Kvantmehaanika on mikromaailma mehaanika. Tema uuritavad nähtused on suures osas väljaspool meie sensoorset taju, seega ei tohiks imestada neid nähtusi reguleerivate seaduste näilise paradoksi üle.
Kvantmehaanika põhiseadusi ei saa sõnastada teatud füüsikaliste fundamentaalsete katsete tulemuste loogilise tagajärjena. Teisisõnu, eksperimentaalselt testitud aksioomide süsteemil põhinev kvantmehaanika formuleering on siiani teadmata. Pealegi ei võimalda mõned kvantmehaanika põhiprintsiibid põhimõtteliselt eksperimentaalset kontrollimist. Meie usaldus kvantmehaanika kehtivuse vastu põhineb asjaolul, et kõik teooria füüsikalised tulemused on kooskõlas katsega. Seega testitakse eksperimentaalselt ainult kvantmehaanika aluspõhimõtete tagajärgi, mitte selle põhiseadusi. Ilmselt on peamised raskused, mis kvantmehaanika esmasel uurimisel tekkisid, seotud just nende asjaoludega.
Samasuguseid, kuid ilmselgelt palju suuremaid raskusi seisid silmitsi kvantmehaanika loojad. Eksperimendid näitasid selgelt eriliste kvantseaduste olemasolu mikromaailmas, kuid ei pakkunud mingil juhul kvantteooria vormi. See võib seletada kvantmehaanika loomise tõeliselt dramaatilist ajalugu ja eriti tõsiasja, et kvantmehaanika esialgsed formulatsioonid olid oma olemuselt puhtalt retsepti alusel. Need sisaldasid mõningaid reegleid, mis võimaldasid arvutada eksperimentaalselt mõõdetud suurusi, ja teooria füüsiline tõlgendus ilmus pärast selle matemaatilise formalismi põhimõttelist loomist.
Sellel kursusel kvantmehaanikat konstrueerides me ajaloolist rada ei järgi. Kirjeldame väga lühidalt mitmeid füüsikalisi nähtusi, mille selgitamise katsed klassikalise füüsika seaduste alusel viisid ületamatute raskusteni. Järgmisena püüame välja selgitada, millised eelmistes lõikudes kirjeldatud klassikalise mehaanika skeemi tunnused peaksid mikromaailma mehaanikas säilima ning millest võiks ja millest tuleks loobuda. Näeme, et ainult ühe klassikalise mehaanika väite, nimelt väite, et vaadeldavad on funktsioonid faasiruumis, tagasilükkamine võimaldab meil koostada mehaanika skeemi, mis kirjeldab süsteeme, mille käitumine erineb oluliselt klassikalisest. Lõpuks, järgmistes lõikudes veendume, et konstrueeritud teooria on üldisem kui klassikaline mehaanika ja sisaldab viimast kui piirjuhtumit.
Ajalooliselt esitas Planck esimese kvanthüpoteesi 1900. aastal seoses tasakaalukiirguse teooriaga. Planckil õnnestus saada eksperimendiga kooskõlas olev soojuskiirguse energia spektraalse jaotuse valem, mis eeldas, et elektromagnetkiirgus kiirgub ja neeldub diskreetsete osadena – kvantidena, mille energia on võrdeline kiirguse sagedusega.
kus on valguslaine võnkumiste sagedus ja Plancki konstant.
Plancki hüpotees valguskvantide kohta võimaldas Einsteinil anda ülilihtsa selgituse fotoelektrilise efekti seaduste kohta (1905). Fotoelektrilise efekti nähtus seisneb selles, et valgusvoo mõjul löövad elektronid metallist välja. Fotoelektrilise efekti teooria põhiülesanne on leida väljapaisatud elektronide energia sõltuvus valgusvoo omadustest. Olgu V töö, mis tuleb kulutada elektroni metallist välja löömiseks (tööfunktsioon). Siis viib energia jäävuse seadus seoseni
kus T on väljapaisatud elektroni kineetiline energia. Näeme, et see energia sõltub lineaarselt sagedusest ja ei sõltu valgusvoo intensiivsusest. Lisaks muutub sagedusel (fotoelektrilise efekti punane piir) fotoefekti nähtus võimatuks, kuna . Need järeldused, mis põhinevad valguskvantide hüpoteesil, on katsega täielikult kooskõlas. Samas peaks klassikalise teooria järgi väljapaisatud elektronide energia sõltuma valguslainete intensiivsusest, mis on vastuolus katsetulemustega.
Einstein täiendas valguskvantide ideed, tuues sisse valguskvantide impulsi valemi järgi
Siin on k nn lainevektor, millel on valguslainete levimise suund; selle vektori k pikkus on seotud suhetega valguse lainepikkuse, sageduse ja kiirusega
Valguskvantide jaoks kehtib järgmine valem:
mis on relatiivsusteooria valemi erijuhtum
puhkemassiga osakese jaoks .
Pange tähele, et ajalooliselt olid esimesed kvanthüpoteesid seotud valguslainete kiirguse ja neeldumise seadustega, st elektrodünaamikaga, mitte mehaanikaga. Peagi sai aga selgeks, et mitte ainult elektromagnetkiirgust, vaid ka aatomisüsteeme iseloomustavad mitmete füüsikaliste suuruste diskreetsed väärtused. Franki ja Hertzi (1913) katsed näitasid, et elektronide kokkupõrke ajal aatomitega muutub elektronide energia diskreetsete osade kaupa. Nende katsete tulemusi saab seletada asjaoluga, et aatomite energial võivad olla ainult teatud diskreetsed väärtused. Hiljem, 1922. aastal, näitasid Sterni ja Gerlachi katsed, et aatomisüsteemide nurkimpulsi projektsioonil teatud suunas on sarnane omadus. Nüüd on hästi teada, et paljude vaadeldavate väärtuste diskreetsus on mikromaailma süsteemide iseloomulik, kuid mitte kohustuslik tunnus. Näiteks elektroni energial vesinikuaatomis on diskreetsed väärtused, samas kui vabalt liikuva elektroni energia võib omandada mis tahes positiivse väärtuse. Kvantmehaanika matemaatilist aparaati tuleb kohandada nii diskreetseid kui ka pidevaid väärtusi võtvate vaadeldavate objektide kirjeldamiseks.
1911. aastal avastas Rutherford aatomituuma ja pakkus välja aatomi planeedimudeli (Rutherfordi katsed alfaosakeste hajumise kohta erinevate elementide proovidel näitasid, et aatomil on positiivselt laetud tuum, mille laeng on võrdne - arvuga elemendi kohta perioodilisustabelis ja - elektroni laeng , tuuma mõõtmed ei ületa aatomite endi lineaarsed mõõtmed suurusjärgus cm). Aatomi planetaarmudel on vastuolus klassikalise elektrodünaamika aluspõhimõtetega. Tõepoolest, klassikalistel orbiitidel ümber tuuma liikudes peaksid elektronid, nagu kõik kiirendatud laengud, kiirgama elektromagnetlaineid. Sel juhul peavad elektronid kaotama oma energia ja lõpuks langema tuuma. Seetõttu ei saa selline aatom olla stabiilne, mis muidugi pole tõsi. Kvantmehaanika üks peamisi ülesandeid on aatomite ja molekulide kui positiivselt laetud tuumadest ja elektronidest koosnevate süsteemide stabiilsuse selgitamine ja struktuuri kirjeldamine.
Mikroosakeste difraktsiooni nähtus tundub klassikalise mehaanika seisukohalt täiesti üllatav. Seda nähtust ennustas 1924. aastal de Broglie, kes väitis, et vabalt liikuv osake, mille impulss on p
ja energia E vastab mõnes mõttes lainele lainevektoriga k ja sagedusega , ja
ehk seosed (1) ja (2) kehtivad mitte ainult valguskvantide, vaid ka osakeste puhul. De Broglie lainete füüsilise tõlgenduse andis hiljem Born ja me seda praegu ei aruta. Kui liikuv osake vastab lainele, siis olenemata nendele sõnadele antud täpsest tähendusest on loomulik eeldada, et see avaldub osakeste difraktsiooninähtuste olemasolus. Elektronide difraktsiooni täheldati esmakordselt Davissoni ja Germeri katsetes 1927. aastal. Seejärel täheldati difraktsiooninähtusi teiste osakeste puhul.
Näitame, et difraktsiooninähtused ei sobi kokku klassikaliste ideedega osakeste liikumisest mööda trajektoore. Argument on kõige mugavam läbi viia mõtteeksperimendi näitel elektronkiire difraktsiooni kohta kahe pilu võrra, mille skeem on näidatud joonisel fig. 1. Laske allika A elektronidel liikuda ekraanile B ja läbides pilusid ja langeda ekraanile B.
Meid huvitab elektronide jaotus piki y-koordinaati, mis langevad ekraanile B. Ühe ja kahe pilu võrra difraktsiooninähtusi on hästi uuritud ja võime väita, et elektronide jaotus on kujul a, nagu on näidatud joonisel fig. 2, kui avatud on ainult esimene pilu, vaade (joonis 2), - kui teine on avatud ja vaade c, - kui mõlemad pilud on avatud. Kui eeldada, et iga elektron liikus mööda teatud klassikalist trajektoori, siis võib kõik ekraanile B sattunud elektronid jagada kahte rühma sõltuvalt sellest, millise pilu nad läbisid. Esimese rühma elektronide jaoks on täiesti ükskõik, kas teine tühimik on avatud ja seetõttu on nad
jaotus ekraanil peaks olema kujutatud kõveraga a; samamoodi peab teise rühma elektronidel olema jaotus. Seega juhul, kui mõlemad pilud on avatud, tuleks saada jaotus ekraanil, mis on jaotuste a ja b summa. Sellisel jaotuste summal pole interferentsimustriga mingit pistmist. See vastuolu näitab, et elektronide jagamine rühmadesse nende läbitud pilu alusel on kirjeldatud katse tingimustes võimatu, mis tähendab, et oleme sunnitud trajektoori mõistest loobuma.
Kohe tekib küsimus: kas on võimalik katset korraldada nii, et saaks teada, millise pilu kaudu elektron läbis. Muidugi on selline eksperimentaalne seadistus võimalik, selleks piisab, kui asetada ekraanide ja B vahele valgusallikas ning jälgida valguskvantide hajumist elektronidel. Piisava eraldusvõime saavutamiseks peame kasutama kvante, mille lainepikkus suurusjärk ei ületa pilude vahekaugust, st piisavalt suure energia ja impulsiga. Vaadeldes elektronide poolt hajutatud kvante, saame tegelikult kindlaks teha, millise pilu elektron läbis. Kvantide interaktsioon elektronidega põhjustab aga nende momentide kontrollimatut muutust ja seetõttu peaks ekraanile sattuvate elektronide jaotus muutuma. Seega jõuame järeldusele, et küsimusele, millise pilu läbis elektron, saab vastata vaid nii katse tingimusi kui ka lõpptulemust muutes.
Selles näites seisame silmitsi järgmise kvantsüsteemide käitumise üldise tunnusega. Katse läbija ei saa jälgida katse kulgu, kuna see toob kaasa muutuse selle lõpptulemuses. See kvantkäitumise tunnusjoon on tihedalt seotud mõõtmiste omadustega mikromaailmas. Igasugune mõõtmine on võimalik ainult süsteemi ja mõõteseadme koostoimel. See interaktsioon põhjustab süsteemi liikumise häireid. Klassikalises füüsikas eeldatakse seda alati
seda häiret saab muuta nii väikeseks kui soovitakse, nagu ka mõõtmisprotsessi kestust. Seetõttu on alati võimalik samaaegselt mõõta mis tahes arvu vaadeldavaid objekte.
Mõnede mikrosüsteemide vaadeldavuse mõõtmise protsessi üksikasjalik analüüs, mida võib leida paljudest kvantmehaanika õpikutest, näitab, et vaadeldavate andmete mõõtmise täpsuse suurenedes suureneb mõju süsteemile ja mõõtmine toob kaasa arvulistes väärtustes kontrollimatud muutused. mõnest muust jälgitavast. See toob kaasa asjaolu, et mõne vaadeldava objekti samaaegne täpne mõõtmine muutub põhimõtteliselt võimatuks. Näiteks kui osakese koordinaatide mõõtmiseks kasutatakse valguskvantide hajumist, siis sellisel mõõtmisel on viga suurusjärgus valguse lainepikkus. Mõõtmistäpsust saab suurendada, valides lühema lainepikkusega ja seega ka suurema impulsiga kvante. Sel juhul viiakse osakeste impulsi arvväärtustesse kvantimpulsi järjekorra kontrollimatu muutus. Seetõttu on koordinaatide ja impulsi mõõtmise vead seotud seosega
Täpsem põhjendus näitab, et see seos ühendab ainult sama koordinaadi ja impulsi projektsiooni. Seoseid, mis seostavad kahe vaadeldava samaaegse mõõtmise põhimõtteliselt võimalikku täpsust, nimetatakse Heisenbergi määramatuse suheteks. Nende täpne sõnastus on esitatud järgmistes lõikudes. Vaadeldavad objektid, millele määramatuse suhted ei sea mingeid piiranguid, on samaaegselt mõõdetavad. Hiljem näeme, et osakese Descartes'i koordinaadid või impulsi projektsioon on samaaegselt mõõdetavad ning sama nimega koordinaadid ja impulsi projektsioon või kaks impulsi nurkprojektsiooni on samaaegselt mõõdetavad. Kvantmehaanikat konstrueerides peame meeles pidama üheaegselt mõõtmatute suuruste olemasolu võimalust.
Nüüd, pärast lühikest füüsilist sissejuhatust, püüame vastata juba püstitatud küsimusele: milliseid klassikalise mehaanika tunnuseid tuleks säilitada ja millest tuleks mikromaailma mehaanika konstrueerimisel loomulikult loobuda. Klassikalise mehaanika põhimõisted olid vaadeldava ja oleku mõisted. Füüsikalise teooria ülesanne on ennustada katsete tulemusi ja eksperiment on alati mingi süsteemi tunnuse mõõtmine või jälgitav teatud tingimustel, mis määravad süsteemi oleku. Seetõttu peavad ilmnema mõisted vaadeldav ja olek
mis tahes füüsikateoorias. Katse läbiviija seisukohalt tähendab vaadeldava määratlemine selle mõõtmise meetodi täpsustamist. Tähistame vaadeldavaid esemeid sümbolitega a, b, c,... ja praegu me ei tee mingeid eeldusi nende matemaatilise olemuse kohta (tuletame meelde, et klassikalises mehaanikas on vaadeldavad funktsioonid faasiruumis). Nagu varemgi, tähistame vaadeldavate objektide hulka .
On mõistlik eeldada, et katsetingimused määravad vähemalt kõigi vaadeldavate mõõtmistulemuste tõenäosusjaotused, seega on mõistlik säilitada §-s 2 toodud oleku definitsioon. Nagu varemgi, tähistame olekuid reaalteljel vaadeldavale a-le vastava tõenäosuse mõõdiku kaudu vaadeldava a jaotusfunktsiooni kaudu olekus läbi ja lõpuks vaadeldava a keskmist väärtust olekus läbi .
Teooria peab sisaldama vaadeldava funktsiooni definitsiooni. Eksperimenteerija jaoks tähendab väide, et vaadeldav b on vaadeldava a funktsioon, et b mõõtmiseks piisab a mõõtmisest ja kui vaadeldava a mõõtmise tulemuseks on arv , siis vaadeldava b arvväärtus on . Vastavate a ja tõenäosusmõõtude puhul võrdsus
mis tahes tingimustel.
Pange tähele, et ühe vaadeldava a kõik võimalikud funktsioonid on mõõdetavad korraga, kuna nende vaadeldavate näitajate mõõtmiseks piisab vaadeldava a mõõtmisest. Hiljem näeme, et kvantmehaanikas ammendab see näide vaadeldavate samaaegse mõõdetavuse juhud, st kui vaadeldavad on samal ajal mõõdetavad, siis on olemas vaadeldav a ja sellised funktsioonid, mis .
Paljude vaadeldava funktsioonide hulgas on ilmselgelt määratletud a, kus on reaalarv. Neist esimese funktsiooni olemasolu näitab, et vaadeldavaid andmeid saab korrutada reaalarvudega. Väide, et vaadeldav on konstant, tähendab, et selle arvväärtus igas olekus ühtib selle konstandiga.
Proovime nüüd välja selgitada, millise tähenduse saab anda vaadeldavate summadele ja korrutisele. Need tehted oleks defineeritud, kui meil oleks kahe vaadeldava funktsiooni definitsioon, kuid siin tekivad põhimõttelised raskused, mis on seotud mittemõõdetavate samaaegselt vaadeldavate objektide olemasolu võimalusega. Kui a ja b
on samal ajal mõõdetavad, siis on definitsioon täiesti sarnane definitsiooniga. Vaadeldava mõõtmiseks piisab vaadeldavate a ja b mõõtmisest ning selline mõõtmine toob kaasa arvväärtuse , kus on vastavalt vaadeldavate a ja b arvväärtused. Mõõdematu samaaegselt vaadeldava a ja b korral ei ole funktsiooni mõistlikku definitsiooni. See asjaolu sunnib meid loobuma eeldusest, et vaadeldavad on funktsioonid faasiruumis, kuna meil on füüsiline alus pidada q ja p samaaegselt mõõtmatuks ning otsida vaadeldavaid erineva iseloomuga matemaatiliste objektide hulgast.
Näeme, et summat ja korrutist on võimalik määrata kahe vaadeldava funktsiooni mõiste abil ainult siis, kui need on samaaegselt mõõdetavad. Siiski on võimalik ka teine lähenemine, mis võimaldab sisestada summa üldjuhul. Teame, et kogu info olekute ja vaadeldavate kohta saadakse mõõtmiste tulemusena, mistõttu on mõistlik eeldada, et olekuid on piisavalt, et eristada neist vaadeldavaid ja samamoodi on piisavalt vaadeldavaid, et eristada olekuid neist.
Täpsemalt eeldame, et võrdsusest
kehtib mis tahes oleku a kohta, järeldub, et vaadeldavad a ja b langevad kokku ja võrdsusest
kehtib mis tahes vaadeldava a puhul, järeldub sellest, et RIIGID ja .
Esimene tehtud eeldustest võimaldab määratleda vaadeldavate näitajate summa sellise vaadeldavana, mille puhul kehtib võrdsus
igas olukorras a. Märgime kohe, et see võrdsus on üldtuntud tõenäosusteooria teoreemi väljend summa keskmise väärtuse kohta ainult juhul, kui vaadeldavatel a ja b on ühine jaotusfunktsioon. Selline üldine jaotusfunktsioon saab eksisteerida (ja on kvantmehaanikas tõepoolest olemas) ainult samaaegselt mõõdetavate suuruste puhul. Sel juhul langeb summa määramine valemiga (5) kokku varasemaga. Toote sarnane määratlus on võimatu, kuna toote keskmine
ei ole võrdne keskmiste korrutisega isegi samaaegselt mõõdetavate vaatluste korral.
Summa (5) definitsioon ei sisalda ühtegi viidet vaadeldava mõõtmise meetodi kohta, kasutades vaadeldavate a ja b tuntud mõõtmismeetodeid ja on selles mõttes kaudne.
Et anda aimu, kuidas vaadeldavate summade mõiste võib erineda tavapärasest juhuslike suuruste summa mõistest, toome näite vaadeldavast summast, mida uuritakse üksikasjalikumalt hiljem. Lase
Vaadeldav H (ühemõõtmelise harmoonilise ostsillaatori energia) on kahe vaadeldava summa summa, mis on võrdeline impulsi ja asukoha ruutudega. Näeme, et need viimased vaadeldavad väärtused võivad omandada mis tahes mittenegatiivseid arvväärtusi, samas kui vaadeldava H väärtused peavad ühtima numbritega, kus, st vaadeldav H diskreetsete arvväärtustega on vaadeldavate väärtuste summa pidevad väärtused.
Tegelikult taanduvad kõik meie eeldused tõsiasjale, et kvantmehaanika konstrueerimisel on mõistlik säilitada klassikalise mehaanika vaadeldavate objektide algebra struktuur, kuid me peaksime loobuma selle algebra realiseerimisest funktsioonide järgi faasiruumis, kuna me võimaldama üheaegselt mõõtmatute jälgitavate objektide olemasolu.
Meie vahetu ülesanne on kontrollida, kas on olemas vaadeldavate objektide algebra teostus, mis erineb klassikalise mehaanika teostusest. Järgmises osas toome näite sellise teostuse kohta, konstrueerides kvantmehaanika lõpliku mõõtmelise mudeli. Selles mudelis on vaadeldavate objektide algebra -dimensioonilise kompleksruumi iseliituvate operaatorite algebra. Seda lihtsustatud mudelit uurides saame jälgida kvantteooria põhijooni. Samas, olles andnud konstrueeritud mudelile füüsilise tõlgenduse, näeme, et see on tegelikkusele vastamiseks liiga kehv. Seetõttu ei saa lõpliku mõõtmega mudelit pidada kvantmehaanika lõplikuks versiooniks. Selle mudeli täiustamine - selle asendamine keeruka Hilberti ruumiga - tundub aga väga loomulik.
Sõna "kvant" pärineb ladina keelest kvant("kui palju, kui palju") ja inglise keeles kvant(“kogus, portsjon, kvant”). "Mehaanika" on pikka aega olnud aine liikumise teaduse nimetus. Seetõttu tähendab mõiste "kvantmehaanika" teadust aine osade kaupa liikumisest (või tänapäeva teaduskeeles liikumise teadust kvantimine asi). Mõiste "kvant" võttis kasutusele saksa füüsik Max Planck. cm. Plancki konstant), et kirjeldada valguse vastasmõju aatomitega.
Kvantmehaanika on sageli vastuolus meie terve mõistuse kontseptsioonidega. Ja seda kõike sellepärast, et terve mõistus ütleb meile asju, mis on võetud igapäevakogemusest ja meie igapäevakogemuses peame tegelema ainult suurte objektide ja makromaailma nähtustega ning aatomi- ja subatomilisel tasandil käituvad aineosakesed täiesti erinevalt. Heisenbergi määramatuse printsiip kirjeldab täpselt nende erinevuste tähendust. Makromaailmas saame usaldusväärselt ja üheselt määrata mis tahes objekti (näiteks selle raamatu) asukoha (ruumilised koordinaadid). Pole vahet, kas kasutame joonlauda, radarit, sonari, fotomeetriat või mõnda muud mõõtmismeetodit, mõõtmistulemused on objektiivsed ja raamatu asukohast sõltumatud (muidugi eeldusel, et oled mõõtmisprotsessis ettevaatlik). See tähendab, et teatud määramatus ja ebatäpsus on võimalikud - kuid ainult mõõteriistade piiratud võimaluste ja vaatlusvigade tõttu. Täpsemate ja usaldusväärsemate tulemuste saamiseks peame lihtsalt võtma täpsema mõõteseadme ja proovima seda vigadeta kasutada.
Kui nüüd on raamatu koordinaatide asemel vaja mõõta mikroosakese, näiteks elektroni koordinaate, siis ei saa enam tähelepanuta jätta ka mõõteseadme ja mõõteobjekti vastastikmõjusid. Joonlaua või muu mõõteseadme mõjujõud raamatule on tühine ega mõjuta mõõtmistulemusi, kuid elektroni ruumikoordinaatide mõõtmiseks on meil vaja käivitada footon, teine elektron või mõni muu elementaarosake. energiad, mis on võrreldavad mõõdetud elektroniga selle suunas ja mõõdavad selle hälvet. Kuid samal ajal muudab elektron ise, mis on mõõtmisobjekt, selle osakesega interaktsiooni tulemusena oma asukohta ruumis. Seega toob mõõtmise toiming kaasa mõõdetava objekti asukoha muutumise ja mõõtmise ebatäpsuse määrab mõõtmise fakt, mitte kasutatud mõõteseadme täpsusaste. See on olukord, millega oleme sunnitud mikrokosmoses leppima. Mõõtmine on võimatu ilma interaktsioonita ja interaktsioon on võimatu ilma mõõdetavat objekti mõjutamata ja sellest tulenevalt mõõtmistulemusi moonutamata.
Selle interaktsiooni tulemuste kohta saab öelda ainult üht:
ruumiliste koordinaatide määramatus × osakeste kiiruse määramatus > h/m,
või matemaatilises mõttes:
Δ x × Δ v > h/m
kus Δ x ja Δ v- vastavalt osakese ruumilise asukoha ja kiiruse määramatus, h - Plancki konstant ja m- osakeste mass.
Sellest lähtuvalt tekib ebakindlus mitte ainult elektroni, vaid ka mis tahes subatomaarse osakese ruumiliste koordinaatide ja mitte ainult koordinaatide, vaid ka osakeste muude omaduste, näiteks kiiruse, määramisel. Iga sellise osakeste omavahel seotud karakteristikute paari mõõtmisviga määratakse sarnasel viisil (teise paari näiteks on elektroni kiirgav energia ja ajaperiood, mille jooksul see emiteeritakse). See tähendab, et kui meil õnnestus näiteks suure täpsusega mõõta elektroni ruumilist asendit, siis samal ajahetkel meil on selle kiirusest vaid kõige ähmane ettekujutus ja vastupidi. Reaalsetel mõõtmistel see nende kahe äärmuseni loomulikult ei küüni ja olukord on alati kuskil keskel. See tähendab, et kui meil oleks võimalik mõõta näiteks elektroni asukohta täpsusega 10 -6 m, siis saame üheaegselt mõõta selle kiirust parimal juhul 650 m/s täpsusega.
Määramatuse printsiibi tõttu on kvantmikromaailma objektide kirjeldus teistsuguse iseloomuga kui tavaline Newtoni makromaailma objektide kirjeldus. Ruumikoordinaatide ja kiiruse asemel, mida oleme harjunud kirjeldama mehaanilist liikumist, näiteks palli piljardilaual, kirjeldavad kvantmehaanikas objekte nn. lainefunktsioon.“Laine” hari vastab maksimaalsele tõenäosusele osakese ruumist mõõtmise hetkel leida. Sellise laine liikumist kirjeldab Schrödingeri võrrand, mis ütleb meile, kuidas kvantsüsteemi olek ajas muutub.
Schrödingeri võrrandiga joonistatud pilt mikromaailma kvantsündmustest on selline, et osakesi võrreldakse üksikute hiidlainetega, mis levivad piki ookeaniruumi pinda. Aja jooksul liigub laine hari (mis vastab osakese, näiteks elektroni, ruumist leidmise suurimale tõenäosusele) läbi ruumi vastavalt lainefunktsioonile, mis on selle diferentsiaalvõrrandi lahendus. Sellest tulenevalt on sellel, mida me kvanttasandil traditsiooniliselt osakeseks peame, mitmeid lainetele iseloomulikke omadusi.
Mikromaailma objektide laine- ja korpuskulaarsete omaduste koordineerimine ( cm. De Broglie suhe) sai võimalikuks pärast seda, kui füüsikud nõustusid käsitlema kvantmaailma objekte mitte osakestena või lainetena, vaid millekski vahepealseks ja millel on nii lainelised kui korpuskulaarsed omadused; Newtoni mehaanikas pole sellistele objektidele analooge. Kuigi isegi sellise lahenduse korral on kvantmehaanikas veel palju paradokse ( cm. Belli teoreem), pole keegi veel paremat mudelit mikromaailmas toimuvate protsesside kirjeldamiseks välja pakkunud.
Kvantmehaanika aluspõhimõteteks on W. Heisenbergi määramatuse printsiip ja N. Bohri komplementaarsuse printsiip.
Määramatuse printsiibi järgi on võimatu üheaegselt täpselt määrata osakese asukohta ja selle impulsi. Mida täpsemalt määratakse osakese asukoht või koordinaat, seda ebakindlamaks muutub selle impulss. Ja vastupidi, mida täpsemalt impulss on määratletud, seda ebakindlamaks jääb selle asukoht.
Seda põhimõtet saab illustreerida T. Jungi interferentsikatse abil. See katse näitab, et kui valgus läbib läbipaistmatul ekraanil kahe tihedalt asetseva väikese augu süsteemi, ei käitu see mitte sirgjooneliselt levivate osakeste, vaid interakteeruvate lainetena, mille tulemusena tekib ekraani taga asuvale pinnale interferentsmuster. vahelduvate heledate ja tumedate triipude kujul Kui korraga jäetakse lahti ainult üks auk, siis footonite jaotuse interferentsmuster kaob.
Selle katse tulemusi saate analüüsida järgmise mõtteeksperimendi abil. Elektroni asukoha määramiseks tuleb see valgustada ehk suunata sellele footon. Kahe elementaarosakese kokkupõrke korral saame täpselt arvutada elektroni koordinaadid (määratakse asukoht, kus see kokkupõrke hetkel oli). Kokkupõrke tagajärjel muudab elektron aga paratamatult oma trajektoori, kuna kokkupõrke tulemusena kandub talle footonist edasi hoog. Seega, kui me täpselt määrame elektroni koordinaadi, kaotame samal ajal teadmise selle edasise liikumise trajektoori kohta. Elektroni ja footoni kokkupõrke mõtteeksperiment on analoogne Youngi katses ühe augu sulgemisega: kokkupõrge footoniga on analoogne ühe ekraanil oleva augu sulgumisega: selle korral sulgemisel interferentsmuster hävib või (mis on sama) elektroni trajektoor muutub ebakindlaks.
Määramatuse printsiibi tähendus. Määramatuse seos tähendab, et klassikalise Newtoni dünaamika põhimõtteid ja seadusi ei saa kasutada mikroobjekte hõlmavate protsesside kirjeldamiseks.
Sisuliselt tähendab see põhimõte determinismi tagasilükkamist ja juhuslikkuse põhirolli tunnustamist mikroobjekte hõlmavates protsessides. Klassikalises kirjelduses kasutatakse juhuslikkuse mõistet statistiliste ansamblite elementide käitumise kirjeldamiseks ja see on vaid kirjelduse terviklikkuse tahtlik ohverdamine ülesande lahendamise lihtsustamise nimel. Mikromaailmas on objektide käitumise täpne prognoos, andes selle klassikalise kirjelduse jaoks traditsiooniliste parameetrite väärtused, üldiselt võimatu. Selle üle käib endiselt elav arutelu: klassikalise determinismi pooldajad, eitamata võimalust kasutada kvantmehaanika võrrandeid praktilistes arvutustes, näevad juhuslikkuses arvesse meie ebatäieliku arusaama mikrode käitumist reguleerivatest seadustest. -objektid, mis on meie jaoks veel ettearvamatud. A. Einstein oli selle lähenemise pooldaja. Olles nüüdisaegse loodusteaduse rajaja, kes julges revideerida klassikalise käsitluse vankumatuna näivaid seisukohti, ei pidanud ta võimalikuks loobuda determinismi printsiibist loodusteaduses. A. Einsteini ja tema toetajate seisukoha selles küsimuses saab sõnastada tuntud ja väga kujundliku väitega, et väga raske on uskuda Jumala olemasolusse, kes iga kord täringuid viskab mikro käitumise kohta otsuseid langetades. -objektid. Kuid siiani ei ole avastatud eksperimentaalseid fakte, mis viitaksid sisemiste mehhanismide olemasolule, mis kontrollivad mikroobjektide "juhuslikku" käitumist.
Tuleb rõhutada, et mõõtemääramatuse põhimõtet ei seostata mõõtevahendite konstruktsiooni puudustega. Põhimõtteliselt on võimatu luua seadet, mis samavõrra täpselt mõõdaks mikroosakese asendit ja impulssi. Määramatuse printsiip avaldub looduse laine-osakeste dualismis.
Samuti tuleneb määramatuse printsiibist, et kvantmehaanika lükkab tagasi klassikalises loodusteaduses postuleeritud põhimõttelise võimaluse teha mõõtmisi ja vaatlusi objekte ja nendega toimuvaid protsesse, mis ei mõjuta uuritava süsteemi arengut.
Määramatuse põhimõte on üldisema komplementaarsuse põhimõtte erijuht. Komplementaarsuse printsiibist järeldub, et kui mis tahes katses saame vaadelda füüsikalise nähtuse ühte külge, siis samal ajal võetakse meilt võimalus vaadelda nähtuse esimesele küljele täiendavat külge. Täiendavad omadused, mis ilmnevad ainult erinevates üksteist välistavates tingimustes tehtud katsetes, võivad olla osakese asukoht ja impulss, aine või kiirguse laine ja korpuskulaarsus.
Superpositsiooni põhimõte on kvantmehaanikas oluline. Superpositsiooni printsiip (sundimise printsiip) on eeldus, et tekkiv efekt kujutab endast iga mõjutava nähtuse poolt eraldi tekitatud mõjude summat. Üks lihtsamaid näiteid on rööpkülikureegel, mille järgi liidetakse kaks kehale mõjuvat jõudu. Mikromaailmas on superpositsiooniprintsiip aluspõhimõte, mis koos määramatuse printsiibiga moodustab kvantmehaanika matemaatilise aparaadi aluse. Relativistlikus kvantmehaanikas, mis eeldab elementaarosakeste vastastikust teisendamist, tuleb superpositsiooni printsiipi täiendada supervaliku printsiibiga. Näiteks elektroni ja positroni annihilatsioonil lisandub superpositsiooni printsiibile elektrilaengu jäävuse printsiip - enne ja pärast teisendust peab osakeste laengute summa olema konstantne. Kuna elektroni ja positroni laengud on võrdsed ja vastastikku vastandlikud, peab tekkima laenguta osake, milleks on selles annihilatsiooniprotsessis sündinud footon.
Kui mõistsite järsku, et olete unustanud kvantmehaanika põhitõed ja postulaadid või isegi ei tea, mis mehaanika see on, siis on aeg värskendada oma mälu selle teabe kohta. Lõppude lõpuks ei tea keegi, millal võib kvantmehaanikast elus kasu olla.
Asjata irvitate ja irvitate, mõeldes, et te ei pea kunagi oma elus selle teemaga tegelema. Lõppude lõpuks võib kvantmehaanika olla kasulik peaaegu kõigile inimestele, isegi neile, kes on sellest lõpmatult kaugel. Näiteks on teil unetus. Kvantmehaanika jaoks pole see probleem! Lugege õpikut enne magamaminekut – ja jääte kolmandal leheküljel sügavasse unne. Või võite oma lahedat rokkbändi nii nimetada. Miks mitte?
Kui naljad kõrvale jätta, alustame tõsist kvantvestlust.
Kust alustada? Muidugi, alustades sellest, mis on kvant.
Kvant
Kvant (ladina keelest quantum - "kui palju") on mõne füüsilise suuruse jagamatu osa. Näiteks öeldakse – valguskvant, energiakvant või väljakvant.
Mida see tähendab? See tähendab, et seda lihtsalt ei saa vähem olla. Kui nad ütlevad, et mingi kogus on kvantiseeritud, mõistavad nad, et see kogus omandab mitmeid konkreetseid, diskreetseid väärtusi. Seega kvantiseeritakse elektroni energia aatomis, valgus jaotub "osadena", see tähendab kvantides.
Mõistel "kvant" on palju kasutusvõimalusi. Valguse kvant (elektromagnetväli) on footon. Analoogiliselt on kvantid osakesed või kvaasiosakesed, mis vastavad teistele interaktsiooniväljadele. Siin võib meenutada kuulsat Higgsi bosonit, mis on Higgsi välja kvant. Kuid me ei lähe veel nendesse džunglitesse.
Mannekeenide kvantmehaanika Kuidas saab mehaanika olla kvant?
Nagu olete juba märganud, mainisime oma vestluses palju kordi osakesi. Võib-olla olete harjunud, et valgus on laine, mis lihtsalt levib kiirusega Koos . Aga kui vaadata kõike kvantmaailma ehk osakeste maailma vaatenurgast, muutub kõik tundmatuseni.
Kvantmehaanika on teoreetilise füüsika haru, kvantteooria komponent, mis kirjeldab füüsikalisi nähtusi kõige elementaarsemal tasemel – osakeste tasandil.
Selliste nähtuste mõju on suurusjärgus võrreldav Plancki konstandiga ning Newtoni klassikaline mehaanika ja elektrodünaamika osutusid nende kirjeldamiseks täiesti sobimatuks. Näiteks klassikalise teooria kohaselt peaks elektron, mis pöörleb suurel kiirusel ümber tuuma, kiirgama energiat ja lõpuks langema tuumale. Seda, nagu me teame, ei juhtu. Sellepärast leiutati kvantmehaanika - avastatud nähtusi tuli kuidagi seletada ja see osutus just teooriaks, mille raames oli seletus kõige vastuvõetavam, ja kõik katseandmed “konvergenid”.
Muideks! Meie lugejatele on nüüd 10% allahindlus
Natuke ajalugu
Kvantteooria sündis aastal 1900, kui Max Planck esines Saksa Füüsika Seltsi koosolekul. Mida Planck siis ütles? Ja asjaolu, et aatomite kiirgus on diskreetne ja väikseim osa selle kiirguse energiast on võrdne
Kus h on Plancki konstant, siis nu on sagedus.
Seejärel kasutas Albert Einstein, kes tutvustas "valguse kvanti" mõistet, Plancki hüpoteesi fotoelektrilise efekti selgitamiseks. Niels Bohr postuleeris statsionaarsete energiatasemete olemasolu aatomis ja Louis de Broglie töötas välja idee laine-osakeste duaalsusest, st et osakesel (kehal) on ka lainelised omadused. Schrödinger ja Heisenberg ühinesid eesmärgiga ning 1925. aastal avaldati esimene kvantmehaanika formuleering. Tegelikult pole kvantmehaanika kaugeltki täielik teooria; see areneb praegu aktiivselt. Samuti tuleks tunnistada, et kvantmehaanika oma eeldustega ei suuda selgitada kõiki tema ees seisvaid küsimusi. On täiesti võimalik, et see asendatakse arenenuma teooriaga.
Kvantmaailmast meile tuttavate asjade maailma üleminekul muunduvad kvantmehaanika seadused loomulikult klassikalise mehaanika seadusteks. Võib öelda, et klassikaline mehaanika on kvantmehaanika erijuhtum, kui tegevus toimub meile tuttavas ja tuttavas makromaailmas. Siin liiguvad kehad rahulikult mitteinertsiaalsetes võrdlusraamides valguse kiirusest palju väiksema kiirusega ning üldiselt on kõik ümberringi rahulik ja selge. Kui soovite teada keha asukohta koordinaatsüsteemis, pole probleemi; kui soovite mõõta impulssi, olete teretulnud.
Kvantmehaanika lähenemine sellele küsimusele on täiesti erinev. Selles on füüsikaliste suuruste mõõtmistulemused oma olemuselt tõenäosuslikud. See tähendab, et teatud väärtuse muutumisel on võimalikud mitmed tulemused, millest igaühel on teatud tõenäosus. Toome näite: laual keerleb münt. Kui see pöörleb, ei ole see üheski kindlas olekus (pead-sabad), vaid sellel on ainult tõenäosus, et see jõuab ühte neist olekutest.
Siin me tasapisi läheneme Schrödingeri võrrand Ja Heisenbergi määramatuse printsiip.
Legendi järgi kritiseeris Erwin Schrödingerit 1926. aastal teaduslikul seminaril laine-osakeste duaalsuse teemal teatud vanemteadlane. Keeldudes kuulamast oma vanemaid, hakkas Schrödinger pärast seda juhtumit aktiivselt välja töötama lainevõrrandit osakeste kirjeldamiseks kvantmehaanika raames. Ja ta tegi seda suurepäraselt! Schrödingeri võrrand (kvantmehaanika põhivõrrand) on järgmine:
Seda tüüpi võrrand, ühemõõtmeline statsionaarne Schrödingeri võrrand, on kõige lihtsam.
Siin on x osakese kaugus või koordinaat, m on osakese mass, E ja U on vastavalt selle kogu- ja potentsiaalne energia. Selle võrrandi lahendus on lainefunktsioon (psi)
Lainefunktsioon on kvantmehaanika teine põhikontseptsioon. Niisiis, igal kvantsüsteemil, mis on mingis olekus, on lainefunktsioon, mis kirjeldab seda olekut.
Näiteks, ühemõõtmelise statsionaarse Schrödingeri võrrandi lahendamisel kirjeldab lainefunktsioon osakese asukohta ruumis. Täpsemalt osakese leidmise tõenäosus teatud ruumipunktis. Teisisõnu näitas Schrödinger, et tõenäosust saab kirjeldada lainevõrrandiga! Nõus, oleksime pidanud sellele varem mõtlema!
Aga miks? Miks me peame tegelema nende arusaamatute tõenäosuste ja lainefunktsioonidega, kui näib, et pole midagi lihtsamat kui lihtsalt osakese kauguse või selle kiiruse võtmine ja mõõtmine.
Kõik on väga lihtne! Tõepoolest, makrokosmoses see tõesti nii on - me mõõdame mõõdulindiga teatud täpsusega vahemaid ja mõõtmisvea määravad seadme omadused. Teisest küljest saame peaaegu täpselt silma järgi määrata kauguse objektist, näiteks lauast. Igal juhul eristame täpselt selle asukohta ruumis meie ja teiste objektide suhtes. Osakeste maailmas on olukord põhimõtteliselt teistsugune – meil lihtsalt pole füüsiliselt mõõtmisvahendeid vajalike koguste täpseks mõõtmiseks. Mõõteriist puutub ju mõõdetava objektiga vahetult kokku ja meie puhul on nii objekt kui instrument osakesed. Just see ebatäiuslikkus, põhimõtteline võimatus arvesse võtta kõiki osakest mõjutavaid tegureid, aga ka tõsiasi, et süsteemi olek muutub mõõtmise mõjul, on Heisenbergi määramatuse printsiibi aluseks.
Anname selle lihtsaima sõnastuse. Kujutagem ette, et mingi osake on olemas ja me tahame teada selle kiirust ja koordinaati.
Selles kontekstis väidab Heisenbergi määramatuse printsiip, et osakese asukohta ja kiirust üheaegselt täpselt mõõta on võimatu. . Matemaatiliselt on see kirjutatud nii:
Siin on delta x viga koordinaadi määramisel, delta v on viga kiiruse määramisel. Rõhutagem, et see põhimõte ütleb, et mida täpsemalt me koordinaadi määrame, seda vähem täpselt saame teada kiirust. Ja kui me määrame kiiruse, pole meil vähimatki aimu, kus osake asub.
Määramatuse printsiibi teemal on palju nalju ja anekdoote. Siin on üks neist:
Politseinik peatab kvantfüüsiku.
- Sir, kas sa tead, kui kiiresti sa liikusid?
- Ei, aga ma tean täpselt, kus ma olen.
Ja loomulikult tuletame teile meelde! Kui potentsiaalikaevus oleva osakese Schrödingeri võrrandi lahendamine mingil põhjusel ärkvel hoiab, pöörduge professionaalide poole, keda kasvatati kvantmehaanika huulil!
Esitused aatomituuma füüsikas
Kvantmehaanika tekkimine.
Kvantmehaanika on füüsikaline teooria, mis uurib liikumist mikrotasandil.
Juba 19. sajandi lõpul kaldus enamik teadlasi seisukohale, et füüsiline maailmapilt on põhimõtteliselt üles ehitatud ja jääb vankumatuks ka tulevikus. Täpsustamiseks jäävad vaid üksikasjad. Kuid esimest korda 20. sajandi aastakümnetel muutusid füüsilised vaated radikaalselt. See oli teaduslike avastuste "kaskaadi" tagajärg, mis tehti ülilühikese ajaloolise perioodi jooksul, mis hõlmas 19. sajandi viimaseid ja 20. sajandi esimesi kümnendeid.
1896. aastal avastas prantsuse füüsik Antoine Henri Becquerel (1852-1908) uraanisoola spontaanse emissiooni fenomeni.
Tema uurimistöö hõlmas prantsuse füüsikuid, abikaasasid Pierre Curie (1859-1906) ja Marie Skłodowska-Curie (1867-1934). 1898. aastal avastati uued elemendid, millel oli ka omadus eraldada "Becquereli kiiri" - poloonium ja raadium. Curies nimetas seda omadust radioaktiivsuseks.
Ja aasta varem, 1897. aastal, avastas inglise füüsik Joseph John Thomson (1856-1940) Cambridge'i Cavendishi laboris gaaside (katoodkiired) elektrilahendust uurides esimese elementaarosakese - elektroni.
1911. aastal pakkus kuulus inglise füüsik Ernest Rutherford (1871-1937) välja oma aatomimudeli, mida nimetati planetaarseks.
N. Bohr, teades Rutherfordi mudelit ja aktsepteerides seda esialgsena, töötas 1913. aastal välja aatomistruktuuri kvantteooria.
Kvantmehaanika põhimõtted
Heisenbergi määramatuse põhimõte: "Kvantosakese koordinaate ja kiirust on võimatu üheaegselt täpselt määrata"
Kahekümnenda sajandi esimesel veerandil oli just selline füüsikute reaktsioon, kui nad hakkasid uurima aine käitumist aatomi- ja alaatomitasandil.
Heisenbergi printsiip mängib kvantmehaanikas võtmerolli kasvõi juba sellepärast, et see seletab üsna selgelt, kuidas ja miks erineb mikromaailm meile tuttavast materiaalsest maailmast.
Näiteks raamatu leidmiseks vaatate ruumi sisenedes sellel ringi, kuni see peatub. Füüsika keeles tähendab see seda, et tegid visuaalse mõõtmise (otsides leidsid raamatu) ja said tulemuse - salvestasid selle ruumilised koordinaadid (määrasid raamatu asukoha ruumis).
1920. aastate alguses, kvantmehaanika loomiseni viinud loomingulise mõtte plahvatusliku tõusu ajal, mõistis selle probleemi esimesena noor saksa teoreetiline füüsik Werner Heisenberg. Ta sõnastas määramatuse põhimõte, nüüd tema järgi nime saanud:
Mõiste "ruumilise koordinaadi määramatus" tähendab täpselt seda, et me ei tea osakese täpset asukohta. Näiteks kui kasutate raamatu asukoha määramiseks globaalset GPS-süsteemi, arvutab süsteem need välja 2-3 meetrise täpsusega. Ja siit jõuamegi kõige põhimõttelisema erinevuseni mikromaailma ja meie igapäevase füüsilise maailma vahel. Tavamaailmas keha asukoha ja kiiruse mõõtmine ruumis, meil pole sellele praktiliselt mingit mõju. Nii et ideaalis saame samaaegselt mõõta absoluutselt täpselt (teisisõnu nullmääramatusega) nii objekti kiirust kui ka koordinaate. Oletame, et meil on vaja fikseerida elektroni ruumiline asukoht. Meil on ikkagi vaja mõõteriista, mis hakkab suhtlema elektroniga ja tagastab detektoritele signaali koos teabega selle asukoha kohta.
Kui meil õnnestub määrata üks mõõdetud suurustest nullveaga (absoluutselt täpselt), võrdub teise suuruse määramatus lõpmatusega ja me ei tea sellest üldse midagi. Teisisõnu, kui suudaksime kvantosakese koordinaadid absoluutselt täpselt paika panna, poleks meil selle kiirusest vähimatki aimu; Kui suudaksime osakese kiirust täpselt registreerida, poleks meil aimugi, kus see asub.
Määramatuse põhimõte ei takista meid mõõtmast kõiki neid suurusi soovitud täpsusega. Ta vaid väidab, et meie ei suuda tean mõlemat korraga usaldusväärselt.
Heisenbergi seose võtmeks on mõõteosake-objekti ja mõõtevahendi vaheline interaktsioon, mis mõjutab selle tulemusi.
N. Bohri komplementaarsuse põhimõte: “ Mikromaailma objekte kirjeldatakse nii osakeste kui ka lainetena ning üks kirjeldus täiendab teist.
Igapäevaelus on energia ülekandmiseks ruumis kaks võimalust – läbi osakeste või lainete. Näiteks selleks, et lüüa doomino laualt, mis balansseeris selle serval, saab sellele vajaliku energia anda kahel viisil. Esiteks võite visata sellele teise doomino (st osakese abil punktimpulsi üle kanda). Teiseks võite ehitada rea doominoklotsid ketti, mis viib laua serval oleva juurde, ja kukutada esimese teise peale: sel juhul edastatakse impulss mööda ketti - teine doomino kukub. kolmas, kolmas kukutab neljanda jne. See on energiaülekande laineprintsiip. Igapäevaelus ei ole kahe energiaülekande mehhanismi vahel nähtavaid vastuolusid. Niisiis, korvpall on osake ja heli on laine ning kõik on selge.
Kvantmehaanikas pole asjad aga nii lihtsad. Ka kõige lihtsamatest kvantobjektidega tehtud katsetest selgub väga kiiresti, et mikromaailmas meile tuttavad makromaailma põhimõtted ja seadused ei kehti. Valgus, mida oleme harjunud pidama laineks, käitub mõnikord nii, nagu koosneks see osakeste voost ( footonid) ja elementaarosakestel, nagu elektron või isegi massiivne prooton, on sageli laine omadused. Kui "tulistate" elektrone ükshaaval, jätab igaüks neist ekraanile selge jälje - see tähendab, et nad käituvad nagu osake. Kõige huvitavam on see, et sama juhtub siis, kui elektronkiire asemel võtate footonikiire: kiires käituvad nad nagu lained ja üksikult nagu osakesed.
Teisisõnu, mikromaailmas näivad osakestena käituvad objektid samal ajal "mäletavat" oma lainelist olemust ja vastupidi. Seda mikromaailma objektide kummalist omadust nimetatakse kvantlaine duaalsus.
Komplementaarsuse põhimõte on selle fakti lihtne väide. Selle põhimõtte kohaselt, kui mõõta kvantobjekti kui osakese omadusi, näeme, et see käitub nagu osake. Kui me mõõdame selle laineomadusi, käitub see meie jaoks nagu laine. Mõlemad ideed ei ole üksteisega üldse vastuolus – nad on täpselt täiendadaüksteist, mis kajastub põhimõtte nimetuses.
Aatomi struktuur.
Aatomi struktuuri planetaarne mudel pakuti välja Rutherfordi aatomituuma avastamise tulemusena:
1. Aatomi keskmes on positiivselt laetud tuum, mis võtab enda alla ebaolulise osa aatomi sees olevast ruumist.
2. Kogu positiivne laeng ja peaaegu kogu aatomi mass on koondunud selle tuuma (elektroni mass on 1/1823 amü).
3.Elektronid pöörlevad ümber tuuma suletud orbiitidel. Nende arv on võrdne tuuma laenguga.
Aatomituum
Aatomi tuum koosneb prootonitest ja neutronitest (tavaliselt nimetatakse neid nukleoniteks). Seda iseloomustavad kolm parameetrit: A on massiarv, Z on tuuma laeng, mis on võrdne prootonite arvuga ja N on neutronite arv tuumas. Need parameetrid on omavahel seotud suhte kaudu:
A = Z + N.
Prootonite arv tuumas on võrdne elemendi aatomnumbriga.
Tuumalaeng kirjutatakse tavaliselt elemendi sümboli all vasakule ja massiarv vasakule ülaossa (tuumalaeng jäetakse sageli välja).
Näide 40 18 Ar: selle aatomi tuum sisaldab 18 prootonit ja 22 neutronit.
Aatomeid, mille tuumad sisaldavad sama palju prootoneid ja erineva arvu neutroneid, nimetatakse isotoopideks, näiteks: 12/6C ja 13/6C. Vesiniku isotoopidel on erisümbolid ja nimetused: 1 H - protium, 2 D - deuteerium, 3 T - triitium. Isotoopide keemilised omadused on identsed, kuid mõned füüsikalised omadused erinevad väga vähe.
Radioaktiivsus
Radioaktiivsus- see on ebastabiilsuse spontaanne, spontaanne transformatsioon aatomi tuumad teiste elementide tuumadesse, millega kaasneb osakeste emissioon. Vastavaid elemente nimetati radioaktiivseteks ehk radionukleiidideks.
1899. aastal avastas E. Rutherford katsete tulemusena, et radioaktiivne kiirgus on ebahomogeenne ja laguneb tugeva magnetvälja mõjul kaheks komponendiks, a- ja b-kiirguseks. Kolmanda komponendi, g-kiired, avastas prantsuse füüsik P. Villard 1900. aastal.
Gammakiired põhjustavad aine aatomite ionisatsiooni. Peamised protsessid, mis toimuvad gammakiirguse läbimisel ainest:
Fotoelektriline efekt - gammakiirguse energia neeldub aatomi kestas oleva elektroni poolt ja elektron, täites tööfunktsiooni, lahkub aatomist (mis ioniseerub, s.t muutub iooniks).
Elektronide väljalöömine juhtivate materjalide pinnalt valguse toimel on tänapäeval igapäevaelus laialdaselt kasutatav nähtus. Näiteks mõned häiresüsteemid töötavad nähtava või infrapunavalguse kiirte edastamise teel fotogalvaaniline element, millest elektronid koputatakse välja, tagades selle ahela elektrijuhtivuse, milles see sisaldub. Kui valguskiire teele ilmub takistus, lakkab valgus andurile tulema, elektronide voog peatub, vooluahel katkeb - ja käivitub elektrooniline häire.
Kiiritamine γ-kiirtega võib sõltuvalt annusest ja kestusest põhjustada kroonilist ja ägedat kiiritushaigust. Kiirguse mõjud hõlmavad erinevat tüüpi vähki. Samal ajal pärsib gammakiirgus vähi ja teiste kiiresti jagunevate rakkude kasvu. Gammakiirgus on mutageenne tegur.
Gammakiirguse rakendused:
Gammavigade tuvastamine, toodete kontroll γ-kiirtega läbivalgustamisel.
Toidu säilitamine.
Meditsiinimaterjalide ja -seadmete steriliseerimine.
Kiiritusravi.
Tasememõõturid
Gamma kõrgusmõõturid, mis mõõdavad kaugust maapinnast kosmoselaevade maandumisel.
Vürtside, terade, kala, liha ja muude toodete gammasteriliseerimine säilivusaja pikendamiseks.
Radioaktiivsuse tüübid
Aatomituuma lõhustumine võib olla spontaanne (spontaanne) ja sunnitud (koostoime tulemusena teiste osakestega, eelkõige neutronitega). Raskete tuumade lõhustumine on eksotermiline protsess, mille tulemusena vabaneb suur hulk energiat reaktsioonisaaduste kineetilise energia, aga ka kiirguse näol. Tuuma lõhustumine toimib tuumareaktorites ja tuumarelvades energiaallikana. On kindlaks tehtud, et kõik CC keemilised elemendid, mille seerianumber on suurem kui 82, on radioaktiivsed (st alates vismutist) ja mõned kergemad elemendid (promeetiumil ja tehneetsiumil ei ole stabiilseid isotoope ning mõned elemendid, näiteks indium, kaalium või kaltsium, ainult looduslikud isotoobid on stabiilsed, teised on radioaktiivsed).
1913. aasta kevadel sõnastas Soddy reegli:
α-osakeste emissioon vähendab aatommassi 4 võrra ja nihutab seda piki PS-i 2 kohta vasakule.
β-osakeste emissioon nihutab elementi 1 koha võrra paremale, peaaegu ilma selle massi muutmata