გამარჯობა ძვირფასო მკითხველებო. თუ არ გინდათ ცხოვრებას ჩამორჩეთ, იყოთ ნამდვილად ბედნიერი და ჯანმრთელი ადამიანი, უნდა იცოდეთ კვანტური თანამედროვე ფიზიკის საიდუმლოებების შესახებ, თუნდაც მცირე წარმოდგენა იმაზე, თუ რა სიღრმეში გათხარეს მეცნიერებმა დღეს. თქვენ არ გაქვთ დრო ღრმა მეცნიერულ დეტალებში ჩასასვლელად, მაგრამ გსურთ გაიგოთ მხოლოდ არსი, მაგრამ ნახოთ უცნობი სამყაროს მშვენიერება, მაშინ ეს სტატია: კვანტური ფიზიკა ჩვეულებრივი დუმებისთვის ან, შეიძლება ითქვას, დიასახლისებისთვის, უბრალოდ. შენთვის. შევეცდები ავხსნა რა არის კვანტური ფიზიკა, მაგრამ მარტივი სიტყვებით, ნათლად აჩვენო.

"რა კავშირია ბედნიერებას, ჯანმრთელობასა და კვანტურ ფიზიკას შორის?" თქვენ ჰკითხავთ.

ფაქტია, რომ ის ეხმარება უპასუხოს ბევრ გაუგებარ კითხვას, რომელიც დაკავშირებულია ადამიანის ცნობიერებასთან, ცნობიერების გავლენას სხეულზე. სამწუხაროდ, მედიცინა, რომელიც ეყრდნობა კლასიკურ ფიზიკას, ყოველთვის არ გვეხმარება ვიყოთ ჯანმრთელები. და ფსიქოლოგია სწორად ვერ გეტყვით, როგორ იპოვოთ ბედნიერება.

მხოლოდ სამყაროს ღრმა ცოდნა დაგვეხმარება გავიგოთ, როგორ გავუმკლავდეთ ავადმყოფობას და სად ცხოვრობს ბედნიერება. ეს ცოდნა სამყაროს ღრმა ფენებშია ნაპოვნი. კვანტური ფიზიკა სამაშველოში მოდის. მალე ყველაფერს გაიგებთ.

რას სწავლობს კვანტური ფიზიკა მარტივი სიტყვებით

დიახ, მართლაც, კვანტური ფიზიკა ძალიან რთული გასაგებია, რადგან ის სწავლობს მიკროსამყაროს კანონებს. ანუ სამყარო თავის ღრმა ფენებში, ძალიან მცირე დისტანციებზე, სადაც ადამიანს ძალიან უჭირს ყურება.

სამყარო კი, თურმე, იქ ძალიან უცნაურად, იდუმალ და გაუგებრად იქცევა, არა ისე, როგორც ჩვენ შეჩვეულები ვართ.

აქედან გამომდინარეობს კვანტური ფიზიკის მთელი სირთულე და გაუგებრობა.

მაგრამ ამ სტატიის წაკითხვის შემდეგ თქვენ გააფართოვებთ თქვენი ცოდნის ჰორიზონტს და შეხედავთ სამყაროს სულ სხვა კუთხით.

მოკლედ კვანტური ფიზიკის ისტორიის შესახებ

ყველაფერი მე-20 საუკუნის დასაწყისში დაიწყო, როცა ნიუტონის ფიზიკამ ბევრი რამის ახსნა ვერ შეძლო და მეცნიერები ჩიხში მოხვდნენ. შემდეგ მაქს პლანკმა შემოიტანა კვანტური კონცეფცია. ალბერტ აინშტაინმა აიტაცა ეს იდეა და დაამტკიცა, რომ სინათლე არ ვრცელდება განუწყვეტლივ, არამედ ნაწილებად - კვანტებით (ფოტონები). მანამდე ითვლებოდა, რომ სინათლეს აქვს ტალღური ბუნება.

მაგრამ როგორც მოგვიანებით გაირკვა, ნებისმიერი ელემენტარული ნაწილაკი არ არის მხოლოდ კვანტური, ანუ მყარი ნაწილაკი, არამედ ტალღაც. ასე გაჩნდა კორპუსკულარულ-ტალღური დუალიზმი კვანტურ ფიზიკაში, პირველი პარადოქსი და მიკროსამყაროს იდუმალი ფენომენების აღმოჩენის დასაწყისი.

ყველაზე საინტერესო პარადოქსები მაშინ დაიწყო, როცა ცნობილი ორმაგი ჭრილის ექსპერიმენტი ჩატარდა, რის შემდეგაც საიდუმლოებები გაცილებით მეტი გახდა. შეიძლება ითქვას, რომ კვანტური ფიზიკა მისგან დაიწყო. მოდით შევხედოთ მას.

ორმაგი ჭრილის ექსპერიმენტი კვანტურ ფიზიკაში

წარმოიდგინეთ ფირფიტა ორი სლოტით ვერტიკალური ზოლების სახით. ჩვენ დავაყენებთ ეკრანს ამ ფირფიტის უკან. თუ შუქს ფირფიტაზე მივმართავთ, ეკრანზე დავინახავთ ჩარევის ნიმუშს. ანუ მუქი და ნათელი ვერტიკალური ზოლების მონაცვლეობა. ჩარევა არის რაღაცის, ჩვენს შემთხვევაში სინათლის ტალღური ქცევის შედეგი.

თუ წყლის ტალღას გაივლით გვერდიგვერდ მდებარე ორ ხვრელში, მიხვდებით, რა არის ჩარევა. ანუ, სინათლე გამოდის ისეთი, როგორიც მას აქვს ტალღური ბუნება. მაგრამ როგორც ფიზიკამ, უფრო სწორად აინშტაინმა დაამტკიცა, ის მრავლდება ფოტონის ნაწილაკებით. უკვე პარადოქსია. მაგრამ არა უშავს, კორპუსკულარული ტალღოვანი დუალიზმი აღარ გაგვაკვირვებს. კვანტური ფიზიკა გვეუბნება, რომ სინათლე იქცევა როგორც ტალღა, მაგრამ შედგება ფოტონებისაგან. მაგრამ სასწაულები მხოლოდ დასაწყისია.

დავდგათ თეფშს წინ ორი ჭრილით, რომელიც გამოსცემს არა სინათლეს, არამედ ელექტრონებს. დავიწყოთ ელექტრონების სროლა. რას დავინახავთ ფირფიტის უკან ეკრანზე?

ყოველივე ამის შემდეგ, ელექტრონები არის ნაწილაკები, რაც ნიშნავს, რომ ელექტრონების ნაკადმა, რომელიც გადის ორ ჭრილში, უნდა დატოვოს მხოლოდ ორი ზოლი ეკრანზე, ორი კვალი ჭრილების საპირისპიროდ. წარმოგიდგენიათ კენჭები, რომლებიც დაფრინავდნენ ორ ჭრილში და ეჯახებოდნენ ეკრანს?

მაგრამ რას ვხედავთ სინამდვილეში? ყველა ერთი და იგივე ჩარევის ნიმუში. რა არის დასკვნა: ელექტრონები ვრცელდება ტალღებში. ასე რომ, ელექტრონები ტალღებია. მაგრამ ყოველივე ამის შემდეგ, ეს არის ელემენტარული ნაწილაკი. ისევ კორპუსკულარულ-ტალღური დუალიზმი ფიზიკაში.

მაგრამ ჩვენ შეგვიძლია ვივარაუდოთ, რომ უფრო ღრმა დონეზე, ელექტრონი არის ნაწილაკი და როდესაც ეს ნაწილაკები ერთიანდებიან, ისინი იწყებენ ტალღების მსგავსად ქცევას. მაგალითად, ზღვის ტალღა არის ტალღა, მაგრამ იგი შედგება წყლის წვეთებისგან, ხოლო უფრო მცირე დონეზე, მოლეკულებისგან და შემდეგ ატომებისგან. კარგი, ლოგიკა მყარია.

მაშინ თოფიდან ვისროლოთ არა ელექტრონების ნაკადით, არამედ გამოვუშვათ ელექტრონები ცალკე, გარკვეული პერიოდის შემდეგ. თითქოს ნაპრალებში გავდიოდით არა ზღვის ტალღა, არამედ ცალკეულ წვეთებს ვაფურთხებდით საბავშვო წყლის თოფიდან.

სავსებით ლოგიკურია, რომ ამ შემთხვევაში წყლის სხვადასხვა წვეთი ჩავარდება სხვადასხვა ჭრილში. ფირფიტის უკან ეკრანზე ტალღის ჩარევის ნიმუში კი არ ჩანს, არამედ თითოეული ჭრილის მოპირდაპირე მხარეს ორი განსხვავებული დარტყმის ზღურბლი. იგივეს დავინახავთ, თუ პატარა ქვებს გადავყრით, ისინი, ორ ნაპრალში გაფრენილნი, ტოვებენ კვალს, როგორც ჩრდილს ორი ხვრელიდან. მოდით ახლა გადავიღოთ ცალკეული ელექტრონები, რათა დავინახოთ ეს ორი ზოლი ეკრანზე ელექტრონის ზემოქმედებისგან. ერთი გაათავისუფლეს, დაელოდა, მეორე, დაელოდა და ა.შ. კვანტურმა ფიზიკოსებმა შეძლეს ასეთი ექსპერიმენტის გაკეთება.

მაგრამ საშინელება. ამ ორი ზღურბლის ნაცვლად, მიიღება რამდენიმე ზღურბლის იგივე ინტერფერენციული მონაცვლეობა. Როგორ თუ? ეს შეიძლება მოხდეს იმ შემთხვევაში, თუ ელექტრონი გაფრინდება ორ ჭრილში ერთდროულად, მაგრამ ფირფიტის უკან, ტალღის მსგავსად, თავის თავს ეჯახება და ერევა. მაგრამ ეს არ შეიძლება იყოს, რადგან ნაწილაკი არ შეიძლება იყოს ერთდროულად ორ ადგილას. ის ან პირველ სლოტზე დაფრინავს ან მეორეში.

სწორედ აქ იწყება კვანტური ფიზიკის მართლაც ფანტასტიკური საგნები.

სუპერპოზიცია კვანტურ ფიზიკაში

უფრო ღრმა ანალიზით, მეცნიერები აღმოაჩენენ, რომ ნებისმიერი ელემენტარული კვანტური ნაწილაკი ან იგივე სინათლე (ფოტონი) შეიძლება რეალურად იყოს რამდენიმე ადგილას ერთდროულად. და ეს არ არის სასწაულები, არამედ მიკროკოსმოსის რეალური ფაქტები. ამას ამბობს კვანტური ფიზიკა. სწორედ ამიტომ, ქვემეხიდან ცალკე ნაწილაკზე სროლისას ჩვენ ვხედავთ ჩარევის შედეგს. ფირფიტის უკან ელექტრონი ეჯახება საკუთარ თავს და ქმნის ჩარევის შაბლონს.

მაკროკოსმოსის ჩვეულებრივი ობიექტები ყოველთვის ერთ ადგილას არიან, ერთი მდგომარეობა აქვთ. მაგალითად, თქვენ ახლა ზიხართ სკამზე, იწონით, ვთქვათ, 50 კგ, გაქვთ პულსი 60 დარტყმა წუთში. რა თქმა უნდა, ეს ჩვენებები შეიცვლება, მაგრამ ისინი შეიცვლება გარკვეული პერიოდის შემდეგ. ყოველივე ამის შემდეგ, თქვენ არ შეგიძლიათ ერთდროულად იყოთ სახლში და სამსახურში, წონით 50 და 100 კგ. ეს ყველაფერი გასაგებია, ეს საღი აზრია.

მიკროკოსმოსის ფიზიკაში ყველაფერი სხვაგვარადაა.

კვანტური მექანიკა ამტკიცებს და ეს უკვე ექსპერიმენტულად დადასტურდა, რომ ნებისმიერი ელემენტარული ნაწილაკი შეიძლება ერთდროულად იყოს არა მხოლოდ სივრცის რამდენიმე წერტილში, არამედ ერთდროულად რამდენიმე მდგომარეობაც ჰქონდეს, როგორიცაა სპინი.

ეს ყველაფერი თავში არ ჯდება, ძირს უთხრის სამყაროს ჩვეულ იდეას, ფიზიკის ძველ კანონებს, აქცევს აზროვნებას, თამამად შეიძლება ითქვას, რომ გაგიჟებთ.

ასე გავიგეთ ტერმინი „სუპერპოზიცია“ კვანტურ მექანიკაში.

სუპერპოზიცია ნიშნავს, რომ მიკროკოსმოსის ობიექტი ერთდროულად შეიძლება იყოს სივრცის სხვადასხვა წერტილში და ასევე ჰქონდეს რამდენიმე მდგომარეობა ერთდროულად. და ეს ნორმალურია ელემენტარული ნაწილაკებისთვის. ასეთია მიკროსამყაროს კანონი, რაც არ უნდა უცნაური და ფანტასტიკური ჩანდეს.

გაგიკვირდებათ, მაგრამ ეს მხოლოდ ყვავილებია, კვანტური ფიზიკის ყველაზე აუხსნელი სასწაულები, საიდუმლოებები და პარადოქსები ჯერ კიდევ წინ არის.

ტალღური ფუნქციის კოლაფსი ფიზიკაში მარტივი სიტყვებით

შემდეგ მეცნიერებმა გადაწყვიტეს გაერკვია და უფრო ზუსტად ენახათ, რეალურად გადის თუ არა ელექტრონი ორივე ჭრილში. უეცრად ის გადის ერთ ჭრილში და შემდეგ როგორღაც გამოყოფს და ქმნის ჩარევის შაბლონს გავლისას. ისე, არასოდეს იცი. ანუ, თქვენ უნდა დააყენოთ რაიმე მოწყობილობა ჭრილთან, რომელიც ზუსტად დააფიქსირებს მასში ელექტრონის გავლას. ადრე არ თქვა, ვიდრე გაკეთდა. რა თქმა უნდა, ამის განხორციელება რთულია, ელექტრონის გავლის სანახავად გჭირდებათ არა მოწყობილობა, არამედ რაღაც სხვა. მაგრამ მეცნიერებმა ეს გააკეთეს.

მაგრამ საბოლოოდ შედეგმა ყველა გააოცა.

როგორც კი ვიწყებთ ყურებას, თუ რომელ ჭრილში გადის ელექტრონი, ის იწყებს ქცევას არა ტალღის მსგავსად, არა როგორც უცნაური ნივთიერების მსგავსად, რომელიც ერთდროულად მდებარეობს სივრცის სხვადასხვა წერტილში, არამედ როგორც ჩვეულებრივი ნაწილაკი. ანუ ის იწყებს კვანტის სპეციფიკური თვისებების ჩვენებას: ის განლაგებულია მხოლოდ ერთ ადგილას, გადის ერთ ჭრილში, აქვს ერთი სპინის მნიშვნელობა. რაც ეკრანზე ჩანს არ არის ჩარევის ნიმუში, არამედ უბრალო კვალი ჭრილის მოპირდაპირედ.

მაგრამ როგორ არის ეს შესაძლებელი. თითქოს ელექტრონი ხუმრობს, გვეთამაშებაო. თავდაპირველად ის ტალღის მსგავსად იქცევა, შემდეგ კი, მას შემდეგ რაც გადავწყვიტეთ მისი გავლა ჭრილში დაგვეთვალიერებინა, ის ავლენს მყარი ნაწილაკების თვისებებს და გადის მხოლოდ ერთ ჭრილში. მაგრამ ეს ასეა მიკროსამყაროში. ეს არის კვანტური ფიზიკის კანონები.

მეცნიერებმა ელემენტარული ნაწილაკების კიდევ ერთი იდუმალი თვისება ნახეს. ასე გაჩნდა კვანტურ ფიზიკაში გაურკვევლობისა და ტალღის ფუნქციის კოლაფსის ცნებები.

როდესაც ელექტრონი მიფრინავს უფსკრულისკენ, ის იმყოფება განუსაზღვრელ მდგომარეობაში ან, როგორც ზემოთ ვთქვით, სუპერპოზიციაში. ანუ ის იქცევა ტალღის მსგავსად, ის ერთდროულად მდებარეობს სივრცის სხვადასხვა წერტილში, აქვს ტრიალის ორი მნიშვნელობა (სპინს აქვს მხოლოდ ორი მნიშვნელობა). თუ არ შევეხებოდით, არ ვცდილობდით მის ნახვას, არ გაგვეგო ზუსტად სად არის, თუ არ გავზომეთ მისი ტრიალის მნიშვნელობა, ის ტალღასავით გაფრინდებოდა ორ ჭრილში. ამავე დროს, რაც ნიშნავს, რომ ის შექმნის ჩარევის შაბლონს. კვანტური ფიზიკა აღწერს მის ტრაექტორიას და პარამეტრებს ტალღის ფუნქციის გამოყენებით.

მას შემდეგ რაც ჩვენ გავაკეთებთ გაზომვას (და შესაძლებელია მიკროსამყაროს ნაწილაკის გაზომვა მხოლოდ მასთან ურთიერთქმედებით, მაგალითად, სხვა ნაწილაკთან შეჯახებით), მაშინ ტალღის ფუნქცია იშლება.

ანუ, ახლა ელექტრონი არის ზუსტად ერთ ადგილას სივრცეში, აქვს ერთი სპინის მნიშვნელობა.

შეიძლება ითქვას, რომ ელემენტარული ნაწილაკი მოჩვენებას ჰგავს, როგორც ჩანს, არსებობს, მაგრამ ამავე დროს ის არ არის ერთ ადგილას და გარკვეული ალბათობით შეიძლება იყოს სადმე ტალღის ფუნქციის აღწერილობაში. მაგრამ როგორც კი ჩვენ დავიწყებთ მასთან კონტაქტს, ის მოჩვენებითი საგნიდან იქცევა რეალურ ხელშესახებ სუბსტანციად, რომელიც იქცევა კლასიკური სამყაროს ჩვენთვის ნაცნობი ჩვეულებრივი ობიექტებივით.

"ეს ფანტასტიკურია", - ამბობთ თქვენ. რა თქმა უნდა, მაგრამ კვანტური ფიზიკის საოცრება მხოლოდ დასაწყისია. ყველაზე წარმოუდგენელი ჯერ კიდევ წინ არის. მაგრამ მოდით, თავი დავანებოთ ინფორმაციის სიმრავლეს და სხვა დროს, სხვა სტატიაში დავუბრუნდეთ კვანტურ თავგადასავალს. ამასობაში დაფიქრდით იმაზე, რაც დღეს ისწავლეთ. რა შეიძლება მოჰყვეს ასეთ სასწაულებს? ყოველივე ამის შემდეგ, ისინი ჩვენს გარშემო არიან, ეს არის ჩვენი სამყაროს საკუთრება, თუმცა უფრო ღრმა დონეზე. ჩვენ მაინც გვგონია, რომ მოსაწყენ სამყაროში ვცხოვრობთ? მაგრამ დასკვნებს მოგვიანებით გამოვიტანთ.

შევეცადე მოკლედ და გარკვევით მესაუბრა კვანტური ფიზიკის საფუძვლებზე.

მაგრამ თუ რამე არ გესმით, მაშინ უყურეთ ამ მულტფილმს კვანტურ ფიზიკაზე, ექსპერიმენტზე ორი ჭრილით, იქაც ყველაფერი გასაგები, მარტივი ენით არის მოთხრობილი.

მულტფილმი კვანტური ფიზიკის შესახებ:

ან შეგიძლიათ უყუროთ ამ ვიდეოს, ყველაფერი თავის ადგილზე დადგება, კვანტური ფიზიკა ძალიან საინტერესოა.

ვიდეო კვანტური ფიზიკის შესახებ:

აქამდე როგორ არ იცოდი ამის შესახებ?

კვანტური ფიზიკის თანამედროვე აღმოჩენები ცვლის ჩვენს ნაცნობ მატერიალურ სამყაროს.

ვფიქრობ, უსაფრთხოდ შეიძლება ითქვას, რომ არავის ესმის კვანტური მექანიკა.

ფიზიკოსი რიჩარდ ფეინმანი

გადაჭარბებული არ არის იმის თქმა, რომ ნახევარგამტარული მოწყობილობების გამოგონება რევოლუცია იყო. ეს არა მხოლოდ შთამბეჭდავი ტექნოლოგიური მიღწევაა, არამედ გზა გაუხსნა მოვლენებს, რომლებიც სამუდამოდ შეცვლის თანამედროვე საზოგადოებას. ნახევარგამტარული მოწყობილობები გამოიყენება ყველა სახის მიკროელექტრონულ მოწყობილობაში, მათ შორის კომპიუტერებში, გარკვეული ტიპის სამედიცინო დიაგნოსტიკური და სამკურნალო მოწყობილობებში და პოპულარულ სატელეკომუნიკაციო მოწყობილობებში.

მაგრამ ამ ტექნოლოგიური რევოლუციის უკან კიდევ უფრო მეტი, რევოლუცია ზოგად მეცნიერებაში: სფერო კვანტური თეორია. ბუნების სამყაროს გაგებაში ამ ნახტომის გარეშე, ნახევარგამტარული მოწყობილობების (და უფრო მოწინავე ელექტრონული მოწყობილობების განვითარებაში) განვითარება ვერასოდეს მიაღწევდა წარმატებას. კვანტური ფიზიკა არის მეცნიერების წარმოუდგენლად რთული ფილიალი. ეს თავი მხოლოდ მოკლე მიმოხილვას იძლევა. როდესაც ფეინმანის მსგავსი მეცნიერები ამბობენ "არავის ესმის [ეს]", შეგიძლიათ დარწმუნებული იყოთ, რომ ეს მართლაც რთული თემაა. კვანტური ფიზიკის საბაზისო გაგების გარეშე, ან თუნდაც იმ სამეცნიერო აღმოჩენების გაგების გარეშე, რამაც გამოიწვია მათი განვითარება, შეუძლებელია იმის გაგება, თუ როგორ და რატომ მუშაობს ნახევარგამტარული ელექტრონული მოწყობილობები. ელექტრონიკის სახელმძღვანელოების უმეტესობა ცდილობს ნახევარგამტარების ახსნას "კლასიკური ფიზიკის" თვალსაზრისით, რაც მათ უფრო დამაბნეველს ხდის შედეგად.

ბევრ ჩვენგანს უნახავს ატომური მოდელის დიაგრამები, რომლებიც ქვემოთ მოცემულ სურათს ჰგავს.

რეზერფორდის ატომი: უარყოფითი ელექტრონები ბრუნავენ პატარა დადებითი ბირთვის გარშემო

მატერიის პაწაწინა ნაწილაკები ე.წ პროტონებიდა ნეიტრონები, შეადგინეთ ატომის ცენტრი; ელექტრონებიპლანეტებივით ბრუნავს ვარსკვლავის გარშემო. ბირთვი ატარებს დადებით ელექტრულ მუხტს პროტონების არსებობის გამო (ნეიტრონებს არ აქვთ ელექტრული მუხტი), ხოლო ატომის დამაბალანსებელი უარყოფითი მუხტი ბინადრობს ორბიტაზე მოძრავ ელექტრონებში. ნეგატიური ელექტრონები იზიდავს პოზიტიურ პროტონებს, როგორც პლანეტები იზიდავს მზეს, მაგრამ ორბიტები სტაბილურია ელექტრონების მოძრაობის გამო. ატომის ამ პოპულარულ მოდელს ვევალებით ერნესტ რეზერფორდის მუშაობას, რომელმაც ექსპერიმენტულად დაადგინა 1911 წელს, რომ ატომების დადებითი მუხტები კონცენტრირებულია პატარა, მკვრივ ბირთვში და თანაბრად არ არის განაწილებული დიამეტრის გასწვრივ, როგორც ამას ადრე ივარაუდებდა მკვლევარი ჯ.ჯ. ტომსონი. .

რეზერფორდის გაფანტვის ექსპერიმენტი შედგება თხელი ოქროს ფოლგის დაბომბვისგან დადებითად დამუხტული ალფა ნაწილაკებით, როგორც ეს ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ სურათზე. ახალგაზრდა კურსდამთავრებულებმა ჰ.გეიგერმა და ე. მარსდენმა მოულოდნელი შედეგები მიიღეს. ზოგიერთი ალფა ნაწილაკების ტრაექტორია დიდი კუთხით იყო გადახრილი. ზოგიერთი ალფა ნაწილაკი მიმოფანტული იყო უკან, თითქმის 180°-ის კუთხით. ნაწილაკების უმეტესობამ ოქროს ფოლგაში ტრაექტორიის შეუცვლელად გაიარა, თითქოს საერთოდ არ ყოფილიყო ფოლგა. ის ფაქტი, რომ რამდენიმე ალფა ნაწილაკმა განიცადა დიდი გადახრები მათ ტრაექტორიაში, მიუთითებს მცირე დადებითი მუხტის მქონე ბირთვების არსებობაზე.

რეზერფორდის გაფანტვა: ალფა ნაწილაკების სხივი მიმოფანტულია თხელი ოქროს ფოლგით

მიუხედავად იმისა, რომ რეზერფორდის ატომის მოდელი ემყარებოდა ექსპერიმენტულ მონაცემებს, ვიდრე ტომსონს, ის მაინც არასრულყოფილი იყო. შემდგომი მცდელობები გაკეთდა ატომის სტრუქტურის დასადგენად და ამ ძალისხმევამ ხელი შეუწყო კვანტური ფიზიკის უცნაურ აღმოჩენებს. დღეს ატომის ჩვენი გაგება ცოტა უფრო რთულია. მიუხედავად ამისა, კვანტური ფიზიკის რევოლუციისა და მისი წვლილისა ატომის სტრუქტურის გაგებაში, რუტერფორდის მიერ მზის სისტემის, როგორც ატომის სტრუქტურის გამოსახვა, პოპულარულ ცნობიერებაში ფესვი გაიდგა იმდენად, რამდენადაც იგი რჩება საგანმანათლებლო სფეროებში, მაშინაც კი, თუ ის უადგილოა.

განვიხილოთ ატომში ელექტრონების ეს მოკლე აღწერა, რომელიც აღებულია პოპულარული ელექტრონიკის სახელმძღვანელოდან:

დატრიალებული უარყოფითი ელექტრონები იზიდავს პოზიტიურ ბირთვს, რაც გვაძლევს კითხვას, რატომ არ დაფრინავენ ელექტრონები ატომის ბირთვში. პასუხი არის ის, რომ მბრუნავი ელექტრონები რჩებიან თავიანთ სტაბილურ ორბიტაზე ორი თანაბარი, მაგრამ საპირისპირო ძალების გამო. ელექტრონებზე მოქმედი ცენტრიდანული ძალა მიმართულია გარედან, ხოლო მუხტების მიზიდულობის ძალა ცდილობს ელექტრონები მიიზიდოს ბირთვისკენ.

რეზერფორდის მოდელის მიხედვით, ავტორი მიიჩნევს ელექტრონებს მატერიის მყარ ნაწილებად, რომლებიც იკავებენ მრგვალ ორბიტებს, მათი შინაგანი მიზიდულობა საპირისპიროდ დამუხტული ბირთვის მიმართ დაბალანსებულია მათი მოძრაობით. ტერმინი „ცენტრიფუგული ძალის“ გამოყენება ტექნიკურად არასწორია (თუნდაც ორბიტაზე მოძრავი პლანეტებისთვის), მაგრამ ეს ადვილად ეპატიება მოდელის პოპულარული მიმღებლობის გამო: ფაქტობრივად, არ არსებობს ისეთი რამ, როგორიცაა ძალა, ამაღელვებელინებისმიერიმბრუნავი სხეული თავისი ორბიტის ცენტრიდან. როგორც ჩანს, ეს ასეა, რადგან სხეულის ინერცია ინარჩუნებს მის მოძრაობას სწორი ხაზით, და რადგან ორბიტა არის მუდმივი გადახრა (აჩქარება) სწორხაზოვანი მოძრაობიდან, არსებობს მუდმივი ინერციული რეაქცია ნებისმიერ ძალაზე, რომელიც იზიდავს სხეულს ცენტრში. ორბიტის (ცენტრული), იქნება ეს გრავიტაცია, ელექტროსტატიკური მიზიდულობა, ან თუნდაც მექანიკური ბმის დაძაბულობა.

თუმცა, უპირველეს ყოვლისა, ამ ახსნის რეალური პრობლემა არის ელექტრონების მოძრაობა წრიულ ორბიტებზე. დადასტურებული ფაქტი, რომ აჩქარებული ელექტრული მუხტები ასხივებენ ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას, ეს ფაქტი ცნობილი იყო ჯერ კიდევ რეზერფორდის დროს. ვინაიდან ბრუნვითი მოძრაობა არის აჩქარების ფორმა (მბრუნავი ობიექტი მუდმივი აჩქარებით, აშორებს ობიექტს მისი ნორმალური სწორხაზოვანი მოძრაობიდან), მბრუნავ მდგომარეობაში მყოფი ელექტრონები უნდა ასხივებენ გამოსხივებას, როგორც ტალახი მბრუნავი ბორბლიდან. ელექტრონები აჩქარდნენ წრიული ბილიკების გასწვრივ ნაწილაკების ამაჩქარებლებში ე.წ სინქროტრონებიცნობილია ამის გაკეთება და შედეგი ე.წ სინქროტრონის გამოსხივება. თუ ელექტრონები ამ გზით დაკარგავდნენ ენერგიას, მათი ორბიტა საბოლოოდ დაირღვა და შედეგად ისინი დადებითად დამუხტულ ბირთვს შეეჯახებიან. თუმცა, ატომების შიგნით ეს ჩვეულებრივ არ ხდება. მართლაც, ელექტრონული „ორბიტები“ საოცრად სტაბილურია პირობების ფართო სპექტრში.

გარდა ამისა, „აღგზნებულ“ ატომებთან ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ელექტრომაგნიტურ ენერგიას ატომი მხოლოდ გარკვეულ სიხშირეებზე ასხივებს. ატომები „აღგზნებულია“ გარე ზემოქმედებით, როგორიცაა სინათლე, რომელიც ცნობილია, რომ შთანთქავს ენერგიას და აბრუნებს ელექტრომაგნიტურ ტალღებს გარკვეულ სიხშირეზე, ისევე როგორც მარეგულირებელი ჩანგალი, რომელიც არ რეკავს გარკვეულ სიხშირეზე, სანამ არ დაარტყამ. როდესაც აღგზნებული ატომის მიერ გამოსხივებული შუქი პრიზმით იყოფა მის კომპონენტურ სიხშირეებად (ფერებად), სპექტრში ფერების ცალკეული ხაზები გვხვდება, სპექტრული ხაზის ნიმუში უნიკალურია ქიმიური ელემენტისთვის. ეს ფენომენი ჩვეულებრივ გამოიყენება ქიმიური ელემენტების იდენტიფიცირებისთვის და თუნდაც თითოეული ელემენტის პროპორციების გასაზომად ნაერთში ან ქიმიურ ნარევში. რეზერფორდის ატომური მოდელის მზის სისტემის (ელექტრონებთან მიმართებაში, როგორც მატერიის ნაწილებს, თავისუფლად ბრუნავს ორბიტაზე გარკვეული რადიუსით) და კლასიკური ფიზიკის კანონების მიხედვით, აღგზნებულმა ატომებმა უნდა დააბრუნონ ენერგია თითქმის უსასრულო სიხშირის დიაპაზონში და არა. შერჩეულ სიხშირეებზე. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, თუ რეზერფორდის მოდელი იყო სწორი, მაშინ არ იქნებოდა "მომწყობი ჩანგლის" ეფექტი და ნებისმიერი ატომის მიერ გამოსხივებული ფერის სპექტრი გამოჩნდება, როგორც ფერების უწყვეტი ზოლი, ვიდრე რამდენიმე ცალკეული ხაზი.

ბორის წყალბადის ატომის მოდელი (ორბიტები მასშტაბით შედგენილი) ვარაუდობს, რომ ელექტრონები მხოლოდ დისკრეტულ ორბიტებშია. ელექტრონები, რომლებიც მოძრაობენ n=3,4,5 ან 6-დან n=2-მდე, ნაჩვენებია ბალმერის სპექტრული ხაზების სერიაზე.

მკვლევარი სახელად ნილს ბორი ცდილობდა გაეუმჯობესებინა რეზერფორდის მოდელი მას შემდეგ, რაც 1912 წელს რამდენიმე თვის განმავლობაში სწავლობდა რეზერფორდის ლაბორატორიაში. სხვა ფიზიკოსების (განსაკუთრებით მაქს პლანკისა და ალბერტ აინშტაინის) შედეგების შეჯერების მცდელობისას, ბორი ვარაუდობდა, რომ თითოეულ ელექტრონს აქვს გარკვეული, კონკრეტული რაოდენობის ენერგია და რომ მათი ორბიტები ისე იყო განაწილებული, რომ თითოეულ მათგანს შეეძლო დაეკავებინა გარკვეული ადგილები გარშემო. ბირთვი, ბურთების მსგავსად, ფიქსირდება ბირთვის გარშემო წრიულ ბილიკებზე და არა როგორც თავისუფლად მოძრავი თანამგზავრები, როგორც ადრე ვივარაუდეთ (სურათი ზემოთ). ელექტრომაგნიტიზმისა და აჩქარებული მუხტების კანონების გათვალისწინებით, ბორმა „ორბიტები“ მოიხსენია, როგორც სტაციონარული მდგომარეობებირათა თავიდან იქნას აცილებული ინტერპრეტაცია, რომ ისინი მობილური იყვნენ.

მიუხედავად იმისა, რომ ბორის ამბიციური მცდელობა გადაეფიქრებინა ატომის სტრუქტურა, რომელიც უფრო მეტად შეესაბამებოდა ექსპერიმენტულ მონაცემებს, ფიზიკაში მნიშვნელოვანი ეტაპი იყო, ის არ დასრულებულა. მისმა მათემატიკურმა ანალიზმა ექსპერიმენტების შედეგები უკეთესად იწინასწარმეტყველა, ვიდრე წინა მოდელების მიხედვით ჩატარებული, მაგრამ ჯერ კიდევ იყო პასუხგაუცემელი კითხვები იმის შესახებ, იყო თუ არა რატომელექტრონები ასე უცნაურად უნდა მოიქცნენ. განცხადება იმის შესახებ, რომ ელექტრონები არსებობდნენ ბირთვის ირგვლივ სტაციონალურ კვანტურ მდგომარეობებში, უკეთესად იყო დაკავშირებული ექსპერიმენტულ მონაცემებთან, ვიდრე რეზერფორდის მოდელი, მაგრამ არ უთქვამს რა იწვევს ელექტრონებს ამ სპეციალურ მდგომარეობებს. ამ კითხვაზე პასუხი სხვა ფიზიკოსის, ლუი დე ბროლისგან, დაახლოებით ათი წლის შემდეგ იყო.

დე ბროგლი ვარაუდობს, რომ ელექტრონებს, ისევე როგორც ფოტონებს (სინათლის ნაწილაკებს), აქვთ როგორც ნაწილაკების, ასევე ტალღების თვისებები. ამ ვარაუდზე დაყრდნობით, მან ივარაუდა, რომ მბრუნავი ელექტრონების ანალიზი ტალღების თვალსაზრისით უკეთესია, ვიდრე ნაწილაკების თვალსაზრისით და შეუძლია უფრო მეტი ხედვა მისცეს მათ კვანტურ ბუნებას. მართლაც, კიდევ ერთი გარღვევა მოხდა გაგებაში.

სიმები, რომელიც ვიბრირებს რეზონანსულ სიხშირეზე ორ ფიქსირებულ წერტილს შორის, ქმნის მუდმივ ტალღას

ატომი, დე ბროლის მიხედვით, შედგებოდა მდგარი ტალღებისგან, ფენომენი, რომელიც კარგად არის ცნობილი ფიზიკოსებისთვის სხვადასხვა ფორმით. მუსიკალური ინსტრუმენტის მოწყვეტილი სიმის მსგავსად (სურათზე ზემოთ), ვიბრირებს რეზონანსული სიხშირით, „კვანძებით“ და „ანტიკვანძებით“ მის სიგრძეზე სტაბილურ ადგილებში. დე ბროლიმ წარმოიდგინა ელექტრონები ატომების ირგვლივ, როგორც ტალღები, რომლებიც მრგვალდება წრეში (სურათი ქვემოთ).

"მბრუნავი" ელექტრონები, როგორც მუდმივი ტალღა ბირთვის ირგვლივ, (ა) ორი ციკლი ორბიტაზე, (ბ) სამი ციკლი ორბიტაზე

ელექტრონები შეიძლება არსებობდნენ მხოლოდ გარკვეულ, სპეციფიკურ „ორბიტებში“ ბირთვის გარშემო, რადგან ისინი ერთადერთი მანძილია, სადაც ტალღის ბოლოები ემთხვევა. ნებისმიერ სხვა რადიუსში ტალღა დესტრუქციულად შეეჯახება თავის თავს და ამით არსებობას შეწყვეტს.

დე ბროლის ჰიპოთეზა უზრუნველყოფდა როგორც მათემატიკურ ჩარჩოს, ასევე მოსახერხებელ ფიზიკურ ანალოგიას ატომში ელექტრონების კვანტური მდგომარეობის ასახსნელად, მაგრამ მისი ატომის მოდელი ჯერ კიდევ არასრული იყო. რამდენიმე წელია, ფიზიკოსები ვერნერ ჰაიზენბერგი და ერვინ შროდინგერი, რომლებიც მუშაობდნენ დამოუკიდებლად, მუშაობდნენ დე ბროლის კონცეფციაზე ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობაზე, რათა შეექმნათ სუბატომური ნაწილაკების უფრო მკაცრი მათემატიკური მოდელები.

ამ თეორიულ წინსვლას დე ბროლის პრიმიტიული მდგარი ტალღის მოდელიდან ჰაიზენბერგის მატრიცის მოდელებამდე და შრედინგერის დიფერენციალური განტოლებამდე მიენიჭა კვანტური მექანიკის სახელი და მან შემოიტანა საკმაოდ შემაძრწუნებელი თვისება სუბატომური ნაწილაკების სამყაროში: ალბათობის ნიშანი, ან გაურკვევლობა. ახალი კვანტური თეორიის მიხედვით, შეუძლებელი იყო ერთ მომენტში ნაწილაკების ზუსტი პოზიციისა და იმპულსის დადგენა. ამ "გაურკვევლობის პრინციპის" პოპულარული ახსნა იყო ის, რომ იყო გაზომვის შეცდომა (ანუ ელექტრონის პოზიციის ზუსტად გაზომვის მცდელობით, თქვენ ერევით მის იმპულსში და, შესაბამისად, არ იცით რა იყო, სანამ დაიწყებდით პოზიციის გაზომვას. და პირიქით). კვანტური მექანიკის სენსაციური დასკვნა არის ის, რომ ნაწილაკებს არ აქვთ ზუსტი პოზიციები და მომენტები და ამ ორი სიდიდის ურთიერთობის გამო, მათი კომბინირებული გაურკვევლობა არასოდეს შემცირდება გარკვეულ მინიმალურ მნიშვნელობაზე ქვემოთ.

„გაურკვევლობის“ კავშირის ეს ფორმა ასევე არსებობს კვანტური მექანიკის გარდა სხვა სფეროებშიც. როგორც განხილულია ამ წიგნის სერიის მე-2 ტომის "შერეული სიხშირის AC სიგნალები" თავში, არსებობს ურთიერთგამომრიცხავი ურთიერთობები ტალღის ფორმის დროის დომენის მონაცემებსა და მის სიხშირის დომენის მონაცემებს შორის. მარტივად რომ ვთქვათ, რაც უფრო მეტი ვიცით მისი შემადგენელი სიხშირეები, მით უფრო ნაკლებად ვიცით მისი ამპლიტუდა დროთა განმავლობაში და პირიქით. ჩემს თავს ციტირებს:

უსასრულო ხანგრძლივობის სიგნალი (ციკლების უსასრულო რაოდენობა) შეიძლება გაანალიზდეს აბსოლუტური სიზუსტით, მაგრამ რაც უფრო ნაკლები ციკლია ხელმისაწვდომი კომპიუტერისთვის ანალიზისთვის, მით ნაკლებია ანალიზი... რაც უფრო ნაკლებია სიგნალის პერიოდები, მით ნაკლებია მისი სიხშირე. . ამ კონცეფციის ლოგიკურ უკიდურესობამდე მიყვანით, მოკლე პულსს (სიგნალის სრული პერიოდიც კი) ნამდვილად არ აქვს განსაზღვრული სიხშირე, ეს არის სიხშირეების უსასრულო დიაპაზონი. ეს პრინციპი საერთოა ყველა ტალღური ფენომენისთვის და არა მხოლოდ ცვლადი ძაბვისა და დენების მიმართ.

ცვალებადი სიგნალის ამპლიტუდის ზუსტად დასადგენად, ჩვენ უნდა გავზომოთ იგი ძალიან მოკლე დროში. თუმცა, ამის გაკეთება ზღუდავს ჩვენს ცოდნას ტალღის სიხშირის შესახებ (კვანტურ მექანიკაში ტალღა არ უნდა იყოს სინუსუსური ტალღის მსგავსი; ასეთი მსგავსება განსაკუთრებული შემთხვევაა). მეორე მხრივ, იმისთვის, რომ ტალღის სიხშირე დიდი სიზუსტით განვსაზღვროთ, უნდა გავზომოთ ის დიდი რაოდენობით პერიოდებში, რაც ნიშნავს, რომ მის ამპლიტუდას ნებისმიერ მომენტში მხედველობიდან დავკარგავთ. ამრიგად, ჩვენ არ შეგვიძლია ერთდროულად ვიცოდეთ ნებისმიერი ტალღის მყისიერი ამპლიტუდა და ყველა სიხშირე შეუზღუდავი სიზუსტით. კიდევ ერთი უცნაურობა, ეს გაურკვევლობა გაცილებით მეტია, ვიდრე დამკვირვებლის უზუსტობა; ეს არის ტალღის ბუნებაში. ეს ასე არ არის, თუმცა შესაბამისი ტექნოლოგიის გათვალისწინებით შესაძლებელი იქნებოდა მყისიერი ამპლიტუდისა და სიხშირის ერთდროულად ზუსტი გაზომვების უზრუნველყოფა. პირდაპირი გაგებით, ტალღას არ შეიძლება ჰქონდეს ზუსტი მყისიერი ამპლიტუდა და ზუსტი სიხშირე ერთდროულად.

ჰაიზენბერგისა და შროდინგერის მიერ გამოხატული ნაწილაკების პოზიციისა და იმპულსის მინიმალური გაურკვევლობა არაფერ შუაშია გაზომვის შეზღუდვასთან; უფრო სწორად, ეს არის ნაწილაკების ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობის ბუნების შინაგანი თვისება. მაშასადამე, ელექტრონები რეალურად არ არსებობენ თავიანთ „ორბიტებში“, როგორც მატერიის კარგად განსაზღვრული ნაწილაკები, ან თუნდაც კარგად განსაზღვრული ტალღის ფორმები, არამედ როგორც „ღრუბლები“ ​​- ტექნიკური ტერმინი. ტალღის ფუნქციაალბათობის განაწილება, თითქოს ყოველი ელექტრონი იყო „გაფანტული“ ან „გაწურული“ პოზიციებისა და მომენტების დიაპაზონში.

ელექტრონების, როგორც განუსაზღვრელი ღრუბლების ეს რადიკალური შეხედულება თავდაპირველად ეწინააღმდეგება ელექტრონების კვანტური მდგომარეობის თავდაპირველ პრინციპს: ელექტრონები არსებობენ დისკრეტულ, განსაზღვრულ „ორბიტებში“ ატომის ბირთვის გარშემო. ეს ახალი შეხედულება, ბოლოს და ბოლოს, იყო აღმოჩენა, რამაც გამოიწვია კვანტური თეორიის ჩამოყალიბება და ახსნა. რამდენად უცნაურია, რომ თეორია, რომელიც შექმნილია ელექტრონების დისკრეტული ქცევის ასახსნელად, ამტკიცებს, რომ ელექტრონები არსებობენ როგორც „ღრუბლები“ ​​და არა როგორც მატერიის ცალკეული ნაწილები. ამასთან, ელექტრონების კვანტური ქცევა არ არის დამოკიდებული ელექტრონებს, რომლებსაც აქვთ კოორდინატების და იმპულსის გარკვეული მნიშვნელობები, არამედ სხვა თვისებებზე ე.წ. კვანტური რიცხვები. არსებითად, კვანტური მექანიკა უარს ამბობს აბსოლუტური პოზიციისა და აბსოლუტური მომენტის საერთო ცნებებზე და ცვლის მათ ტიპების აბსოლუტური ცნებებით, რომლებსაც საერთო პრაქტიკაში ანალოგი არ გააჩნიათ.

მიუხედავად იმისა, რომ ცნობილია, რომ ელექტრონები არსებობენ განაწილებული ალბათობის უსხეულო, "მოღრუბლულ" ფორმებში და არა მატერიის ცალკეულ ნაწილებში, ამ "ღრუბლებს" ოდნავ განსხვავებული მახასიათებლები აქვთ. ატომში ნებისმიერი ელექტრონი შეიძლება აღიწეროს ოთხი რიცხვითი საზომით (ადრე ნახსენები კვანტური რიცხვები), ე.წ. მთავარი (რადიალური), ორბიტალური (აზიმუტი), მაგნიტურიდა დატრიალებანომრები. ქვემოთ მოცემულია თითოეული ამ რიცხვის მნიშვნელობის მოკლე მიმოხილვა:

ძირითადი (რადიალური) კვანტური რიცხვი: აღინიშნება ასოთი ნ, ეს რიცხვი აღწერს გარსს, რომელზეც ელექტრონი იმყოფება. ელექტრონული „გარსი“ არის სივრცის რეგიონი ატომის ბირთვის ირგვლივ, რომელშიც ელექტრონები შეიძლება არსებობდნენ, რაც შეესაბამება დე ბროლისა და ბორის სტაბილური „მდგარი ტალღის“ მოდელებს. ელექტრონებს შეუძლიათ "ხტომა" ჭურვიდან გარსზე, მაგრამ ვერ იარსებებს მათ შორის.

ძირითადი კვანტური რიცხვი უნდა იყოს დადებითი მთელი რიცხვი (1-ზე მეტი ან ტოლი). სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ელექტრონის ძირითადი კვანტური რიცხვი არ შეიძლება იყოს 1/2 ან -3. ეს მთელი რიცხვები არ იქნა არჩეული თვითნებურად, არამედ სინათლის სპექტრის ექსპერიმენტული მტკიცებულების მეშვეობით: აღგზნებული წყალბადის ატომების მიერ გამოსხივებული სინათლის სხვადასხვა სიხშირე (ფერი) მიჰყვება მათემატიკურ ურთიერთობას, რომელიც დამოკიდებულია კონკრეტულ მთელ რიცხვებზე, როგორც ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ სურათზე.

თითოეულ გარსს აქვს მრავალი ელექტრონის შეკავების უნარი. ელექტრონული გარსების ანალოგია სავარძლების კონცენტრული რიგები ამფითეატრში. როგორც ამფითეატრში მჯდომმა ადამიანმა უნდა აირჩიოს დასაჯდომი რიგი (მას არ შეუძლია მწკრივებს შორის ჯდომა), ელექტრონებმა უნდა „აირჩიონ“ კონკრეტული გარსი, რომ „დასხდნენ“. ამფითეატრის რიგების მსგავსად, გარე გარსი უფრო მეტ ელექტრონს ინახავს, ​​ვიდრე გარსები, რომლებიც უფრო ახლოსაა ცენტრთან. ასევე, ელექტრონები მიდრეკილნი არიან იპოვონ ყველაზე პატარა ხელმისაწვდომ ჭურვი, ისევე როგორც ადამიანები ამფითეატრში ეძებენ ცენტრალურ სცენასთან ყველაზე ახლოს მდებარე ადგილს. რაც უფრო მაღალია გარსის რიცხვი, მით მეტი ენერგია აქვს მასზე ელექტრონებს.

ელექტრონების მაქსიმალური რაოდენობა, რომელიც ნებისმიერ გარსს შეუძლია, აღწერილია განტოლებით 2n 2, სადაც n არის ძირითადი კვანტური რიცხვი. ამრიგად, პირველი გარსი (n = 1) შეიძლება შეიცავდეს 2 ელექტრონს; მეორე გარსი (n = 2) - 8 ელექტრონი; და მესამე გარსი (n = 3) - 18 ელექტრონი (სურათი ქვემოთ).

ძირითადი კვანტური რიცხვი n და ელექტრონების მაქსიმალური რაოდენობა დაკავშირებულია ფორმულით 2(n 2). ორბიტები არ არის მასშტაბური.

ატომში ელექტრონული გარსები აღინიშნა ასოებით და არა ციფრებით. პირველი ჭურვი (n = 1) დასახელდა K, მეორე ჭურვი (n = 2) L, მესამე ჭურვი (n = 3) M, მეოთხე ჭურვი (n = 4) N, მეხუთე ჭურვი (n = 5) O, მეექვსე გარსი (n = 6) P და მეშვიდე გარსი (n = 7) B.

ორბიტალური (აზიმუტის) კვანტური რიცხვი: ჭურვი, რომელიც შედგება ქვეჭურვისაგან. ზოგს შეიძლება უფრო მოსახერხებელი აღმოჩნდეს ჭურვების მარტივი მონაკვეთების წარმოდგენა, როგორიცაა გზის გამყოფი ზოლები. ქვედა ჭურვები ბევრად უფრო უცნაურია. ქვეშელურები არის სივრცის რეგიონები, სადაც ელექტრონული „ღრუბლები“ ​​შეიძლება არსებობდეს და სინამდვილეში სხვადასხვა ქვეშრეებს განსხვავებული ფორმა აქვთ. პირველი ქვეგარსი ბურთის ფორმისაა (სურათი ქვემოთ (s)), რაც ლოგიკურია, როდესაც ვიზუალურად ვიზუალურად არის წარმოდგენილი, როგორც ელექტრონული ღრუბელი, რომელიც აკრავს ატომის ბირთვს სამ განზომილებაში.

მეორე გარსი წააგავს ჰანტელს, რომელიც შედგება ორი „ფურცლისგან“, რომლებიც დაკავშირებულია ერთ წერტილში ატომის ცენტრთან ახლოს (სურათი ქვემოთ (p)).

მესამე ქვეგარსი, როგორც წესი, წააგავს ოთხი „ფურცლის“ ერთობლიობას, რომლებიც თავმოყრილია ატომის ბირთვის გარშემო. ეს ქვედა გარსის ფორმები ანტენის შაბლონების გრაფიკულ გამოსახულებებს წააგავს ხახვის მსგავსი ლობებით, რომლებიც ვრცელდება ანტენიდან სხვადასხვა მიმართულებით (სურათი ქვემოთ (დ)).

ორბიტალები:
(ს) სამმაგი სიმეტრია;
(p) ნაჩვენებია: p x, სამი შესაძლო ორიენტაციიდან ერთ-ერთი (p x, p y, p z), შესაბამისი ღერძების გასწვრივ;
(დ) ნაჩვენებია: d x 2 -y 2 მსგავსია d xy , d yz , d xz . ნაჩვენებია: d z 2 . შესაძლო d-ორბიტალების რაოდენობა: ხუთი.

ორბიტალური კვანტური რიცხვის სწორი მნიშვნელობები არის დადებითი მთელი რიცხვები, როგორც ძირითადი კვანტური რიცხვი, მაგრამ ასევე შეიცავს ნულს. ელექტრონების ეს კვანტური რიცხვები აღინიშნება ასო l-ით. ქვეშელურების რაოდენობა უდრის გარსის ძირითად კვანტურ რაოდენობას. ამრიგად, პირველ გარსს (n = 1) აქვს ერთი ქვეშელი 0 ნომრით; მეორე გარსს (n = 2) აქვს ორი ქვეშელი დანომრილი 0 და 1; მესამე გარსს (n = 3) აქვს სამი ქვეშელი დანომრილი 0, 1 და 2.

ძველი გარსის კონვენცია იყენებდა ასოებს და არა რიცხვებს. ამ ფორმატში, პირველ ქვეშერზე (l = 0) აღინიშნა s, მეორე ქვეშელური (l = 1) აღინიშნა p, მესამე ქვეშელური (l = 2) აღინიშნა d, ხოლო მეოთხე ქვეშელური (l = 3) იყო. აღინიშნება ვ. ასოები წარმოიშვა სიტყვებიდან: ბასრი, მთავარი, დიფუზურიდა ფუნდამენტური. თქვენ კვლავ შეგიძლიათ ნახოთ ეს აღნიშვნები მრავალ პერიოდულ ცხრილში, რომლებიც გამოიყენება გარე ელექტრონების კონფიგურაციის აღსანიშნავად ( ვალენტობა) ატომების გარსები.

(ა) ვერცხლის ატომის ბორის გამოსახულება,
(ბ) Ag-ის ორბიტალური წარმოდგენა გარსების ქვეშრეებად დაყოფით (ორბიტალური კვანტური ნომერი l).
ეს დიაგრამა არაფერს ნიშნავს ელექტრონების ფაქტობრივი პოზიციის შესახებ, მაგრამ მხოლოდ წარმოადგენს ენერგიის დონეებს.

მაგნიტური კვანტური რიცხვი: ელექტრონის მაგნიტური კვანტური რიცხვი კლასიფიცირებს ელექტრონული ქვეშლის ფიგურის ორიენტაციას. ნაჭუჭების „ფურცლები“ ​​შეიძლება რამდენიმე მიმართულებით იყოს მიმართული. ამ განსხვავებულ ორიენტაციას ორბიტალებს უწოდებენ. პირველი ქვეშელისთვის (s; l = 0), რომელიც სფეროს წააგავს, „მიმართულება“ არ არის მითითებული. თითოეულ გარსში მეორე (p; l = 1) ქვეშელური, რომელიც წააგავს ჰანტელს, რომელიც მიუთითებს სამი შესაძლო მიმართულებით. წარმოიდგინეთ სამი ჰანტელი, რომლებიც იკვეთება საწყისზე, თითოეული მიმართულია საკუთარი ღერძის გასწვრივ სამღერძულ კოორდინატულ სისტემაში.

მოქმედი მნიშვნელობები მოცემული კვანტური რიცხვისთვის შედგება მთელი რიცხვებისგან, რომლებიც მერყეობს -l-დან l-მდე და ეს რიცხვი აღინიშნება როგორც მ ლატომურ ფიზიკაში და ზბირთვულ ფიზიკაში. ორბიტალების რაოდენობის გამოსათვლელად ნებისმიერ ქვეშელში, თქვენ უნდა გააორმაგოთ ქვეშლის რაოდენობა და დაამატოთ 1, (2∙l + 1). მაგალითად, პირველი ქვეშელი (l = 0) ნებისმიერ გარსში შეიცავს ერთ ორბიტალს დანომრილი 0; მეორე ქვეშელური (l = 1) ნებისმიერ გარსში შეიცავს სამ ორბიტალს ნომრებით -1, 0 და 1; მესამე ქვეშელური (l = 2) შეიცავს ხუთ ორბიტალს დანომრილი -2, -1, 0, 1 და 2; და ა.შ.

მთავარი კვანტური რიცხვის მსგავსად, მაგნიტური კვანტური რიცხვი წარმოიშვა უშუალოდ ექსპერიმენტული მონაცემებიდან: ზეემანის ეფექტი, სპექტრალური ხაზების განცალკევება იონიზებული აირის მაგნიტურ ველში გამოვლენით, აქედან გამომდინარე, სახელწოდება "მაგნიტური" კვანტური რიცხვი.

კვანტური რიცხვის დატრიალება: მაგნიტური კვანტური რიცხვის მსგავსად, ატომის ელექტრონების ეს თვისება აღმოაჩინეს ექსპერიმენტებით. სპექტრულ ხაზებზე ფრთხილად დაკვირვებამ აჩვენა, რომ თითოეული ხაზი სინამდვილეში იყო ძალიან მჭიდროდ დაშორებული ხაზების წყვილი, ვარაუდობენ, რომ ეს ე.წ. ჯარიმა სტრუქტურაეს იყო ყოველი ელექტრონის „ბრუნვის“ შედეგი საკუთარი ღერძის გარშემო, პლანეტის მსგავსად. სხვადასხვა „სპინების“ ელექტრონები ასხივებენ სინათლის ოდნავ განსხვავებულ სიხშირეს, როდესაც აღგზნებულია. მბრუნავი ელექტრონის კონცეფცია ახლა მოძველებულია, უფრო მიზანშეწონილია ელექტრონების, როგორც მატერიის ცალკეული ნაწილაკების (არასწორი) ხედვისთვის, ვიდრე როგორც „ღრუბლების“, მაგრამ სახელი რჩება.

სპინის კვანტური რიცხვები აღინიშნება როგორც ქალბატონიატომურ ფიზიკაში და სზბირთვულ ფიზიკაში. თითოეულ ორბიტალს თითოეულ ქვეშელში შეიძლება ჰქონდეს ორი ელექტრონი თითოეულ გარსში, ერთი სპინი +1/2 და მეორე სპინი -1/2.

ფიზიკოსმა ვოლფგანგ პაულიმ შეიმუშავა პრინციპი, რომელიც ხსნის ელექტრონების მოწესრიგებას ატომში ამ კვანტური რიცხვების მიხედვით. მისი პრინციპი, ე.წ პაულის გამორიცხვის პრინციპი, აცხადებს, რომ ერთსა და იმავე ატომში ორი ელექტრონი ვერ დაიკავებს ერთსა და იმავე კვანტურ მდგომარეობას. ანუ ატომში თითოეულ ელექტრონს აქვს კვანტური რიცხვების უნიკალური ნაკრები. ეს ზღუდავს ელექტრონების რაოდენობას, რომლებსაც შეუძლიათ დაიკავონ ნებისმიერი მოცემული ორბიტალი, ქვეგარსი და გარსი.

ეს გვიჩვენებს ელექტრონების განლაგებას წყალბადის ატომში:

ბირთვში ერთი პროტონით, ატომი იღებს ერთ ელექტრონს ელექტროსტატიკური ბალანსისთვის (პროტონის დადებითი მუხტი ზუსტად დაბალანსებულია ელექტრონის უარყოფითი მუხტით). ეს ელექტრონი არის ქვედა გარსში (n = 1), პირველ ქვეშელში (l = 0), ამ ქვეშლის ერთადერთ ორბიტალში (სივრცითი ორიენტაცია) (m l = 0), სპინის მნიშვნელობით 1/2. ამ სტრუქტურის აღწერის ზოგადი მეთოდია ელექტრონების დათვლა მათი გარსებისა და ქვეშელების მიხედვით, კონვენციის მიხედვით ე.წ. სპექტროსკოპიული აღნიშვნა. ამ აღნიშვნით, გარსის ნომერი ნაჩვენებია როგორც მთელი რიცხვი, ქვეშელური - ასო (s,p,d,f) და ელექტრონების მთლიანი რაოდენობა ქვეშელში (ყველა ორბიტალი, ყველა სპინი) ზემოწერის სახით. ამრიგად, წყალბადი, თავისი ერთი ელექტრონით მოთავსებული საბაზისო დონეზე, აღწერილია როგორც 1s 1.

გადავდივართ შემდეგ ატომზე (ატომური რიცხვის მიხედვით), ვიღებთ ელემენტს ჰელიუმს:

ჰელიუმის ატომს აქვს ორი პროტონი თავის ბირთვში, რომელიც მოითხოვს ორ ელექტრონს ორმაგი დადებითი ელექტრული მუხტის დასაბალანსებლად. ვინაიდან ორი ელექტრონი - ერთი სპინით 1/2 და მეორე სპინით -1/2 - ერთსა და იმავე ორბიტალშია, ჰელიუმის ელექტრონული სტრუქტურა არ საჭიროებს დამატებით ქვეშრეებს ან გარსებს მეორე ელექტრონის შესანარჩუნებლად.

თუმცა, ატომს, რომელიც მოითხოვს სამ ან მეტ ელექტრონს, დასჭირდება დამატებითი ქვეშელური ყველა ელექტრონის შესანახად, რადგან მხოლოდ ორი ელექტრონი შეიძლება იყოს ქვედა გარსზე (n = 1). განვიხილოთ შემდეგი ატომი ატომური რიცხვების გაზრდის თანმიმდევრობით, ლითიუმი:

ლითიუმის ატომი იყენებს გარსის L ტევადობის ნაწილს (n = 2). ამ გარსს რეალურად აქვს რვა ელექტრონის საერთო ტევადობა (შლის მაქსიმალური სიმძლავრე = 2n 2 ელექტრონი). თუ განვიხილავთ ატომის სტრუქტურას მთლიანად შევსებული L გარსით, დავინახავთ, თუ როგორ იკავებს ქვეშელურების, ორბიტალებისა და სპინების ყველა კომბინაცია ელექტრონებს:

ხშირად, ატომისთვის სპექტროსკოპული აღნიშვნის მინიჭებისას, ნებისმიერი სრულად შევსებული გარსი გამოტოვებულია და აღინიშნება შეუვსებელი ჭურვები და ზედა დონის შევსებული ჭურვები. მაგალითად, ელემენტი ნეონი (ნაჩვენებია ზემოთ სურათზე), რომელსაც აქვს ორი მთლიანად შევსებული გარსი, სპექტრულად შეიძლება აღწერილი იყოს უბრალოდ 2p 6 და არა როგორც 1s 22 s 22 p 6. ლითიუმი, თავისი სრულად შევსებული K გარსით და ერთი ელექტრონით L გარსში, შეიძლება უბრალოდ აღვწეროთ როგორც 2s 1 და არა 1s 22 s 1 .

სრულად დასახლებული ქვედა დონის ჭურვების გამოტოვება არ არის მხოლოდ აღნიშვნის მოხერხებულობისთვის. ის ასევე ასახავს ქიმიის ძირითად პრინციპს: ელემენტის ქიმიურ ქცევას, უპირველეს ყოვლისა, მისი შეუვსებელი ჭურვები განსაზღვრავს. ორივე წყალბადს და ლითიუმს აქვთ ერთი ელექტრონი გარე გარსებზე (როგორც 1 და 2s 1, შესაბამისად), ანუ ორივე ელემენტს აქვს მსგავსი თვისებები. ორივე ძალიან რეაქტიულია და რეაგირებს თითქმის იდენტური გზებით (მსგავს პირობებში მსგავს ელემენტებთან მიბმული). არ აქვს მნიშვნელობა, რომ ლითიუმს აქვს სრულად შევსებული K- გარსი თითქმის თავისუფალი L- გარსის ქვეშ: შეუვსებელი L- გარსი არის ის, რომელიც განსაზღვრავს მის ქიმიურ ქცევას.

ელემენტები, რომლებსაც აქვთ მთლიანად შევსებული გარე გარსი, კლასიფიცირდება როგორც კეთილშობილური და ხასიათდება სხვა ელემენტებთან რეაქციის თითქმის სრული ნაკლებობით. ეს ელემენტები იყო კლასიფიცირებული, როგორც ინერტული, როდესაც ითვლებოდა, რომ ისინი საერთოდ არ რეაგირებენ, მაგრამ ცნობილია, რომ ისინი ქმნიან ნაერთებს სხვა ელემენტებთან გარკვეულ პირობებში.

ვინაიდან მათ გარე გარსებში ელექტრონების იგივე კონფიგურაციის მქონე ელემენტებს აქვთ მსგავსი ქიმიური თვისებები, დიმიტრი მენდელეევმა შესაბამისად მოაწყო ქიმიური ელემენტები ცხრილში. ეს ცხრილი ცნობილია როგორც და თანამედროვე ცხრილები მიჰყვება ამ ზოგად განლაგებას, რომელიც ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ ფიგურაში.

ქიმიური ელემენტების პერიოდული ცხრილი

დიმიტრი მენდელეევი, რუსი ქიმიკოსი, იყო პირველი, ვინც შეიმუშავა ელემენტების პერიოდული სისტემა. მიუხედავად იმისა, რომ მენდელეევმა მოაწყო თავისი ცხრილი ატომური მასის მიხედვით და არა ატომური რიცხვის მიხედვით და შექმნა ცხრილი, რომელიც არ იყო ისეთი სასარგებლო, როგორც თანამედროვე პერიოდული ცხრილები, მისი განვითარება მეცნიერული მტკიცებულების შესანიშნავი მაგალითია. პერიოდულობის ნიმუშების დანახვისას (მსგავსი ქიმიური თვისებები ატომური მასის მიხედვით), მენდელეევმა წამოაყენა ჰიპოთეზა, რომ ყველა ელემენტი უნდა შეესაბამებოდეს ამ მოწესრიგებულ ნიმუშს. როდესაც მან აღმოაჩინა "ცარიელი" ადგილები ცხრილში, მან მიჰყვა არსებული წესრიგის ლოგიკას და ჩათვალა ჯერ უცნობი ელემენტების არსებობა. ამ ელემენტების შემდგომმა აღმოჩენამ დაადასტურა მენდელეევის ჰიპოთეზის მეცნიერული სისწორე, შემდგომმა აღმოჩენებმა განაპირობა პერიოდული ცხრილის ფორმა, რომელსაც ახლა ვიყენებთ.

Ამგვარად უნდასამუშაო მეცნიერება: ჰიპოთეზები იწვევს ლოგიკურ დასკვნებს და მიიღება, იცვლება ან უარყოფილია ექსპერიმენტული მონაცემების შესაბამისობის მიხედვით მათ დასკვნებთან. ნებისმიერ სულელს შეუძლია ჰიპოთეზის ჩამოყალიბება ფაქტის შემდეგ არსებული ექსპერიმენტული მონაცემების ასახსნელად და ბევრი ამას აკეთებს. ის, რაც განასხვავებს სამეცნიერო ჰიპოთეზას პოსტ-ჰოკ სპეკულაციებისგან, არის მომავალი ექსპერიმენტული მონაცემების წინასწარმეტყველება, რომელიც ჯერ არ არის შეგროვებული და, შესაძლოა, ამ მონაცემების უარყოფა. თამამად მიიყვანეთ ჰიპოთეზა მის ლოგიკურ დასკვნამდე და მომავალი ექსპერიმენტების შედეგების წინასწარმეტყველების მცდელობა არ არის რწმენის დოგმატური ნახტომი, არამედ ამ ჰიპოთეზის საჯარო გამოცდა, ღია გამოწვევა ჰიპოთეზის მოწინააღმდეგეებისთვის. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, მეცნიერული ჰიპოთეზები ყოველთვის "სარისკოა" იმის გამო, რომ ცდილობს წინასწარ განსაზღვროს ექსპერიმენტების შედეგები, რომლებიც ჯერ არ არის გაკეთებული და, შესაბამისად, შეიძლება გაყალბდეს, თუ ექსპერიმენტები არ წარიმართება ისე, როგორც მოსალოდნელია. ამრიგად, თუ ჰიპოთეზა სწორად პროგნოზირებს განმეორებითი ექსპერიმენტების შედეგებს, ის უარყოფილია.

კვანტური მექანიკა, ჯერ როგორც ჰიპოთეზა და შემდეგ როგორც თეორია, ძალიან წარმატებული იყო ექსპერიმენტების შედეგების წინასწარმეტყველებაში და, შესაბამისად, მიიღო სამეცნიერო სანდოობის მაღალი ხარისხი. ბევრ მეცნიერს აქვს საფუძველი იფიქროს, რომ ეს არასრული თეორიაა, რადგან მისი პროგნოზები უფრო მართალია მიკროფიზიკურ მასშტაბებში, ვიდრე მაკროსკოპული, მაგრამ მიუხედავად ამისა, ეს არის ძალიან სასარგებლო თეორია ნაწილაკებისა და ატომების ურთიერთქმედების ასახსნელად და პროგნოზირებისთვის.

როგორც ამ თავში ნახე, კვანტური ფიზიკა არსებითია მრავალი განსხვავებული ფენომენის აღწერისა და პროგნოზირებისთვის. შემდეგ განყოფილებაში დავინახავთ მის მნიშვნელობას მყარი ნივთიერებების, მათ შორის ნახევარგამტარების, ელექტროგამტარებლობაში. მარტივად რომ ვთქვათ, ქიმიაში ან მყარი მდგომარეობის ფიზიკაში არაფერია აზრი ელექტრონების პოპულარულ თეორიულ სტრუქტურაში, რომლებიც არსებობს მატერიის ცალკეული ნაწილაკების სახით, რომლებიც ტრიალებს ატომის ბირთვის გარშემო, როგორც მინიატურული თანამგზავრები. როდესაც ელექტრონები განიხილება, როგორც "ტალღური ფუნქციები", რომლებიც არსებობს გარკვეულ, დისკრეტულ მდგომარეობებში, რომლებიც რეგულარული და პერიოდულია, მაშინ მატერიის ქცევა შეიძლება აიხსნას.

შეჯამება

ატომებში ელექტრონები არსებობს განაწილებული ალბათობის "ღრუბლებში" და არა როგორც მატერიის ცალკეული ნაწილაკები, რომლებიც ბრუნავენ ბირთვის გარშემო, როგორც მინიატურული თანამგზავრები, როგორც ჩვეულებრივი მაგალითები გვიჩვენებს.

ატომის ბირთვის ირგვლივ ცალკეული ელექტრონები მიდრეკილნი არიან უნიკალური „მდგომარეობებისკენ“, რომლებიც აღწერილია ოთხი კვანტური რიცხვით: ძირითადი (რადიალური) კვანტური რიცხვი, ცნობილი როგორც ჭურვი; ორბიტალური (აზიმუტის) კვანტური რიცხვი, ცნობილი როგორც ქვეჭურვი; მაგნიტური კვანტური რიცხვიაღწერს ორბიტალური(subshell ორიენტაცია); და დატრიალებული კვანტური რიცხვი, ან უბრალოდ დატრიალება. ეს მდგომარეობები კვანტურია, ანუ „მათ შორის“ არ არსებობს პირობები ელექტრონის არსებობისთვის, გარდა მდგომარეობებისა, რომლებიც ჯდება კვანტური ნუმერაციის სქემაში.

გლანოე (რადიალური) კვანტური რიცხვი (n)აღწერს საბაზისო დონეს ან გარსს, რომელშიც ელექტრონი იმყოფება. რაც მეტია ეს რიცხვი, მით მეტია ელექტრონული ღრუბლის რადიუსი ატომის ბირთვიდან და მით მეტია ელექტრონის ენერგია. ძირითადი კვანტური რიცხვები არის მთელი რიცხვები (დადებითი რიცხვები)

ორბიტალური (აზიმუთალური) კვანტური რიცხვი (ლ)აღწერს ელექტრონული ღრუბლის ფორმას კონკრეტულ გარსში ან დონეზე და ხშირად ცნობილია როგორც "ქვეშელური". ნებისმიერ გარსში არის იმდენი ქვეშელური (ელექტრონული ღრუბლის ფორმა), რამდენიც გარსის ძირითადი კვანტური რიცხვია. აზიმუტალური კვანტური რიცხვები არის დადებითი მთელი რიცხვები, რომლებიც იწყება ნულიდან და მთავრდება მთავარ კვანტურ რიცხვზე ერთით ნაკლები რიცხვით (n - 1).

მაგნიტური კვანტური რიცხვი (მლ)აღწერს რა ორიენტაცია აქვს ქვეშრელს (ელექტრონული ღრუბლის ფორმა). ქვეშელურებს შეიძლება ჰქონდეთ იმდენი განსხვავებული ორიენტაცია, რამდენიც ორჯერ ქვეშრის რიცხვს (l) პლუს 1, (2l+1) (ანუ l=1, m l = -1, 0, 1), და თითოეულ უნიკალურ ორიენტაციას ორბიტალი ეწოდება. . ეს რიცხვები არის მთელი რიცხვები, დაწყებული ქვეშლის ნომრის უარყოფითი მნიშვნელობიდან (l) 0-მდე და მთავრდება ქვეშლის ნომრის დადებითი მნიშვნელობით.

სპინ კვანტური რიცხვი (მ წმ)აღწერს ელექტრონის სხვა თვისებას და შეუძლია მიიღოს მნიშვნელობები +1/2 და -1/2.

პაულის გამორიცხვის პრინციპიამბობს, რომ ატომში ორ ელექტრონს არ შეუძლია კვანტური რიცხვების ერთნაირი სიმრავლის გაზიარება. მაშასადამე, თითოეულ ორბიტალში შეიძლება იყოს მაქსიმუმ ორი ელექტრონი (სპინი=1/2 და სპინი=-1/2), თითოეულ ქვეშელში 2ლ+1 ორბიტალი და თითოეულ გარსში n ქვეშელური და მეტი არა.

სპექტროსკოპული აღნიშვნაარის კონვენცია ატომის ელექტრონული სტრუქტურისთვის. გარსები ნაჩვენებია როგორც მთელი რიცხვები, რასაც მოჰყვება ქვეშელური ასოები (s, p, d, f) ზედნაწერთა რიცხვებით, რომლებიც მიუთითებენ თითოეულ შესაბამის ქვეშელში ნაპოვნი ელექტრონების საერთო რაოდენობაზე.

ატომის ქიმიური ქცევა განისაზღვრება მხოლოდ შეუვსებელი გარსების ელექტრონებით. დაბალი დონის ჭურვები, რომლებიც მთლიანად შევსებულია, ნაკლებად ან საერთოდ არ მოქმედებს ელემენტების ქიმიურ მახასიათებლებზე.

მთლიანად შევსებული ელექტრონული გარსების ელემენტები თითქმის მთლიანად ინერტულია და ე.წ კეთილშობილიელემენტები (ადრე ცნობილი როგორც ინერტული).

Kvantinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: ინგლ. კვანტური ფიზიკის ვოკ. Quantenphysik, f rus. კვანტური ფიზიკა, ფ პრანკი. ფიზიკის რაოდენობრივი, ვ … ფიზიკურ ტერმინალში

ამ ტერმინს სხვა მნიშვნელობა აქვს, იხილეთ სტაციონარული მდგომარეობა. სტაციონარული მდგომარეობა (ლათინურიდან stationarius გაჩერებული, უმოძრაო) არის კვანტური სისტემის მდგომარეობა, რომელშიც მისი ენერგია და სხვა დინამიური ... ვიკიპედია

- ... ვიკიპედია

მას აქვს შემდეგი ქვეგანყოფილებები (სია არასრულია): კვანტური მექანიკა ალგებრული კვანტური თეორია ველის კვანტური თეორია კვანტური ელექტროდინამიკა კვანტური ქრომოდინამიკა კვანტური თერმოდინამიკა კვანტური გრავიტაცია სუპერსიმების თეორია იხილეთ ასევე ... ... ვიკიპედია

კვანტური მექანიკა განუსაზღვრელობის პრინციპი შესავალი ... მათემატიკური ფორმულირება ... საფუძველი ... ვიკიპედია

ფიზიკა. 1. ფიზიკის საგანი და სტრუქტურა F. მეცნიერება, რომელიც სწავლობს უმარტივესს და ამავდროულად ყველაზე მეტად. ჩვენს გარშემო არსებული მატერიალური სამყაროს ობიექტების ზოგადი თვისებები და მოძრაობის კანონები. ამ განზოგადების შედეგად, არ არსებობს ბუნებრივი მოვლენები, რომლებსაც ფიზიკური არ აქვთ. თვისებები... ფიზიკური ენციკლოპედია

ჰიპერბირთვული ფიზიკა არის ფიზიკის ფილიალი ბირთვული ფიზიკისა და ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკის კვეთაზე, რომელშიც კვლევის საგანია ბირთვის მსგავსი სისტემები, რომლებიც შეიცავს, პროტონებისა და ნეიტრონების გარდა, სხვა ელემენტარული ნაწილაკების ჰიპერონებს. ასევე ... ... ვიკიპედია

ფიზიკის ფილიალი, რომელიც სწავლობს ამაჩქარებლებში ნაწილაკების დინამიკას, აგრეთვე უამრავ ტექნიკურ პრობლემას, რომელიც დაკავშირებულია ნაწილაკების ამაჩქარებლების მშენებლობასთან და მუშაობასთან. ამაჩქარებლების ფიზიკა მოიცავს ნაწილაკების წარმოებასა და დაგროვებასთან დაკავშირებულ საკითხებს ... ვიკიპედია

კრისტალების ფიზიკა კრისტალური კრისტალოგრაფია კრისტალური გისოსები კრისტალური გისოსების ტიპები დიფრაქცია კრისტალებში ორმხრივი გისოსები Wigner Seitz cell ბრილუინის ზონა სტრუქტურული საბაზისო ფაქტორი ატომური გაფანტვის ფაქტორი ბმების ტიპები ... ... ვიკიპედია

კვანტური ლოგიკა არის ლოგიკის ფილიალი, რომელიც აუცილებელია წინადადებების მსჯელობისთვის, რომლებიც ითვალისწინებენ კვანტური თეორიის პრინციპებს. კვლევის ეს სფერო დაარსდა 1936 წელს გარიტ ბიერჰოფისა და ჯონ ფონ ნეუმანის შრომით, რომლებიც ცდილობდნენ ... ... ვიკიპედია

წიგნები

• კვანტური ფიზიკა, ლეონიდ კარლოვიჩ მარტინსონი. დეტალურად არის წარმოდგენილი თეორიული და ექსპერიმენტული მასალა, რომელიც ემყარება კვანტურ ფიზიკას. დიდი ყურადღება ეთმობა ძირითადი კვანტური ცნებების ფიზიკურ შინაარსს და მათემატიკური ...
• კვანტური ფიზიკა, შედად კაიდ-სალა ფერონი. მთელი ჩვენი სამყარო და ყველაფერი, რაც მასშია - სახლები, ხეები და ადამიანებიც კი! - შედგება პატარა ნაწილაკებისგან. წიგნი "კვანტური ფიზიკა" სერიიდან "პირველი წიგნები მეცნიერების შესახებ" მოგვითხრობს ჩვენი უხილავების შესახებ ...

როდესაც ადამიანები ისმენენ სიტყვებს "კვანტური ფიზიკა", ისინი ჩვეულებრივ წყვეტენ მას: "ეს რაღაც საშინლად რთულია". იმავდროულად, ეს აბსოლუტურად ასე არ არის და სიტყვა "კვანტურში" აბსოლუტურად არაფერია საშინელი. გაუგებარი - საკმარისია, საინტერესო - ბევრი, მაგრამ საშინელი - არა.

წიგნების თაროების, კიბეების და ივან ივანოვიჩის შესახებ

ჩვენს ირგვლივ სამყაროში ყველა პროცესი, ფენომენი და რაოდენობა შეიძლება დაიყოს ორ ჯგუფად: უწყვეტი (მეცნიერულად უწყვეტი ) და წყვეტილი (მეცნიერულად დისკრეტული ან კვანტიზირებული ).

წარმოიდგინეთ მაგიდა, რომელზეც შეგიძლიათ წიგნი დადოთ. შეგიძლიათ წიგნი მაგიდაზე სადმე დადოთ. მარჯვნივ, მარცხნივ, შუაში... სადაც გინდა - იქ ჩადე. ამ შემთხვევაში ფიზიკოსები ამბობენ, რომ წიგნის პოზიცია მაგიდაზე იცვლება გამუდმებით .

ახლა წარმოიდგინეთ წიგნების თაროები. შეგიძლიათ წიგნი პირველ თაროზე მოათავსოთ, მეორეზე, მესამეზე ან მეოთხეზე - მაგრამ არ შეგიძლიათ წიგნი „სადღაც მესამესა და მეოთხეს შორის“. ამ შემთხვევაში წიგნის პოზიცია იცვლება უწყვეტად , დისკრეტულად , კვანტიზირებული (ეს სიტყვები ყველა ერთსა და იმავეს ნიშნავს.)

ჩვენს ირგვლივ სამყარო სავსეა უწყვეტი და კვანტური რაოდენობით. აქ არის ორი გოგონა - კატია და მაშა. მათი სიმაღლე 135 და 136 სანტიმეტრია. რა არის ეს ღირებულება? სიმაღლე მუდმივად იცვლება, ის შეიძლება იყოს 135 და ნახევარი სანტიმეტრი, ხოლო 135 სანტიმეტრი და მეოთხედი. მაგრამ იმ სკოლის რაოდენობა, სადაც გოგონები სწავლობენ, არის კვანტური მნიშვნელობა! ვთქვათ, კატია სწავლობს 135-ე სკოლაში, მაშა კი 136-ე სკოლაში. თუმცა, 135-ნახევარ სკოლაში ვერც ერთი ვერ ისწავლის, არა?

კვანტური სისტემის კიდევ ერთი მაგალითია ჭადრაკის დაფა. ჭადრაკის დაფაზე 64 კვადრატია და თითოეულ ფიგურას შეუძლია დაიკავოს მხოლოდ ერთი კვადრატი. შეიძლება სადღაც კვადრატებს შორის დავდოთ ლომბარდი ან ერთ მოედანზე ერთდროულად დავდოთ ორი პაიკი? რეალურად შეგვიძლია, მაგრამ წესების მიხედვით არა.

უწყვეტი დაღმართი

და აქ არის სლაიდი სათამაშო მოედანზე. ბავშვები მისგან ძირს სრიალდებიან - იმიტომ, რომ სლაიდის სიმაღლე შეუფერხებლად, განუწყვეტლივ იცვლება. ახლა წარმოიდგინეთ, რომ ეს ბორცვი მოულოდნელად (ჯადოსნური ჯოხის ქნევას!) კიბედ გადაიქცა. მისი უკანალის გადაგდება აღარ იქნება შესაძლებელი. ფეხით უნდა იაროთ - ჯერ ერთი ნაბიჯი, მერე მეორე, მერე მესამე. ღირებულება (სიმაღლე) ჩვენ შევცვალეთ გამუდმებით - მაგრამ დაიწყო ცვლილება ნაბიჯებით, ანუ დისკრეტულად, კვანტიზირებული .

Quantized Descent

მოდით შევამოწმოთ!

1. ქვეყნის მეზობელი ივანე ივანოვიჩი მეზობელ სოფელში წავიდა და უთხრა: "გზაში სადმე დავისვენებ".

2. ქვეყნის მეზობელი ივან ივანოვიჩი მეზობელ სოფელში წავიდა და თქვა: "რამე ავტობუსით წავალ".

ამ ორი სიტუაციიდან („სისტემები“) რომელი შეიძლება ჩაითვალოს უწყვეტად და რომელი – კვანტური?

პასუხი:

პირველ შემთხვევაში, ივან ივანოვიჩი დადის და შეუძლია დაისვენოს აბსოლუტურად ნებისმიერ წერტილში. ასე რომ, ეს სისტემა უწყვეტია.

მეორეში ივან ივანოვიჩს შეუძლია ავტობუსში ჩაჯდომა, რომელიც გაჩერებულია. შეუძლია გამოტოვოს და დაელოდო შემდეგ ავტობუსს. მაგრამ ის ვერ შეძლებს ავტობუსებს "სადღაც შორის" დაჯდეს. ასე რომ, ეს სისტემა კვანტიზებულია!

ეს ყველაფერი ასტრონომიას ეხება

უწყვეტი (უწყვეტი) და წყვეტილი (კვანტიზებული, წყვეტილი, დისკრეტული) სიდიდეების არსებობა ძველმა ბერძნებმაც კარგად იცოდნენ. თავის წიგნში Psammit (ქვიშის მარცვლების გამოთვლა) არქიმედესმა პირველი მცდელობაც კი გააკეთა, დაედგინა მათემატიკური ურთიერთობა უწყვეტ და კვანტიზებულ სიდიდეებს შორის. თუმცა, იმ დროს კვანტური ფიზიკა არ არსებობდა.

ის არ არსებობდა მე-20 საუკუნის დასაწყისამდე! ისეთ დიდ ფიზიკოსებს, როგორებიც არიან გალილეო, დეკარტი, ნიუტონი, ფარადეი, იუნგი ან მაქსველი, არასოდეს სმენიათ რაიმე კვანტური ფიზიკის შესახებ და კარგად ხვდებოდნენ მის გარეშე. შეიძლება იკითხოთ: მაშინ რატომ გამოვიდნენ მეცნიერებმა კვანტური ფიზიკა? რა არის განსაკუთრებული ფიზიკაში? წარმოიდგინე რა მოხდა. მხოლოდ ფიზიკაში კი არა, ასტრონომიაში!

იდუმალი თანამგზავრი

1844 წელს გერმანელმა ასტრონომმა ფრიდრიხ ბესელმა დააკვირდა ჩვენი ღამის ცის ყველაზე კაშკაშა ვარსკვლავი სირიუსი. იმ დროისთვის ასტრონომებმა უკვე იცოდნენ, რომ ჩვენს ცაზე ვარსკვლავები სტაციონარული არ არიან - ისინი მოძრაობენ, მხოლოდ ძალიან, ძალიან ნელა. უფრო მეტიც, თითოეული ვარსკვლავი მნიშვნელოვანია! - მოძრაობს სწორი ხაზით. ასე რომ, სირიუსზე დაკვირვებისას აღმოჩნდა, რომ ის საერთოდ არ მოძრაობს სწორ ხაზზე. ვარსკვლავი თითქოს ჯერ ერთი მიმართულებით „იძვრა“, მერე მეორე მიმართულებით. სირიუსის გზა ცაში მიხვეულ-მოხვეულ ხაზს ჰგავდა, რომელსაც მათემატიკოსები „სინუს ტალღას“ უწოდებენ.

ვარსკვლავი სირიუსი და მისი თანამგზავრი - Sirius B

ცხადი იყო, რომ ვარსკვლავი თავად ვერ მოძრაობდა ასე. სწორი ხაზის მოძრაობის სინუსოიდულ მოძრაობად გადაქცევისთვის საჭიროა რაიმე სახის "შემაშფოთებელი ძალა". ამიტომ ბესელმა შესთავაზა, რომ მძიმე თანამგზავრი ტრიალებს სირიუსის გარშემო - ეს იყო ყველაზე ბუნებრივი და გონივრული ახსნა.

თუმცა, გამოთვლებმა აჩვენა, რომ ამ თანამგზავრის მასა დაახლოებით ჩვენი მზის მასა უნდა იყოს. მაშინ რატომ ვერ ვხედავთ ამ თანამგზავრს დედამიწიდან? სირიუსი არ არის შორს მზის სისტემიდან - დაახლოებით ორნახევარი პარსეკი და მზის ზომის ობიექტი ძალიან კარგად უნდა ჩანდეს...

რთული საქმე აღმოჩნდა. ზოგიერთმა მეცნიერმა თქვა, რომ ეს თანამგზავრი ცივი, გაცივებული ვარსკვლავია - ამიტომ ის აბსოლუტურად შავი და უხილავია ჩვენი პლანეტისგან. სხვებმა თქვეს, რომ ეს თანამგზავრი არ არის შავი, არამედ გამჭვირვალე, რის გამოც ჩვენ მას ვერ ვხედავთ. ასტრონომები მთელ მსოფლიოში სირიუსს ტელესკოპებით უყურებდნენ და ცდილობდნენ იდუმალი უხილავი თანამგზავრის „დაჭერას“ და ის თითქოს დასცინოდა მათ. რაღაც იყო გასაკვირი, ხომ იცი...

ჩვენ გვჭირდება სასწაული ტელესკოპი!

ასეთ ტელესკოპში ადამიანებმა პირველად დაინახეს სირიუსის თანამგზავრი

XIX საუკუნის შუა წლებში, ტელესკოპის გამოჩენილი დიზაინერი ელვინ კლარკი ცხოვრობდა და მუშაობდა შეერთებულ შტატებში. პირველი პროფესიით მხატვარი იყო, მაგრამ შემთხვევით გადაიქცა პირველი კლასის ინჟინერად, მინის მწარმოებლად და ასტრონომად. აქამდე ვერავინ აჯობა მის გასაოცარ ლინზიან ტელესკოპებს! ელვინ კლარკის ერთ-ერთი ლინზა (დიამეტრის 76 სანტიმეტრი) შეგიძლიათ ნახოთ პეტერბურგში, პულკოვოს ობსერვატორიის მუზეუმში...

თუმცა, ჩვენ განვიცდით. ასე რომ, 1867 წელს ელვინ კლარკმა ააგო ახალი ტელესკოპი - ლინზებით, რომლის დიამეტრი 47 სანტიმეტრია; ეს იყო ყველაზე დიდი ტელესკოპი აშშ-ში იმ დროისთვის. ეს იყო საიდუმლოებით მოცული სირიუსი, რომელიც აირჩიეს პირველ ციურ ობიექტად, რომელსაც აკვირდებოდნენ ტესტების დროს. და ასტრონომების იმედები ბრწყინვალედ გამართლდა - პირველივე ღამეს აღმოაჩინეს ბესელის მიერ ნაწინასწარმეტყველები სირიუსის გაუგებარი თანამგზავრი.

გადმოდგით ტაფიდან ცეცხლზე...

თუმცა, კლარკის დაკვირვების მონაცემების მიღების შემდეგ, ასტრონომებს დიდხანს არ უხარიათ. მართლაც, გამოთვლებით, თანამგზავრის მასა დაახლოებით ისეთივე უნდა იყოს, როგორც ჩვენი მზის (დედამიწის მასაზე 333000-ჯერ მეტი). მაგრამ უზარმაზარი შავი (ან გამჭვირვალე) ციური სხეულის ნაცვლად, ასტრონომებმა დაინახეს ... პატარა თეთრი ვარსკვლავი! ეს ვარსკვლავი იყო ძალიან ცხელი (25000 გრადუსი, შედარება ჩვენი მზის 5500 გრადუსთან) და ამავე დროს პაწაწინა (კოსმოსური სტანდარტებით), არაუმეტეს დედამიწაზე (მოგვიანებით ასეთ ვარსკვლავებს "თეთრი ჯუჯები" უწოდეს). აღმოჩნდა, რომ ამ ვარსკვლავს აბსოლუტურად წარმოუდგენელი სიმკვრივე ჰქონდა. მაშინ რა ნივთიერებისგან შედგება?

დედამიწაზე ჩვენ ვიცით მაღალი სიმკვრივის მასალები, როგორიცაა ტყვია (ამ ლითონისგან დამზადებული სანტიმეტრის გვერდითი კუბი იწონის 11,3 გრამს) ან ოქრო (19,3 გრამი კუბურ სანტიმეტრზე). სირიუსის თანამგზავრის (მას "სირიუს B" ერქვა) ნივთიერების სიმკვრივე არის მილიონი (!!!) გრამი კუბურ სანტიმეტრზე - ის ოქროზე 52 ათასჯერ მძიმეა!

აიღეთ, მაგალითად, ჩვეულებრივი ასანთის ყუთი. მისი მოცულობა 28 კუბური სანტიმეტრია. ეს ნიშნავს, რომ სირიუსის თანამგზავრის ნივთიერებით სავსე ასანთის ყუთი იწონის ... 28 ტონას! შეეცადეთ წარმოიდგინოთ - ერთ სასწორზე არის ასანთის ყუთი, ხოლო მეორეზე - ტანკი!

სხვა პრობლემა იყო. ფიზიკაში არსებობს კანონი, რომელსაც ჩარლზის კანონი ჰქვია. ის ამტკიცებს, რომ იმავე მოცულობაში ნივთიერების წნევა რაც უფრო მაღალია, მით უფრო მაღალია ამ ნივთიერების ტემპერატურა. დაიმახსოვრეთ, როგორ აშორებს თავსახურს მოხარშული ქვაბიდან ცხელი ორთქლის წნევა - და მაშინვე მიხვდებით, რაზეა საუბარი. ასე რომ, სირიუსის თანამგზავრის ნივთიერების ტემპერატურამ ყველაზე უსირცხვილოდ დაარღვია სწორედ ჩარლზის ეს კანონი! წნევა წარმოუდგენელი იყო და ტემპერატურა შედარებით დაბალი. შედეგად მიიღეს „არასწორი“ ფიზიკური კანონები და, ზოგადად, „არასწორი“ ფიზიკა. ისევე როგორც ვინი პუხი – „არასწორი ფუტკარი და არასწორი თაფლი“.

სრულიად თავბრუ ეხვევა...

ფიზიკის „გადარჩენისთვის“, მე-20 საუკუნის დასაწყისში მეცნიერებს უნდა ეღიარებინათ, რომ მსოფლიოში ერთდროულად ორი ფიზიკა არსებობს - ერთი „კლასიკური“, რომელიც ცნობილია ორი ათასი წლის განმავლობაში. მეორე უჩვეულოა კვანტური . მეცნიერები ვარაუდობენ, რომ კლასიკური ფიზიკის კანონები მუშაობს ჩვენი სამყაროს ჩვეულებრივ, „მაკროსკოპულ“ დონეზე. მაგრამ უმცირეს, „მიკროსკოპულ“ დონეზე მატერია და ენერგია ემორჩილება სრულიად განსხვავებულ კანონებს – კვანტურს.

წარმოიდგინეთ ჩვენი პლანეტა დედამიწა. ახლა მის გარშემო 15000-ზე მეტი სხვადასხვა ხელოვნური ობიექტი ტრიალებს, თითოეული თავის ორბიტაზე. მეტიც, ამ ორბიტის შეცვლა (შესწორება) სურვილის შემთხვევაში შესაძლებელია – მაგალითად, ორბიტა საერთაშორისო კოსმოსურ სადგურზე (ISS) პერიოდულად სწორდება. ეს არის მაკროსკოპული დონე, აქ მუშაობს კლასიკური ფიზიკის კანონები (მაგალითად, ნიუტონის კანონები).

ახლა გადავიდეთ მიკროსკოპულ დონეზე. წარმოიდგინეთ ატომის ბირთვი. მის გარშემო, თანამგზავრების მსგავსად, ელექტრონები ბრუნავენ - თუმცა, მათი თვითნებურად ბევრი არ შეიძლება იყოს (ვთქვათ, ჰელიუმის ატომს არაუმეტეს ორი აქვს). და ელექტრონების ორბიტები აღარ იქნება თვითნებური, არამედ კვანტური, „საფეხურიანი“. ფიზიკის ასეთ ორბიტებს ასევე უწოდებენ "დაშვებულ ენერგეტიკულ დონეებს". ელექტრონს არ შეუძლია „მშვიდად“ გადაადგილება ერთი დაშვებული დონიდან მეორეზე, მას შეუძლია მხოლოდ მყისიერად „გადახტა“ დონიდან დონეზე. უბრალოდ იყო "იქ" და მყისიერად გამოჩნდა "აქ". ის არ შეიძლება იყოს სადმე „იქ“ და „აქ“ შორის. ის მყისიერად იცვლის მდებარეობას.

საოცარი? საოცარი! მაგრამ ეს ყველაფერი არ არის. ფაქტია, რომ კვანტური ფიზიკის კანონების მიხედვით, ორი იდენტური ელექტრონი ვერ დაიკავებს ერთსა და იმავე ენერგეტიკულ დონეს. არასოდეს. მეცნიერები ამ მოვლენას „პაულის აკრძალვას“ უწოდებენ (რატომ მუშაობს ეს „აკრძალვა“, დღემდე ვერ ხსნიან). ყველაზე მეტად ეს „აკრძალვა“ ჭადრაკის დაფას წააგავს, რომელიც კვანტური სისტემის მაგალითზე მოვიყვანეთ - თუ დაფის კვადრატზე ლომბარდია, ამ მოედანზე სხვა ლომბარდი ვეღარ დაიდება. ზუსტად იგივე ხდება ელექტრონებთან დაკავშირებით!

პრობლემის გადაწყვეტა

იკითხავთ, როგორ ხსნის კვანტურ ფიზიკას ისეთი უჩვეულო ფენომენები, როგორიცაა ჩარლზის კანონის დარღვევა სირიუს B-ში? Მაგრამ როგორ.

წარმოიდგინეთ ქალაქის პარკი, რომელსაც აქვს საცეკვაო მოედანი. ქუჩაში უამრავი ხალხი დადის, საცეკვაოდ მიდიან საცეკვაო მოედანზე. დაე, ქუჩაში ხალხის რაოდენობა ასახავდეს წნევას, ხოლო დისკოთეკაში მყოფთა რაოდენობა ტემპერატურას. უამრავ ადამიანს შეუძლია საცეკვაო მოედანზე წასვლა - რაც უფრო მეტი ხალხი დადის პარკში, მით მეტი ადამიანი ცეკვავს საცეკვაო მოედანზე, ანუ რაც უფრო მაღალია წნევა, მით უფრო მაღალია ტემპერატურა. ასე მუშაობს კლასიკური ფიზიკის კანონები - ჩარლზის კანონის ჩათვლით. მეცნიერები ასეთ ნივთიერებას "იდეალურ გაზს" უწოდებენ.

ხალხი საცეკვაო მოედანზე - "იდეალური გაზი"

თუმცა, მიკროსკოპულ დონეზე, კლასიკური ფიზიკის კანონები არ მუშაობს. იქ იწყებს მოქმედებას კვანტური კანონები და ეს რადიკალურად ცვლის სიტუაციას.

წარმოიდგინეთ, რომ პარკში საცეკვაო მოედანზე კაფე გაიხსნა. Რა არის განსხვავება? დიახ, იმაში, რომ კაფეში, დისკოთეკისგან განსხვავებით, "რამდენიც გინდა" ხალხი არ შემოვა. როგორც კი მაგიდებთან ყველა ადგილი დაიკავებს, დაცვა შეწყვეტს ხალხის შიგნით შეშვებას. და სანამ ერთ-ერთი სტუმარი არ გაათავისუფლებს მაგიდას, დაცვა არავის შეუშვებს! სულ უფრო მეტი ხალხი დადის პარკში - და რამდენი ადამიანი იყო კაფეში, ამდენი დარჩა. გამოდის, რომ წნევა იზრდება და ტემპერატურა "ჩერდება".

ხალხი კაფეში - "კვანტური გაზი"

Sirius B-ის შიგნით, რა თქმა უნდა, არ არის ხალხი, საცეკვაო მოედნები და კაფეები. მაგრამ პრინციპი იგივე რჩება: ელექტრონები ავსებენ ყველა დაშვებულ ენერგეტიკულ დონეს (როგორც სტუმრები - მაგიდები კაფეში), და მათ აღარ შეუძლიათ "არავის შეუშვან" - ზუსტად პაულის აკრძალვის მიხედვით. შედეგად, ვარსკვლავის შიგნით წარმოუდგენლად უზარმაზარი წნევა მიიღება, მაგრამ ტემპერატურა ამავდროულად მაღალია, მაგრამ ვარსკვლავებისთვის საკმაოდ ჩვეულებრივი. ასეთ ნივთიერებას ფიზიკაში „დეგენერაციული კვანტური აირი“ ეწოდება.

გავაგრძელოთ?..

თეთრი ჯუჯების ანომალიურად მაღალი სიმკვრივე შორს არის ფიზიკაში ერთადერთი ფენომენისგან, რომელიც მოითხოვს კვანტური კანონების გამოყენებას. თუ ეს თემა გაინტერესებთ, ლუჩიკის მომდევნო ნომრებში სხვა, არანაკლებ საინტერესო, კვანტურ ფენომენებზეც შეგვიძლია ვისაუბროთ. დაწერე! ჯერ-ჯერობით მთავარი გავიხსენოთ:

1. ჩვენს სამყაროში (სამყარო) მაკროსკოპულ (ანუ "დიდი") დონეზე მოქმედებს კლასიკური ფიზიკის კანონები. ისინი აღწერენ ჩვეულებრივი სითხეებისა და აირების თვისებებს, ვარსკვლავებისა და პლანეტების მოძრაობას და ბევრ სხვას. ეს არის ფიზიკა, რომელსაც თქვენ სწავლობთ (ან შეისწავლით) სკოლაში.

2. თუმცა, მიკროსკოპული (ანუ წარმოუდგენლად მცირე, მილიონჯერ პატარა ვიდრე უმცირესი ბაქტერიების) დონეზე სრულიად განსხვავებული კანონები მოქმედებს - კვანტური ფიზიკის კანონები. ეს კანონები აღწერილია ძალიან რთული მათემატიკური ფორმულებით და მათ სკოლაში არ სწავლობენ. თუმცა, მხოლოდ კვანტური ფიზიკა გვაძლევს საშუალებას შედარებით მკაფიოდ ავხსნათ ისეთი საოცარი კოსმოსური ობიექტების სტრუქტურა, როგორიცაა თეთრი ჯუჯები (როგორც Sirius B), ნეიტრონული ვარსკვლავები, შავი ხვრელები და ა.შ.

ამ სამყაროში არავის ესმის რა არის კვანტური მექანიკა. ეს არის ალბათ ყველაზე მნიშვნელოვანი რამ, რაც უნდა იცოდეთ მის შესახებ. რა თქმა უნდა, ბევრმა ფიზიკოსმა ისწავლა კანონების გამოყენება და კვანტური გამოთვლის საფუძველზე ფენომენების პროგნოზირებაც კი. მაგრამ ჯერ კიდევ გაუგებარია, რატომ განსაზღვრავს ექსპერიმენტის დამკვირვებელი სისტემის ქცევას და აიძულებს მას მიიღოს ორი მდგომარეობიდან ერთი.

აქ მოცემულია ექსპერიმენტების მაგალითები შედეგებით, რომლებიც აუცილებლად შეიცვლება დამკვირვებლის გავლენით. ისინი აჩვენებენ, რომ კვანტური მექანიკა პრაქტიკულად ეხება ცნობიერი აზრის ჩარევას მატერიალურ რეალობაში.

დღეს კვანტური მექანიკის მრავალი ინტერპრეტაცია არსებობს, მაგრამ კოპენჰაგენის ინტერპრეტაცია, ალბათ, ყველაზე ცნობილი. 1920-იან წლებში მისი ზოგადი პოსტულატები ჩამოაყალიბეს ნილს ბორმა და ვერნერ ჰაიზენბერგმა.

კოპენჰაგენის ინტერპრეტაციის საფუძველი იყო ტალღის ფუნქცია. ეს არის მათემატიკური ფუნქცია, რომელიც შეიცავს ინფორმაციას კვანტური სისტემის ყველა შესაძლო მდგომარეობის შესახებ, რომელშიც ის ერთდროულად არსებობს. კოპენჰაგენის ინტერპრეტაციის თანახმად, სისტემის მდგომარეობა და მისი პოზიცია სხვა მდგომარეობებთან მიმართებაში შეიძლება განისაზღვროს მხოლოდ დაკვირვებით (ტალღის ფუნქცია მხოლოდ მათემატიკურად გამოიყენება სისტემის ამა თუ იმ მდგომარეობაში ყოფნის ალბათობის გამოსათვლელად).

შეიძლება ითქვას, რომ დაკვირვების შემდეგ, კვანტური სისტემა ხდება კლასიკური და მაშინვე წყვეტს არსებობას სხვა მდგომარეობებში, გარდა იმისა, რომელშიც დაფიქსირდა. ამ დასკვნამ აღმოაჩინა თავისი მოწინააღმდეგეები (გაიხსენეთ აინშტაინის ცნობილი „ღმერთი კამათელს არ თამაშობს“), მაგრამ გამოთვლებისა და პროგნოზების სიზუსტეს მაინც თავისი ჰქონდა.

მიუხედავად ამისა, კოპენჰაგენის ინტერპრეტაციის მხარდამჭერთა რიცხვი მცირდება და ამის მთავარი მიზეზი ექსპერიმენტის დროს ტალღის ფუნქციის იდუმალი მყისიერი კოლაფსია. ერვინ შრედინგერის ცნობილი სააზროვნო ექსპერიმენტი ღარიბ კატაზე უნდა აჩვენოს ამ ფენომენის აბსურდულობა. გავიხსენოთ დეტალები.

შავი ყუთის შიგნით ზის შავი კატა და მასთან ერთად შხამის ფლაკონი და მექანიზმი, რომელსაც შეუძლია შხამის შემთხვევით გამოყოფა. მაგალითად, დაშლის დროს რადიოაქტიურ ატომს შეუძლია ბუშტის გატეხვა. ატომის დაშლის ზუსტი დრო უცნობია. ცნობილია მხოლოდ ნახევარგამოყოფის პერიოდი, რომლის დროსაც ხდება დაშლა 50%-ის ალბათობით.

ცხადია, გარე დამკვირვებლისთვის კატა ყუთში ორ მდგომარეობაშია: ის ან ცოცხალია, თუ ყველაფერი კარგად იყო, ან მკვდარი, თუ დაშლა მოხდა და ფლაკონი გატეხილია. ორივე ეს მდგომარეობა აღწერილია კატის ტალღის ფუნქციით, რომელიც დროთა განმავლობაში იცვლება.

რაც უფრო მეტი დრო გადის, მით უფრო დიდია ალბათობა იმისა, რომ მოხდეს რადიოაქტიური დაშლა. მაგრამ როგორც კი ვხსნით ყუთს, ტალღის ფუნქცია იშლება და ჩვენ მაშინვე ვხედავთ ამ არაადამიანური ექსპერიმენტის შედეგებს.

სინამდვილეში, სანამ დამკვირვებელი არ გახსნის ყუთს, კატა გაუთავებლად დაბალანსებს სიცოცხლესა და სიკვდილს შორის, ან ცოცხალიც იქნება და მკვდარიც. მისი ბედის დადგენა შესაძლებელია მხოლოდ დამკვირვებლის მოქმედების შედეგად. ამ აბსურდზე მიუთითებდა შროდინგერი.

The New York Times-ის ცნობილი ფიზიკოსების გამოკითხვის თანახმად, ელექტრონის დიფრაქციის ექსპერიმენტი მეცნიერების ისტორიაში ერთ-ერთი ყველაზე გასაოცარი კვლევაა. როგორია მისი ბუნება? არის წყარო, რომელიც ასხივებს ელექტრონების სხივს ფოტომგრძნობიარე ეკრანზე. და ამ ელექტრონების გზაზე არის დაბრკოლება, სპილენძის ფირფიტა ორი სლოტით.

რა სურათს შეიძლება ველოდოთ ეკრანზე, თუ ელექტრონები, როგორც წესი, წარმოდგენილია ჩვენთვის, როგორც პატარა დამუხტული ბურთები? ორი ზოლი სპილენძის ფირფიტის სლოტების საპირისპიროდ. მაგრამ სინამდვილეში, ეკრანზე ჩანს თეთრი და შავი ზოლების მონაცვლეობის ბევრად უფრო რთული ნიმუში. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ჭრილში გავლისას ელექტრონები იწყებენ ქცევას არა მხოლოდ ნაწილაკებად, არამედ ტალღებად (ფოტონები ან სხვა მსუბუქი ნაწილაკები, რომლებიც შეიძლება ერთდროულად იყოს ტალღა, იქცევიან ერთნაირად).

ეს ტალღები ურთიერთქმედებენ სივრცეში, ეჯახებიან და აძლიერებენ ერთმანეთს, რის შედეგადაც ეკრანზე გამოსახულია მსუბუქი და მუქი ზოლების მონაცვლეობის რთული ნიმუში. ამავდროულად, ამ ექსპერიმენტის შედეგი არ იცვლება, მაშინაც კი, თუ ელექტრონები სათითაოდ გაივლიან - თუნდაც ერთი ნაწილაკი შეიძლება იყოს ტალღა და ერთდროულად გაიაროს ორ ჭრილში. ეს პოსტულატი ერთ-ერთი მთავარი იყო კვანტური მექანიკის კოპენჰაგენის ინტერპრეტაციაში, როდესაც ნაწილაკებს შეუძლიათ ერთდროულად აჩვენონ თავიანთი „ჩვეულებრივი“ ფიზიკური თვისებები და ეგზოტიკური თვისებები ტალღის მსგავსად.

მაგრამ რაც შეეხება დამკვირვებელს? სწორედ ის ხდის ამ დამაბნეველ ამბავს კიდევ უფრო დამაბნეველს. როდესაც ფიზიკოსები ცდილობდნენ გამოეყენებინათ ინსტრუმენტები იმის დასადგენად, თუ რომელ ჭრილში გადიოდა ელექტრონი, ეკრანზე სურათი მკვეთრად შეიცვალა და გახდა „კლასიკური“: ორი განათებული მონაკვეთით პირდაპირ ჭრილების მოპირდაპირე მხარეს, ყოველგვარი ალტერნატიული ზოლების გარეშე.

როგორც ჩანს, ელექტრონებს არ სურდათ თავიანთი ტალღის ბუნება გამოეჩინათ დამთვალიერებლების ფხიზლად. სიბნელეში მოცულ საიდუმლოს ჰგავს. მაგრამ არსებობს უფრო მარტივი ახსნა: სისტემაზე დაკვირვება არ შეიძლება განხორციელდეს მასზე ფიზიკური ზემოქმედების გარეშე. ამაზე მოგვიანებით განვიხილავთ.

2. გაცხელებული ფულერენი

ნაწილაკების დიფრაქციის ექსპერიმენტები ჩატარდა არა მხოლოდ ელექტრონებით, არამედ სხვა, ბევრად უფრო დიდი ობიექტებით. მაგალითად, გამოიყენებოდა ფულერენი, დიდი და დახურული მოლეკულები, რომლებიც შედგებოდა რამდენიმე ათეული ნახშირბადის ატომისგან. ცოტა ხნის წინ, ვენის უნივერსიტეტის მეცნიერთა ჯგუფმა, პროფესორ ცეილინგერის ხელმძღვანელობით, ცდილობდა ამ ექსპერიმენტებში დაკვირვების ელემენტის ჩართვას. ამისათვის მათ ასხივებდნენ მოძრავი ფულერენის მოლეკულებს ლაზერის სხივებით. შემდეგ, გაცხელებული გარე წყაროებით, მოლეკულებმა დაიწყეს ბრწყინვა და აუცილებლად ასახავს მათ არსებობას დამკვირვებლის წინაშე.

ამ სიახლესთან ერთად შეიცვალა მოლეკულების ქცევაც. ასეთი ყოვლისმომცველი დაკვირვების დაწყებამდე, ფულერენები საკმაოდ წარმატებით აცილებდნენ დაბრკოლებას (ავლენს ტალღის თვისებებს), წინა მაგალითის მსგავსად, როდესაც ელექტრონები ეკრანზე მოხვდნენ. მაგრამ დამკვირვებლის თანდასწრებით, ფულერენებმა იდეალურად კანონმორჩილი ფიზიკური ნაწილაკებივით დაიწყეს ქცევა.

3. გაგრილების გაზომვა

კვანტური ფიზიკის სამყაროში ერთ-ერთი ყველაზე ცნობილი კანონია ჰაიზენბერგის განუსაზღვრელობის პრინციპი, რომლის მიხედვითაც შეუძლებელია კვანტური ობიექტის სიჩქარისა და პოზიციის ერთდროულად დადგენა. რაც უფრო ზუსტად გავზომავთ ნაწილაკების იმპულსს, მით ნაკლები სიზუსტით შეგვიძლია გავზომოთ მისი პოზიცია. თუმცა, ჩვენს მაკროსკოპულ რეალურ სამყაროში, პაწაწინა ნაწილაკებზე მოქმედი კვანტური კანონების მართებულობა ჩვეულებრივ შეუმჩნეველი რჩება.

ამ სფეროში ძალიან ღირებული წვლილი შეაქვს აშშ-დან პროფესორ შვაბის ბოლო ექსპერიმენტებს. ამ ექსპერიმენტებში კვანტური ეფექტები დაფიქსირდა არა ელექტრონების ან ფულერენის მოლეკულების დონეზე (რომლებსაც აქვთ სავარაუდო დიამეტრი 1 ნმ), არამედ უფრო დიდ ობიექტებზე, ალუმინის პაწაწინა ლენტით. ეს ლენტი დამაგრებული იყო ორივე მხრიდან ისე, რომ მისი შუა იყო შეჩერებულ მდგომარეობაში და შეეძლო ვიბრირება გარე გავლენის ქვეშ. გარდა ამისა, მახლობლად განთავსდა მოწყობილობა, რომელსაც შეეძლო ზუსტად დაეწერა ფირის პოზიცია. ექსპერიმენტის შედეგად რამდენიმე საინტერესო რამ აღმოაჩინეს. პირველ რიგში, ობიექტის პოზიციასთან დაკავშირებული ნებისმიერი გაზომვა და ფირზე დაკვირვება გავლენას ახდენდა მასზე, ყოველი გაზომვის შემდეგ ფირის პოზიცია იცვლებოდა.

ექსპერიმენტატორებმა მაღალი სიზუსტით განსაზღვრეს ფირის კოორდინატები და, ამრიგად, ჰაიზენბერგის პრინციპის შესაბამისად, შეცვალეს მისი სიჩქარე და, შესაბამისად, შემდგომი პოზიცია. მეორეც, და სრულიად მოულოდნელად, ზოგიერთმა გაზომვამ გამოიწვია ფირის გაციება. ამრიგად, დამკვირვებელს შეუძლია შეცვალოს ობიექტების ფიზიკური მახასიათებლები მათი უბრალო ყოფნით.

4. გაყინვის ნაწილაკები

მოგეხსენებათ, არასტაბილური რადიოაქტიური ნაწილაკები იშლება არა მხოლოდ კატებთან ექსპერიმენტებში, არამედ თავისთავადაც. თითოეულ ნაწილაკს აქვს საშუალო სიცოცხლის ხანგრძლივობა, რომელიც, როგორც ირკვევა, შეიძლება გაიზარდოს დამკვირვებლის ფხიზლოვანი თვალით. ეს კვანტური ეფექტი იწინასწარმეტყველეს ჯერ კიდევ 60-იან წლებში და მისი ბრწყინვალე ექსპერიმენტული მტკიცებულება გამოჩნდა ნაშრომში, რომელიც გამოქვეყნდა ჯგუფის მიერ, რომელსაც ხელმძღვანელობდა ფიზიკის ნობელის პრემიის ლაურეატი ვოლფგანგ კეტერლე მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტიდან.

ამ ნაშრომში შეისწავლეს არასტაბილური აღგზნებული რუბიდიუმის ატომების დაშლა. სისტემის მომზადებისთანავე, ატომები აღგზნებულ იქნა ლაზერის სხივის გამოყენებით. დაკვირვება მიმდინარეობდა ორ რეჟიმში: უწყვეტი (სისტემა მუდმივად ექვემდებარებოდა სინათლის მცირე იმპულსებს) და იმპულსური (სისტემა დროდადრო დასხივებული იყო უფრო ძლიერი იმპულსებით).

მიღებული შედეგები სრულად ეთანხმებოდა თეორიულ პროგნოზებს. გარე სინათლის ეფექტები ანელებს ნაწილაკების დაშლას, აბრუნებს მათ პირვანდელ მდგომარეობას, რაც შორს არის დაშლის მდგომარეობიდან. ამ ეფექტის სიდიდე ასევე დაემთხვა პროგნოზებს. არასტაბილური აღგზნებული რუბიდიუმის ატომების მაქსიმალური სიცოცხლე 30-ჯერ გაიზარდა.

5. კვანტური მექანიკა და ცნობიერება

ელექტრონები და ფულერენი წყვეტენ თავიანთი ტალღის თვისებების გამოვლენას, ალუმინის ფირფიტები გაცივდებიან და არასტაბილური ნაწილაკები ანელებენ მათ დაშლას. მნახველის ფხიზლოვანი თვალი ფაქტიურად ცვლის სამყაროს. რატომ არ შეიძლება ეს იყოს ჩვენი გონების ჩართულობის მტკიცებულება სამყაროს მუშაობაში? იქნებ კარლ იუნგი და ვოლფგანგ პაული (ავსტრიელი ფიზიკოსი, ნობელის პრემიის ლაურეატი, კვანტური მექანიკის პიონერი) მართალი იყვნენ, როცა ამბობდნენ, რომ ფიზიკისა და ცნობიერების კანონები ერთმანეთს ავსებენ?

ჩვენ ერთი ნაბიჯით გვაშორებს იმის აღიარებას, რომ ჩვენს ირგვლივ სამყარო უბრალოდ ჩვენი გონების მოჩვენებითი პროდუქტია. იდეა საშინელი და მაცდურია. შევეცადოთ კვლავ მივმართოთ ფიზიკოსებს. განსაკუთრებით ბოლო წლებში, როდესაც სულ უფრო და უფრო ნაკლებ ადამიანს სჯერა, რომ კვანტური მექანიკის კოპენჰაგენური ინტერპრეტაცია თავისი იდუმალი ტალღური ფუნქციით იშლება და უფრო ამქვეყნიურ და საიმედო დეკოჰერენტულობაზე გადადის.

ფაქტია, რომ ყველა ამ ექსპერიმენტში დაკვირვებით, ექსპერიმენტატორებმა აუცილებლად მოახდინეს გავლენა სისტემაზე. აანთეს ლაზერით და დაამონტაჟეს საზომი ხელსაწყოები. მათ აერთიანებდა მნიშვნელოვანი პრინციპი: თქვენ არ შეგიძლიათ დააკვირდეთ სისტემას ან გაზომოთ მისი თვისებები მასთან ურთიერთობის გარეშე. ნებისმიერი ურთიერთქმედება არის თვისებების შეცვლის პროცესი. განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც პატარა კვანტური სისტემა ექვემდებარება კოლოსალურ კვანტურ ობიექტებს. ზოგიერთი მარადიულად ნეიტრალური ბუდისტი დამკვირვებელი პრინციპში შეუძლებელია. და აქ ჩნდება ტერმინი „დეკოჰერენტობა“, რომელიც შეუქცევადია თერმოდინამიკის თვალსაზრისით: სისტემის კვანტური თვისებები იცვლება სხვა დიდ სისტემასთან ურთიერთობისას.

ამ ურთიერთქმედების დროს კვანტური სისტემა კარგავს თავდაპირველ თვისებებს და ხდება კლასიკური, თითქოს დიდ სისტემას „ემორჩილება“. ეს ასევე ხსნის შრედინგერის კატის პარადოქსს: კატა ძალიან დიდი სისტემაა, ამიტომ მისი იზოლირება არ შეიძლება დანარჩენი სამყაროსგან. ამ სააზროვნო ექსპერიმენტის დიზაინი მთლად სწორი არ არის.

ნებისმიერ შემთხვევაში, თუ ვივარაუდებთ ცნობიერების მიერ შექმნის აქტის რეალობას, დეკოჰერენტობა ბევრად უფრო მოსახერხებელი მიდგომა ჩანს. შესაძლოა ძალიან მოსახერხებელიც კი. ამ მიდგომით, მთელი კლასიკური სამყარო დეკოჰერენტობის ერთ დიდ შედეგად იქცევა. და როგორც დარგის ერთ-ერთი ყველაზე ცნობილი წიგნის ავტორმა განაცხადა, ასეთი მიდგომა ლოგიკურად იწვევს განცხადებებს, როგორიცაა "მსოფლიოში ნაწილაკები არ არსებობს" ან "დრო ფუნდამენტურ დონეზე არ არსებობს".

რა არის სიმართლე: შემქმნელ-დამკვირვებელში თუ ძლიერ დეკოჰერენტობაში? ჩვენ უნდა გავაკეთოთ არჩევანი ორ ბოროტებას შორის. მიუხედავად ამისა, მეცნიერები სულ უფრო და უფრო რწმუნდებიან, რომ კვანტური ეფექტები ჩვენი ფსიქიკური პროცესების გამოვლინებაა. და სად მთავრდება დაკვირვება და იწყება რეალობა, თითოეულ ჩვენგანზეა დამოკიდებული.