Bilim
Kuantum fiziği, evrenimizdeki en küçük şeylerin davranışının incelenmesiyle ilgilenir: atom altı parçacıklar. Bu nispeten yeni bir bilimdir, ancak fizikçilerin radyasyonun bazı etkilerini neden açıklayamadıklarını merak etmeye başladıktan sonra 20. yüzyılın başlarında bir bilim haline geldi. Zamanın yenilikçilerinden biri olan Max Planck, enerjili küçük parçacıkları incelemek için "kuanta" terimini kullandı, dolayısıyla "kuantum fiziği" adını aldı. Planck, elektronlarda bulunan enerji miktarının keyfi olmadığını, ancak "kuantum" enerjisinin standartlarına uygun olduğunu kaydetti. İlk sonuçlardan biri pratik uygulama bu bilgi transistörün icadıydı.
Standart fiziğin esnek olmayan yasalarından farklı olarak, kuantum fiziğinin kuralları çiğnenebilir. Bilim adamları, madde ve enerji çalışmasının bir yönü ile uğraştıklarına inandıklarında, yeni dönüş olaylar, onlara bu alanda ne kadar öngörülemez çalışmaların olabileceğini hatırlatıyor. Bununla birlikte, neler olduğunu tam olarak anlamasalar bile, çalışmalarının sonuçlarını geliştirmek için kullanabilirler. zaman zaman sadece fantastik olarak adlandırılabilecek yeni teknolojiler.
Gelecekte, kuantum mekaniği, askeri sırların saklanmasına yardımcı olabileceği gibi banka hesabınızı siber hırsızlara karşı güvende tutmanıza da yardımcı olabilir. Bilim adamları şu anda yetenekleri geleneksel bir PC'nin sınırlarının çok ötesine geçen kuantum bilgisayarlar üzerinde çalışıyorlar. Atom altı parçacıklara bölünmüş eşyalar göz açıp kapayıncaya kadar kolayca bir yerden başka bir yere taşınabilir. Ve belki de kuantum fiziği, evrenin neyden oluştuğu ve yaşamın nasıl başladığına dair en merak uyandıran soruya cevap verebilecek.
Aşağıda kuantum fiziğinin dünyayı nasıl değiştirebileceğine dair gerçekler var. Niels Bohr'un dediği gibi: "Kuantum mekaniği tarafından şok edilmeyenler, nasıl çalıştığını henüz anlamadılar."
türbülans yönetimi
Yakında, belki de kuantum fiziği sayesinde, bir uçağa meyve suyu dökmenize neden olan çalkantılı bölgeleri ortadan kaldırmak mümkün olacak. Brezilyalı bilim adamları, laboratuarda ultra soğuk gaz atomlarında kuantum türbülansı oluşturarak, uçakların ve teknelerin karşılaştığı türbülanslı bölgelerin işleyişini anlayabilir. Yüzyıllar boyunca türbülans, laboratuvarda yeniden yaratmanın zorluğu nedeniyle bilim adamlarını şaşırttı.
Türbülansa gaz veya sıvı kümeleri neden olur, ancak doğada rastgele ve beklenmedik bir şekilde oluşuyor gibi görünmektedir. Suda ve havada türbülanslı bölgeler oluşabilmesine rağmen, bilim adamları bunların aşırı soğuk gaz atomlarında veya süperakışkan helyumda da oluşabileceğini bulmuşlardır. Bilim adamları, kontrollü laboratuvar koşulları altında bu fenomeni inceleyerek, bir gün türbülanslı bölgelerin nerede ortaya çıkacağını doğru bir şekilde tahmin edebilir ve muhtemelen onları doğada kontrol edebilir.
Spintronik
Massachusetts'te geliştirilen yeni bir manyetik yarı iletken Teknoloji Enstitüsü, gelecekte daha da hızlı, enerji verimli elektronik cihazlara yol açabilir. "Spintronics" olarak adlandırılan bu teknoloji, bilgileri iletmek ve depolamak için elektronların dönüş durumunu kullanır. Geleneksel elektronik devreler yalnızca elektronun şarj durumunu kullanırken, spintronics elektronun dönüş yönünden yararlanır.
Spintronics devrelerini kullanarak bilgilerin işlenmesi, verilerin aynı anda iki yönden toplanmasına izin verecek ve bu da elektronik devrelerin boyutunu azaltacaktır. Bu yeni materyal spin yönüne göre bir yarı iletkene bir elektron enjekte eder. Elektronlar yarı iletkenden geçerek çıkış tarafında spin dedektörü olmaya hazır hale gelirler. Bilim adamları, yeni yarı iletkenlerin oda sıcaklığında çalışabileceğini ve optik olarak şeffaf olduğunu, yani dokunmatik ekranlar ve güneş panelleriyle çalışabileceklerini söylüyor. Ayrıca, mucitlerin daha da zengin özelliklere sahip cihazlar bulmasına yardımcı olacağına inanıyorlar.
paralel dünyalar
Zamanda yolculuk etme yeteneğimiz olsaydı, hayatımızın nasıl olacağını hiç merak ettiniz mi? Hitler'i öldürür müydün? Veya görmek için Roma lejyonlarına katılın Antik Dünya? Bununla birlikte, hepimiz zamanda geriye gidebilseydik ne yapardık hakkında hayaller kurarken, Santa Barbara California Üniversitesi'ndeki bilim adamları, geçmişteki şikayetleri düzeltmenin yolunu şimdiden açıyorlar.
2010 yılındaki bir deneyde, bilim adamları bir nesnenin aynı anda iki farklı durumda var olabileceğini kanıtlayabildiler. farklı dünyalar. Küçük bir metal parçasını izole ettiler ve özel koşullar altında, aynı anda hareket ettiğini ve durduğunu buldular. Bununla birlikte, birisi bu gözlemi aşırı çalışmanın neden olduğu bir hezeyan olarak görebilir, ancak fizikçiler bir nesnenin gözlemlerinin gerçekten onun Evrende iki parçaya ayrıldığını gösterdiğini söylüyor - bunlardan birini görüyoruz, diğerini görmüyoruz. Paralel dünya teorileri, oybirliğiyle, kesinlikle herhangi bir nesnenin parçalandığını söylüyor.
Şimdi bilim adamları, çöküş anını nasıl "atlayacağımızı" ve görmediğimiz dünyaya nasıl gireceğimizi bulmaya çalışıyorlar. Kuantum parçacıkları zamanda hem ileri hem de geri hareket ettiğinden, paralel evrenlere bu zaman yolculuğu teorik olarak çalışmalıdır. Şimdi, bilim adamlarının tek yapması gereken, kuantum parçacıklarını kullanarak bir zaman makinesi yapmak.
kuantum noktaları
Yakında kuantum fizikçileri, doktorların vücuttaki kanser hücrelerini tespit etmelerine ve tam olarak nereye yayıldıklarını belirlemelerine yardımcı olabilecekler. Bilim adamları, kuantum noktaları adı verilen bazı küçük yarı iletken kristallerin, ışığa maruz kaldıklarında parlayabildiğini keşfettiler. morötesi radyasyon ve özel bir mikroskopla fotoğraflandı. Daha sonra kanser hücrelerine “çekici” olan özel bir malzeme ile birleştirildiler. Vücuda girdikten sonra, parlak kuantum noktaları kanser hücrelerine çekildi ve böylece doktorlara tam olarak nereye bakmaları gerektiğini gösterdi. Parlama oldukça uzun bir süre devam eder ve bilim adamları için noktaları belirli bir kanser türünün özelliklerine göre ayarlama süreci nispeten basittir.
Yüksek teknoloji bilimi, birçok tıbbi ilerlemeden kesinlikle sorumlu olsa da, insanlar yüzyıllardır hastalıklarla savaşmak için birçok başka yola bağımlı olmuştur.
Namaz
Bir Kızılderili, şaman şifacı ve kuantum fiziğinin öncülerinin ortak noktalarının neler olabileceğini hayal etmek zor. Ancak yine de aralarında ortak bir şey var. Bu tuhaf bilim alanının ilk araştırmacılarından biri olan Niels Bohr, gerçeklik dediğimiz şeyin çoğunun "gözlemci etkisine", yani olanlarla nasıl gördüğümüz arasındaki bağlantıya bağlı olduğuna inanıyordu. Bu konu, kuantum fizikçileri arasında ciddi tartışmaların gelişmesine yol açtı, ancak Bohr tarafından yarım yüzyıldan fazla bir süre önce yürütülen bir deney, varsayımını doğruladı.
Bütün bunlar, bilincimizin gerçekliği etkilediği ve değiştirebileceği anlamına gelir. Şaman-şifacı töreninin dua ve ritüellerinin tekrarlanan sözleri, gerçekliği yaratan "dalga"nın yönünü değiştirme girişimleri olabilir. Ayinlerin çoğu, birden fazla gözlemcinin huzurunda da gerçekleştirilir; bu, gözlemcilerden ne kadar fazla "şifa dalgası" gelirse, gerçeklik üzerindeki etkilerinin o kadar güçlü olduğunu gösterir.
nesne ilişkisi
Nesnelerin birbirine bağlanması, güneş enerjisi üzerinde ayrıca büyük bir etkiye sahip olabilir. Nesnelerin birbirine bağlanması, gerçek fiziksel uzayda ayrılmış atomların kuantum karşılıklı bağımlılığını ima eder. Fizikçiler, ilişkinin bitkilerin fotosentezden veya ışığın enerjiye dönüştürülmesinden sorumlu kısmında oluşabileceğine inanıyorlar. Fotosentezden sorumlu yapılar olan kromoforlar, aldıkları ışığın yüzde 95'ini enerjiye dönüştürebilir.
Şimdi bilim adamları, kuantum düzeyindeki bu ilişkinin yaratılışı nasıl etkileyebileceğini araştırıyorlar. Güneş enerjisi verimli doğal güneş pilleri oluşturma umuduyla. Araştırmacılar ayrıca, alglerin ışıktan aldığı enerjiyi hareket ettirmek ve aynı anda iki yerde depolamak için bazı kuantum mekaniğini kullanabileceğini buldu.
kuantum hesaplama
Diğer daha az değil önemli yön Kuantum fiziği, özel bir tür süper iletken elemanın bilgisayara benzeri görülmemiş bir hız ve güç verdiği bilgisayar alanına uygulanabilir. Araştırmacılar, elementin yapay atomlar gibi davrandığını, çünkü yalnızca ayrık enerji seviyeleri arasında hareket ederek enerji kazanabileceklerini veya kaybedebileceklerini açıklıyorlar. En karmaşık atomun beş enerji seviyesi vardır. Bu karmaşık sistem ("kudit"), yalnızca iki enerji seviyesine ("qubit") sahip olan önceki atomların çalışmasına göre önemli avantajlara sahiptir. Qudits ve qubit'ler, standart bilgisayarlarda kullanılan bitlerin bir parçasıdır. Kuantum bilgisayarlar, çalışmalarında kuantum mekaniğinin ilkelerini kullanacak ve bu da geleneksel bilgisayarlardan çok daha hızlı ve doğru hesaplamalar yapmalarını sağlayacak.
Bununla birlikte, kuantum hesaplama bir gerçeklik haline gelirse ortaya çıkabilecek bir sorun vardır - kriptografi veya bilginin kodlanması.
kuantum kriptografisi
Kredi kartı numaranızdan çok gizli askeri stratejilere kadar her şey internette var ve yeterli bilgiye ve güçlü bir bilgisayara sahip yetenekli bir bilgisayar korsanı banka hesabınızı boşaltabilir veya dünyanın güvenliğini riske atabilir. Özel bir kodlama bu bilgiyi gizli tutar ve bilgisayar bilimcileri sürekli olarak yeni, daha güvenli kodlama yöntemleri oluşturmak için çalışırlar.
Tek bir ışık parçacığının (foton) içindeki bilgileri kodlamak, uzun süredir kuantum kriptografisinin hedefi olmuştur. Görünüşe göre Toronto Üniversitesi'ndeki bilim adamları, videoyu kodlamayı başardıkları için bu yöntemi oluşturmaya çok yakınlardı. Şifreleme, "anahtar" olan sıfır ve bir dizilerini içerir. Bir kez anahtar eklemek bilgiyi kodlar, tekrar eklemek onu çözer. Bir yabancı anahtarı almayı başarırsa, bilgi saldırıya uğrayabilir. Ancak anahtarlar kuantum düzeyinde kullanılsa bile, kullanımlarının gerçeği kesinlikle bir bilgisayar korsanının varlığını ima edecektir.
ışınlanma
Bu bilim kurgu, başka bir şey değil. Ancak, bir kişinin katılımıyla değil, büyük moleküllerin katılımıyla gerçekleştirildi. Ama sorun burada yatıyor. İnsan vücudundaki her molekül iki taraftan taranmalıdır. Ancak bunun yakın zamanda gerçekleşmesi olası değildir. Başka bir sorun daha var: Bir parçacığı taradığınız anda, kuantum fiziği yasalarına göre onu değiştirirsiniz, yani onun tam bir kopyasını çıkarma şansınız yoktur.
Nesnelerin ara bağlantısının kendini gösterdiği yer burasıdır. İki nesneyi tekmiş gibi birbirine bağlar. Parçacığın bir yarısını tarıyoruz ve diğer yarısı ışınlanmış kopyayı oluşturacak. Bu tam bir kopya olacak, çünkü parçacığın kendisini ölçmedik, ikizini ölçtük. Yani ölçtüğümüz parçacık yok edilecek, ancak tam kopyası ikizi tarafından yeniden canlandırılacak.
Tanrı'nın parçacıkları
Bilim adamları, son derece küçük ama çok önemli bir şeyi - evrenimizin kökeninin altında yattığına inanılan temel parçacıkları - keşfetmek için çok büyük yarattıkları Büyük Hadron Çarpıştırıcısını kullanıyorlar.
Tanrı Parçacıkları, bilim adamlarının temel parçacıklara (elektronlar, kuarklar ve gluonlar) kütle verdiğini iddia ettikleri şeydir. Uzmanlar, Tanrı'nın parçacıklarının tüm uzaya nüfuz etmesi gerektiğine inanıyor, ancak şimdiye kadar bu parçacıkların varlığı kanıtlanamadı.
Bu parçacıkları bulmak, fizikçilerin evrenin nasıl toparlandığını anlamalarına yardımcı olacaktır. büyük patlama ve bugün onun hakkında bildiklerimize dönüştü. Ayrıca maddenin antimadde ile nasıl dengelendiğini açıklamaya da yardımcı olacaktır. Kısacası, bu parçacıkları izole etmek her şeyi açıklamaya yardımcı olacaktır.
KUANTUM MEKANİK KAVRAMLARI
DOĞA AÇIKLAMALARI
Bir anlamda, tüm modern fizik kuantum fiziği var! Aslında bu, "doğa bilimindeki en son devrimin" sonucudur.
Kuantum fiziği neyi inceler?
Her şeyden önce kuantum fiziği, maddenin özelliklerini mikrofenomen düzeyinde tanımlayan bir teoridir. Mikro nesneler olarak da adlandırılan kuantum nesnelerin hareket yasalarını araştırıyor.
Mikro-nesne kavramı, kuantum fiziğinin temel kavramlarından biridir. Bunlara moleküller, atomlar, atom çekirdekleri, temel parçacıklar dahildir. Onlara göze çarpan özellik- çok küçük boyutlar - 10 ^ -8 cm ve daha az. Mikro nesnelerin en önemli özellikleri arasında kalan kütle ve elektrik şarjı. Bir elektronun kütlesi me = 9.1 10^−28 g, bir protonun kütlesi 1836 me, nötron 1839 me ve müon 207 me'dir. Foton ve nötrino durgun kütleye sahip değildir - sıfıra eşittir. Herhangi bir mikro-nesnenin elektrik yükünün değeri, 1,6· 10^−19 C'ye eşit elektron yükünün değerinin bir katıdır. Yüklü olanlarla birlikte, yükü olan nötr mikro nesneler vardır. sıfır. Karmaşık bir mikro nesnenin elektrik yükü, onu oluşturan parçacıkların yüklerinin cebirsel toplamına eşittir. Mikronesnelerin en önemli spesifik özelliklerinden biri spindir ( ingilizce kelime"döndür"). Spin, bir mikro cismin açısal momentumu olarak yorumlansa da, bir bütün olarak hareketiyle ilgili olmayan, yok edilemez ve dış koşullardan bağımsız olarak yorumlansa da, dönen bir tepe olarak temsil edilemez. Tamamen kuantum bir yapıya sahiptir - klasik fizikte benzerleri yoktur. Dönmenin varlığı, mikro dünyadaki nesnelerin davranışında önemli özellikler sunar.
Mikro nesnelerin çoğu kararsızdır - kendiliğinden, herhangi bir dış etki olmadan, bozunur, temel parçacıklar da dahil olmak üzere başkalarına dönüşürler. Kararsızlık, mikro nesnelerin belirli ancak zorunlu olmayan bir özelliğidir. Kararsızların yanı sıra kararlı mikro nesneler de vardır: foton, elektron, proton, nötrino, kararlı atom çekirdekleri, temel durumdaki atomlar ve moleküller.
Kuantum fiziği hala teorik bir temeldir modern öğretim maddenin ve alanın yapısı ve özellikleri üzerine.
Kuantum fiziğinin klasik olanı iptal etmediğini, ancak onu kendi sınırlayıcı durumu olarak içerdiğini anlamak önemlidir. Mikro nesnelerden sıradan makroskopik nesnelere geçişte yasaları klasikleşir ve böylece kuantum fiziği klasik fiziğin uygulanabilirlik sınırlarını belirlemiştir. Klasikten kuantum fiziğine geçiş, maddenin daha derin bir değerlendirmesine geçiştir.
Kuantum fiziği, dünyanın modern bir fiziksel resmini oluşturmada önemli bir adım haline geldi. Tahmin etmesine ve açıklamasına izin verdi büyük sayıçeşitli fenomenler - atomlarda ve atom çekirdeğinde meydana gelen süreçlerden katılardaki makroskopik etkilere; onsuz, evrenin kökenini anlamak artık imkansız görünüyor. Kuantum fiziğinin kapsamı geniştir - temel parçacıklar uzay nesnelerine. Kuantum fiziği olmadan sadece doğa bilimi değil, aynı zamanda modern teknoloji de düşünülemez.
Sanırım kimsenin kuantum mekaniğini anlamadığını söylemek güvenli.
Fizikçi Richard Feynman
Yarı iletken cihazların icadının bir devrim olduğunu söylemek abartı olmaz. Bu sadece etkileyici bir teknolojik başarı değil, aynı zamanda sonsuza dek değişecek olayların yolunu da açtı. modern toplum. Yarı iletken cihazlar, bilgisayarlar, belirli tıbbi teşhis ve tedavi cihazları ve popüler telekomünikasyon cihazları dahil olmak üzere her türlü mikro elektronik cihazda kullanılmaktadır.
Ancak bu teknolojik devrimin arkasında daha da fazlası, genel bilimde bir devrim var: alan kuantum teorisi. Doğal dünyayı anlamada bu sıçrama olmadan, yarı iletken cihazların (ve geliştirilmekte olan daha gelişmiş elektronik cihazların) gelişimi asla başarılı olamazdı. Kuantum fiziği inanılmaz derecede karmaşık bir bilim dalıdır. Bu bölüm sadece kısa inceleme. Feynman gibi bilim adamları "[bunu] kimse anlamıyor" dediğinde, bunun gerçek olduğundan emin olabilirsiniz. zor konu. Temel bir kuantum fiziği anlayışı veya en azından bir anlayış olmadan bilimsel keşifler Bu onların gelişmesine yol açtı, yarı iletken elektronik cihazların nasıl ve neden çalıştığını anlamak imkansız. Elektronik ders kitaplarının çoğu, yarı iletkenleri "klasik fizik" terimleriyle açıklamaya çalışır ve sonuç olarak onları anlamak daha da kafa karıştırıcı hale gelir.
Birçoğumuz aşağıdaki resme benzeyen atom modeli diyagramları görmüşüzdür.
Rutherford atomu: negatif elektronlar küçük bir pozitif çekirdeğin etrafında döner
denilen küçük madde parçacıkları protonlar ve nötronlar, atomun merkezini oluşturur; elektronlar bir yıldızın etrafında dönen gezegenler gibi. Çekirdek, protonların varlığı nedeniyle pozitif bir elektrik yükü taşır (nötronların elektrik yükü yoktur), bir atomun dengeleyici negatif yükü yörüngedeki elektronlarda bulunur. Negatif elektronlar, gezegenlerin Güneş'e çekilmesi gibi pozitif protonlara çekilir, ancak elektronların hareketi nedeniyle yörüngeler sabittir. Atomun bu popüler modelini, 1911 civarında deneysel olarak atomların pozitif yüklerinin küçük, yoğun bir çekirdekte yoğunlaştığını ve kaşif J. J. Thomson'ın daha önce varsaydığı gibi çap boyunca eşit olarak dağılmadığını belirleyen Ernest Rutherford'un çalışmasına borçluyuz. .
Rutherford'un saçılma deneyi, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, pozitif yüklü alfa parçacıkları ile ince bir altın folyonun bombardıman edilmesini içerir. Genç yüksek lisans öğrencileri H. Geiger ve E. Marsden beklenmedik sonuçlar aldı. Bazı alfa parçacıklarının yörüngesi büyük bir açıyla sapmıştı. Bazı alfa parçacıkları etrafa saçıldı. ters yön neredeyse 180°'lik bir açıyla. Parçacıkların çoğu, sanki hiç folyo yokmuş gibi yörüngelerini değiştirmeden altın folyodan geçti. Birkaç alfa parçacığının yörüngelerinde büyük sapmalar yaşaması, küçük bir pozitif yüklü çekirdeklerin varlığını gösterir.
Rutherford saçılması: bir alfa parçacıkları demeti ince altın folyo ile saçılır Rutherford'un atom modeli deneysel verilerle Thomson'ınkinden daha iyi desteklenmesine rağmen, yine de kusurluydu. Atomun yapısını belirlemek için daha fazla girişimde bulunuldu ve bu çabalar kuantum fiziğinin tuhaf keşiflerinin yolunu açmaya yardımcı oldu. Bugün atom anlayışımız biraz daha karmaşık. Kuantum fiziğindeki devrime ve atomun yapısını anlamamıza yaptığı katkılara rağmen, Rutherford'un güneş sistemini bir atomun yapısı olarak tasviri, eğitim alanlarında devam ettiği ölçüde popüler bilinçte kök salmıştır. yanlış yerleştirilmiş.
düşünün Kısa Açıklama popüler bir elektronik ders kitabından alınan bir atomdaki elektronlar:
Dönen negatif elektronlar pozitif çekirdeğe çekilir, bu da bizi elektronların neden atomun çekirdeğine uçmadığı sorusuna götürür. Cevap, dönen elektronların iki eşit fakat zıt kuvvet nedeniyle kararlı yörüngelerinde kalmasıdır. Elektronlara etki eden merkezkaç kuvveti dışa doğru yönlendirilir ve yüklerin çekici kuvveti elektronları çekirdeğe doğru çekmeye çalışır.
Rutherford'un modeline göre, yazar elektronları yuvarlak yörüngeleri işgal eden katı madde parçaları olarak görüyor, zıt yüklü çekirdeğe olan iç çekimleri hareketleriyle dengeleniyor. "Merkezkaç kuvveti" teriminin kullanımı teknik olarak yanlıştır (yörüngedeki gezegenler için bile), ancak modelin popüler kabulü nedeniyle bu kolayca affedilir: aslında kuvvet diye bir şey yoktur, iticihiç yörüngesinin merkezinden dönen gövde. Görünüşe göre bu, cismin ataletinin hareketini düz bir çizgide tutma eğiliminde olması ve yörüngenin sabit bir sapma (ivme) olması nedeniyle böyle görünüyor. doğrusal hareketİster yerçekimi, ister elektrostatik çekim, hatta mekanik bir bağın gerilimi olsun, cismi yörüngenin merkezine (merkezcil) çeken herhangi bir kuvvete karşı sabit bir atalet tepkisi vardır.
Yine de, gerçek sorun Bu açıklama ile her şeyden önce elektronların dairesel yörüngelerde hareket etmesi fikri yatmaktadır. Hızlandırılmış elektrik yüklerinin elektromanyetik radyasyon yaydığı kanıtlanmış bir gerçek, bu gerçek Rutherford'un zamanında bile biliniyordu. Gibi döner hareket bir ivme biçimidir (sabit ivmede dönen bir nesne, nesneyi normal doğrusal hareketinden uzaklaştırır), dönen durumdaki elektronlar, çıkrıktan çamur gibi radyasyon yaymalıdır. Elektronlar, parçacık hızlandırıcılarda dairesel yollar boyunca hızlandırılır. senkrotronlar bunu yaptığı biliniyor ve sonuç senkrotron radyasyonu. Elektronlar bu şekilde enerji kaybederlerse, yörüngeleri eninde sonunda bozulur ve bunun sonucunda pozitif yüklü bir çekirdekle çarpışırlar. Ancak, atomların içinde bu genellikle olmaz. Gerçekten de, elektronik "yörüngeler", çok çeşitli koşullar üzerinde şaşırtıcı derecede kararlıdır.
Ek olarak, "uyarılmış" atomlarla yapılan deneyler, elektromanyetik enerjinin bir atom tarafından yalnızca belirli frekanslarda yayıldığını göstermiştir. Atomlar, enerjiyi emdiği ve geri döndüğü bilinen ışık gibi dış etkiler tarafından "uyarılır". elektromanyetik dalgalar belirli frekanslarda, vurana kadar belirli bir frekansta çalmayan bir diyapazon gibi. Uyarılmış bir atom tarafından yayılan ışık, bir prizma tarafından bileşen frekanslarına (renklere) bölündüğünde, spektrumdaki tek tek renk çizgileri bulunur, spektral çizgi deseni kimyasal bir elemente özgüdür. Bu fenomen genellikle tanımlamak için kullanılır kimyasal elementler ve hatta bir bileşik veya kimyasal karışımdaki her bir elementin oranlarını ölçmek için. Rutherford atom modelinin güneş sistemine (elektronlara göre, madde parçaları olarak, belirli bir yarıçapa sahip bir yörüngede serbestçe dönerler) ve klasik fizik yasalarına göre, uyarılmış atomlar neredeyse sonsuz bir frekans aralığında enerji döndürmeli ve değil. seçilen frekanslarda Başka bir deyişle, Rutherford'un modeli doğru olsaydı, o zaman "ayar çatalı" etkisi olmazdı ve herhangi bir atom tarafından yayılan renk tayfı, birkaç ayrı çizgiden ziyade sürekli bir renk bandı olarak görünürdü.
Bohr'un hidrojen atomu modeli (yörüngeleri ölçeğe göre çizilmiş olarak), elektronların yalnızca ayrı yörüngelerde olduğunu varsayar. n=3,4,5 veya 6'dan n=2'ye hareket eden elektronlar, bir dizi Balmer spektral çizgisinde görüntülenir. Niels Bohr adlı bir araştırmacı, 1912'de Rutherford'un laboratuvarında birkaç ay çalıştıktan sonra Rutherford'un modelini geliştirmeye çalıştı. Diğer fizikçilerin (özellikle Max Planck ve Albert Einstein) sonuçlarını uzlaştırmaya çalışan Bohr, her elektronun belirli, belirli bir miktarda enerjiye sahip olduğunu ve yörüngelerinin, her birinin çevresinde belirli yerleri işgal edebilecek şekilde dağıldığını öne sürdü. çekirdek, toplar gibi, daha önce varsayıldığı gibi serbest hareket eden uydular olarak değil, çekirdeğin etrafındaki dairesel yollar üzerinde sabitlenmiştir (yukarıdaki şekil). Elektromanyetizma yasalarına ve hızlanan yüklere saygı göstererek, Bohr "yörüngeler" olarak adlandırdı. durağan durumlar hareketli oldukları yorumundan kaçınmak için.
Bohr'un, deneysel verilerle daha tutarlı olan atomun yapısını yeniden düşünmeye yönelik iddialı girişimi fizikte bir dönüm noktası olmasına rağmen, tamamlanmadı. Onun matematiksel analiz deneylerin sonuçlarını önceki modellere göre yapılan analizlerden daha iyi tahmin etti, ancak bunun olup olmadığı konusunda hala cevaplanmamış sorular vardı. niye ya elektronlar böyle garip bir şekilde davranmalıdır. Elektronların çekirdeğin etrafındaki durağan kuantum durumlarında var olduğu ifadesi, deneysel verilerle Rutherford'un modelinden daha iyi bağıntılıydı, ancak elektronların bunları almasına neyin sebep olduğunu söylemedi. Özel durumlar. Bu sorunun yanıtı, yaklaşık on yıl sonra başka bir fizikçi Louis de Broglie'den gelecekti.
De Broglie, fotonlar (ışık parçacıkları) gibi elektronların hem parçacıkların hem de dalgaların özelliklerine sahip olduğunu öne sürdü. Bu varsayıma dayanarak, dönen elektronların dalgalar cinsinden analizinin parçacıklar açısından analizden daha iyi olduğunu ve onların kuantum doğası hakkında daha fazla fikir verebileceğini öne sürdü. Gerçekten de, anlayışta başka bir atılım yapıldı.
İki sabit nokta arasında rezonans frekansında titreşen bir tel, duran bir dalga oluşturur. De Broglie'ye göre atom durağan dalgalardan oluşuyordu. fizikçiler tarafından bilinençeşitli şekillerde. Koparılmış bir ip gibi müzik aleti(yukarıdaki şekil) uzunluğu boyunca sabit konumlarda "düğümler" ve "anti-düğümler" ile rezonans frekansında titreşir. De Broglie, elektronları atomların etrafında bir daire şeklinde kavisli dalgalar olarak hayal etti (aşağıdaki şekil).
Çekirdek etrafında duran bir dalga gibi "dönen" elektronlar, (a) yörüngede iki çevrim, (b) yörüngede üç çevrim Elektronlar yalnızca çekirdeğin etrafındaki belirli, belirli "yörüngelerde" bulunabilirler, çünkü bunlar dalganın uçlarının çakıştığı tek mesafedir. Başka herhangi bir yarıçapta, dalga yıkıcı bir şekilde kendisiyle çarpışacak ve böylece var olmayı bırakacaktır.
De Broglie'nin hipotezi, bir atomdaki elektronların kuantum durumlarını açıklamak için hem matematiksel bir çerçeve hem de uygun bir fiziksel analoji sağladı, ancak atom modeli hala eksikti. Birkaç yıl boyunca, fizikçiler Werner Heisenberg ve Erwin Schrödinger, bağımsız olarak çalışarak, daha titiz oluşturmak için de Broglie'nin dalga-parçacık ikiliği kavramı üzerinde çalıştılar. Matematiksel modeller atomaltı parçacıklar.
İlkel modelden gelen bu teorik ilerleme durağan dalga de Broglie, Heisenberg matrisinin modellerine ve diferansiyel denklem Schrödinger'e kuantum mekaniği adı verildi, atom altı parçacıkların dünyasına oldukça şok edici bir özellik kazandırdı: bir olasılık veya belirsizlik işareti. Yeni kuantum teorisine göre, bir parçacığın bir anda tam konumunu ve tam momentumunu belirlemek imkansızdı. Bu "belirsizlik ilkesi" için popüler bir açıklama, bir ölçüm hatası olduğuydu (yani, bir elektronun konumunu doğru bir şekilde ölçmeye çalışarak, momentumuna müdahale edersiniz ve bu nedenle konumu ölçmeye başlamadan önce ne olduğunu bilemezsiniz). , ve tersi). Kuantum mekaniğinin sansasyonel sonucu, parçacıkların kesin konumları ve momentumları olmadığı ve bu iki niceliğin ilişkisi nedeniyle, birleşik belirsizliklerinin asla belirli bir minimum değerin altına düşmeyeceğidir.
Bu "belirsizlik" bağlantısı, kuantum mekaniği dışındaki alanlarda da mevcuttur. Sinyaller bölümünde tartışıldığı gibi alternatif akım Bu kitap serisinin Cilt 2'deki Karışık Frekans" bölümünde, bir dalga biçiminin zaman alanı verilerine olan güven ile frekans alanı verileri arasında karşılıklı olarak özel ilişkiler vardır. Basitçe söylemek gerekirse, bileşen frekanslarını ne kadar çok bilirsek, zaman içindeki genliğini o kadar az kesin olarak biliriz ve bunun tersi de geçerlidir. Kendimden alıntı yapıyorum:
Sonsuz süreli bir sinyal (sonsuz sayıda döngü) mutlak bir kesinlikle analiz edilebilir, ancak ne daha az döngü bilgisayara analiz için uygunsa, analizin doğruluğu o kadar az olur... Sinyalin periyodu ne kadar azsa, frekansının doğruluğu da o kadar az olur. Bu kavramı mantıksal uç noktasına götürürsek, kısa bir darbe (bir sinyalin tam periyodu bile değil) gerçekten tanımlanmış bir frekansa sahip değildir, bu sonsuz bir frekans aralığıdır. Bu ilke, yalnızca değişken gerilimler ve akımlar için değil, tüm dalga fenomenleri için ortaktır.
Değişen bir sinyalin genliğini doğru bir şekilde belirlemek için, onu çok kısa bir sürede ölçmeliyiz. Ancak bunu yapmak, dalganın frekansı hakkındaki bilgimizi sınırlar (kuantum mekaniğindeki bir dalganın sinüs dalgasına benzer olması gerekmez; bu benzerlik özel bir durumdur). Öte yandan, bir dalganın frekansını büyük bir doğrulukla belirlemek için, onu çok sayıda periyot üzerinden ölçmemiz gerekir; bu, herhangi bir anda onun genliğini gözden kaçıracağımız anlamına gelir. Bu nedenle, herhangi bir dalganın anlık genliğini ve tüm frekanslarını aynı anda sınırsız doğrulukla bilemeyiz. Bir diğer tuhaflık, bu belirsizlik, gözlemcinin yanlışlığından çok daha fazladır; dalganın doğasında vardır. Uygun teknoloji verildiğinde, hem anlık genliğin hem de frekansın aynı anda doğru ölçümlerini sağlamak mümkün olsa da, durum böyle değildir. Kelimenin tam anlamıyla, bir dalga aynı anda tam anlık genliğe ve tam frekansa sahip olamaz.
Heisenberg ve Schrödinger tarafından ifade edilen parçacık konumu ve momentumunun minimum belirsizliğinin ölçümde bir sınırlama ile hiçbir ilgisi yoktur; daha ziyade, parçacığın dalga-parçacık ikiliğinin doğasının içsel bir özelliğidir. Bu nedenle, elektronlar aslında "yörüngelerinde" iyi tanımlanmış madde parçacıkları veya hatta iyi tanımlanmış dalga biçimleri olarak değil, "bulutlar" olarak var olurlar - teknik terim dalga fonksiyonu olasılık dağılımları, sanki her elektron bir dizi pozisyon ve momentum üzerinde "dağılmış" veya "yayılmış" gibi.
Elektronların belirsiz bulutlar olarak bu radikal görüşü, başlangıçta elektronların kuantum durumlarının orijinal ilkesiyle çelişir: elektronlar, bir atomun çekirdeği etrafında ayrık, belirli "yörüngelerde" bulunurlar. Ne de olsa bu yeni görüş, kuantum teorisinin oluşumuna ve açıklanmasına yol açan keşifti. Elektronların ayrık davranışlarını açıklamak için oluşturulan bir teorinin, elektronların ayrı madde parçaları olarak değil, "bulutlar" olarak var olduğunu ilan etmesi ne kadar garip görünüyor. Bununla birlikte, elektronların kuantum davranışı, belirli koordinat ve momentum değerlerine sahip elektronlara değil, adı verilen diğer özelliklere bağlıdır. Kuantum sayıları. Özünde, kuantum mekaniği, ortak mutlak konum ve mutlak moment kavramlarından vazgeçer ve bunların yerine, ortak uygulamada benzerleri olmayan mutlak tür kavramları koyar.
Elektronların ayrı madde parçaları yerine cisimsiz, "bulutlu" dağılmış olasılık formlarında var olduğu bilinmesine rağmen, bu "bulutlar" biraz farklı özelliklere sahiptir. Bir atomdaki herhangi bir elektron, dört sayısal ölçüyle (daha önce bahsedilen kuantum sayıları) tanımlanabilir. ana (radyal), yörünge (azimut), manyetik ve döndürmek sayılar. Aşağıda, bu sayıların her birinin anlamına kısa bir genel bakış verilmiştir:
Ana (radyal) kuantum sayısı: harf ile gösterilir n, bu sayı elektronun bulunduğu kabuğu tanımlar. Elektron "kabuğu", de Broglie ve Bohr'un kararlı "duran dalga" modellerine karşılık gelen, içinde elektronların bulunabileceği bir atomun çekirdeğinin etrafındaki bir uzay bölgesidir. Elektronlar kabuktan kabuğa "zıplayabilir", ancak aralarında var olamazlar.
Ana kuantum sayısı pozitif bir tam sayı olmalıdır (1'den büyük veya ona eşit). Başka bir deyişle, bir elektronun temel kuantum sayısı 1/2 veya -3 olamaz. Bu tamsayılar keyfi olarak değil, ışık spektrumunun deneysel kanıtlarıyla seçildi: uyarılmış hidrojen atomları tarafından yayılan ışığın farklı frekansları (renkleri), aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, belirli tamsayı değerlerine bağlı olarak matematiksel bir ilişki izler.
Her kabuk birden fazla elektron tutma yeteneğine sahiptir. Elektron kabukları için bir benzetme, bir amfitiyatrodaki eşmerkezli koltuk sıralarıdır. Tıpkı bir amfitiyatroda oturan bir kişinin oturmak için bir sıra seçmesi gerektiği gibi (sıralar arasında oturamaz), elektronlar "oturmak" için belirli bir kabuğu "seçmelidir". Bir amfi tiyatrodaki sıralar gibi, dış kabuklar, merkeze daha yakın olan kabuklardan daha fazla elektron tutar. Ayrıca, tıpkı bir amfitiyatrodaki insanların merkezi sahneye en yakın yeri aradıkları gibi, elektronlar da mevcut en küçük kabuğu bulma eğilimindedir. Kabuk numarası ne kadar yüksek olursa, elektronların üzerinde o kadar fazla enerji vardır.
Herhangi bir kabuğun tutabileceği maksimum elektron sayısı, n'nin temel kuantum sayısı olduğu 2n2 denklemi ile tanımlanır. Böylece, ilk kabuk (n = 1) 2 elektron içerebilir; ikinci kabuk (n = 2) - 8 elektron; ve üçüncü kabuk (n = 3) - 18 elektron (aşağıdaki şekil).
Ana kuantum sayısı n ve maksimum elektron sayısı formül 2(n 2) ile ilişkilidir. Yörüngeler ölçekli değildir. Atomdaki elektron kabukları sayılarla değil harflerle gösterilirdi. İlk kabuk (n = 1) K, ikinci kabuk (n = 2) L, üçüncü kabuk (n = 3) M, dördüncü kabuk (n = 4) N, beşinci kabuk (n = 5) olarak adlandırıldı. O, altıncı kabuk ( n = 6) P ve yedinci kabuk (n = 7) B.
Yörünge (azimut) kuantum sayısı: alt kabuklardan oluşan bir kabuk. Bazıları, alt kabukları, bir yolu bölen şeritler gibi, mermilerin basit bölümleri olarak düşünmeyi daha uygun bulabilir. Alt kabuklar çok daha tuhaf. Alt kabuklar, elektron "bulutlarının" bulunabileceği uzay bölgeleridir ve aslında çeşitli alt kabuklar çeşitli formlar. İlk alt kabuk, bir atomun çekirdeğini üç boyutlu olarak çevreleyen bir elektron bulutu olarak görselleştirildiğinde anlamlı olan bir top şeklindedir (Şekil (ler) aşağıdadır).
İkinci alt kabuk, atomun merkezine yakın bir noktada birbirine bağlanan iki "yaprak"tan oluşan bir dambıla benzer (aşağıdaki şekil (p)).
Üçüncü alt kabuk genellikle bir atomun çekirdeği etrafında kümelenmiş dört "yaprak" kümesine benzer. Bu alt kabuk şekilleri, antenden antene uzanan soğan benzeri loblarla anten desenlerinin resimli temsillerine benzer. çeşitli yönler(Aşağıdaki şekil (d)).
yörüngeler: (s) üçlü simetri;
(p) Gösterilen: p x , ilgili eksenler boyunca üç olası yönelimden (p x , p y , p z) biri;
(d) Gösterilen: d x 2 -y 2, d xy , d yz , d xz'ye benzer. Gösterilen: d z 2 . Olası d-orbitallerinin sayısı: beş.
Geçerli değerler Yörünge kuantum sayısı, ana kuantum sayısı için olduğu gibi pozitif tam sayılardır, ancak sıfırı da içerir. Elektronlar için bu kuantum sayıları l harfi ile gösterilir. Alt kabukların sayısı, kabuğun temel kuantum sayısına eşittir. Böylece, ilk kabuk (n = 1), 0 numaralı bir alt kabuğa sahiptir; ikinci kabuk (n = 2), 0 ve 1 olarak numaralandırılmış iki alt kabuğa sahiptir; üçüncü kabuk (n = 3) 0, 1 ve 2 olarak numaralandırılmış üç alt kabuğa sahiptir.
Eski alt kabuk kuralı, sayılar yerine harfler kullanırdı. Bu formatta, ilk alt kabuk (l = 0) s olarak, ikinci alt kabuk (l = 1) p olarak, üçüncü alt kabuk (l = 2) d olarak ve dördüncü alt kabuk (l = 3) f ile gösterilir. Harfler şu kelimelerden geldi: keskin, müdür, dağınık ve Temel. Bu gösterimleri, belirtmek için kullanılan periyodik tabloların çoğunda hala görebilirsiniz. elektronik konfigürasyon harici ( değerlik) atom kabukları.
(a) gümüş atomunun Bohr temsili, (b) Kabukların alt kabuklara bölünmesiyle Ag'nin yörüngesel gösterimi (yörünge kuantum sayısı l).
Bu diyagram elektronların gerçek konumu hakkında hiçbir şey ifade etmez, sadece enerji seviyelerini temsil eder.
Manyetik kuantum sayısı: Elektronun manyetik kuantum sayısı, elektron alt kabuğu şeklinin yönelimini sınıflandırır. Alt kabukların "yaprakları" birkaç yöne yönlendirilebilir. Bu farklı yönlere yörüngeler denir. Bir küreye benzeyen ilk alt kabuk (s; l = 0) için "yön" belirtilmemiştir. Her kabukta, üç olası yöne bakan bir dambıla benzeyen ikinci bir (p; l = 1) alt kabuk. Üç eksenli bir koordinat sisteminde her biri kendi ekseni boyunca işaret eden, orijinde kesişen üç dambıl düşünün.
Belirli bir kuantum sayısı için geçerli değerler -l ile l arasında değişen tam sayılardan oluşur ve bu sayı şu şekilde gösterilir: ben atom fiziğinde ve z nükleer fizikte. Herhangi bir alt kabuktaki yörünge sayısını hesaplamak için alt kabuk sayısını ikiye katlayın ve 1, (2∙l + 1) ekleyin. Örneğin, herhangi bir kabuktaki ilk alt kabuk (l = 0), 0 numaralı bir yörünge içerir; herhangi bir kabuktaki ikinci alt kabuk (l = 1) -1, 0 ve 1 sayılarına sahip üç yörünge içerir; üçüncü alt kabuk (l = 2) -2, -1, 0, 1 ve 2 numaralı beş orbital içerir; vb.
Ana kuantum sayısı gibi, manyetik kuantum sayısı da doğrudan deneysel verilerden ortaya çıktı: Zeeman etkisi, iyonize bir gazın radyasyona maruz bırakılmasıyla spektral çizgilerin ayrılması. manyetik alan, dolayısıyla adı "manyetik" kuantum sayısı.
Spin kuantum sayısı: Manyetik kuantum sayısı gibi, bir atomun elektronlarının bu özelliği de deneylerle keşfedildi. Spektral çizgilerin dikkatli bir şekilde gözlemlenmesi, her çizginin aslında çok yakın aralıklı bir çift çizgi olduğunu gösterdi; iyi yapı her elektronun bir gezegen gibi kendi ekseni etrafında "dönmesinin" sonucuydu. Farklı "dönüşleri" olan elektronlar, uyarıldığında biraz farklı ışık frekansları yayar. Dönen elektron kavramı artık geçerliliğini yitirmiştir, elektronların "bulutlar" olarak değil de maddenin tek tek parçacıkları olarak (yanlış) görüşüne daha uygundur, ancak adı kalır.
Spin kuantum sayıları şu şekilde gösterilir: Hanım atom fiziğinde ve sz nükleer fizikte. Her bir alt kabuktaki her yörünge, her kabukta biri +1/2 ve diğeri -1/2 spinli iki elektrona sahip olabilir.
Fizikçi Wolfgang Pauli, bir atomdaki elektronların bu kuantum sayılarına göre sıralanmasını açıklayan bir ilke geliştirdi. Onun prensibi, denilen Pauli dışlama ilkesi, aynı atomdaki iki elektronun aynı kuantum durumlarını işgal edemeyeceğini belirtir. Yani, bir atomdaki her elektronun benzersiz bir kümesi vardır. Kuantum sayıları. Bu, verilen herhangi bir yörüngeyi, alt kabuğu ve kabuğu işgal edebilecek elektron sayısını sınırlar.
Bu, bir hidrojen atomundaki elektronların düzenini gösterir:
Çekirdekte bir proton bulunan bir atom, elektrostatik dengesi için bir elektronu kabul eder ( pozitif yük proton, elektronun negatif yüküyle tam olarak dengelenir). Bu elektron alt kabukta (n = 1), birinci alt kabukta (l = 0), bu alt kabuğun (m l = 0) tek yörüngesinde (uzaysal yönelimde) ve 1/2 spin değerine sahiptir. Bu yapıyı tanımlamanın genel yöntemi, elektronları kabuklarına ve alt kabuklarına göre saymaktır. spektroskopik gösterim. Bu gösterimde, kabuk numarası bir tamsayı olarak, alt kabuk bir harf (s,p,d,f) olarak ve alt kabuktaki toplam elektron sayısı (tüm yörüngeler, tüm dönüşler) bir üst simge olarak gösterilir. Böylece hidrojen, tek elektronu taban seviyesine yerleştirilmiş olarak 1s 1 olarak tanımlanır.
Bir sonraki atoma geçerek (atom numarasına göre), helyum elementini elde ederiz:
Bir helyum atomunun çekirdeğinde, çift pozitif elektrik yükünü dengelemek için iki elektron gerektiren iki proton vardır. Biri 1/2 spinli ve diğeri -1/2 spinli iki elektron aynı yörüngede olduğundan, helyumun elektronik yapısı ikinci elektronu tutmak için ek alt kabuklar veya kabuklar gerektirmez.
Bununla birlikte, üç veya daha fazla elektron gerektiren bir atom, tüm elektronları tutmak için ek alt kabuklara ihtiyaç duyacaktır, çünkü alt kabukta sadece iki elektron olabilir (n = 1). Artan atom numaraları dizisindeki bir sonraki atomu düşünün, lityum:
Lityum atomu, kabuğun (n = 2) kapasitansının L bir kısmını kullanır. Bu kabuk aslında toplam sekiz elektron kapasitesine sahiptir (maksimum kabuk kapasitesi = 2n 2 elektron). Tamamen dolu bir L kabuğuna sahip bir atomun yapısını düşünürsek, tüm alt kabuk, orbital ve spin kombinasyonlarının elektronlar tarafından nasıl işgal edildiğini görürüz:
Çoğu zaman, bir atoma spektroskopik bir notasyon atarken, doldurulmuş kabuklar ve doldurulmuş kabuklar yerine tam olarak doldurulmuş kabuklar atlanır. Üst düzey gösterilir. Örneğin, tamamen doldurulmuş iki kabuğa sahip neon elementi (yukarıdaki şekilde gösterilmiştir), spektral olarak 1s 22 s 22 p 6 yerine 2p 6 olarak tanımlanabilir. Lityum, tamamen doldurulmuş K kabuğu ve L kabuğundaki tek bir elektron ile 1s 22 s 1 yerine basitçe 2s 1 olarak tanımlanabilir.
Tamamen doldurulmuş alt seviye mermilerin çıkarılması, yalnızca gösterim kolaylığı için değildir. Aynı zamanda kimyanın temel bir ilkesini de gösterir: Bir elementin kimyasal davranışı öncelikle doldurulmamış kabukları tarafından belirlenir. Hem hidrojen hem de lityum dış kabuklar bir elektron (sırasıyla 1 ve 2s 1 olarak), yani her iki element de benzer özelliklere sahiptir. Her ikisi de oldukça reaktiftir ve hemen hemen aynı şekillerde tepki verir (benzer koşullar altında benzer elementlere bağlanır). sahip değil çok önemli lityumun neredeyse serbest bir L kabuğunun altında tamamen doldurulmuş bir K kabuğuna sahip olduğunu: kimyasal davranışını belirleyen dolgusuz L kabuğudur.
Dış kabukları tamamen doldurulmuş elementler asil olarak sınıflandırılır ve diğer elementlerle neredeyse tamamen reaksiyon eksikliği ile karakterize edilir. Bu elementler hiç tepkimeye girmedikleri düşünüldüğünde inert olarak sınıflandırılmıştır, ancak belirli koşullar altında diğer elementlerle bileşik oluşturdukları bilinmektedir.
Dış kabuklarında elektron dizilimi aynı olan elementler benzer Kimyasal özellikler, Dmitri Mendeleev tablodaki kimyasal elementleri buna göre düzenledi. Bu tablo olarak bilinir , ve modern tablolar bunu takip eder Genel görünüm aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Kimyasal elementlerin periyodik tablosu Bir Rus kimyager olan Dmitri Mendeleev, periyodik element tablosunu geliştiren ilk kişi oldu. Mendeleev'in masasını buna göre düzenlemesine rağmen atom kütlesi, Ama değil atomik numara, ve modern periyodik tablolar kadar kullanışlı olmayan bir tablo yarattı, onun gelişimi mükemmel bir bilimsel kanıt örneği olarak duruyor. Periyodiklik modellerini (atom kütlesine göre benzer kimyasal özellikler) gören Mendeleev, tüm elementlerin bu sıralı modele uyması gerektiğini varsayıyordu. Tabloda "boş" yerleri keşfettiğinde, mevcut düzenin mantığını takip etti ve henüz bilinmeyen unsurların varlığını varsaydı. Bu unsurların sonraki keşfi, Mendeleev'in hipotezinin bilimsel doğruluğunu doğruladı, daha sonraki keşifler bu forma yol açtı. periyodik tablo ki şu anda kullanıyoruz.
Bunun gibi meli iş bilimi: hipotezler mantıksal sonuçlara yol açar ve deneysel verilerin sonuçlarıyla tutarlılığına bağlı olarak kabul edilir, değiştirilir veya reddedilir. Herhangi bir aptal, mevcut deneysel verileri açıklamak için gerçeğin ardından bir hipotez formüle edebilir ve çoğu bunu yapar. Bilimsel bir hipotezi post hoc spekülasyondan ayıran şey, henüz toplanmamış gelecekteki deneysel verilerin tahmini ve sonuç olarak muhtemelen bu verilerin reddedilmesidir. Hipotezi mantıksal sonuçlarına cesurca götürün ve gelecekteki deneylerin sonuçlarını tahmin etme girişimi, dogmatik bir inanç sıçraması değil, daha ziyade bu hipotezin halka açık bir testi, hipotezin muhaliflerine açık bir meydan okumadır. Başka bir deyişle, bilimsel hipotezler Henüz yapılmamış deneylerin sonuçlarını tahmin etme girişimi nedeniyle her zaman "risklidir" ve bu nedenle deneyler beklendiği gibi gitmezse reddedilebilir. Bu nedenle, bir hipotez, tekrarlanan deneylerin sonuçlarını doğru bir şekilde tahmin ediyorsa, çürütülür.
Kuantum mekaniği, önce bir hipotez, sonra bir teori olarak, deneylerin sonuçlarını tahmin etmede son derece başarılı olmuştur, dolayısıyla yüksek derece bilimsel güven. Pek çok bilim adamının bunun eksik bir teori olduğuna inanmak için nedenleri vardır, çünkü tahminleri mikrofiziksel ölçeklerde makroskopik olanlardan daha doğrudur, ancak yine de parçacıkların ve atomların etkileşimini açıklamak ve tahmin etmek için son derece yararlı bir teoridir.
Bu bölümde gördüğünüz gibi, kuantum fiziği birçok farklı fenomeni tanımlamada ve tahmin etmede esastır. Bir sonraki bölümde, anlamını şurada göreceğiz. elektiriksel iletkenlik yarı iletkenler dahil katılar. Basitçe söylemek gerekirse, kimya veya fizikte hiçbir şey sağlam vücut popülerde anlamsız teorik çerçeve ayrı madde parçacıkları olarak var olan ve minyatür uydular gibi bir atomun çekirdeğinin etrafında dönen elektronlar. Elektronlar, düzenli ve periyodik belirli, ayrık durumlarda var olan "dalga fonksiyonları" olarak görüldüğünde, maddenin davranışı açıklanabilir.
Özetliyor
Atomlardaki elektronlar, yaygın örneklerin gösterdiği gibi, minyatür uydular gibi çekirdeğin etrafında dönen ayrı madde parçacıkları olarak değil, dağıtılmış olasılık "bulutları" içinde bulunur.
Bir atomun çekirdeği etrafındaki bireysel elektronlar, dört kuantum sayısıyla tanımlanan benzersiz "durumlara" eğilimlidir: ana (radyal) kuantum sayısı olarak bilinen kabuk; yörünge (azimut) kuantum sayısı olarak bilinen alt kabuk; manyetik kuantum sayısı tarif etmek orbital(alt kabuk yönü); ve spin kuantum sayısı, ya da sadece döndürmek. Bu durumlar kuantumdur, yani “aralarında” kuantum numaralandırma şemasına uyan durumlar dışında bir elektronun varlığı için hiçbir koşul yoktur.
Glanoe (radyal) kuantum sayısı (n) tarif eder temel bir seviye veya elektronu içeren kabuk. Bu sayı ne kadar büyükse, atomun çekirdeğinden elektron bulutunun yarıçapı o kadar büyük ve elektronun enerjisi de o kadar büyük olur. Temel kuantum sayıları tam sayılardır (pozitif tam sayılar)
Yörünge (azimut) kuantum sayısı (l) belirli bir kabuk veya seviyedeki bir elektron bulutunun şeklini tanımlar ve genellikle "alt kabuk" olarak bilinir. Herhangi bir kabukta, kabuğun ana kuantum sayısı kadar çok sayıda alt kabuk (bir elektron bulutu formu) vardır. Azimutal kuantum sayıları, sıfırdan başlayıp ana kuantum sayısından bir (n - 1) küçük bir sayı ile biten pozitif tam sayılardır.
Manyetik kuantum sayısı (m l) alt kabuğun (elektron bulutu şekli) hangi yöne sahip olduğunu açıklar. Alt kabuklar, alt kabuk sayısı (l) artı 1, (2l+1) (yani, l=1, m l = -1, 0, 1) sayısının iki katı kadar farklı yönelime sahip olabilir ve her benzersiz yönelim bir yörünge olarak adlandırılır. . Bu sayılar, alt kabuk sayısının (l) negatif değerinden 0'a kadar başlayan ve alt kabuk sayısının pozitif değeriyle biten tam sayılardır.
Spin Kuantum Sayısı (m s) elektronun başka bir özelliğini tanımlar ve +1/2 ve -1/2 değerlerini alabilir.
Pauli dışlama ilkesi bir atomdaki iki elektronun aynı kuantum sayı kümesini paylaşamayacağını söylüyor. Bu nedenle, her yörüngede en fazla iki elektron (spin=1/2 ve spin=-1/2), her alt kabukta 2l+1 yörünge ve her kabukta n alt kabuk olabilir ve daha fazlası olmayabilir.
spektroskopik gösterim bir atomun elektronik yapısı için bir sözleşmedir. Kabuklar tamsayılar olarak gösterilir, ardından her bir ilgili alt kabukta bulunan toplam elektron sayısını gösteren üst simge sayılarıyla birlikte alt kabuk harfleri (s, p, d, f) gelir.
Bir atomun kimyasal davranışı, yalnızca doldurulmamış kabuklardaki elektronlar tarafından belirlenir. Tamamen doldurulmuş düşük seviyeli kabuklar, elementlerin kimyasal bağlanma özellikleri üzerinde çok az etkiye sahiptir veya hiç etkisi yoktur.
Tamamen doldurulmuş elektron kabuklarına sahip elementler neredeyse tamamen inerttir ve denir. soylu elemanlar (önceden inert olarak biliniyordu).
Bu dünyadaki hiç kimse kuantum mekaniğinin ne olduğunu anlamıyor. Bu belki de onun hakkında bilinmesi gereken en önemli şey. Elbette birçok fizikçi, yasaları kullanmayı ve hatta kuantum hesaplamaya dayalı fenomenleri tahmin etmeyi öğrendi. Ancak, deneyin gözlemcisinin neden sistemin davranışını belirlediği ve onu iki durumdan birini almaya zorladığı hala açık değil.
Gözlemcinin etkisi altında kaçınılmaz olarak değişecek sonuçlara sahip bazı deney örnekleri. Kuantum mekaniğinin pratik olarak bilinçli düşüncenin maddi gerçekliğe müdahalesiyle ilgilendiğini gösteriyorlar.
Bugün kuantum mekaniğinin birçok yorumu var, ancak Kopenhag yorumu belki de en bilinenidir. 1920'lerde, genel varsayımları Niels Bohr ve Werner Heisenberg tarafından formüle edildi.
Kopenhag yorumunun temeli dalga fonksiyonuydu. Bu, aynı anda var olduğu bir kuantum sisteminin tüm olası durumları hakkında bilgi içeren matematiksel bir fonksiyondur. Kopenhag Yorumuna göre, bir sistemin durumu ve diğer durumlara göre konumu yalnızca gözlemle belirlenebilir (dalga fonksiyonu yalnızca sistemin şu veya bu durumda olma olasılığını matematiksel olarak hesaplamak için kullanılır).
Bir kuantum sisteminin gözlemden sonra klasik hale geldiği ve gözlemlendiği durum dışındaki durumlarda varlığının hemen sona erdiği söylenebilir. Bu sonuç rakiplerini buldu (ünlü Einstein'ın "Tanrı zar atmaz" sözünü hatırlayın), ancak hesaplamaların ve tahminlerin doğruluğu hala kendilerine aitti.
Bununla birlikte, Kopenhag Yorumunun destekçilerinin sayısı azalmaktadır ve esas sebep bu, deney sırasında dalga fonksiyonunun gizemli ani çöküşüdür. Erwin Schrödinger'in fakir bir kediyle yaptığı ünlü düşünce deneyi, bu olgunun saçmalığını göstermelidir. Detayları hatırlayalım.
Kara kutunun içinde kara bir kedi ve onunla birlikte bir şişe zehir ve zehri rastgele salabilen bir mekanizma bulunur. Örneğin, bozunma sırasında bir radyoaktif atom bir balonu kırabilir. Tam zamanı atomun bozunması bilinmemektedir. Sadece yarılanma ömrü bilinmektedir, bu süre boyunca bozulma %50 olasılıkla gerçekleşir.
Dışarıdan bir gözlemci için, kutunun içindeki kedi iki haldedir: Her şey yolunda gittiyse ya canlı, ya da çürüme meydana geldiyse ve şişe kırıldıysa öldü. Bu durumların her ikisi de zamanla değişen kedinin dalga fonksiyonu ile tanımlanır.
Aradan ne kadar çok zaman geçerse, radyoaktif bozunmanın meydana gelme olasılığı o kadar artar. Ama kutuyu açar açmaz dalga fonksiyonu çöküyor ve bu insanlık dışı deneyin sonuçlarını hemen görüyoruz.
Aslında, gözlemci kutuyu açana kadar, kedi yaşam ve ölüm arasında sonsuz bir denge kuracak ya da hem canlı hem de ölü olacaktır. Kaderi ancak gözlemcinin eylemlerinin bir sonucu olarak belirlenebilir. Bu saçmalığa Schrödinger dikkat çekti.
The New York Times tarafından ünlü fizikçiler üzerinde yapılan bir ankete göre, elektron kırınım deneyi bilim tarihindeki en şaşırtıcı çalışmalardan biridir. Onun doğası nedir? Işığa duyarlı bir ekrana elektron demeti yayan bir kaynak var. Ve bu elektronların önünde bir engel var, iki yuvalı bir bakır levha.
Elektronlar bize genellikle küçük yüklü toplar olarak gösteriliyorsa, ekranda nasıl bir görüntü bekleyebiliriz? Bakır plakadaki yuvaların karşısında iki şerit. Ama aslında, ekranda değişen beyaz ve siyah çizgilerden oluşan çok daha karmaşık bir desen belirir. Bunun nedeni, yarıktan geçerken elektronların sadece parçacıklar olarak değil, aynı zamanda dalgalar olarak da (aynı anda dalga olabilen fotonlar veya diğer hafif parçacıklar aynı şekilde davranır) davranmaya başlamasıdır.
Bu dalgalar uzayda etkileşir, çarpışır ve birbirini güçlendirir ve sonuç olarak, ekranda değişen açık ve koyu şeritlerden oluşan karmaşık bir desen görüntülenir. Aynı zamanda, elektronlar birer birer geçse bile bu deneyin sonucu değişmez - bir parçacık bile bir dalga olabilir ve aynı anda iki yarıktan geçebilir. Bu varsayım, parçacıkların aynı anda "sıradan" fiziksel özelliklerini ve bir dalga gibi egzotik özelliklerini gösterebildiği kuantum mekaniğinin Kopenhag yorumundaki ana varsayımlardan biriydi.
Ama ya gözlemci? Bu kafa karıştırıcı hikayeyi daha da kafa karıştırıcı yapan o. Bunun gibi deneylerde fizikçiler, bir elektronun gerçekte hangi yarıktan geçtiğini belirlemek için aletler kullanmaya çalıştığında, ekrandaki görüntü çarpıcı bir şekilde değişti ve "klasik" oldu: birbirini izleyen şeritler olmadan, yarıkların tam karşısında iki ışıklı bölümle.
Elektronlar, izleyicilerin dikkatli gözlerine dalga doğalarını göstermek konusunda isteksiz görünüyordu. Karanlığın içinde gizlenmiş bir gizem gibi görünüyor. Ancak daha basit bir açıklaması var: Sistemin gözlemi, sistem olmadan gerçekleştirilemez. fiziksel etki onun üzerinde. Bunu daha sonra tartışacağız.
2. Isıtılmış fullerenler
Parçacık kırınımı deneyleri sadece elektronlarla değil, aynı zamanda çok daha büyük nesnelerle de yapıldı. Örneğin, onlarca karbon atomundan oluşan büyük ve kapalı moleküller olan fullerenler kullanıldı. Son zamanlarda, Profesör Zeilinger liderliğindeki Viyana Üniversitesi'nden bir grup bilim insanı, bu deneylere bir gözlem unsuru eklemeye çalıştı. Bunu yapmak için hareketli fulleren moleküllerini lazer ışınlarıyla ışınladılar. Daha sonra dış bir kaynak tarafından ısıtılan moleküller parlamaya başladı ve kaçınılmaz olarak varlıklarını gözlemciye yansıttı.
Bu yenilikle birlikte moleküllerin davranışları da değişti. Böyle kapsamlı bir gözlemden önce, fullerenler engellerden oldukça başarılı bir şekilde kaçındı (göstererek dalga özellikleri), elektronların ekrana çarptığı önceki örneğe benzer. Ancak bir gözlemcinin varlığıyla fullerenler, yasalara tam olarak uyan fiziksel parçacıklar gibi davranmaya başladılar.
3. Soğutma ölçümü
Kuantum fiziği dünyasının en ünlü yasalarından biri, aynı anda bir kuantum nesnesinin hızını ve konumunu belirlemenin imkansız olduğu Heisenberg belirsizlik ilkesidir. Bir parçacığın momentumunu ne kadar doğru ölçersek, konumunu o kadar az doğru ölçebiliriz. Ancak makroskopik gerçek dünyamızda, küçük parçacıklar üzerinde etkili olan kuantum yasalarının geçerliliği genellikle fark edilmez.
ABD'den Prof. Schwab'ın son deneyleri bu alana çok değerli bir katkı sağlıyor. Bu deneylerdeki kuantum etkileri, elektronlar veya fulleren molekülleri düzeyinde (yaklaşık 1 nm çapa sahip) değil, daha büyük nesnelerde, küçük bir alüminyum şeritte gösterildi. Bu bant, ortası askıda kalacak ve dış etki altında titreyebilecek şekilde her iki tarafa sabitlenmiştir. Ek olarak, yakına bandın konumunu doğru bir şekilde kaydedebilen bir cihaz yerleştirildi. Deney sonucunda, birkaç ilginç şey keşfedildi. İlk olarak, nesnenin konumu ile ilgili herhangi bir ölçüm ve bandın gözlemlenmesi onu etkiledi, her ölçümden sonra bandın konumu değişti.
Deneyciler bandın koordinatlarını yüksek doğrulukla belirlediler ve böylece Heisenberg ilkesine göre hızını ve dolayısıyla sonraki konumunu değiştirdiler. İkincisi ve oldukça beklenmedik bir şekilde, bazı ölçümler bandın soğumasına neden oldu. Böylece, bir gözlemci, nesnelerin fiziksel özelliklerini yalnızca varlıklarıyla değiştirebilir.
4. Dondurucu parçacıklar
Bildiğiniz gibi, kararsız radyoaktif parçacıklar sadece kedilerle yapılan deneylerde değil, kendi başlarına da bozunurlar. Her parçacığın ortalama bir ömrü vardır ve bu, bir gözlemcinin dikkatli gözü altında artabileceği ortaya çıktı. Bu kuantum etkisi 60'larda tahmin edilmişti ve onun parlak deneysel kanıtı, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden fizik alanında Nobel ödüllü Wolfgang Ketterle tarafından yönetilen bir grup tarafından yayınlanan bir makalede ortaya çıktı.
Bu çalışmada, kararsız uyarılmış rubidyum atomlarının bozunması incelenmiştir. Sistemin hazırlanmasından hemen sonra atomlar uyarıldı. lazer ışını. Gözlem iki modda gerçekleşti: sürekli (sistem sürekli olarak küçük ışık darbelerine maruz kaldı) ve darbeli (sistem zaman zaman daha güçlü darbelerle ışınlandı).
Elde edilen sonuçlar teorik tahminlerle tam bir uyum içindeydi. Dış ışık etkileri, parçacıkların bozunmasını yavaşlatır ve onları bozunma durumundan uzak olan orijinal durumlarına geri döndürür. Bu etkinin büyüklüğü de tahminlerle örtüşüyordu. Kararsız uyarılmış rubidyum atomlarının maksimum ömrü 30 kat arttı.
5. Kuantum mekaniği ve bilinç
Elektronlar ve fullerenler dalga özelliklerini göstermeyi bırakırlar, alüminyum levhalar soğur ve kararsız parçacıklar bozunmalarını yavaşlatır. Seyircinin dikkatli gözü, kelimenin tam anlamıyla dünyayı değiştirir. Bu neden zihnimizin dünyanın işleyişine dahil olduğunun kanıtı olamaz? Belki de Carl Jung ve Wolfgang Pauli (Avusturyalı fizikçi, Nobel ödüllü, kuantum mekaniğinin öncüsü), fizik ve bilinç yasalarının birbirini tamamlayıcı olarak görülmesi gerektiğini söylerken haklıydılar mı?
Çevremizdeki dünyanın sadece zihnimizin hayal ürünü bir ürünü olduğunu kabul etmekten bir adım uzaktayız. Fikir korkutucu ve cazip. Tekrar fizikçilere dönmeye çalışalım. özellikle son yıllar daha az ve daha az olduğunda daha az insan gizemli dalga fonksiyonuyla kuantum mekaniğinin Kopenhag yorumunun çökerek daha sıradan ve güvenilir bir uyumsuzluğa dönüştüğüne inanıyor.
Gerçek şu ki, gözlemlerle yapılan tüm bu deneylerde, deneyciler kaçınılmaz olarak sistemi etkiledi. Lazerle yaktılar ve yerleştirdiler ölçü aletleri. Önemli bir ilke ile birleşmişlerdi: Bir sistemi gözlemleyemez veya özelliklerini onunla etkileşime girmeden ölçemezsiniz. Herhangi bir etkileşim, özellikleri değiştirme sürecidir. Özellikle küçücük bir kuantum sistemi devasa kuantum nesnelerine maruz kaldığında. Ebedi olarak tarafsız bir Budist gözlemci ilke olarak imkansızdır. Ve burada termodinamik açısından tersine çevrilemez olan "eşevresizlik" terimi devreye girer: bir sistemin kuantum özellikleri, başka bir büyük sistemle etkileşime girdiğinde değişir.
Bu etkileşim sırasında kuantum sistemi orijinal özelliklerini kaybeder ve sanki “itaat ediyor” gibi klasikleşir. ana sistem. Bu aynı zamanda Schrödinger'in kedisi paradoksunu da açıklıyor: Bir kedi çok fazla büyük sistem, bu yüzden dünyanın geri kalanından izole edilemez. Bu düşünce deneyinin tasarımı tamamen doğru değil.
Her halükarda, bilincin yaratma eyleminin gerçekliğini kabul edersek, uyumsuzluk çok daha uygun bir yaklaşım gibi görünüyor. Belki de çok uygun. Bu yaklaşımla, tüm klasik dünya, uyumsuzluğun büyük bir sonucu haline gelir. Ve bu alandaki en ünlü kitaplardan birinin yazarının da belirttiği gibi, böyle bir yaklaşım mantıksal olarak "dünyada parçacık yoktur" veya "temel düzeyde zaman yoktur" gibi ifadelere yol açar.
Gerçek nedir: yaratıcı-gözlemcide mi yoksa güçlü uyumsuzlukta mı? İki kötü arasında seçim yapmalıyız. Bununla birlikte, bilim adamları, kuantum etkilerinin, yaşamımızın tezahürleri olduğuna giderek daha fazla ikna oluyorlar. zihinsel süreçler. Ve gözlemin nerede bitip gerçekliğin nerede başladığı her birimize bağlıdır.
topinfopost.com'a göre
Hazırlıksız bir dinleyici, tanışmanın en başından korkar. Her gün onunla uğraşan fizikçiler için bile garip ve mantıksız. Ama anlaşılmaz biri değil. Kuantum fiziğiyle ilgileniyorsanız, aslında ondan aklınızda tutmanız gereken altı anahtar kavram vardır. Hayır, ilgili değiller. Ve bunlar düşünce deneyleri değil. Onları bıyığınızın etrafına sarın ve kuantum fiziğini anlamak çok daha kolay olacaktır.
Bu tartışmayı başlatmak için pek çok yer var ve bu da diğerleri kadar iyi: evrenimizdeki her şey aynı anda hem parçacık hem de dalga doğasına sahiptir. Büyü hakkında şu şekilde denilebilirse: "Bütün bunlar dalgalar ve sadece dalgalar", bu kuantum fiziğinin harika bir şiirsel tanımı olurdu. Aslında bu evrendeki her şeyin bir dalga doğası vardır.
Tabii ki, evrendeki her şey de parçacık doğasına sahiptir. Kulağa tuhaf geliyor ama öyle.
Gerçek nesneleri aynı anda hem parçacıklar hem de dalgalar olarak tanımlamak biraz yanlış olur. Kesin konuşmak gerekirse, kuantum fiziği tarafından tanımlanan nesneler parçacıklar ve dalgalar değil, dalgaların özelliklerini (uzayda yayılma ile birlikte frekans ve dalga boyu) ve parçacıkların bazı özelliklerini (bunlar sayılabilir) miras alan üçüncü kategoriye aittir. ve belirli bir dereceye kadar lokalize). Bu, fizik camiasında ışıktan bir parçacık olarak bahsetmenin bile doğru olup olmadığı konusunda hararetli bir tartışmaya yol açar; Işığın parçacık doğasına sahip olup olmadığı konusunda bir çelişki olduğu için değil, fotonları "kuantum alan uyarımları" yerine "parçacıklar" olarak adlandırmanın öğrencileri yanıltıcı olduğu için. Bununla birlikte, bu aynı zamanda elektronların parçacık olarak adlandırılıp adlandırılamayacağı için de geçerlidir, ancak bu tür tartışmalar tamamen akademik çevrelerde kalacaktır.
Kuantum nesnelerinin bu "üçüncü" doğası, kuantum fenomenlerini tartışan fizikçilerin bazen kafa karıştıran dilinde yansıtılır. Higgs bozonu, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda bir parçacık olarak keşfedildi, ancak muhtemelen "Higgs alanı" ifadesini duymuşsunuzdur, tüm alanı dolduran, yerelleşmiş bir şey. Bunun nedeni, parçacık çarpışma deneyleri gibi belirli koşullar altında, parçacığı karakterize etmektense Higgs alanının uyarımlarını tartışmak daha uygunken, diğer koşullar altında, örneğin belirli parçacıkların neden kütleye sahip olduğuna dair genel tartışmalar gibi, daha uygundur. fiziği evrensel oranlarda bir alan olan kuantum ile etkileşimler açısından tartışmak. Basit farklı diller Aynı matematiksel nesneleri tanımlayan.
Kuantum fiziği ayrıktır
Her şey fizik adına - "kuantum" kelimesi Latince "ne kadar" anlamına gelir ve kuantum modellerinin her zaman bir şeyi içerdiği gerçeğini yansıtır. ayrık miktarlar. Kuantum alanında bulunan enerji, bazı temel enerjinin katları halinde gelir. Işık için bu, ışığın frekansı ve dalga boyu ile ilişkilidir - yüksek frekanslı, kısa dalga boylu ışığın çok büyük bir karakteristik enerjisi vardır, düşük frekanslı, uzun dalga boylu ışığın ise çok az karakteristik enerjisi vardır.
Bu arada her iki durumda da, ayrı bir ışık alanında bulunan toplam enerji, bu enerjinin bir tamsayı katıdır - 1, 2, 14, 137 kez - ve bir buçuk, "pi" veya kare gibi garip kesirler yoktur. iki kök. Bu özellik, atomların ayrık enerji seviyelerinde de gözlenir ve enerji bantları spesifiktir - bazı enerji değerlerine izin verilir, diğerlerine izin verilmez. Atomik saatler, sezyumda izin verilen iki durum arasındaki geçişle ilişkili ışık frekansını kullanarak kuantum fiziğinin ayrıklığı sayesinde çalışır, bu da zamanı "ikinci sıçrama" için gerekli seviyede tutmanıza olanak tanır.
Ultra hassas spektroskopi, karanlık madde gibi şeyleri aramak için de kullanılabilir ve enstitünün düşük enerjili temel fizik üzerindeki çalışmalarının motivasyonunun bir parçası olmaya devam eder.
Bu her zaman açık değildir - kara cisim radyasyonu gibi prensipte kuantum olan bazı şeyler bile sürekli dağılımlar. Ancak daha yakından incelendiğinde ve derin bir bağlantı kurarken matematiksel aparat kuantum teorisi daha da tuhaflaşıyor.
Kuantum fiziği olasılıksaldır
Kuantum fiziğinin en şaşırtıcı ve (en azından tarihsel olarak) tartışmalı yönlerinden biri, bir kuantum sistemiyle tek bir deneyin sonucunu kesin olarak tahmin etmenin imkansız olmasıdır. Fizikçiler belirli bir deneyin sonucunu tahmin ettiklerinde, tahminleri belirli olası sonuçların her birini bulma olasılığı biçimindedir ve teori ile deney arasındaki karşılaştırmalar her zaman birçok tekrarlanan deneyden bir olasılık dağılımı türetmeyi içerir.
Bir kuantum sisteminin matematiksel açıklaması, kural olarak, Yunan kayın psi denklemlerinde temsil edilen bir "dalga fonksiyonu" şeklini alır: Ψ. Dalga fonksiyonunun tam olarak ne olduğu hakkında pek çok tartışma vardır ve fizikçileri iki kampa ayırmışlardır: dalga fonksiyonunu gerçek bir fiziksel şey olarak görenler (ontik teorisyenler) ve dalga fonksiyonunun sadece dalga fonksiyonunun bir ifadesi olduğuna inananlar. belirli bir kuantum nesnesinin (epistemik teorisyenler) altında yatan durumuna bakılmaksızın bilgimiz (veya eksikliği).
Temel modelin her sınıfında, bir sonuç bulma olasılığı doğrudan dalga fonksiyonu tarafından değil, dalga fonksiyonunun karesi ile belirlenir (kabaca söylemek gerekirse, hala aynıdır; dalga fonksiyonu karmaşık bir matematiksel nesnedir ( ve bu nedenle gibi hayali sayıları içerir kare kök veya negatif varyantı) ve olasılığı elde etme işlemi biraz daha karmaşıktır, ancak fikrin temel özünü elde etmek için "dalga fonksiyonunun karesi" yeterlidir). Bu, doğum kuralı olarak bilinir. Alman fizikçi Bunu ilk hesaplayan (1926 tarihli bir çalışmanın dipnotunda) ve çirkin enkarnasyonu ile birçok insanı şaşırtan Max Born. Doğma kuralını daha temel bir ilkeden türetmeye çalışmak için devam eden pek çok çalışma var; ancak şimdiye kadar hiçbiri başarılı olmadı, ancak bilim için birçok ilginç şey üretti.
Teorinin bu yönü de bizi aynı anda birçok durumda olan parçacıklara götürür. Tek tahmin edebileceğimiz olasılıktır ve belirli bir sonuçla ölçmeden önce, ölçülen sistem bir ara durumdadır - tüm olası olasılıkları içeren bir süperpozisyon durumu. Ancak sistemin gerçekten birden çok durumda mı yoksa bir bilinmeyende mi olduğu, ontik veya epistemik bir modeli tercih etmenize bağlıdır. İkisi de bizi bir sonraki noktaya götürüyor.
Kuantum fiziği yerel değildir
İkincisi, esas olarak yanlış olduğu için bu şekilde kabul edilmedi. Einstein, genç meslektaşları Boris Podolkiy ve Nathan Rosen (EPR gazetesi) ile birlikte 1935 tarihli bir makalesinde, bir süredir kendisini rahatsız eden, bizim "dolanıklık" dediğimiz bir şeyin açık bir matematiksel ifadesini ortaya koydu.
EPR'nin çalışması, kuantum fiziğinin, birbirinden çok uzak yerlerde yapılan ölçümlerin birbiriyle ilişkilendirilebildiği ve birinin sonucunun diğerini belirlediği sistemlerin varlığını tanıdığını iddia etti. Bunun, ölçüm sonuçlarının bazı kişiler tarafından önceden belirlenmesi gerektiği anlamına geldiğini savundular. ortak faktör Aksi takdirde, bir ölçümün sonucunu, ışık hızını aşan bir hızda başka bir ölçümün yapıldığı yere iletmek gerekli olacaktır. Bu nedenle, kuantum fiziği eksik olmalıdır, daha derin bir teorinin (bireysel ölçümlerin sonuçlarının ölçüm alanından daha uzak bir şeye bağlı olmadığı “gizli yerel değişken” teorisi) bir yaklaşımıdır. ışık (yerel olarak) kapsayabilir, ancak daha çok dolaşmış bir çiftte (gizli değişken) her iki sistemde ortak olan bazı faktörler tarafından belirlenir.
Her şey 30 yıldan fazla bir süredir anlaşılmaz bir dipnot olarak kabul edildi, çünkü bunu doğrulamanın bir yolu yoktu, ancak 60'ların ortalarında İrlandalı fizikçi John Bell EPR'nin sonuçlarını daha ayrıntılı olarak çalıştı. Bell, kuantum mekaniğinin, uzaktan ölçümler arasındaki korelasyonları, E, P ve R tarafından önerilenler gibi herhangi bir olası teoriden daha güçlü olan korelasyonları tahmin edebileceği koşullar bulabileceğinizi gösterdi. Bu, 70'lerde John Kloser ve Alain Aspect tarafından, 1970'lerde John Kloser ve Alain Aspect tarafından deneysel olarak test edildi. 80'lerin başında x - bu karmaşık sistemlerin potansiyel olarak herhangi bir yerel gizli değişken teorisi ile açıklanamayacağını gösterdiler.
Bu sonucu anlamak için en yaygın yaklaşım, kuantum mekaniğinin yerel olmadığını varsaymaktır: belirli bir yerde yapılan ölçümlerin sonuçlarının, uzaktaki bir nesnenin özelliklerine bağlı olabileceği ve bu şekilde hareket eden sinyaller kullanılarak açıklanamayacağıdır. ışık hızı. Ancak bu, kuantum lokalitesizliği kullanılarak bu sınırlamayı aşmak için birçok girişimde bulunulmasına rağmen, bilginin süperluminal hızda iletilmesine izin vermez.
Kuantum fiziği (neredeyse her zaman) çok küçük şeylerle ilgilenir.
Kuantum fiziği, tahminleri günlük deneyimlerimizden büyük ölçüde farklı olduğu için tuhaf olmakla ün yapmıştır. Bunun nedeni, etkilerinin nesne büyüdükçe daha az belirgin olmasıdır - parçacıkların dalga davranışını ve artan momentum ile dalga boyunun nasıl azaldığını neredeyse hiç görmezsiniz. Yürüyen bir köpek gibi makroskopik bir nesnenin dalga boyu o kadar gülünç derecede küçüktür ki, bir odadaki her atomu büyütüp Güneş Sistemi Böyle bir güneş sistemindeki bir köpeğin dalga boyu bir atom büyüklüğünde olacaktır.
Bu, kuantum fenomenlerinin çoğunlukla, kütleleri ve ivmeleri, dalga boyunu doğrudan gözlemlenemeyecek kadar küçük kalacak kadar küçük olan atomların ve temel parçacıkların ölçeğiyle sınırlı olduğu anlamına gelir. Bununla birlikte, kuantum etkileri sergileyen bir sistemin boyutunu artırmak için çok çaba sarf edilmektedir.
Kuantum fiziği sihir değil
Önceki nokta bizi oldukça doğal bir şekilde bu noktaya getiriyor: Kuantum fiziği ne kadar tuhaf görünse de, bunun sihir olmadığı açıktır. Önerdiği şey, günlük fizik standartlarına göre tuhaftır, ancak iyi anlaşılmış matematiksel kurallar ve ilkeler tarafından ciddi şekilde sınırlandırılmıştır.
Bu nedenle, birisi size imkansız görünen bir "kuantum" fikriyle gelirse - sonsuz enerji, büyülü iyileştirici güç, imkansız uzay motorları - neredeyse kesinlikle imkansız. Bu, kuantum fiziğini inanılmaz şeyler yapmak için kullanamayacağımız anlamına gelmez: sürekli olarak kuantum fenomenlerini kullanarak inanılmaz atılımlar hakkında yazıyoruz ve onlar zaten insanlığı oldukça şaşırttı, bu sadece termodinamik yasalarının ötesine geçemeyeceğimiz anlamına geliyor. ve sağduyu.
Yukarıdaki noktalar sizin için yeterli değilse, bunu daha fazla tartışma için yalnızca yararlı bir başlangıç noktası olarak kabul edin.