Hei rakkaat lukijat. Jos et halua jäädä jälkeen elämästä, ollaksesi todella onnellinen ja terve ihminen, sinun on tiedettävä nykyaikaisen kvanttifysiikan salaisuudet, ainakin oltava pieni käsitys siitä, mitä maailmankaikkeuden syvyyksiä tiedemiehet ovat kaivaneet esiin. tänään. Sinulla ei ole aikaa mennä syviin tieteellisiin yksityiskohtiin, mutta haluat ymmärtää vain olemuksen, mutta nähdä tuntemattoman maailman kauneus, niin tämä artikkeli: kvanttifysiikka tavallisille nukkeille tai, voisi sanoa, kotiäidille, on vain sinulle. Yritän selittää mitä kvanttifysiikka on, mutta yksinkertaisin sanoin, osoittaakseni selvästi.

"Mikä on yhteys onnen, terveyden ja kvanttifysiikan välillä?" kysyt.

Tosiasia on, että se auttaa vastaamaan moniin käsittämättömiin kysymyksiin, jotka liittyvät ihmisen tietoisuuteen, tietoisuuden vaikutukseen kehoon. Valitettavasti klassiseen fysiikkaan tukeutuva lääketiede ei aina auta meitä olemaan terveitä. Ja psykologia ei voi oikein kertoa sinulle, kuinka löytää onnea.

Vain syvemmälle tunteminen maailmasta auttaa meitä ymmärtämään, kuinka todella selviytyä sairaudesta ja missä onnellisuus asuu. Tämä tieto löytyy maailmankaikkeuden syvistä kerroksista. Kvanttifysiikka tulee apuun. Pian tiedät kaiken.

Mitä kvanttifysiikka tutkii yksinkertaisin sanoin

Kyllä, kvanttifysiikkaa on todella vaikea ymmärtää, koska se tutkii mikromaailman lakeja. Eli maailmaa syvemmillä kerroksilla, hyvin pienillä etäisyyksillä, joihin ihmisen on erittäin vaikea katsoa.

Ja maailma käyttäytyy siellä hyvin oudosti, salaperäisesti ja käsittämättömästi, ei niin kuin olemme tottuneet.

Tästä johtuu kvanttifysiikan monimutkaisuus ja väärinkäsitys.

Mutta luettuasi tämän artikkelin, laajennat tietosi horisontteja ja katsot maailmaa täysin eri tavalla.

Lyhyesti kvanttifysiikan historiasta

Kaikki alkoi 1900-luvun alussa, kun newtonilainen fysiikka ei pystynyt selittämään monia asioita ja tiedemiehet joutuivat umpikujaan. Sitten Max Planck esitteli kvantin käsitteen. Albert Einstein otti tämän idean ja osoitti, että valo ei etene jatkuvasti, vaan osissa - kvantteina (fotoneina). Ennen tätä uskottiin, että valolla on aaltoluonteinen.

Mutta kuten myöhemmin kävi ilmi, mikä tahansa alkuainehiukkanen ei ole vain kvantti, eli kiinteä hiukkanen, vaan myös aalto. Näin kvanttifysiikassa ilmaantui korpuskulaaristen aaltojen dualismi, ensimmäinen paradoksi ja mikromaailman mystisten ilmiöiden löytöjen alku.

Mielenkiintoisimmat paradoksit alkoivat, kun kuuluisa kaksoisrakokoe suoritettiin, minkä jälkeen mysteereistä tuli paljon enemmän. Voimme sanoa, että kvanttifysiikka alkoi hänestä. Katsotaanpa sitä.

Kaksoisrakokoe kvanttifysiikassa

Kuvittele levy, jossa on kaksi rakoa pystysuorien raitojen muodossa. Laitamme näytön tämän levyn taakse. Jos suuntaamme valon levylle, näemme näytöllä häiriökuvion. Eli vuorotellen tummat ja kirkkaat pystysuorat raidat. Häiriö on seurausta jonkin, tässä tapauksessa valon, aaltokäyttäytymisestä.

Jos kuljetat vesiaallon kahden vierekkäisen reiän läpi, ymmärrät mitä häiriö on. Eli valo osoittautuu tavallaan aaltoluonteiseksi. Mutta kuten fysiikka tai pikemminkin Einstein on osoittanut, se leviää fotonihiukkasten avulla. Jo paradoksi. Mutta ei hätää, korpuskulaaristen aaltojen dualismi ei enää yllätä meitä. Kvanttifysiikka kertoo meille, että valo käyttäytyy kuin aalto, mutta koostuu fotoneista. Mutta ihmeet ovat vasta alkamassa.

Laitetaan ase kaksiuraisen levyn eteen, joka ei lähetä valoa, vaan elektroneja. Aloitetaan elektronien ampuminen. Mitä näemme ruudulla levyn takana?

Loppujen lopuksi elektronit ovat hiukkasia, mikä tarkoittaa, että kahden raon läpi kulkevan elektronivirran tulisi jättää vain kaksi raitaa näytölle, kaksi jälkeä rakoja vastapäätä. Oletko kuvitellut kivien lentävän kahden aukon läpi ja osuvan näyttöön?

Mutta mitä me todella näemme? Kaikilla sama häiriökuvio. Mikä on johtopäätös: elektronit etenevät aalloissa. Elektronit ovat siis aaltoja. Mutta loppujen lopuksi se on alkeishiukkanen. Jälleen korpuskulaari-aaltodualismi fysiikassa.

Mutta voimme olettaa, että syvemmällä tasolla elektroni on hiukkanen, ja kun nämä hiukkaset kohtaavat, ne alkavat käyttäytyä aaltoina. Esimerkiksi meren aalto on aalto, mutta se koostuu vesipisaroista ja pienemmällä tasolla molekyyleistä ja sitten atomeista. Okei, logiikka on vankka.

Ammutaan sitten aseesta ei elektronivirralla, vaan vapautetaan elektronit erikseen, tietyn ajan kuluttua. Ikään kuin kulkisimme halkeamien läpi, ei meren aaltoa, vaan sylkeisimme yksittäisiä pisaroita lasten vesipyssystä.

On aivan loogista, että tässä tapauksessa eri vesipisarat putoavat eri aukkoihin. Levyn takana olevalla näytöllä ei voinut nähdä aallon interferenssikuviota, vaan kaksi erillistä törmäyshautaa kutakin rakoa vastapäätä. Näemme saman, jos heitämme pieniä kiviä, ne lentäen kahden halkeaman läpi jättäisivät jäljen, kuin varjon kahdesta reiästä. Ammutaan nyt yksittäisiä elektroneja nähdäksemme nämä kaksi raitaa näytöllä elektroniiskuista. He vapauttivat yhden, odottivat, toisen, odottivat ja niin edelleen. Kvanttifysiikot ovat pystyneet tekemään tällaisen kokeen.

Mutta kauhua. Näiden kahden reunan sijasta saadaan samat häiriövuorot useista hapsoista. Kuinka niin? Tämä voi tapahtua, jos elektroni lentää kahden raon läpi samanaikaisesti, mutta levyn takana se törmää aallon tavoin itsensä kanssa ja häiritsee. Mutta näin ei voi olla, koska hiukkanen ei voi olla kahdessa paikassa samaan aikaan. Se lentää joko ensimmäisen tai toisen aukon läpi.

Tästä alkavat kvanttifysiikan todella fantastiset asiat.

Superpositio kvanttifysiikassa

Syvemmällä analyysillä tutkijat huomaavat, että mikä tahansa alkeiskvanttihiukkanen tai sama valo (fotoni) voi itse asiassa olla useissa paikoissa samanaikaisesti. Ja nämä eivät ole ihmeitä, vaan mikrokosmoksen todellisia tosiasioita. Näin sanoo kvanttifysiikka. Siksi, kun ammumme erillistä hiukkasta tykistä, näemme häiriön tuloksen. Levyn takana elektroni törmää itsensä kanssa ja muodostaa interferenssikuvion.

Makrokosmosen tavalliset esineet ovat aina yhdessä paikassa, niillä on yksi tila. Esimerkiksi istut nyt tuolilla, painat esimerkiksi 50 kg, pulssi on 60 lyöntiä minuutissa. Tietenkin nämä merkit muuttuvat, mutta ne muuttuvat jonkin ajan kuluttua. Loppujen lopuksi et voi olla kotona ja töissä samaan aikaan, painaen 50 ja 100 kg. Kaikki tämä on ymmärrettävää, tämä on tervettä järkeä.

Mikrokosmoksen fysiikassa kaikki on erilaista.

Kvanttimekaniikka väittää, ja tämä on jo kokeellisesti vahvistettu, että mikä tahansa alkuainehiukkanen voi olla samanaikaisesti paitsi useissa pisteissä avaruudessa, vaan sillä voi olla samanaikaisesti useita tiloja, kuten spin.

Kaikki tämä ei sovi päähän, horjuttaa tavanomaista maailmakäsitystä, vanhoja fysiikan lakeja, kääntää ajattelun, voidaan turvallisesti sanoa, että se tekee hulluksi.

Näin tulemme ymmärtämään kvanttimekaniikan termin "superpositio".

Superpositio tarkoittaa sitä, että mikrokosmoksen esine voi olla samanaikaisesti avaruuden eri pisteissä, ja sillä voi olla myös useita tiloja samanaikaisesti. Ja tämä on normaalia alkuainehiukkasille. Sellainen on mikromaailman laki, vaikka se näyttää kuinka oudolta ja fantastiselta tahansa.

Olet yllättynyt, mutta nämä ovat vain kukkia, kvanttifysiikan selittämättömimmät ihmeet, mysteerit ja paradoksit ovat vielä edessä.

Aaltofunktion romahdus fysiikassa yksinkertaisella tavalla

Sitten tutkijat päättivät selvittää ja nähdä tarkemmin, kulkeeko elektroni todella molempien rakojen läpi. Yhtäkkiä se menee yhden raon läpi ja sitten jotenkin erottuu ja muodostaa häiriökuvion kulkiessaan läpi. No, eihän sitä koskaan tiedä. Eli sinun on asetettava jokin laite raon lähelle, joka tallentaisi tarkasti elektronin kulun sen läpi. Ei ennemmin sanottu kuin tehty. Tietenkin tämä on vaikea toteuttaa, et tarvitse laitetta, vaan jotain muuta nähdäksesi elektronin kulun. Mutta tiedemiehet ovat tehneet sen.

Mutta loppujen lopuksi tulos hämmästytti kaikkia.

Heti kun alamme katsoa, ​​minkä raon läpi elektroni kulkee, se alkaa käyttäytyä ei kuin aalto, ei kuin outo aine, joka sijaitsee eri pisteissä avaruudessa samanaikaisesti, vaan kuin tavallinen hiukkanen. Eli se alkaa näyttää kvantin erityisiä ominaisuuksia: se sijaitsee vain yhdessä paikassa, se kulkee yhden raon läpi, sillä on yksi spin-arvo. Näytölle ilmestyvä ei ole interferenssikuvio, vaan yksinkertainen jälki rakoa vastapäätä.

Mutta miten se on mahdollista. Ikään kuin elektroni leikkisi kanssamme. Aluksi se käyttäytyy kuin aalto, ja sitten, kun päätimme tarkastella sen kulkua raon läpi, sillä on kiinteän hiukkasen ominaisuuksia ja se kulkee vain yhden raon läpi. Mutta niin se on mikrokosmuksessa. Nämä ovat kvanttifysiikan lakeja.

Tiedemiehet ovat nähneet alkuainehiukkasten toisen salaperäisen ominaisuuden. Näin kvanttifysiikassa ilmaantuivat käsitteet aaltofunktion epävarmuudesta ja romahtamisesta.

Kun elektroni lentää kohti aukkoa, se on epämääräisessä tilassa tai, kuten edellä totesimme, superpositiossa. Eli se käyttäytyy kuin aalto, se sijaitsee samanaikaisesti eri pisteissä avaruudessa, sillä on kaksi spin-arvoa (spinillä on vain kaksi arvoa). Jos emme kosketa sitä, emme yrittäisi katsoa sitä, emme saaneet selville missä se on, jos emme mittaa sen spinin arvoa, se lentää kuin aalto kahden raon läpi. samaan aikaan, mikä tarkoittaa, että se loisi häiriökuvion. Kvanttifysiikka kuvaa sen liikerataa ja parametreja aaltofunktion avulla.

Kun olemme tehneet mittauksen (ja mikromaailman hiukkanen on mahdollista mitata vain olemalla vuorovaikutuksessa sen kanssa, esimerkiksi törmäämällä siihen toiseen hiukkaseen), aaltofunktio romahtaa.

Eli nyt elektroni on täsmälleen yhdessä paikassa avaruudessa, sillä on yksi spin-arvo.

Voidaan sanoa, että alkuainehiukkanen on kuin aave, se näyttää olevan olemassa, mutta samalla se ei ole yhdessä paikassa, ja tietyllä todennäköisyydellä se voi olla missä tahansa aaltofunktion kuvauksessa. Mutta heti kun alamme olla yhteydessä siihen, se muuttuu aavemaisesta esineestä todelliseksi konkreettiseksi aineeksi, joka käyttäytyy kuin meille tutut klassisen maailman tavalliset esineet.

"Tämä on upeaa", sanot. Toki, mutta kvanttifysiikan ihmeet ovat vasta alkamassa. Uskomattomin on vielä edessä. Mutta pidetään tauko tiedon runsaudesta ja palataan kvantiseikkailuihin joskus toisessa artikkelissa. Mieti sillä välin, mitä opit tänään. Mihin tällaiset ihmeet voivat johtaa? Loppujen lopuksi ne ympäröivät meitä, tämä on maailmamme ominaisuus, vaikkakin syvemmällä tasolla. Luulemmeko edelleen, että elämme tylsässä maailmassa? Mutta teemme johtopäätökset myöhemmin.

Yritin puhua kvanttifysiikan perusteista lyhyesti ja selkeästi.

Mutta jos et ymmärrä jotain, niin katso tämä sarjakuva kvanttifysiikasta, kokeesta kahdella raolla, kaikki kerrotaan siellä myös ymmärrettävällä, yksinkertaisella kielellä.

Sarjakuva kvanttifysiikasta:

Tai voit katsoa tämän videon, kaikki loksahtaa paikoilleen, kvanttifysiikka on erittäin mielenkiintoista.

Video kvanttifysiikasta:

Miten et tiennyt tästä aiemmin?

Nykyaikaiset kvanttifysiikan löydöt muuttavat tuttua materiaalimaailmaamme.

Mielestäni on turvallista sanoa, että kukaan ei ymmärrä kvanttimekaniikkaa.

Fyysikko Richard Feynman

Ei ole liioittelua sanoa, että puolijohdelaitteiden keksintö oli vallankumous. Tämä ei ole vain vaikuttava teknologinen saavutus, vaan se myös tasoitti tietä tapahtumille, jotka muuttavat modernin yhteiskunnan ikuisesti. Puolijohdelaitteita käytetään kaikenlaisissa mikroelektronisissa laitteissa, mukaan lukien tietokoneet, tietyntyyppiset lääketieteelliset diagnostiikka- ja hoitolaitteet sekä suositut tietoliikennelaitteet.

Mutta tämän teknologisen vallankumouksen takana on vielä enemmän, yleisen tieteen vallankumous: kenttä kvanttiteoria. Ilman tätä luonnonmaailman ymmärtämisen harppausta puolijohdelaitteiden (ja kehitteillä olevien kehittyneempien elektronisten laitteiden) kehittäminen ei olisi koskaan onnistunut. Kvanttifysiikka on uskomattoman monimutkainen tieteenala. Tämä luku tarjoaa vain lyhyen yleiskatsauksen. Kun Feynmanin kaltaiset tiedemiehet sanovat "kukaan ei ymmärrä [se]", voit olla varma, että tämä on todella vaikea aihe. Ilman kvanttifysiikan perusymmärrystä tai ainakin ymmärrystä niiden kehitykseen johtaneista tieteellisistä löydöistä on mahdotonta ymmärtää, miten ja miksi puolijohdeelektroniikkalaitteet toimivat. Useimmat elektroniikkaoppikirjat yrittävät selittää puolijohteita "klassisen fysiikan" avulla, mikä tekee niistä entistä hämmentävämpää ymmärtää.

Monet meistä ovat nähneet atomimallikaavioita, jotka näyttävät alla olevan kuvan kaltaisista.

Rutherford-atomi: negatiiviset elektronit kiertävät pienen positiivisen ytimen

Pienet aineen hiukkaset ns protonit Ja neutroneja, muodostavat atomin keskuksen; elektroneja pyörivät kuin planeetat tähden ympärillä. Ytimessä on positiivinen sähkövaraus protonien läsnäolon vuoksi (neutroneilla ei ole sähkövarausta), kun taas atomin tasapainottava negatiivinen varaus sijaitsee kiertävissä elektroneissa. Negatiiviset elektronit vetäytyvät positiivisiin protoniin, kuten planeetat vetoavat aurinkoon, mutta kiertoradat ovat vakaat elektronien liikkeen vuoksi. Olemme tämän suositun atomimallin velkaa Ernest Rutherfordin työlle. Hän päätti kokeellisesti noin vuonna 1911, että atomien positiiviset varaukset ovat keskittyneet pieneen, tiheään ytimeen eivätkä jakautuneet tasaisesti halkaisijalle, kuten tutkimusmatkailija J. J. Thomson oli aiemmin olettanut. .

Rutherfordin sirontakoe koostuu ohuen kultakalvon pommittamisesta positiivisesti varautuneilla alfahiukkasilla, kuten alla olevassa kuvassa näkyy. Nuoret jatko-opiskelijat H. Geiger ja E. Marsden saivat odottamattomia tuloksia. Joidenkin alfahiukkasten liikerata poikkesi suurella kulmalla. Jotkut alfahiukkaset olivat hajallaan taaksepäin, lähes 180° kulmassa. Suurin osa hiukkasista kulki kultakalvon läpi muuttamatta lentorataa, ikään kuin kalvoa ei olisi ollenkaan. Se, että useat alfahiukkaset kokivat suuria poikkeamia liikeradassaan, osoittaa ytimien läsnäolon pienellä positiivisella varauksella.

Rutherfordin sironta: alfahiukkassäde on siroteltu ohuella kultakalvolla

Vaikka Rutherfordin atomimallia tuettiin kokeellisilla tiedoilla paremmin kuin Thomsonin, se oli silti epätäydellinen. Lisäyrityksiä yritettiin määrittää atomin rakenne, ja nämä yritykset auttoivat tasoittamaan tietä kvanttifysiikan omituisille löydöille. Nykyään ymmärryksemme atomista on hieman monimutkaisempi. Huolimatta kvanttifysiikan vallankumouksesta ja sen panoksesta atomin rakenteen ymmärtämiseen, Rutherfordin kuvaus aurinkokunnasta atomin rakenteena on juurtunut kansantietoisuuteen siinä määrin, että se säilyy koulutuksen aloilla, vaikka se olisi väärässä paikassa.

Harkitse tätä lyhyttä kuvausta atomin elektroneista, joka on otettu suositusta elektroniikkaoppikirjasta:

Pyörivät negatiiviset elektronit vetäytyvät positiiviseen ytimeen, mikä johtaa meidät kysymykseen, miksi elektronit eivät lennä atomin ytimeen. Vastaus on, että pyörivät elektronit pysyvät vakaalla kiertoradalla kahden samanlaisen mutta vastakkaisen voiman vuoksi. Elektroneihin vaikuttava keskipakovoima suuntautuu ulospäin, ja varausten vetovoima yrittää vetää elektroneja kohti ydintä.

Rutherfordin mallin mukaisesti kirjoittaja pitää elektroneja kiinteinä ainekappaleina, jotka kulkevat pyöreillä kiertoradoilla, joiden sisäänpäin suuntautuva vetovoima vastakkaisesti varautuneeseen ytimeen on tasapainotettu niiden liikkeellä. Käsitteen "keskipakovoima" käyttö on teknisesti virheellistä (jopa kiertäville planeetoille), mutta tämä on helppo antaa anteeksi mallin yleisen hyväksynnän vuoksi: itse asiassa ei ole olemassa sellaista asiaa kuin voima, vastenmielinenminkä tahansa pyörivä kappale kiertoradansa keskipisteestä. Tämä näyttää olevan näin, koska kehon inertia pyrkii pitämään sen liikkeessä suorassa linjassa ja koska kiertorata on jatkuva poikkeama (kiihtyvyys) suoraviivaisesta liikkeestä, on jatkuva inertiareaktio mihin tahansa voimiin, jotka houkuttelevat kehon keskustaan. kiertoradan (keskitasoinen), joko painovoima, sähköstaattinen vetovoima tai jopa mekaanisen sidoksen jännitys.

Tämän selityksen todellinen ongelma on kuitenkin ensinnäkin ajatus elektronien liikkumisesta ympyräradalla. Todistettu tosiasia, että kiihdytetyt sähkövaraukset lähettävät sähkömagneettista säteilyä, se tiedettiin jo Rutherfordin aikana. Koska pyörivä liike on kiihtyvyyden muoto (pyörivä kappale jatkuvassa kiihtyvyydessä, joka vetää kohteen pois normaalista suoraviivaisesta liikkeestään), pyörivässä tilassa olevien elektronien on emittoitava säteilyä mudan tavoin pyörivästä pyörästä. Elektronit kiihtyivät pyöreitä reittejä pitkin hiukkaskiihdyttimissä ns synkrotronit joiden tiedetään tekevän tätä, ja tulosta kutsutaan synkrotronisäteilyä. Jos elektronit menettäisivät energiaa tällä tavalla, niiden kiertoradat lopulta häiriintyisivät ja sen seurauksena ne törmäävät positiivisesti varautuneeseen ytimeen. Kuitenkin atomien sisällä tätä ei yleensä tapahdu. Itse asiassa elektroniset "kiertoradat" ovat yllättävän vakaita monissa olosuhteissa.

Lisäksi kokeet "herätetyillä" atomeilla ovat osoittaneet, että atomi lähettää sähkömagneettista energiaa vain tietyillä taajuuksilla. Atomit "kiinnittyvät" ulkoisista vaikutuksista, kuten valosta, jonka tiedetään absorboivan energiaa ja palauttavan sähkömagneettisia aaltoja tietyillä taajuuksilla, aivan kuten äänihaarukka, joka ei soi tietyllä taajuudella ennen kuin se osuu siihen. Kun virittyneen atomin lähettämä valo jaetaan prismalla sen komponenttitaajuuksiksi (väreiksi), spektristä löytyy yksittäisiä värijuovia, spektriviivakuvio on ainutlaatuinen kemialliselle alkuaineelle. Tätä ilmiötä käytetään yleisesti kemiallisten alkuaineiden tunnistamiseen ja jopa kunkin alkuaineen suhteiden mittaamiseen yhdisteessä tai kemiallisessa seoksessa. Rutherfordin atomimallin aurinkokunnan (suhteessa elektroneihin, aineen kappaleina, jotka pyörivät vapaasti kiertoradalla jollain säteellä) ja klassisen fysiikan lakien mukaan virittyneiden atomien on palautettava energiaa lähes äärettömällä taajuusalueella, eikä valituilla taajuuksilla. Toisin sanoen, jos Rutherfordin malli olisi oikea, silloin ei olisi "äänityshaarukka" -efektiä, ja minkä tahansa atomin säteilemä värispektri näyttäisi jatkuvana värinauhana useana erillisenä juovana.

Bohrin vetyatomimalli (jossa kiertoradat on piirretty mittakaavassa) olettaa, että elektronit ovat vain erillisillä kiertoradoilla. Elektronit, jotka liikkuvat arvosta n = 3, 4, 5 tai 6 arvoon n = 2, näytetään Balmerin spektriviivojen sarjassa

Niels Bohr-niminen tutkija yritti parantaa Rutherfordin mallia tutkittuaan sitä Rutherfordin laboratoriossa useita kuukausia vuonna 1912. Yrittäessään sovittaa yhteen muiden fyysikkojen (erityisesti Max Planckin ja Albert Einsteinin) tuloksia Bohr ehdotti, että jokaisella elektronilla oli tietty määrä energiaa ja että niiden kiertoradat olivat jakautuneet siten, että jokainen niistä voisi miehittää tietyn ytimen ympärillä olevat paikat, kuten pallot. , jotka on kiinnitetty ympyrämäisille reiteille ytimen ympärillä, eivätkä vapaasti liikkuvina satelliitteina, kuten aiemmin oletettiin (kuva yllä). Sähkömagnetismin ja kiihdyttävien varausten lakeja kunnioittaen Bohr kutsui "kiertoradat" nimellä kiinteät tilat välttääkseen tulkinnan, jonka mukaan he olivat liikkuvia.

Vaikka Bohrin kunnianhimoinen yritys ajatella uudelleen atomin rakennetta, joka vastasi paremmin kokeellisia tietoja, oli virstanpylväs fysiikassa, sitä ei saatu päätökseen. Hänen matemaattinen analyysinsä ennusti kokeiden tulokset paremmin kuin aikaisemmilla malleilla suoritetut, mutta vielä jäi vastaamattomia kysymyksiä siitä oliko Miksi elektronien täytyy käyttäytyä niin oudolla tavalla. Väite, jonka mukaan elektronit olivat olemassa ytimen ympärillä olevissa stationaarisissa kvanttitiloissa, korreloi paremmin kokeellisten tietojen kanssa kuin Rutherfordin malli, mutta se ei kertonut, mikä saa elektronit ottamaan nämä erityistilat. Vastaus tähän kysymykseen oli peräisin toiselta fyysikolta, Louis de Broglielta, noin kymmenen vuotta myöhemmin.

De Broglie ehdotti, että elektroneilla, kuten fotoneilla (valohiukkasilla), on sekä hiukkasten että aaltojen ominaisuuksia. Tämän oletuksen perusteella hän ehdotti, että pyörivien elektronien analyysi aaltojen suhteen on parempi kuin hiukkasten kannalta ja voi antaa enemmän käsitystä niiden kvanttiluonteesta. Itse asiassa toinen läpimurto tapahtui ymmärtämisessä.

Resonanssitaajuudella värähtelevä merkkijono kahden kiinteän pisteen välillä muodostaa seisovan aallon

Atomi koostui de Broglien mukaan seisovista aalloista, ilmiön, jonka fyysikot tuntevat hyvin eri muodoissa. Kuten musiikki-instrumentin kynitty kieli (kuvassa yllä), joka värähtelee resonanssitaajuudella ja "solmuja" ja "antisolmuja" vakaissa paikoissa sen pituudella. De Broglie kuvitteli elektronit atomien ympärillä aaltoina, jotka kaareutuivat ympyräksi (kuva alla).

"Pyörivät" elektronit kuten seisova aalto ytimen ympärillä, (a) kaksi sykliä kiertoradalla, (b) kolme sykliä kiertoradalla

Elektronit voivat esiintyä vain tietyillä, tietyillä "kiertoradoilla" ytimen ympärillä, koska ne ovat ainoat etäisyydet, joilla aallon päät osuvat yhteen. Millä tahansa muulla säteellä aalto törmää tuhoisasti itsensä kanssa ja lakkaa siten olemasta.

De Broglien hypoteesi tarjosi sekä matemaattisen kehyksen että kätevän fysikaalisen analogian selittääkseen elektronien kvanttitilat atomin sisällä, mutta hänen mallinsa atomista oli vielä epätäydellinen. Useiden vuosien ajan itsenäisesti työskentelevät fyysikot Werner Heisenberg ja Erwin Schrödinger ovat työskennelleet de Broglien aalto-hiukkasten kaksinaisuuden käsitteen parissa luodakseen tiukempia matemaattisia malleja subatomisista hiukkasista.

Tämä teoreettinen edistysaskel de Broglien primitiivisestä seisomaaaltomallista Heisenberg-matriisin ja Schrödinger-differentiaaliyhtälön malleihin on saanut nimen kvanttimekaniikka, ja se on tuonut subatomisten hiukkasten maailmaan melko järkyttävän piirteen: todennäköisyyden merkin, tai epävarmuus. Uuden kvanttiteorian mukaan oli mahdotonta määrittää hiukkasen tarkkaa sijaintia ja tarkkaa liikemäärää yhdellä hetkellä. Suosittu selitys tälle "epävarmuusperiaatteelle" oli mittausvirhe (eli kun yrität mitata tarkasti elektronin paikan, häiritset sen liikemäärää, etkä siksi voi tietää mikä se oli ennen kuin aloitit paikan mittaamisen , ja päinvastoin). Kvanttimekaniikan sensaatiomainen johtopäätös on, että hiukkasilla ei ole tarkkaa paikkaa ja momenttia, ja näiden kahden suureen välisen suhteen vuoksi niiden yhdistetty epävarmuus ei koskaan laske alle tietyn minimiarvon.

Tämä "epävarmuus"-yhteyden muoto on olemassa myös muilla aloilla kuin kvanttimekaniikassa. Kuten tämän kirjasarjan 2. osan luvussa "Mixed Frequency AC Signals" on käsitelty, aaltomuodon aikatason datan luottamuksen ja sen taajuusalueen tietojen välillä on toisensa poissulkevia suhteita. Yksinkertaisesti sanottuna, mitä enemmän tiedämme sen komponenttitaajuudet, sitä vähemmän tarkasti tiedämme sen amplitudin ajan kuluessa ja päinvastoin. Itseäni lainaten:

Äärettömän kestoinen signaali (ääretön määrä jaksoja) voidaan analysoida absoluuttisella tarkkuudella, mutta mitä vähemmän jaksoja tietokoneella on analysoitavaa varten, sitä vähemmän tarkka analyysi... Mitä vähemmän signaalin jaksoja, sitä tarkempi sen taajuus . Kun tämä konsepti viedään loogiseen ääripäähän, lyhyellä pulssilla (ei edes signaalin täydellä jaksolla) ei oikeastaan ​​ole määriteltyä taajuutta, se on ääretön taajuusalue. Tämä periaate on yhteinen kaikille aaltoilmiöille, ei vain muuttuville jännitteille ja virroille.

Jotta voimme määrittää muuttuvan signaalin amplitudin tarkasti, meidän on mitattava se hyvin lyhyessä ajassa. Tämän tekeminen kuitenkin rajoittaa tietämystämme aallon taajuudesta (kvanttimekaniikan aallon ei tarvitse olla samanlainen kuin siniaalto; tällainen samankaltaisuus on erikoistapaus). Toisaalta, jotta voimme määrittää aallon taajuuden suurella tarkkuudella, meidän on mitattava se useiden jaksojen aikana, mikä tarkoittaa, että menetämme sen amplitudin milloin tahansa. Näin ollen emme voi samanaikaisesti tietää minkään aallon hetkellistä amplitudia ja kaikkia taajuuksia rajoittamattomalla tarkkuudella. Toinen omituisuus, tämä epävarmuus on paljon suurempi kuin tarkkailijan epätarkkuus; se kuuluu aallon luonteeseen. Tämä ei pidä paikkaansa, vaikka olisi mahdollista, jos asianmukainen tekniikka antaa tarkat mittaukset sekä hetkellisestä amplitudista että taajuudesta samanaikaisesti. Kirjaimellisessa mielessä aallolla ei voi olla tarkkaa hetkellistä amplitudia ja tarkkaa taajuutta samanaikaisesti.

Heisenbergin ja Schrödingerin ilmaisemalla hiukkasten sijainnin ja liikemäärän vähimmäisepävarmuudella ei ole mitään tekemistä mittausrajoituksen kanssa; pikemminkin se on hiukkasen aalto-hiukkas-kaksoisisuuden luontainen ominaisuus. Siksi elektronit eivät itse asiassa ole olemassa "kiertoradoillaan" tarkasti määriteltyinä aineen hiukkasina tai edes tarkasti määriteltyinä aaltomuotoina, vaan pikemminkin "pilvinä" - tekninen termi. aaltofunktio todennäköisyysjakaumat, ikään kuin jokainen elektroni olisi "sironnut" tai "siirtynyt" eri paikoissa ja momenteissa.

Tämä radikaali näkemys elektroneista määrittelemättöminä pilvinä on aluksi ristiriidassa elektronien kvanttitilojen alkuperäisen periaatteen kanssa: elektronit ovat olemassa erillisillä, määrätyillä "kiertoradoilla" atomin ytimen ympärillä. Tämä uusi näkemys oli loppujen lopuksi löytö, joka johti kvanttiteorian muodostumiseen ja selittämiseen. Kuinka oudolta näyttääkään, että teoria, joka on luotu selittämään elektronien erillistä käyttäytymistä, päätyy julistamaan, että elektronit ovat olemassa "pilvinä" eivätkä erillisinä ainekappaleina. Elektronien kvanttikäyttäytyminen ei kuitenkaan riipu elektroneista, joilla on tietyt koordinaatti- ja liikemääräarvot, vaan muista ominaisuuksista ns. kvanttiluvut. Pohjimmiltaan kvanttimekaniikka luopuu yleisistä absoluuttisen sijainnin ja absoluuttisen momentin käsitteistä ja korvaa ne tyyppien absoluuttisilla käsitteillä, joilla ei ole analogia yleisessä käytännössä.

Vaikka elektronien tiedetään esiintyvän ruumiittomina, "savuisissa" jakautuneen todennäköisyyden muodoissa erillisten aineosien sijaan, näillä "pilvillä" on hieman erilaiset ominaisuudet. Mikä tahansa atomissa oleva elektroni voidaan kuvata neljällä numeerisella suurella (aiemmin mainitut kvanttiluvut), joita kutsutaan pää (säteittäinen), orbitaali (atsimuutti), magneettinen Ja pyöritä numeroita. Alla on lyhyt katsaus kunkin numeron merkitykseen:

Pääkvanttiluku (radiaalinen).: merkitty kirjaimella n, tämä numero kuvaa kuorta, jolla elektroni sijaitsee. Elektronien "kuori" on atomin ytimen ympärillä oleva avaruusalue, jossa elektronit voivat esiintyä, mikä vastaa de Broglien ja Bohrin stabiileja "seisovan aallon" malleja. Elektronit voivat "hyppää" kuoresta kuoreen, mutta eivät voi olla niiden välillä.

Pääkvanttiluvun on oltava positiivinen kokonaisluku (suurempi tai yhtä suuri kuin 1). Toisin sanoen elektronin pääkvanttiluku ei voi olla 1/2 tai -3. Näitä kokonaislukuja ei valittu mielivaltaisesti, vaan valospektrin kokeellisten todisteiden avulla: virittyneiden vetyatomien lähettämän valon eri taajuudet (värit) seuraavat matemaattista suhdetta, joka riippuu tietyistä kokonaislukuarvoista, kuten alla olevasta kuvasta näkyy.

Jokaisella kuorella on kyky pitää sisällään useita elektroneja. Analogia elektronikuorille on samankeskiset istuinrivit amfiteatterissa. Aivan kuten amfiteatterissa istuvan henkilön on valittava rivi istumaan (hän ​​ei voi istua rivien välissä), elektronien on "valittava" tietty kuori "istuakseen alas". Kuten rivit amfiteatterissa, ulkokuoret sisältävät enemmän elektroneja kuin kuoret lähempänä keskustaa. Lisäksi elektroneilla on taipumus löytää pienin saatavilla oleva kuori, aivan kuten ihmiset amfiteatterissa etsivät paikkaa lähimpänä keskuslavaa. Mitä suurempi kuoriluku, sitä enemmän energiaa elektroneilla on siinä.

Suurin elektronien lukumäärä, jonka mikä tahansa kuori voi sisältää, kuvataan yhtälöllä 2n 2 , jossa n on pääkvanttiluku. Siten ensimmäinen kuori (n = 1) voi sisältää 2 elektronia; toinen kuori (n = 2) - 8 elektronia; ja kolmas kuori (n = 3) - 18 elektronia (kuva alla).

Pääkvanttiluku n ja elektronien maksimimäärä liittyvät toisiinsa kaavalla 2(n 2). Radat eivät ole mittakaavassa.

Atomin elektronikuoret merkittiin kirjaimilla eikä numeroilla. Ensimmäinen kuori (n = 1) nimettiin K:ksi, toinen kuori (n = 2) L, kolmas kuori (n = 3) M, neljäs kuori (n = 4) N, viides kuori (n = 5) O, kuudes kuori (n = 6) P ja seitsemäs kuori (n = 7) B.

Orbitaali (atsimuutti) kvanttiluku: alikuorista koostuva kuori. Joillekin saattaa olla kätevämpää ajatella, että osakuoret ovat yksinkertaisia ​​kuorien osia, kuten tien jakavia kaistoja. Alakuoret ovat paljon oudompia. Osakuoret ovat avaruuden alueita, joissa elektroni "pilviä" voi esiintyä, ja itse asiassa eri osakuoret ovat eri muotoisia. Ensimmäinen osakuori on pallon muotoinen (kuva alla (s)), mikä on järkevää, kun se visualisoidaan elektronipilvenä, joka ympäröi atomin ydintä kolmessa ulottuvuudessa.

Toinen osakuori muistuttaa käsipainoa, joka koostuu kahdesta "terälehdestä", jotka on yhdistetty yhteen kohtaan lähellä atomin keskustaa (kuva alla (p)).

Kolmas osakuori muistuttaa yleensä neljän "terälehden" sarjaa, jotka on ryhmitelty atomin ytimen ympärille. Nämä alikuoren muodot muistuttavat antennikuvioiden graafisia esityksiä sipulimaisilla keiloilla, jotka ulottuvat antennista eri suuntiin (kuva alla (d)).

Orbitaalit:
(s) kolmoissymmetria;
(p) Esitetty: px, yksi kolmesta mahdollisesta suunnasta (px, p y, p z) vastaavia akseleita pitkin;
(d) Esitetty: d x 2 -y 2 on samanlainen kuin d xy , d yz , d xz . Näytetään: d z 2 . Mahdollisten d-orbitaalien lukumäärä: viisi.

Orbitaalikvanttiluvun kelvolliset arvot ovat positiivisia kokonaislukuja, kuten pääkvanttiluvulle, mutta sisältävät myös nollan. Nämä elektronien kvanttiluvut on merkitty kirjaimella l. Osakuorten lukumäärä on yhtä suuri kuin kuoren pääkvanttiluku. Siten ensimmäisellä kuorella (n = 1) on yksi osakuori, jonka numero on 0; toisessa kuoressa (n = 2) on kaksi alikuorta, jotka on numeroitu 0 ja 1; kolmannessa kuoressa (n = 3) on kolme alikuorta, jotka on numeroitu 0, 1 ja 2.

Vanhassa osakuoressa käytettiin kirjaimia numeroiden sijaan. Tässä muodossa ensimmäinen osakuori (l = 0) merkittiin s:ksi, toinen osakuori (l = 1) merkittiin p:ksi, kolmas osakuori (l = 2) merkittiin d:ksi ja neljäs osakuori (l = 3) merkittiin merkitty f. Kirjeet tulivat sanoista: terävä, rehtori, hajanainen Ja Perusteellista. Voit silti nähdä nämä nimitykset monissa jaksollisissa taulukoissa, joita käytetään osoittamaan ulomman ( valenssi) atomien kuoret.

a) hopeaatomin Bohr-esitys,
(b) Ag:n kiertorataesitys, jossa kuoret jaetaan osakuoriksi (kiertoratakvanttiluku l).
Tämä kaavio ei kerro mitään elektronien todellisesta sijainnista, vaan edustaa vain energiatasoja.

Magneettinen kvanttiluku: Elektronin magneettinen kvanttiluku luokittelee elektronin osakuoren hahmon suunnan. Alakuorten "terälehdet" voidaan suunnata useisiin suuntiin. Näitä erilaisia ​​suuntauksia kutsutaan kiertoradoiksi. Ensimmäiselle osakuorelle (s; l = 0), joka muistuttaa palloa, "suuntaa" ei ole määritetty. Toiselle (p; l = 1) osakuorelle jokaisessa kuoressa, joka muistuttaa kolmeen mahdolliseen suuntaan osoittavaa käsipainoa. Kuvittele kolme käsipainoa, jotka leikkaavat origossa, joista jokainen osoittaa omaa akseliaan pitkin kolmiakselisessa koordinaattijärjestelmässä.

Tietyn kvanttiluvun kelvolliset arvot koostuvat kokonaisluvuista, jotka vaihtelevat -l:stä l:ään, ja tämä luku on merkitty m l atomifysiikassa ja z ydinfysiikassa. Laskeaksesi orbitaalien määrän missä tahansa osakuoressa sinun on tuplattava osakuoren lukumäärä ja lisättävä 1, (2∙l + 1). Esimerkiksi minkä tahansa kuoren ensimmäinen osakuori (l = 0) sisältää yhden kiertoradan, jonka numero on 0; toinen osakuori (l = 1) missä tahansa kuoressa sisältää kolme orbitaalia numeroilla -1, 0 ja 1; kolmas osakuori (l = 2) sisältää viisi orbitaalia numeroilla -2, -1, 0, 1 ja 2; ja niin edelleen.

Kuten pääkvanttiluku, magneettinen kvanttiluku syntyi suoraan kokeellisista tiedoista: Zeeman-ilmiö, spektrilinjojen erottaminen altistamalla ionisoitu kaasu magneettikentälle, mistä johtuu nimi "magneettinen" kvanttiluku.

Spin kvanttiluku: kuten magneettinen kvanttiluku, tämä atomin elektronien ominaisuus löydettiin kokeilla. Spektriviivojen huolellinen tarkkailu osoitti, että jokainen juova oli itse asiassa pari hyvin lähekkäin olevaa viivaa, on esitetty, että tämä ns. hieno rakenne oli seurausta siitä, että jokainen elektroni "pyöri" oman akselinsa ympäri, kuten planeetta. Elektronit, joilla on erilaisia ​​"pyörteitä", antaisivat hieman eri taajuuksia valoa virittyessään. Pyörivän elektronin käsite on nyt vanhentunut, ja se sopii paremmin (virheelliseen) näkemykseen elektroneista yksittäisinä aineen hiukkasina eikä "pilvinä", mutta nimi säilyy.

Spin-kvanttiluvut merkitään neiti atomifysiikassa ja sz ydinfysiikassa. Jokaisessa alikuoressa olevalla orbitaalilla voi olla kaksi elektronia kussakin kuoressa, joista toisella on spin +1/2 ja toisella spin -1/2.

Fyysikko Wolfgang Pauli kehitti periaatteen, joka selittää elektronien järjestyksen atomissa näiden kvanttilukujen mukaan. Hänen periaatteensa, ns Paulin poissulkemisperiaate, sanoo, että kaksi elektronia samassa atomissa ei voi olla samoissa kvanttitiloissa. Toisin sanoen jokaisella atomin elektronilla on ainutlaatuinen joukko kvanttilukuja. Tämä rajoittaa elektronien määrää, jotka voivat miehittää millä tahansa tietyllä kiertoradalla, osakuorella ja kuorella.

Tämä osoittaa elektronien järjestelyn vetyatomissa:

Kun ytimessä on yksi protoni, atomi hyväksyy yhden elektronin sähköstaattiseen tasapainoonsa (protonin positiivinen varaus on täsmälleen tasapainotettu elektronin negatiivisella varauksella). Tämä elektroni on alemmassa kuoressa (n = 1), ensimmäisessä osakuoressa (l = 0), tämän osakuoren ainoassa kiertoradassa (tilaorientaatiossa) (m l = 0), spin-arvolla 1/2. Yleinen menetelmä tämän rakenteen kuvaamiseksi on laskea elektronit niiden kuorien ja osakuorien mukaan, ns. spektroskooppinen merkintä. Tässä merkinnässä kuoren numero esitetään kokonaislukuna, osakuori kirjaimena (s,p,d,f) ja osakuoressa olevien elektronien kokonaismäärä (kaikki orbitaalit, kaikki spinit) yläindeksinä. Siten vetyä, jonka yksi elektroni on sijoitettu perustasolle, kuvataan 1s1:nä.

Siirryttäessä seuraavaan atomiin (atomiluvun järjestyksessä) saadaan alkuaine helium:

Heliumatomin ytimessä on kaksi protonia, mikä vaatii kaksi elektronia tasapainottamaan kaksinkertaisen positiivisen sähkövarauksen. Koska kaksi elektronia - toinen spin 1/2 ja toinen spin -1/2 - ovat samalla kiertoradalla, heliumin elektronirakenne ei vaadi ylimääräisiä alakuoria tai -kuoria pitämään toista elektronia.

Kuitenkin atomi, joka vaatii kolme tai useampia elektroneja, tarvitsee lisää alikuoria pitääkseen kaikki elektronit, koska vain kaksi elektronia voi olla pohjakuoressa (n = 1). Tarkastellaan seuraavaa atomia lisääntyvien atomilukujen sarjassa, litiumia:

Litiumatomi käyttää osaa kuoren kapasitanssista L (n = 2). Tämän kuoren kokonaiskapasiteetti on itse asiassa kahdeksan elektronia (maksimi kuoren kapasiteetti = 2n 2 elektronia). Jos tarkastelemme atomin rakennetta, jossa on täysin täytetty L-kuori, näemme kuinka kaikki osakuorten, orbitaalien ja spinien yhdistelmät ovat elektronien varassa:

Usein spektroskooppista merkintää määritettäessä atomille kaikki täysin täytetyt kuoret ohitetaan ja täyttämättömät kuoret ja huipputason täytetyt kuoret merkitään. Esimerkiksi elementti neon (näkyy yllä olevassa kuvassa), jossa on kaksi täysin täytettyä kuorta, voidaan kuvata spektraalisesti yksinkertaisesti nimellä 2p 6 mieluummin kuin 1s 22 s 22 p 6 . Litiumia, jossa on täysin täytetty K-kuori ja yksi elektroni L-kuoressa, voidaan yksinkertaisesti kuvata nimellä 2s 1 eikä 1s 22 s 1 .

Täysin täytettyjen alemman tason kuorien jättäminen pois ei ole vain merkinnän mukavuuden vuoksi. Se havainnollistaa myös kemian perusperiaatetta: alkuaineen kemiallisen käyttäytymisen määräävät ensisijaisesti sen täyttämättömät kuoret. Sekä vedyllä että litiumilla on yksi elektroni ulkokuorissaan (vastaavasti 1 ja 2s 1), eli molemmilla alkuaineilla on samanlaiset ominaisuudet. Molemmat ovat erittäin reaktiivisia ja reagoivat lähes identtisellä tavalla (sitoutuen samanlaisiin alkuaineisiin samoissa olosuhteissa). Sillä ei ole väliä, että litiumilla on täysin täytetty K-kuori lähes vapaan L-kuoren alla: täyttämätön L-kuori määrää sen kemiallisen käyttäytymisen.

Elementit, joilla on täysin täytetty ulkokuori, luokitellaan jaloiksi, ja niille on ominaista lähes täydellinen reagoimattomuus muiden elementtien kanssa. Nämä alkuaineet luokiteltiin inertteiksi, kun niiden ei katsottu reagoivan ollenkaan, mutta niiden tiedetään muodostavan yhdisteitä muiden alkuaineiden kanssa tietyissä olosuhteissa.

Koska elementeillä, joilla on sama elektronikonfiguraatio ulkokuorissaan, on samanlaiset kemialliset ominaisuudet, Dmitri Mendelejev järjesti kemialliset alkuaineet taulukkoon vastaavasti. Tämä taulukko tunnetaan nimellä , ja nykyaikaiset taulukot noudattavat tätä yleistä asettelua, joka näkyy alla olevassa kuvassa.

Kemiallisten alkuaineiden jaksollinen järjestelmä

Venäläinen kemisti Dmitri Mendelejev kehitti ensimmäisenä alkuaineiden jaksollisen taulukon. Vaikka Mendelejev järjesti taulukkonsa atomimassan, ei atomiluvun mukaan, ja loi taulukon, joka ei ollut yhtä hyödyllinen kuin nykyaikaiset jaksolliset taulukot, hänen kehitystyönsä on erinomainen esimerkki tieteellisestä todisteesta. Nähdessään jaksollisuuskuvioita (samanlaiset kemialliset ominaisuudet atomimassan mukaan) Mendelejev oletti, että kaikkien elementtien on sopia tähän järjestykseen. Kun hän löysi "tyhjiä" paikkoja taulukosta, hän seurasi olemassa olevan järjestyksen logiikkaa ja oletti vielä tuntemattomien elementtien olemassaolon. Näiden elementtien myöhempi löytö vahvisti Mendelejevin hypoteesin tieteellisen paikkansapitävyyden, lisälöydöt johtivat jaksollisen taulukon muotoon, jota käytämme nyt.

Kuten tämä on pakko työtiede: hypoteesit johtavat loogisiin johtopäätöksiin ja hyväksytään, muutetaan tai hylätään riippuen kokeellisen tiedon ja johtopäätösten johdonmukaisuudesta. Jokainen typerys voi muotoilla hypoteesin jälkikäteen selittääkseen saatavilla olevan kokeellisen tiedon, ja monet tekevätkin. Se, mikä erottaa tieteellisen hypoteesin post hoc -spekulaatiosta, on tulevaisuuden kokeellisen tiedon ennustaminen, jota ei ole vielä kerätty, ja mahdollisesti näiden tietojen kumoaminen seurauksena. Ohjaa hypoteesi rohkeasti loogiseen päätelmäänsä ja yritys ennustaa tulevien kokeiden tuloksia ei ole dogmaattinen uskonhyppy, vaan pikemminkin tämän hypoteesin julkinen testaus, avoin haaste hypoteesin vastustajille. Toisin sanoen tieteelliset hypoteesit ovat aina "riskialttiita", koska ne yrittävät ennustaa kokeiden tuloksia, joita ei ole vielä tehty, ja siksi ne voidaan väärentää, jos kokeet eivät mene odotetulla tavalla. Siten, jos hypoteesi ennustaa oikein toistettujen kokeiden tulokset, se kumotaan.

Kvanttimekaniikka ensin hypoteesina ja sitten teoriana on ollut erittäin onnistunut kokeiden tulosten ennustamisessa, ja siksi se on saanut korkean tieteellisen uskottavuuden. Monilla tiedemiehillä on syytä uskoa, että tämä on epätäydellinen teoria, koska sen ennusteet pitävät enemmän paikkansa mikrofysikaalisessa mittakaavassa kuin makroskooppisissa, mutta siitä huolimatta se on erittäin hyödyllinen teoria hiukkasten ja atomien vuorovaikutuksen selittämiseen ja ennustamiseen.

Kuten olet nähnyt tässä luvussa, kvanttifysiikka on olennainen monien erilaisten ilmiöiden kuvaamisessa ja ennustamisessa. Seuraavassa osiossa näemme sen merkityksen kiinteiden aineiden, mukaan lukien puolijohteiden, sähkönjohtavuudessa. Yksinkertaisesti sanottuna, kemiassa tai kiinteän olomuodon fysiikassa ei ole mitään järkeä yleisessä teoreettisessa elektronien rakenteessa, jotka esiintyvät yksittäisinä ainehiukkasina, jotka kiertävät atomin ytimen ympärillä, kuten pienoissatelliitit. Kun elektroneja pidetään "aaltofunktioina", jotka ovat olemassa tietyissä, erillisissä tiloissa, jotka ovat säännöllisiä ja jaksollisia, aineen käyttäytyminen voidaan selittää.

Yhteenvetona

Atomien elektronit esiintyvät hajautettujen todennäköisyyksien "pilvissä" eivätkä erillisinä ainehiukkasina, jotka pyörivät ytimen ympärillä, kuten pienoissatelliitit, kuten yleiset esimerkit osoittavat.

Yksittäiset elektronit atomin ytimen ympärillä pyrkivät ainutlaatuisiin "tiloihin", joita kuvaa neljä kvanttilukua: pääkvanttiluku (radiaalinen)., tunnetaan kuori; orbitaali (atsimuutti) kvanttiluku, tunnetaan alikuori; magneettinen kvanttiluku kuvaava kiertoradalla(alikuoren suuntaus); Ja spin-kvanttiluku tai yksinkertaisesti pyöritä. Nämä tilat ovat kvanttitiloja, eli "niiden välillä" ei ole ehtoja elektronin olemassaololle, paitsi tilat, jotka sopivat kvanttinumerointijärjestelmään.

Glanoe (säteittäinen) kvanttiluku (n) kuvaa perustason tai kuoren, jossa elektroni sijaitsee. Mitä suurempi tämä luku, sitä suurempi on elektronipilven säde atomin ytimestä ja sitä suurempi on elektronin energia. Pääkvanttiluvut ovat kokonaislukuja (positiivisia kokonaislukuja)

Orbitaali (atsimutaalinen) kvanttiluku (l) kuvaa elektronipilven muotoa tietyssä kuoressa tai tasolla ja tunnetaan usein "alikuorena". Missä tahansa kuoressa on yhtä monta osakuorta (elektronipilven muotoja) kuin kuoren pääkvanttiluku. Atsimuuttikvanttiluvut ovat positiivisia kokonaislukuja, jotka alkavat nollasta ja päättyvät numeroon, joka on pienempi kuin pääkvanttiluku yhdellä (n - 1).

Magneettinen kvanttiluku (m l) kuvaa alikuoren (elektronipilven muodon) suuntausta. Osakuorilla voi olla niin monta eri suuntausta kuin kaksinkertainen osakuoren luku (l) plus 1, (2l+1) (eli jos l=1, m l = -1, 0, 1), ja kutakin ainutlaatuista suuntausta kutsutaan kiertoradalla. . Nämä luvut ovat kokonaislukuja, jotka alkavat osakuoren luvun (l) negatiivisesta arvosta nollaan ja päättyvät alikuoriluvun positiiviseen arvoon.

Pyörimiskvanttiluku (m s) kuvaa elektronin toista ominaisuutta ja voi saada arvot +1/2 ja -1/2.

Paulin poissulkemisperiaate sanoo, että kaksi elektronia atomissa eivät voi jakaa samaa kvanttilukujoukkoa. Siksi kussakin kiertoradassa voi olla korkeintaan kaksi elektronia (spin=1/2 ja spin=-1/2), 2l+1 orbitaalia kussakin osakuoressa ja n osakuorta kussakin kuoressa, eikä enempää.

Spektroskooppinen merkintä on yleissopimus atomin elektroniselle rakenteelle. Kuoret esitetään kokonaislukuina, joita seuraa osakuoren kirjaimet (s, p, d, f) yläindeksinumeroineen, jotka osoittavat kustakin vastaavasta osakuoresta löydettyjen elektronien kokonaismäärän.

Atomin kemiallinen käyttäytyminen määräytyy yksinomaan täyttämättömissä kuorissa olevien elektronien avulla. Täysin täytetyillä matalan tason kuorilla on vain vähän tai ei ollenkaan vaikutusta alkuaineiden kemiallisiin sitoutumisominaisuuksiin.

Täysin täytetyillä elektronikuorilla varustetut alkuaineet ovat lähes täysin inerttejä, ja niitä kutsutaan jalo elementtejä (aiemmin inerttejä).

Kvantinė fizika statusas T ala fizika vastaamenys: engl. kvanttifysiikka vok. Quantenphysik, f rus. kvanttifysiikka, f pranc. physique quantique, f … Fizikos terminų žodynas

Tällä termillä on muita merkityksiä, katso paikallaan oleva tila. Kiinteä tila (latinasta stationarius seisoo paikallaan, liikkumaton) on kvanttijärjestelmän tila, jossa sen energia ja muut dynaamiset ... Wikipedia

- ... Wikipedia

Siinä on seuraavat alakohdat (luettelo on epätäydellinen): Kvanttimekaniikka Algebrallinen kvanttiteoria Kvanttikenttäteoria Kvanttielektrodynamiikka Kvanttikromodynamiikka Kvanttitermodynamiikka Kvanttipainovoima Superstring teoria Katso myös ... ... Wikipedia

Kvanttimekaniikka Epävarmuusperiaate Johdanto ... Matemaattinen muotoilu ... Perusteet ... Wikipedia

FYSIIKKA. 1. Fysiikan aine ja rakenne F. yksinkertaisimmin ja samalla eniten tutkiva tiede. meitä ympäröivän aineellisen maailman esineiden yleiset ominaisuudet ja liikelait. Tämän yleisyyden seurauksena ei ole olemassa luonnonilmiöitä, joilla ei olisi fyysistä. ominaisuudet... Fyysinen tietosanakirja

Hyperydinfysiikka on ydinfysiikan ja alkuainehiukkasfysiikan risteyksessä oleva fysiikan ala, jossa tutkimuskohteena ovat ytimen kaltaiset järjestelmät, jotka sisältävät protonien ja neutronien lisäksi muita alkuainehiukkasia hyperoneja. Myös ... ... Wikipedia

Fysiikan ala, joka tutkii hiukkasten dynamiikkaa kiihdyttimissä sekä lukuisia hiukkaskiihdytinten rakentamiseen ja toimintaan liittyviä teknisiä ongelmia. Kiihdytinten fysiikka sisältää kysymyksiä, jotka liittyvät hiukkasten tuotantoon ja kerääntymiseen ... Wikipedia

Kiteiden fysiikka Kristallikristallografia Kidehila Kidehilan tyypit Diffraktio kiteissä Käänteinen hila Wigner Seitzin solu Brillouinin vyöhyke Rakenteellinen kantakerroin Atomisirontakerroin Sidostyypit ... ... Wikipedia

Kvanttilogiikka on logiikan haara, jota tarvitaan kvanttiteorian periaatteet huomioivien lauseiden päättelyyn. Tämän tutkimusalueen perustivat vuonna 1936 Garit Bierhof ja John von Neumann, jotka yrittivät ... ... Wikipedia

Kirjat

• Kvanttifysiikka, Leonid Karlovich Martinson. Kvanttifysiikan taustalla oleva teoreettinen ja kokeellinen materiaali esitetään yksityiskohtaisesti. Paljon huomiota kiinnitetään kvanttiperuskäsitteiden fyysiseen sisältöön ja matemaattiseen ...
• Kvanttifysiikka, Sheddad Qaid-Sala Ferron. Koko maailmamme ja kaikki mitä siinä on - talot, puut ja jopa ihmiset! - koostuu pienistä hiukkasista. Kirja "Kvanttifysiikka" sarjasta "Ensimmäiset kirjat tieteestä" kertoo näkymättömistä meidän ...

Kun ihmiset kuulevat sanat "kvanttifysiikka", he yleensä harjaavat sen pois: "Se on jotain hirveän monimutkaista." Samaan aikaan näin ei todellakaan ole, eikä sanassa "kvantti" ole mitään kauheaa. Käsittämätöntä - tarpeeksi, mielenkiintoista - paljon, mutta pelottavaa - ei.

Tietoja kirjahyllyistä, tikkaista ja Ivan Ivanovichista

Kaikki prosessit, ilmiöt ja suureet ympärillämme olevassa maailmassa voidaan jakaa kahteen ryhmään: jatkuvat (tieteellisesti jatkuva ) ja epäjatkuva (tieteellisesti erillinen tai kvantisoitu ).

Kuvittele pöytä, jolle voit laittaa kirjan. Voit laittaa kirjan mihin tahansa pöydälle. Oikealla, vasemmalla, keskellä... Minne haluat - laita se sinne. Tässä tapauksessa fyysikot sanovat, että kirjan sijainti pöydällä muuttuu jatkuvasti .

Kuvittele nyt kirjahyllyt. Voit laittaa kirjan ensimmäiselle hyllylle, toiselle, kolmannelle tai neljännelle - mutta et voi laittaa kirjaa "jonnekin kolmannen ja neljännen väliin". Tässä tapauksessa kirjan sijainti muuttuu epäjatkuvasti , huomaamattomasti , kvantisoitu (Nämä sanat tarkoittavat samaa asiaa.)

Ympäröivä maailma on täynnä jatkuvia ja kvantisoituja määriä. Tässä on kaksi tyttöä - Katya ja Masha. Niiden korkeus on 135 ja 136 senttimetriä. Mikä tämä arvo on? Korkeus muuttuu jatkuvasti, se voi olla 135 ja puoli senttimetriä ja 135 senttimetriä ja neljäsosa. Mutta sen koulun luku, jossa tytöt opiskelevat, on kvantisoitu arvo! Oletetaan, että Katya opiskelee koulussa numero 135 ja Masha koulussa numero 136. Kukaan heistä ei kuitenkaan voi opiskella koulussa numero 135 ja puoli, eikö niin?

Toinen esimerkki kvantisoidusta järjestelmästä on shakkilauta. Shakkilaudalla on 64 ruutua, ja jokainen nappula voi olla vain yksi ruutu. Voimmeko asettaa pelinappulan jonnekin ruutujen väliin vai laittaa kaksi sotilasta yhdelle ruudulle kerralla? Itse asiassa voimme, mutta sääntöjen mukaan ei.

Jatkuva laskeutuminen

Ja tässä on liukumäki leikkikentällä. Lapset liukuvat siitä alas - koska liukumäen korkeus muuttuu tasaisesti, jatkuvasti. Kuvittele nyt, että tämä kukkula yhtäkkiä (heiluttaen taikasauvaa!) Muuttui portaikoksi. Hänen perseensä ei ole enää mahdollista kiertyä. Sinun täytyy kävellä jaloillasi - ensin yksi askel, sitten toinen, sitten kolmas. Arvo (korkeus) olemme muuttaneet jatkuvasti - mutta alkoi muuttua askelittain, eli huomaamattomasti, kvantisoitu .

Kvantisoitu laskeutuminen

Tarkistetaan!

1. Naapuri maalla, Ivan Ivanovich, meni naapurikylään ja sanoi: "Lepään jossain matkan varrella."

2. Naapuri maalla Ivan Ivanovitš meni naapurikylään ja sanoi "Minä menen jollain bussilla."

Mitä näistä kahdesta tilanteesta ("järjestelmästä") voidaan pitää jatkuvina ja mitä - kvantisoituna?

Vastaus:

Ensimmäisessä tapauksessa Ivan Ivanovich kävelee ja voi pysähtyä lepäämään missä tahansa vaiheessa. Tämä järjestelmä on siis jatkuva.

Toisessa Ivan Ivanovich voi nousta bussiin, joka on pysähtynyt. Voi ohittaa ja odottaa seuraavaa bussia. Mutta hän ei voi istua "jossain" bussien välissä. Joten tämä järjestelmä on kvantisoitu!

Kaikki on kiinni tähtitiedestä

Jatkuvien (jatkuvien) ja epäjatkuvien (kvantisoitu, epäjatkuva, diskreetti) suureiden olemassaolo tiesi hyvin jopa muinaiset kreikkalaiset. Kirjassaan Psammit (hiekanjyvien laskeminen) Archimedes jopa teki ensimmäisen yrityksen luoda matemaattinen suhde jatkuvien ja kvantisoitujen suureiden välille. Kvanttifysiikkaa ei kuitenkaan tuohon aikaan ollut olemassa.

Se oli olemassa vasta 1900-luvun alussa! Sellaiset suuret fyysikot kuin Galileo, Descartes, Newton, Faraday, Jung tai Maxwell eivät olleet koskaan kuulleet mistään kvanttifysiikasta ja tulivat hyvin toimeen ilman sitä. Saatat kysyä: miksi tiedemiehet sitten keksivät kvanttifysiikan? Mitä erikoista fysiikassa tapahtui? Kuvittele mitä tapahtui. Ei vain fysiikassa, vaan tähtitiedessä!

Salaperäinen satelliitti

Vuonna 1844 saksalainen tähtitieteilijä Friedrich Bessel havaitsi yötaivaamme kirkkaimman tähden, Siriuksen. Siihen mennessä tähtitieteilijät tiesivät jo, että tähdet taivaallamme eivät ole paikallaan - ne liikkuvat, vain hyvin, hyvin hitaasti. Lisäksi jokainen tähti on tärkeä! - liikkuu suorassa linjassa. Joten Siriusta tarkkaillessa kävi ilmi, että hän ei liiku ollenkaan suorassa linjassa. Tähti näytti "ravistelevan" ensin yhteen suuntaan, sitten toiseen. Siriuksen polku taivaalla oli kuin mutkainen viiva, jota matemaatikot kutsuvat "siniaalloksi".

Tähti Sirius ja sen satelliitti - Sirius B

Oli selvää, että tähti itse ei voinut liikkua niin. Suoraviivaisen liikkeen muuttamiseksi sinimuotoiseksi liikkeeksi tarvitaan jonkinlainen "häiritsevä voima". Siksi Bessel ehdotti, että raskas satelliitti pyörii Siriuksen ympärillä - tämä oli luonnollisin ja järkevin selitys.

Laskelmat kuitenkin osoittivat, että tämän satelliitin massan pitäisi olla suunnilleen sama kuin aurinkomme. Miksi emme sitten näe tätä satelliittia Maasta? Sirius ei ole kaukana aurinkokunnasta - noin kaksi ja puoli parsekkia, ja Auringon kokoisen esineen pitäisi näkyä erittäin hyvin ...

Se osoittautui vaikeaksi tehtäväksi. Jotkut tutkijat sanoivat, että tämä satelliitti on kylmä, jäähdytetty tähti - siksi se on täysin musta ja näkymätön planeetaltamme. Toiset sanoivat, että tämä satelliitti ei ole musta, vaan läpinäkyvä, minkä vuoksi emme näe sitä. Tähtitieteilijät ympäri maailmaa katsoivat Siriusta teleskooppien läpi ja yrittivät "saapata" salaperäisen näkymätön satelliitin, ja hän näytti pilkkaavan heitä. Oli jotain yllättävää, tiedäthän...

Tarvitsemme ihmeteleskoopin!

Tällaisessa kaukoputkessa ihmiset näkivät ensimmäisen kerran Siriuksen satelliitin

1800-luvun puolivälissä erinomainen teleskooppisuunnittelija Alvin Clark asui ja työskenteli Yhdysvalloissa. Ensimmäisessä ammatissaan hän oli taiteilija, mutta sattumalta hänestä tuli ensiluokkainen insinööri, lasintekijä ja tähtitieteilijä. Toistaiseksi kukaan ei ole pystynyt ylittämään hänen uskomattomia linssiteleskooppejaan! Yksi Alvin Clarken linsseistä (halkaisija 76 senttimetriä) on nähtävissä Pietarissa, Pulkovon observatorion museossa...

Poikkeamme kuitenkin. Joten vuonna 1867 Alvin Clark rakensi uuden kaukoputken - linssillä, jonka halkaisija oli 47 senttimetriä; se oli tuolloin Yhdysvaltain suurin teleskooppi. Salaperäinen Sirius valittiin ensimmäiseksi testien aikana havaittavaksi taivaankappaleeksi. Ja tähtitieteilijöiden toiveet olivat loistavasti perusteltuja - jo ensimmäisenä yönä löydettiin Besselin ennustama Sirius-satelliitti.

Ojasta allikkoon...

Saatuaan Clarkin havaintotiedot tähtitieteilijät eivät kuitenkaan iloineet pitkään. Itse asiassa laskelmien mukaan satelliitin massan pitäisi olla suunnilleen sama kuin aurinkomme (333 000 kertaa Maan massa). Mutta valtavan mustan (tai läpinäkyvän) taivaankappaleen sijasta tähtitieteilijät näkivät ... pienen valkoisen tähden! Tämä tähti oli erittäin kuuma (25 000 astetta, verrataan Auringomme 5 500 asteeseen) ja samalla pieni (kosmisilla standardeilla), ei suurempi kuin Maa (myöhemmin tällaisia ​​tähtiä kutsuttiin "valkoisiksi kääpiöiksi"). Kävi ilmi, että tällä tähdellä oli aivan käsittämätön tiheys. Mistä aineesta se sitten koostuu?

Maapallolla tunnemme korkeatiheyksisiä materiaaleja, kuten lyijyä (tästä metallista valmistettu kuutio, jonka sivu on senttimetri painaa 11,3 grammaa) tai kultaa (19,3 grammaa kuutiosenttimetriä kohti). Sirius-satelliitin (se oli nimeltään "Sirius B") aineen tiheys on miljoonaa (!!!) grammaa kuutiosenttimetriä kohti - se on 52 tuhatta kertaa raskaampaa kuin kulta!

Otetaan esimerkiksi tavallinen tulitikkurasia. Sen tilavuus on 28 kuutiosenttimetriä. Tämä tarkoittaa, että Sirius-satelliitin aineella täytetty tulitikkurasia painaa ... 28 tonnia! Yritä kuvitella - toisessa mittakaavassa on tulitikkurasia ja toisessa - säiliö!

Oli toinenkin ongelma. Fysiikassa on laki nimeltä Charlesin laki. Hän väittää, että samassa tilavuudessa aineen paine on sitä korkeampi, mitä korkeampi on tämän aineen lämpötila. Muista, kuinka kuuman höyryn paine repii pois keitetyn vedenkeittimen kannen - ja ymmärrät heti, mistä on kyse. Joten Siriuksen satelliitin aineen lämpötila rikkoi juuri tätä Charlesin lakia häpeämättömämmällä tavalla! Paine oli käsittämätön ja lämpötila suhteellisen alhainen. Seurauksena saatiin ”väärät” fysiikan lait ja yleensä ”väärä” fysiikka. Kuten Nalle Puh - "väärät mehiläiset ja väärä hunaja".

Täysin huimaa...

Fysiikan "pelastamiseksi" 1900-luvun alussa tiedemiesten oli myönnettävä, että maailmassa on KAKSI fysiikkaa kerralla - yksi "klassinen", joka tunnettiin kaksituhatta vuotta. Toinen on epätavallinen kvantti . Tiedemiehet ovat ehdottaneet, että klassisen fysiikan lait toimivat maailmamme tavallisella "makroskooppisella" tasolla. Mutta pienimmällä, "mikroskooppisella" tasolla aine ja energia noudattavat täysin erilaisia ​​lakeja - kvanttilakeja.

Kuvittele planeettamme Maa. Sen ympärillä pyörii nyt yli 15 000 erilaista keinotekoista esinettä, jokainen omalla kiertoradalla. Lisäksi tätä kiertorataa voidaan haluttaessa muuttaa (korjata) - esimerkiksi kansainvälisen avaruusaseman (ISS) kiertorataa korjataan ajoittain. Tämä on makroskooppinen taso, klassisen fysiikan lait toimivat täällä (esimerkiksi Newtonin lait).

Siirrytään nyt mikroskooppiselle tasolle. Kuvittele atomin ydin. Sen ympärillä, kuten satelliiteissa, pyörivät elektronit - niitä ei kuitenkaan voi olla mielivaltaisesti paljon (sanotaan, että heliumatomissa on enintään kaksi). Ja elektronien kiertoradat eivät ole enää mielivaltaisia, vaan kvantisoituja, "porrastettuja". Tällaisia ​​fysiikan kiertoradoja kutsutaan myös "sallituiksi energiatasoiksi". Elektroni ei voi "tasaisesti" siirtyä sallitulta tasolta toiselle, se voi vain "hyppää" välittömästi tasolta toiselle. Juuri ollut "siellä" ja ilmestyi heti "tänne". Hän ei voi olla jossain "siellä" ja "tässä" välissä. Se vaihtaa paikkaa välittömästi.

Ihmeellistä? Mahtavaa! Mutta siinä ei vielä kaikki. Tosiasia on, että kvanttifysiikan lakien mukaan kaksi identtistä elektronia ei voi miehittää samaa energiatasoa. Ei koskaan. Tiedemiehet kutsuvat tätä ilmiötä "Paulin kielloksi" (miksi tämä "kielto" toimii, he eivät vieläkään pysty selittämään). Ennen kaikkea tämä "kielto" muistuttaa shakkilautaa, jonka mainitsimme esimerkkinä kvanttijärjestelmästä - jos laudan ruudussa on sotilas, toista pelinappulaa ei voi enää asettaa tälle ruudulle. Täsmälleen sama asia tapahtuu elektronien kanssa!

Ongelman ratkaisu

Kuinka kvanttifysiikka voi selittää sellaisia ​​epätavallisia ilmiöitä kuin Charlesin lain rikkominen Sirius B:n sisällä? Mutta miten.

Kuvittele kaupunkipuisto, jossa on tanssilattia. Kadulla kävelee paljon ihmisiä, he menevät tanssilattialle tanssimaan. Edustakoon ihmisten lukumäärä kadulla painetta ja diskossa olevien ihmisten määrä lämpötilaa. Tanssilattialle voi mennä valtava määrä ihmisiä - mitä enemmän ihmisiä kävelee puistossa, sitä enemmän ihmisiä tanssii tanssilattialla, eli mitä korkeampi paine, sitä korkeampi lämpötila. Näin toimivat klassisen fysiikan lait – Charlesin laki mukaan lukien. Tiedemiehet kutsuvat tällaista ainetta "ihanteelliseksi kaasuksi".

Ihmiset tanssilattialla - "ihanteellinen kaasu"

Mikroskooppisella tasolla klassisen fysiikan lait eivät kuitenkaan toimi. Kvanttilait alkavat toimia siellä, ja tämä muuttaa tilannetta radikaalisti.

Kuvittele, että puiston tanssilattian paikalle avattiin kahvila. Mikä on ero? Kyllä, siinä tosiasiassa, että kahvilassa, toisin kuin diskossa, "niin monta kuin haluat" ihmiset eivät pääse sisään. Heti kun kaikki pöytien paikat ovat varattu, turvallisuus lakkaa päästämästä ihmisiä sisään. Ja ennen kuin yksi vieraista vapautuu pöydästä, vartijat eivät päästä ketään sisään! Yhä useammat ihmiset kävelevät puistossa - ja kuinka monta ihmistä oli kahvilassa, niin monta jäi. Osoittautuu, että paine kasvaa ja lämpötila "pysyy paikallaan".

Ihmisiä kahvilassa - "kvanttikaasu"

Sirius B:n sisällä ei tietenkään ole ihmisiä, tanssilattiat ja kahvilat. Mutta periaate pysyy samana: elektronit täyttävät kaikki sallitut energiatasot (kuten vierailijat - kahvilan pöydät), eivätkä ne voi enää "päästää ketään sisään" - täsmälleen Paulin kiellon mukaisesti. Tuloksena tähden sisälle muodostuu käsittämättömän suuri paine, mutta lämpötila on samalla korkea, mutta tähdille aivan tavallinen. Tällaista ainetta fysiikassa kutsutaan "degeneroituneeksi kvanttikaasuksi".

Jatketaanko?...

Valkoisten kääpiöiden poikkeuksellisen suuri tiheys ei ole suinkaan ainoa fysiikan ilmiö, joka vaatii kvanttilakien käyttöä. Jos tämä aihe kiinnostaa sinua, Luchikin seuraavissa numeroissa voimme puhua muista, ei vähemmän mielenkiintoisista kvanttiilmiöistä. Kirjoittaa! Muistetaan nyt pääasia:

1. Maailmassamme (universumissa) makroskooppisella (eli "suurella") tasolla toimivat klassisen fysiikan lait. Ne kuvaavat tavallisten nesteiden ja kaasujen ominaisuuksia, tähtien ja planeettojen liikkeitä ja paljon muuta. Tätä fysiikkaa opiskelet (tai tulet opiskelemaan) koulussa.

2. Kuitenkin mikroskooppisella tasolla (eli uskomattoman pieni, miljoonia kertoja pienempi kuin pienimmät bakteerit) toimivat täysin erilaiset lait - kvanttifysiikan lait. Näitä lakeja kuvataan hyvin monimutkaisilla matemaattisilla kaavoilla, eikä niitä opeteta koulussa. Kuitenkin vain kvanttifysiikka antaa meille mahdollisuuden selittää suhteellisen selkeästi tällaisten hämmästyttävien avaruusobjektien, kuten valkoisten kääpiöiden (kuten Sirius B), neutronitähtien, mustien aukkojen ja niin edelleen, rakenteen.

Kukaan tässä maailmassa ei ymmärrä mitä kvanttimekaniikka on. Tämä on ehkä tärkein asia, joka hänestä tiedetään. Tietenkin monet fyysikot ovat oppineet käyttämään lakeja ja jopa ennustamaan ilmiöitä kvanttilaskentaan perustuen. Mutta silti on epäselvää, miksi kokeen tarkkailija määrittää järjestelmän käyttäytymisen ja pakottaa sen ottamaan jommankumman kahdesta tilasta.

Tässä on joitain esimerkkejä kokeista, joiden tulokset muuttuvat väistämättä tarkkailijan vaikutuksesta. Ne osoittavat, että kvanttimekaniikka käsittelee käytännössä tietoisen ajattelun puuttumista aineelliseen todellisuuteen.

Kvanttimekaniikasta on nykyään monia tulkintoja, mutta Kööpenhaminan tulkinta on ehkä tunnetuin. Niels Bohr ja Werner Heisenberg muotoilivat sen yleiset postulaatit 1920-luvulla.

Kööpenhaminan tulkinnan perustana oli aaltofunktio. Tämä on matemaattinen funktio, joka sisältää tietoa kaikista mahdollisista kvanttijärjestelmän tiloista, joissa se esiintyy samanaikaisesti. Kööpenhaminan tulkinnan mukaan järjestelmän tila ja sen sijainti suhteessa muihin tiloihin voidaan määrittää vain havainnoimalla (aaltofunktiota käytetään vain laskemaan matemaattisesti järjestelmän todennäköisyys olla jossain tai toisessa tilassa).

Voidaan sanoa, että havainnoinnin jälkeen kvanttijärjestelmästä tulee klassinen ja se lakkaa välittömästi olemasta muissa tiloissa kuin siinä, jossa se havaittiin. Tämä johtopäätös löysi vastustajansa (muistakaa kuuluisa Einsteinin "Jumala ei pelaa noppaa"), mutta laskelmien ja ennusteiden tarkkuudella oli silti omansa.

Siitä huolimatta Kööpenhaminan tulkinnan kannattajien määrä on laskussa, ja suurin syy tähän on aaltofunktion mystinen hetkellinen romahtaminen kokeen aikana. Erwin Schrödingerin kuuluisa ajatuskokeilu köyhällä kissalla pitäisi osoittaa tämän ilmiön absurdiuden. Muistetaan yksityiskohdat.

Mustan laatikon sisällä istuu musta kissa ja sen mukana myrkkypullo ja mekanismi, joka voi vapauttaa myrkkyä satunnaisesti. Esimerkiksi radioaktiivinen atomi hajoamisen aikana voi rikkoa kuplan. Atomin tarkkaa hajoamisaikaa ei tunneta. Tunnetaan vain puoliintumisaika, jonka aikana hajoaminen tapahtuu 50 %:n todennäköisyydellä.

On selvää, että ulkopuoliselle tarkkailijalle laatikon sisällä oleva kissa on kahdessa tilassa: se on joko elossa, jos kaikki meni hyvin, tai kuollut, jos hajoaminen on tapahtunut ja pullo on rikki. Molempia näitä tiloja kuvaa kissan aaltofunktio, joka muuttuu ajan myötä.

Mitä enemmän aikaa on kulunut, sitä todennäköisemmin on tapahtunut radioaktiivista hajoamista. Mutta heti kun avaamme laatikon, aaltofunktio romahtaa ja näemme välittömästi tämän epäinhimillisen kokeen tulokset.

Itse asiassa, kunnes tarkkailija avaa laatikon, kissa tasapainoilee loputtomasti elämän ja kuoleman välillä tai on sekä elävä että kuollut. Sen kohtalo voidaan määrittää vain tarkkailijan toiminnan tuloksena. Tämän järjettömyyden huomautti Schrödinger.

The New York Timesin kuuluisien fyysikkojen tekemän tutkimuksen mukaan elektronidiffraktiokoke on yksi tieteen historian hämmästyttävimmistä tutkimuksista. Mikä on sen luonne? On olemassa lähde, joka lähettää elektronisuihkun valoherkälle näytölle. Ja näiden elektronien tiellä on este, kuparilevy, jossa on kaksi rakoa.

Millaista kuvaa voimme odottaa näytöltä, jos elektronit esitetään meille yleensä pieninä varautuneina palloina? Kaksi raitaa kuparilevyn rakoja vastapäätä. Mutta itse asiassa näytölle ilmestyy paljon monimutkaisempi kuvio vuorottelevista valkoisista ja mustista raidoista. Tämä johtuu siitä, että kulkiessaan raon läpi elektronit alkavat käyttäytyä paitsi hiukkasina myös aaltoina (fotonit tai muut valohiukkaset, jotka voivat olla samanaikaisesti aaltoja, käyttäytyvät samalla tavalla).

Nämä aallot ovat vuorovaikutuksessa avaruudessa, törmäävät ja vahvistavat toisiaan, minkä seurauksena näytölle tulee monimutkainen kuvio vuorotellen vaaleista ja tummista raidoista. Samaan aikaan tämän kokeen tulos ei muutu, vaikka elektronit kulkevat yksitellen - jopa yksi hiukkanen voi olla aalto ja kulkea kahden raon läpi samanaikaisesti. Tämä postulaatti oli yksi tärkeimmistä kvanttimekaniikan Kööpenhaminan tulkinnassa, kun hiukkaset voivat samanaikaisesti osoittaa "tavallisia" fysikaalisia ominaisuuksiaan ja eksoottisia ominaisuuksiaan kuten aalto.

Mutta entä tarkkailija? Hän tekee tästä hämmentävästä tarinasta entistä hämmentävämmän. Kun fyysikot tällaisissa kokeissa yrittivät käyttää instrumentteja määrittääkseen, minkä raon läpi elektroni todellisuudessa kulki, kuva näytöllä muuttui dramaattisesti ja muuttui "klassiseksi": kahdella valaistulla osalla suoraan rakoja vastapäätä, ilman vuorottelevia raitoja.

Elektronit näyttivät haluttomalta paljastamaan aaltoluonteensa katsojien valppaalle silmälle. Se näyttää mysteeriltä, ​​joka on hämärän peitossa. Mutta on yksinkertaisempi selitys: järjestelmän havainnointia ei voida suorittaa ilman fyysistä vaikutusta siihen. Keskustelemme tästä myöhemmin.

2. Kuumennetut fullereenit

Hiukkasdiffraktiokokeita suoritettiin elektronien lisäksi myös muiden, paljon suurempien esineiden kanssa. Käytettiin esimerkiksi fullereeneja, suuria ja suljettuja molekyylejä, jotka koostuivat useista kymmenistä hiiliatomeista. Hiljattain professori Zeilingerin johtama Wienin yliopiston tutkijaryhmä yritti sisällyttää näihin kokeisiin havainnointielementin. Tätä varten he säteilyttivät liikkuvia fullereenimolekyylejä lasersäteillä. Sitten ulkoisen lähteen lämmittämänä molekyylit alkoivat hehkua ja väistämättä heijastaa läsnäoloaan tarkkailijalle.

Tämän innovaation myötä myös molekyylien käyttäytyminen on muuttunut. Ennen tällaista kattavaa havaintoa fullereenit välttivät esteen varsin onnistuneesti (näyttävät aalto-ominaisuuksia), kuten edellisessä esimerkissä elektronien osuessa näyttöön. Mutta tarkkailijan läsnä ollessa fullereenit alkoivat käyttäytyä kuin täysin lainkuuliaisia ​​fyysisiä hiukkasia.

3. Jäähdytysmittaus

Yksi kvanttifysiikan maailman tunnetuimmista laeista on Heisenbergin epävarmuusperiaate, jonka mukaan on mahdotonta määrittää kvanttiobjektin nopeutta ja sijaintia samanaikaisesti. Mitä tarkemmin mittaamme hiukkasen liikemäärän, sitä epätarkemmin voimme mitata sen sijaintia. Makroskooppisessa todellisessa maailmassamme pieniin hiukkasiin vaikuttavien kvanttilakien pätevyys jää kuitenkin yleensä huomaamatta.

Professori Schwabin viimeaikaiset kokeet Yhdysvalloista antavat erittäin arvokkaan panoksen tälle alueelle. Kvanttivaikutuksia näissä kokeissa ei osoitettu elektronien tai fullereenimolekyylien tasolla (joiden halkaisija on suunnilleen 1 nm), vaan suuremmissa kohteissa, pienessä alumiininauhassa. Tämä teippi oli kiinnitetty molemmilta puolilta siten, että sen keskiosa oli ripustettuna ja saattoi väristä ulkoisen vaikutuksen alaisena. Lisäksi lähelle asetettiin laite, joka pystyi tallentamaan nauhan sijainnin tarkasti. Kokeen tuloksena löydettiin useita mielenkiintoisia asioita. Ensinnäkin mikä tahansa kohteen sijaintiin liittyvä mittaus ja nauhan havainnointi vaikutti siihen, jokaisen mittauksen jälkeen nauhan asento vaihtui.

Kokeilijat määrittelivät nauhan koordinaatit suurella tarkkuudella ja muuttivat siten Heisenbergin periaatteen mukaisesti sen nopeutta ja siten myöhempää sijaintia. Toiseksi, ja aivan odottamatta, jotkut mittaukset johtivat nauhan jäähtymiseen. Näin ollen tarkkailija voi muuttaa esineiden fyysisiä ominaisuuksia pelkällä läsnäolollaan.

4. Jäätyvät hiukkaset

Kuten tiedät, epästabiilit radioaktiiviset hiukkaset hajoavat paitsi kissoilla tehdyissä kokeissa, myös itsestään. Jokaisella hiukkasella on keskimääräinen elinikä, joka, kuten käy ilmi, voi kasvaa tarkkailijan valppaana. Tämä kvanttivaikutus ennustettiin jo 60-luvulla, ja sen loistava kokeellinen näyttö ilmestyi Massachusetts Institute of Technologyn fysiikan Nobel-palkinnon saaneen Wolfgang Ketterlen johtaman ryhmän julkaisemassa artikkelissa.

Tässä työssä tutkittiin epästabiilien virittyneiden rubidiumatomien hajoamista. Välittömästi järjestelmän valmistuksen jälkeen atomit viritettiin lasersäteellä. Havainto tapahtui kahdessa tilassa: jatkuva (järjestelmä altistui jatkuvasti pienille valopulsseille) ja pulssi (järjestelmää säteilytettiin aika ajoin voimakkaammilla pulsseilla).

Saadut tulokset olivat täysin yhtäpitäviä teoreettisten ennusteiden kanssa. Ulkoiset valoefektit hidastavat hiukkasten hajoamista ja palauttavat ne alkuperäiseen tilaan, joka on kaukana hajoamistilasta. Myös tämän vaikutuksen suuruus osui yhteen ennusteiden kanssa. Epästabiilien virittyneiden rubidiumatomien enimmäiskesto piteni kertoimella 30.

5. Kvanttimekaniikka ja tietoisuus

Elektronit ja fullereenit lakkaavat osoittamasta aaltoominaisuuksiaan, alumiinilevyt jäähtyvät ja epästabiilit hiukkaset hidastavat niiden hajoamista. Katsojan tarkkaavainen silmä muuttaa kirjaimellisesti maailmaa. Miksi tämä ei voisi olla todiste mielemme osallistumisesta maailman työhön? Ehkä Carl Jung ja Wolfgang Pauli (itävaltalainen fyysikko, Nobel-palkittu, kvanttimekaniikan edelläkävijä) olivat kuitenkin oikeassa, kun he sanoivat, että fysiikan ja tietoisuuden lakeja pitäisi pitää toisiaan täydentävinä?

Olemme askeleen päässä siitä, että ymmärrämme, että ympärillämme oleva maailma on yksinkertaisesti mielemme illusorinen tuote. Ajatus on pelottava ja houkutteleva. Yritetään taas kääntyä fyysikkojen puoleen. Varsinkin viime vuosina, kun yhä harvemmat ihmiset uskovat, että kvanttimekaniikan Kööpenhaminan tulkinta sen salaperäisellä aaltofunktiolla romahtaa ja kääntyy arkipäiväisempään ja luotettavampaan dekoherenssiin.

Tosiasia on, että kaikissa näissä havainnoilla tehdyissä kokeissa kokeilijat vaikuttivat väistämättä järjestelmään. He sytyttivät sen laserilla ja asensivat mittalaitteet. Niitä yhdisti tärkeä periaate: et voi tarkkailla järjestelmää tai mitata sen ominaisuuksia olematta vuorovaikutuksessa sen kanssa. Mikä tahansa vuorovaikutus on ominaisuuksien muuttamisprosessi. Varsinkin kun pieni kvanttijärjestelmä altistuu valtavalle kvanttiobjektille. Joku ikuisesti neutraali buddhalainen tarkkailija on periaatteessa mahdoton. Ja tässä tulee esille termi "dekoherenssi", joka on termodynamiikan näkökulmasta peruuttamaton: järjestelmän kvanttiominaisuudet muuttuvat vuorovaikutuksessa toisen suuren järjestelmän kanssa.

Tämän vuorovaikutuksen aikana kvanttijärjestelmä menettää alkuperäiset ominaisuutensa ja muuttuu klassisiksi, ikään kuin "totellessaan" suurta järjestelmää. Tämä selittää myös Schrödingerin kissan paradoksin: kissa on liian iso järjestelmä, joten sitä ei voida eristää muusta maailmasta. Tämän ajatuskokeen suunnittelu ei ole täysin oikea.

Joka tapauksessa, jos oletamme tietoisuuden luomisteon todellisuutta, dekoherenssi näyttää olevan paljon kätevämpi lähestymistapa. Ehkä jopa liian kätevä. Tällä lähestymistavalla koko klassisesta maailmasta tulee yksi suuri seuraus dekoherenssista. Ja kuten yhden alan tunnetuimmista kirjoista kirjoittaja totesi, tällainen lähestymistapa johtaa loogisesti väitteisiin, kuten "maailmassa ei ole hiukkasia" tai "perustason tasolla ei ole aikaa".

Mikä on totuus: luoja-tarkkailijassa vai voimakkaassa dekoherenssissa? Meidän on valittava kahdesta pahasta. Siitä huolimatta tiedemiehet ovat yhä vakuuttuneempia siitä, että kvanttivaikutukset ovat henkisten prosessiemme ilmentymä. Ja missä havainto päättyy ja todellisuus alkaa, riippuu meistä jokaisesta.