Worten, die Hauptquantenzahl eines Elektrons kann nicht 1/2 oder -3 sein. Diese ganzen Zahlen wurden nicht willkürlich gewählt, sondern durch experimentellen Nachweis des Lichtspektrums: Die verschiedenen Frequenzen (Farben) des von angeregten Wasserstoffatomen emittierten Lichts folgen einer mathematischen Beziehung in Abhängigkeit von bestimmten ganzzahligen Werten, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Jede Schale hat die Fähigkeit, mehrere Elektronen zu halten. Eine Analogie für Elektronenhüllen sind die konzentrischen Sitzreihen in einem Amphitheater. So wie eine Person, die in einem Amphitheater sitzt, eine Reihe auswählen muss, um sich hinzusetzen (er kann nicht zwischen den Reihen sitzen), müssen Elektronen eine bestimmte Hülle „wählen“, um sich „hinsetzen“ zu können. Wie Reihen in einem Amphitheater halten die äußeren Schalen mehr Elektronen als die Schalen näher am Zentrum. Außerdem neigen die Elektronen dazu, die kleinste verfügbare Hülle zu finden, so wie Menschen in einem Amphitheater nach dem Ort suchen, der der zentralen Bühne am nächsten liegt. Je höher die Schalenzahl, desto mehr Energie haben die Elektronen darauf.

Die maximale Anzahl an Elektronen, die eine Schale aufnehmen kann, wird durch die Gleichung 2n 2 beschrieben, wobei n die Hauptquantenzahl ist. Somit kann die erste Schale (n = 1) 2 Elektronen enthalten; die zweite Schale (n = 2) - 8 Elektronen; und die dritte Schale (n = 3) - 18 Elektronen (Abbildung unten).

Die Hauptquantenzahl n und die maximale Elektronenzahl hängen zusammen durch die Formel 2(n 2). Umlaufbahnen sind nicht maßstabsgetreu.

Die Elektronenhüllen im Atom wurden nicht mit Zahlen, sondern mit Buchstaben bezeichnet. Die erste Schale (n = 1) wurde mit K bezeichnet, die zweite Schale (n = 2) mit L, die dritte Schale (n = 3) mit M, die vierte Schale (n = 4) mit N, die fünfte Schale (n = 5) O, die sechste Schale (n = 6) P und die siebte Schale (n = 7) B.

Orbitale (Azimut) Quantenzahl: eine Schale, die aus Unterschalen besteht. Einige mögen es bequemer finden, sich Subshells als einfache Abschnitte von Shells vorzustellen, wie Fahrspuren, die eine Straße teilen. Unterschalen sind viel seltsamer. Unterschalen sind Raumregionen, in denen Elektronen-"Wolken" existieren können, und tatsächlich haben verschiedene Unterschalen unterschiedliche Formen. Die erste Unterschale hat die Form einer Kugel (Abbildung unten (s)), was sinnvoll ist, wenn man sie sich als Elektronenwolke vorstellt, die den Kern eines Atoms dreidimensional umgibt.

Die zweite Unterschale ähnelt einer Hantel und besteht aus zwei "Blütenblättern", die an einem Punkt nahe dem Zentrum des Atoms verbunden sind (Abbildung unten (p)).

Die dritte Unterschale ähnelt normalerweise einem Satz von vier "Blütenblättern", die sich um den Kern eines Atoms gruppieren. Diese Unterschalenformen ähneln grafischen Darstellungen von Antennenmustern mit zwiebelartigen Keulen, die sich von der Antenne in verschiedene Richtungen erstrecken (Abbildung unten (d)).

Orbitale:
(s) Dreifachsymmetrie;
(p) Gezeigt: p x , eine von drei möglichen Orientierungen (p x , p y , p z ), entlang der jeweiligen Achsen;
(d) Gezeigt: d x 2 – y 2 ist ähnlich zu d xy , d yz , d xz . Gezeigt: d z 2 . Anzahl möglicher d-Orbitale: fünf.

Gültige Werte für die Bahnquantenzahl sind positive ganze Zahlen, wie für die Hauptquantenzahl, aber auch Null. Diese Quantenzahlen für Elektronen werden mit dem Buchstaben l bezeichnet. Die Anzahl der Unterschalen ist gleich der Hauptquantenzahl der Schale. Somit hat die erste Schale (n = 1) eine Unterschale mit der Nummer 0; die zweite Schale (n = 2) hat zwei Unterschalen, die mit 0 und 1 nummeriert sind; Die dritte Schale (n = 3) hat drei Unterschalen mit den Nummern 0, 1 und 2.

Die alte Subshell-Konvention verwendete Buchstaben anstelle von Zahlen. In diesem Format wurde die erste Unterschale (l = 0) mit s bezeichnet, die zweite Unterschale (l = 1) mit p, die dritte Unterschale (l = 2) mit d und die vierte Unterschale (l = 3) mit bezeichnet f. Die Buchstaben kamen aus den Worten: Scharf, Rektor, diffus und Grundlegend. Sie können diese Bezeichnungen immer noch in vielen Periodensystemen sehen, die verwendet werden, um die Elektronenkonfiguration des äußeren ( Wertigkeit) Hüllen von Atomen.

(a) die Bohr-Darstellung des Silberatoms,
(b) Orbitaldarstellung von Ag mit Aufteilung der Schalen in Unterschalen (Orbitalquantenzahl l).
Dieses Diagramm sagt nichts über die tatsächliche Position der Elektronen aus, sondern stellt nur die Energieniveaus dar.

Magnetische Quantenzahl: Die magnetische Quantenzahl für das Elektron klassifiziert die Orientierung der Elektron-Unterschalenfigur. Die "Blütenblätter" der Unterschalen können in mehrere Richtungen gerichtet sein. Diese unterschiedlichen Orientierungen werden als Orbitale bezeichnet. Für die erste Unterschale (s; l = 0), die einer Kugel ähnelt, ist die "Richtung" nicht angegeben. Für eine zweite (p; l = 1) Unterschale in jeder Schale, die einer Hantel ähnelt, die in drei mögliche Richtungen zeigt. Stellen Sie sich drei Hanteln vor, die sich im Ursprung schneiden und jeweils entlang ihrer eigenen Achse in einem dreiachsigen Koordinatensystem zeigen.

Gültige Werte für eine bestimmte Quantenzahl bestehen aus ganzen Zahlen von -l bis l, und diese Zahl wird als bezeichnet m l in Atomphysik u z in der Kernphysik. Um die Anzahl der Orbitale in einer beliebigen Unterschale zu berechnen, müssen Sie die Anzahl der Unterschalen verdoppeln und 1 hinzufügen, (2∙l + 1). Beispielsweise enthält die erste Unterschale (l = 0) in jeder Schale ein Orbital mit der Nummer 0; die zweite Unterschale (l = 1) in jeder Schale enthält drei Orbitale mit den Nummern -1, 0 und 1; die dritte Unterschale (l = 2) enthält fünf Orbitale mit den Nummern -2, -1, 0, 1 und 2; usw.

Wie die Hauptquantenzahl entstand die magnetische Quantenzahl direkt aus experimentellen Daten: dem Zeeman-Effekt, der Trennung von Spektrallinien, indem ein ionisiertes Gas einem Magnetfeld ausgesetzt wird, daher der Name "magnetische" Quantenzahl.

Spinquantenzahl: Diese Eigenschaft der Elektronen eines Atoms wurde wie die magnetische Quantenzahl experimentell entdeckt. Eine sorgfältige Beobachtung der Spektrallinien zeigte, dass jede Linie tatsächlich ein Paar sehr eng beieinander liegender Linien war, es wurde vermutet, dass dies so genannte Feine Struktur war das Ergebnis davon, dass sich jedes Elektron wie ein Planet um seine eigene Achse „dreht“. Elektronen mit unterschiedlichen "Spins" würden bei Anregung leicht unterschiedliche Lichtfrequenzen abgeben. Das Konzept der sich drehenden Elektronen ist jetzt veraltet und passt eher zu der (falschen) Sichtweise von Elektronen als einzelne Materieteilchen und nicht als "Wolken", aber der Name bleibt.

Spinquantenzahlen werden als bezeichnet Frau in Atomphysik u Größe in der Kernphysik. Jedes Orbital in jeder Unterschale kann zwei Elektronen in jeder Schale haben, eines mit Spin +1/2 und das andere mit Spin -1/2.

Der Physiker Wolfgang Pauli hat ein Prinzip entwickelt, das die Ordnung der Elektronen in einem Atom nach diesen Quantenzahlen erklärt. Sein Prinzip, genannt Pauli-Ausschlussprinzip, besagt, dass zwei Elektronen im gleichen Atom nicht die gleichen Quantenzustände einnehmen können. Das heißt, jedes Elektron in einem Atom hat einen einzigartigen Satz von Quantenzahlen. Dies begrenzt die Anzahl der Elektronen, die ein bestimmtes Orbital, eine Unterschale und eine Schale besetzen können.

Dies zeigt die Anordnung der Elektronen in einem Wasserstoffatom:

Mit einem Proton im Kern nimmt das Atom ein Elektron für sein elektrostatisches Gleichgewicht auf (die positive Ladung des Protons wird genau durch die negative Ladung des Elektrons ausgeglichen). Dieses Elektron befindet sich in der unteren Schale (n = 1), der ersten Unterschale (l = 0), im einzigen Orbital (räumliche Orientierung) dieser Unterschale (ml = 0), mit einem Spinwert von 1/2. Die allgemeine Methode zur Beschreibung dieser Struktur besteht darin, die Elektronen gemäß ihrer Schalen und Unterschalen gemäß einer Konvention namens aufzuzählen Spektroskopische Notation. In dieser Notation wird die Schalennummer als ganze Zahl, die Unterschale als Buchstabe (s,p,d,f) und die Gesamtzahl der Elektronen in der Unterschale (alle Orbitale, alle Spins) als hochgestellt dargestellt. Somit wird Wasserstoff mit seinem einzelnen Elektron auf der Basisebene als 1s 1 beschrieben.

Wenn wir zum nächsten Atom (in der Reihenfolge der Ordnungszahl) übergehen, erhalten wir das Element Helium:

Ein Heliumatom hat zwei Protonen in seinem Kern, was zwei Elektronen benötigt, um die doppelte positive elektrische Ladung auszugleichen. Da sich zwei Elektronen - eines mit Spin 1/2 und das andere mit Spin -1/2 - im selben Orbital befinden, erfordert die elektronische Struktur von Helium keine zusätzlichen Unterschalen oder Schalen, um das zweite Elektron zu halten.

Ein Atom, das drei oder mehr Elektronen benötigt, benötigt jedoch zusätzliche Unterschalen, um alle Elektronen zu halten, da sich nur zwei Elektronen auf der unteren Schale befinden können (n = 1). Betrachten Sie das nächste Atom in der Folge steigender Ordnungszahlen, Lithium:

Das Lithiumatom nutzt einen Teil der Kapazität L der Hülle (n = 2). Diese Schale hat tatsächlich eine Gesamtkapazität von acht Elektronen (maximale Schalenkapazität = 2n 2 Elektronen). Betrachten wir den Aufbau eines Atoms mit vollständig gefüllter L-Schale, sehen wir, wie alle Kombinationen von Unterschalen, Orbitalen und Spins mit Elektronen besetzt sind:

Wenn einem Atom eine spektroskopische Notation zugewiesen wird, werden häufig vollständig gefüllte Schalen übersprungen, und ungefüllte Schalen und gefüllte Schalen der obersten Ebene werden bezeichnet. Zum Beispiel kann das Element Neon (in der obigen Abbildung gezeigt), das zwei vollständig gefüllte Schalen hat, spektral einfach als 2p 6 statt als 1s 22 s 22 p 6 beschrieben werden. Lithium mit seiner vollständig gefüllten K-Schale und einem einzelnen Elektron in der L-Schale kann einfach als 2s 1 und nicht als 1s 22 s 1 beschrieben werden.

Das Weglassen vollständig besetzter Schalen auf niedrigerer Ebene dient nicht nur der Bequemlichkeit der Notation. Es verdeutlicht auch ein Grundprinzip der Chemie: Das chemische Verhalten eines Elements wird in erster Linie durch seine ungefüllten Schalen bestimmt. Sowohl Wasserstoff als auch Lithium haben ein Elektron auf ihren äußeren Schalen (als 1 bzw. 2s 1), das heißt, beide Elemente haben ähnliche Eigenschaften. Beide sind hoch reaktiv und reagieren auf fast identische Weise (Bindung an ähnliche Elemente unter ähnlichen Bedingungen). Es spielt keine Rolle, dass Lithium eine vollständig gefüllte K-Schale unter einer fast freien L-Schale hat: Die ungefüllte L-Schale ist diejenige, die sein chemisches Verhalten bestimmt.

Elemente mit vollständig gefüllten Außenhüllen werden als edel eingestuft und zeichnen sich durch eine nahezu vollständige Reaktionsfreiheit mit anderen Elementen aus. Diese Elemente wurden als inert eingestuft, wenn angenommen wurde, dass sie überhaupt nicht reagieren, aber es ist bekannt, dass sie unter bestimmten Bedingungen Verbindungen mit anderen Elementen bilden.

Da Elemente mit der gleichen Elektronenkonfiguration in ihren äußeren Schalen ähnliche chemische Eigenschaften haben, organisierte Dmitri Mendeleev die chemischen Elemente entsprechend in einer Tabelle. Diese Tabelle ist bekannt als , und moderne Tabellen folgen diesem allgemeinen Layout, das in der folgenden Abbildung gezeigt wird.

Periodensystem der chemischen Elemente

Dmitri Mendeleev, ein russischer Chemiker, war der erste, der das Periodensystem der Elemente entwickelte. Obwohl Mendeleev seine Tabelle nach Atommasse und nicht nach Ordnungszahl organisierte und eine Tabelle erstellte, die nicht so nützlich war wie moderne Periodensysteme, ist seine Entwicklung ein hervorragendes Beispiel für wissenschaftlichen Beweis. Mendeleev sah Periodizitätsmuster (ähnliche chemische Eigenschaften je nach Atommasse) und stellte die Hypothese auf, dass alle Elemente in dieses geordnete Muster passen müssen. Als er „leere“ Stellen in der Tabelle entdeckte, folgte er der Logik der bestehenden Ordnung und ging von der Existenz noch unbekannter Elemente aus. Die anschließende Entdeckung dieser Elemente bestätigte die wissenschaftliche Richtigkeit von Mendeleevs Hypothese, weitere Entdeckungen führten zu der Form des Periodensystems, das wir heute verwenden.

So sollen Arbeitswissenschaft: Hypothesen führen zu logischen Schlussfolgerungen und werden je nach Konsistenz der experimentellen Daten mit ihren Schlussfolgerungen akzeptiert, geändert oder verworfen. Jeder Narr kann im Nachhinein eine Hypothese formulieren, um die verfügbaren experimentellen Daten zu erklären, und viele tun dies auch. Was eine wissenschaftliche Hypothese von Post-hoc-Spekulationen unterscheidet, ist die Vorhersage zukünftiger experimenteller Daten, die noch nicht erhoben wurden, und möglicherweise die Widerlegung dieser Daten als Ergebnis. Die Hypothese kühn zu ihrer/n logischen Schlussfolgerung(en) führen und der Versuch, die Ergebnisse zukünftiger Experimente vorherzusagen, ist kein dogmatischer Vertrauensvorschuss, sondern eher ein öffentlicher Test dieser Hypothese, eine offene Herausforderung für die Gegner der Hypothese. Mit anderen Worten, wissenschaftliche Hypothesen sind immer "riskant", weil sie versuchen, die Ergebnisse von Experimenten vorherzusagen, die noch nicht durchgeführt wurden, und können daher falsifiziert werden, wenn die Experimente nicht wie erwartet verlaufen. Wenn also eine Hypothese die Ergebnisse wiederholter Experimente korrekt vorhersagt, ist sie widerlegt.

Die Quantenmechanik war zunächst als Hypothese und dann als Theorie äußerst erfolgreich bei der Vorhersage der Ergebnisse von Experimenten und hat daher ein hohes Maß an wissenschaftlicher Glaubwürdigkeit erlangt. Viele Wissenschaftler haben Grund zu der Annahme, dass dies eine unvollständige Theorie ist, da ihre Vorhersagen auf mikrophysikalischen Maßstäben zutreffender sind als auf makroskopischen, aber nichtsdestotrotz ist es eine äußerst nützliche Theorie zur Erklärung und Vorhersage der Wechselwirkung von Teilchen und Atomen.

Wie Sie in diesem Kapitel gesehen haben, ist die Quantenphysik für die Beschreibung und Vorhersage vieler verschiedener Phänomene unerlässlich. Im nächsten Abschnitt werden wir seine Bedeutung in der elektrischen Leitfähigkeit von Festkörpern, einschließlich Halbleitern, sehen. Einfach ausgedrückt, nichts in der Chemie oder Festkörperphysik ergibt einen Sinn in der populären theoretischen Struktur von Elektronen, die als einzelne Materieteilchen existieren, die wie Miniatursatelliten um den Kern eines Atoms kreisen. Wenn Elektronen als "Wellenfunktionen" betrachtet werden, die in bestimmten, diskreten Zuständen existieren, die regelmäßig und periodisch sind, dann kann das Verhalten von Materie erklärt werden.

Zusammenfassen

Die Elektronen in Atomen existieren in "Wolken" mit verteilter Wahrscheinlichkeit und nicht als diskrete Materieteilchen, die sich um den Kern drehen, wie Miniatursatelliten, wie gängige Beispiele zeigen.

Einzelne Elektronen um den Kern eines Atoms neigen zu einzigartigen "Zuständen", die durch vier Quantenzahlen beschrieben werden: Haupt-(Radial-)Quantenzahl, bekannt als Hülse; orbitale (Azimut) Quantenzahl, bekannt als Unterschale; magnetische Quantenzahl beschreiben orbital(Unterschalenorientierung); und Spinquantenzahl, oder einfach rotieren. Diese Zustände sind Quanten, das heißt, „zwischen ihnen“ gibt es keine Bedingungen für die Existenz eines Elektrons, außer für Zustände, die in das Quantennummerierungsschema passen.

Glanoe (radiale) Quantenzahl (n) beschreibt die Basisebene oder Schale, in der sich das Elektron befindet. Je größer diese Zahl, desto größer der Radius der Elektronenwolke vom Atomkern und desto größer die Energie des Elektrons. Hauptquantenzahlen sind ganze Zahlen (positive ganze Zahlen)

Orbitale (azimutale) Quantenzahl (l) beschreibt die Form einer Elektronenwolke in einer bestimmten Schale oder Ebene und wird oft als "Unterschale" bezeichnet. In jeder Schale gibt es so viele Unterschalen (Formen einer Elektronenwolke) wie die Hauptquantenzahl der Schale. Azimutale Quantenzahlen sind positive ganze Zahlen, die bei Null beginnen und mit einer Zahl enden, die um eins kleiner ist als die Hauptquantenzahl (n - 1).

Magnetische Quantenzahl (ml) beschreibt, welche Orientierung die Subshell (Elektronenwolkenform) hat. Subshells können so viele verschiedene Orientierungen haben wie das Doppelte der Subshell-Nummer (l) plus 1, (2l+1) (d. h. für l=1, ml = -1, 0, 1), und jede eindeutige Orientierung wird als Orbital bezeichnet . Diese Zahlen sind ganze Zahlen, beginnend mit einem negativen Wert der Subshell-Nummer (l) bis 0 und endend mit einem positiven Wert der Subshell-Nummer.

Spinquantenzahl (m s) beschreibt eine weitere Eigenschaft des Elektrons und kann die Werte +1/2 und -1/2 annehmen.

Pauli-Ausschlussprinzip besagt, dass zwei Elektronen in einem Atom nicht denselben Satz von Quantenzahlen haben können. Daher kann es in jedem Orbital höchstens zwei Elektronen geben (Spin = 1/2 und Spin = -1/2), 21 + 1 Orbitale in jeder Unterschale und n Unterschalen in jeder Schale und nicht mehr.

Spektroskopische Notation ist eine Konvention für die elektronische Struktur eines Atoms. Schalen werden als ganze Zahlen dargestellt, gefolgt von Subshell-Buchstaben (s, p, d, f) mit hochgestellten Zahlen, die die Gesamtzahl der in jeder jeweiligen Subshell gefundenen Elektronen angeben.

Das chemische Verhalten eines Atoms wird allein durch Elektronen in ungefüllten Schalen bestimmt. Niedrige Schalen, die vollständig gefüllt sind, haben wenig oder keinen Einfluss auf die chemischen Bindungseigenschaften der Elemente.

Elemente mit vollständig gefüllten Elektronenschalen sind fast vollständig inert und werden aufgerufen edel Elemente (früher bekannt als inert).

Kvantinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Quantenphysik {m} Quantenphysik, f rus. Quantenphysik, f pranc. physique quantique, f … Fizikos terminų žodynas

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Bücher

• Quantenphysik, Leonid Karlovich Martinson. Das theoretische und experimentelle Material der Quantenphysik wird ausführlich vorgestellt. Viel Aufmerksamkeit wird dem physikalischen Inhalt der grundlegenden Quantenkonzepte und mathematischen ...
• Quantenphysik, Sheddad Qaid-Sala Ferron. Unsere ganze Welt und alles, was darin ist – Häuser, Bäume und sogar Menschen! - besteht aus winzigen Partikeln. Das Buch "Quantenphysik" aus der Reihe "Erste Bücher über Wissenschaft" wird über das Unsichtbare für unsere ...

Wenn die Leute das Wort "Quantenphysik" hören, wischen sie es normalerweise ab: "Es ist etwas schrecklich Kompliziertes." Inzwischen ist dies absolut nicht der Fall, und an dem Wort „Quantum“ ist absolut nichts Schreckliches. Unverständlich - genug, interessant - viel, aber beängstigend - nein.

Über Bücherregale, Leitern und Iwan Iwanowitsch

Alle Prozesse, Phänomene und Größen in der Welt um uns herum können in zwei Gruppen eingeteilt werden: kontinuierlich (wissenschaftlich kontinuierlich ) und diskontinuierlich (wissenschaftlich diskret bzw quantisiert ).

Stellen Sie sich einen Tisch vor, auf dem Sie ein Buch ablegen können. Sie können das Buch überall auf den Tisch legen. Rechts, links, in der Mitte ... Wo immer Sie wollen - legen Sie es dort hin. In diesem Fall sagen Physiker, dass sich die Position des Buches auf dem Tisch ändert ständig .

Stellen Sie sich jetzt Bücherregale vor. Sie können ein Buch auf das erste Regal, auf das zweite, auf das dritte oder auf das vierte Regal stellen – aber Sie können das Buch nicht „irgendwo zwischen dem dritten und vierten“ ablegen. In diesem Fall ändert sich die Position des Buches diskontinuierlich , diskret , quantisiert (Diese Wörter bedeuten alle dasselbe.)

Die Welt um uns herum ist voll von kontinuierlichen und quantisierten Größen. Hier sind zwei Mädchen - Katya und Mascha. Ihre Höhe beträgt 135 und 136 Zentimeter. Was ist dieser Wert? Die Höhe ändert sich kontinuierlich, sie kann 135,5 Zentimeter und 135,5 Zentimeter betragen. Aber die Nummer der Schule, an der die Mädchen lernen, ist ein quantifizierter Wert! Nehmen wir an, Katya lernt an der Schule Nummer 135 und Masha an der Schule Nummer 136. Aber keiner von ihnen kann an der Schule Nummer 135 und einer halben Schule studieren, richtig?

Ein weiteres Beispiel für ein quantisiertes System ist ein Schachbrett. Es gibt 64 Felder auf einem Schachbrett, und jede Figur kann nur ein Feld besetzen. Können wir einen Bauern irgendwo zwischen die Felder stellen oder zwei Bauern gleichzeitig auf ein Feld setzen? In der Tat können wir, aber gemäß den Regeln, nein.

Kontinuumsabstieg

Und hier ist die Rutsche auf dem Spielplatz. Kinder rutschen von ihr herunter – denn die Höhe der Rutsche ändert sich sanft und kontinuierlich. Stellen Sie sich nun vor, dass sich dieser Hügel plötzlich (Schwingen eines Zauberstabs!) in eine Treppe verwandelt. Es wird nicht mehr möglich sein, ihren Arsch abzurollen. Man muss mit den Füßen gehen – erst einen Schritt, dann den zweiten, dann den dritten. Den Wert (Höhe) haben wir geändert ständig - begann sich aber schrittweise, d.h. diskret, zu verändern, quantisiert .

Quantisierter Abstieg

Lass uns das Prüfen!

1. Ein Nachbar auf dem Land, Iwan Iwanowitsch, ging in ein Nachbardorf und sagte: "Ich werde mich irgendwo auf dem Weg ausruhen."

2. Nachbar auf dem Land Ivan Ivanovich ging in ein Nachbardorf und sagte: "Ich fahre mit einem Bus."

Welche dieser beiden Situationen ("Systeme") kann man als kontinuierlich und welche als quantisiert betrachten?

Antworten:

Im ersten Fall geht Ivan Ivanovich und kann an absolut jedem Punkt anhalten, um sich auszuruhen. Dieses System ist also kontinuierlich.

Im zweiten kann Iwan Iwanowitsch in einen angehaltenen Bus einsteigen. Kann überspringen und auf den nächsten Bus warten. Aber „irgendwo zwischen“ den Bussen wird er sich nicht hinsetzen können. Dieses System ist also quantisiert!

Es dreht sich alles um Astronomie

Die Existenz kontinuierlicher (kontinuierlicher) und diskontinuierlicher (quantisierter, diskontinuierlicher, diskreter) Größen war bereits den alten Griechen bekannt. In seinem Buch „Psammit“ („Berechnung von Sandkörnern“) unternahm Archimedes sogar den ersten Versuch, einen mathematischen Zusammenhang zwischen kontinuierlichen und quantisierten Größen herzustellen. Allerdings existierte damals noch keine Quantenphysik.

Es existierte bis Anfang des 20. Jahrhunderts nicht! So große Physiker wie Galileo, Descartes, Newton, Faraday, Jung oder Maxwell hatten noch nie von Quantenphysik gehört und kamen gut ohne sie aus. Sie fragen sich vielleicht: Warum kamen Wissenschaftler dann auf die Quantenphysik? Was ist besonderes in der Physik passiert? Stellen Sie sich vor, was passiert ist. Nur gar nicht in der Physik, sondern in der Astronomie!

Geheimnisvoller Satellit

1844 beobachtete der deutsche Astronom Friedrich Bessel den hellsten Stern an unserem Nachthimmel, Sirius. Zu diesem Zeitpunkt wussten Astronomen bereits, dass die Sterne an unserem Himmel nicht stationär sind – sie bewegen sich nur sehr, sehr langsam. Außerdem ist jeder Stern wichtig! - bewegt sich in einer geraden Linie. Bei der Beobachtung von Sirius stellte sich also heraus, dass er sich überhaupt nicht in einer geraden Linie bewegt. Der Stern schien zuerst in die eine, dann in die andere Richtung zu „zittern“. Der Weg von Sirius am Himmel war wie eine gewundene Linie, die Mathematiker eine "Sinuswelle" nennen.

Der Stern Sirius und sein Satellit - Sirius B

Es war klar, dass sich der Stern selbst nicht so bewegen konnte. Um eine geradlinige Bewegung in eine sinusförmige Bewegung umzuwandeln, ist eine Art „Störkraft“ erforderlich. Daher schlug Bessel vor, dass sich ein schwerer Satellit um Sirius dreht – dies war die natürlichste und vernünftigste Erklärung.

Berechnungen ergaben jedoch, dass die Masse dieses Satelliten ungefähr der unserer Sonne entsprechen sollte. Warum können wir diesen Satelliten dann nicht von der Erde aus sehen? Sirius ist nicht weit vom Sonnensystem entfernt - etwa zweieinhalb Parsec, und ein Objekt von der Größe der Sonne sollte sehr gut sichtbar sein ...

Es stellte sich als schwierige Aufgabe heraus. Einige Wissenschaftler sagten, dass dieser Satellit ein kalter, gekühlter Stern ist - daher ist er absolut schwarz und von unserem Planeten aus unsichtbar. Andere sagten, dass dieser Satellit nicht schwarz, sondern transparent ist, weshalb wir ihn nicht sehen können. Astronomen auf der ganzen Welt betrachteten Sirius durch Teleskope und versuchten, den mysteriösen unsichtbaren Satelliten zu „fangen“, und er schien sie zu verspotten. Es gab etwas zu überraschen, wissen Sie ...

Wir brauchen ein Wunderteleskop!

In einem solchen Teleskop sahen die Menschen zuerst den Satelliten von Sirius

Mitte des 19. Jahrhunderts lebte und arbeitete der herausragende Teleskopkonstrukteur Alvin Clark in den Vereinigten Staaten. Von Beruf Künstler, wurde er durch Zufall zu einem erstklassigen Ingenieur, Glasmacher und Astronomen. Bisher konnte niemand seine erstaunlichen Linsenteleskope übertreffen! Eines der Objektive von Alvin Clarke (76 Zentimeter Durchmesser) ist in St. Petersburg im Museum des Pulkovo-Observatoriums zu sehen...

Wir schweifen jedoch ab. Also baute Alvin Clark 1867 ein neues Teleskop - mit einer Linse mit einem Durchmesser von 47 Zentimetern; Es war damals das größte Teleskop in den USA. Es war der mysteriöse Sirius, der als erstes Himmelsobjekt ausgewählt wurde, das während der Tests beobachtet wurde. Und die Hoffnungen der Astronomen waren glänzend gerechtfertigt - gleich in der ersten Nacht wurde der schwer fassbare Satellit von Sirius entdeckt, der von Bessel vorhergesagt wurde.

Aus der Pfanne ins Feuer...

Nachdem sie Clarks Beobachtungsdaten erhalten hatten, freuten sich die Astronomen jedoch nicht lange. Tatsächlich sollte die Masse des Satelliten laut Berechnungen ungefähr der unserer Sonne entsprechen (333.000-fache Masse der Erde). Aber anstelle eines riesigen schwarzen (oder transparenten) Himmelskörpers sahen Astronomen ... einen winzigen weißen Stern! Dieser Stern war sehr heiß (25.000 Grad, vergleiche mit 5.500 Grad unserer Sonne) und gleichzeitig winzig (nach kosmischen Maßstäben), nicht größer als die Erde (später wurden solche Sterne "Weiße Zwerge" genannt). Es stellte sich heraus, dass dieses Sternchen eine absolut unvorstellbare Dichte hatte. Aus welcher Substanz besteht es denn?

Auf der Erde kennen wir hochdichte Materialien wie Blei (ein Würfel mit einer Kantenlänge von einem Zentimeter aus diesem Metall wiegt 11,3 Gramm) oder Gold (19,3 Gramm pro Kubikzentimeter). Die Dichte der Substanz des Satelliten von Sirius (er wurde "Sirius B" genannt) ist Millionen (!!!) Gramm pro Kubikzentimeter - es ist 52.000 Mal schwerer als Gold!

Nehmen Sie zum Beispiel eine gewöhnliche Streichholzschachtel. Sein Volumen beträgt 28 Kubikzentimeter. Das bedeutet, dass eine mit der Substanz des Sirius-Satelliten gefüllte Streichholzschachtel ... 28 Tonnen wiegen wird! Versuchen Sie sich vorzustellen - auf einer Skala befindet sich eine Streichholzschachtel und auf der zweiten - ein Panzer!

Es gab ein weiteres Problem. Es gibt ein Gesetz in der Physik, das Charles Gesetz genannt wird. Er argumentiert, dass bei gleichem Volumen der Druck eines Stoffes umso höher ist, je höher die Temperatur dieses Stoffes ist. Denken Sie daran, wie der Druck des heißen Dampfes den Deckel von einem gekochten Wasserkocher abreißt - und Sie werden sofort verstehen, worum es geht. Die Temperatur der Substanz des Sirius-Satelliten hat also auf die schamloseste Weise genau dieses Gesetz von Charles verletzt! Der Druck war unvorstellbar und die Temperatur relativ niedrig. Als Ergebnis wurden „falsche“ physikalische Gesetze und im Allgemeinen „falsche“ Physik erhalten. Wie Winnie the Pooh – „die falschen Bienen und der falsche Honig“.

Völlig schwindelig...

Um die Physik zu „retten“, mussten Wissenschaftler zu Beginn des 20. Jahrhunderts zugeben, dass es auf der Welt ZWEI Physik auf einmal gibt – eine „klassische“, die seit zweitausend Jahren bekannt ist. Der zweite ist ungewöhnlich Quantum . Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass die Gesetze der klassischen Physik auf der üblichen „makroskopischen“ Ebene unserer Welt funktionieren. Aber auf der kleinsten, „mikroskopischen“ Ebene gehorchen Materie und Energie ganz anderen Gesetzen – Quantengesetzen.

Stellen Sie sich unseren Planeten Erde vor. Mehr als 15.000 verschiedene künstliche Objekte kreisen jetzt um ihn herum, jedes in seiner eigenen Umlaufbahn. Außerdem kann diese Umlaufbahn auf Wunsch verändert (korrigiert) werden – beispielsweise wird die Umlaufbahn der Internationalen Raumstation (ISS) periodisch korrigiert. Dies ist eine makroskopische Ebene, hier wirken die Gesetze der klassischen Physik (zB Newtonsche Gesetze).

Kommen wir nun zur mikroskopischen Ebene. Stellen Sie sich den Kern eines Atoms vor. Um ihn herum kreisen wie Satelliten Elektronen - aber es können nicht beliebig viele sein (sagen wir, ein Heliumatom hat nicht mehr als zwei). Und die Bahnen der Elektronen werden nicht mehr willkürlich sein, sondern quantisiert, „gestuft“. Solche Bahnen der Physik werden auch „erlaubte Energieniveaus“ genannt. Ein Elektron kann sich nicht „reibungslos“ von einer erlaubten Ebene zu einer anderen bewegen, es kann nur sofort von Ebene zu Ebene „springen“. Einfach "dort" gewesen und sofort "hier" erschienen. Er kann nicht irgendwo zwischen „dort“ und „hier“ sein. Es wechselt sofort den Standort.

Fabelhaft? Fabelhaft! Aber das ist noch nicht alles. Tatsache ist, dass nach den Gesetzen der Quantenphysik zwei identische Elektronen nicht das gleiche Energieniveau einnehmen können. Niemals. Wissenschaftler nennen dieses Phänomen „Paulis Verbot“ (warum dieses „Verbot“ funktioniert, können sie sich bis heute nicht erklären). Vor allem ähnelt dieses „Verbot“ einem Schachbrett, das wir als Beispiel für ein Quantensystem angeführt haben – wenn auf einem Feld des Bretts ein Bauer steht, darf kein anderer Bauer mehr auf dieses Feld gestellt werden. Genau das Gleiche passiert mit Elektronen!

Die Lösung des Problems

Wie, fragen Sie, kann die Quantenphysik solch ungewöhnliche Phänomene wie die Verletzung des Charles-Gesetzes in Sirius B erklären? Aber wie.

Stellen Sie sich einen Stadtpark vor, der eine Tanzfläche hat. Es laufen viele Leute auf der Straße, sie gehen auf die Tanzfläche, um zu tanzen. Lassen Sie die Anzahl der Menschen auf der Straße den Druck und die Anzahl der Menschen in der Diskothek die Temperatur darstellen. Eine große Anzahl von Menschen kann auf die Tanzfläche gehen - je mehr Menschen im Park spazieren gehen, desto mehr Menschen tanzen auf der Tanzfläche, das heißt, je höher der Druck, desto höher die Temperatur. So funktionieren die Gesetze der klassischen Physik – darunter auch das Gesetz von Charles. Wissenschaftler nennen eine solche Substanz ein „ideales Gas“.

Menschen auf der Tanzfläche - "ideales Gas"

Auf mikroskopischer Ebene funktionieren die Gesetze der klassischen Physik jedoch nicht. Dort beginnen Quantengesetze zu wirken, was die Situation radikal verändert.

Stellen Sie sich vor, dass auf dem Gelände der Tanzfläche im Park ein Café eröffnet wurde. Was ist der Unterschied? Ja, in der Tatsache, dass in einem Café im Gegensatz zu einer Diskothek „beliebig viele“ Leute nicht eintreten. Sobald alle Plätze an den Tischen besetzt sind, lässt der Sicherheitsdienst keine Personen mehr herein. Und bis einer der Gäste den Tisch räumt, lässt der Sicherheitsdienst niemanden herein! Immer mehr Menschen gehen im Park spazieren - und wie viele Menschen im Café waren, so viele sind geblieben. Es stellt sich heraus, dass der Druck ansteigt und die Temperatur „stillsteht“.

Menschen in einem Café - "Quantengas"

Im Sirius B gibt es natürlich keine Menschen, Tanzflächen und Cafés. Aber das Prinzip bleibt dasselbe: Elektronen füllen alle erlaubten Energieniveaus (wie Besucher - Tische in einem Café), und sie können niemanden mehr "einlassen" - genau nach dem Pauli-Verbot. Dadurch entsteht im Inneren des Sterns ein unvorstellbar großer Druck, aber gleichzeitig ist die Temperatur hoch, aber für Sterne ganz normal. Ein solcher Stoff wird in der Physik als „entartetes Quantengas“ bezeichnet.

Sollen wir weiter machen?..

Die ungewöhnlich hohe Dichte von Weißen Zwergen ist bei weitem nicht das einzige Phänomen in der Physik, das die Anwendung von Quantengesetzen erfordert. Wenn Sie dieses Thema interessiert, können wir in den nächsten Ausgaben von Luchik über andere, nicht weniger interessante Quantenphänomene sprechen. Schreiben! Erinnern wir uns vorerst an die Hauptsache:

1. In unserer Welt (dem Universum) gelten auf makroskopischer (d.h. „großer“) Ebene die Gesetze der klassischen Physik. Sie beschreiben die Eigenschaften gewöhnlicher Flüssigkeiten und Gase, die Bewegungen von Sternen und Planeten und vieles mehr. Das ist die Physik, die du in der Schule lernst (oder lernen wirst).

2. Auf der mikroskopischen Ebene (d. h. unglaublich klein, millionenfach kleiner als die kleinsten Bakterien) gelten jedoch völlig andere Gesetze – die Gesetze der Quantenphysik. Diese Gesetze werden durch sehr komplexe mathematische Formeln beschrieben, und sie werden nicht in der Schule studiert. Allerdings erlaubt uns nur die Quantenphysik, die Struktur von so erstaunlichen Weltraumobjekten wie Weißen Zwergen (wie Sirius B), Neutronensternen, Schwarzen Löchern und so weiter relativ klar zu erklären.

Niemand auf dieser Welt versteht, was Quantenmechanik ist. Das ist vielleicht das Wichtigste, was man über sie wissen sollte. Natürlich haben viele Physiker gelernt, die Gesetze zu nutzen und sogar Phänomene auf der Grundlage von Quantencomputern vorherzusagen. Aber es ist immer noch nicht klar, warum der Beobachter des Experiments das Verhalten des Systems bestimmt und es zwingt, einen von zwei Zuständen einzunehmen.

Hier sind einige Beispiele von Experimenten mit Ergebnissen, die sich unter dem Einfluss des Beobachters zwangsläufig ändern werden. Sie zeigen, dass sich die Quantenmechanik praktisch mit dem Eingriff des bewussten Denkens in die materielle Realität befasst.

Es gibt heute viele Interpretationen der Quantenmechanik, aber die Kopenhagener Interpretation ist vielleicht die bekannteste. Ihre allgemeinen Postulate wurden in den 1920er Jahren von Niels Bohr und Werner Heisenberg formuliert.

Grundlage der Kopenhagener Deutung war die Wellenfunktion. Dies ist eine mathematische Funktion, die Informationen über alle möglichen Zustände eines Quantensystems enthält, in dem es gleichzeitig existiert. Nach der Kopenhagener Interpretation kann der Zustand eines Systems und seine Position relativ zu anderen Zuständen nur durch Beobachtung bestimmt werden (die Wellenfunktion wird nur verwendet, um die Wahrscheinlichkeit mathematisch zu berechnen, dass sich das System in dem einen oder anderen Zustand befindet).

Man kann sagen, dass ein Quantensystem nach der Beobachtung klassisch wird und sofort aufhört, in anderen Zuständen als dem, in dem es beobachtet wurde, zu existieren. Diese Schlussfolgerung fand ihre Gegner (man erinnere sich an den berühmten Einstein „Gott würfelt nicht“), aber die Genauigkeit von Berechnungen und Vorhersagen hatte immer noch ihre eigenen.

Dennoch nimmt die Zahl der Befürworter der Kopenhagener Interpretation ab, und der Hauptgrund dafür ist der mysteriöse plötzliche Zusammenbruch der Wellenfunktion während des Experiments. Erwin Schrödingers berühmtes Gedankenexperiment mit einer armen Katze sollte die Absurdität dieses Phänomens demonstrieren. Erinnern wir uns an die Details.

In der Black Box sitzt eine schwarze Katze und mit ihr ein Giftfläschchen und ein Mechanismus, der das Gift zufällig freisetzen kann. Zum Beispiel kann ein radioaktives Atom während des Zerfalls eine Blase zerbrechen. Der genaue Zeitpunkt des Zerfalls des Atoms ist unbekannt. Bekannt ist nur die Halbwertszeit, während der der Zerfall mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % eintritt.

Offensichtlich befindet sich die Katze in der Kiste für einen externen Beobachter in zwei Zuständen: Sie ist entweder lebendig, wenn alles gut gegangen ist, oder tot, wenn die Fäulnis eingetreten ist und das Fläschchen zerbrochen ist. Beide Zustände werden durch die Wellenfunktion der Katze beschrieben, die sich mit der Zeit ändert.

Je mehr Zeit vergangen ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass radioaktiver Zerfall stattgefunden hat. Aber sobald wir die Schachtel öffnen, bricht die Wellenfunktion zusammen und wir sehen sofort die Ergebnisse dieses unmenschlichen Experiments.

Tatsächlich wird die Katze, bis der Beobachter die Kiste öffnet, endlos zwischen Leben und Tod balancieren oder sowohl lebendig als auch tot sein. Sein Schicksal kann nur als Ergebnis der Handlungen des Beobachters bestimmt werden. Auf diese Absurdität wies Schrödinger hin.

Laut einer Umfrage der New York Times unter berühmten Physikern ist das Elektronenbeugungsexperiment eine der erstaunlichsten Studien in der Geschichte der Wissenschaft. Was ist seine Natur? Es gibt eine Quelle, die einen Elektronenstrahl auf einen lichtempfindlichen Bildschirm emittiert. Und diesen Elektronen steht ein Hindernis im Weg, eine Kupferplatte mit zwei Schlitzen.

Welches Bild können wir auf dem Bildschirm erwarten, wenn uns Elektronen normalerweise als kleine geladene Kugeln dargestellt werden? Zwei Streifen gegenüber den Schlitzen in der Kupferplatte. Tatsächlich erscheint jedoch ein viel komplexeres Muster aus abwechselnd weißen und schwarzen Streifen auf dem Bildschirm. Dies liegt daran, dass sich Elektronen beim Durchgang durch den Spalt nicht nur als Teilchen, sondern auch als Wellen verhalten (Photonen oder andere Lichtteilchen, die gleichzeitig eine Welle sein können, verhalten sich genauso).

Diese Wellen interagieren im Raum, kollidieren und verstärken sich gegenseitig, und als Ergebnis wird auf dem Bildschirm ein komplexes Muster aus abwechselnd hellen und dunklen Streifen angezeigt. Gleichzeitig ändert sich das Ergebnis dieses Experiments nicht, selbst wenn die Elektronen einzeln passieren - sogar ein Teilchen kann eine Welle sein und gleichzeitig durch zwei Spalte gehen. Dieses Postulat war eines der wichtigsten in der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik, wenn Teilchen gleichzeitig ihre "gewöhnlichen" physikalischen Eigenschaften und exotischen Eigenschaften wie eine Welle zeigen können.

Aber was ist mit dem Beobachter? Er ist es, der diese verwirrende Geschichte noch verwirrender macht. Als Physiker in Experimenten wie diesem versuchten, mit Instrumenten festzustellen, durch welchen Spalt ein Elektron tatsächlich geht, veränderte sich das Bild auf dem Bildschirm dramatisch und wurde „klassisch“: mit zwei Leuchtfeldern direkt gegenüber den Spalten, ohne Wechselstreifen.

Die Elektronen schienen ihre Wellennatur nur ungern dem wachsamen Auge der Zuschauer zu offenbaren. Es sieht aus wie ein Geheimnis, das in Dunkelheit gehüllt ist. Aber es gibt eine einfachere Erklärung: Die Beobachtung des Systems kann nicht ohne physikalische Beeinflussung durchgeführt werden. Wir werden dies später besprechen.

2. Erhitzte Fullerene

Experimente zur Teilchenbeugung wurden nicht nur mit Elektronen, sondern auch mit anderen, viel größeren Objekten durchgeführt. Beispielsweise wurden Fullerene verwendet, große und geschlossene Moleküle, die aus mehreren zehn Kohlenstoffatomen bestehen. Kürzlich versuchte eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität Wien unter der Leitung von Professor Zeilinger, ein Element der Beobachtung in diese Experimente einzubauen. Dazu bestrahlten sie bewegte Fullerenmoleküle mit Laserstrahlen. Dann, durch eine externe Quelle erhitzt, begannen die Moleküle zu leuchten und reflektierten unweigerlich ihre Anwesenheit für den Betrachter.

Mit dieser Innovation hat sich auch das Verhalten von Molekülen verändert. Vor einer solch umfassenden Beobachtung wichen Fullerene ziemlich erfolgreich einem Hindernis aus (wobei sie Welleneigenschaften aufwiesen), ähnlich wie im vorherigen Beispiel, bei dem Elektronen auf einen Schirm trafen. Aber mit der Anwesenheit eines Beobachters begannen sich Fullerene wie vollkommen gesetzestreue physikalische Teilchen zu verhalten.

3. Kühlmessung

Eines der bekanntesten Gesetze in der Welt der Quantenphysik ist die Heisenbergsche Unschärferelation, nach der es unmöglich ist, Geschwindigkeit und Position eines Quantenobjekts gleichzeitig zu bestimmen. Je genauer wir den Impuls eines Teilchens messen, desto ungenauer können wir seine Position messen. In unserer makroskopischen realen Welt bleibt die Gültigkeit von Quantengesetzen, die auf winzige Teilchen wirken, jedoch normalerweise unbemerkt.

Neuere Experimente von Prof. Schwab aus den USA leisten einen sehr wertvollen Beitrag auf diesem Gebiet. Quanteneffekte in diesen Experimenten wurden nicht auf der Ebene von Elektronen oder Fullerenmolekülen (die einen ungefähren Durchmesser von 1 nm haben), sondern auf größeren Objekten, einem winzigen Aluminiumband, demonstriert. Dieses Band wurde auf beiden Seiten so befestigt, dass seine Mitte in schwebendem Zustand war und unter äußerer Einwirkung schwingen konnte. Außerdem wurde in der Nähe ein Gerät aufgestellt, das in der Lage ist, die Position des Bandes genau aufzuzeichnen. Als Ergebnis des Experiments wurden mehrere interessante Dinge entdeckt. Erstens beeinflusste jede Messung, die sich auf die Position des Objekts und die Beobachtung des Bandes bezog, es, nach jeder Messung änderte sich die Position des Bandes.

Die Experimentatoren bestimmten mit hoher Genauigkeit die Koordinaten des Bandes und veränderten damit nach dem Heisenberg-Prinzip seine Geschwindigkeit und damit die spätere Position. Zweitens führten einige Messungen völlig unerwartet zu einer Abkühlung des Bandes. Somit kann ein Beobachter die physikalischen Eigenschaften von Objekten durch ihre bloße Anwesenheit verändern.

4. Einfrieren von Partikeln

Wie Sie wissen, zerfallen instabile radioaktive Teilchen nicht nur in Experimenten mit Katzen, sondern auch von selbst. Jedes Teilchen hat eine durchschnittliche Lebensdauer, die sich, wie sich herausstellt, unter dem wachsamen Auge eines Beobachters verlängern kann. Dieser Quanteneffekt wurde bereits in den 60er Jahren vorhergesagt, und sein brillanter experimenteller Beweis erschien in einem Artikel, der von einer Gruppe unter der Leitung des Physik-Nobelpreisträgers Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology veröffentlicht wurde.

In dieser Arbeit wurde der Zerfall instabiler angeregter Rubidiumatome untersucht. Unmittelbar nach der Herstellung des Systems wurden die Atome mit einem Laserstrahl angeregt. Die Beobachtung erfolgte in zwei Modi: kontinuierlich (das System wurde ständig kleinen Lichtpulsen ausgesetzt) ​​und gepulst (das System wurde von Zeit zu Zeit mit stärkeren Pulsen bestrahlt).

Die erhaltenen Ergebnisse stimmten vollständig mit den theoretischen Vorhersagen überein. Äußere Lichteffekte verlangsamen den Zerfall von Partikeln und bringen sie in ihren ursprünglichen Zustand zurück, der weit vom Zerfallszustand entfernt ist. Auch das Ausmaß dieses Effekts stimmte mit den Vorhersagen überein. Die maximale Lebensdauer von instabilen angeregten Rubidiumatomen erhöhte sich um den Faktor 30.

5. Quantenmechanik und Bewusstsein

Elektronen und Fullerene verlieren ihre Welleneigenschaften, Aluminiumplatten kühlen ab und instabile Teilchen verlangsamen ihren Zerfall. Das wachsame Auge des Betrachters verändert buchstäblich die Welt. Warum kann dies kein Beweis für die Beteiligung unseres Verstandes an der Arbeit der Welt sein? Vielleicht hatten Carl Jung und Wolfgang Pauli (österreichischer Physiker, Nobelpreisträger, Pionier der Quantenmechanik) doch recht, als sie sagten, dass die Gesetze der Physik und des Bewusstseins als komplementär betrachtet werden sollten?

Wir sind nur einen Schritt davon entfernt zu erkennen, dass die Welt um uns herum einfach ein illusorisches Produkt unseres Geistes ist. Die Vorstellung ist beängstigend und verlockend. Versuchen wir uns wieder den Physikern zuzuwenden. Besonders in den letzten Jahren, als immer weniger Menschen glauben, dass die Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik mit ihrer mysteriösen Wellenfunktion zusammenbricht und sich einer profaneren und zuverlässigeren Dekohärenz zuwendet.

Tatsache ist, dass bei all diesen Experimenten mit Beobachtungen die Experimentatoren das System zwangsläufig beeinflusst haben. Sie beleuchteten es mit einem Laser und installierten Messgeräte. Sie einte ein wichtiges Prinzip: Man kann ein System nicht beobachten oder seine Eigenschaften messen, ohne mit ihm zu interagieren. Jede Interaktion ist ein Prozess der Änderung von Eigenschaften. Vor allem, wenn ein winziges Quantensystem kolossalen Quantenobjekten ausgesetzt ist. Ein ewig neutraler buddhistischer Beobachter ist im Prinzip unmöglich. Und hier kommt der Begriff „Dekohärenz“ ins Spiel, der aus Sicht der Thermodynamik irreversibel ist: Die Quanteneigenschaften eines Systems ändern sich bei der Wechselwirkung mit einem anderen großen System.

Während dieser Wechselwirkung verliert das Quantensystem seine ursprünglichen Eigenschaften und wird klassisch, als würde es einem großen System „gehorchen“. Das erklärt auch das Paradoxon von Schrödingers Katze: Die Katze ist ein zu großes System, um nicht vom Rest der Welt isoliert werden zu können. Das Design dieses Gedankenexperiments ist nicht ganz korrekt.

Jedenfalls, wenn wir die Realität des Schöpfungsakts durch das Bewusstsein annehmen, scheint die Dekohärenz ein viel bequemerer Ansatz zu sein. Vielleicht sogar zu bequem. Mit diesem Ansatz wird die gesamte klassische Welt zu einer großen Konsequenz der Dekohärenz. Und wie der Autor eines der berühmtesten Bücher auf diesem Gebiet feststellte, führt ein solcher Ansatz logischerweise zu Aussagen wie „es gibt keine Teilchen auf der Welt“ oder „es gibt keine Zeit auf einer fundamentalen Ebene“.

Was ist die Wahrheit: im Schöpfer-Beobachter oder mächtige Dekohärenz? Wir müssen zwischen zwei Übeln wählen. Dennoch sind Wissenschaftler zunehmend davon überzeugt, dass Quanteneffekte eine Manifestation unserer mentalen Prozesse sind. Und wo die Beobachtung endet und die Realität beginnt, hängt von jedem von uns ab.