Kamusta mahal na mga mambabasa. Kung hindi mo nais na mahuli sa likod ng buhay, upang maging isang tunay na masaya at malusog na tao, dapat mong malaman ang tungkol sa mga lihim ng quantum modernong pisika, hindi bababa sa isang maliit na ideya kung ano ang kalaliman ng uniberso na hinukay ng mga siyentipiko ngayon. Wala kang oras upang pumunta sa malalim na mga detalyeng pang-agham, ngunit nais mong maunawaan lamang ang kakanyahan, ngunit upang makita ang kagandahan ng hindi kilalang mundo, kung gayon ang artikulong ito: quantum physics para sa mga ordinaryong dummies o, maaaring sabihin, para sa mga maybahay, ay makatarungan. para sa iyo. Susubukan kong ipaliwanag kung ano ang quantum physics, ngunit sa mga simpleng salita, upang maipakita nang malinaw.

"Ano ang koneksyon sa pagitan ng kaligayahan, kalusugan at quantum physics?" tanong mo.

Ang katotohanan ay nakakatulong ito upang masagot ang maraming hindi maunawaan na mga katanungan na may kaugnayan sa kamalayan ng tao, ang impluwensya ng kamalayan sa katawan. Sa kasamaang palad, ang gamot, na umaasa sa klasikal na pisika, ay hindi palaging nakakatulong sa atin na maging malusog. At hindi masasabi sa iyo ng sikolohiya kung paano mahahanap ang kaligayahan.

Tanging ang mas malalim na kaalaman sa mundo ang tutulong sa atin na maunawaan kung paano tunay na makayanan ang sakit at kung saan nabubuhay ang kaligayahan. Ang kaalamang ito ay matatagpuan sa malalim na mga layer ng uniberso. Ang Quantum physics ay sumagip. Sa lalong madaling panahon malalaman mo ang lahat.

Ano ang pinag-aaralan ng quantum physics sa mga simpleng salita

Oo, sa katunayan, ang quantum physics ay napakahirap maunawaan dahil pinag-aaralan nito ang mga batas ng microworld. Iyon ay, ang mundo sa mas malalim na mga layer nito, sa napakaliit na distansya, kung saan napakahirap para sa isang tao na tumingin.

At ang mundo, lumalabas, ay kumikilos doon na napaka kakaiba, misteryoso at hindi maintindihan, hindi tulad ng nakasanayan natin.

Kaya lahat ng pagiging kumplikado at hindi pagkakaunawaan ng quantum physics.

Ngunit pagkatapos basahin ang artikulong ito, palalawakin mo ang abot-tanaw ng iyong kaalaman at tingnan ang mundo sa isang ganap na naiibang paraan.

Maikling tungkol sa kasaysayan ng quantum physics

Nagsimula ang lahat sa simula ng ika-20 siglo, nang hindi maipaliwanag ng Newtonian physics ang maraming bagay at ang mga siyentipiko ay umabot sa isang dead end. Pagkatapos ay ipinakilala ni Max Planck ang konsepto ng quantum. Kinuha ni Albert Einstein ang ideyang ito at pinatunayan na ang liwanag ay hindi patuloy na nagpapalaganap, ngunit sa mga bahagi - quanta (mga photon). Bago ito, pinaniniwalaan na ang liwanag ay may likas na alon.

Ngunit sa paglaon, ang anumang elementarya na butil ay hindi lamang isang quantum, iyon ay, isang solidong particle, kundi isang alon din. Ito ay kung paano lumitaw ang corpuscular-wave dualism sa quantum physics, ang unang kabalintunaan at ang simula ng mga pagtuklas ng mahiwagang phenomena ng microworld.

Ang pinaka-kagiliw-giliw na mga kabalintunaan ay nagsimula nang ang sikat na double-slit na eksperimento ay isinagawa, pagkatapos nito ang mga misteryo ay naging higit pa. Masasabi nating nagsimula sa kanya ang quantum physics. Tingnan natin ito.

Double slit experiment sa quantum physics

Isipin ang isang plato na may dalawang puwang sa anyo ng mga patayong guhit. Maglalagay kami ng screen sa likod ng plato na ito. Kung ididirekta namin ang ilaw sa plato, makakakita kami ng pattern ng interference sa screen. Iyon ay, alternating dark at bright vertical stripes. Ang interference ay resulta ng wave behavior ng isang bagay, sa aming kaso ay liwanag.

Kung dumaan ka ng alon ng tubig sa dalawang butas na magkatabi, mauunawaan mo kung ano ang interference. Iyon ay, ang ilaw ay lumalabas na parang ito ay may likas na alon. Ngunit bilang physics, o sa halip Einstein, ay napatunayan, ito ay propagated sa pamamagitan ng photon particle. Isa nang kabalintunaan. Pero okay lang, hindi na tayo magugulat sa corpuscular-wave dualism. Sinasabi sa atin ng quantum physics na ang liwanag ay kumikilos tulad ng isang alon ngunit binubuo ng mga photon. Ngunit ang mga himala ay nagsisimula pa lamang.

Maglagay tayo ng baril sa harap ng isang plato na may dalawang puwang, na hindi maglalabas ng liwanag, ngunit mga electron. Simulan natin ang pagbaril ng mga electron. Ano ang makikita natin sa screen sa likod ng plato?

Pagkatapos ng lahat, ang mga electron ay mga particle, na nangangahulugan na ang daloy ng mga electron, na dumadaan sa dalawang slits, ay dapat mag-iwan lamang ng dalawang guhit sa screen, dalawang bakas sa tapat ng mga slits. Naisip mo na ba ang mga pebbles na lumilipad sa dalawang puwang at tumama sa screen?

Ngunit ano ba talaga ang nakikita natin? Parehong pattern ng interference. Ano ang konklusyon: ang mga electron ay nagpapalaganap sa mga alon. Kaya ang mga electron ay mga alon. Ngunit pagkatapos ng lahat ito ay isang elementarya na butil. Muli corpuscular-wave dualism sa pisika.

Ngunit maaari nating ipagpalagay na sa isang mas malalim na antas, ang isang elektron ay isang butil, at kapag ang mga particle na ito ay nagsama-sama, nagsisimula silang kumilos tulad ng mga alon. Halimbawa, ang alon ng dagat ay isang alon, ngunit binubuo ito ng mga patak ng tubig, at sa mas maliit na antas, mga molekula, at pagkatapos ay mga atomo. Okay, solid ang logic.

Pagkatapos ay bumaril tayo mula sa isang baril hindi gamit ang isang stream ng mga electron, ngunit ilabas natin ang mga electron nang hiwalay, pagkatapos ng isang tiyak na tagal ng panahon. Para kaming dumadaan sa mga bitak hindi isang alon ng dagat, ngunit dumura ng mga indibidwal na patak mula sa pistol ng tubig ng mga bata.

Ito ay lubos na lohikal na sa kasong ito iba't ibang mga patak ng tubig ay mahuhulog sa iba't ibang mga puwang. Sa screen sa likod ng plato, hindi makikita ng isa ang isang pattern ng interference mula sa wave, ngunit dalawang natatanging impact fringes sa tapat ng bawat hiwa. Makikita natin ang parehong bagay kung maghahagis tayo ng maliliit na bato, sila, na lumilipad sa dalawang bitak, ay mag-iiwan ng bakas, tulad ng isang anino mula sa dalawang butas. Kunin natin ngayon ang mga indibidwal na electron upang makita ang dalawang guhit na ito sa screen mula sa mga epekto ng elektron. Inilabas nila ang isa, naghintay, ang pangalawa, naghintay, at iba pa. Nagawa ng mga quantum physicist ang naturang eksperimento.

Pero horror. Sa halip na ang dalawang fringes na ito, ang parehong interference alternation ng ilang fringes ay nakuha. Paano kaya? Ito ay maaaring mangyari kung ang isang electron ay lumipad sa dalawang slits sa parehong oras, ngunit sa likod ng plato, tulad ng isang alon, ito ay bumangga sa sarili nito at nakakasagabal. Ngunit hindi ito maaaring mangyari, dahil ang isang particle ay hindi maaaring nasa dalawang lugar sa parehong oras. Lumipad ito sa unang puwang o sa pangalawa.

Dito nagsisimula ang tunay na kamangha-manghang mga bagay ng quantum physics.

Superposisyon sa quantum physics

Sa isang mas malalim na pagsusuri, nalaman ng mga siyentipiko na ang anumang elementarya na quantum particle o ang parehong liwanag (photon) ay maaaring nasa ilang lugar sa parehong oras. At ito ay hindi mga himala, ngunit ang mga tunay na katotohanan ng microcosm. Ito ang sinasabi ng quantum physics. Iyon ang dahilan kung bakit, kapag bumaril ng isang hiwalay na butil mula sa isang kanyon, nakikita natin ang resulta ng pagkagambala. Sa likod ng plato, ang electron ay bumangga sa sarili nito at lumilikha ng pattern ng interference.

Ang mga ordinaryong bagay ng macrocosm ay palaging nasa isang lugar, may isang estado. Halimbawa, nakaupo ka na ngayon sa isang upuan, timbangin, sabihin nating, 50 kg, may pulse rate na 60 beats bawat minuto. Siyempre, magbabago ang mga indikasyon na ito, ngunit magbabago ang mga ito pagkaraan ng ilang panahon. Pagkatapos ng lahat, hindi ka maaaring nasa bahay at sa trabaho nang sabay, na tumitimbang ng 50 at 100 kg. Ang lahat ng ito ay naiintindihan, ito ay karaniwang kahulugan.

Sa physics ng microcosm, lahat ay iba.

Inaangkin ng quantum mechanics, at ito ay nakumpirma na sa eksperimento, na ang anumang elementarya na particle ay maaaring sabay-sabay hindi lamang sa ilang mga punto sa espasyo, ngunit mayroon ding ilang mga estado sa parehong oras, tulad ng spin.

Ang lahat ng ito ay hindi umaangkop sa ulo, pinapahina ang karaniwang ideya ng mundo, ang mga lumang batas ng pisika, nagiging pag-iisip, ligtas na masasabing nababaliw ka.

Ito ay kung paano natin naiintindihan ang terminong "superposisyon" sa quantum mechanics.

Ang superposition ay nangangahulugan na ang isang bagay ng microcosm ay maaaring sabay na nasa iba't ibang mga punto ng espasyo, at mayroon ding ilang mga estado sa parehong oras. At ito ay normal para sa elementarya na mga particle. Ganyan ang batas ng microworld, gaano man ito kakaiba at kamangha-mangha.

Nagulat ka, ngunit ito ay mga bulaklak lamang, ang pinaka-hindi maipaliwanag na mga himala, misteryo at kabalintunaan ng quantum physics ay darating pa.

Ang pag-andar ng alon ay bumagsak sa pisika sa mga simpleng termino

Pagkatapos ay nagpasya ang mga siyentipiko na alamin at makita nang mas tiyak kung ang electron ay talagang dumadaan sa parehong mga slits. Bigla na lang itong dumaan sa isang hiwa at pagkatapos ay humiwalay at lumilikha ng pattern ng interference habang dumadaan ito. Well, hindi mo alam. Iyon ay, kailangan mong maglagay ng ilang aparato malapit sa slit, na tumpak na magtatala ng pagpasa ng isang elektron sa pamamagitan nito. Wala pang sinabi at tapos na. Siyempre, mahirap itong ipatupad, hindi mo kailangan ng isang aparato, ngunit ibang bagay upang makita ang pagpasa ng isang elektron. Ngunit nagawa ito ng mga siyentipiko.

Ngunit sa huli, ang resulta ay nagulat sa lahat.

Sa sandaling simulan natin ang pagtingin sa kung saan ang hiwa ng isang elektron ay dumaan, nagsisimula itong kumilos na hindi tulad ng isang alon, hindi tulad ng isang kakaibang sangkap na matatagpuan sa iba't ibang mga punto sa kalawakan sa parehong oras, ngunit tulad ng isang ordinaryong butil. Iyon ay, nagsisimula itong ipakita ang mga partikular na katangian ng isang quantum: ito ay matatagpuan lamang sa isang lugar, ito ay dumadaan sa isang puwang, mayroon itong isang spin value. Ang lumalabas sa screen ay hindi isang pattern ng interference, ngunit isang simpleng bakas sa tapat ng slit.

Ngunit paano ito posible. Parang nagbibiro ang electron, pinaglalaruan kami. Sa una, ito ay kumikilos tulad ng isang alon, at pagkatapos, pagkatapos naming magpasya na tingnan ang daanan nito sa pamamagitan ng isang hiwa, ito ay nagpapakita ng mga katangian ng isang solidong particle at dumadaan lamang sa isang hiwa. Ngunit iyon ang paraan sa microcosm. Ito ang mga batas ng quantum physics.

Nakita ng mga siyentipiko ang isa pang mahiwagang pag-aari ng elementarya na mga particle. Ito ay kung paano lumitaw ang mga konsepto ng kawalan ng katiyakan at pagbagsak ng wave function sa quantum physics.

Kapag ang isang elektron ay lumipad patungo sa puwang, ito ay nasa isang hindi tiyak na estado o, tulad ng sinabi namin sa itaas, sa isang superposisyon. Iyon ay, kumikilos ito tulad ng isang alon, ito ay matatagpuan nang sabay-sabay sa iba't ibang mga punto sa espasyo, mayroon itong dalawang mga halaga ng pag-ikot (ang isang pag-ikot ay may dalawang halaga lamang). Kung hindi natin ito hinawakan, hindi sinubukang tingnan, hindi alam kung nasaan ito, kung hindi natin susukatin ang halaga ng pag-ikot nito, lilipad ito na parang alon sa dalawang siwang sa parehong oras, na nangangahulugang lilikha ito ng pattern ng interference. Inilalarawan ng quantum physics ang trajectory at mga parameter nito gamit ang wave function.

Pagkatapos naming gawin ang pagsukat (at posible na sukatin ang isang particle ng microworld lamang sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan dito, halimbawa, sa pamamagitan ng pagbangga ng isa pang particle dito), pagkatapos ay bumagsak ang wave function.

Iyon ay, ngayon ang elektron ay eksaktong nasa isang lugar sa espasyo, ay may isang halaga ng pag-ikot.

Maaaring sabihin ng isang tao na ang elementarya na butil ay parang multo, tila umiiral, ngunit sa parehong oras ay wala ito sa isang lugar, at may tiyak na posibilidad na maaari itong maging kahit saan sa loob ng paglalarawan ng pag-andar ng alon. Ngunit sa sandaling simulan na nating makipag-ugnayan dito, ito ay lumiliko mula sa isang makamulto na bagay sa isang tunay na nasasalat na sangkap na kumikilos tulad ng mga ordinaryong bagay ng klasikal na mundo na pamilyar sa atin.

"Ito ay hindi kapani-paniwala," sabi mo. Oo naman, ngunit ang mga kababalaghan ng quantum physics ay nagsisimula pa lamang. Ang pinaka-hindi kapani-paniwala ay darating pa. Ngunit magpahinga tayo mula sa kasaganaan ng impormasyon at bumalik sa mga pakikipagsapalaran sa kabuuan sa ibang pagkakataon, sa ibang artikulo. Samantala, pag-isipan kung ano ang iyong natutunan ngayon. Ano ang maaaring humantong sa gayong mga himala? Pagkatapos ng lahat, pinalibutan nila tayo, ito ay isang pag-aari ng ating mundo, kahit na sa isang mas malalim na antas. Iniisip pa ba natin na nabubuhay tayo sa isang boring na mundo? Ngunit gagawa tayo ng mga konklusyon mamaya.

Sinubukan kong pag-usapan nang maikli at malinaw ang mga pangunahing kaalaman sa quantum physics.

Ngunit kung hindi mo maintindihan ang isang bagay, pagkatapos ay panoorin ang cartoon na ito tungkol sa quantum physics, tungkol sa eksperimento na may dalawang slits, lahat ay sinabi din doon sa isang naiintindihan, simpleng wika.

Cartoon tungkol sa quantum physics:

O maaari mong panoorin ang video na ito, lahat ay mahuhulog sa lugar, ang quantum physics ay napaka-interesante.

Video tungkol sa quantum physics:

Paanong hindi mo alam ang tungkol dito noon?

Ang mga modernong pagtuklas sa quantum physics ay nagbabago sa ating pamilyar na materyal na mundo.

Sa tingin ko, ligtas na sabihin na walang nakakaintindi sa quantum mechanics.

Physicist na si Richard Feynman

Hindi pagmamalabis na sabihin na ang pag-imbento ng mga aparatong semiconductor ay isang rebolusyon. Hindi lamang ito isang kahanga-hangang teknolohikal na tagumpay, ngunit ito rin ay nagbigay daan para sa mga kaganapang magpakailanman na magbabago sa modernong lipunan. Ginagamit ang mga semiconductor device sa lahat ng uri ng microelectronic device, kabilang ang mga computer, ilang partikular na uri ng medical diagnostic at treatment equipment, at sikat na telecommunications device.

Ngunit sa likod ng teknolohikal na rebolusyong ito ay higit pa, isang rebolusyon sa pangkalahatang agham: ang larangan kabuuan teorya. Kung wala ang hakbang na ito sa pag-unawa sa natural na mundo, hindi kailanman magtatagumpay ang pagbuo ng mga semiconductor device (at mas advanced na mga electronic device sa ilalim ng development). Ang quantum physics ay isang hindi kapani-paniwalang kumplikadong sangay ng agham. Ang kabanatang ito ay nagbibigay lamang ng maikling pangkalahatang-ideya. Kapag sinabi ng mga iskolar na tulad ni Feynman na "walang nakakaintindi [nito]", makatitiyak ka na ito ay talagang mahirap na paksa. Kung walang pangunahing pag-unawa sa quantum physics, o hindi bababa sa isang pag-unawa sa mga natuklasang siyentipiko na humantong sa kanilang pag-unlad, imposibleng maunawaan kung paano at bakit gumagana ang mga semiconductor na elektronikong aparato. Karamihan sa mga aklat-aralin sa electronics ay sinusubukang ipaliwanag ang mga semiconductor sa mga tuntunin ng "klasikal na pisika", na ginagawang mas nakalilito ang mga ito upang maunawaan bilang isang resulta.

Marami sa atin ang nakakita ng mga atomic model diagram na kamukha ng larawan sa ibaba.

Rutherford atom: ang mga negatibong electron ay umiikot sa isang maliit na positibong nucleus

Tinatawag na maliliit na particle ng matter mga proton at mga neutron, bumubuo sa gitna ng atom; mga electron umiikot tulad ng mga planeta sa paligid ng isang bituin. Ang nucleus ay nagdadala ng isang positibong singil sa kuryente dahil sa pagkakaroon ng mga proton (ang mga neutron ay walang singil sa kuryente), habang ang balanseng negatibong singil ng isang atom ay namamalagi sa mga nag-oorbit na electron. Ang mga negatibong electron ay naaakit sa mga positibong proton tulad ng mga planeta na naaakit sa Araw, ngunit ang mga orbit ay matatag dahil sa paggalaw ng mga electron. Utang namin ang tanyag na modelong ito ng atom sa gawa ni Ernest Rutherford, na eksperimento na nagpasiya noong 1911 na ang mga positibong singil ng mga atom ay puro sa isang maliit, siksik na nucleus, at hindi pantay na ipinamahagi sa diameter, gaya ng ipinalagay ng explorer na si J. J. Thomson. .

Ang eksperimento sa scattering ni Rutherford ay binubuo ng pagbomba sa isang manipis na gintong foil na may positibong charge na mga particle ng alpha, tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba. Nakakuha ng mga hindi inaasahang resulta ang mga batang nagtapos na mag-aaral na sina H. Geiger at E. Marsden. Ang tilapon ng ilang mga particle ng alpha ay nalihis ng isang malaking anggulo. Ang ilang mga alpha particle ay nakakalat pabalik, sa isang anggulo na halos 180°. Karamihan sa mga particle ay dumaan sa gold foil nang hindi binabago ang kanilang trajectory, na parang walang foil. Ang katotohanan na ang ilang mga alpha particle ay nakaranas ng malalaking paglihis sa kanilang tilapon ay nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng nuclei na may maliit na positibong singil.

Rutherford scattering: isang sinag ng mga alpha particle ay nakakalat sa pamamagitan ng manipis na gintong foil

Kahit na ang modelo ng atom ni Rutherford ay suportado ng pang-eksperimentong data na mas mahusay kaysa kay Thomson, hindi pa rin ito perpekto. Ang mga karagdagang pagtatangka ay ginawa upang matukoy ang istraktura ng atom, at ang mga pagsisikap na ito ay nakatulong sa paghandaan ng daan para sa mga kakaibang pagtuklas ng quantum physics. Ngayon ang aming pag-unawa sa atom ay medyo mas kumplikado. Ngunit sa kabila ng rebolusyon ng quantum physics at ang mga kontribusyon nito sa ating pag-unawa sa istruktura ng atom, ang paglalarawan ni Rutherford sa solar system bilang istruktura ng isang atom ay nag-ugat sa popular na kamalayan hanggang sa nagpapatuloy ito sa mga larangan ng edukasyon, kahit na ito ay naliligaw.

Isaalang-alang ang maikling paglalarawang ito ng mga electron sa isang atom, na kinuha mula sa isang sikat na aklat-aralin sa electronics:

Ang umiikot na mga negatibong electron ay naaakit sa positibong nucleus, na humahantong sa amin sa tanong kung bakit ang mga electron ay hindi lumilipad sa nucleus ng atom. Ang sagot ay ang mga umiikot na electron ay nananatili sa kanilang matatag na orbit dahil sa dalawang magkapareho ngunit magkasalungat na pwersa. Ang puwersang sentripugal na kumikilos sa mga electron ay nakadirekta palabas, at ang kaakit-akit na puwersa ng mga singil ay sinusubukang hilahin ang mga electron patungo sa nucleus.

Alinsunod sa modelo ni Rutherford, isinasaalang-alang ng may-akda ang mga electron bilang mga solidong piraso ng bagay na sumasakop sa mga bilog na orbit, ang kanilang panloob na pagkahumaling sa magkasalungat na sisingilin na nucleus ay nababalanse ng kanilang paggalaw. Ang paggamit ng terminong "centrifugal force" ay teknikal na hindi tama (kahit na para sa mga planeta na umiikot), ngunit ito ay madaling pinatawad dahil sa popular na pagtanggap ng modelo: sa katunayan, walang bagay tulad ng puwersa, nakakadirianuman umiikot na katawan mula sa gitna ng orbit nito. Mukhang totoo ito dahil ang inertia ng katawan ay may posibilidad na panatilihin itong gumagalaw sa isang tuwid na linya, at dahil ang orbit ay isang pare-parehong paglihis (pagpabilis) mula sa rectilinear na paggalaw, mayroong isang pare-parehong inertial na reaksyon sa anumang puwersa na umaakit sa katawan sa gitna. ng orbit (centripetal), maging alinman sa gravity, electrostatic attraction, o maging ang tensyon ng isang mekanikal na bono.

Gayunpaman, ang tunay na problema sa paliwanag na ito sa unang lugar ay ang ideya ng mga electron na gumagalaw sa mga pabilog na orbit. Isang napatunayang katotohanan na ang pinabilis na mga singil sa kuryente ay naglalabas ng electromagnetic radiation, ang katotohanang ito ay kilala kahit na sa panahon ni Rutherford. Dahil ang rotational motion ay isang anyo ng acceleration (isang umiikot na bagay sa patuloy na acceleration, hinihila ang bagay palayo sa normal nitong rectilinear motion), ang mga electron sa isang umiikot na estado ay dapat maglabas ng radiation tulad ng putik mula sa isang umiikot na gulong. Ang mga electron ay pinabilis sa mga pabilog na landas sa mga particle accelerator na tinatawag na mga synchrotron ay kilala na gawin ito, at ang resulta ay tinatawag synchrotron radiation. Kung ang mga electron ay mawawalan ng enerhiya sa ganitong paraan, ang kanilang mga orbit sa kalaunan ay maaabala, at bilang resulta ay mabangga sila sa isang positibong sisingilin na nucleus. Gayunpaman, sa loob ng mga atom ay karaniwang hindi ito nangyayari. Sa katunayan, ang mga elektronikong "orbit" ay nakakagulat na stable sa isang malawak na hanay ng mga kundisyon.

Bilang karagdagan, ang mga eksperimento na may "nasasabik" na mga atomo ay nagpakita na ang electromagnetic na enerhiya ay inilalabas ng isang atom lamang sa ilang mga frequency. Ang mga atom ay "nasasabik" ng mga panlabas na impluwensya tulad ng liwanag, na kilala na sumisipsip ng enerhiya at nagbabalik ng mga electromagnetic wave sa ilang partikular na frequency, katulad ng isang tuning fork na hindi tumutunog sa isang tiyak na frequency hanggang sa ito ay hinampas. Kapag ang liwanag na ibinubuga ng isang nasasabik na atom ay hinati ng isang prisma sa mga frequency ng bahagi nito (mga kulay), ang mga indibidwal na linya ng mga kulay sa spectrum ay matatagpuan, ang pattern ng spectral na linya ay natatangi sa isang elemento ng kemikal. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay karaniwang ginagamit upang makilala ang mga elemento ng kemikal, at maging upang sukatin ang mga proporsyon ng bawat elemento sa isang tambalan o pinaghalong kemikal. Ayon sa solar system ng Rutherford atomic model (na may kaugnayan sa mga electron, bilang mga piraso ng bagay, malayang umiikot sa isang orbit na may ilang radius) at ang mga batas ng klasikal na pisika, ang mga nasasabik na atom ay dapat magbalik ng enerhiya sa halos walang katapusang frequency range, at hindi sa mga napiling frequency. Sa madaling salita, kung tama ang modelo ni Rutherford, walang epektong "tuning fork", at ang spectrum ng kulay na ibinubuga ng anumang atom ay lilitaw bilang tuluy-tuloy na banda ng mga kulay, sa halip na bilang ilang magkakahiwalay na linya.

Ipinapalagay ng modelo ni Bohr ng hydrogen atom (na may mga orbit na iginuhit ayon sa sukat) na ang mga electron ay nasa discrete orbits lamang. Ang mga electron na gumagalaw mula sa n=3,4,5 o 6 hanggang n=2 ay ipinapakita sa isang serye ng Balmer spectral lines

Sinubukan ng isang mananaliksik na nagngangalang Niels Bohr na pahusayin ang modelo ni Rutherford matapos itong pag-aralan sa laboratoryo ni Rutherford sa loob ng ilang buwan noong 1912. Sinusubukang i-reconcile ang mga resulta ng iba pang mga physicist (lalo na sina Max Planck at Albert Einstein), iminungkahi ni Bohr na ang bawat elektron ay may tiyak, tiyak na dami ng enerhiya, at ang kanilang mga orbit ay ipinamahagi sa paraang ang bawat isa sa kanila ay maaaring sumakop sa ilang mga lugar sa paligid. ang nucleus, tulad ng mga bola. , ay naayos sa mga pabilog na landas sa paligid ng nucleus, at hindi bilang mga satellite na malayang gumagalaw, gaya ng dati nang ipinapalagay (figure above). Bilang paggalang sa mga batas ng electromagnetism at accelerating charges, tinukoy ni Bohr ang "mga orbit" bilang nakatigil na estado upang maiwasan ang interpretasyon na sila ay mobile.

Bagama't ang ambisyosong pagtatangka ni Bohr na pag-isipang muli ang istruktura ng atom, na mas pare-pareho sa pang-eksperimentong data, ay isang milestone sa pisika, hindi ito nakumpleto. Ang kanyang mathematical analysis ay mas mahusay sa paghula ng mga resulta ng mga eksperimento kaysa sa mga ginawa ng nakaraang mga modelo, ngunit mayroon pa ring hindi nasagot na mga tanong tungkol sa kung bakit ang mga electron ay dapat kumilos sa kakaibang paraan. Ang pahayag na ang mga electron ay umiral sa mga nakatigil na estadong quantum sa paligid ng nucleus na mas mahusay na nauugnay sa pang-eksperimentong data kaysa sa modelo ni Rutherford, ngunit hindi sinabi kung ano ang nagiging sanhi ng mga electron na kumuha ng mga espesyal na estadong ito. Ang sagot sa tanong na ito ay magmumula sa isa pang physicist, si Louis de Broglie, pagkalipas ng mga sampung taon.

Iminungkahi ni De Broglie na ang mga electron, tulad ng mga photon (mga partikulo ng liwanag), ay may parehong mga katangian ng mga particle at mga katangian ng mga alon. Batay sa pagpapalagay na ito, iminungkahi niya na ang pagsusuri ng mga umiikot na electron sa mga tuntunin ng mga alon ay mas mahusay kaysa sa mga tuntunin ng mga particle, at maaaring magbigay ng higit na pananaw sa kanilang quantum nature. Sa katunayan, isa pang tagumpay ang ginawa sa pag-unawa.

Ang isang string na nag-vibrate sa isang resonant frequency sa pagitan ng dalawang fixed point ay bumubuo ng isang standing wave

Ang atom, ayon kay de Broglie, ay binubuo ng mga nakatayong alon, isang kababalaghan na kilala ng mga physicist sa iba't ibang anyo. Tulad ng pinutol na string ng isang instrumentong pangmusika (nakalarawan sa itaas), nanginginig sa isang resonant frequency, na may "knots" at "anti-knots" sa mga stable na lugar sa kahabaan nito. Naisip ni De Broglie ang mga electron sa paligid ng mga atom habang ang mga alon ay nakakurba sa isang bilog (figure sa ibaba).

Ang "umiikot" na mga electron na parang nakatayong alon sa paligid ng nucleus, (a) dalawang cycle sa isang orbit, (b) tatlong cycle sa isang orbit

Ang mga electron ay maaari lamang umiral sa ilang partikular na "mga orbit" sa paligid ng nucleus, dahil sila lamang ang mga distansya kung saan ang mga dulo ng alon ay nagtutugma. Sa anumang iba pang radius, ang alon ay magbabangga nang mapanirang sa sarili nito at sa gayon ay titigil sa pag-iral.

Ang hypothesis ni De Broglie ay nagbigay ng parehong mathematical framework at isang maginhawang pisikal na pagkakatulad upang ipaliwanag ang quantum states ng mga electron sa loob ng isang atom, ngunit ang kanyang modelo ng atom ay hindi pa rin kumpleto. Sa loob ng ilang taon, ang mga physicist na sina Werner Heisenberg at Erwin Schrödinger, na nagtatrabaho nang nakapag-iisa, ay nagtatrabaho sa konsepto ni de Broglie ng wave-particle duality upang lumikha ng mas mahigpit na mga modelo ng matematika ng mga subatomic na particle.

Ang teoretikal na pagsulong na ito mula sa primitive standing wave model ni de Broglie hanggang sa mga modelo ng Heisenberg matrix at ang Schrödinger differential equation ay binigyan ng pangalan ng quantum mechanics, at ito ay nagpakilala ng medyo nakakagulat na tampok sa mundo ng mga subatomic na particle: ang tanda ng posibilidad, o kawalan ng katiyakan. Ayon sa bagong quantum theory, imposibleng matukoy ang eksaktong posisyon at eksaktong momentum ng isang particle sa isang sandali. Ang isang tanyag na paliwanag para sa "prinsipyo ng kawalan ng katiyakan" na ito ay ang pagkakaroon ng error sa pagsukat (iyon ay, sa pamamagitan ng pagsubok na tumpak na sukatin ang posisyon ng isang electron, nakakasagabal ka sa momentum nito, at samakatuwid ay hindi mo malalaman kung ano ito bago mo simulan ang pagsukat ng posisyon. , at kabaliktaran). Ang kahindik-hindik na konklusyon ng quantum mechanics ay ang mga particle ay walang eksaktong posisyon at momenta, at dahil sa ugnayan ng dalawang dami na ito, ang kanilang pinagsamang kawalan ng katiyakan ay hindi bababa sa isang tiyak na minimum na halaga.

Ang form na ito ng "kawalan ng katiyakan" na koneksyon ay umiiral din sa mga larangan maliban sa quantum mechanics. Gaya ng tinalakay sa "Mixed Frequency AC Signals" na kabanata sa Volume 2 ng serye ng aklat na ito, may mga ugnayan sa pagitan ng tiwala sa data ng time domain ng isang waveform at ng data ng frequency domain nito. Sa madaling salita, mas alam natin ang mga frequency ng component nito, mas hindi natin alam ang amplitude nito sa paglipas ng panahon, at vice versa. Sinipi ang aking sarili:

Ang isang signal ng walang katapusan na tagal (isang walang katapusang bilang ng mga cycle) ay maaaring masuri nang may ganap na katumpakan, ngunit ang mas kaunting mga cycle na magagamit sa computer para sa pagsusuri, ang mas tumpak na pagsusuri ... Ang mas kaunting mga panahon ng signal, ang mas kaunting dalas nito . Ang pagdadala sa konseptong ito sa lohikal na sukdulan nito, ang isang maikling pulso (kahit isang buong panahon ng isang signal) ay wala talagang tinukoy na frequency, ito ay isang walang katapusang hanay ng mga frequency. Ang prinsipyong ito ay karaniwan sa lahat ng wave phenomena, at hindi lamang sa mga variable na boltahe at alon.

Upang tumpak na matukoy ang amplitude ng isang nagbabagong signal, dapat nating sukatin ito sa napakaikling panahon. Gayunpaman, ang paggawa nito ay naglilimita sa aming kaalaman sa dalas ng alon (ang isang alon sa quantum mechanics ay hindi kailangang maging katulad ng isang sinusoidal wave; ang gayong pagkakatulad ay isang espesyal na kaso). Sa kabilang banda, upang matukoy ang dalas ng isang alon na may mahusay na katumpakan, dapat nating sukatin ito sa isang malaking bilang ng mga panahon, na nangangahulugang mawawala natin ang amplitude nito sa anumang naibigay na sandali. Kaya, hindi natin malalaman nang sabay-sabay ang instant amplitude at lahat ng frequency ng anumang wave na may walang limitasyong katumpakan. Isa pang kakaiba, ang kawalan ng katiyakan na ito ay higit na malaki kaysa sa kamalian ng nagmamasid; ito ay nasa likas na katangian ng alon. Hindi ito ang kaso, bagama't magiging posible, dahil sa naaangkop na teknolohiya, na magbigay ng tumpak na mga sukat ng parehong agarang amplitude at dalas nang sabay-sabay. Sa literal na kahulugan, ang isang alon ay hindi maaaring magkaroon ng eksaktong instant amplitude at ang eksaktong frequency sa parehong oras.

Ang pinakamababang kawalan ng katiyakan ng posisyon at momentum ng butil na ipinahayag nina Heisenberg at Schrödinger ay walang kinalaman sa isang limitasyon sa pagsukat; sa halip, ito ay isang intrinsic na pag-aari ng likas na katangian ng wave-particle duality ng particle. Samakatuwid, ang mga electron ay hindi aktwal na umiiral sa kanilang "mga orbit" bilang mahusay na tinukoy na mga particle ng bagay, o kahit na mahusay na tinukoy na mga waveform, ngunit sa halip bilang "mga ulap" - isang teknikal na termino. function ng alon mga distribusyon ng posibilidad, na parang ang bawat elektron ay "nakakalat" o "napahid" sa isang hanay ng mga posisyon at momenta.

Ang radikal na pananaw na ito ng mga electron bilang hindi tiyak na mga ulap sa simula ay sumasalungat sa orihinal na prinsipyo ng quantum states ng mga electron: ang mga electron ay umiiral sa discrete, tiyak na "mga orbit" sa paligid ng nucleus ng isang atom. Ang bagong pananaw na ito, pagkatapos ng lahat, ay ang pagtuklas na humantong sa pagbuo at pagpapaliwanag ng quantum theory. Parang kakaiba na ang isang teorya na nilikha upang ipaliwanag ang discrete na pag-uugali ng mga electron ay nagtatapos sa pagdedeklara na ang mga electron ay umiiral bilang "mga ulap" at hindi bilang mga hiwalay na piraso ng bagay. Gayunpaman, ang dami ng pag-uugali ng mga electron ay hindi nakasalalay sa mga electron na mayroong ilang mga halaga ng mga coordinate at momentum, ngunit sa iba pang mga katangian na tinatawag na quantum number. Sa esensya, ang quantum mechanics ay naglalabas ng mga karaniwang konsepto ng absolute position at absolute moment, at pinapalitan ang mga ito ng absolute concepts ng mga uri na walang analogues sa common practice.

Kahit na ang mga electron ay kilala na umiral sa disembodied, "maulap" na mga anyo ng distributed probability, sa halip na magkahiwalay na piraso ng matter, ang mga "cloud" na ito ay may bahagyang magkakaibang mga katangian. Anumang electron sa isang atom ay maaaring ilarawan sa pamamagitan ng apat na numerical measures (ang quantum number na nabanggit kanina), na tinatawag pangunahing (radial), orbital (azimuth), magnetic at paikutin numero. Nasa ibaba ang isang maikling pangkalahatang-ideya ng kahulugan ng bawat isa sa mga numerong ito:

Pangunahing (radial) quantum number: tinutukoy ng isang liham n, inilalarawan ng numerong ito ang shell kung saan naninirahan ang electron. Ang electron "shell" ay isang rehiyon ng espasyo sa paligid ng nucleus ng isang atom kung saan ang mga electron ay maaaring umiral, na tumutugma sa de Broglie at Bohr's stable na "standing wave" na mga modelo. Ang mga electron ay maaaring "tumalon" mula sa shell patungo sa shell, ngunit hindi maaaring umiral sa pagitan nila.

Ang pangunahing quantum number ay dapat na positive integer (mas malaki sa o katumbas ng 1). Sa madaling salita, ang pangunahing quantum number ng isang electron ay hindi maaaring 1/2 o -3. Ang mga integer na ito ay hindi basta-basta pinili, ngunit sa pamamagitan ng pang-eksperimentong ebidensya ng light spectrum: ang iba't ibang frequency (kulay) ng liwanag na ibinubuga ng mga excited na hydrogen atoms ay sumusunod sa isang mathematical na relasyon depende sa mga partikular na halaga ng integer, tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba.

Ang bawat shell ay may kakayahang humawak ng maramihang mga electron. Ang isang pagkakatulad para sa mga shell ng elektron ay ang mga concentric na hanay ng mga upuan sa isang amphitheater. Tulad ng isang tao na nakaupo sa isang amphitheater ay dapat pumili ng isang hilera na mauupuan (hindi siya maaaring umupo sa pagitan ng mga hanay), ang mga electron ay dapat "pumili" ng isang partikular na shell upang "umupo". Tulad ng mga hilera sa isang amphitheater, ang mga panlabas na shell ay mayroong mas maraming electron kaysa sa mga shell na mas malapit sa gitna. Gayundin, ang mga electron ay may posibilidad na mahanap ang pinakamaliit na magagamit na shell, tulad ng paghahanap ng mga tao sa isang amphitheater para sa lugar na pinakamalapit sa gitnang yugto. Kung mas mataas ang numero ng shell, mas maraming enerhiya ang mayroon ang mga electron dito.

Ang maximum na bilang ng mga electron na maaaring hawakan ng anumang shell ay inilalarawan ng equation na 2n 2 , kung saan ang n ay ang pangunahing quantum number. Kaya, ang unang shell (n = 1) ay maaaring maglaman ng 2 electron; ang pangalawang shell (n = 2) - 8 electron; at ang ikatlong shell (n = 3) - 18 electron (figure sa ibaba).

Ang pangunahing quantum number n at ang maximum na bilang ng mga electron ay nauugnay sa formula 2(n 2). Ang mga orbit ay hindi sukat.

Ang mga shell ng elektron sa atom ay tinutukoy ng mga titik sa halip na mga numero. Ang unang shell (n = 1) ay itinalagang K, ang pangalawang shell (n = 2) L, ang ikatlong shell (n = 3) M, ang ikaapat na shell (n = 4) N, ang ikalimang shell (n = 5) O, ang ikaanim na kabibi ( n = 6) P, at ang ikapitong kabibi (n = 7) B.

Orbital (azimuth) quantum number: isang shell na binubuo ng mga subshell. Maaaring makita ng ilan na mas maginhawang isipin ang mga subshell bilang simpleng mga seksyon ng mga shell, tulad ng mga lane na naghahati sa isang kalsada. Ang mga subshell ay mas kakaiba. Ang mga subshell ay mga rehiyon ng espasyo kung saan maaaring umiral ang mga "cloud" ng electron, at sa katunayan, ang iba't ibang mga subshell ay may iba't ibang hugis. Ang unang subshell ay nasa hugis ng bola (Figure sa ibaba (mga)), na may katuturan kapag nakikita bilang isang electron cloud na nakapalibot sa nucleus ng isang atom sa tatlong dimensyon.

Ang pangalawang subshell ay kahawig ng isang dumbbell, na binubuo ng dalawang "petals" na konektado sa isang punto malapit sa gitna ng atom (figure sa ibaba (p)).

Ang ikatlong subshell ay karaniwang kahawig ng isang set ng apat na "petals" na nakakumpol sa paligid ng nucleus ng isang atom. Ang mga subshell na hugis na ito ay kahawig ng mga graphical na representasyon ng mga pattern ng antenna na may mga lobe na tulad ng sibuyas na umaabot mula sa antena sa iba't ibang direksyon (Figure sa ibaba (d)).

Mga orbital:
(s) triple symmetry;
(p) Ipinapakita: p x , isa sa tatlong posibleng oryentasyon (p x , p y , p z), kasama ang kani-kanilang mga palakol;
(d) Ipinapakita: d x 2 -y 2 ay katulad ng d xy , d yz , d xz . Ipinapakita: d z 2 . Bilang ng mga posibleng d-orbital: lima.

Ang mga wastong halaga para sa orbital quantum number ay mga positive integer, tulad ng para sa pangunahing quantum number, ngunit kasama rin ang zero. Ang mga quantum number na ito para sa mga electron ay tinutukoy ng letrang l. Ang bilang ng mga subshell ay katumbas ng pangunahing quantum number ng shell. Kaya, ang unang shell (n = 1) ay may isang subshell na may numero 0; ang pangalawang shell (n = 2) ay may dalawang subshell na may bilang na 0 at 1; ang ikatlong shell (n = 3) ay may tatlong subshell na may bilang na 0, 1 at 2.

Ang lumang subshell convention ay gumamit ng mga titik sa halip na mga numero. Sa format na ito, ang unang subshell (l = 0) ay ipinahiwatig na s, ang pangalawang subshell (l = 1) ay ipinahiwatig na p, ang pangatlong subshell (l = 2) ay ipinahiwatig na d, at ang ikaapat na subshell (l = 3) ay may kahulugang f. Ang mga titik ay nagmula sa mga salitang: matalas, punong-guro, nagkakalat at Pangunahin. Maaari mo pa ring makita ang mga pagtatalagang ito sa maraming periodic table na ginamit upang tukuyin ang pagsasaayos ng elektron ng panlabas ( valence) mga shell ng mga atomo.

(a) ang representasyon ng Bohr ng pilak na atom,
(b) Orbital na representasyon ng Ag na may dibisyon ng mga shell sa mga subshell (orbital quantum number l).
Ang diagram na ito ay hindi nagpapahiwatig ng anumang bagay tungkol sa aktwal na posisyon ng mga electron, ngunit kumakatawan lamang sa mga antas ng enerhiya.

Magnetic quantum number: Ang magnetic quantum number para sa electron ay inuuri ang oryentasyon ng electron subshell figure. Ang "petals" ng mga subshell ay maaaring idirekta sa maraming direksyon. Ang iba't ibang oryentasyong ito ay tinatawag na mga orbital. Para sa unang subshell (s; l = 0), na kahawig ng isang globo, ang "direksyon" ay hindi tinukoy. Para sa isang segundo (p; l = 1) subshell sa bawat shell na kahawig ng isang dumbbell na tumuturo sa tatlong posibleng direksyon. Isipin ang tatlong dumbbells na nagsasalubong sa pinanggalingan, ang bawat isa ay tumuturo kasama ang sarili nitong axis sa isang triaxial coordinate system.

Ang mga wastong halaga para sa isang ibinigay na quantum number ay binubuo ng mga integer mula -l hanggang l, at ang numerong ito ay tinutukoy bilang m l sa atomic physics at z sa nuclear physics. Upang kalkulahin ang bilang ng mga orbital sa anumang subshell, kailangan mong i-double ang bilang ng subshell at magdagdag ng 1, (2∙l + 1). Halimbawa, ang unang subshell (l = 0) sa anumang shell ay naglalaman ng isang orbital na may bilang na 0; ang pangalawang subshell (l = 1) sa anumang shell ay naglalaman ng tatlong orbital na may mga numero -1, 0 at 1; ang ikatlong subshell (l = 2) ay naglalaman ng limang orbital na may bilang na -2, -1, 0, 1 at 2; atbp.

Tulad ng pangunahing numero ng quantum, ang magnetic quantum number ay lumitaw nang direkta mula sa pang-eksperimentong data: ang Zeeman effect, ang paghihiwalay ng mga spectral na linya sa pamamagitan ng paglalantad ng isang ionized gas sa isang magnetic field, kaya tinawag na "magnetic" na quantum number.

Iikot ang quantum number: tulad ng magnetic quantum number, ang pag-aari na ito ng mga electron ng isang atom ay natuklasan sa pamamagitan ng mga eksperimento. Ang maingat na pagmamasid sa mga parang multo na linya ay nagpakita na ang bawat linya sa katunayan ay isang pares ng napakalapit na pagitan ng mga linya, ito ay iminungkahi na ito ay tinatawag na pinong istraktura ay ang resulta ng bawat elektron na "umiikot" sa sarili nitong axis, tulad ng isang planeta. Ang mga electron na may iba't ibang "spins" ay magbibigay ng bahagyang magkakaibang frequency ng liwanag kapag nasasabik. Ang umiikot na konsepto ng elektron ay hindi na ginagamit ngayon, na mas angkop para sa (maling) pagtingin sa mga electron bilang indibidwal na mga particle ng bagay sa halip na bilang "mga ulap", ngunit ang pangalan ay nananatili.

Ang mga numero ng spin quantum ay tinutukoy bilang MS sa atomic physics at sz sa nuclear physics. Ang bawat orbital sa bawat subshell ay maaaring magkaroon ng dalawang electron sa bawat shell, ang isa ay may spin +1/2 at ang isa ay may spin -1/2.

Ang physicist na si Wolfgang Pauli ay bumuo ng isang prinsipyo na nagpapaliwanag sa pagkakasunud-sunod ng mga electron sa isang atom ayon sa mga quantum number na ito. Ang kanyang prinsipyo, tinatawag Prinsipyo ng pagbubukod ni Pauli, ay nagsasaad na ang dalawang electron sa parehong atom ay hindi maaaring sakupin ang parehong mga estado ng quantum. Iyon ay, ang bawat elektron sa isang atom ay may natatanging hanay ng mga quantum number. Nililimitahan nito ang bilang ng mga electron na maaaring sumakop sa anumang ibinigay na orbital, subshell, at shell.

Ipinapakita nito ang pag-aayos ng mga electron sa isang hydrogen atom:

Sa isang proton sa nucleus, ang atom ay tumatanggap ng isang elektron para sa balanseng electrostatic nito (ang positibong singil ng proton ay eksaktong balanse ng negatibong singil ng elektron). Ang electron na ito ay nasa lower shell (n = 1), ang unang subshell (l = 0), sa nag-iisang orbital (spatial orientation) ng subshell na ito (m l = 0), na may spin value na 1/2. Ang pangkalahatang paraan ng paglalarawan ng istrukturang ito ay sa pamamagitan ng pag-enumerate ng mga electron ayon sa kanilang mga shell at subshell, ayon sa isang convention na tinatawag na spectroscopic notation. Sa notasyong ito, ipinapakita ang numero ng shell bilang isang integer, ang subshell bilang isang titik (s,p,d,f), at ang kabuuang bilang ng mga electron sa subshell (lahat ng orbital, lahat ng spins) bilang isang superscript. Kaya, ang hydrogen, kasama ang nag-iisang elektron nito na inilagay sa base level, ay inilarawan bilang 1s 1 .

Ang paglipat sa susunod na atom (sa pagkakasunud-sunod ng atomic number), nakuha namin ang elementong helium:

Ang isang helium atom ay may dalawang proton sa nucleus nito, na nangangailangan ng dalawang electron upang balansehin ang dobleng positibong singil sa kuryente. Dahil ang dalawang electron - ang isa ay may spin 1/2 at ang isa ay may spin -1/2 - ay nasa parehong orbital, ang elektronikong istraktura ng helium ay hindi nangangailangan ng karagdagang mga subshell o shell upang hawakan ang pangalawang electron.

Gayunpaman, ang isang atom na nangangailangan ng tatlo o higit pang mga electron ay mangangailangan ng mga karagdagang subshell upang hawakan ang lahat ng mga electron, dahil dalawang electron lamang ang maaaring nasa ilalim na shell (n = 1). Isaalang-alang ang susunod na atom sa pagkakasunud-sunod ng pagtaas ng mga numero ng atom, lithium:

Ang lithium atom ay gumagamit ng bahagi ng capacitance L ng shell (n = 2). Ang shell na ito ay may kabuuang kapasidad na walong electron (maximum shell capacity = 2n 2 electron). Kung isasaalang-alang natin ang istruktura ng isang atom na may ganap na punong L shell, makikita natin kung paano ang lahat ng kumbinasyon ng mga subshell, orbital, at spins ay inookupahan ng mga electron:

Kadalasan, kapag nagtatalaga ng spectroscopic notation sa isang atom, ang anumang fully filled na mga shell ay nilaktawan, at ang mga unfilled shell at top-level filled na mga shell ay tinutukoy. Halimbawa, ang elementong neon (ipinapakita sa figure sa itaas), na may dalawang ganap na puno na mga shell, ay maaaring ilarawan sa spectraly simple bilang 2p 6 sa halip na bilang 1s 22 s 22 p 6 . Ang Lithium, na may ganap na napunong K shell at isang solong electron sa L shell, ay mailalarawan lamang bilang 2s 1 sa halip na 1s 22 s 1 .

Ang pagtanggal ng ganap na populasyon na mas mababang antas ng mga shell ay hindi lamang para sa kaginhawaan ng notasyon. Ito rin ay naglalarawan ng isang pangunahing prinsipyo ng kimika: ang kemikal na pag-uugali ng isang elemento ay pangunahing tinutukoy ng mga hindi napunong shell nito. Ang parehong hydrogen at lithium ay may isang electron sa kanilang mga panlabas na shell (bilang 1 at 2s 1, ayon sa pagkakabanggit), iyon ay, ang parehong mga elemento ay may magkatulad na mga katangian. Parehong lubos na reaktibo, at tumutugon sa halos magkaparehong paraan (nagbubuklod sa magkatulad na mga elemento sa ilalim ng magkatulad na kundisyon). Hindi mahalaga na ang lithium ay may ganap na napunong K-shell sa ilalim ng halos libreng L-shell: ang hindi napunong L-shell ang siyang tumutukoy sa kemikal na gawi nito.

Ang mga elemento na ganap na napuno ang mga panlabas na shell ay inuri bilang marangal at nailalarawan sa pamamagitan ng halos kumpletong kakulangan ng reaksyon sa iba pang mga elemento. Ang mga elementong ito ay inuri bilang inert kapag sila ay itinuturing na hindi tumutugon sa lahat, ngunit sila ay kilala upang bumuo ng mga compound kasama ng iba pang mga elemento sa ilalim ng ilang mga kundisyon.

Dahil ang mga elemento na may parehong pagsasaayos ng mga electron sa kanilang mga panlabas na shell ay may katulad na mga katangian ng kemikal, inayos ni Dmitri Mendeleev ang mga elemento ng kemikal sa isang talahanayan nang naaayon. Ang talahanayang ito ay kilala bilang , at ang mga modernong talahanayan ay sumusunod sa pangkalahatang layout na ito, na ipinapakita sa figure sa ibaba.

Periodic table ng mga elemento ng kemikal

Si Dmitri Mendeleev, isang Russian chemist, ang unang bumuo ng periodic table ng mga elemento. Kahit na inayos ni Mendeleev ang kanyang talahanayan ayon sa atomic mass, hindi atomic number, at lumikha ng isang talahanayan na hindi kasing pakinabang ng mga modernong periodic table, ang kanyang pag-unlad ay nakatayo bilang isang mahusay na halimbawa ng siyentipikong patunay. Nakikita ang mga pattern ng periodicity (katulad na mga katangian ng kemikal ayon sa atomic mass), ipinalagay ni Mendeleev na ang lahat ng elemento ay dapat magkasya sa nakaayos na pattern na ito. Nang matuklasan niya ang "walang laman" na mga lugar sa talahanayan, sinunod niya ang lohika ng umiiral na pagkakasunud-sunod at ipinalagay ang pagkakaroon ng hindi pa kilalang mga elemento. Ang kasunod na pagtuklas ng mga elementong ito ay nagkumpirma ng siyentipikong kawastuhan ng hypothesis ni Mendeleev, ang karagdagang mga pagtuklas ay humantong sa anyo ng periodic table na ginagamit natin ngayon.

Ganito dapat agham ng trabaho: ang mga hypotheses ay humahantong sa mga lohikal na konklusyon at tinatanggap, binago o tinatanggihan depende sa pagkakapare-pareho ng eksperimentong data sa kanilang mga konklusyon. Ang sinumang tanga ay maaaring bumuo ng hypothesis pagkatapos ng katotohanan upang ipaliwanag ang magagamit na pang-eksperimentong data, at marami ang gumagawa. Ang pinagkaiba ng siyentipikong hypothesis mula sa post hoc speculation ay ang hula ng pang-eksperimentong data sa hinaharap na hindi pa nakolekta, at posibleng ang pagpapabulaanan ng data na iyon bilang resulta. Matapang na pangunahan ang hypothesis sa (mga) lohikal na konklusyon nito at ang pagtatangkang hulaan ang mga resulta ng mga eksperimento sa hinaharap ay hindi isang dogmatic leap ng pananampalataya, ngunit sa halip ay isang pampublikong pagsubok ng hypothesis na ito, isang bukas na hamon sa mga kalaban ng hypothesis. Sa madaling salita, ang mga siyentipikong hypotheses ay palaging "mapanganib" dahil sa pagsisikap na hulaan ang mga resulta ng mga eksperimento na hindi pa nagagawa, at samakatuwid ay maaaring mapeke kung ang mga eksperimento ay hindi napupunta gaya ng inaasahan. Kaya, kung ang isang hypothesis ay tama na hinuhulaan ang mga resulta ng paulit-ulit na mga eksperimento, ito ay hindi napatunayan.

Ang quantum mechanics, una bilang isang hypothesis at pagkatapos ay bilang isang teorya, ay napatunayang lubos na matagumpay sa paghula ng mga resulta ng mga eksperimento, at samakatuwid ay nakatanggap ng mataas na antas ng kredibilidad sa siyensya. Maraming mga siyentipiko ang may dahilan upang maniwala na ito ay isang hindi kumpletong teorya, dahil ang mga hula nito ay mas totoo sa microphysical scale kaysa sa mga macroscopic, ngunit gayunpaman, ito ay isang lubhang kapaki-pakinabang na teorya para sa pagpapaliwanag at paghula ng pakikipag-ugnayan ng mga particle at atom.

Gaya ng nakita mo sa kabanatang ito, mahalaga ang quantum physics sa paglalarawan at paghula ng maraming iba't ibang phenomena. Sa susunod na seksyon, makikita natin ang kahalagahan nito sa electrical conductivity ng solids, kabilang ang mga semiconductors. Sa madaling salita, walang saysay sa kimika o solid state physics sa popular na teoretikal na istruktura ng mga electron na umiiral bilang mga indibidwal na particle ng bagay na umiikot sa paligid ng nucleus ng isang atom tulad ng mga miniature na satellite. Kapag ang mga electron ay tiningnan bilang "mga pag-andar ng alon" na umiiral sa ilang partikular, mga discrete na estado na regular at pana-panahon, kung gayon ang pag-uugali ng bagay ay maaaring ipaliwanag.

Summing up

Ang mga electron sa mga atom ay umiiral sa "mga ulap" ng naipamahagi na posibilidad, at hindi bilang mga discrete na particle ng bagay na umiikot sa paligid ng nucleus, tulad ng mga miniature na satellite, gaya ng ipinapakita ng mga karaniwang halimbawa.

Ang mga indibidwal na electron sa paligid ng nucleus ng isang atom ay may posibilidad na kakaibang "mga estado" na inilarawan ng apat na quantum number: pangunahing (radial) quantum number, kilala bilang kabibi; orbital (azimuth) quantum number, kilala bilang subshell; magnetic quantum number naglalarawan orbital(subshell orientation); at spin quantum number, o simple lang paikutin. Ang mga estado na ito ay quantum, iyon ay, "sa pagitan nila" ay walang mga kondisyon para sa pagkakaroon ng isang electron, maliban sa mga estado na umaangkop sa quantum numbering scheme.

Glanoe (radial) quantum number (n) inilalarawan ang base level o shell kung saan naninirahan ang electron. Kung mas malaki ang bilang na ito, mas malaki ang radius ng electron cloud mula sa nucleus ng atom, at mas malaki ang enerhiya ng electron. Ang mga pangunahing numero ng quantum ay mga integer (positive integer)

Orbital (azimuthal) quantum number (l) inilalarawan ang hugis ng isang electron cloud sa isang partikular na shell o antas at kadalasang kilala bilang isang "subshell". Sa anumang shell, mayroong kasing daming subshells (mga anyo ng electron cloud) bilang pangunahing quantum number ng shell. Ang Azimuthal quantum number ay mga positive integer na nagsisimula sa zero at nagtatapos sa isang numerong mas mababa sa pangunahing quantum number ng isa (n - 1).

Magnetic na quantum number (m l) inilalarawan kung anong oryentasyon mayroon ang subshell (hugis ng elektron na ulap). Ang mga subshell ay maaaring magkaroon ng maraming iba't ibang oryentasyon bilang dalawang beses sa subshell na numero (l) plus 1, (2l+1) (iyon ay, para sa l=1, m l = -1, 0, 1), at ang bawat natatanging oryentasyon ay tinatawag na orbital . Ang mga numerong ito ay mga integer na nagsisimula sa negatibong halaga ng subshell na numero (l) hanggang 0 at nagtatapos sa positibong halaga ng subshell na numero.

Spin Quantum Number (m s) naglalarawan ng isa pang pag-aari ng elektron at maaaring kunin ang mga halaga +1/2 at -1/2.

Prinsipyo ng pagbubukod ni Pauli Sinasabi na ang dalawang electron sa isang atom ay hindi maaaring magbahagi ng parehong hanay ng mga quantum number. Samakatuwid, maaaring mayroong hindi hihigit sa dalawang electron sa bawat orbital (spin=1/2 at spin=-1/2), 2l+1 orbital sa bawat subshell, at n subshell sa bawat shell, at wala na.

Spectroscopic notation ay isang kumbensyon para sa elektronikong istraktura ng isang atom. Ang mga shell ay ipinapakita bilang mga integer, na sinusundan ng mga subshell na titik (s, p, d, f) na may mga superscript na numero na nagsasaad ng kabuuang bilang ng mga electron na matatagpuan sa bawat kaukulang subshell.

Ang kemikal na pag-uugali ng isang atom ay tinutukoy lamang ng mga electron sa hindi napunong mga shell. Ang mga mababang antas ng shell na ganap na napuno ay may kaunti o walang epekto sa mga katangiang nagbubuklod ng kemikal ng mga elemento.

Ang mga elemento na may ganap na napuno na mga shell ng elektron ay halos ganap na hindi gumagalaw, at tinatawag marangal mga elemento (dating kilala bilang inert).

Kvantinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. quantum physics vok. Quantenphysik, f rus. quantum physics, f pranc. physique quantique, f … Fizikos terminų žodynas

Ang terminong ito ay may iba pang kahulugan, tingnan ang Nakatigil na estado. Ang isang nakatigil na estado (mula sa Latin na stationarius na nakatayo, hindi gumagalaw) ay ang estado ng isang quantum system kung saan ang enerhiya nito at iba pang dinamika ... Wikipedia

- ... Wikipedia

Mayroon itong mga sumusunod na subsection (hindi kumpleto ang listahan): Quantum mechanics Algebraic quantum theory Quantum field theory Quantum electrodynamics Quantum chromodynamics Quantum thermodynamics Quantum gravity Superstring theory Tingnan din ... ... Wikipedia

Quantum mechanics Prinsipyo ng kawalan ng katiyakan Panimula ... Pagbabalangkas ng matematika ... Batayan ... Wikipedia

PISIKA. 1. Ang paksa at istruktura ng pisika F. ang agham na nag-aaral ng pinakasimple at kasabay nito ang pinaka. pangkalahatang katangian at batas ng paggalaw ng mga bagay ng materyal na mundo na nakapaligid sa atin. Bilang resulta ng pangkalahatan na ito, walang mga natural na phenomena na walang pisikal. ari-arian... Pisikal na Encyclopedia

Ang hypernuclear physics ay isang sangay ng physics sa intersection ng nuclear physics at elementary particle physics, kung saan ang paksa ng pananaliksik ay mga nucleus-like system na naglalaman, bilang karagdagan sa mga proton at neutron, iba pang mga elementary particle hyperon. Gayundin ... ... Wikipedia

Sangay ng pisika na nag-aaral ng dynamics ng mga particle sa mga accelerator, pati na rin ang maraming teknikal na problema na nauugnay sa pagbuo at pagpapatakbo ng mga particle accelerators. Kasama sa pisika ng mga accelerator ang mga isyung nauugnay sa paggawa at akumulasyon ng mga particle ... Wikipedia

Physics of crystals Crystal crystallography Crystal lattice Mga uri ng crystal lattices Diffraction sa mga crystal Reciprocal lattice Wigner Seitz cell Brillouin zone Structural basis factor Atomic scattering factor Mga uri ng bonds sa ... ... Wikipedia

Quantum logic ay isang sangay ng lohika na kinakailangan para sa pangangatwiran tungkol sa mga pangungusap na isinasaalang-alang ang mga prinsipyo ng quantum theory. Ang lugar ng pananaliksik na ito ay itinatag noong 1936 sa pamamagitan ng gawain nina Garit Bierhof at John von Neumann, na sinubukan ... ... Wikipedia

Mga libro

• Quantum Physics, Leonid Karlovich Martinson. Ang teoretikal at pang-eksperimentong materyal na pinagbabatayan ng quantum physics ay ipinakita nang detalyado. Maraming pansin ang binabayaran sa pisikal na nilalaman ng mga pangunahing konsepto ng quantum at mathematical ...
• Quantum Physics, Sheddad Qaid-Sala Ferron. Ang ating buong mundo at lahat ng naririto - mga bahay, puno at maging mga tao! - ay binubuo ng maliliit na particle. Ang aklat na "Quantum Physics" mula sa seryeng "Mga unang libro tungkol sa agham" ay magsasabi tungkol sa hindi nakikita ng ating ...

Kapag narinig ng mga tao ang mga salitang "quantum physics" karaniwan nilang tinatanggal ito: "Ito ay isang bagay na napakakomplikado." Samantala, ito ay ganap na hindi ang kaso, at walang ganap na kakila-kilabot sa salitang "quantum". Hindi maintindihan - sapat, kawili-wili - marami, ngunit nakakatakot - hindi.

Tungkol sa mga bookshelf, hagdan at Ivan Ivanovich

Ang lahat ng proseso, phenomena at dami sa mundo sa paligid natin ay maaaring hatiin sa dalawang grupo: tuloy-tuloy (siyentipiko tuloy-tuloy ) at hindi tuloy-tuloy (scientifically discrete or quantized ).

Isipin ang isang mesa kung saan maaari kang maglagay ng isang libro. Maaari mong ilagay ang libro kahit saan sa mesa. Sa kanan, sa kaliwa, sa gitna ... Kung saan mo gusto - ilagay ito doon. Sa kasong ito, sinabi ng mga physicist na nagbabago ang posisyon ng libro sa mesa tuloy-tuloy .

Ngayon isipin ang mga bookshelf. Maaari kang maglagay ng aklat sa unang istante, sa pangalawa, sa pangatlo o sa ikaapat - ngunit hindi mo maaaring ilagay ang aklat "sa isang lugar sa pagitan ng ikatlo at ikaapat." Sa kasong ito, nagbabago ang posisyon ng aklat walang tigil , discretely , quantized (Iisa lang ang ibig sabihin ng mga salitang ito.)

Ang mundo sa paligid natin ay puno ng tuloy-tuloy at quantized na dami. Narito ang dalawang batang babae - sina Katya at Masha. Ang kanilang taas ay 135 at 136 sentimetro. Ano ang halagang ito? Patuloy na nagbabago ang taas, maaari itong maging 135 at kalahating sentimetro, at 135 sentimetro at isang quarter. Ngunit ang bilang ng paaralan kung saan nag-aaral ang mga babae ay isang quantized na halaga! Sabihin nating nag-aaral si Katya sa paaralan bilang 135, at si Masha sa paaralan bilang 136. Gayunpaman, wala sa kanila ang maaaring mag-aral sa paaralan bilang 135 at kalahati, tama ba?

Ang isa pang halimbawa ng isang quantized system ay isang chessboard. Mayroong 64 na mga parisukat sa isang chessboard, at ang bawat piraso ay maaaring sakupin lamang ng isang parisukat. Maaari ba tayong maglagay ng pawn sa isang lugar sa pagitan ng mga parisukat o maglagay ng dalawang pawn sa isang parisukat nang sabay-sabay? Sa katunayan, maaari naming, ngunit ayon sa mga patakaran, hindi.

Patuloy na pagbaba

At narito ang slide sa palaruan. Ang mga bata ay dumudulas mula dito - dahil ang taas ng slide ay nagbabago nang maayos, patuloy. Ngayon isipin na ang burol na ito ay biglang (kumakaway ng magic wand!) Naging hagdanan. Ito ay hindi na posible upang roll off ang kanyang asno. Kailangan mong lumakad gamit ang iyong mga paa - una isang hakbang, pagkatapos ay ang pangalawa, pagkatapos ay ang pangatlo. Ang halaga (taas) na binago natin tuloy-tuloy - ngunit nagsimulang magbago sa mga hakbang, iyon ay, discretely, quantized .

Quantized Descent

Suriin natin!

1. Isang kapitbahay sa bansa, si Ivan Ivanovich, ay pumunta sa isang kalapit na nayon at nagsabi, "Magpapahinga ako sa isang lugar sa daan."

2. Ang kapitbahay sa bansa na si Ivan Ivanovich ay pumunta sa isang kalapit na nayon at sinabing "Pupunta ako sa ilang bus."

Alin sa dalawang sitwasyong ito ("mga sistema") ang maaaring ituring na tuloy-tuloy, at alin ang - quantized?

Sagot:

Sa unang kaso, naglalakad si Ivan Ivanovich at maaaring huminto upang magpahinga sa ganap na anumang punto. Kaya tuloy-tuloy ang sistemang ito.

Sa pangalawa, maaaring makasakay si Ivan Ivanovich sa isang bus na huminto. Maaaring lumaktaw at maghintay para sa susunod na bus. Ngunit hindi siya makakaupo "sa isang lugar sa pagitan" ng mga bus. Kaya ang sistemang ito ay quantize!

Ito ay tungkol sa astronomy

Ang pagkakaroon ng tuloy-tuloy (continuous) at discontinuous (quantized, discontinuous, discrete) na dami ay kilala kahit ng mga sinaunang Griyego. Sa kanyang aklat na "Psammit" ("Pagkalkula ng mga butil ng buhangin") Archimedes kahit na ginawa ang unang pagtatangka upang magtatag ng isang matematikal na relasyon sa pagitan ng tuloy-tuloy at quantized dami. Gayunpaman, walang quantum physics ang umiral noong panahong iyon.

Hindi ito umiral hanggang sa simula pa lamang ng ika-20 siglo! Ang mga dakilang physicist gaya nina Galileo, Descartes, Newton, Faraday, Jung o Maxwell ay hindi pa nakarinig ng anumang quantum physics at maayos silang nagkasundo nang wala ito. Maaari mong itanong: bakit ang mga siyentipiko ay nakabuo ng quantum physics? Ano ang naganap na espesyal sa pisika? Isipin kung ano ang nangyari. Hindi lamang sa pisika, ngunit sa astronomiya!

Mahiwagang satellite

Noong 1844, napagmasdan ng astronomong Aleman na si Friedrich Bessel ang pinakamaliwanag na bituin sa ating kalangitan sa gabi, si Sirius. Sa oras na iyon, alam na ng mga astronomo na ang mga bituin sa ating kalangitan ay hindi nakatigil - sila ay gumagalaw, napakabagal lamang. Bukod dito, ang bawat bituin ay mahalaga! - gumagalaw sa isang tuwid na linya. Kaya, kapag pinagmamasdan si Sirius, lumabas na hindi siya gumagalaw sa isang tuwid na linya. Ang bituin ay tila "nanginig" muna sa isang direksyon, pagkatapos ay sa kabilang direksyon. Ang landas ni Sirius sa kalangitan ay parang paikot-ikot na linya, na tinatawag ng mga mathematician na "sine wave".

Ang bituin na Sirius at ang satellite nito - Sirius B

Malinaw na ang bituin mismo ay hindi makagalaw ng ganoon. Upang gawing sinusoidal motion ang paggalaw ng tuwid na linya, kailangan ang ilang uri ng "nakagagambalang puwersa". Samakatuwid, iminungkahi ni Bessel na ang isang mabigat na satellite ay umiikot sa Sirius - ito ang pinaka natural at makatwirang paliwanag.

Gayunpaman, ipinakita ng mga kalkulasyon na ang masa ng satellite na ito ay dapat na humigit-kumulang kapareho ng sa ating Araw. Kung gayon bakit hindi natin makita ang satellite na ito mula sa Earth? Ang Sirius ay hindi malayo sa solar system - mga dalawa't kalahating parsec, at ang isang bagay na kasing laki ng Araw ay dapat na nakikita nang maayos ...

Ito ay naging isang mahirap na gawain. Ang ilang mga siyentipiko ay nagsabi na ang satellite na ito ay isang malamig, malamig na bituin - samakatuwid ito ay ganap na itim at hindi nakikita mula sa ating planeta. Ang iba ay nagsabi na ang satellite na ito ay hindi itim, ngunit transparent, kaya hindi natin ito nakikita. Ang mga astronomo sa buong mundo ay tumingin kay Sirius sa pamamagitan ng mga teleskopyo at sinubukang "hulihin" ang misteryosong invisible satellite, at tila tinutuya niya sila. May dapat ikagulat, alam mo...

Kailangan natin ng miracle telescope!

Sa naturang teleskopyo, unang nakita ng mga tao ang satellite ng Sirius

Sa kalagitnaan ng ika-19 na siglo, ang namumukod-tanging taga-disenyo ng teleskopyo na si Alvin Clark ay nanirahan at nagtrabaho sa Estados Unidos. Sa unang propesyon siya ay isang pintor, ngunit sa pagkakataong siya ay naging isang first-class engineer, glassmaker at astronomer. Sa ngayon, wala pang nakahihigit sa kanyang kamangha-manghang mga teleskopyo ng lens! Ang isa sa mga lente ni Alvin Clarke (76 sentimetro ang lapad) ay makikita sa St. Petersburg, sa museo ng Pulkovo Observatory...

Gayunpaman, lumihis tayo. Kaya, noong 1867, nagtayo si Alvin Clark ng isang bagong teleskopyo - na may isang lens na may diameter na 47 sentimetro; ito ang pinakamalaking teleskopyo sa US noong panahong iyon. Ito ay ang mahiwagang Sirius na pinili bilang ang unang celestial object na naobserbahan sa panahon ng mga pagsubok. At ang mga pag-asa ng mga astronomo ay napakahusay na nabigyang-katwiran - sa pinakaunang gabi, ang mailap na satellite ng Sirius, na hinulaang ni Bessel, ay natuklasan.

Lumabas sa kawali sa apoy...

Gayunpaman, nang matanggap ang data ng pagmamasid ni Clark, ang mga astronomo ay hindi natuwa nang matagal. Sa katunayan, ayon sa mga kalkulasyon, ang masa ng satellite ay dapat na humigit-kumulang kapareho ng sa ating Araw (333,000 beses ang masa ng Earth). Ngunit sa halip na isang malaking itim (o transparent) celestial body, nakita ng mga astronomo ... isang maliit na puting bituin! Ang asterisk na ito ay napakainit (25,000 degrees, ihambing sa 5,500 degrees ng ating Araw) at sa parehong oras ay maliit (ayon sa cosmic na mga pamantayan), hindi mas malaki kaysa sa Earth (sa kalaunan ang mga bituin ay tinawag na "white dwarfs"). Ito ay lumabas na ang asterisk na ito ay may ganap na hindi maisip na density. Anong substance ang binubuo nito noon?

Sa Earth, alam natin ang mga high-density na materyales, gaya ng lead (isang cube na may gilid ng isang sentimetro na gawa sa metal na ito ay tumitimbang ng 11.3 gramo) o ginto (19.3 gramo bawat cubic centimeter). Ang density ng sangkap ng satellite ng Sirius (tinawag itong "Sirius B") ay milyon (!!!) gramo bawat cubic centimeter - ito ay 52 libong beses na mas mabigat kaysa sa ginto!

Kunin, halimbawa, ang isang ordinaryong kahon ng posporo. Ang dami nito ay 28 cubic centimeters. Nangangahulugan ito na ang isang kahon ng posporo na puno ng sangkap ng satellite ng Sirius ay titimbang ... 28 tonelada! Subukang isipin - sa isang sukat ay mayroong isang kahon ng posporo, at sa pangalawa - isang tangke!

Nagkaroon ng isa pang problema. Mayroong batas sa pisika na tinatawag na batas ni Charles. Nagtatalo siya na sa parehong dami ang presyon ng isang sangkap ay mas mataas, mas mataas ang temperatura ng sangkap na ito. Alalahanin kung paano pinunit ng presyon ng mainit na singaw ang takip mula sa isang pinakuluang takure - at mauunawaan mo kaagad kung tungkol saan ito. Kaya, ang temperatura ng sangkap ng satellite ng Sirius ay lumabag sa mismong batas na ito ni Charles sa pinaka walang kahihiyang paraan! Ang presyon ay hindi maisip at ang temperatura ay medyo mababa. Bilang resulta, ang mga "maling" pisikal na batas at, sa pangkalahatan, ang "maling" pisika ay nakuha. Tulad ng Winnie the Pooh - "ang maling mga bubuyog at maling pulot."

Ganap na nahihilo...

Upang "i-save" ang pisika, sa simula ng ika-20 siglo, kinailangang aminin ng mga siyentipiko na mayroong DALAWANG pisika sa mundo nang sabay-sabay - isang "klasikal", na kilala sa loob ng dalawang libong taon. Ang pangalawa ay hindi karaniwan dami . Iminungkahi ng mga siyentipiko na ang mga batas ng klasikal na pisika ay gumagana sa karaniwan, "macroscopic" na antas ng ating mundo. Ngunit sa pinakamaliit, "microscopic" na antas, ang bagay at enerhiya ay sumusunod sa ganap na magkakaibang mga batas - mga quantum.

Isipin ang ating planetang Earth. Mahigit sa 15,000 iba't ibang mga artipisyal na bagay ang umiikot ngayon sa paligid nito, bawat isa ay nasa sarili nitong orbit. Bukod dito, ang orbit na ito ay maaaring baguhin (itama) kung ninanais - halimbawa, ang orbit sa International Space Station (ISS) ay pana-panahong itinatama. Ito ay isang macroscopic na antas, ang mga batas ng klasikal na pisika ay gumagana dito (halimbawa, mga batas ni Newton).

Ngayon ay lumipat tayo sa antas ng mikroskopiko. Isipin ang nucleus ng isang atom. Sa paligid nito, tulad ng mga satelayt, ang mga electron ay umiikot - gayunpaman, walang arbitraryong marami sa kanila (sabihin, ang isang helium atom ay hindi hihigit sa dalawa). At ang mga orbit ng mga electron ay hindi na magiging arbitrary, ngunit quantized, "stepped". Ang ganitong mga orbit ng pisika ay tinatawag ding "pinahihintulutang antas ng enerhiya." Ang isang electron ay hindi maaaring "makinis" na lumipat mula sa isang pinapayagang antas patungo sa isa pa, maaari lamang itong "tumalon" kaagad mula sa isang antas patungo sa isang antas. "Doon" lang, at agad na lumitaw "dito". Hindi siya maaaring nasa pagitan ng "doon" at "dito". Agad itong nagbabago ng lokasyon.

Kahanga-hanga? Kahanga-hanga! Ngunit hindi lang iyon. Ang katotohanan ay, ayon sa mga batas ng quantum physics, ang dalawang magkaparehong electron ay hindi maaaring sakupin ang parehong antas ng enerhiya. Hindi kailanman. Tinatawag ng mga siyentipiko ang hindi pangkaraniwang bagay na ito na "pagbabawal ni Pauli" (kung bakit gumagana ang "pagbabawal" na ito, hindi pa rin nila maipaliwanag). Higit sa lahat, ang "pagbabawal" na ito ay kahawig ng isang chessboard, na binanggit namin bilang isang halimbawa ng isang quantum system - kung mayroong isang pawn sa isang parisukat ng board, ang isa pang pawn ay hindi na maaaring ilagay sa parisukat na ito. Eksakto ang parehong bagay na nangyayari sa mga electron!

Ang solusyon sa problema

Paano, itatanong mo, maipapaliwanag ng quantum physics ang mga hindi pangkaraniwang phenomena gaya ng paglabag sa batas ni Charles sa loob ng Sirius B? Pero paano.

Isipin ang isang parke ng lungsod na may dance floor. Maraming tao ang naglalakad sa kalye, pumunta sila sa dance floor para sumayaw. Hayaang ang bilang ng mga tao sa kalye ay kumakatawan sa presyon, at ang bilang ng mga tao sa disco ang temperatura. Ang isang malaking bilang ng mga tao ay maaaring pumunta sa dance floor - mas maraming tao ang naglalakad sa parke, mas maraming tao ang sumasayaw sa dance floor, iyon ay, mas mataas ang presyon, mas mataas ang temperatura. Ito ay kung paano gumagana ang mga batas ng klasikal na pisika - kabilang ang batas ni Charles. Tinatawag ng mga siyentipiko ang gayong sangkap na isang "ideal na gas".

Mga tao sa dance floor - "ideal gas"

Gayunpaman, sa antas ng mikroskopiko, ang mga batas ng klasikal na pisika ay hindi gumagana. Ang mga batas ng quantum ay nagsimulang gumana doon, at ito ay radikal na nagbabago sa sitwasyon.

Isipin na ang isang cafe ay binuksan sa site ng dance floor sa parke. Ano ang pagkakaiba? Oo, sa katunayan na sa isang cafe, hindi tulad ng isang disco, "ang dami ng gusto mo" ay hindi papasok ang mga tao. Sa sandaling okupado na ang lahat ng mga lugar sa mga mesa, hihinto ang seguridad sa pagpapapasok ng mga tao sa loob. At hanggang ang isa sa mga bisita ay umalis sa mesa, ang seguridad ay hindi papasukin ang sinuman! Parami nang parami ang mga taong naglalakad sa parke - at kung gaano karaming tao ang nasa cafe, napakaraming nanatili. Ito ay lumalabas na ang pagtaas ng presyon, at ang temperatura ay "tumayo".

Mga tao sa isang cafe - "quantum gas"

Sa loob ng Sirius B, siyempre, walang tao, mga dance floor at mga cafe. Ngunit ang prinsipyo ay nananatiling pareho: pinupunan ng mga electron ang lahat ng pinapayagang antas ng enerhiya (tulad ng mga bisita - mga talahanayan sa isang cafe), at hindi na nila maaaring "pasukin ang sinuman" - eksakto ayon sa pagbabawal ni Pauli. Bilang isang resulta, ang isang hindi maisip na malaking presyon ay nakuha sa loob ng bituin, ngunit ang temperatura sa parehong oras ay mataas, ngunit medyo karaniwan para sa mga bituin. Ang nasabing sangkap sa pisika ay tinatawag na "degenerate quantum gas".

Itutuloy natin?..

Ang maanomalyang mataas na densidad ng mga white dwarf ay malayo sa tanging phenomenon sa physics na nangangailangan ng paggamit ng mga quantum laws. Kung ang paksang ito ay interesado sa iyo, sa susunod na mga isyu ng Luchik maaari nating pag-usapan ang iba pa, hindi gaanong kawili-wili, mga phenomena ng kabuuan. Sumulat! Sa ngayon, tandaan natin ang pangunahing bagay:

1. Sa ating mundo (ang Uniberso) sa antas ng macroscopic (i.e. "malaki"), gumagana ang mga batas ng klasikal na pisika. Inilalarawan nila ang mga katangian ng mga ordinaryong likido at gas, ang mga galaw ng mga bituin at planeta, at marami pang iba. Ito ang physics na iyong pag-aaralan (o pag-aaralan) sa paaralan.

2. Gayunpaman, sa antas ng mikroskopiko (iyon ay, hindi kapani-paniwalang maliit, milyon-milyong beses na mas maliit kaysa sa pinakamaliit na bakterya), ganap na magkakaibang mga batas ang gumagana - ang mga batas ng quantum physics. Ang mga batas na ito ay inilalarawan ng napakasalimuot na mga pormula sa matematika, at hindi ito pinag-aaralan sa paaralan. Gayunpaman, ang quantum physics lamang ang nagpapahintulot sa amin na medyo malinaw na ipaliwanag ang istraktura ng mga kamangha-manghang bagay sa kalawakan tulad ng mga white dwarf (tulad ng Sirius B), neutron star, black hole, at iba pa.

Walang sinuman sa mundong ito ang nakakaintindi kung ano ang quantum mechanics. Ito na siguro ang pinakamahalagang bagay na dapat malaman tungkol sa kanya. Siyempre, maraming physicist ang natutong gumamit ng mga batas at kahit na hulaan ang mga phenomena batay sa quantum computing. Ngunit hindi pa rin malinaw kung bakit tinutukoy ng tagamasid ng eksperimento ang pag-uugali ng system at pinipilit itong kumuha ng isa sa dalawang estado.

Narito ang ilang mga halimbawa ng mga eksperimento na may mga resulta na hindi maiiwasang magbago sa ilalim ng impluwensya ng nagmamasid. Ipinakita nila na ang quantum mechanics ay praktikal na tumatalakay sa interbensyon ng mulat na pag-iisip sa materyal na katotohanan.

Mayroong maraming mga interpretasyon ng quantum mechanics ngayon, ngunit ang Copenhagen interpretasyon ay marahil ang pinakamahusay na kilala. Noong 1920s, ang mga pangkalahatang postula nito ay binuo nina Niels Bohr at Werner Heisenberg.

Ang batayan ng interpretasyon ng Copenhagen ay ang wave function. Ito ay isang mathematical function na naglalaman ng impormasyon tungkol sa lahat ng posibleng estado ng isang quantum system kung saan ito ay umiiral nang sabay-sabay. Ayon sa Copenhagen Interpretation, ang estado ng isang sistema at ang posisyon nito na may kaugnayan sa ibang mga estado ay maaari lamang matukoy sa pamamagitan ng pagmamasid (ang wave function ay ginagamit lamang upang mathematically kalkulahin ang posibilidad ng system na nasa isang estado o iba pa).

Masasabing pagkatapos ng obserbasyon, ang isang quantum system ay nagiging klasikal at agad na tumigil sa pag-iral sa mga estado maliban sa kung saan ito naobserbahan. Ang konklusyong ito ay natagpuan ang mga kalaban nito (tandaan ang sikat na Einstein na "Ang Diyos ay hindi naglalaro ng dice"), ngunit ang katumpakan ng mga kalkulasyon at mga hula ay mayroon pa ring sariling.

Gayunpaman, ang bilang ng mga tagasuporta ng interpretasyon ng Copenhagen ay bumababa, at ang pangunahing dahilan para dito ay ang misteryosong agarang pagbagsak ng function ng wave sa panahon ng eksperimento. Ang tanyag na eksperimento sa pag-iisip ni Erwin Schrödinger sa isang mahirap na pusa ay dapat magpakita ng kahangalan ng hindi pangkaraniwang bagay na ito. Tandaan natin ang mga detalye.

Sa loob ng itim na kahon ay nakapatong ang isang itim na pusa at kasama nito ang isang bote ng lason at isang mekanismo na maaaring maglabas ng lason nang sapalaran. Halimbawa, ang isang radioactive atom sa panahon ng pagkabulok ay maaaring makabasag ng bula. Ang eksaktong oras ng pagkabulok ng atom ay hindi alam. Tanging ang kalahating buhay ay kilala, kung saan ang pagkabulok ay nangyayari na may posibilidad na 50%.

Malinaw, para sa isang panlabas na tagamasid, ang pusa sa loob ng kahon ay nasa dalawang estado: ito ay buhay, kung ang lahat ay naging maayos, o patay, kung ang pagkabulok ay naganap at ang vial ay nasira. Ang parehong mga estadong ito ay inilalarawan ng pag-andar ng alon ng pusa, na nagbabago sa paglipas ng panahon.

Ang mas maraming oras ang lumipas, mas malamang na ang radioactive decay ay naganap. Ngunit sa sandaling buksan namin ang kahon, bumagsak ang function ng wave at agad naming nakikita ang mga resulta ng hindi makataong eksperimentong ito.

Sa katunayan, hanggang sa buksan ng tagamasid ang kahon, ang pusa ay walang katapusang balanse sa pagitan ng buhay at kamatayan, o maging parehong buhay at patay. Matutukoy lamang ang kapalaran nito bilang resulta ng mga aksyon ng nagmamasid. Ang kahangalan na ito ay itinuro ni Schrödinger.

Ayon sa isang survey ng mga sikat na physicist ng The New York Times, ang electron diffraction experiment ay isa sa mga pinakakahanga-hangang pag-aaral sa kasaysayan ng agham. Ano ang kalikasan nito? Mayroong isang mapagkukunan na naglalabas ng isang sinag ng mga electron papunta sa isang photosensitive na screen. At mayroong isang balakid sa paraan ng mga electron na ito, isang tansong plato na may dalawang puwang.

Anong larawan ang maaari nating asahan sa screen kung ang mga electron ay karaniwang kinakatawan sa atin bilang maliliit na naka-charge na bola? Dalawang guhit sa tapat ng mga puwang sa tansong plato. Ngunit sa katunayan, ang isang mas kumplikadong pattern ng alternating puti at itim na mga guhitan ay lilitaw sa screen. Ito ay dahil sa ang katunayan na kapag dumadaan sa slit, ang mga electron ay nagsisimulang kumilos hindi lamang bilang mga particle, kundi pati na rin bilang mga alon (photon o iba pang mga light particle na maaaring maging isang alon sa parehong oras na kumikilos sa parehong paraan).

Ang mga alon na ito ay nakikipag-ugnayan sa kalawakan, nagbabanggaan at nagpapatibay sa isa't isa, at bilang isang resulta, isang kumplikadong pattern ng alternating light at dark stripes ay ipinapakita sa screen. Kasabay nito, ang resulta ng eksperimentong ito ay hindi nagbabago, kahit na ang mga electron ay pumasa nang paisa-isa - kahit na isang particle ay maaaring maging isang alon at dumaan sa dalawang slits sa parehong oras. Ang postulate na ito ay isa sa mga pangunahing sa interpretasyon ng Copenhagen ng quantum mechanics, kapag ang mga particle ay maaaring sabay na ipakita ang kanilang "ordinaryong" pisikal na katangian at kakaibang katangian tulad ng isang alon.

Ngunit paano ang nagmamasid? Siya ang nagpapagulo sa nakakalito na kwentong ito. Nang sinubukan ng mga physicist sa mga eksperimento na tulad nito na gumamit ng mga instrumento upang matukoy kung aling slit ang aktwal na pinagdadaanan ng isang electron, ang larawan sa screen ay nagbago nang malaki at naging "classical": na may dalawang iluminado na seksyon na direktang nasa tapat ng mga slits, nang walang anumang alternating stripes.

Ang mga electron ay tila nag-aatubili na ipakita ang kanilang likas na alon sa maingat na mata ng mga nanonood. Tila isang misteryong nababalot ng dilim. Ngunit mayroong isang mas simpleng paliwanag: ang pagmamasid sa sistema ay hindi maaaring isagawa nang walang pisikal na impluwensya dito. Tatalakayin natin ito mamaya.

2. Pinainit na fullerenes

Ang mga eksperimento sa diffraction ng butil ay isinagawa hindi lamang sa mga electron, kundi pati na rin sa iba pang mas malalaking bagay. Halimbawa, ginamit ang mga fullerenes, malaki at saradong mga molekula na binubuo ng ilang sampu ng mga atomo ng carbon. Kamakailan, sinubukan ng isang pangkat ng mga siyentipiko mula sa Unibersidad ng Vienna, na pinamumunuan ni Propesor Zeilinger, na isama ang isang elemento ng pagmamasid sa mga eksperimentong ito. Upang gawin ito, pina-irradiated nila ang gumagalaw na mga molekula ng fullerene na may mga laser beam. Pagkatapos, pinainit ng isang panlabas na pinagmumulan, ang mga molekula ay nagsimulang kumikinang at hindi maaaring hindi sumasalamin sa kanilang presensya sa nagmamasid.

Kasabay ng pagbabagong ito, ang pag-uugali ng mga molekula ay nagbago din. Bago ang naturang komprehensibong pagmamasid, ang mga fullerenes ay naiwasan ang isang balakid na lubos na matagumpay (nagpapakita ng mga katangian ng alon), katulad ng nakaraang halimbawa na may mga electron na tumama sa isang screen. Ngunit sa pagkakaroon ng isang tagamasid, ang mga fullerenes ay nagsimulang kumilos tulad ng perpektong pagsunod sa batas na mga pisikal na particle.

3. Pagsusukat ng paglamig

Ang isa sa mga pinakatanyag na batas sa mundo ng quantum physics ay ang Heisenberg uncertainty principle, ayon sa kung saan imposibleng matukoy ang bilis at posisyon ng isang quantum object sa parehong oras. Kung mas tumpak nating sinusukat ang momentum ng isang particle, hindi gaanong tumpak na masusukat natin ang posisyon nito. Gayunpaman, sa ating macroscopic real world, kadalasang hindi napapansin ang validity ng quantum laws na kumikilos sa maliliit na particle.

Ang mga kamakailang eksperimento ni Prof. Schwab mula sa USA ay gumawa ng isang napakahalagang kontribusyon sa lugar na ito. Ang mga quantum effect sa mga eksperimentong ito ay ipinakita hindi sa antas ng mga electron o fullerene molecule (na may tinatayang diameter na 1 nm), ngunit sa mas malalaking bagay, isang maliit na aluminum ribbon. Ang tape na ito ay naayos sa magkabilang panig upang ang gitna nito ay nasa suspendido na estado at maaaring mag-vibrate sa ilalim ng panlabas na impluwensya. Bilang karagdagan, ang isang aparato na may kakayahang tumpak na i-record ang posisyon ng tape ay inilagay sa malapit. Bilang resulta ng eksperimento, maraming mga kagiliw-giliw na bagay ang natuklasan. Una, ang anumang pagsukat na may kaugnayan sa posisyon ng bagay at pagmamasid sa tape ay nakaapekto dito, pagkatapos ng bawat pagsukat ay nagbago ang posisyon ng tape.

Tinukoy ng mga eksperimento ang mga coordinate ng tape na may mataas na katumpakan, at sa gayon, alinsunod sa prinsipyo ng Heisenberg, binago ang bilis nito, at samakatuwid ay ang kasunod na posisyon. Pangalawa, at medyo hindi inaasahan, ang ilang mga sukat ay humantong sa paglamig ng tape. Kaya, maaaring baguhin ng isang tagamasid ang mga pisikal na katangian ng mga bagay sa pamamagitan lamang ng kanilang presensya.

4. Nagyeyelong mga particle

Tulad ng alam mo, ang hindi matatag na mga radioactive particle ay nabubulok hindi lamang sa mga eksperimento sa mga pusa, kundi pati na rin sa kanilang sarili. Ang bawat butil ay may isang average na buhay, na, bilang ito ay lumiliko, ay maaaring tumaas sa ilalim ng maingat na mata ng isang tagamasid. Ang quantum effect na ito ay hinulaang noong 60s, at ang napakatalino na eksperimentong patunay nito ay lumabas sa isang papel na inilathala ng isang grupo na pinamumunuan ng Nobel laureate sa physics na si Wolfgang Ketterle ng Massachusetts Institute of Technology.

Sa gawaing ito, pinag-aralan ang pagkabulok ng hindi matatag na excited rubidium atoms. Kaagad pagkatapos ng paghahanda ng system, ang mga atom ay nasasabik gamit ang isang laser beam. Ang pagmamasid ay naganap sa dalawang mga mode: tuloy-tuloy (ang sistema ay patuloy na nakalantad sa mga maliliit na pulso ng liwanag) at pulsed (ang sistema ay na-irradiated paminsan-minsan na may mas malakas na mga pulso).

Ang mga resulta na nakuha ay ganap na sumasang-ayon sa mga teoretikal na hula. Ang mga panlabas na epekto ng liwanag ay nagpapabagal sa pagkabulok ng mga particle, ibinabalik ang mga ito sa kanilang orihinal na estado, na malayo sa estado ng pagkabulok. Ang laki ng epektong ito ay kasabay din ng mga hula. Ang maximum na buhay ng hindi matatag na excited rubidium atoms ay tumaas ng isang factor na 30.

5. Quantum mechanics at kamalayan

Ang mga electron at fullerenes ay humihinto sa pagpapakita ng kanilang mga katangian ng alon, ang mga aluminum plate ay lumalamig, at ang hindi matatag na mga particle ay nagpapabagal sa kanilang pagkabulok. Literal na binabago ng mapagmasid na mata ng tumitingin ang mundo. Bakit hindi ito maaaring maging katibayan ng pagkakasangkot ng ating isipan sa gawain ng mundo? Marahil sina Carl Jung at Wolfgang Pauli (Austrian physicist, Nobel laureate, pioneer ng quantum mechanics) ay tama, pagkatapos ng lahat, noong sinabi nila na ang mga batas ng pisika at kamalayan ay dapat ituring na pantulong sa isa't isa?

Isang hakbang na lang tayo mula sa pagkilala na ang mundo sa ating paligid ay isa lamang ilusyon na produkto ng ating isipan. Ang ideya ay nakakatakot at nakatutukso. Subukan nating bumaling muli sa mga pisiko. Lalo na sa mga nakalipas na taon, kapag mas kaunti at mas kaunting mga tao ang naniniwala sa Copenhagen na interpretasyon ng quantum mechanics na may mahiwagang wavefunction nito ay bumagsak, na nagiging mas karaniwan at maaasahang decoherence.

Ang katotohanan ay na sa lahat ng mga eksperimentong ito na may mga obserbasyon, ang mga eksperimento ay hindi maiiwasang maimpluwensyahan ang sistema. Sinindihan nila ito ng laser at naka-install na mga instrumento sa pagsukat. Nagkaisa sila sa pamamagitan ng isang mahalagang prinsipyo: hindi mo maaaring obserbahan ang isang sistema o sukatin ang mga katangian nito nang hindi nakikipag-ugnayan dito. Ang anumang pakikipag-ugnayan ay isang proseso ng pagbabago ng mga katangian. Lalo na kapag ang isang maliit na sistema ng quantum ay nakalantad sa mga malalaking bagay na quantum. Ang ilang walang hanggang neutral na Buddhist na tagamasid ay imposible sa prinsipyo. At dito pumapasok ang terminong "decoherence", na hindi maibabalik mula sa punto ng view ng thermodynamics: nagbabago ang mga katangian ng quantum ng isang system kapag nakikipag-ugnayan sa isa pang malaking sistema.

Sa panahon ng pakikipag-ugnayang ito, ang quantum system ay nawawala ang mga orihinal na katangian nito at nagiging klasikal, na parang "sumunod" sa isang malaking sistema. Ipinapaliwanag din nito ang kabalintunaan ng pusa ni Schrödinger: ang pusa ay napakalaki ng sistema, kaya hindi ito maaaring ihiwalay sa ibang bahagi ng mundo. Ang mismong disenyo ng eksperimentong pag-iisip na ito ay hindi ganap na tama.

Sa anumang kaso, kung ipagpalagay natin ang katotohanan ng pagkilos ng paglikha sa pamamagitan ng kamalayan, ang decoherence ay tila isang mas maginhawang diskarte. Marahil ay masyadong maginhawa. Sa ganitong paraan, ang buong klasikal na mundo ay nagiging isang malaking bunga ng decoherence. At gaya ng sinabi ng may-akda ng isa sa mga pinakasikat na libro sa larangan, ang ganitong diskarte ay lohikal na humahantong sa mga pahayag tulad ng "walang mga particle sa mundo" o "walang oras sa isang pangunahing antas."

Ano ang katotohanan: sa tagalikha-tagamasid o makapangyarihang decoherence? Kailangan nating pumili sa pagitan ng dalawang kasamaan. Gayunpaman, ang mga siyentipiko ay lalong kumbinsido na ang mga quantum effect ay isang pagpapakita ng ating mga proseso sa pag-iisip. At kung saan nagtatapos ang pagmamasid at nagsisimula ang katotohanan ay nakasalalay sa bawat isa sa atin.