नमस्कार प्रिय पाठकों। यदि आप जीवन से पीछे नहीं रहना चाहते हैं, वास्तव में एक खुश और स्वस्थ व्यक्ति बनना चाहते हैं, तो आपको क्वांटम आधुनिक भौतिकी के रहस्यों के बारे में पता होना चाहिए, कम से कम इस बात का थोड़ा सा विचार कि वैज्ञानिकों ने आज ब्रह्मांड की कितनी गहराई खोदी है। आपके पास गहन वैज्ञानिक विवरण में जाने का समय नहीं है, लेकिन आप केवल सार को समझना चाहते हैं, लेकिन अज्ञात दुनिया की सुंदरता को देखना चाहते हैं, तो यह लेख: साधारण डमी के लिए क्वांटम भौतिकी या, कोई कह सकता है, गृहिणियों के लिए, बस है आपके लिए। मैं समझाने की कोशिश करूंगा कि क्वांटम भौतिकी क्या है, लेकिन सरल शब्दों में, स्पष्ट रूप से दिखाने के लिए।

"खुशी, स्वास्थ्य और क्वांटम भौतिकी के बीच क्या संबंध है?" तुम पूछो।

तथ्य यह है कि यह मानव चेतना से संबंधित कई समझ से बाहर सवालों के जवाब देने में मदद करता है, शरीर पर चेतना का प्रभाव। दुर्भाग्य से, शास्त्रीय भौतिकी पर निर्भर चिकित्सा हमें हमेशा स्वस्थ रहने में मदद नहीं करती है। और मनोविज्ञान आपको ठीक से यह नहीं बता सकता कि खुशी कैसे खोजी जाए।

दुनिया का केवल गहरा ज्ञान ही हमें यह समझने में मदद करेगा कि वास्तव में बीमारी से कैसे निपटें और खुशी कहाँ रहती है। यह ज्ञान ब्रह्मांड की गहरी परतों में पाया जाता है। क्वांटम भौतिकी बचाव के लिए आती है। जल्द ही आपको सब कुछ पता चल जाएगा।

क्वांटम भौतिकी सरल शब्दों में क्या अध्ययन करती है

हाँ, वास्तव में, क्वांटम भौतिकी को समझना बहुत कठिन है क्योंकि यह सूक्ष्म जगत के नियमों का अध्ययन करता है। यानी दुनिया अपनी गहरी परतों में, बहुत कम दूरी पर, जहां एक व्यक्ति के लिए देखना बहुत मुश्किल है।

और दुनिया, यह पता चला है, वहां बहुत अजीब, रहस्यमय और समझ से बाहर व्यवहार करता है, जैसा कि हम अभ्यस्त नहीं हैं।

इसलिए क्वांटम भौतिकी की सभी जटिलता और गलतफहमी।

लेकिन इस लेख को पढ़ने के बाद, आप अपने ज्ञान के क्षितिज का विस्तार करेंगे और दुनिया को पूरी तरह से अलग तरीके से देखेंगे।

संक्षेप में क्वांटम भौतिकी के इतिहास के बारे में

यह सब 20वीं शताब्दी की शुरुआत में शुरू हुआ, जब न्यूटनियन भौतिकी कई चीजों की व्याख्या नहीं कर सकी और वैज्ञानिक एक मृत अंत तक पहुंच गए। तब मैक्स प्लैंक ने क्वांटम की अवधारणा पेश की। अल्बर्ट आइंस्टीन ने इस विचार को उठाया और साबित कर दिया कि प्रकाश लगातार नहीं फैलता है, बल्कि भागों में - क्वांटा (फोटॉन)। इससे पहले, यह माना जाता था कि प्रकाश में तरंग प्रकृति होती है।

लेकिन जैसा कि बाद में पता चला, कोई भी प्राथमिक कण न केवल एक क्वांटम है, बल्कि एक ठोस कण है, बल्कि एक लहर भी है। इस तरह से क्वांटम भौतिकी में कोरपसकुलर-वेव द्वैतवाद प्रकट हुआ, पहला विरोधाभास और सूक्ष्म जगत की रहस्यमयी घटनाओं की खोज की शुरुआत।

सबसे दिलचस्प विरोधाभास तब शुरू हुआ जब प्रसिद्ध डबल-स्लिट प्रयोग किया गया, जिसके बाद रहस्य बहुत अधिक हो गए। हम कह सकते हैं कि क्वांटम भौतिकी की शुरुआत उनके साथ हुई थी। आइए इसे देखें।

क्वांटम भौतिकी में दोहरा भट्ठा प्रयोग

ऊर्ध्वाधर पट्टियों के रूप में दो स्लॉट वाली प्लेट की कल्पना करें। हम इस प्लेट के पीछे एक स्क्रीन लगाएंगे। यदि हम प्रकाश को प्लेट पर निर्देशित करते हैं, तो हमें स्क्रीन पर एक व्यतिकरण पैटर्न दिखाई देगा। यानी बारी-बारी से डार्क और ब्राइट वर्टिकल स्ट्राइप्स। हस्तक्षेप किसी चीज के तरंग व्यवहार का परिणाम है, हमारे मामले में प्रकाश।

यदि आप अगल-बगल स्थित दो छिद्रों से पानी की एक लहर गुजारें, तो आप समझ जाएंगे कि व्यतिकरण क्या है। अर्थात्, प्रकाश एक प्रकार का हो जाता है जैसे कि उसकी तरंग प्रकृति होती है। लेकिन जैसा कि भौतिकी, या बल्कि आइंस्टीन ने सिद्ध किया है, यह फोटॉन कणों द्वारा प्रचारित होता है। पहले से ही एक विरोधाभास। लेकिन यह ठीक है, कणिका-लहर द्वैतवाद अब हमें आश्चर्यचकित नहीं करेगा। क्वांटम भौतिकी हमें बताती है कि प्रकाश तरंग की तरह व्यवहार करता है लेकिन फोटॉन से बना होता है। लेकिन चमत्कार अभी शुरू हो रहे हैं।

आइए एक प्लेट के सामने दो स्लॉट वाली एक बंदूक रखें, जो प्रकाश नहीं, बल्कि इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करेगी। आइए इलेक्ट्रॉनों की शूटिंग शुरू करें। हम प्लेट के पीछे स्क्रीन पर क्या देखेंगे?

आखिरकार, इलेक्ट्रॉन कण होते हैं, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह, दो स्लिट्स से गुजरते हुए, स्क्रीन पर केवल दो धारियां छोड़नी चाहिए, दो निशान स्लिट्स के विपरीत। क्या आपने कंकड़ को दो खांचे से उड़ते हुए और स्क्रीन से टकराने की कल्पना की है?

लेकिन हम वास्तव में क्या देखते हैं? सभी समान हस्तक्षेप पैटर्न। निष्कर्ष क्या है: इलेक्ट्रॉन तरंगों में फैलते हैं। तो इलेक्ट्रॉन तरंगें हैं। लेकिन आखिर यह एक प्राथमिक कण है। भौतिकी में फिर से कणिका-लहर द्वैतवाद।

लेकिन हम मान सकते हैं कि एक गहरे स्तर पर, एक इलेक्ट्रॉन एक कण है, और जब ये कण एक साथ आते हैं, तो वे तरंगों की तरह व्यवहार करना शुरू कर देते हैं। उदाहरण के लिए, एक समुद्री लहर एक लहर है, लेकिन यह पानी की बूंदों से बनी होती है, और एक छोटे स्तर पर अणुओं और फिर परमाणुओं से बनी होती है। ठीक है, तर्क ठोस है।

तो चलो एक बंदूक से गोली मारते हैं इलेक्ट्रॉनों की एक धारा के साथ नहीं, बल्कि एक निश्चित अवधि के बाद इलेक्ट्रॉनों को अलग से छोड़ते हैं। मानो हम दरारों से गुजर रहे हों, समुद्र की लहर नहीं, बल्कि बच्चों की पानी की पिस्तौल से अलग-अलग बूँदें थूक रहे हों।

यह काफी तर्कसंगत है कि इस मामले में पानी की अलग-अलग बूंदें अलग-अलग स्लॉट में गिरेंगी। प्लेट के पीछे स्क्रीन पर, कोई तरंग से हस्तक्षेप पैटर्न नहीं देख सकता था, लेकिन प्रत्येक स्लिट के विपरीत दो अलग-अलग प्रभाव फ्रिंज देख सकते थे। हमें वही दिखाई देगा यदि हम छोटे-छोटे पत्थर फेंकते हैं, तो वे दो दरारों से उड़ते हुए, दो छिद्रों से छाया की तरह एक निशान छोड़ जाते हैं। आइए अब इन दो धारियों को इलेक्ट्रॉन प्रभावों से स्क्रीन पर देखने के लिए अलग-अलग इलेक्ट्रॉनों को शूट करें। उन्होंने एक जारी किया, प्रतीक्षा की, दूसरी, प्रतीक्षा की, और इसी तरह। क्वांटम भौतिक विज्ञानी ऐसा प्रयोग करने में सफल रहे हैं।

लेकिन डरावनी। इन दो फ्रिन्जों के स्थान पर अनेक फ्रिन्जों के समान व्यतिकरण प्रत्यावर्तन प्राप्त होते हैं। ऐसा कैसे? ऐसा तब हो सकता है जब एक इलेक्ट्रॉन एक ही समय में दो स्लिट्स से उड़ता है, लेकिन प्लेट के पीछे, एक लहर की तरह, यह खुद से टकराता है और हस्तक्षेप करता है। लेकिन ऐसा नहीं हो सकता, क्योंकि एक कण एक ही समय में दो स्थानों पर नहीं हो सकता। यह या तो पहले स्लॉट से या दूसरे स्लॉट से उड़ान भरता है।

यहीं से क्वांटम भौतिकी की वास्तव में शानदार चीजें शुरू होती हैं।

क्वांटम भौतिकी में सुपरपोजिशन

गहन विश्लेषण से वैज्ञानिकों ने पाया कि कोई भी प्राथमिक क्वांटम कण या एक ही प्रकाश (फोटॉन) वास्तव में एक ही समय में कई स्थानों पर हो सकता है। और ये चमत्कार नहीं हैं, बल्कि सूक्ष्म जगत के वास्तविक तथ्य हैं। क्वांटम भौतिकी यही कहती है। इसलिए, जब एक तोप से एक अलग कण की शूटिंग होती है, तो हम हस्तक्षेप का परिणाम देखते हैं। प्लेट के पीछे, इलेक्ट्रॉन स्वयं से टकराता है और एक व्यतिकरण पैटर्न बनाता है।

स्थूल जगत की साधारण वस्तुएं हमेशा एक ही स्थान पर होती हैं, एक अवस्था होती है। उदाहरण के लिए, अब आप एक कुर्सी पर बैठे हैं, वजन, मान लीजिए, 50 किग्रा, की नाड़ी दर 60 बीट प्रति मिनट है। बेशक, ये संकेत बदलेंगे, लेकिन कुछ समय बाद ये बदल जाएंगे। आखिरकार, आप घर पर और काम पर एक ही समय में 50 और 100 किलो वजन के साथ नहीं हो सकते। यह सब समझ में आता है, यह सामान्य ज्ञान है।

सूक्ष्म जगत के भौतिकी में, सब कुछ अलग है।

क्वांटम यांत्रिकी का दावा है, और यह पहले से ही प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की गई है, कि कोई भी प्राथमिक कण एक साथ न केवल अंतरिक्ष में कई बिंदुओं पर हो सकता है, बल्कि एक ही समय में कई राज्य भी हो सकते हैं, जैसे कि स्पिन।

यह सब दिमाग में फिट नहीं होता है, दुनिया के सामान्य विचार को कमजोर करता है, भौतिकी के पुराने नियम, सोच बदल देता है, कोई सुरक्षित रूप से कह सकता है कि यह आपको पागल कर देता है।

इस प्रकार हम क्वांटम यांत्रिकी में "सुपरपोजिशन" शब्द को समझते हैं।

सुपरपोजिशन का मतलब है कि सूक्ष्म जगत की एक वस्तु एक साथ अंतरिक्ष के विभिन्न बिंदुओं में हो सकती है, और एक ही समय में कई अवस्थाएँ भी हो सकती हैं। और यह प्राथमिक कणों के लिए सामान्य है। ऐसा है माइक्रोवर्ल्ड का नियम, चाहे वह कितना भी अजीब और शानदार क्यों न लगे।

आप हैरान हैं, लेकिन ये केवल फूल हैं, क्वांटम भौतिकी के सबसे अकथनीय चमत्कार, रहस्य और विरोधाभास अभी बाकी हैं।

सरल शब्दों में भौतिकी में वेव फंक्शन का पतन

तब वैज्ञानिकों ने यह पता लगाने और अधिक सटीक रूप से देखने का फैसला किया कि क्या इलेक्ट्रॉन वास्तव में दोनों झिल्लियों से होकर गुजरता है। अचानक यह एक भट्ठा से होकर गुजरता है और फिर किसी तरह अलग हो जाता है और जैसे ही यह गुजरता है एक हस्तक्षेप पैटर्न बनाता है। अच्छा, आप कभी नहीं जानते। यानी, आपको स्लिट के पास कुछ उपकरण लगाने की जरूरत है, जो इसके माध्यम से एक इलेक्ट्रॉन के पारित होने को सटीक रूप से रिकॉर्ड करेगा। तुरंत पूरा किया हुआ काम। बेशक, इसे लागू करना मुश्किल है, आपको एक उपकरण की आवश्यकता नहीं है, बल्कि एक इलेक्ट्रॉन के पारित होने को देखने के लिए कुछ और चाहिए। लेकिन वैज्ञानिकों ने ऐसा किया है।

लेकिन अंत में नतीजे ने सबको चौंका दिया.

जैसे ही हम यह देखना शुरू करते हैं कि इलेक्ट्रॉन किस स्लिट से होकर गुजरता है, यह तरंग की तरह नहीं, एक अजीब पदार्थ की तरह व्यवहार करना शुरू कर देता है जो एक ही समय में अंतरिक्ष में विभिन्न बिंदुओं पर स्थित होता है, बल्कि एक साधारण कण की तरह होता है। यही है, यह क्वांटम के विशिष्ट गुणों को दिखाना शुरू कर देता है: यह केवल एक ही स्थान पर स्थित होता है, यह एक स्लॉट से गुजरता है, इसका एक स्पिन मान होता है। स्क्रीन पर जो दिखाई देता है वह हस्तक्षेप पैटर्न नहीं है, बल्कि स्लिट के विपरीत एक साधारण निशान है।

लेकिन यह कैसे संभव है। मानो इलेक्ट्रॉन मजाक कर रहा हो, हमारे साथ खेल रहा हो। सबसे पहले, यह एक लहर की तरह व्यवहार करता है, और फिर, जब हमने एक भट्ठा के माध्यम से इसके मार्ग को देखने का फैसला किया, तो यह एक ठोस कण के गुणों को प्रदर्शित करता है और केवल एक भट्ठा से होकर गुजरता है। लेकिन सूक्ष्म जगत में ऐसा ही है। ये क्वांटम भौतिकी के नियम हैं।

वैज्ञानिकों ने प्राथमिक कणों का एक और रहस्यमय गुण देखा है। इस तरह क्वांटम भौतिकी में अनिश्चितता और तरंग फलन के पतन की अवधारणाएँ सामने आईं।

जब एक इलेक्ट्रॉन अंतराल की ओर उड़ता है, तो यह अनिश्चित अवस्था में होता है या, जैसा कि हमने ऊपर कहा, एक सुपरपोजिशन में। यही है, यह एक लहर की तरह व्यवहार करता है, यह अंतरिक्ष में विभिन्न बिंदुओं पर एक साथ स्थित होता है, इसके दो स्पिन मान होते हैं (एक स्पिन में केवल दो मान होते हैं)। अगर हम इसे नहीं छूते हैं, इसे देखने की कोशिश नहीं करते हैं, यह पता नहीं लगाते हैं कि यह कहां है, अगर हम इसके स्पिन के मूल्य को नहीं मापते हैं, तो यह दो स्लिट्स के माध्यम से एक लहर की तरह उड़ जाएगा। उसी समय, जिसका अर्थ है कि यह एक हस्तक्षेप पैटर्न बनाएगा। क्वांटम भौतिकी तरंग फ़ंक्शन का उपयोग करके इसके प्रक्षेपवक्र और मापदंडों का वर्णन करती है।

हमारे द्वारा माप लेने के बाद (और माइक्रोवर्ल्ड के एक कण को ​​​​उसके साथ बातचीत करके ही मापना संभव है, उदाहरण के लिए, किसी अन्य कण से टकराकर), फिर तरंग फ़ंक्शन ध्वस्त हो जाता है।

यही है, अब इलेक्ट्रॉन अंतरिक्ष में बिल्कुल एक ही स्थान पर स्थित है, जिसका एक स्पिन मान है।

कोई कह सकता है कि एक प्राथमिक कण भूत की तरह है, ऐसा लगता है, लेकिन साथ ही यह एक स्थान पर नहीं है, और एक निश्चित संभावना के साथ यह तरंग फ़ंक्शन के विवरण के भीतर कहीं भी हो सकता है। लेकिन जैसे ही हम उससे संपर्क करना शुरू करते हैं, यह एक भूतिया वस्तु से एक वास्तविक मूर्त पदार्थ में बदल जाता है, जो शास्त्रीय दुनिया की सामान्य वस्तुओं की तरह व्यवहार करता है जो हमें परिचित हैं।

"यह शानदार है," आप कहते हैं। ज़रूर, लेकिन क्वांटम भौतिकी के चमत्कार अभी शुरू हो रहे हैं। सबसे अविश्वसनीय अभी आना बाकी है। लेकिन आइए जानकारी की प्रचुरता से विराम लें और एक अन्य लेख में एक और बार क्वांटम एडवेंचर्स पर लौटें। इस बीच, आज आपने जो सीखा, उस पर चिंतन करें। ऐसे चमत्कार क्या कर सकते हैं? आखिरकार, वे हमें घेर लेते हैं, यह हमारी दुनिया की संपत्ति है, भले ही यह गहरे स्तर पर हो। क्या हम अभी भी सोचते हैं कि हम एक उबाऊ दुनिया में रहते हैं? लेकिन हम बाद में निष्कर्ष निकालेंगे।

मैंने क्वांटम भौतिकी की मूल बातों के बारे में संक्षेप में और स्पष्ट रूप से बात करने की कोशिश की।

लेकिन अगर आपको कुछ समझ में नहीं आता है, तो क्वांटम भौतिकी के बारे में इस कार्टून को दो स्लिट्स के साथ प्रयोग के बारे में देखें, वहां सब कुछ समझने योग्य, सरल भाषा में बताया गया है।

क्वांटम भौतिकी के बारे में कार्टून:

या आप इस वीडियो को देख सकते हैं, सब कुछ ठीक हो जाएगा, क्वांटम भौतिकी बहुत दिलचस्प है।

क्वांटम भौतिकी के बारे में वीडियो:

आप इसके बारे में पहले कैसे नहीं जानते थे?

क्वांटम भौतिकी में आधुनिक खोजें हमारी परिचित भौतिक दुनिया को बदल रही हैं।

मुझे लगता है कि यह कहना सुरक्षित है कि कोई भी क्वांटम यांत्रिकी को नहीं समझता है।

भौतिक विज्ञानी रिचर्ड फेनमैन

यह कहना कोई अतिशयोक्ति नहीं है कि अर्धचालक उपकरणों का आविष्कार एक क्रांति थी। यह न केवल एक प्रभावशाली तकनीकी उपलब्धि है, बल्कि इसने उन घटनाओं का मार्ग भी प्रशस्त किया है जो आधुनिक समाज को हमेशा के लिए बदल देंगी। सेमीकंडक्टर उपकरणों का उपयोग सभी प्रकार के माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है, जिसमें कंप्यूटर, कुछ प्रकार के चिकित्सा निदान और उपचार उपकरण और लोकप्रिय दूरसंचार उपकरण शामिल हैं।

लेकिन इस तकनीकी क्रांति के पीछे सामान्य विज्ञान में एक क्रांति और भी अधिक है: क्षेत्र क्वांटम सिद्धांत. प्राकृतिक दुनिया को समझने में इस छलांग के बिना, अर्धचालक उपकरणों (और विकास के तहत अधिक उन्नत इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों) का विकास कभी सफल नहीं होता। क्वांटम भौतिकी विज्ञान की एक अविश्वसनीय रूप से जटिल शाखा है। यह अध्याय केवल एक संक्षिप्त अवलोकन प्रदान करता है। जब फेनमैन जैसे विद्वान कहते हैं, "कोई नहीं समझता [इसे]", तो आप सुनिश्चित हो सकते हैं कि यह वास्तव में एक कठिन विषय है। क्वांटम भौतिकी की बुनियादी समझ के बिना, या कम से कम उन वैज्ञानिक खोजों की समझ के बिना, जिनके कारण उनका विकास हुआ, यह समझना असंभव है कि अर्धचालक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण कैसे और क्यों काम करते हैं। अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक्स पाठ्यपुस्तकें अर्धचालकों को "शास्त्रीय भौतिकी" के संदर्भ में समझाने की कोशिश करती हैं, जिससे उन्हें परिणाम के रूप में समझने में और भी भ्रमित हो जाता है।

हम में से कई लोगों ने परमाणु मॉडल आरेख देखे हैं जो नीचे दिए गए चित्र की तरह दिखते हैं।

रदरफोर्ड परमाणु: ऋणात्मक इलेक्ट्रॉन एक छोटे धनात्मक नाभिक के चारों ओर चक्कर लगाते हैं

पदार्थ के सूक्ष्म कण कहलाते हैं प्रोटानऔर न्यूट्रॉन, परमाणु का केंद्र बनाते हैं; इलेक्ट्रॉनोंएक तारे के चारों ओर ग्रहों की तरह घूमते हैं। प्रोटॉन की उपस्थिति के कारण नाभिक में एक सकारात्मक विद्युत आवेश होता है (न्यूट्रॉन का कोई विद्युत आवेश नहीं होता है), जबकि एक परमाणु का संतुलन ऋणात्मक आवेश परिक्रमा करने वाले इलेक्ट्रॉनों में रहता है। नकारात्मक इलेक्ट्रॉन सकारात्मक प्रोटॉन की ओर आकर्षित होते हैं जैसे ग्रह सूर्य की ओर आकर्षित होते हैं, लेकिन इलेक्ट्रॉनों की गति के कारण कक्षाएँ स्थिर होती हैं। हम परमाणु के इस लोकप्रिय मॉडल का श्रेय अर्नेस्ट रदरफोर्ड के काम को देते हैं, जिन्होंने प्रयोगात्मक रूप से 1911 के आसपास निर्धारित किया था कि परमाणुओं के सकारात्मक चार्ज एक छोटे, घने नाभिक में केंद्रित होते हैं, और व्यास के साथ समान रूप से वितरित नहीं होते हैं, जैसा कि अन्वेषक जे जे थॉमसन ने पहले माना था। .

रदरफोर्ड के प्रकीर्णन प्रयोग में धनात्मक आवेशित अल्फा कणों के साथ एक पतली सोने की पन्नी पर बमबारी करना शामिल है, जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है। युवा स्नातक छात्रों एच. गीगर और ई. मार्सडेन को अप्रत्याशित परिणाम मिले। कुछ अल्फा कणों का प्रक्षेप पथ एक बड़े कोण से विचलित हो गया था। कुछ अल्फा कण लगभग 180° के कोण पर पीछे की ओर बिखरे हुए थे। अधिकांश कण अपने प्रक्षेपवक्र को बदले बिना सोने की पन्नी से गुजरे, जैसे कि कोई पन्नी ही नहीं थी। तथ्य यह है कि कई अल्फा कणों ने अपने प्रक्षेपवक्र में बड़े विचलन का अनुभव किया, एक छोटे से सकारात्मक चार्ज के साथ नाभिक की उपस्थिति को इंगित करता है।

रदरफोर्ड प्रकीर्णन: अल्फा कणों का एक पुंज पतली सोने की पन्नी द्वारा बिखरा हुआ है

हालांकि रदरफोर्ड के परमाणु मॉडल को थॉमसन की तुलना में बेहतर प्रयोगात्मक डेटा द्वारा समर्थित किया गया था, फिर भी यह अपूर्ण था। परमाणु की संरचना को निर्धारित करने के लिए और प्रयास किए गए, और इन प्रयासों ने क्वांटम भौतिकी की अजीब खोजों का मार्ग प्रशस्त किया। आज परमाणु के बारे में हमारी समझ थोड़ी अधिक जटिल है। फिर भी क्वांटम भौतिकी की क्रांति और परमाणु की संरचना की हमारी समझ में इसके योगदान के बावजूद, परमाणु की संरचना के रूप में सौर प्रणाली के रदरफोर्ड के चित्रण ने लोकप्रिय चेतना में इस हद तक जड़ें जमा ली हैं कि यह शैक्षिक क्षेत्रों में बनी रहती है, भले ही यह गलत जगह है।

एक लोकप्रिय इलेक्ट्रॉनिक्स पाठ्यपुस्तक से लिए गए परमाणु में इलेक्ट्रॉनों के इस संक्षिप्त विवरण पर विचार करें:

घूमते हुए ऋणात्मक इलेक्ट्रॉन धनात्मक नाभिक की ओर आकर्षित होते हैं, जो हमें इस प्रश्न की ओर ले जाता है कि इलेक्ट्रॉन परमाणु के नाभिक में क्यों नहीं उड़ते। इसका उत्तर यह है कि घूर्णन करने वाले इलेक्ट्रॉन दो समान लेकिन विपरीत बलों के कारण अपनी स्थिर कक्षा में बने रहते हैं। इलेक्ट्रॉनों पर अभिनय करने वाला केन्द्रापसारक बल बाहर की ओर निर्देशित होता है, और आवेशों का आकर्षक बल इलेक्ट्रॉनों को नाभिक की ओर खींचने की कोशिश कर रहा है।

रदरफोर्ड के मॉडल के अनुसार, लेखक इलेक्ट्रॉनों को गोल कक्षाओं में रहने वाले पदार्थ के ठोस टुकड़े मानता है, विपरीत रूप से चार्ज किए गए नाभिक के लिए उनका आंतरिक आकर्षण उनके आंदोलन से संतुलित होता है। "केन्द्रापसारक बल" शब्द का उपयोग तकनीकी रूप से गलत है (यहां तक ​​कि ग्रहों की परिक्रमा के लिए भी), लेकिन मॉडल की लोकप्रिय स्वीकृति के कारण इसे आसानी से माफ कर दिया जाता है: वास्तव में, बल जैसी कोई चीज नहीं होती है, प्रतिकारककोई भीअपनी कक्षा के केंद्र से घूर्णन पिंड। ऐसा इसलिए प्रतीत होता है क्योंकि शरीर की जड़ता इसे एक सीधी रेखा में गतिमान रखती है, और चूंकि कक्षा सीधी गति से एक निरंतर विचलन (त्वरण) है, इसलिए किसी भी बल के लिए एक निरंतर जड़त्वीय प्रतिक्रिया होती है जो शरीर को केंद्र की ओर आकर्षित करती है। कक्षा (सेंट्रिपेटल) का, चाहे गुरुत्वाकर्षण, इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण, या यहां तक ​​​​कि यांत्रिक बंधन का तनाव।

हालाँकि, पहली जगह में इस स्पष्टीकरण के साथ वास्तविक समस्या इलेक्ट्रॉनों के वृत्ताकार कक्षाओं में घूमने का विचार है। एक सिद्ध तथ्य कि त्वरित विद्युत आवेश विद्युत चुम्बकीय विकिरण उत्सर्जित करते हैं, यह तथ्य रदरफोर्ड के समय में भी जाना जाता था। चूंकि घूर्णी गति त्वरण का एक रूप है (स्थिर त्वरण में एक घूर्णन वस्तु, वस्तु को उसकी सामान्य सीधी गति से दूर खींचती है), घूर्णन अवस्था में इलेक्ट्रॉनों को एक चरखा से कीचड़ की तरह विकिरण का उत्सर्जन करना चाहिए। कण त्वरक में वृत्ताकार पथों के साथ त्वरित इलेक्ट्रॉनों को कहा जाता है सिंक्रोट्रॉनऐसा करने के लिए जाना जाता है, और परिणाम कहा जाता है सिंक्रोट्रॉन विकिरण. यदि इलेक्ट्रॉनों को इस तरह से ऊर्जा खोनी होती है, तो उनकी कक्षाएँ अंततः बाधित हो जाती हैं, और परिणामस्वरूप वे एक धनात्मक आवेशित नाभिक से टकरा जाते हैं। हालांकि, परमाणुओं के अंदर आमतौर पर ऐसा नहीं होता है। दरअसल, इलेक्ट्रॉनिक "कक्षाएं" कई तरह की स्थितियों में आश्चर्यजनक रूप से स्थिर हैं।

इसके अलावा, "उत्तेजित" परमाणुओं के प्रयोगों से पता चला है कि विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा केवल कुछ आवृत्तियों पर परमाणु द्वारा उत्सर्जित होती है। प्रकाश जैसे बाहरी प्रभावों से परमाणु "उत्साहित" होते हैं, जो ऊर्जा को अवशोषित करने और कुछ आवृत्तियों पर विद्युत चुम्बकीय तरंगों को वापस करने के लिए जाने जाते हैं, बहुत कुछ ट्यूनिंग कांटा की तरह जो एक निश्चित आवृत्ति पर तब तक नहीं बजता जब तक कि यह मारा न जाए। जब एक उत्तेजित परमाणु द्वारा उत्सर्जित प्रकाश को प्रिज्म द्वारा उसके घटक आवृत्तियों (रंगों) में विभाजित किया जाता है, तो स्पेक्ट्रम में रंगों की अलग-अलग रेखाएँ पाई जाती हैं, वर्णक्रमीय रेखा पैटर्न एक रासायनिक तत्व के लिए अद्वितीय होता है। इस घटना का उपयोग आमतौर पर रासायनिक तत्वों की पहचान करने के लिए किया जाता है, और यहां तक ​​कि एक यौगिक या रासायनिक मिश्रण में प्रत्येक तत्व के अनुपात को मापने के लिए भी किया जाता है। रदरफोर्ड परमाणु मॉडल के सौर मंडल के अनुसार (इलेक्ट्रॉनों के सापेक्ष, पदार्थ के टुकड़े के रूप में, कुछ त्रिज्या के साथ कक्षा में स्वतंत्र रूप से घूमते हुए) और शास्त्रीय भौतिकी के नियमों के अनुसार, उत्साहित परमाणुओं को लगभग अनंत आवृत्ति रेंज में ऊर्जा वापस करनी चाहिए, और नहीं चयनित आवृत्तियों पर। दूसरे शब्दों में, यदि रदरफोर्ड का मॉडल सही था, तो कोई "ट्यूनिंग फोर्क" प्रभाव नहीं होगा, और किसी भी परमाणु द्वारा उत्सर्जित रंग स्पेक्ट्रम कई अलग-अलग रेखाओं के बजाय रंगों के एक सतत बैंड के रूप में दिखाई देगा।

हाइड्रोजन परमाणु का बोहर मॉडल (पैमाने पर खींची गई कक्षाओं के साथ) मानता है कि इलेक्ट्रॉन केवल असतत कक्षाओं में हैं। n=3,4,5 या 6 से n=2 तक जाने वाले इलेक्ट्रॉनों को बामर वर्णक्रमीय रेखाओं की एक श्रृंखला पर प्रदर्शित किया जाता है

1912 में कई महीनों तक रदरफोर्ड की प्रयोगशाला में अध्ययन करने के बाद नील्स बोहर नाम के एक शोधकर्ता ने रदरफोर्ड के मॉडल को बेहतर बनाने की कोशिश की। अन्य भौतिकविदों (विशेषकर मैक्स प्लैंक और अल्बर्ट आइंस्टीन) के परिणामों को समेटने की कोशिश करते हुए, बोहर ने सुझाव दिया कि प्रत्येक इलेक्ट्रॉन में एक निश्चित, विशिष्ट मात्रा में ऊर्जा होती है, और उनकी कक्षाओं को इस तरह से वितरित किया जाता है कि उनमें से प्रत्येक आसपास के कुछ स्थानों पर कब्जा कर सके। नाभिक, गेंदों की तरह। , नाभिक के चारों ओर वृत्ताकार पथों पर स्थिर होता है, न कि मुक्त गतिमान उपग्रहों के रूप में, जैसा कि पहले माना गया था (ऊपर चित्र)। विद्युत चुंबकत्व और त्वरण आवेशों के नियमों के संदर्भ में, बोह्र ने "कक्षाओं" को इस रूप में संदर्भित किया स्थिर अवस्थाइस व्याख्या से बचने के लिए कि वे मोबाइल थे।

यद्यपि बोहर का परमाणु की संरचना पर पुनर्विचार करने का महत्वाकांक्षी प्रयास, जो प्रयोगात्मक डेटा के साथ अधिक सुसंगत था, भौतिकी में एक मील का पत्थर था, यह पूरा नहीं हुआ था। उनका गणितीय विश्लेषण पिछले मॉडलों द्वारा किए गए प्रयोगों के परिणामों की भविष्यवाणी करने में बेहतर था, लेकिन अभी भी अनुत्तरित प्रश्न थे कि क्या क्योंइलेक्ट्रॉनों को इस तरह के अजीब तरीके से व्यवहार करना चाहिए। यह कथन कि नाभिक के चारों ओर स्थिर क्वांटम राज्यों में इलेक्ट्रॉन मौजूद हैं, रदरफोर्ड के मॉडल की तुलना में प्रायोगिक डेटा के साथ बेहतर सहसंबद्ध हैं, लेकिन यह नहीं बताया कि इन विशेष अवस्थाओं पर इलेक्ट्रॉनों का क्या कारण है। इस प्रश्न का उत्तर एक अन्य भौतिक विज्ञानी, लुई डी ब्रोगली से लगभग दस साल बाद आना था।

डी ब्रोगली ने सुझाव दिया कि इलेक्ट्रॉनों, जैसे फोटॉन (प्रकाश के कण) में कणों के गुण और तरंगों के गुण दोनों होते हैं। इस धारणा के आधार पर, उन्होंने सुझाव दिया कि तरंगों के संदर्भ में घूर्णन इलेक्ट्रॉनों का विश्लेषण कणों के संदर्भ में बेहतर है, और उनकी क्वांटम प्रकृति में अधिक अंतर्दृष्टि दे सकता है। दरअसल, समझने में एक और सफलता मिली।

दो निश्चित बिंदुओं के बीच गुंजयमान आवृत्ति पर कंपन करने वाला एक तार एक स्थायी तरंग बनाता है

डी ब्रोगली के अनुसार, परमाणु में खड़ी तरंगें होती हैं, एक ऐसी घटना जो भौतिकविदों को विभिन्न रूपों में अच्छी तरह से ज्ञात है। एक संगीत वाद्ययंत्र (ऊपर चित्रित) की खींची गई स्ट्रिंग की तरह, एक गुंजयमान आवृत्ति पर कंपन, इसकी लंबाई के साथ स्थिर स्थानों में "गांठ" और "एंटी-नॉट्स" के साथ। डी ब्रोगली ने परमाणुओं के चारों ओर इलेक्ट्रॉनों की कल्पना की थी क्योंकि तरंगें एक वृत्त में घुमावदार होती हैं (नीचे चित्र)।

नाभिक के चारों ओर एक खड़ी तरंग की तरह "घूर्णन" इलेक्ट्रॉन, (ए) कक्षा में दो चक्र, (बी) कक्षा में तीन चक्र

इलेक्ट्रॉन केवल नाभिक के चारों ओर निश्चित, विशिष्ट "कक्षाओं" में मौजूद हो सकते हैं, क्योंकि वे एकमात्र ऐसी दूरी हैं जहां तरंग के सिरों का मेल होता है। किसी अन्य त्रिज्या में, लहर विनाशकारी रूप से स्वयं से टकराएगी और इस प्रकार अस्तित्व समाप्त हो जाएगा।

डी ब्रोगली की परिकल्पना ने एक परमाणु के भीतर इलेक्ट्रॉनों की क्वांटम अवस्थाओं को समझाने के लिए एक गणितीय ढांचा और एक सुविधाजनक भौतिक सादृश्य दोनों प्रदान किए, लेकिन परमाणु का उनका मॉडल अभी भी अधूरा था। कई वर्षों से, भौतिक विज्ञानी वर्नर हाइजेनबर्ग और इरविन श्रोडिंगर, स्वतंत्र रूप से काम कर रहे हैं, डी ब्रोगली की तरंग-कण द्वैत की अवधारणा पर काम कर रहे हैं ताकि उप-परमाणु कणों के अधिक कठोर गणितीय मॉडल तैयार किए जा सकें।

डी ब्रोगली के आदिम स्टैंडिंग वेव मॉडल से हाइजेनबर्ग मैट्रिक्स के मॉडल और श्रोडिंगर डिफरेंशियल इक्वेशन की सैद्धांतिक प्रगति को क्वांटम यांत्रिकी का नाम दिया गया है, और इसने उप-परमाणु कणों की दुनिया में एक चौंकाने वाली विशेषता पेश की है: संभाव्यता का संकेत, या अनिश्चितता। नए क्वांटम सिद्धांत के अनुसार, एक क्षण में कण की सटीक स्थिति और सटीक गति को निर्धारित करना असंभव था। इस "अनिश्चितता सिद्धांत" के लिए एक लोकप्रिय व्याख्या यह थी कि माप त्रुटि थी (यानी, एक इलेक्ट्रॉन की स्थिति को सटीक रूप से मापने की कोशिश करके, आप इसकी गति में हस्तक्षेप करते हैं, और इसलिए यह नहीं जान सकते कि स्थिति को मापने से पहले यह क्या था, और विपरीतता से)। क्वांटम यांत्रिकी का सनसनीखेज निष्कर्ष यह है कि कणों की सटीक स्थिति और गति नहीं होती है, और इन दो मात्राओं के संबंध के कारण, उनकी संयुक्त अनिश्चितता एक निश्चित न्यूनतम मूल्य से कम नहीं होगी।

"अनिश्चितता" कनेक्शन का यह रूप क्वांटम यांत्रिकी के अलावा अन्य क्षेत्रों में भी मौजूद है। जैसा कि इस पुस्तक श्रृंखला के खंड 2 में "मिश्रित आवृत्ति एसी सिग्नल" अध्याय में चर्चा की गई है, एक तरंग के समय डोमेन डेटा और उसके आवृत्ति डोमेन डेटा में विश्वास के बीच परस्पर अनन्य संबंध हैं। सीधे शब्दों में कहें, जितना अधिक हम इसकी घटक आवृत्तियों को जानते हैं, उतना ही कम सटीक रूप से हम समय के साथ इसके आयाम को जानते हैं, और इसके विपरीत। खुद को उद्धृत करना:

अनंत अवधि के संकेत (चक्रों की एक अनंत संख्या) का पूर्ण सटीकता के साथ विश्लेषण किया जा सकता है, लेकिन विश्लेषण के लिए कंप्यूटर के लिए जितने कम चक्र उपलब्ध होंगे, विश्लेषण उतना ही कम सटीक होगा ... सिग्नल की कम अवधि, इसकी आवृत्ति उतनी ही कम सटीक होगी। . इस अवधारणा को अपने तार्किक चरम पर ले जाना, एक छोटी नाड़ी (सिग्नल की पूरी अवधि भी नहीं) में वास्तव में परिभाषित आवृत्ति नहीं होती है, यह आवृत्तियों की एक अनंत सीमा होती है। यह सिद्धांत सभी तरंग परिघटनाओं के लिए सामान्य है, न कि केवल परिवर्तनशील वोल्टेज और धाराओं के लिए।

बदलते संकेत के आयाम को सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए, हमें इसे बहुत कम समय में मापना चाहिए। हालांकि, ऐसा करने से तरंग की आवृत्ति के बारे में हमारा ज्ञान सीमित हो जाता है (क्वांटम यांत्रिकी में एक लहर को साइनसॉइडल तरंग के समान नहीं होना चाहिए; ऐसी समानता एक विशेष मामला है)। दूसरी ओर, किसी तरंग की आवृत्ति को बड़ी सटीकता के साथ निर्धारित करने के लिए, हमें इसे बड़ी संख्या में अवधियों में मापना चाहिए, जिसका अर्थ है कि हम किसी भी क्षण इसके आयाम की दृष्टि खो देंगे। इस प्रकार, हम असीमित सटीकता के साथ तात्कालिक आयाम और किसी भी तरंग की सभी आवृत्तियों को एक साथ नहीं जान सकते हैं। एक और विचित्रता, यह अनिश्चितता प्रेक्षक की अशुद्धि से कहीं अधिक है; यह लहर की प्रकृति में है। यह मामला नहीं है, हालांकि यह संभव होगा, उपयुक्त तकनीक को देखते हुए, तात्कालिक आयाम और आवृत्ति दोनों का एक साथ सटीक माप प्रदान करना। एक शाब्दिक अर्थ में, एक लहर में एक ही समय में सटीक तात्कालिक आयाम और सटीक आवृत्ति नहीं हो सकती है।

हाइजेनबर्ग और श्रोडिंगर द्वारा व्यक्त कण स्थिति और गति की न्यूनतम अनिश्चितता का माप में सीमा से कोई लेना-देना नहीं है; बल्कि, यह कण के तरंग-कण द्वैत की प्रकृति का एक आंतरिक गुण है। इसलिए, इलेक्ट्रॉन वास्तव में उनकी "कक्षाओं" में पदार्थ के अच्छी तरह से परिभाषित कणों, या यहां तक ​​​​कि अच्छी तरह से परिभाषित तरंगों के रूप में मौजूद नहीं हैं, बल्कि "बादलों" के रूप में - एक तकनीकी शब्द है। तरंग क्रियासंभाव्यता वितरण, जैसे कि प्रत्येक इलेक्ट्रॉन स्थिति और गति की एक सीमा पर "बिखरे हुए" या "स्मीयर आउट" थे।

अनिश्चित बादलों के रूप में इलेक्ट्रॉनों का यह कट्टरपंथी दृष्टिकोण शुरू में इलेक्ट्रॉनों की क्वांटम अवस्थाओं के मूल सिद्धांत का खंडन करता है: इलेक्ट्रॉन एक परमाणु के नाभिक के चारों ओर असतत, निश्चित "कक्षाओं" में मौजूद होते हैं। यह नया दृष्टिकोण, आखिरकार, वह खोज थी जिसके कारण क्वांटम सिद्धांत का निर्माण और व्याख्या हुई। यह कितना अजीब लगता है कि इलेक्ट्रॉनों के असतत व्यवहार को समझाने के लिए बनाया गया एक सिद्धांत यह घोषित करता है कि इलेक्ट्रॉन "बादलों" के रूप में मौजूद हैं, न कि पदार्थ के अलग-अलग टुकड़ों के रूप में। हालांकि, इलेक्ट्रॉनों का क्वांटम व्यवहार निर्देशांक और गति के कुछ निश्चित मूल्यों वाले इलेक्ट्रॉनों पर निर्भर नहीं करता है, बल्कि अन्य गुणों पर निर्भर करता है जिन्हें कहा जाता है क्वांटम संख्याएं. संक्षेप में, क्वांटम यांत्रिकी निरपेक्ष स्थिति और निरपेक्ष क्षण की सामान्य अवधारणाओं के साथ वितरण करता है, और उन्हें उन प्रकारों की पूर्ण अवधारणाओं से बदल देता है जिनका सामान्य व्यवहार में कोई एनालॉग नहीं है।

भले ही इलेक्ट्रॉनों को अलग-अलग पदार्थों के अलग-अलग टुकड़ों के बजाय, वितरित संभाव्यता के "बादल" रूपों में मौजूद होने के लिए जाना जाता है, इन "बादलों" में कुछ अलग विशेषताएं हैं। परमाणु में किसी भी इलेक्ट्रॉन को चार संख्यात्मक मापों (पहले उल्लेखित क्वांटम संख्या) द्वारा वर्णित किया जा सकता है, जिसे कहा जाता है मुख्य (रेडियल), कक्षीय (अज़ीमुथ), चुंबकीयऔर घुमानासंख्याएं। नीचे इनमें से प्रत्येक संख्या के अर्थ का संक्षिप्त विवरण दिया गया है:

प्रिंसिपल (रेडियल) क्वांटम संख्या: एक पत्र द्वारा निरूपित एन, यह संख्या उस कोश का वर्णन करती है जिस पर इलेक्ट्रॉन रहता है। इलेक्ट्रॉन "शेल" एक परमाणु के नाभिक के चारों ओर अंतरिक्ष का एक क्षेत्र है जिसमें डी ब्रोगली और बोहर के स्थिर "स्टैंडिंग वेव" मॉडल के अनुरूप इलेक्ट्रॉन मौजूद हो सकते हैं। इलेक्ट्रॉन खोल से खोल में "कूद" सकते हैं, लेकिन उनके बीच मौजूद नहीं हो सकते।

मूल क्वांटम संख्या एक धनात्मक पूर्णांक (1 से अधिक या उसके बराबर) होनी चाहिए। दूसरे शब्दों में, इलेक्ट्रॉन की प्रमुख क्वांटम संख्या 1/2 या -3 नहीं हो सकती। इन पूर्णांकों को मनमाने ढंग से नहीं चुना गया था, लेकिन प्रकाश स्पेक्ट्रम के प्रयोगात्मक साक्ष्य के माध्यम से: उत्साहित हाइड्रोजन परमाणुओं द्वारा उत्सर्जित प्रकाश की विभिन्न आवृत्तियों (रंग) विशिष्ट पूर्णांक मानों के आधार पर गणितीय संबंध का पालन करती हैं, जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है।

प्रत्येक शेल में कई इलेक्ट्रॉनों को धारण करने की क्षमता होती है। इलेक्ट्रॉन गोले के लिए एक सादृश्य एक एम्फीथिएटर में सीटों की संकेंद्रित पंक्तियाँ हैं। जिस तरह एक एम्फीथिएटर में बैठे व्यक्ति को बैठने के लिए एक पंक्ति का चयन करना चाहिए (वह पंक्तियों के बीच नहीं बैठ सकता), इलेक्ट्रॉनों को "बैठने" के लिए एक विशेष शेल को "चुनना" चाहिए। एम्फीथिएटर में पंक्तियों की तरह, बाहरी कोशों में केंद्र के करीब के कोशों की तुलना में अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं। इसके अलावा, इलेक्ट्रॉनों को सबसे छोटा उपलब्ध खोल मिल जाता है, जैसे एम्फीथिएटर में लोग केंद्रीय चरण के निकटतम स्थान की तलाश करते हैं। कोश संख्या जितनी अधिक होगी, उस पर इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा उतनी ही अधिक होगी।

किसी भी कोश में जितने भी इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं उनकी अधिकतम संख्या समीकरण 2n 2 द्वारा वर्णित है, जहां n प्रमुख क्वांटम संख्या है। इस प्रकार, पहले कोश (n = 1) में 2 इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं; दूसरा कोश (n = 2) - 8 इलेक्ट्रॉन; और तीसरा कोश (n = 3) - 18 इलेक्ट्रॉन (नीचे चित्र)।

मुख्य क्वांटम संख्या n और इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम संख्या सूत्र 2(n 2) से संबंधित है। कक्षाओं को स्केल नहीं करना है।

परमाणु में इलेक्ट्रॉन कोशों को संख्याओं के बजाय अक्षरों द्वारा निरूपित किया जाता था। पहला शेल (n = 1) K, दूसरा शेल (n = 2) L, तीसरा शेल (n = 3) M, चौथा शेल (n = 4) N, पांचवां शेल (n = 5) नामित किया गया था। O, छठा कोश (n = 6) P, और सातवां कोश (n = 7) B.

कक्षीय (अज़ीमुथ) क्वांटम संख्या: उपकोशों से बना एक खोल। कुछ लोगों को सबशेल्स को गोले के साधारण वर्गों के रूप में सोचना अधिक सुविधाजनक लग सकता है, जैसे सड़क को विभाजित करने वाली गलियाँ। Subshells बहुत अजीब हैं। उपकोश अंतरिक्ष के ऐसे क्षेत्र हैं जहां इलेक्ट्रॉन "बादल" मौजूद हो सकते हैं, और वास्तव में विभिन्न उपकोशों के अलग-अलग आकार होते हैं। पहला उपकोश एक गेंद के आकार में होता है (चित्राबेलो (एस)), जो तीन आयामों में परमाणु के नाभिक के चारों ओर एक इलेक्ट्रॉन बादल के रूप में देखे जाने पर समझ में आता है।

दूसरा उपकोश एक डंबल जैसा दिखता है, जिसमें परमाणु के केंद्र के पास एक बिंदु पर जुड़े दो "पंखुड़ी" होते हैं (नीचे आंकड़ा (पी))।

तीसरा उपकोश आम तौर पर एक परमाणु के नाभिक के चारों ओर चार "पंखुड़ियों" के समूह जैसा दिखता है। ये उपकोश आकार एंटीना पैटर्न के चित्रमय निरूपण से मिलते-जुलते हैं, जिसमें प्याज जैसे लोब होते हैं जो एंटीना से विभिन्न दिशाओं में फैले होते हैं (चित्राबेलो (डी))।

कक्षक:
(एस) ट्रिपल समरूपता;
(पी) दिखाया गया है: पी एक्स, तीन संभावित अभिविन्यासों में से एक (पी एक्स, पी वाई, पी जेड), संबंधित अक्षों के साथ;
(डी) दिखाया गया है: d x 2 -y 2 d xy , d yz , d xz के समान है। दिखाया गया है: डी जेड 2। संभावित डी-ऑर्बिटल्स की संख्या: पांच।

कक्षीय क्वांटम संख्या के लिए मान्य मान धनात्मक पूर्णांक हैं, जैसा कि प्रमुख क्वांटम संख्या के लिए है, लेकिन इसमें शून्य भी शामिल है। इलेक्ट्रॉनों के लिए इन क्वांटम संख्याओं को अक्षर l द्वारा निरूपित किया जाता है। उपकोशों की संख्या कोश की प्रमुख क्वांटम संख्या के बराबर होती है। इस प्रकार, पहले कोश (n = 1) में संख्या 0 के साथ एक उपकोश है; दूसरे कोश (n = 2) में दो उपकोश हैं जिनकी संख्या 0 और 1 है; तीसरे कोश (n = 3) में तीन उपकोश हैं जिनकी संख्या 0, 1 और 2 है।

पुराने उपकोश में संख्याओं के स्थान पर अक्षरों का प्रयोग होता था। इस प्रारूप में, पहले उपकोश (l = 0) को s, दूसरे उपकोश (l = 1) को p, तीसरे उप-कोश (l = 2) को d, और चौथे उपकोश (l = 3) को निरूपित किया गया था। निरूपित f. अक्षरों से शब्द आए: तेज़, प्रधान अध्यापक, बिखरा हुआऔर मौलिक. आप अभी भी इन पदनामों को कई आवर्त सारणी में देख सकते हैं जिनका उपयोग बाहरी के इलेक्ट्रॉन विन्यास को निरूपित करने के लिए किया जाता है ( संयोजक) परमाणुओं के गोले।

(ए) चांदी परमाणु का बोहर प्रतिनिधित्व,
(बी) एजी का कक्षीय प्रतिनिधित्व उपकोशों में गोले के विभाजन के साथ (कक्षीय क्वांटम संख्या एल)।
यह आरेख इलेक्ट्रॉनों की वास्तविक स्थिति के बारे में कुछ भी नहीं दर्शाता है, बल्कि केवल ऊर्जा स्तरों का प्रतिनिधित्व करता है।

चुंबकीय क्वांटम संख्या: इलेक्ट्रॉन के लिए चुंबकीय क्वांटम संख्या इलेक्ट्रॉन उपकोश आकृति के अभिविन्यास को वर्गीकृत करती है। उपकोशों की "पंखुड़ियों" को कई दिशाओं में निर्देशित किया जा सकता है। इन विभिन्न अभिविन्यासों को कक्षक कहा जाता है। पहले उपकोश (s; l = 0) के लिए, जो एक गोले जैसा दिखता है, "दिशा" निर्दिष्ट नहीं है। एक सेकंड के लिए (पी; एल = 1) प्रत्येक शेल में सबशेल जो तीन संभावित दिशाओं में इशारा करते हुए एक डंबेल जैसा दिखता है। कल्पना कीजिए कि तीन डम्बल मूल में प्रतिच्छेद करते हैं, प्रत्येक एक त्रिअक्षीय समन्वय प्रणाली में अपनी धुरी के साथ इंगित करता है।

किसी दिए गए क्वांटम संख्या के लिए मान्य मानों में -l से l तक के पूर्णांक होते हैं, और इस संख्या को इस रूप में दर्शाया जाता है एम एलपरमाणु भौतिकी में और जेडपरमाणु भौतिकी में। किसी भी उपकोश में कक्षकों की संख्या की गणना करने के लिए, आपको उपकोश की संख्या को दोगुना करने और 1, (2∙l + 1) जोड़ने की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, किसी भी कोश के पहले उपकोश (l = 0) में एक कक्षीय क्रमांक 0 होता है; किसी भी कोश में दूसरे उपकोश (l = 1) में संख्या -1, 0 और 1 के साथ तीन कक्षक होते हैं; तीसरे उपकोश (l = 2) में -2, -1, 0, 1 और 2 क्रमांकित पाँच कक्षक हैं; आदि।

मुख्य क्वांटम संख्या की तरह, चुंबकीय क्वांटम संख्या सीधे प्रयोगात्मक डेटा से उत्पन्न हुई: ज़िमन प्रभाव, एक आयनित गैस को चुंबकीय क्षेत्र में उजागर करके वर्णक्रमीय रेखाओं का पृथक्करण, इसलिए नाम "चुंबकीय" क्वांटम संख्या।

स्पिन क्वांटम संख्या: चुंबकीय क्वांटम संख्या की तरह, एक परमाणु के इलेक्ट्रॉनों की इस संपत्ति को प्रयोगों के माध्यम से खोजा गया था। वर्णक्रमीय रेखाओं के सावधानीपूर्वक अवलोकन से पता चलता है कि प्रत्येक रेखा वास्तव में बहुत निकटवर्ती रेखाओं का एक युग्म है, यह सुझाव दिया गया है कि यह तथाकथित सूक्ष्म संरचनाएक ग्रह की तरह, प्रत्येक इलेक्ट्रॉन अपनी धुरी के चारों ओर "कताई" का परिणाम था। अलग-अलग "स्पिन" वाले इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होने पर प्रकाश की थोड़ी अलग आवृत्तियों को छोड़ देंगे। कताई इलेक्ट्रॉन अवधारणा अब अप्रचलित है, इलेक्ट्रॉनों के (गलत) दृष्टिकोण के लिए "बादलों" के बजाय पदार्थ के व्यक्तिगत कणों के रूप में अधिक उपयुक्त है, लेकिन नाम बना हुआ है।

स्पिन क्वांटम संख्याओं को के रूप में दर्शाया गया है एमएसपरमाणु भौतिकी में और szपरमाणु भौतिकी में। प्रत्येक उपकोश में प्रत्येक कक्ष में प्रत्येक कोश में दो इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं, एक स्पिन +1/2 के साथ और दूसरा स्पिन -1/2 के साथ।

भौतिक विज्ञानी वोल्फगैंग पाउली ने एक सिद्धांत विकसित किया जो इन क्वांटम संख्याओं के अनुसार एक परमाणु में इलेक्ट्रॉनों के क्रम की व्याख्या करता है। उनका सिद्धांत, कहा जाता है पाउली अपवर्जन सिद्धांत, बताता है कि एक ही परमाणु में दो इलेक्ट्रॉन समान क्वांटम अवस्थाओं पर कब्जा नहीं कर सकते। अर्थात्, परमाणु में प्रत्येक इलेक्ट्रॉन में क्वांटम संख्याओं का एक अनूठा समूह होता है। यह उन इलेक्ट्रॉनों की संख्या को सीमित करता है जो किसी दिए गए कक्षीय, उपकोश और शेल पर कब्जा कर सकते हैं।

यह हाइड्रोजन परमाणु में इलेक्ट्रॉनों की व्यवस्था को दर्शाता है:

नाभिक में एक प्रोटॉन के साथ, परमाणु अपने इलेक्ट्रोस्टैटिक संतुलन के लिए एक इलेक्ट्रॉन को स्वीकार करता है (प्रोटॉन का सकारात्मक चार्ज इलेक्ट्रॉन के नकारात्मक चार्ज द्वारा बिल्कुल संतुलित होता है)। यह इलेक्ट्रॉन निचले शेल (n = 1) में है, पहला सबशेल (l = 0), इस सबशेल (m l = 0) के एकमात्र कक्षीय (स्थानिक अभिविन्यास) में, 1/2 के स्पिन मान के साथ। इस संरचना का वर्णन करने की सामान्य विधि इलेक्ट्रॉनों की उनके कोशों और उपकोशों के अनुसार गणना करना है, जिसे एक सम्मेलन के अनुसार कहा जाता है। स्पेक्ट्रोस्कोपिक संकेतन. इस संकेतन में, शेल संख्या को एक पूर्णांक के रूप में दिखाया गया है, उप-कोश एक अक्षर (एस, पी, डी, एफ) के रूप में, और सबहेल (सभी ऑर्बिटल्स, सभी स्पिन) में इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या एक सुपरस्क्रिप्ट के रूप में दिखाया गया है। इस प्रकार, हाइड्रोजन, जिसके एकल इलेक्ट्रॉन को आधार स्तर पर रखा गया है, को 1s 1 के रूप में वर्णित किया गया है।

अगले परमाणु (परमाणु क्रमांक के क्रम में) पर चलते हुए, हमें तत्व हीलियम मिलता है:

एक हीलियम परमाणु के नाभिक में दो प्रोटॉन होते हैं, जिसे दोहरे धनात्मक विद्युत आवेश को संतुलित करने के लिए दो इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता होती है। चूंकि दो इलेक्ट्रॉन - एक स्पिन 1/2 के साथ और दूसरा स्पिन -1/2 के साथ - एक ही कक्षीय में हैं, हीलियम की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को दूसरे इलेक्ट्रॉन को धारण करने के लिए अतिरिक्त उपकोश या गोले की आवश्यकता नहीं होती है।

हालांकि, तीन या अधिक इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता वाले परमाणु को सभी इलेक्ट्रॉनों को धारण करने के लिए अतिरिक्त उपकोशों की आवश्यकता होगी, क्योंकि केवल दो इलेक्ट्रॉन निचले शेल (n = 1) पर हो सकते हैं। बढ़ते हुए परमाणु क्रमांक के क्रम में अगले परमाणु पर विचार करें, लिथियम:

लिथियम परमाणु खोल के कैपेसिटेंस एल (एन = 2) के हिस्से का उपयोग करता है। इस कोश में वास्तव में आठ इलेक्ट्रॉनों की कुल क्षमता होती है (अधिकतम शेल क्षमता = 2n 2 इलेक्ट्रॉन)। यदि हम पूरी तरह से भरे हुए एल शेल वाले परमाणु की संरचना पर विचार करते हैं, तो हम देखते हैं कि इलेक्ट्रॉनों द्वारा सबहेल, ऑर्बिटल्स और स्पिन के सभी संयोजनों पर कैसे कब्जा किया जाता है:

अक्सर, जब किसी परमाणु को स्पेक्ट्रोस्कोपिक संकेतन निर्दिष्ट किया जाता है, तो किसी भी पूरी तरह से भरे हुए गोले को छोड़ दिया जाता है, और बिना भरे हुए गोले और शीर्ष-स्तर के भरे हुए गोले को दर्शाया जाता है। उदाहरण के लिए, नियॉन तत्व (उपरोक्त आकृति में दिखाया गया है), जिसमें दो पूरी तरह से भरे हुए गोले हैं, को वर्णक्रमीय रूप से केवल 1s 22 s 22 p 6 के बजाय 2p 6 के रूप में वर्णित किया जा सकता है। लिथियम, इसके पूर्ण रूप से भरे हुए K शेल और L शेल में एक एकल इलेक्ट्रॉन के साथ, इसे केवल 1s 22 s 1 के बजाय 2s 1 के रूप में वर्णित किया जा सकता है।

पूरी तरह से आबादी वाले निचले स्तर के गोले की चूक केवल अंकन की सुविधा के लिए नहीं है। यह रसायन विज्ञान के एक बुनियादी सिद्धांत को भी दर्शाता है: किसी तत्व का रासायनिक व्यवहार मुख्य रूप से उसके अधूरे कोशों द्वारा निर्धारित किया जाता है। हाइड्रोजन और लिथियम दोनों के बाहरी कोश में (क्रमशः 1 और 2s 1 के रूप में) एक इलेक्ट्रॉन होता है, अर्थात दोनों तत्वों के गुण समान होते हैं। दोनों अत्यधिक प्रतिक्रियाशील हैं, और लगभग समान तरीकों से प्रतिक्रिया करते हैं (समान परिस्थितियों में समान तत्वों के साथ बाध्यकारी)। यह वास्तव में कोई फर्क नहीं पड़ता कि लिथियम में लगभग मुक्त एल-शेल के तहत पूरी तरह से भरा हुआ के-शेल है: अधूरा एल-शेल वह है जो इसके रासायनिक व्यवहार को निर्धारित करता है।

जिन तत्वों में बाहरी कोश पूरी तरह से भरे होते हैं, उन्हें महान के रूप में वर्गीकृत किया जाता है और अन्य तत्वों के साथ प्रतिक्रिया की लगभग पूर्ण कमी की विशेषता होती है। इन तत्वों को निष्क्रिय के रूप में वर्गीकृत किया गया था जब उन्हें बिल्कुल भी प्रतिक्रिया नहीं करने के लिए माना जाता था, लेकिन वे कुछ शर्तों के तहत अन्य तत्वों के साथ यौगिक बनाने के लिए जाने जाते हैं।

चूँकि अपने बाहरी कोश में समान इलेक्ट्रॉनों के विन्यास वाले तत्वों में समान रासायनिक गुण होते हैं, दिमित्री मेंडेलीव ने रासायनिक तत्वों को तदनुसार एक तालिका में व्यवस्थित किया। इस तालिका को के रूप में जाना जाता है , और आधुनिक तालिकाएँ नीचे दिए गए चित्र में दिखाए गए इस सामान्य लेआउट का अनुसरण करती हैं।

रासायनिक तत्वों की आवर्त सारणी

दिमित्री मेंडेलीव, एक रूसी रसायनज्ञ, तत्वों की आवर्त सारणी विकसित करने वाले पहले व्यक्ति थे। भले ही मेंडेलीव ने अपनी तालिका को परमाणु द्रव्यमान के अनुसार व्यवस्थित किया, परमाणु संख्या के अनुसार नहीं, और एक ऐसी तालिका बनाई जो आधुनिक आवर्त सारणी के समान उपयोगी नहीं थी, उनका विकास वैज्ञानिक प्रमाण के उत्कृष्ट उदाहरण के रूप में खड़ा है। आवधिकता के पैटर्न (परमाणु द्रव्यमान के अनुसार समान रासायनिक गुण) को देखकर, मेंडेलीव ने अनुमान लगाया कि सभी तत्वों को इस आदेशित पैटर्न में फिट होना चाहिए। जब उन्होंने तालिका में "खाली" स्थानों की खोज की, तो उन्होंने मौजूदा आदेश के तर्क का पालन किया और अभी तक अज्ञात तत्वों के अस्तित्व को ग्रहण किया। इन तत्वों की बाद की खोज ने मेंडेलीव की परिकल्पना की वैज्ञानिक शुद्धता की पुष्टि की, आगे की खोजों ने आवर्त सारणी के रूप को जन्म दिया जिसका हम अभी उपयोग करते हैं।

ऐशे ही चाहिएकार्य विज्ञान: परिकल्पना तार्किक निष्कर्षों की ओर ले जाती है और उनके निष्कर्षों के साथ प्रयोगात्मक डेटा की स्थिरता के आधार पर स्वीकार, परिवर्तित या अस्वीकार कर दी जाती है। उपलब्ध प्रायोगिक आंकड़ों की व्याख्या करने के लिए कोई भी मूर्ख तथ्य के बाद एक परिकल्पना तैयार कर सकता है, और कई करते हैं। पोस्ट हॉक अटकलों से एक वैज्ञानिक परिकल्पना को जो अलग करता है, वह भविष्य के प्रायोगिक डेटा की भविष्यवाणी है जिसे अभी तक एकत्र नहीं किया गया है, और संभवतः परिणामस्वरूप उस डेटा का खंडन। परिकल्पना को उसके तार्किक निष्कर्ष तक साहसपूर्वक ले जाएं और भविष्य के प्रयोगों के परिणामों की भविष्यवाणी करने का प्रयास विश्वास की एक हठधर्मी छलांग नहीं है, बल्कि इस परिकल्पना का एक सार्वजनिक परीक्षण है, परिकल्पना के विरोधियों के लिए एक खुली चुनौती है। दूसरे शब्दों में, वैज्ञानिक परिकल्पनाएं हमेशा "जोखिम भरी" होती हैं क्योंकि उन प्रयोगों के परिणामों की भविष्यवाणी करने की कोशिश की जाती है जो अभी तक नहीं किए गए हैं, और इसलिए यदि प्रयोग अपेक्षित नहीं होते हैं तो उन्हें गलत साबित किया जा सकता है। इस प्रकार, यदि एक परिकल्पना दोहराए गए प्रयोगों के परिणामों की सही भविष्यवाणी करती है, तो यह अस्वीकृत हो जाती है।

क्वांटम यांत्रिकी, पहले एक परिकल्पना के रूप में और फिर एक सिद्धांत के रूप में, प्रयोगों के परिणामों की भविष्यवाणी करने में बेहद सफल साबित हुई है, और इसलिए इसे उच्च स्तर की वैज्ञानिक विश्वसनीयता प्राप्त हुई है। कई वैज्ञानिकों के पास यह मानने का कारण है कि यह एक अधूरा सिद्धांत है, क्योंकि इसकी भविष्यवाणियां मैक्रोस्कोपिक की तुलना में सूक्ष्म भौतिक पैमानों पर अधिक सत्य हैं, लेकिन फिर भी, यह कणों और परमाणुओं की बातचीत को समझाने और भविष्यवाणी करने के लिए एक अत्यंत उपयोगी सिद्धांत है।

जैसा कि आपने इस अध्याय में देखा है, क्वांटम भौतिकी कई अलग-अलग घटनाओं का वर्णन और भविष्यवाणी करने में आवश्यक है। अगले भाग में हम अर्धचालकों सहित ठोसों की विद्युत चालकता में इसके महत्व को देखेंगे। सीधे शब्दों में कहें तो, रसायन विज्ञान या ठोस अवस्था भौतिकी में कुछ भी इलेक्ट्रॉनों की लोकप्रिय सैद्धांतिक संरचना में मौजूद नहीं है, जो कि लघु उपग्रहों जैसे परमाणु के नाभिक के चारों ओर चक्कर लगाने वाले पदार्थ के अलग-अलग कणों के रूप में मौजूद है। जब इलेक्ट्रॉनों को "तरंग कार्यों" के रूप में देखा जाता है, जो कुछ निश्चित, असतत अवस्थाओं में मौजूद होते हैं जो नियमित और आवधिक होते हैं, तो पदार्थ के व्यवहार को समझाया जा सकता है।

उपसंहार

परमाणुओं में इलेक्ट्रॉन वितरित संभाव्यता के "बादलों" में मौजूद होते हैं, न कि नाभिक के चारों ओर घूमने वाले पदार्थ के असतत कणों के रूप में, जैसे कि लघु उपग्रह, जैसा कि सामान्य उदाहरण दिखाते हैं।

एक परमाणु के नाभिक के चारों ओर अलग-अलग इलेक्ट्रॉन चार क्वांटम संख्याओं द्वारा वर्णित अद्वितीय "राज्यों" की ओर प्रवृत्त होते हैं: प्रिंसिपल (रेडियल) क्वांटम संख्या, जाना जाता है सीप; कक्षीय (अज़ीमुथ) क्वांटम संख्या, जाना जाता है उपकोश; चुंबकीय क्वांटम संख्याका वर्णन कक्षा का(सबशेल ओरिएंटेशन); और स्पिन क्वांटम संख्या, या केवल घुमाना. ये अवस्थाएँ क्वांटम हैं, अर्थात्, "उनके बीच" एक इलेक्ट्रॉन के अस्तित्व के लिए कोई शर्तें नहीं हैं, केवल उन राज्यों को छोड़कर जो क्वांटम नंबरिंग योजना में फिट होते हैं।

Glanoe (रेडियल) क्वांटम संख्या (n)आधार स्तर या शेल का वर्णन करता है जिसमें इलेक्ट्रॉन रहता है। यह संख्या जितनी अधिक होगी, परमाणु के नाभिक से इलेक्ट्रॉन बादल की त्रिज्या उतनी ही अधिक होगी और इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा भी उतनी ही अधिक होगी। प्रिंसिपल क्वांटम संख्याएं पूर्णांक हैं (सकारात्मक पूर्णांक)

कक्षीय (अजीमुथल) क्वांटम संख्या (एल)एक विशेष खोल या स्तर में एक इलेक्ट्रॉन बादल के आकार का वर्णन करता है और इसे अक्सर "उपकोश" के रूप में जाना जाता है। किसी भी शेल में, शेल की मुख्य क्वांटम संख्या के रूप में कई उपकोश (इलेक्ट्रॉन क्लाउड के रूप) होते हैं। अज़ीमुथल क्वांटम संख्या शून्य से शुरू होने वाली और मुख्य क्वांटम संख्या से एक (एन -1) से कम संख्या के साथ समाप्त होने वाली सकारात्मक पूर्णांक हैं।

चुंबकीय क्वांटम संख्या (एम एल)वर्णन करता है कि उपकोश (इलेक्ट्रॉन बादल आकार) का क्या अभिविन्यास है। उपकोशों में उपकोश संख्या (एल) प्लस 1, (2l+1) (अर्थात एल = 1, एम एल = -1, 0, 1 के लिए) के दोगुने के रूप में कई अलग-अलग अभिविन्यास हो सकते हैं, और प्रत्येक अद्वितीय अभिविन्यास को कक्षीय कहा जाता है . ये संख्याएँ पूर्णांक संख्या (l) के ऋणात्मक मान से शुरू होकर 0 तक पूर्णांक होती हैं और उप-संख्या के धनात्मक मान के साथ समाप्त होती हैं।

स्पिन क्वांटम संख्या (एम एस)इलेक्ट्रॉन की एक और संपत्ति का वर्णन करता है और मान +1/2 और -1/2 ले सकता है।

पाउली अपवर्जन सिद्धांतकहते हैं कि एक परमाणु में दो इलेक्ट्रॉन क्वांटम संख्याओं के समान सेट को साझा नहीं कर सकते। इसलिए, प्रत्येक कक्षीय (स्पिन = 1/2 और स्पिन = -1/2) में अधिकतम दो इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं, प्रत्येक उपकोश में 2l+1 ऑर्बिटल्स और प्रत्येक शेल में n सबशेल हो सकते हैं, और अधिक नहीं।

स्पेक्ट्रोस्कोपिक संकेतनएक परमाणु की इलेक्ट्रॉनिक संरचना के लिए एक सम्मेलन है। शेल को पूर्णांक के रूप में दिखाया जाता है, उसके बाद उप-अक्षरों (s, p, d, f) को सुपरस्क्रिप्ट संख्याओं के साथ प्रत्येक संबंधित उपकोश में पाए जाने वाले इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या को दर्शाता है।

एक परमाणु का रासायनिक व्यवहार केवल अधूरे कोशों में इलेक्ट्रॉनों द्वारा निर्धारित किया जाता है। निम्न-स्तर के गोले जो पूरी तरह से भरे हुए हैं, तत्वों की रासायनिक बाध्यकारी विशेषताओं पर बहुत कम या कोई प्रभाव नहीं पड़ता है।

पूरी तरह से भरे हुए इलेक्ट्रॉन कोश वाले तत्व लगभग पूरी तरह से निष्क्रिय होते हैं, और कहलाते हैं महानतत्व (पहले अक्रिय के रूप में जाना जाता था)।

Kvantinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. क्वांटम भौतिकी वोक। क्वांटेंफिसिक, एफ रस। क्वांटम भौतिकी, एफ प्रांक। फिजिक क्वांटिक, एफ ... फिजिकोस टर्मिन, odynas

इस शब्द के अन्य अर्थ हैं, स्थिर अवस्था देखें। एक स्थिर अवस्था (लैटिन स्थिर से स्थिर, गतिहीन) एक क्वांटम प्रणाली की स्थिति है जिसमें इसकी ऊर्जा और अन्य गतिशील ... विकिपीडिया

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इसके निम्नलिखित उपखंड हैं (सूची अधूरी है): क्वांटम यांत्रिकी बीजगणितीय क्वांटम सिद्धांत क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स क्वांटम थर्मोडायनामिक्स क्वांटम गुरुत्व सुपरस्ट्रिंग सिद्धांत यह भी देखें ... ... विकिपीडिया

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भौतिक विज्ञान। 1. भौतिकी का विषय और संरचना एफ। वह विज्ञान जो सबसे सरल और एक ही समय में सबसे अधिक अध्ययन करता है। हमारे आस-पास की भौतिक दुनिया की वस्तुओं की गति के सामान्य गुण और नियम। इस व्यापकता के परिणामस्वरूप, ऐसी कोई प्राकृतिक घटना नहीं है जिसमें भौतिक न हो। गुण... भौतिक विश्वकोश

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भौतिकी की शाखा जो त्वरक में कणों की गतिशीलता का अध्ययन करती है, साथ ही कण त्वरक के निर्माण और संचालन से जुड़ी कई तकनीकी समस्याओं का अध्ययन करती है। त्वरक के भौतिकी में कणों के उत्पादन और संचय से संबंधित मुद्दे शामिल हैं ... विकिपीडिया

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क्वांटम तर्क तर्क की एक शाखा है जो क्वांटम सिद्धांत के सिद्धांतों को ध्यान में रखते हुए वाक्यों के तर्क के लिए आवश्यक है। अनुसंधान के इस क्षेत्र की स्थापना 1936 में गैरिट बेयरहोफ और जॉन वॉन न्यूमैन के काम से हुई थी, जिन्होंने कोशिश की ... विकिपीडिया

पुस्तकें

• क्वांटम भौतिकी, लियोनिद कार्लोविच मार्टिंसन। क्वांटम भौतिकी में अंतर्निहित सैद्धांतिक और प्रायोगिक सामग्री को विस्तार से प्रस्तुत किया गया है। बुनियादी क्वांटम अवधारणाओं और गणितीय की भौतिक सामग्री पर बहुत ध्यान दिया जाता है ...
• क्वांटम भौतिकी, शद्दाद क़ैद-साला फेरॉन। हमारी पूरी दुनिया और उसमें जो कुछ भी है - घर, पेड़ और यहां तक ​​​​कि लोग भी! - छोटे-छोटे कणों से मिलकर बना है। "विज्ञान के बारे में पहली किताबें" श्रृंखला से "क्वांटम भौतिकी" पुस्तक हमारे लिए अदृश्य के बारे में बताएगी ...

जब लोग "क्वांटम भौतिकी" शब्द सुनते हैं तो वे आमतौर पर इसे टाल देते हैं: "यह बहुत जटिल है।" इस बीच, यह बिल्कुल मामला नहीं है, और "क्वांटम" शब्द में कुछ भी भयानक नहीं है। समझ से बाहर - पर्याप्त, दिलचस्प - बहुत कुछ, लेकिन डरावना - नहीं।

बुकशेल्फ़, सीढ़ी और इवान इवानोविच के बारे में

हमारे आसपास की दुनिया में सभी प्रक्रियाओं, घटनाओं और मात्राओं को दो समूहों में विभाजित किया जा सकता है: निरंतर (वैज्ञानिक रूप से) निरंतर ) और असंतत (वैज्ञानिक रूप से असतत या मात्रा निर्धारित ).

एक टेबल की कल्पना करें जिस पर आप एक किताब रख सकते हैं। आप किताब को टेबल पर कहीं भी रख सकते हैं। दाईं ओर, बाईं ओर, बीच में ... आप जहां चाहें - वहां डाल दें। इस मामले में, भौतिकविदों का कहना है कि मेज पर पुस्तक की स्थिति बदल जाती है लगातार .

अब बुकशेल्फ़ की कल्पना करें। आप किताब को पहले शेल्फ पर, दूसरे पर, तीसरे या चौथे पर रख सकते हैं - लेकिन आप किताब को "तीसरे और चौथे के बीच कहीं" नहीं रख सकते। इस मामले में, पुस्तक की स्थिति बदल जाती है discontinuously , कड़ाई से , मात्रा निर्धारित (इन सभी शब्दों का मतलब एक ही है।)

हमारे चारों ओर की दुनिया निरंतर और परिमाणित मात्राओं से भरी हुई है। यहाँ दो लड़कियाँ हैं - कात्या और माशा। इनकी ऊंचाई 135 और 136 सेंटीमीटर है। यह मूल्य क्या है? ऊंचाई लगातार बदलती रहती है, यह साढ़े 135 सेंटीमीटर और 135 सेंटीमीटर और एक चौथाई हो सकती है। लेकिन जिस स्कूल में लड़कियां पढ़ती हैं उसकी संख्या एक मात्रात्मक मूल्य है! मान लीजिए कि कात्या स्कूल नंबर 135 में पढ़ती है, और माशा स्कूल नंबर 136 में पढ़ती है। हालांकि, उनमें से कोई भी स्कूल नंबर 135 और डेढ़ में नहीं पढ़ सकता है, है ना?

परिमाणित प्रणाली का एक अन्य उदाहरण शतरंज की बिसात है। एक बिसात पर 64 वर्ग होते हैं, और प्रत्येक टुकड़ा केवल एक वर्ग पर कब्जा कर सकता है। क्या हम मोहरे को चौकों के बीच कहीं रख सकते हैं या एक ही बार में दो प्यादों को एक चौक पर रख सकते हैं? वास्तव में, हम कर सकते हैं, लेकिन नियमों के अनुसार, नहीं।

सातत्य वंश

और यहाँ खेल के मैदान पर स्लाइड है। बच्चे इससे नीचे खिसकते हैं - क्योंकि स्लाइड की ऊंचाई सुचारू रूप से, लगातार बदलती रहती है। अब कल्पना कीजिए कि यह पहाड़ी अचानक (एक जादू की छड़ी लहराते हुए!) एक सीढ़ी में बदल गई। अब उसकी गांड लुढ़कना संभव नहीं होगा। आपको अपने पैरों से चलना है - पहला एक कदम, फिर दूसरा, फिर तीसरा। मूल्य (ऊंचाई) हमने बदल दिया है लगातार - लेकिन कदमों में बदलाव करना शुरू कर दिया, यानी विवेकपूर्वक, मात्रा निर्धारित .

मात्राबद्ध वंश

चलो देखते है!

1. देश में एक पड़ोसी, इवान इवानोविच, एक पड़ोसी गांव में गया और कहा, "मैं रास्ते में कहीं आराम करूंगा।"

2. देश में पड़ोसी इवान इवानोविच एक पड़ोसी गांव में गया और कहा, "मैं किसी बस से जाऊंगा।"

इन दो स्थितियों ("सिस्टम") में से कौन सी निरंतर मानी जा सकती है, और कौन सी - परिमाणित?

जवाब:

पहले मामले में, इवान इवानोविच चलता है और किसी भी बिंदु पर आराम करने के लिए रुक सकता है। इसलिए यह व्यवस्था निरंतर है।

दूसरे में, इवान इवानोविच एक बस में चढ़ सकता है जो रुक गई है। छोड़ सकते हैं और अगली बस की प्रतीक्षा कर सकते हैं। लेकिन वह बसों के बीच "कहीं" नहीं बैठ पाएगा। तो यह प्रणाली परिमाणित है!

यह सब खगोल विज्ञान के बारे में है

निरंतर (निरंतर) और असंतत (मात्राबद्ध, असंतत, असतत) मात्राओं का अस्तित्व प्राचीन यूनानियों द्वारा भी अच्छी तरह से जाना जाता था। आर्किमिडीज ने अपनी पुस्तक Psammit (रेत के अनाज की गणना) में, निरंतर और मात्रात्मक मात्रा के बीच गणितीय संबंध स्थापित करने का पहला प्रयास किया। हालाँकि, उस समय कोई क्वांटम भौतिकी मौजूद नहीं थी।

यह 20वीं सदी की शुरुआत तक अस्तित्व में नहीं था! गैलीलियो, डेसकार्टेस, न्यूटन, फैराडे, जंग या मैक्सवेल जैसे महान भौतिकविदों ने कभी किसी क्वांटम भौतिकी के बारे में नहीं सुना था और इसके बिना ठीक-ठाक साथ रहे। आप पूछ सकते हैं: तब वैज्ञानिक क्वांटम भौतिकी के साथ क्यों आए? क्या हुआ फिजिक्स में खास? कल्पना कीजिए कि क्या हुआ। न केवल भौतिकी में, बल्कि खगोल विज्ञान में!

रहस्यमय उपग्रह

1844 में, जर्मन खगोलशास्त्री फ्रेडरिक बेसेल ने हमारे रात के आकाश में सबसे चमकीले तारे सीरियस को देखा। उस समय तक, खगोलविदों को पहले से ही पता था कि हमारे आकाश में तारे स्थिर नहीं हैं - वे चलते हैं, केवल बहुत, बहुत धीमी गति से। इसके अलावा, प्रत्येक तारा महत्वपूर्ण है! - एक सीधी रेखा में चलता है। इसलिए, सीरियस को देखते हुए, यह पता चला कि वह एक सीधी रेखा में बिल्कुल भी नहीं चलता है। ऐसा लग रहा था कि तारा पहले एक दिशा में, फिर दूसरी दिशा में "हिला" रहा था। आकाश में सीरियस का मार्ग एक घुमावदार रेखा की तरह था, जिसे गणितज्ञ "साइन वेव" कहते हैं।

तारा सीरियस और उसका उपग्रह - सीरियस बी

यह स्पष्ट था कि तारा स्वयं उस तरह नहीं चल सकता था। सीधी रेखा गति को साइनसॉइडल गति में बदलने के लिए, किसी प्रकार की "परेशान करने वाली शक्ति" की आवश्यकता होती है। इसलिए, बेसेल ने सुझाव दिया कि एक भारी उपग्रह सीरियस के चारों ओर घूमता है - यह सबसे स्वाभाविक और उचित व्याख्या थी।

हालांकि, गणना से पता चला कि इस उपग्रह का द्रव्यमान लगभग हमारे सूर्य के समान होना चाहिए। फिर हम इस उपग्रह को पृथ्वी से क्यों नहीं देख पाते हैं? सीरियस सौर मंडल से दूर नहीं है - लगभग ढाई पारसेक, और एक वस्तु जो सूर्य के आकार को बहुत अच्छी तरह से दिखाई देनी चाहिए ...

यह एक मुश्किल काम निकला। कुछ वैज्ञानिकों ने कहा कि यह उपग्रह एक ठंडा, ठंडा तारा है - इसलिए यह हमारे ग्रह से बिल्कुल काला और अदृश्य है। दूसरों ने कहा कि यह उपग्रह काला नहीं है, बल्कि पारदर्शी है, इसलिए हम इसे नहीं देख सकते हैं। दुनिया भर के खगोलविदों ने दूरबीनों के माध्यम से सीरियस को देखा और रहस्यमय अदृश्य उपग्रह को "पकड़ने" की कोशिश की, और वह उनका मजाक उड़ा रहा था। हैरान करने वाली बात थी, जानिए...

हमें एक चमत्कारी दूरबीन की जरूरत है!

ऐसे टेलिस्कोप में लोगों ने सबसे पहले सीरियस के सैटेलाइट को देखा

उन्नीसवीं शताब्दी के मध्य में, उत्कृष्ट दूरबीन डिजाइनर एल्विन क्लार्क संयुक्त राज्य अमेरिका में रहते थे और काम करते थे। पहले पेशे से वे एक कलाकार थे, लेकिन संयोग से वे प्रथम श्रेणी के इंजीनियर, कांच निर्माता और खगोलशास्त्री बन गए। अब तक, कोई भी उनकी अद्भुत लेंस दूरबीनों को पार नहीं कर पाया है! एल्विन क्लार्क (76 सेंटीमीटर व्यास) का एक लेंस सेंट पीटर्सबर्ग में पुल्कोवो वेधशाला के संग्रहालय में देखा जा सकता है...

हालाँकि, हम पछताते हैं। तो, 1867 में, एल्विन क्लार्क ने एक नया टेलीस्कोप बनाया - 47 सेंटीमीटर व्यास वाले लेंस के साथ; यह उस समय अमेरिका की सबसे बड़ी दूरबीन थी। यह रहस्यमय सीरियस था जिसे परीक्षणों के दौरान देखे जाने वाले पहले खगोलीय पिंड के रूप में चुना गया था। और खगोलविदों की उम्मीदें शानदार ढंग से उचित थीं - पहली ही रात में, बेसेल द्वारा भविष्यवाणी की गई सीरियस के मायावी उपग्रह की खोज की गई थी।

फ्राइंग पैन से आग में...

हालांकि, क्लार्क के अवलोकन संबंधी डेटा प्राप्त करने के बाद, खगोलविदों को लंबे समय तक खुशी नहीं हुई। दरअसल, गणना के अनुसार, उपग्रह का द्रव्यमान लगभग हमारे सूर्य (पृथ्वी के द्रव्यमान का 333,000 गुना) के बराबर होना चाहिए। लेकिन एक विशाल काले (या पारदर्शी) खगोलीय पिंड के बजाय, खगोलविदों ने देखा ... एक छोटा सफेद तारा! यह तारक बहुत गर्म था (25,000 डिग्री, हमारे सूर्य के 5,500 डिग्री की तुलना में) और साथ ही छोटा (ब्रह्मांडीय मानकों के अनुसार), पृथ्वी से बड़ा नहीं था (बाद में ऐसे सितारों को "सफेद बौने" कहा जाता था)। यह पता चला कि इस तारांकन में बिल्कुल अकल्पनीय घनत्व था। तब इसमें कौन सा पदार्थ होता है?

पृथ्वी पर, हम उच्च घनत्व वाली सामग्री को जानते हैं, जैसे कि सीसा (इस धातु से बने सेंटीमीटर के किनारे वाले घन का वजन 11.3 ग्राम होता है) या सोना (19.3 ग्राम प्रति घन सेंटीमीटर)। सीरियस के उपग्रह के पदार्थ का घनत्व (इसे "सीरियस बी" कहा जाता था) है दस लाख (!!!) ग्राम प्रति घन सेंटीमीटर - यह सोने से 52 हजार गुना भारी है!

उदाहरण के लिए, एक साधारण माचिस को लें। इसकी मात्रा 28 घन सेंटीमीटर है। इसका मतलब है कि सीरियस के उपग्रह के पदार्थ से भरे माचिस का वजन होगा ... 28 टन! कल्पना करने की कोशिश करें - एक पैमाने पर एक माचिस है, और दूसरे पर - एक टैंक!

एक और समस्या थी। भौतिकी में एक नियम है जिसे चार्ल्स का नियम कहते हैं। उनका तर्क है कि एक ही आयतन में किसी पदार्थ का दबाव जितना अधिक होता है, इस पदार्थ का तापमान उतना ही अधिक होता है। याद रखें कि गर्म भाप का दबाव उबली हुई केतली से ढक्कन को कैसे फाड़ता है - और आप तुरंत समझ जाएंगे कि यह किस बारे में है। तो, सीरियस के उपग्रह के पदार्थ के तापमान ने सबसे बेशर्म तरीके से चार्ल्स के इस कानून का उल्लंघन किया! दबाव अकल्पनीय था और तापमान अपेक्षाकृत कम था। नतीजतन, "गलत" भौतिक कानून और सामान्य तौर पर, "गलत" भौतिकी प्राप्त की गई थी। विनी द पूह की तरह - "गलत मधुमक्खी और गलत शहद।"

पूरी तरह से चक्कर...

भौतिकी को "बचाने" के लिए, 20 वीं शताब्दी की शुरुआत में, वैज्ञानिकों को यह स्वीकार करना पड़ा कि दुनिया में एक ही बार में दो भौतिकी हैं - एक "शास्त्रीय", जिसे दो हजार वर्षों से जाना जाता है। दूसरा असामान्य है मात्रा . वैज्ञानिकों ने सुझाव दिया है कि शास्त्रीय भौतिकी के नियम हमारी दुनिया के सामान्य, "मैक्रोस्कोपिक" स्तर पर काम करते हैं। लेकिन सबसे छोटे, "सूक्ष्म" स्तर पर, पदार्थ और ऊर्जा पूरी तरह से अलग-अलग कानूनों का पालन करते हैं - क्वांटम वाले।

हमारे ग्रह पृथ्वी की कल्पना करो। 15,000 से अधिक विभिन्न कृत्रिम वस्तुएं अब इसके चारों ओर घूम रही हैं, प्रत्येक अपनी कक्षा में। इसके अलावा, यदि वांछित हो तो इस कक्षा को बदला (सुधारा) जा सकता है - उदाहरण के लिए, अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (आईएसएस) की कक्षा को समय-समय पर सही किया जाता है। यह एक मैक्रोस्कोपिक स्तर है, शास्त्रीय भौतिकी के नियम यहां काम करते हैं (उदाहरण के लिए, न्यूटन के नियम)।

अब सूक्ष्म स्तर पर चलते हैं। एक परमाणु के नाभिक की कल्पना कीजिए। इसके चारों ओर, उपग्रहों की तरह, इलेक्ट्रॉन घूमते हैं - हालांकि, उनमें से कई मनमाने ढंग से नहीं हो सकते हैं (कहते हैं, एक हीलियम परमाणु में दो से अधिक नहीं होते हैं)। और इलेक्ट्रॉनों की कक्षाएँ अब मनमानी नहीं होंगी, बल्कि परिमाणित, "कदम" होंगी। भौतिकी की ऐसी कक्षाओं को "अनुमत ऊर्जा स्तर" भी कहा जाता है। एक इलेक्ट्रॉन एक अनुमत स्तर से दूसरे स्तर पर "सुचारु रूप से" नहीं जा सकता है, यह केवल तुरंत स्तर से स्तर तक "कूद" सकता है। बस "वहाँ" था, और तुरंत "यहाँ" दिखाई दिया। वह "वहाँ" और "यहाँ" के बीच कहीं नहीं हो सकता। यह तुरंत स्थान बदलता है।

अद्भुत? अद्भुत! लेकिन यह बिलकुल भी नहीं है। तथ्य यह है कि, क्वांटम भौतिकी के नियमों के अनुसार, दो समान इलेक्ट्रॉन समान ऊर्जा स्तर पर कब्जा नहीं कर सकते। कभी नहीँ। वैज्ञानिक इस घटना को "पॉली का प्रतिबंध" कहते हैं (यह "प्रतिबंध" क्यों काम करता है, वे अभी भी समझा नहीं सकते हैं)। सबसे बढ़कर, यह "निषेध" एक शतरंज की बिसात जैसा दिखता है, जिसे हमने क्वांटम सिस्टम के उदाहरण के रूप में उद्धृत किया है - यदि बोर्ड के एक वर्ग पर एक मोहरा है, तो इस वर्ग पर दूसरा मोहरा नहीं रखा जा सकता है। ठीक ऐसा ही इलेक्ट्रॉनों के साथ भी होता है!

समस्या का समाधान

आप कैसे पूछते हैं, क्वांटम भौतिकी सीरियस बी के अंदर चार्ल्स के कानून के उल्लंघन के रूप में ऐसी असामान्य घटनाओं की व्याख्या कैसे कर सकती है? पर कैसे।

एक शहर के पार्क की कल्पना करें जिसमें एक डांस फ्लोर हो। बहुत सारे लोग सड़क पर चलते हैं, वे डांस फ्लोर पर डांस करने जाते हैं। बता दें कि गली में लोगों की संख्या दबाव का प्रतिनिधित्व करती है, और डिस्को में लोगों की संख्या तापमान को दर्शाती है। बड़ी संख्या में लोग डांस फ्लोर पर जा सकते हैं - जितने अधिक लोग पार्क में चलते हैं, उतने ही अधिक लोग डांस फ्लोर पर नृत्य करते हैं, यानी जितना अधिक दबाव, उतना ही अधिक तापमान। इस प्रकार शास्त्रीय भौतिकी के नियम काम करते हैं - जिसमें चार्ल्स का नियम भी शामिल है। वैज्ञानिक ऐसे पदार्थ को "आदर्श गैस" कहते हैं।

डांस फ्लोर पर लोग - "आदर्श गैस"

हालांकि, सूक्ष्म स्तर पर, शास्त्रीय भौतिकी के नियम काम नहीं करते हैं। क्वांटम कानून वहां काम करना शुरू करते हैं, और यह मौलिक रूप से स्थिति को बदल देता है।

कल्पना कीजिए कि पार्क में डांस फ्लोर की साइट पर एक कैफे खोला गया था। क्या अंतर है? हां, इस तथ्य में कि एक कैफे में, डिस्को के विपरीत, "जितने आप चाहें" लोग प्रवेश नहीं करेंगे। जैसे ही टेबल पर सभी जगहों पर कब्जा कर लिया जाएगा, सुरक्षा लोगों को अंदर जाने देना बंद कर देगी। और जब तक मेहमानों में से कोई एक टेबल खाली नहीं करता, सुरक्षा किसी को भी अंदर नहीं जाने देगी! अधिक से अधिक लोग पार्क में घूम रहे हैं - और कितने लोग कैफे में थे, कितने रह गए। यह पता चला है कि दबाव बढ़ता है, और तापमान "स्थिर" रहता है।

एक कैफे में लोग - "क्वांटम गैस"

सीरियस बी के अंदर, निश्चित रूप से, कोई लोग, डांस फ्लोर और कैफे नहीं हैं। लेकिन सिद्धांत वही रहता है: इलेक्ट्रॉन सभी अनुमत ऊर्जा स्तरों को भरते हैं (जैसे आगंतुक - एक कैफे में टेबल), और वे अब "किसी को भी अंदर नहीं जाने" दे सकते हैं - बिल्कुल पाउली निषेध के अनुसार। नतीजतन, तारे के अंदर एक अकल्पनीय रूप से बहुत बड़ा दबाव प्राप्त होता है, लेकिन साथ ही तापमान अधिक होता है, लेकिन सितारों के लिए बिल्कुल सामान्य होता है। भौतिकी में ऐसे पदार्थ को "पतित क्वांटम गैस" कहा जाता है।

क्या हमें जारी रखना चाहिए?..

सफेद बौनों का असामान्य रूप से उच्च घनत्व भौतिकी में एकमात्र घटना से दूर है जिसमें क्वांटम कानूनों के उपयोग की आवश्यकता होती है। यदि यह विषय आपकी रूचि रखता है, तो लुचिक के अगले अंक में हम अन्य, कम दिलचस्प, क्वांटम घटना के बारे में बात कर सकते हैं। लिखना! अभी के लिए, आइए मुख्य बात याद रखें:

1. हमारी दुनिया (ब्रह्मांड) में मैक्रोस्कोपिक (यानी "बड़े") स्तर पर, शास्त्रीय भौतिकी के नियम संचालित होते हैं। वे साधारण तरल पदार्थ और गैसों के गुणों, सितारों और ग्रहों की गति, और बहुत कुछ का वर्णन करते हैं। यह वह भौतिकी है जो आप स्कूल में पढ़ते हैं (या पढ़ेंगे)।

2. हालांकि, सूक्ष्म (अर्थात, अविश्वसनीय रूप से छोटा, सबसे छोटे बैक्टीरिया से लाखों गुना छोटा) स्तर पर, पूरी तरह से अलग कानून संचालित होते हैं - क्वांटम भौतिकी के नियम। इन नियमों का वर्णन बहुत ही जटिल गणितीय सूत्रों द्वारा किया गया है, और इनका अध्ययन स्कूल में नहीं किया जाता है। हालांकि, केवल क्वांटम भौतिकी हमें सफेद बौनों (जैसे सीरियस बी), न्यूट्रॉन सितारों, ब्लैक होल आदि जैसी अद्भुत अंतरिक्ष वस्तुओं की संरचना को अपेक्षाकृत स्पष्ट रूप से समझाने की अनुमति देती है।

इस दुनिया में कोई नहीं समझता कि क्वांटम यांत्रिकी क्या है। उसके बारे में जानना शायद यह सबसे महत्वपूर्ण बात है। बेशक, कई भौतिकविदों ने क्वांटम कंप्यूटिंग के आधार पर कानूनों का उपयोग करना और यहां तक ​​​​कि घटनाओं की भविष्यवाणी करना भी सीख लिया है। लेकिन यह अभी भी स्पष्ट नहीं है कि प्रयोग का पर्यवेक्षक प्रणाली के व्यवहार को क्यों निर्धारित करता है और इसे दो राज्यों में से एक लेने के लिए मजबूर करता है।

यहां परिणामों के साथ प्रयोगों के कुछ उदाहरण दिए गए हैं जो प्रेक्षक के प्रभाव में अनिवार्य रूप से बदल जाएंगे। वे दिखाते हैं कि क्वांटम यांत्रिकी व्यावहारिक रूप से भौतिक वास्तविकता में सचेत विचार के हस्तक्षेप से संबंधित है।

आज क्वांटम यांत्रिकी की कई व्याख्याएँ हैं, लेकिन कोपेनहेगन व्याख्या शायद सबसे अच्छी तरह से जानी जाती है। 1920 के दशक में, इसके सामान्य अभिधारणाओं को नील्स बोहर और वर्नर हाइजेनबर्ग द्वारा तैयार किया गया था।

कोपेनहेगन व्याख्या का आधार तरंग फलन था। यह एक गणितीय फलन है जिसमें क्वांटम सिस्टम की सभी संभावित अवस्थाओं के बारे में जानकारी होती है जिसमें यह एक साथ मौजूद होता है। कोपेनहेगन इंटरप्रिटेशन के अनुसार, एक प्रणाली की स्थिति और अन्य राज्यों के सापेक्ष इसकी स्थिति केवल अवलोकन द्वारा निर्धारित की जा सकती है (लहर फ़ंक्शन का उपयोग केवल गणितीय रूप से एक राज्य या किसी अन्य में सिस्टम की संभावना की गणना करने के लिए किया जाता है)।

यह कहा जा सकता है कि अवलोकन के बाद, एक क्वांटम प्रणाली शास्त्रीय हो जाती है और जिस स्थिति में इसे देखा गया था, उसके अलावा अन्य राज्यों में तुरंत मौजूद नहीं रहता है। इस निष्कर्ष ने अपने विरोधियों को पाया (याद रखें प्रसिद्ध आइंस्टीन के "भगवान पासा नहीं खेलते हैं"), लेकिन गणना और भविष्यवाणियों की सटीकता अभी भी अपनी थी।

फिर भी, कोपेनहेगन व्याख्या के समर्थकों की संख्या घट रही है, और इसका मुख्य कारण प्रयोग के दौरान तरंग फ़ंक्शन का रहस्यमय तात्कालिक पतन है। एक गरीब बिल्ली के साथ इरविन श्रोडिंगर के प्रसिद्ध विचार प्रयोग को इस घटना की बेरुखी का प्रदर्शन करना चाहिए। आइए विवरण याद रखें।

ब्लैक बॉक्स के अंदर एक काली बिल्ली बैठी है और उसके साथ जहर की एक शीशी और एक तंत्र है जो जहर को बेतरतीब ढंग से छोड़ सकता है। उदाहरण के लिए, क्षय के दौरान एक रेडियोधर्मी परमाणु बुलबुले को तोड़ सकता है। परमाणु के क्षय का सही समय अज्ञात है। केवल आधा जीवन ज्ञात है, जिसके दौरान 50% की संभावना के साथ क्षय होता है।

जाहिर है, एक बाहरी पर्यवेक्षक के लिए, बॉक्स के अंदर की बिल्ली दो अवस्थाओं में होती है: यह या तो जीवित है, अगर सब कुछ ठीक रहा, या मर गया, अगर क्षय हो गया और शीशी टूट गई। इन दोनों अवस्थाओं का वर्णन कैट वेव फंक्शन द्वारा किया जाता है, जो समय के साथ बदलता रहता है।

जितना अधिक समय बीत चुका है, उतनी ही अधिक संभावना है कि रेडियोधर्मी क्षय हुआ है। लेकिन जैसे ही हम बॉक्स खोलते हैं, वेव फंक्शन ध्वस्त हो जाता है और हमें तुरंत इस अमानवीय प्रयोग के परिणाम दिखाई देते हैं।

वास्तव में, जब तक प्रेक्षक बॉक्स नहीं खोलता, तब तक बिल्ली जीवन और मृत्यु के बीच अंतहीन संतुलन बनाए रखेगी, या जीवित और मृत दोनों होगी। इसका भाग्य पर्यवेक्षक के कार्यों के परिणामस्वरूप ही निर्धारित किया जा सकता है। इस बेतुकेपन की ओर इशारा श्रोडिंगर ने किया था।

द न्यूयॉर्क टाइम्स द्वारा प्रसिद्ध भौतिकविदों के एक सर्वेक्षण के अनुसार, इलेक्ट्रॉन विवर्तन प्रयोग विज्ञान के इतिहास में सबसे आश्चर्यजनक अध्ययनों में से एक है। इसकी प्रकृति क्या है? एक स्रोत है जो एक प्रकाश संवेदनशील स्क्रीन पर इलेक्ट्रॉनों की एक किरण का उत्सर्जन करता है। और इन इलेक्ट्रॉनों के रास्ते में एक बाधा है, दो स्लॉट वाली तांबे की प्लेट।

यदि इलेक्ट्रॉनों को आमतौर पर हमें छोटी आवेशित गेंदों के रूप में दर्शाया जाता है, तो हम स्क्रीन पर किस चित्र की अपेक्षा कर सकते हैं? तांबे की प्लेट में खांचे के विपरीत दो धारियां। लेकिन वास्तव में, स्क्रीन पर बारी-बारी से सफेद और काली धारियों का एक बहुत अधिक जटिल पैटर्न दिखाई देता है। यह इस तथ्य के कारण है कि स्लिट से गुजरते समय, इलेक्ट्रॉन न केवल कणों के रूप में व्यवहार करना शुरू करते हैं, बल्कि तरंगों (फोटॉन या अन्य प्रकाश कण जो एक ही समय में एक लहर हो सकते हैं, उसी तरह व्यवहार करते हैं) के रूप में व्यवहार करना शुरू करते हैं।

ये तरंगें अंतरिक्ष में परस्पर क्रिया करती हैं, टकराती हैं और एक-दूसरे को मजबूत करती हैं, और परिणामस्वरूप, बारी-बारी से प्रकाश और अंधेरे धारियों का एक जटिल पैटर्न स्क्रीन पर प्रदर्शित होता है। साथ ही इस प्रयोग का परिणाम नहीं बदलता है, भले ही इलेक्ट्रॉन एक-एक करके गुजरें - यहां तक ​​कि एक कण भी तरंग हो सकता है और एक ही समय में दो स्लिट्स से गुजर सकता है। क्वांटम यांत्रिकी की कोपेनहेगन व्याख्या में यह अभिधारणा मुख्य में से एक थी, जब कण एक साथ अपने "साधारण" भौतिक गुणों और एक लहर की तरह विदेशी गुणों को प्रदर्शित कर सकते हैं।

लेकिन पर्यवेक्षक के बारे में क्या? यह वह है जो इस भ्रमित करने वाली कहानी को और भी भ्रमित करता है। जब इस तरह के प्रयोगों में भौतिकविदों ने यह निर्धारित करने के लिए उपकरणों का उपयोग करने की कोशिश की कि एक इलेक्ट्रॉन वास्तव में किस स्लिट से गुजर रहा है, तो स्क्रीन पर चित्र नाटकीय रूप से बदल गया और "शास्त्रीय" बन गया: बिना किसी वैकल्पिक धारियों के सीधे दो प्रबुद्ध वर्गों के साथ।

इलेक्ट्रॉन अपनी तरंग प्रकृति को दर्शकों की चौकस निगाह के सामने प्रकट करने के लिए अनिच्छुक लग रहे थे। यह अंधेरे में डूबा एक रहस्य जैसा लगता है। लेकिन एक सरल व्याख्या है: प्रणाली का अवलोकन उस पर भौतिक प्रभाव के बिना नहीं किया जा सकता है। इसकी चर्चा आगे करेंगे।

2. गर्म फुलरीन

कण विवर्तन पर प्रयोग न केवल इलेक्ट्रॉनों के साथ किए गए, बल्कि अन्य, बहुत बड़ी वस्तुओं के साथ भी किए गए। उदाहरण के लिए, फुलरीन का उपयोग किया गया था, बड़े और बंद अणु जिसमें कई दसियों कार्बन परमाणु होते थे। हाल ही में, प्रोफेसर ज़िलिंगर के नेतृत्व में वियना विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों के एक समूह ने इन प्रयोगों में अवलोकन के एक तत्व को शामिल करने का प्रयास किया। ऐसा करने के लिए, उन्होंने लेजर बीम के साथ चलती फुलरीन अणुओं को विकिरणित किया। फिर, एक बाहरी स्रोत द्वारा गर्म किए जाने पर, अणु चमकने लगे और अनिवार्य रूप से पर्यवेक्षक को अपनी उपस्थिति दर्शाते हैं।

इस नवाचार के साथ-साथ अणुओं के व्यवहार में भी बदलाव आया है। इस तरह के एक व्यापक अवलोकन से पहले, फुलरीन ने एक बाधा को काफी सफलतापूर्वक (तरंग गुणों का प्रदर्शन) से बचा लिया, जैसा कि पिछले उदाहरण में एक स्क्रीन पर इलेक्ट्रॉनों के साथ होता है। लेकिन एक पर्यवेक्षक की उपस्थिति से, फुलरीन पूरी तरह से कानून का पालन करने वाले भौतिक कणों की तरह व्यवहार करने लगे।

3. शीतलक माप

क्वांटम भौतिकी की दुनिया में सबसे प्रसिद्ध कानूनों में से एक हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत है, जिसके अनुसार एक ही समय में क्वांटम वस्तु की गति और स्थिति को निर्धारित करना असंभव है। हम किसी कण के संवेग को जितना अधिक सटीक रूप से मापते हैं, हम उसकी स्थिति को उतना ही कम सटीक रूप से माप सकते हैं। हालांकि, हमारे मैक्रोस्कोपिक वास्तविक दुनिया में, छोटे कणों पर काम करने वाले क्वांटम कानूनों की वैधता आमतौर पर किसी का ध्यान नहीं जाता है।

संयुक्त राज्य अमेरिका के प्रो. श्वाब द्वारा हाल ही में किए गए प्रयोग इस क्षेत्र में बहुत मूल्यवान योगदान देते हैं। इन प्रयोगों में क्वांटम प्रभाव इलेक्ट्रॉनों या फुलरीन अणुओं (जिनका अनुमानित व्यास 1 एनएम है) के स्तर पर नहीं, बल्कि बड़ी वस्तुओं पर, एक छोटे एल्यूमीनियम रिबन पर प्रदर्शित किया गया था। इस टेप को दोनों तरफ इसलिए लगाया गया था ताकि इसका मध्य एक निलंबित अवस्था में हो और बाहरी प्रभाव में कंपन कर सके। इसके अलावा, टेप की स्थिति को सटीक रूप से रिकॉर्ड करने में सक्षम एक उपकरण पास में रखा गया था। प्रयोग के परिणामस्वरूप, कई दिलचस्प चीजें खोजी गईं। सबसे पहले, वस्तु की स्थिति और टेप के अवलोकन से संबंधित किसी भी माप ने इसे प्रभावित किया, प्रत्येक माप के बाद टेप की स्थिति बदल गई।

प्रयोगकर्ताओं ने उच्च सटीकता के साथ टेप के निर्देशांक निर्धारित किए, और इस प्रकार, हाइजेनबर्ग सिद्धांत के अनुसार, इसकी गति को बदल दिया, और इसलिए बाद की स्थिति। दूसरे, और काफी अप्रत्याशित रूप से, कुछ मापों के कारण टेप ठंडा हो गया। इस प्रकार, एक पर्यवेक्षक वस्तुओं की भौतिक विशेषताओं को उनकी उपस्थिति मात्र से बदल सकता है।

4. बर्फ़ीली कण

जैसा कि आप जानते हैं, अस्थिर रेडियोधर्मी कण न केवल बिल्लियों के प्रयोगों में, बल्कि स्वयं भी क्षय होते हैं। प्रत्येक कण का औसत जीवनकाल होता है, जो, जैसा कि यह पता चला है, एक पर्यवेक्षक की चौकस नजर के तहत बढ़ सकता है। इस क्वांटम प्रभाव की भविष्यवाणी 60 के दशक में की गई थी, और इसका शानदार प्रयोगात्मक प्रमाण मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के भौतिकी वोल्फगैंग केटरल के नोबेल पुरस्कार विजेता के नेतृत्व में एक समूह द्वारा प्रकाशित एक पेपर में दिखाई दिया।

इस कार्य में अस्थिर उत्तेजित रूबिडियम परमाणुओं के क्षय का अध्ययन किया गया। सिस्टम की तैयारी के तुरंत बाद, परमाणु एक लेजर बीम का उपयोग करके उत्साहित थे। अवलोकन दो मोड में हुआ: निरंतर (सिस्टम लगातार छोटे प्रकाश दालों के संपर्क में था) और स्पंदित (सिस्टम को समय-समय पर अधिक शक्तिशाली दालों के साथ विकिरणित किया गया था)।

प्राप्त परिणाम सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के पूर्ण अनुरूप थे। बाहरी प्रकाश प्रभाव कणों के क्षय को धीमा कर देते हैं, उन्हें उनकी मूल स्थिति में वापस कर देते हैं, जो कि क्षय की स्थिति से बहुत दूर है। इस प्रभाव की भयावहता भी भविष्यवाणियों के साथ मेल खाती है। अस्थिर उत्तेजित रूबिडियम परमाणुओं का अधिकतम जीवनकाल 30 के कारक से बढ़ गया।

5. क्वांटम यांत्रिकी और चेतना

इलेक्ट्रॉन और फुलरीन अपने तरंग गुण दिखाना बंद कर देते हैं, एल्युमिनियम प्लेट शांत हो जाते हैं, और अस्थिर कण अपने क्षय को धीमा कर देते हैं। देखने वाले की चौकस निगाह सचमुच दुनिया को बदल देती है। यह संसार के कार्यों में हमारे मन के शामिल होने का प्रमाण क्यों नहीं हो सकता? शायद कार्ल जंग और वोल्फगैंग पॉली (ऑस्ट्रियाई भौतिक विज्ञानी, नोबेल पुरस्कार विजेता, क्वांटम यांत्रिकी के अग्रणी) सही थे, आखिरकार, जब उन्होंने कहा कि भौतिकी और चेतना के नियमों को एक दूसरे के पूरक के रूप में माना जाना चाहिए?

हम यह मानने से एक कदम दूर हैं कि हमारे आस-पास की दुनिया हमारे दिमाग का एक भ्रामक उत्पाद है। विचार डरावना और पेचीदा है। आइए फिर से भौतिकविदों की ओर मुड़ने का प्रयास करें। विशेष रूप से हाल के वर्षों में, जब कम और कम लोग मानते हैं कि क्वांटम यांत्रिकी की कोपेनहेगन व्याख्या इसकी रहस्यमय तरंग के साथ ढह जाती है, और अधिक सांसारिक और विश्वसनीय विकृति में बदल जाती है।

तथ्य यह है कि अवलोकन के साथ इन सभी प्रयोगों में, प्रयोगकर्ताओं ने अनिवार्य रूप से प्रणाली को प्रभावित किया। उन्होंने इसे एक लेज़र से जलाया और मापक यंत्र स्थापित किए। वे एक महत्वपूर्ण सिद्धांत द्वारा एकजुट थे: आप एक प्रणाली का निरीक्षण नहीं कर सकते हैं या इसके गुणों को इसके साथ बातचीत किए बिना माप नहीं सकते हैं। कोई भी इंटरैक्शन गुणों को संशोधित करने की एक प्रक्रिया है। खासकर जब एक छोटी क्वांटम प्रणाली विशाल क्वांटम वस्तुओं के संपर्क में आती है। कुछ शाश्वत तटस्थ बौद्ध पर्यवेक्षक सिद्धांत रूप में असंभव हैं। और यहां शब्द "डिकोहेरेंस" खेल में आता है, जो थर्मोडायनामिक्स के दृष्टिकोण से अपरिवर्तनीय है: एक सिस्टम के क्वांटम गुण किसी अन्य बड़ी प्रणाली के साथ बातचीत करते समय बदलते हैं।

इस बातचीत के दौरान, क्वांटम सिस्टम अपने मूल गुणों को खो देता है और शास्त्रीय हो जाता है, जैसे कि एक बड़ी प्रणाली का "पालन" करना। यह श्रोडिंगर की बिल्ली के विरोधाभास की भी व्याख्या करता है: बिल्ली बहुत बड़ी प्रणाली है, इसलिए इसे बाकी दुनिया से अलग नहीं किया जा सकता है। इस विचार प्रयोग की रूपरेखा पूरी तरह से सही नहीं है।

किसी भी मामले में, यदि हम चेतना द्वारा सृजन के कार्य की वास्तविकता को मानते हैं, तो विसंगति अधिक सुविधाजनक दृष्टिकोण प्रतीत होती है। शायद बहुत सुविधाजनक भी। इस दृष्टिकोण के साथ, संपूर्ण शास्त्रीय दुनिया अव्यवस्था का एक बड़ा परिणाम बन जाती है। और जैसा कि क्षेत्र में सबसे प्रसिद्ध पुस्तकों में से एक के लेखक ने कहा है, इस तरह के दृष्टिकोण से तार्किक रूप से "दुनिया में कोई कण नहीं हैं" या "मौलिक स्तर पर कोई समय नहीं है" जैसे बयान होते हैं।

सत्य क्या है : रचयिता-पर्यवेक्षक या शक्तिशाली विकृति में? हमें दो बुराइयों के बीच चयन करने की जरूरत है। फिर भी, वैज्ञानिक तेजी से आश्वस्त हो रहे हैं कि क्वांटम प्रभाव हमारी मानसिक प्रक्रियाओं की अभिव्यक्ति हैं। और जहां अवलोकन समाप्त होता है और वास्तविकता शुरू होती है, हम में से प्रत्येक पर निर्भर करता है।