Kā jūs atceraties no vidusskolas fizikas kursa, visa matērija sastāv no molekulām.

Ja mēs ņemam jebkuru fizisku objektu un sadalām to, līdz kļūst neiespējami vēlreiz sadalīt atlikušo daļiņu, mēs nonākam pie šī objekta mazākā elementa, nedalāmas daļiņas.

Lielākajai daļai objektu tā būs molekula, lai gan dažām tīrām vielām mazākā nedalāmā daļiņa ir atoms.

Vielas, kas sastāv no identiskiem atomiem, sauc par ķīmiskajiem elementiem. Ja šo elementu atomi tiek apvienoti kopā, var "radīt" citas vielas. Piemēram, ūdeni var sadalīt tikai molekulās, kas sastāv no diviem ūdeņraža atomiem un viena skābekļa atoma. Ja jūs sadalāt ūdeni atomos, tas pārstāj būt ūdens un kļūst par skābekli un ūdeņradi.

Molekulas un zināmā mērā atomi uzvedas loģiski un “pareizi” — saskaņā ar klasiskās zinātnes, deviņpadsmitā gadsimta zinātnes un “veselā saprāta” likumiem.

Taču zinātnieki vienmēr ir centušies saprast, no kā sastāv paši atomi, un šeit sākas problēmas, un šeit atšķiras loģiskās zinātnes ceļi un mūsu uztveres un iztēles iespējas. Tiklīdz mēs sākam novērot objektu, kas ir mazāki par atomiem, uzvedību, sāk notikt dīvainas lietas.

"Mazās dīvainības"

Kad pētnieki sāka eksperimentēt ar objektiem, kas veido atomus, viņiem bija jāmeklē pilnīgi jauna fizikas pieeja. Jauno virzienu viņi nosauca par kvantu fiziku, jo viņu eksperimentu rezultātos nebija nekādas līdzības ar to, kas tika gaidīts saskaņā ar fizikas likumiem, ko sauc par klasisko. Kvantu fizika ir guvusi fenomenālus panākumus daļiņu uzvedības prognozēšanā un kļuvusi par pamatu daudzām mūsdienu tehnoloģijām.

Vārds "kvants" cēlies no latīņu valodas kvants - "cik daudz" un fizikā nozīmē kaut kā nedalāmu daļu. Vielas celtniecības bloki ir sīkas matērijas daļiņas. Subatomiskām daļiņām piemīt gan cieto daļiņu, gan viļņu īpašības.

Viens no dīvainākajiem kvantu fizikas atklājumiem ir tas, ka šīs daļiņas vienmēr ir "kas zina, kur". Nav iespējams absolūti precīzi noteikt elementārdaļiņas koordinātas un impulsu telpā noteiktā laika momentā.

Šis ir Heizenberga nenoteiktības princips, viens no kvantu mehānikas pamatprincipiem. Var šķist, ka tas viss ir pilnīgas muļķības, bet tomēr tā tas ir. Un ar to dīvainības nebeidzas.

Gaismas daļiņas - fotoni, krītot uz barjeras, kurā ir izveidotas divas cieši izvietotas vertikālas spraugas, rīkojas tāpat - katra daļiņa vienlaikus iziet cauri abām spraugām.

To pašu eksperimentu var veikt ar gaismu. Gaisma iziet caur vienu barjeras spraugu. Pie izejas viņš sastopas ar otru barjeru, kurā ir izveidotas divas spraugas.

Pie izejas no katra cauruma otrā pusē veidojas jauns viļņu raksts. Tūlīt abi viļņi sāk traucēt viens otru.

Aiz otrās barjeras ir uzstādīts ekrāns. Kad gaisma sasniedz šo ekrānu, parādās gaišu un tumšu joslu attēls. Šīs bārkstis sauc par interferences bārkstīm. Tie atbilst apgabaliem, kur gaismas viļņi summējas (konstruktīvi traucējumi) un apgabaliem, kur viļņi viens otru izslēdz (destruktīvi traucējumi).

1800. gadā angļu zinātnieks Tomass Jangs izmantoja šo eksperimentu, lai pierādītu, ka gaisma nesastāv no cietām daļiņām, bet gan ir vilnis, kas izplatās pa gaisu, līdzīgi kā vilnis, kas pārvietojas pa ūdens virsmu. Taču uzreiz radās nopietns jautājums:

Kā gaisma pārvietojas vakuumā?

Pēc savas būtības vilnis nevar ne tikai izplatīties, bet arī nevar pastāvēt, ja nav nekādas vides. Tomēr gaisma un tās variācijas, piemēram, siltums, var pārvietoties caur vakuumu.

Lai izskaidrotu, kā saules gaisma un siltums pārvietojas pa miljoniem kilometru tukšas vietas un sasniedz Zemi, tika ierosināts, ka kosmoss ir piepildīts ar kādu vēl nezināmu vielu - to sauca par ēteri. Tika uzskatīts, ka šī noslēpumainā viela vakuumā kalpo kā viļņu transportēšanas līdzeklis.

Tad tika atklātas vēl dažas gaismas īpašības, kas neietilpst viļņu teorijā. Fotoelektriskais efekts kļuva par īpašu problēmu. Tika konstatēts, ka gaisma, kas krīt uz cieta objekta, it kā izsit elektronus no tā virsmas.

20. gadsimta sākumā Alberts Einšteins sāka interesēties par gaismas dabu un 1905. gadā uzrakstīja darbu, kas vēlāk ieguva Nobela prēmiju fizikā.

Fotoelektrisko efektu viņš skaidroja ļoti vienkārši: elektroni tiek izsisti, iedarbojoties noteiktām gaismas daļiņām, un viņš šīs daļiņas sauca par fotoniem. Un daļiņām nav nepieciešama vide (ēteris) un tās var brīvi pārvietoties vakuumā.

Pēc tam Einšteina teorija tika pierādīta eksperimentāli: gaisma patiešām sastāv no daļiņām. Zinātne drīz attīstījās līdz vietai, kur zinātnieki varēja izolēt atsevišķus fotonus un eksperimentēt ar tiem.

Tomēr gaismas uzvedībai bija arī viļņu raksturs. Šķita, ka gaisma vienlaikus bija gan cietas matērijas daļiņas, gan viļņi. Šeit kaut kas nebija kārtībā. Lai saprastu šo paradoksu, zinātniekiem nācās vēlreiz atkārtot eksperimentu ar diviem spraugām, izmantojot tobrīd modernākos mērinstrumentus un detektorus.

Ir veiktas vairākas šī eksperimenta variācijas, un rezultāti liecina, ka realitāte ir daudz noslēpumaināka, nekā spējam iedomāties.

Pieņemsim, ka viens fotons ietriecas barjerā, kurā ir izveidotas divas spraugas. Lai nokļūtu barjeras otrā pusē, fotonam jāiziet cauri vienam no diviem caurumiem.

Lai reģistrētu vienu šādu mazu gaismas daļiņu, nepieciešama īpaši jutīga fotoplāksne, kas tiek uzstādīta barjeras otrā pusē.

Katrs fotons, kas sasniedz fotogrāfiskās plāksnes virsmu, tiek parādīts uz tās kā balts plankums. Tūkstošiem un pēc tam miljoniem fotonu sasniedzot plāksni, sāk parādīties noteikts attēls.

Ir loģiski pieņemt, ka uz plāksnes katra cauruma priekšā būs divi balti apaļi plankumi. Bet patiesībā mēs atkal iegūstam traucējumu bārkstis! Katra daļiņa iziet cauri vienam caurumam, bet, izejot cauri spraugai, šķiet, ka kaut kas ar to mijiedarbojas, veidojot negaidītu traucējumu modeli.

Fiziķiem atliek tikai viens iespējamais secinājums: fotons tiek izstarots kā daļiņa un nonāk līdz plāksnei kā daļiņa, bet ceļā šķiet, ka tas iziet cauri abiem caurumiem. Pēc tam to novieto uz fotoplāksnes kopā ar citiem fotoniem, lai veidojas ideāls gaišu un tumšu svītru raksts.

Joprojām paliek noslēpums, kā fotonam izdodas vienlaikus iziet cauri abiem caurumiem un kā tas “zina”, kā tam pēc tam jānovietojas uz fotoplates?

Gaisma: gan viļņi, gan daļiņas

Fiziķis Ralfs Bayerleins mēģināja atbildēt uz šī jautājuma pirmo daļu, sakot, ka gaisma pārvietojas kā vilnis un pēc tam sadalās un nonāk virsmā kā daļiņa.

Bet gaismai nav masas un, dīvainā kārtā, nav tilpuma. Gaismas daļiņas (vai gaismas viļņi) vienmēr pārvietojas ar gaismas ātrumu, un tāpēc tām jāpastāv ārpus laika un telpas. Lai objektam būtu "telpā", tam ir jābūt masai. Pasaulei tā nav.

Lai būtu "laikā", objektam ir jāceļo laikā. Tomēr gaismas ātrumā laiks izplešas tik daudz, ka faktiski apstājas. Tas nozīmē, ka gaisma pastāv ārpus laika.

Lietas kļūst vēl sarežģītākas, ja atceraties, ka gaisma ir tikai daļa no elektromagnētiskā spektra, kas redzama ar neapbruņotu aci. Elektromagnētiskajam starojumam nav fiziska apvalka, tas vienkārši pastāv.

Gaisma ir dīvaina parādība. Bet atomi, lai cik “tukši” tie būtu, galu galā ir cietas daļiņas, kurām atšķirībā no gaismas nav šādas bifurkācijas. Vai raksturīgi? Pārsteidzošā kārtā zinātnieki jau ir noskaidrojuši, ka elektroni un atomi ir kā gaisma ar to, ka dažreiz tie uzvedas kā cietas daļiņas un dažreiz kā nefiziski viļņi.

1987. gadā japāņu zinātnieki no Hitachi Research Laboratories un Gakushuin universitātes secināja, ka elektroniem ir tāda pati dualitāte. Tas ir apšaubāms apgalvojums, jo elektroni ir neticami mazi, un neviens tos nekad nav redzējis vai fotografējis. Bet atomi ir cita lieta. Lielākos var nofotografēt, un ir skaidrs, ka tie ir pamatīgi šī vārda tiešākajā nozīmē.

Pirmais pavērsiens mūsu uzskatos par realitāti notika 90. gadu sākumā, kad Vācijas Konstancas universitātes zinātnieki pierādīja, ka atomi arī pārvietojas kā vilnis, bet mijiedarbojas kā daļiņas.

Un 1999. gadā tika atklāts šķietami neiespējamais: Antons Zeilingers no Vīnes universitātes pierādīja, ka bumbiņas — sfēriskas dobas molekulas, kas sastāv no 60 oglekļa atomiem — var vienlaicīgi iziet cauri divām paralēlām spraugām.

Tātad, ko tas viss nozīmē?

Pieņemsim, ka krēsls, kurā pašlaik sēžat, nesastāv tikai no plašām tukšas vietas. Tās integritāte ir atkarīga no tā, vai atomi izvēlas cieto daļiņu vai nefizisku viļņu stāvokli. Kas liek viņiem izdarīt šo izvēli? Atbilde ir vienkārša, taču pārsteidz.

Jūsu prāts ir faktors, kas pārveido atomu no nefiziska viļņa par cietu matērijas daļiņu, apstrādājot nervu signālus, kas nāk no jūsu sēžamvietas. Apzinātas būtnes uztveres akts izraisa matērijas fizisko eksistenci!

Ir vēl satraucošāka informācija: jaunākie eksperimenti ir parādījuši, ka tas notiek ne tikai ar atomiem, bet arī ar molekulām. Atomi un molekulas ir visa, ko mēs uztveram, pamatelementi. Pat jūs pats sastāvat no triljoniem šo daļiņu.

Bet, ja viņi uzvedas tik dīvaini, kāpēc mēs uztveram cietus objektus, kas darbojas saskaņā ar klasiskās fizikas likumiem? Ar kādu brīnumu viena cilvēka neprāts kļuva par kolektīvu saprātu? Saskaņā ar pašreizējo mūsdienu fiziķu uzskatu, ka daļiņas šādi uzvedas tieši novērošanas akts.

Kopenhāgenas interpretācija

Šis secinājums ir pazīstams kā Kopenhāgenas interpretācija, tā nosaukta tāpēc, ka kvantu teorijas pamatlicēji dzīvoja Dānijas galvaspilsētā. Pētnieku grupa izcilā fiziķa Nīlsa Bora vadībā ierosināja, ka, uztverot šīs daļiņas, mēs liekam viņiem izlemt, kur tās atradīsies.

Pirms daļiņas tiek novērotas, tās tiek izskalotas tā sauktajā "varbūtības vilnī", un tāpēc tās var atrasties vairākās vietās vienlaikus. Kad notiek novērošanas akts, daļiņas ir spiestas izvēlēties vienu vietu no visām pārējām iespējamām vietām.

Saskaņā ar Kopenhāgenas interpretāciju, ja nav novērojumu, daļiņas var iziet cauri abām barjeras spraugām. Tiklīdz eksperimentētājs ieslēdz jebkuru mērierīci, daļiņa ir spiesta iziet cauri vienai spraugai.

Citiem vārdiem sakot, kad makrokosmoss novēro šīs daļiņas, viņi ir spiesti mainīt savu kvantu uzvedību uz makrokosmisko mērogu "klasisko" uzvedību.

Atomi ir spiesti darboties "parasti", tiklīdz tie apvienojas kokos, krēslos vai grāmatās. Šādu novērošanas aktu parasti sauc par viļņa funkcijas sabrukumu, jo novērošanas brīdī vilnis kļūst par daļiņu. Un, ja nav novērojumu, objekts vienlaikus ir gan daļiņa, gan vilnis. Šo stāvokli sauc par superpozīciju.

Ja nav novērojumu, daļiņas paliek varbūtības vilnī un tām nav iespējas izvēlēties vienu vai otru vietu. Novērotājs iznīcina viļņu funkciju, kas noved pie matērijas parādīšanās. Nav novērotāja - vienalga.

Izrādās, ka šobrīd viens no svarīgākajiem jautājumiem ir tas, kas ir "novērotājs"? Vai viņam ir jābūt apzinātai būtnei, vai arī pietiek ar kādu bezprātīgu mērierīci? Daļa zinātnieku uzskata, ka, lai novērotu, ir jāuztver, un tam ir nepieciešama apziņas klātbūtne. Kas tad notiek ar objektiem, kurus nevar novērot? Piemēram, ar akmeni uz Mēness?

Reliģiskiem cilvēkiem Kopenhāgenas interpretācija ne tikai nav problēma, bet, gluži pretēji, atbilst ticībai. Tikai Dievs ir spējīgs visu novērot, un tāpēc viņš pats garantē, ka viss apkārt pastāv.

Neskatoties uz to, daudzi zinātnieki nepieņēma Kopenhāgenā izdarīto secinājumu – daudziem tas izrādījās vienkārši nepieņemami.

⚓ Meklējiet alternatīvus viedokļus

Vielas elementārdaļiņu teorija

1. VISUMS IR MATĒRIJAS EKSistences FORMA, TĀ IR BEZGALĪGA TELPA VISĀS DIMENSIJĀS, AR MATĒRIJAS ATBALSTĪBU TĀ.

2. MATĒRIJA IR VISS, KAS IR SAVU ENERĢIJAS APVALU.

3. ENERĢIJA IR MATERIJAS DARBĪBAS VAI SPĒJAS VEIKT DARBĪBAS RAKSTURĪGS UN MĒRĪJUMS.

4 .MATERIĀLĀS ĶERMENIS SASTĀV NO ELEMENTĀRĀM VIELAS DAĻIŅĀM, MATERIĀLAS ELEMENTĀRĀS DAĻINĀS SASTĀV NO ČETRU VEIDU MATERIJAS KVANTU. FOTONS IR MATĒRIJAS KVANTS, KURI KUSTĀ ĀRPUS MATERIĀLĀ ĶERMEŅA.

5 . MATĒRIJAS KVANTS SASTĀV NO KODOS UN ENERĢIJAS APGALVAS.

6. MATERIJAS KVANTA ENERĢIJAS APVAŽA SASTĀV NO ČETRIEM ENERĢIJAS LAUKIEM; KVANTU (MEHĀNISKĀ) (M), ELEKTRO (C), MAGNĒTISKĀ (B) UN GRAVITĀCIJAS (U).

7. MATERIJAS KVANTA PAMATU SADAĻA KODOLĀRS. KODOLĀRS IR CIETĀ NEMAINĀMĀ ELEMENTĀRO DAĻIŅU DAĻA. KODONAM IR POZITĪVS VAI NEGATĪVS ELEKTRISKĀS LĀDINĀJUMS, ZIEMEĻU VAI DIENVIDU MAGNĒTISKAIS POLS. KODONU NOSEDZ PLASTMASAS APVAŽAS (KVANTA LAUKS).

8. KVANTA ENERĢIJAS LAUKS IR TELPA AP KODOLĀRU, KURĀ RĀDĀS ŠĪ LAUKA SPĒKI.

9. MATERIĀLAS KVANTA ENERĢIJAS LAUKI PIEDER PIE VIETAS KVANTA, TĀ SASTĀVDAĻAS

10. MATĒRIJAS KVANTS, DAŽĀDI; ELEKTRISKĀS LĀDES ZĪME UN TĀ MAGNĒTISKĀ LAUKA ZĪME.

11. ENERĢIJAS LAUKU DARBĪBAS ZONA SĀKAS TŪLĪT NO KODA.

12 MATERIJAS KVANTAM IR IEKŠĒJĀ (MEHĀNISKĀ) ENERĢIJA (M). KVANTA IEKŠĒJĀS ENERĢIJAS SPĒKS PARĀDĀS PĒC TĀ KODOLĀRA čaulas DEFORMĀCIJAS (SASPIEŠANAS) М = k ΔV. ELEMENTĀRĀS MATĒRIJAS DAĻAS IEKŠĒJĀ ENERĢIJA IR TĀS KINĒTISKĀS ENERĢIJAS POTENCIĀLS.

13. MATĒRIJAS KVANTA KODOLĀCIJAS APKALVA, TĀ KVANTU LAUKS. NOSAKA ELEMENTĀRĀS MATERIĀLĀS DAĻĻAS INDIVIDUALITĀTI. TAS IR MATĒRIJAS KODOLĀRĀ KVANTA VAIROGS. DEFORMĀCIJAS LAIKĀ (ČAUMA SASPIEŠANA), TĀ PARĀDĀ DIGRAVITACIJAS, DIMAGNĪTA UN DIELEKTRISKĀS ĪPAŠĪBAS. GRAVITĀCIJAS, MAGNĒTISKĀS UN ELEKTRISKĀS LAUKU VIENOTĀS MATĒRIJAS KVANTS PALIEK INDIVIDUĀLI. KAD TUVOJĀS MATĒRIJAS KVANTI, KODOLEKĻA APVAŽĀLS STĀV KĀ ŠĶĒRSLIS TO SAVIENOŠANAS CEĻĀ UN TĀPĒC IZGLABĀT DAUDZUMU NO Iznīcināšanas. JO VAIRĀK KODUĻI PIEEJAS VIENS OTRAM, JO VAIRĀK APSTRĀDĀTĀS čaulas, JO VAIRĀK NOSTIPRINĀS TĀ DIELEKTRISKĀS UN DIGRAVITĀCIJAS KVALITĀTES. PIE MAKSIMĀLĀS čaulas DEFORMĀCIJAS (SPRESIJAS), DIELEKTRISKĀS UN DIGRAVITĀCIJAS KVALITĀTES PALIELINĀS TĀ LĀKĀS MAGNĒTISKĀ, ELEKTRISKĀ, NE GRAVITĀCIJAS LAUKA LĪNIJAS NEIZIET NEKĀDAS GARĀCIJAS. MATĒRIJAS KVANTS ŠĀDĀ STĀVOKĻĀ NE IZRĀDĪ NE ELEKTRISKĀS, NE MAGNĒTISKĀS, NE GRAVITĀCIJAS KVALITĀTES, TAS PĀRVERTAS QUANTINO. IZSTAROJOT NO MATERIĀLA ĶERMEŅA, QUANTINO PĀRVĒRTAS FOTONOS. LAIKU GAITĀ KODOLAUKŠA STĀVOKĻA IZMAIŅĀM VISI ENERĢIJAS LAUKI TIEK REĢENERĒTI KVANTĀ.

14. TŪLĪT AIZ KODOLĀRA, TĀ čaulā UN TĀLĀK, IR ELEKTROLAUKA DARBĪBAS ZONA. AIZ KODOLĀRA SAVU DARBĪBU SĀK MAGNĒTISKAIS UN GRAVITĀCIJAS LAUKS. GRAVITĀCIJAS LAUKA SPĒKA LĪNIJAS IZIET CAURI APKALPU, PA ELEKTRISKĀM UN MAGNĒTISKO LAUKU UN PALIELINĀS TĀLĀK.

15. ELEKTRISKĀS LAUKS UN MAGNĒTISKAIS LAUKS, TIE IR ĪSA DAĻA LAUKI, TO DARBĪBA IZPAUJAS ELEMENTĀRO DAĻIŅU TUVAS PIEVIENAS UN TO GRAVITĀCIJAS LAUKU SAVIENOŠANAS GADĪJUMĀ. ELEKTRISKĀ UN MAGNĒTISKĀ LAUKA SPĒKI PIEVIENA DAŽĀDU LĀDINĀJUMU UN ATCEĻ VIENĀDAS LĀDES…. ELEKTRISKAIS UN MAGNĒTISKAIS LAUKS, TIE IR VIELAS VEIDOŠANĀS LAUKI.

16. GRAVITĀCIJAS LAUKS IR SPĒCĪGĀKAIS UN LIELĀKAIS NOAPOŠANAS. TĀS IR MATĒRIJAS VIENOŠANAS LAUKS. GRAVITĀCIJAS LAUKA SPĒKA LĪNIJAS IR VIRZĪTAS UZ KVANTA KODU.

17. VIELAS KVAT (FOTONA) KOPĒJĀ ENERĢIJA IR APRĒĶINĀTA PĒC FORMULAS E kv. =fU par +fC par + fB par +K+M; E kv. =fU par +fC par +fB par +K+ķΔV.Šeit f ir kvantu saspiešanas koeficients, kas vienāds ar V/V 0. V 0 ir kvanta tilpums brīvā stāvoklī, V ir kvanta tilpums saspiestā stāvoklī, k ir kvantu apvalka elastības koeficients, ΔV ir starpība starp brīvo un saspiesto tilpumu, UZ- masas enerģija (kinētiskā enerģija, inerces enerģija.) M- mehāniskā enerģija.

18. VIELAS ELEMENTĀRĀS DAĻAS IR ELEKTRONI UN POZITRONI. ELEKTRONI UN POZITRONI SASTĀV NO VIENA VEIDA KVANTA. (e + )=8,3x10 21 ɣ + , (e - )=8,3x10 21 ɣ- . PROTONS JAU SASTĀV NO ELEKTRONIEM UN POSITRONIEM. ELEKTRONI UN POZITRONI IR ATOMU PAMATS, ATOMI IR VIELAS PAMATS.

19. MATERIĀLA DAĻINĀS TELPASĀ ATRASTĀS PĒC TO LIKUMU. q= (1 – R/R 0 ) δМn/4π 2 R 3 LAI JEBKĀDAM MATERIĀLAJĀM ĶERMENIEM BŪTU SAVI ENERĢIJAS LAUKI (ENERĢIJAS APSKAITA). MATERIĀLA ĶERMEŅA ENERĢIJAS APKALVA IR TĀ BŪTISKĀ SASTĀVDAĻA, TĀ IR PATS MATĒRIJA, BET CITU STĀVOKĀ. Ja materiālajā ķermenī matērija atrodas elektronu un pozitronu sastāvā, kas ar elektromagnētiskām un gravitācijas saitēm cieši saistīti ar citiem kvantiem, tad materiālā ķermeņa enerģijas laukā šīs daļiņas atrodas plašākā stāvoklī - šūnā. lauka kvants, kurā elementārdaļiņas ir saistītas tikai ar gravitāciju.

20. MATĒRIJAI IR VISU VEIDU ENERĢIJA; BEZ MATERIJAS NAV ENERĢIJAS. ENERĢIJA IR BŪTISKA ELEMENTĀRO DAĻIŅU ĪPAŠĪBA. KATRAM ELEMENTĀRAI DAĻIŅAI, KATRAM MATĒRIJAS KVANTAM IR VISU VEIDU ENERĢIJA. E kv. = M+C+B+U+K

21. MATĒRIJAS ENERĢIJAS LAUKI RADI NEPIECIEŠAMO SPĒKU MATERIĀLU DARBĪBAI UN MIJIEDARBĪBAI.

22. ĶERMEŅA MASA IR TĀ SATURĒTĀS VIELAS DAUDZUMS, BET TAS IR ARĪ TĀS ENERĢIJAS MĒRS.

23. STAROJUMA VILIS IR FOTONI, KAS VIENOTI AR TO LAUKUMIEM, RADOT KOPĒJU LAUKU.

24. SĀKOTNĒJĀ KATRA STAROJUMA FREKVENCE ATBILST SAVAI FOTONU ENERĢIJAI. ĪPAŠAIS FOTONU BLĪVUMS STAROJUMA VILNĪ IR PROporcionāls STAROJUMA FREKVENCEI. STAROJUMA FREKVENCE IR TIEŠI PROporcionāla EMITĒJOŠĀS VIELAS BLĪVUMAM. FOTONU KUSTĪBAS ĀTRUMS MAINĀS ATKARĪBĀ NO IEKŠĒJĀS ENERĢIJAS DAUDZUMA TAOS.

25. STAROJUMA VIĻŅU GARUMS IR APMĒRDI PROCIONĀLĀS AR FOTONU PAĀTRINĀJUMA ĀTRUMU.

26. MATĒRIJAS KVANTI VIENMĒR DZĪVO (DZĪVES LAIKĀ NAV IEROBEŽOJUMU).

27. IEVADĪŠANĀS DAŽĀDU SAVIENOJUMU VIENS AR OTRU, MAINĪŠANĀS, IZEJOT APĪ DAŽĀDIEM POSMIEM; GRAVITONS → LAUKA KVANTS → MATĒRIJAS KVANTS → FOTONS → KVANTS → KVANTĪNO → FOTONS → GRAVITONS... SAGLABĀJOT SAVU INDIVIDUALITĀTI, MATĒRIJAS ELEMENTĀRĀS DAĻAS VEIDOJAS DAŽĀDU TELPAS ĶERMEŅU. DAŽĀDAS ŠO DAĻIŅU KOMBINĀCIJAS NODROŠINA VISUMA BEZGALĪGU DAŽĀDĪBU, LIELUMBU UN DAŽĀDĪBU.

28. VISUMĀ VALDA MATĒRIJAS SAGLABĀŠANAS LIKUMS. ATKLĀJIS MIHAILS VASILIEVIČS LOMONOSOVS... “MATERIĀLA NEPŪD UN NERĀDAS NO NEKĀ; MATĒRIJAS DAUDZUMS VISUMĀ IR BEZGALĪGA UN NEMASTĪGA VĒRTĪBA"

29. GRAVITĀCIJA IR GALVENĀ SPĒKA KUSTĪBAS MATERIĀLA. TĀ SAVĀC MATERIĀLU KOSMISKOS ķermeņos, UN TĀ IZKLAIDA MATERIĀLU PA VISUMU. Gravitācijas enerģiju var saukt par "kosmisko"

30. VISUMS VIENMĒR PASTĀV. VISUMS NEIZPLAŠINAS, NESAMAŠĀS, TAS NEMĒRTI MAINĀS. MATERIĀLA VISUMĀ IZVIRZAS PĀRVEIDOJUMU APLI, PĀRVEIDOJOTIES KOPĀ AR SAVU ENERĢIJU NO VIENA FORMĀCIJAS VEIDA UZ OTRU; TĀDĀ IR IR MATERIJAS CIKLS UN TĀS ENERĢIJAS VISUMĀ.

pierādījumi

Vielas elementārdaļiņas

Galvenā informācija

Elementārās daļiņas šī termina precīzā nozīmē ir primāras, tālāk nesadalāmas daļiņas, no kurām, pieņemot, sastāv visa matērija. Elementārdaļiņu jēdzienā mūsdienu fizikā izpaužas ideja par primitīvām vienībām, kas nosaka visas zināmās materiālās pasaules īpašības un ideja, kas radās agrīnās stadijas dabaszinātņu veidošanās un vienmēr bijusi nozīmīga loma tās attīstībā. Laika gaitā cilvēki saprata, ka atklātās “elementārdaļiņas” nemaz nav elementāras, taču, nezinot, kuras no visa šī daļiņu bara ir elementāras, joprojām visas daļiņas sauca par elementārajām. Elementārdaļiņu esamību fiziķi atklāja kodolprocesu izpētē, tāpēc līdz 20. gadsimta vidum elementārdaļiņu fizika bija kodolfizikas nozare. Šobrīd elementārdaļiņu fizika un kodolfizika ir tuvas, taču patstāvīgas fizikas nozares, kuras vieno daudzu aplūkoto problēmu kopība un izmantotās pētniecības metodes. Elementārdaļiņu fizikas galvenais uzdevums ir elementārdaļiņu būtības, īpašību un savstarpējo pārvērtību izpēte. Elementārdaļiņu atklāšana bija dabisks rezultāts vispārējam progresam matērijas struktūras izpētē, ko fizika panāca 19. gadsimta beigās. To sagatavoja visaptveroši pētījumi par atomu optiskajiem spektriem, pētījums elektriskās parādībasšķidrumos un gāzēs fotoelektrības, rentgenstaru, dabiskās radioaktivitātes atklāšana, kas liecināja par sarežģītas vielas struktūras esamību. Sešdesmitajos un septiņdesmitajos gados fiziķus pilnībā apmulsināja jaunatklāto subatomisko daļiņu pārpilnība, daudzveidība un neparastums. Šķita, ka tiem nav gala. Pilnīgi nesaprotami, kāpēc tik daudz daļiņu. Vai šīs elementārdaļiņas ir haotiskas un nejaušas matērijas fragmenti? Vai varbūt viņiem ir atslēga, lai izprastu Visuma uzbūvi? Fizikas attīstība turpmākajās desmitgadēs parādīja, ka par šādas struktūras esamību nav šaubu. Jēdziens “elementārdaļiņas” veidojās ciešā saistībā ar matērijas struktūras diskrētā rakstura konstatēšanu mikroskopiskā līmenī.visas zināmās vielas kā ierobežota, lai arī liela skaita strukturālo komponentu – atomu kombinācijas.Atklājoties Nākotnē atomu sastāvdaļu - elektronu un kodolu - klātbūtne, kodolu sarežģītā rakstura izveidošanās, kas izrādījās veidota tikai no divu veidu daļiņām (protoniem un neitroniem), ievērojami samazināja diskrēto elementu skaitu, kas veido matērijas īpašības, un deva pamatu pieņemt, ka matērijas sastāvdaļu ķēde beidzas ar diskrētiem bezstruktūras veidojumiem - elementārdaļiņām

"Elementārdaļiņu" atklāšanas vēsture

Priekšstatam, ka pasaule sastāv no pamatdaļiņām, ir sena vēsture. Pirmo reizi ideju par mazāko neredzamo daļiņu esamību, kas veido visus apkārtējos objektus, 400 gadus pirms mūsu ēras izteica grieķu filozofs Demokrits. Viņš šīs daļiņas sauca par atomiem, tas ir, par nedalāmām daļiņām. Zinātne atomu jēdzienu sāka lietot tikai 19. gadsimta sākumā, kad uz šī pamata bija iespējams izskaidrot vairākas ķīmiskas parādības. 19. gadsimta 30. gados M. Faradeja izstrādātajā elektrolīzes teorijā parādījās jona jēdziens un tika veikts mērījums. elementārais lādiņš. 19. gadsimta beigas iezīmējās ar radioaktivitātes fenomena atklāšanu (A. Bekerels, 1896), kā arī atklājumiem. elektroni(J. Tomsons, 1897) un b-daļiņas(E. Rezerfords, 1899). 1905. gadā fizikā radās ideja par elektroniskajiem kvantiem. magnētiskais lauks – fotoni(M. Planks A. Einšteins). 1911. gadā tika atklāts atoma kodols (E. Rezerfords) un beidzot tika pierādīts, ka atomiem ir sarežģīta struktūra. 1919. gadā Raterfords atklāja vairāku elementu atomu kodolu skaldīšanas produktos. protoni. 1932. gadā J. Chadwick atvēra neitronu. Kļuva skaidrs, ka atomu kodoliem, tāpat kā pašiem atomiem, ir sarežģīta struktūra. Radās protonu-neitronu teorija par kodolu uzbūvi (D. Ivanenko un V. Heisenbergs). Tajā pašā 1932. gadā kosmiskajos staros tika atklāts pozitrons(K. Andersons). Pozitrons ir pozitīvi lādēta daļiņa, kurai ir tāda pati masa un tāds pats (modulo) lādiņš kā elektronam. Pozitrona eksistenci paredzēja P. Diraks 1928. gadā. Šo gadu laikā tika atklātas un pētītas protonu un neitronu savstarpējās pārvērtības, un kļuva skaidrs, ka arī šīs daļiņas nav nemainīgi elementāri dabas "ķieģeļi". 1937. gadā kosmiskajos staros tika atklātas daļiņas ar masu 207 elektronu masas, t.s. muoni(m-mesons). Tad 1947.-1950.gadā tika atvērti peonijas(tas ir, p-mezoni), kas saskaņā ar mūsdienu koncepcijām veic mijiedarbību starp nukleoniem kodolā. Turpmākajos gados jaunatklāto daļiņu skaits sāka strauji pieaugt. To veicināja kosmisko staru izpēte, paātrinātāju tehnoloģiju attīstība un kodolreakciju izpēte. Pašlaik ir zināmas aptuveni 400 subnukleāro daļiņu, kuras parasti sauc par elementārajām. Lielākā daļa šo daļiņu ir nestabilas. Vienīgais izņēmums ir fotons, elektrons, (pozitrons), protons un neitrīno. Visas pārējās daļiņas noteiktos intervālos spontāni pārvēršas citās daļiņās. Nestabilās elementārdaļiņas dzīves laikā stipri atšķiras viena no otras. Visilgāk dzīvojošā daļiņa ir neitrons. Neitronu kalpošanas laiks ir aptuveni 15 minūtes. Citas daļiņas "dzīvo" daudz īsāku laiku. Piemēram, m-mezona vidējais kalpošanas laiks ir 2,2·10-6 s, bet neitrāla p-mezona mūžs ir 0,87·10-16 s. Daudzu masīvu daļiņu - hiperonu vidējais kalpošanas laiks ir 10-10 s. Ir vairāki desmiti daļiņu, kuru kalpošanas laiks pārsniedz 10 -17 s. Mikrokosmosa mēroga ziņā šis ir nozīmīgs laiks. Šādas daļiņas sauc par relatīvi stabilām. Lielākajai daļai īslaicīgo elementārdaļiņu kalpošanas laiks ir 10-22-10-23 s. Spēja veikt savstarpējas pārvērtības ir visu elementārdaļiņu vissvarīgākā īpašība. Elementārās daļiņas spēj piedzimt un iznīcināt (izstarot un absorbēt). Tas attiecas arī uz stabilām daļiņām, ar vienīgo atšķirību, ka stabilo daļiņu pārvērtības nenotiek spontāni, bet gan mijiedarbībā ar citām daļiņām. Piemērs ir elektrona un pozitrona iznīcināšana (tas ir, pazušana), ko pavada augstas enerģijas fotonu dzimšana. Var notikt arī apgrieztais process - elektronu-pozitronu pāra dzimšana, piemēram, pietiekami augstas enerģijas fotoniem saduroties ar atoma kodolu, ar protonu vai citu šķērsli, kas fotonam ir ciets. Tik bīstams dvīnis, kāds pozitrons ir elektronam, ir arī protonam. To sauc par antiprotonu. Antiprotona elektriskais lādiņš ir negatīvs. Šobrīd antidaļiņas ir atrastas visās daļiņās. Antidaļiņas ir pretstatas daļiņām, jo, kad jebkura daļiņa saskaras ar savu antidaļiņu, tās iznīcinās, tas ir, abas daļiņas pazūd, pārvēršas starojuma kvantos. Es atzīmēju, ka tas ne vienmēr notiek. Iznīcināšanai ir jārada noteikti nosacījumi. Galu galā elektronus un pozitronus neiznīcini protonā?! Viņi neiznīcina. Tie ir lieliski apvienoti, tādējādi radot visstabilāko lielo daļiņu – protonu. Pat neitronam ir antidaļiņa. Neitrons un antineutrons atšķiras tikai ar magnētiskā momenta pazīmēm un t.s bariona lādiņš.

Dīvainu daļiņu atklāšana

40. gadu beigas - 50. gadu sākums. Divdesmitais gadsimts iezīmējās ar to, ka tika atklāta liela daļiņu grupa ar neparastām īpašībām, ko sauca par "dīvainajām". Tika veiktas uz paātrinātājiem - instalācijām, kas rada intensīvas ātru protonu un elektronu plūsmas. Sadursmē ar vielu, paātrināti protoni un elektroni rodas. uz jaunām elementārdaļiņām, kas kļūst par pētījuma priekšmetu.

1947. gadā Batlers un Ročesters novēroja divas daļiņas, ko sauc par V daļiņām, mākoņu kamerā. Tika novērotas divas sliedes, it kā veidojot latīņu burtu V. Divu sliežu veidošanās liecināja, ka daļiņas bija nestabilas un sadalījās citās, vieglākās. Viena no V-daļiņām bija neitrāla un sadalījās divās lādētās daļiņās ar pretēju lādiņu. (Vēlāk tas tika identificēts ar neitrālu K-mezonu, kas sadalās pozitīvos un negatīvos pionos). Otrs tika uzlādēts un sadalījās lādētā daļiņā ar mazāku masu un neitrālu daļiņu. (Vēlāk to identificēja ar lādētu K+ mezonu, kas sadalās lādētos un neitrālos pionos). V-daļiņas no pirmā acu uzmetiena pieļauj citu interpretāciju: to parādīšanos varētu interpretēt nevis kā daļiņu sabrukšanu, bet gan kā izkliedes procesu. Patiešām, lādētas daļiņas izkliedes procesi ar kodolu, veidojot vienu lādētu daļiņu gala stāvoklī, kā arī neitrālas daļiņas neelastīga izkliede ar kodolu, veidojot divas lādētas daļiņas, izskatīsies līdzīgi mākoņu kamera kā V-daļiņu sabrukšana. Bet šāda iespēja tika viegli izslēgta, pamatojoties uz to, ka izkliedes procesi ir ticamāki blīvākā vidē. Un V-notikumi tika novēroti nevis svinā, kas atradās mākoņu kamerā, bet tieši pašā kamerā, kas ir piepildīta ar gāzi ar mazāku blīvumu (salīdzinot ar svina blīvumu). Mēs atzīmējam, ka, ja p-mezona eksperimentālā atklāšana kaut kādā ziņā bija "sagaidīta" saistībā ar nepieciešamību izskaidrot nukleonu mijiedarbības būtību, tad V-daļiņu atklāšana, tāpat kā miona atklāšana, izrādījās būt pilnīgs pārsteigums. V-daļiņu atklāšana un to "elementārāko" īpašību noteikšana ilga vairāk nekā desmit gadus. Pēc pirmā šo daļiņu novērojuma 1947. gadā Ročesters un Batlers turpināja eksperimentus vēl divus gadus, taču viņiem neizdevās novērot nevienu daļiņu. Un tikai pēc tam, kad iekārta tika pacelta augstu kalnos, atkal tika atklātas V-daļiņas, kā arī tika atklātas jaunas daļiņas. Kā vēlāk izrādījās, visi šie novērojumi izrādījās vienas un tās pašas daļiņas - K-mezona (uzlādēta vai neitrāla) - dažādu sabrukšanas novērojumi. V-daļiņu "uzvedība" dzimšanas brīdī un sekojošā sabrukšana noveda pie tā, ka tās sauca par dīvainām. Pirmo reizi savādas daļiņas 1954. gadā laboratorijā ieguva Faulers, Šuts, Torndiks un Vaitmors, kuri, izmantojot jonu staru no Brūkheivenas kosmotrona ar sākotnējā enerģija 1,5 GeV, novēroja dīvainu daļiņu asociatīvās ražošanas reakcijas. No 50. gadu sākuma. paātrinātāji ir kļuvuši par galveno instrumentu elementārdaļiņu pētīšanai. 70. gados. pie akseleratoriem paātrināto daļiņu enerģijas sasniedza desmitiem un simtiem miljardu elektronvoltu (GeV). Vēlme palielināt daļiņu enerģijas ir saistīta ar to, ka augstas enerģijas paver iespēju pētīt matērijas struktūru, jo mazākos attālumos, jo lielāka ir sadursmju daļiņu enerģija. Paātrinātāji ievērojami palielināja jaunu datu iegūšanas ātrumu un īsā laikā paplašināja un bagātināja mūsu zināšanas par mikropasaules īpašībām. Paātrinātāju izmantošana dīvainu daļiņu pētīšanai ļāva sīkāk izpētīt to īpašības, jo īpaši sabrukšanas pazīmes, un drīz vien noveda pie svarīga atklājuma: noskaidrojot iespēju mainīt dažu mikroprocesu īpašības darbības laikā. no spoguļa atspulga - ts. atstarpju pārkāpums, paritāte (1956). Protonu paātrinātāju nodošana ekspluatācijā ar miljardu elektronu voltu enerģiju ļāva atklāt smagas antidaļiņas: antiprotonu (1955), antineitronu (1956) un antisigma hiperonus (1960). 1964. gadā tika atklāts smagākais hiperons W- (ar masu aptuveni divas protonu masas).

Rezonanses

1960. gados pie paātrinātājiem tika atklāts liels skaits ārkārtīgi nestabilu (salīdzinājumā ar citām nestabilām elementārdaļiņām) daļiņām, kuras sauc par “rezonansi. Lielākās daļas rezonanšu masas pārsniedz protona masu. Pirmā no tām, D1 (1232), ir bijusi zināms kopš 1953. gada. veido lielāko daļu elementārdaļiņu.P-mezona un nukleona spēcīgā mijiedarbība stāvoklī ar kopējo izotopu spinu 3/2 un momentu 3/2 noved pie ierosinātā stāvokļa parādīšanās. Šis stāvoklis sabrūk ļoti īsā laikā (apmēram 10-23 s) uz vienu nukleonu un p-mezonu. Tā kā šim stāvoklim ir precīzi definēti kvantu skaitļi, piemēram, stabilām elementārdaļiņām, bija dabiski to saukt daļiņa.Lai uzsvērtu šī stāvokļa ļoti īso mūžu, to un līdzīgus īslaicīgus stāvokļus sāka saukt par rezonansēm. Nukleonu rezonanse, ko atklāja Fermi 1952. gadā, vēlāk kļuva pazīstama kā D 3/2 3/2 – izobārs (lai izceltu fakts, ka spin un izotopi D-izobāru kalikālais spins ir vienāds ar 3/2). Tā kā rezonanšu mūžs ir niecīgs, tās nav novērojamas tieši, tāpat kā "parastais" protons, p-mezoni un mioni (pēc to pēdām sliežu ierīcēs). Rezonanses nosaka pēc daļiņu izkliedes šķērsgriezumu raksturīgās uzvedības, kā arī pētot to sabrukšanas produktu īpašības. Lielākā daļa zināmo elementārdaļiņu pieder pie rezonanšu grupas. D-rezonanses atklāšanai bija liela nozīme elementārdaļiņu fizikā. Ņemiet vērā, ka ierosinātie stāvokļi vai rezonanses nav absolūti jauni fizikas objekti. Iepriekš tie bija zināmi atomu un kodolfizikā, kur to esamība ir saistīta ar atoma (veidojas no kodola un elektroniem) un kodola (veidojas no protoniem un neitroniem) salikto dabu. Runājot par atomu stāvokļu īpašībām, tos nosaka tikai elektromagnētiskā mijiedarbība. Zemās to sabrukšanas varbūtības ir saistītas ar elektromagnētiskās mijiedarbības konstantes mazumu. Ierosinātie stāvokļi pastāv ne tikai nukleonam (šajā gadījumā viņi runā par tā izobāriskajiem stāvokļiem), bet arī p mezonam (šajā gadījumā viņi runā par mezona rezonansi). "Iemesls rezonanses parādīšanās spēcīgas mijiedarbības gadījumā nav skaidrs," raksta Feinmens, "sākumā teorētiķi nepieņēma, ka lauka teorijā ir rezonanse ar lielu savienojuma konstanti. Vēlāk viņi saprata, ka, ja savienojuma konstante ir pietiekami liels, tad rodas izobāriskie stāvokļi. Tomēr rezonanses pastāvēšanas fakta patiesā nozīme fundamentālajai teorijai joprojām ir neskaidra.

Ja jūs domājāt, ka esam nogrimuši aizmirstībā ar savām smadzenes līkumotajām tēmām, tad mēs steidzamies jūs apbēdināt un iepriecināt: jūs kļūdījāties! Faktiski visu šo laiku mēs esam mēģinājuši atrast pieņemamu metodi, kā pasniegt trakas tēmas, kas saistītas ar kvantu paradoksiem. Mēs uzrakstījām vairākus melnrakstus, bet tie visi tika izmesti aukstumā. Jo, kad runa ir par kvantu joku skaidrošanu, mēs paši apmulstam un atzīstam, ka daudz ko nesaprotam (un tiešām, daži cilvēki to saprot, arī pasaules vadošie zinātnieki). Ak, kvantu pasaule ir tik sveša filistiskajam pasaules uzskatam, ka nemaz nav kauns atzīties savā pārpratumā un mēģināt pamazām kopā saprast vismaz pamatus.

Un, lai gan mēs, kā parasti, centīsimies pēc iespējas vairāk pastāstīt ar bildēm no Google, nepieredzējušam lasītājam būs nepieciešama sākotnējā sagatavošanās, tāpēc iesakām ieskatīties mūsu iepriekšējās tēmās, īpaši par kvantiem un matēriju.
Īpaši humanitārajiem un citiem interesentiem - kvantu paradoksi. 1. daļa.

Šajā tēmā mēs runāsim par izplatītāko kvantu pasaules noslēpumu - viļņu-daļiņu dualitāti. Kad mēs sakām "visparastākais", mēs domājam, ka fiziķiem tas jau ir tik ļoti apnicis, ka tas nešķiet noslēpums. Bet tas viss tāpēc, ka pārējos kvantu paradoksus nespeciālista prātam ir vēl grūtāk pieņemt.

Un tas bija tā. Vecajos labajos laikos, kaut kur 17. gadsimta vidū, Ņūtons un Haigenss nepiekrita, ka gaisma ir: Ņūtons nekaunīgi paziņoja, ka gaisma ir daļiņu straume, un vecais Huigenss mēģināja pierādīt, ka gaisma ir vilnis. Taču Ņūtons bija autoritatīvāks, tāpēc viņa apgalvojums par gaismas dabu tika pieņemts kā patiess, un par Huigensu pasmējās. Un divsimt gadus gaisma tika uzskatīta par dažu nezināmu daļiņu plūsmu, kuras dabu viņi kādreiz cerēja atklāt.

19.gadsimta sākumā orientālists Tomass Jangs ķērās pie optiskajiem instrumentiem – beigās viņš paņēma un veica eksperimentu, ko tagad sauc par Janga eksperimentu, un katrs fiziķis šo pieredzi uzskata par svētu.

Tomass Jungs vienkārši virzīja gaismas staru (tādas pašas krāsas, lai frekvence būtu aptuveni vienāda) caur divām plāksnes spraugām un aizlika citu ekrāna plāksni. Un parādīja rezultātu saviem kolēģiem. Ja gaisma būtu daļiņu plūsma, tad fonā mēs redzētu divas gaismas joslas.
Bet diemžēl visai zinātniskajai pasaulei uz ekrāna plāksnes parādījās virkne tumšu un gaišu svītru. Izplatīta parādība, ko sauc par traucējumiem, ir divu (vai vairāku) viļņu superpozīcija viens virs otra.

Starp citu, tieši pateicoties traucējumiem, mēs novērojam zaigojošu pārplūdi uz eļļas vietas vai uz ziepju burbuļa.

Citiem vārdiem sakot, Tomass Jungs eksperimentāli pierādīja, ka gaisma ir viļņi. Zinātniskā pasaule ilgu laiku viņš negribēja ticēt Jungam un savulaik tika tik kritizēts, ka pat atteicās no saviem priekšstatiem par viļņu teoriju. Bet paštaisnums tomēr uzvarēja, un zinātnieki sāka uzskatīt gaismu par vilni. Tiesa, vilnis kas - tas bija noslēpums.
Šeit, attēlā, vecā labā Junga pieredze.

Jāsaka, ka gaismas viļņu raksturs klasisko fiziku īpaši neietekmēja. Zinātnieki pārrakstīja formulas un sāka ticēt, ka drīz visa pasaule nokritīs pie viņu kājām zem vienas universālas formulas visam.
Bet jūs uzminējāt, Einšteins, kā vienmēr, sajauca lietas. Problēmas radās otrā pusē - sākumā zinātnieki apmulsa, aprēķinot termisko viļņu enerģiju, un atklāja kvantu jēdzienu (noteikti izlasiet mūsu atbilstošo tēmu "") par to. Un tad ar šo pašu kvantu palīdzību Einšteins deva triecienu fizikai, izskaidrojot fotoelektriskā efekta fenomenu.

Īsāk sakot: fotoelektriskais efekts (viena no tā sekām ir plēves apgaismojums) ir elektronu izsitīšana no noteiktu materiālu virsmas gaismas ietekmē. Tehniski šī klauvēšana notiek tā, it kā gaisma būtu daļiņa. Einšteins gaismas daļiņu nosauca par gaismas kvantu, un vēlāk tai tika dots nosaukums – fotons.

1920. gadā gaismas pretviļņu teorijai tika pievienots pārsteidzošais Komptona efekts: kad elektrons tiek bombardēts ar fotoniem, fotons atlec no elektrona ar enerģijas zudumu (“mēs šaujam” zilā krāsā, bet tas jau aizlido). sarkans), kā biljarda bumba no citas. Komptons par to saņēma Nobela prēmiju.

Šoreiz fiziķi bija uzmanīgi, lai vienkārši nepamestu gaismas viļņu raksturu, bet tā vietā viņi rūpīgi domāja. Zinātne ir saskārusies ar šausminošu mīklu: vai gaisma joprojām ir vilnis vai daļiņa?

Gaismai, tāpat kā jebkuram viļņam, ir frekvence - un to ir viegli pārbaudīt. Mēs redzam dažādas krāsas, jo katra krāsa ir tikai atšķirīga elektromagnētiskā (gaismas) viļņa frekvence: sarkana ir zema frekvence, violeta ir augsta frekvence.
Bet tas ir pārsteidzoši: redzamās gaismas viļņa garums ir piectūkstoš reižu lielāks par atoma izmēru – kā tāda "lieta" iekļaujas atomā, kad atoms absorbē šo vilni? Ja tikai fotons ir daļiņa, kas pēc izmēra salīdzināma ar atomu. Vai fotons vienlaikus ir liels un mazs?

Turklāt fotoelektriskais efekts un Komptona efekts skaidri pierāda, ka gaisma joprojām ir daļiņu plūsma: nav iespējams izskaidrot, kā vilnis nodod enerģiju kosmosā lokalizētiem elektroniem - ja gaisma būtu vilnis, tad daži elektroni tiktu izsisti ārā. vēlāk nekā citi, un parādība mēs nenovērotu fotoelektrisko efektu. Bet plūsmas gadījumā viens fotons saduras ar vienu elektronu un noteiktos apstākļos izsit to no atoma.

Galu galā tika nolemts, ka gaisma ir gan vilnis, gan daļiņa. Drīzāk ne viens, ne otrs, bet jauna, iepriekš nezināma matērijas eksistences forma: mūsu novērotās parādības ir tikai reālā lietu stāvokļa projekcijas vai ēnas atkarībā no tā, kā jūs skatāties uz notiekošo. Skatoties uz cilindra ēnu, kas izgaismots no vienas puses, mēs redzam apli, un, ja to izgaismo no otras puses, ēna ir taisnstūrveida. Tā tas ir ar gaismas korpuskulāro viļņu attēlojumu.

Bet arī šeit viss nav viegli. Mēs nevaram teikt, ka mēs uzskatām gaismu par vilni vai daļiņu plūsmu. Paskaties ārā pa logu. Pēkšņi, pat tīri izmazgātā glāzē, mēs redzam savu atspulgu, kaut arī neskaidru, bet. Kāds ir loms? Ja gaisma ir vilnis, tad atspīdumu logā ir viegli izskaidrot – līdzīgus efektus mēs redzam uz ūdens, kad vilnis atstarojas no šķēršļa. Bet, ja gaisma ir daļiņu plūsma, tad atspīdumu nevar izskaidrot tik vienkārši. Galu galā visi fotoni ir vienādi. Tomēr, ja tie visi ir vienādi, tad barjerai logu stikla veidā vajadzētu tos ietekmēt vienādi. Vai nu tie visi iziet cauri stiklam, vai arī tie visi tiek atspoguļoti. Un skarbajā realitātē daži fotoni izlido cauri stiklam, un mēs ieraugām kaimiņu māju un uzreiz novērojam savu atspulgu.

Un vienīgais izskaidrojums, kas nāk prātā, ir tas, ka fotoni ir viņu pašu prātā. Nav iespējams pilnīgi droši paredzēt, kā konkrētais fotons uzvedīsies – vai tas sadursies ar stiklu kā daļiņa vai kā vilnis. Tas ir kvantu fizikas pamats - pilnīgi, pilnīgi nejauša matērijas uzvedība mikrolīmenī bez jebkāda iemesla (un mūsu lielo daudzumu pasaulē mēs no pieredzes zinām, ka visam ir iemesls). Tas ir ideāls nejaušu skaitļu ģenerators, nevis monētas mešana.

Izcilais Einšteins, kurš atklāja fotonu, līdz pat savas dzīves beigām bija pārliecināts, ka kvantu fizika ir nepareiza, un apliecināja visiem, ka "Dievs nespēlē kauliņus". Bet mūsdienu zinātne arvien vairāk apstiprina: viņš joprojām spēlē.

Tā vai citādi, bet reiz zinātnieki nolēma pielikt punktu strīdam "viļņs vai daļiņa" un reproducēt Junga pieredzi, ņemot vērā 20. gadsimta tehnoloģijas. Līdz tam laikam viņi bija iemācījušies šaut fotonus pa vienam (kvantu ģeneratori, ko iedzīvotāji pazīst ar nosaukumu "lāzeri"), un tāpēc tika iecerēts pārbaudīt, kas notiktu uz ekrāna, ja viena daļiņa tiktu izšauta uz diviem. spraugas: beidzot kļūs skaidrs, kas par lietu kontrolētos eksperimenta apstākļos.

Un pēkšņi - viens gaismas kvants (fotons) uzrādīja interferences modeli, tas ir, daļiņa vienlaikus lidoja cauri abām spraugām, fotons traucēja sevi (zinātniskā izteiksmē). Precizēsim tehnisko punktu - patiesībā traucējumu attēlu rādīja nevis viens fotons, bet gan kadru sērija pie vienas daļiņas ar 10 sekunžu intervālu - laika gaitā uz ekrāna parādījās Junga bārkstis, kas pazīstamas jebkuram trijotnei kopš 1801. .

No viļņa viedokļa tas ir loģiski - vilnis iziet cauri plaisām, un tagad divi jauni viļņi atšķiras koncentriskos apļos, pārklājoties viens ar otru.
Bet no korpuskulārā viedokļa izrādās, ka fotons, izejot cauri spraugām, atrodas divās vietās vienlaikus, un pēc tam, kad tas ir izgājis, sajaucas ar sevi. Tas ir pilnīgi normāli, vai ne?
Tas izrādījās ok. Turklāt, tā kā fotons atrodas uzreiz divās spraugās, tas nozīmē, ka tas vienlaikus atrodas visur gan pirms spraugām, gan pēc iziešanas caur tām. Un vispār no kvantu fizikas viedokļa atbrīvotais fotons starp startu un finišu vienlaikus ir "visur un uzreiz". Šo daļiņas atradumu "uzreiz visur" fiziķi sauc par superpozīciju - šausmīgs vārds, kas agrāk bija matemātiska palaidnība, tagad ir kļuvis par fizisku realitāti.

Zināms E. Šrodingers, plaši pazīstams kvantu fizikas pretinieks, līdz tam laikam kaut kur izraka formulu, kas aprakstīja matērijas, piemēram, ūdens, viļņu īpašības. Un, nedaudz uzburot to, viņš pats sev par šausmām izsecināja tā saukto viļņu funkciju. Šī funkcija parādīja varbūtību atrast fotonu noteiktā vietā. Ņemiet vērā, ka tā ir varbūtība, nevis precīza atrašanās vieta. Un šī varbūtība bija atkarīga no kvantu viļņu virsotnes augstuma kvadrāta noteiktā vietā (ja kādu interesē sīkāka informācija).

Daļiņu atrašanās vietas mērīšanas jautājumiem veltīsim atsevišķu nodaļu.

Turpmākie atklājumi parādīja, ka lietas ar duālismu ir vēl sliktākas un noslēpumainākas.
1924. gadā kāds Luiss de Broglis to paņēma un paziņoja, ka gaismas korpuskulāro viļņu īpašības ir aisberga redzamā daļa. Un visām elementārdaļiņām ir tāda nesaprotama īpašība.
Tas ir, ne tikai daļiņas vienlaikus ir daļiņa un vilnis elektromagnētiskais lauks(fotoni), bet arī materiālu daļiņas, piemēram, elektroni, protoni utt. Visa viela mums apkārt mikroskopiskā līmenī ir viļņi.(un daļiņas tajā pašā laikā).

Un pāris gadus vēlāk tas tika pat eksperimentāli apstiprināts – amerikāņi elektronus dzenāja katodstaru lampās (ko mūsdienu vecie farts pazīst kā "kineskopu") - un tā ar elektronu atstarošanos saistītie novērojumi apstiprināja, ka elektrons ir arī vilnis (lai būtu vieglāk saprast, var teikt, ka elektrona ceļā tika novietota plāksne ar diviem spraugām un elektrona interference tika redzēta tāda, kāda tā ir).

Līdz šim eksperimentos ir konstatēts, ka pat atomiem piemīt viļņu īpašības, un pat daži īpaši molekulu veidi (tā sauktie "fullerēni") izpaužas kā vilnis.

Lasītāja zinātkārais prāts, kurš no mūsu stāsta vēl nav kļuvis traks, jautās: ja matērija ir vilnis, tad kāpēc, piemēram, lidojoša bumba netiek izsmērēta kosmosā viļņa formā? Kāpēc reaktīvā lidmašīna nekādi neizskatās pēc viļņa, bet ir ļoti līdzīga reaktīvai lidmašīnai?

De Broglie, sasodīts, un tad viņš visu paskaidroja: jā, lidojoša bumba vai "Boeing" arī ir vilnis, bet šī viļņa garums ir mazāks, jo lielāks impulss. Impulss ir masa reizināts ar ātrumu. Tas ir, jo lielāka ir matērijas masa, jo īsāks ir tās viļņa garums. Bumbiņas viļņa garums, kas lido ar ātrumu 150 km/h, būs aptuveni vienāds ar 0,00 metriem. Tāpēc mēs nevaram pamanīt, kā bumba tiek izkliedēta telpā kā vilnis. Mums tā ir cieta viela.
Elektrons ir ļoti viegla daļiņa, un, lidojot ar ātrumu 6000 km/s, tam būs manāms viļņa garums 0,0000000001 metri.

Starp citu, mēs nekavējoties atbildēsim uz jautājumu, kāpēc atoma kodols nav tik “viļņveidīgs”. Lai gan tas atrodas atoma centrā, ap kuru apdullināts elektrons lido un tajā pašā laikā smērējas, tam ir pienācīgs impulss, kas saistīts ar protonu un neitronu masu, kā arī augstfrekvences svārstībām (ātrumu) sakarā ar pastāvīgu daļiņu apmaiņas esamību kodola iekšienē spēcīga mijiedarbība (lasiet tēmu). Tāpēc kodols ir vairāk kā mums pazīstama cieta viela. Acīmredzot elektrons ir vienīgā daļiņa ar masu, kurai ir izteiktas viļņu īpašības, tāpēc visi to pēta ar entuziasmu.

Atgriezīsimies pie mūsu daļiņām. Tātad izrādās: elektrons, kas griežas ap atomu, ir gan daļiņa, gan vilnis. Tas ir, daļiņa griežas, un tajā pašā laikā elektrons, tāpat kā vilnis, ir noteiktas formas apvalks ap kodolu - kā to var saprast cilvēka smadzenes?

Iepriekš mēs jau esam aprēķinājuši, ka lidojošam elektronam ir diezgan milzīgs (mikrokosmam) viļņa garums, un šādam vilnim ir nepieciešams nepieklājīgi daudz vietas, lai tas ietilptu ap atoma kodolu. Tas ir tieši tas, kas izskaidro tik lielus atomu izmērus salīdzinājumā ar kodolu. Elektrona viļņu garums nosaka atoma izmēru. Tukšā telpa starp atoma kodolu un virsmu ir piepildīta ar elektrona viļņa garuma (un tajā pašā laikā daļiņas) "izvietojumu". Tas ir ļoti aptuvens un nekorekts skaidrojums - lūdzu piedodiet - patiesībā viss ir daudz sarežģītāk, bet mūsu mērķis ir vismaz ļaut cilvēkiem, kuri ir ieinteresēti, nokost kādu zinātnes granīta gabalu.

Tiksim vēlreiz skaidrībā! Pēc dažiem komentāriem par rakstu [JP] mēs sapratām, kāda svarīga piezīme šajā rakstā trūkst. Uzmanību! Mūsu aprakstītā matērijas forma nav ne vilnis, ne daļiņa. Tam tikai (vienlaicīgi) piemīt viļņa īpašības un daļiņu īpašības. Nevar teikt, ka elektromagnētiskais vilnis vai elektroniskais vilnis ir kā jūras vai skaņas viļņi. Mums pazīstamie viļņi atspoguļo traucējumu izplatīšanos telpā, kas piepildīta ar kādu vielu.
Fotonus, elektronus un citus mikropasaules gadījumus, pārvietojoties telpā, var aprakstīt ar viļņu vienādojumiem, tiem tikai uzvedībā PATĪK vilnis, bet nekādā gadījumā tie nav vilnis. Līdzīgi ir ar matērijas korpuskulāro pusi: daļiņas uzvedība ir līdzīga mazu punktveida lodīšu lidojumam, taču tās nekad nav bumbiņas.
Tas ir jāsaprot un jāpieņem, pretējā gadījumā visas mūsu pārdomas galu galā novedīs pie analogu meklējumiem makrokosmosā, un līdz ar to kvantu fizikas izpratnei pienāks gals, un sāksies vieglprātība vai šarlatāna filozofija kā kvantu maģija un materialitāte. domas.

Pārējie Junga modernizētās pieredzes šausminošie secinājumi un sekas tiks apspriesti vēlāk nākamajā daļā - Heizenberga nenoteiktība, Šrēdingera kaķis, Pauli izslēgšanas princips un kvantu sapīšanās gaida pacietīgo un domīgo lasītāju, kurš ne reizi vien pārlasa mūsu rakstus un rakās. internetā, meklējot papildu informāciju.

Paldies visiem par uzmanību. Izbaudiet visus bezmiegu vai kognitīvos murgus!

NB: Cītīgi atgādinām, ka visi attēli ir ņemti no Google (attēlu meklēšana) - tur tiek noteikta autorība.
Par teksta nelegālu kopēšanu tiek saukta pie atbildības, apspiesta, nu, ziniet...

Es domāju, ka var droši teikt, ka neviens nesaprot kvantu mehāniku.

Fiziķis Ričards Feinmens

Nav pārspīlēts teikt, ka pusvadītāju ierīču izgudrojums bija revolūcija. Tas ir ne tikai iespaidīgs tehnoloģiju sasniegums, bet arī pavēra ceļu notikumiem, kas uz visiem laikiem mainīs mūsdienu sabiedrību. Pusvadītāju ierīces izmanto visu veidu mikroelektronikas ierīcēs, tostarp datoros, noteikta veida medicīniskās diagnostikas un ārstniecības iekārtās un populārās telekomunikāciju ierīcēs.

Bet aiz šīs tehnoloģiskās revolūcijas slēpjas vēl vairāk — revolūcija iekšā vispārējā zinātne: platība kvantu teorija. Bez šī lēciena dabas pasaules izpratnē pusvadītāju ierīču (un jaunāko elektronisko ierīču izstrādes stadijā) izstrāde nekad nebūtu bijusi veiksmīga. Kvantu fizika ir neticami sarežģīta zinātnes nozare. Šajā nodaļā ir sniegts tikai īss pārskats. Kad tādi zinātnieki kā Feinmens saka "neviens [to] nesaprot", jūs varat būt pārliecināti, ka tas ir īsts grūta tēma. Bez pamata izpratnes par kvantu fiziku vai vismaz izpratnes par zinātniskajiem atklājumiem, kas noveda pie to attīstības, nav iespējams saprast, kā un kāpēc darbojas pusvadītāju elektroniskās ierīces. Lielākā daļa elektronikas mācību grāmatu mēģina izskaidrot pusvadītājus ar "klasisko fiziku", tādējādi padarot tos vēl mulsinošākus.

Daudzi no mums ir redzējuši atomu modeļu diagrammas, kas izskatās kā attēlā zemāk.

Rezerforda atoms: negatīvie elektroni griežas ap nelielu pozitīvu kodolu

Sīkas matērijas daļiņas sauc protoni Un neitroni, veido atoma centru; elektroni griežas kā planētas ap zvaigzni. Kodolam ir pozitīvs elektriskais lādiņš protonu klātbūtnes dēļ (neitroniem nav elektriskā lādiņa), savukārt atoma balansējošais negatīvais lādiņš atrodas orbītā esošajos elektronos. Negatīvie elektroni tiek piesaistīti pozitīviem protoniem, tāpat kā planētas tiek piesaistītas Saulei, bet orbītas ir stabilas elektronu kustības dēļ. Mēs esam parādā šo populāro atoma modeli Ernesta Raterforda darbam, kurš ap 1911. gadu eksperimentāli noteica, ka atomu pozitīvie lādiņi ir koncentrēti niecīgā, blīvā kodolā un nav vienmērīgi sadalīti pa diametru, kā iepriekš bija pieņēmis pētnieks Dž.Dž.Tomsons. .

Rezerforda izkliedes eksperiments ietver plānas zelta folijas bombardēšanu ar pozitīvi lādētām alfa daļiņām, kā parādīts attēlā zemāk. Jaunie absolventi H. Geigers un E. Marsdens guva negaidītus rezultātus. Dažu alfa daļiņu trajektorija tika novirzīta lielā leņķī. Dažas alfa daļiņas tika izkliedētas atpakaļ gandrīz 180 ° leņķī. Lielākā daļa daļiņu izgāja cauri zelta folijai, nemainot savu trajektoriju, it kā folijas nemaz nebūtu. Fakts, ka vairākas alfa daļiņas piedzīvoja lielas novirzes to trajektorijā, norāda uz kodolu klātbūtni ar nelielu pozitīvu lādiņu.

Rezerforda izkliede: alfa daļiņu staru izkliedē plāna zelta folija

Lai gan Rezerforda atoma modeli eksperimentālie dati atbalstīja labāk nekā Tomsona modeli, tas joprojām bija nepilnīgs. Tika veikti turpmāki mēģinājumi noteikt atoma struktūru, un šie centieni palīdzēja pavērt ceļu dīvainajiem kvantu fizikas atklājumiem. Mūsdienās mūsu izpratne par atomu ir nedaudz sarežģītāka. Tomēr, neskatoties uz kvantu fizikas revolūciju un tās ieguldījumu mūsu izpratnē par atoma uzbūvi, Rezerforda Saules sistēmas kā atoma struktūras attēlojums tautas apziņā ir iesakņojies tādā mērā, ka tas saglabājas izglītības jomās, pat ja tas ir nevietā.

Apsveriet to Īss apraksts elektroni atomā, ņemti no populāras elektronikas mācību grāmatas:

Rotējošie negatīvie elektroni tiek piesaistīti pozitīvajam kodolam, kas mūs noved pie jautājuma, kāpēc elektroni nelido atoma kodolā. Atbilde ir tāda, ka rotējošie elektroni paliek savā stabilā orbītā divu vienādu, bet pretēju spēku dēļ. Centrbēdzes spēks, kas iedarbojas uz elektroniem, ir vērsts uz āru, un lādiņu pievilcīgais spēks cenšas vilkt elektronus uz kodolu.

Saskaņā ar Rezerforda modeli autors elektronus uzskata par cietām matērijas daļām, kas aizņem apaļas orbītas, kuru iekšējā pievilcība pret pretēji lādētu kodolu tiek līdzsvarota ar to kustību. Termina "centrbēdzes spēks" lietojums ir tehniski nepareizs (pat attiecībā uz planētām, kas riņķo), taču tas ir viegli piedodams, jo modelis ir populārs: patiesībā nav tādas lietas kā spēks, atbaidošsjebkura rotējošs ķermenis no orbītas centra. Šķiet, ka tas tā ir, jo ķermeņa inercei ir tendence noturēt to kustībā taisnā līnijā, un, tā kā orbīta ir pastāvīga novirze (paātrinājums) no taisnvirziena kustības, pastāv pastāvīga inerciāla reakcija uz jebkuru spēku, kas piesaista ķermeni centram. orbītas (centripetāla) neatkarīgi no tā, vai tas ir gravitācija, elektrostatiskā pievilcība vai pat mehāniskās saites spriegums.

Tomēr šī skaidrojuma patiesā problēma, pirmkārt, ir ideja par elektroniem, kas pārvietojas apļveida orbītā. Pierādīts fakts, ka paātrināti elektriskie lādiņi izstaro elektromagnētisko starojumu, šis fakts bija zināms pat Rezerforda laikos. Tā kā rotācijas kustība ir paātrinājuma veids (rotējošs objekts ar pastāvīgu paātrinājumu, velkot objektu prom no tā parastās taisnvirziena kustības), elektroniem rotējošā stāvoklī ir jāizstaro starojums kā dubļi no griežamā riteņa. Elektroni paātrinājās pa apļveida ceļiem daļiņu paātrinātājos, ko sauc sinhrotroni ir zināms, ka to dara, un rezultāts tiek saukts sinhrotronu starojums. Ja elektroni šādā veidā zaudētu enerģiju, to orbītas galu galā tiktu izjauktas, un rezultātā tie sadurtos ar pozitīvi lādētu kodolu. Tomēr atomu iekšienē tas parasti nenotiek. Patiešām, elektroniskās "orbītas" ir pārsteidzoši stabilas dažādos apstākļos.

Turklāt eksperimenti ar "satrauktajiem" atomiem ir parādījuši, ka elektromagnētisko enerģiju atoms izstaro tikai noteiktās frekvencēs. Atomus "satrauc" ārējā ietekme, piemēram, gaisma, kas, kā zināms, absorbē enerģiju un atgriež elektromagnētiskos viļņus noteiktās frekvencēs, līdzīgi kā kamertonis, kas nezvana noteiktā frekvencē, līdz tiek trāpīts. Kad ierosinātā atoma izstarotā gaisma tiek sadalīta ar prizmu tās sastāvdaļu frekvencēs (krāsās), tiek atrastas atsevišķas spektra krāsu līnijas, spektrālās līnijas modelis ir unikāls ķīmiskajam elementam. Šo parādību parasti izmanto, lai identificētu ķīmiskos elementus un pat noteiktu katra elementa proporcijas savienojumā vai ķīmiskajā maisījumā. Saskaņā ar Saules sistēma Rezerforda atomu modelis (attiecībā pret elektroniem, kā matērijas gabaliņiem, kas brīvi rotē orbītā ar kādu rādiusu) un klasiskās fizikas likumi, ierosinātajiem atomiem ir jāatdod enerģija gandrīz bezgalīgā frekvenču diapazonā, nevis izvēlētajās frekvencēs. Citiem vārdiem sakot, ja Rezerforda modelis būtu pareizs, tad nebūtu "skaņotāja" efekta, un jebkura atoma izstarotais krāsu spektrs parādītos kā nepārtraukta krāsu josla, nevis kā vairākas atsevišķas līnijas.

Bora ūdeņraža atoma modelis (ar orbītām, kas novilktas pēc mēroga) pieņem, ka elektroni atrodas tikai diskrētās orbītās. Elektroni, kas pārvietojas no n = 3, 4, 5 vai 6 uz n = 2, tiek parādīti Balmera spektrālo līniju sērijā

Pētnieks Nīls Bors mēģināja uzlabot Raterforda modeli pēc tam, kad 1912. gadā vairākus mēnešus bija pētījis to Raterforda laboratorijā. Mēģinot saskaņot citu fiziķu (īpaši Maksa Planka un Alberta Einšteina) rezultātus, Bors ierosināja, ka katram elektronam ir noteikts, konkrēts enerģijas daudzums un ka to orbītas ir sadalītas tā, lai katrs no tiem varētu ieņemt noteiktas vietas apkārt. kodols, piemēram, bumbiņas. , fiksēts uz apļveida ceļiem ap kodolu, nevis kā brīvi kustīgi pavadoņi, kā tika pieņemts iepriekš (attēls iepriekš). Ievērojot elektromagnētisma un paātrinošo lādiņu likumus, Bors apzīmēja "orbītas" kā stacionāri stāvokļi lai izvairītos no interpretācijas, ka viņi ir mobili.

Lai gan Bora ambiciozais mēģinājums pārdomāt atoma struktūru, kas vairāk atbilst eksperimentālajiem datiem, bija pagrieziena punkts fizikā, tas netika pabeigts. Viņa matemātiskā analīze paredzēja eksperimentu rezultātus labāk nekā tiem, kas veikti saskaņā ar iepriekšējiem modeļiem, taču joprojām bija neatbildēti jautājumi par to, vai kāpēc elektroniem jārīkojas tik dīvaini. Apgalvojums, ka elektroni eksistēja stacionāros kvantu stāvokļos ap kodolu, labāk korelēja ar eksperimentālajiem datiem nekā Raterforda modelis, taču netika teikts, kas liek elektroniem uzņemties šos īpašos stāvokļus. Atbilde uz šo jautājumu bija nākusi no cita fiziķa Luija de Brolija, kādus desmit gadus vēlāk.

De Broglie ierosināja, ka elektroniem, tāpat kā fotoniem (gaismas daļiņām), ir gan daļiņu, gan viļņu īpašības. Pamatojoties uz šo pieņēmumu, viņš ierosināja, ka rotējošo elektronu analīze viļņu izteiksmē ir labāka nekā daļiņu analīze un var sniegt plašāku ieskatu to kvantu dabā. Patiešām, izpratnē tika panākts vēl viens izrāviens.

Virkne, kas vibrē ar rezonanses frekvenci starp diviem fiksētiem punktiem, veido stāvviļņu

Atoms, saskaņā ar de Broglie teikto, sastāvēja no stāvošiem viļņiem, kas ir fiziķiem labi zināma parādība dažādās formās. Tāpat kā mūzikas instrumenta noplūktā stīga (attēlā augstāk), kas vibrē rezonanses frekvencē, ar "mezgliem" un "pretmezgliem" stabilās vietās visā garumā. De Broglie iztēlojās elektronus ap atomiem kā viļņus, kas izliekti aplī (attēls zemāk).

"Rotējošie" elektroni kā stāvošs vilnis ap kodolu, (a) divi cikli orbītā, (b) trīs cikli orbītā

Elektroni var pastāvēt tikai noteiktās, specifiskās "orbītās" ap kodolu, jo tie ir vienīgie attālumi, kur viļņa gali sakrīt. Jebkurā citā rādiusā vilnis destruktīvi sadursies ar sevi un tādējādi pārstās eksistēt.

De Broglie hipotēze sniedza gan matemātisko sistēmu, gan ērtu fizikālu analoģiju, lai izskaidrotu elektronu kvantu stāvokļus atomā, taču viņa atoma modelis joprojām bija nepilnīgs. Vairākus gadus fiziķi Verners Heizenbergs un Ervins Šrēdingers, strādājot neatkarīgi, ir strādājuši pie de Broglie koncepcijas par viļņu daļiņu dualitāti, lai izveidotu stingrākus subatomisko daļiņu matemātiskos modeļus.

Šī teorētiskā virzība no de Broglie primitīvā stāvviļņu modeļa uz Heizenberga matricu un diferenciālvienādojumsŠrēdingeram tika dots nosaukums kvantu mehānika, tas subatomisko daļiņu pasaulē ieviesa diezgan šokējošu īpašību: varbūtības vai nenoteiktības zīmi. Saskaņā ar jauno kvantu teoriju nebija iespējams vienā brīdī noteikt precīzu daļiņas atrašanās vietu un precīzu impulsu. Populārs skaidrojums šim "nenoteiktības principam" bija mērījumu kļūda (tas ir, mēģinot precīzi izmērīt elektrona pozīciju, jūs traucējat tā impulsu, un tāpēc nevarat zināt, kas tas bija, pirms sākat mērīt pozīciju , un otrādi). Kvantu mehānikas sensacionālais secinājums ir tāds, ka daļiņām nav precīzu pozīciju un momentu, un šo divu lielumu attiecības dēļ to kopējā nenoteiktība nekad nesamazinās zem noteiktas minimālās vērtības.

Šis "nenoteiktības" savienojuma veids pastāv arī citās jomās, nevis kvantu mehānikā. Kā minēts šīs grāmatu sērijas 2. sējuma nodaļā "Jauktās frekvences maiņstrāvas signāli", pastāv savstarpēji izslēdzošas attiecības starp viļņu formas laika domēna datu pārliecību un tās frekvenču domēna datiem. Vienkārši sakot, jo vairāk mēs zinām tā komponentu frekvences, jo mazāk precīzi zinām tā amplitūdu laika gaitā un otrādi. Citējot sevi:

Bezgalīga ilguma signālu (bezgalīgu ciklu skaitu) var analizēt ar absolūtu precizitāti, bet jo mazāk ciklu ir pieejams datoram analīzei, jo neprecīzāka ir analīze... Jo mazāk signāla periodu, jo mazāk precīza ir tā frekvence. . Ņemot šo koncepciju līdz tās loģiskajai galējībai, īsam impulsam (pat ne pilnam signāla periodam) patiesībā nav noteiktas frekvences, tas ir bezgalīgs frekvenču diapazons. Šis princips ir kopīgs visām viļņu parādībām, un ne tikai mainīgiem spriegumiem un strāvām.

Lai precīzi noteiktu mainīgā signāla amplitūdu, mums tas ir jāizmēra ļoti īsā laikā. Tomēr tas ierobežo mūsu zināšanas par viļņa frekvenci (vilnim kvantu mehānikā nav jābūt līdzīgam sinusoidālajam vilnim; šāda līdzība ir īpašs gadījums). No otras puses, lai ar lielu precizitāti noteiktu viļņa frekvenci, mums tas jāmēra daudzos periodos, kas nozīmē, ka mēs jebkurā brīdī pazaudēsim tā amplitūdu. Tādējādi mēs nevaram vienlaikus ar neierobežotu precizitāti zināt jebkura viļņa momentāno amplitūdu un visas frekvences. Vēl viena dīvainība, šī nenoteiktība ir daudz lielāka par novērotāja neprecizitāti; tas ir pašā viļņa būtībā. Tas tā nav, lai gan, izmantojot atbilstošu tehnoloģiju, būtu iespējams vienlaikus nodrošināt precīzus gan momentānās amplitūdas, gan frekvences mērījumus. Burtiskā nozīmē vilnim nevar vienlaikus būt precīza momentāna amplitūda un precīza frekvence.

Heizenberga un Šrēdingera izteiktajai daļiņu stāvokļa un impulsa minimālajai nenoteiktībai nav nekāda sakara ar mērījumu ierobežojumiem; drīzāk tā ir daļiņas viļņu-daļiņu dualitātes būtības īpašība. Tāpēc elektroni patiesībā nepastāv savās "orbītās" kā skaidri noteiktas matērijas daļiņas vai pat kā skaidri noteiktas viļņu formas, bet drīzāk kā "mākoņi" - tehnisks termins. viļņu funkcija varbūtības sadalījumi, it kā katrs elektrons būtu "izkliedēts" vai "izsmērēts" vairāku pozīciju un momentu diapazonā.

Šis radikālais uzskats par elektroniem kā nenoteiktiem mākoņiem sākotnēji ir pretrunā ar sākotnējo elektronu kvantu stāvokļu principu: elektroni pastāv diskrētās, noteiktās "orbītās" ap atoma kodolu. Galu galā šis jaunais skatījums bija atklājums, kas noveda pie kvantu teorijas veidošanās un skaidrošanas. Cik dīvaini šķiet, ka teorija, kas izveidota, lai izskaidrotu elektronu diskrēto uzvedību, galu galā paziņo, ka elektroni pastāv kā "mākoņi", nevis kā atsevišķi matērijas gabali. Tomēr elektronu kvantu uzvedība nav atkarīga no elektroniem, kuriem ir noteiktas koordinātu un impulsa vērtības, bet gan no citām īpašībām, t.s. kvantu skaitļi. Būtībā kvantu mehānika atsakās no vispārpieņemtiem absolūtās pozīcijas un absolūtā momenta jēdzieniem un aizstāj tos ar absolūtajiem tipu jēdzieniem, kuriem nav analogu parastajā praksē.

Lai gan ir zināms, ka elektroni eksistē bezķermeņainās, "mākoņainās" sadalītās varbūtības formās, nevis atsevišķās matērijas daļās, šiem "mākoņiem" ir nedaudz atšķirīgas īpašības. Jebkuru elektronu atomā var aprakstīt ar četriem skaitliskiem mēriem (iepriekš minētie kvantu skaitļi), ko sauc galvenais (radiāls), orbīta (azimuts), magnētisks Un spin cipariem. Tālāk ir sniegts īss pārskats par katra no šiem skaitļiem:

Galvenais (radiālais) kvantu skaitlis: apzīmēts ar burtu n, šis skaitlis raksturo apvalku, uz kura atrodas elektrons. Elektronu "apvalks" ir telpas apgabals ap atoma kodolu, kurā var pastāvēt elektroni, kas atbilst de Brolija un Bora stabilajiem "stāvošā viļņa" modeļiem. Elektroni var "lēkt" no čaulas uz apvalku, bet nevar pastāvēt starp tiem.

Galvenajam kvantu skaitlim ir jābūt pozitīvam veselam skaitlim (lielākam par 1 vai vienādam ar to). Citiem vārdiem sakot, elektrona galvenais kvantu skaitlis nevar būt 1/2 vai -3. Šie veselie skaitļi netika izvēlēti patvaļīgi, bet gan ar eksperimentāliem gaismas spektra pierādījumiem: ierosināto ūdeņraža atomu izstarotās gaismas dažādās frekvences (krāsas) atbilst matemātiskām attiecībām atkarībā no konkrētām veselu skaitļu vērtībām, kā parādīts attēlā zemāk.

Katram apvalkam ir iespēja noturēt vairākus elektronus. Elektronu apvalku analoģija ir koncentriskas sēdekļu rindas amfiteātrī. Tāpat kā amfiteātrī sēdošajam ir jāizvēlas rinda, kur apsēsties (viņš nevar sēdēt starp rindām), elektroniem ir "jāizvēlas" konkrēts apvalks, lai "apsēstos". Tāpat kā rindas amfiteātrī, ārējie apvalki satur vairāk elektronu nekā čaulas, kas atrodas tuvāk centram. Tāpat elektroniem ir tendence atrast mazāko pieejamo apvalku, tāpat kā cilvēki amfiteātrī meklē vietu, kas ir vistuvāk centrālajai skatuvei. Jo lielāks ir čaulas skaitlis, jo vairāk enerģijas uz tā ir elektroniem.

Maksimālo elektronu skaitu, ko var saturēt jebkura apvalka, apraksta ar vienādojumu 2n 2 , kur n ir galvenais kvantu skaitlis. Tādējādi pirmajā apvalkā (n = 1) var būt 2 elektroni; otrais apvalks (n = 2) - 8 elektroni; un trešais apvalks (n = 3) - 18 elektroni (attēls zemāk).

Galvenais kvantu skaitlis n un maksimālais elektronu skaits ir saistīti ar formulu 2(n 2). Orbītas nav mērogā.

Elektronu apvalki atomā tika apzīmēti ar burtiem, nevis cipariem. Pirmais apvalks (n = 1) tika apzīmēts ar K, otrais apvalks (n = 2) L, trešais apvalks (n = 3) M, ceturtais apvalks (n = 4) N, piektais apvalks (n = 5) O, sestais apvalks (n = 6) P un septītais apvalks (n = 7) B.

Orbitālais (azimuta) kvantu skaitlis: apvalks, kas sastāv no apakščaulām. Dažiem var šķist ērtāk uzskatīt apakščaulas kā vienkāršus čaulu posmus, piemēram, joslas, kas sadala ceļu. Apakščaulas ir daudz dīvainākas. Apakščaulas ir telpas apgabali, kuros var pastāvēt elektronu "mākoņi", un patiesībā dažādiem apakščauliem ir dažādas formas. Pirmais apakšapvalks ir bumbiņas formā (attēls zemāk (s)), kas ir jēga, ja to vizualizē kā elektronu mākoni, kas trīs dimensijās ieskauj atoma kodolu.

Otrais apakšapvalks atgādina hanteli, kas sastāv no divām "ziedlapiņām", kas savienotas vienā punktā netālu no atoma centra (attēls zemāk (p)).

Trešā apakščaula parasti atgādina četru "ziedlapu" kopu, kas sagrupētas ap atoma kodolu. Šīs apakščaulas formas atgādina antenas modeļu grafiskus attēlojumus ar sīpoliem līdzīgām daivām, kas stiepjas no antenas dažādos virzienos (attēls zemāk (d)).

Orbitāles:
s) trīskāršā simetrija;
(p) Parādīts: p x , viena no trim iespējamajām orientācijām (p x , p y , p z) pa attiecīgajām asīm;
(d) Parādīts: d x 2 -y 2 ir līdzīgs d xy , d yz , d xz . Parādīts: d z 2 . Iespējamo d-orbitāļu skaits: piecas.

Orbitālā kvantu skaitļa derīgās vērtības ir pozitīvi veseli skaitļi, tāpat kā galvenajam kvantu skaitlim, bet ietver arī nulli. Šos kvantu skaitļus elektroniem apzīmē ar burtu l. Apakščaulu skaits ir vienāds ar čaulas galveno kvantu skaitu. Tādējādi pirmajam apvalkam (n = 1) ir viena apakščaula ar skaitli 0; otrajam apvalkam (n = 2) ir divas apakščaulas, kas numurētas ar 0 un 1; trešajam apvalkam (n = 3) ir trīs apakščaulas, kas numurētas ar 0, 1 un 2.

Vecajā apakščaulas konvencijā tika izmantoti burti, nevis cipari. Šajā formātā pirmā apakščaula (l = 0) tika apzīmēta ar s, otrā apakščaula (l = 1) tika apzīmēta ar p, trešā apakščaula (l = 2) tika apzīmēta ar d, bet ceturtā apakščaula (l = 3) apzīmēts ar f. Vēstules nāca no vārdiem: asas, galvenais, izkliedēts Un Fundamentāls. Šos apzīmējumus joprojām var redzēt daudzās periodiskajās tabulās, ko izmanto, lai apzīmētu ārējās ( valence) atomu čaulas.

a) sudraba atoma Bora attēlojums,
(b) Ag orbitālais attēlojums ar čaulu sadalīšanu apakščaulās (orbitālais kvantu skaitlis l).
Šī diagramma neko nenozīmē par elektronu faktisko stāvokli, bet tikai attēlo enerģijas līmeņus.

Magnētiskais kvantu skaitlis: magnētiskais kvantu skaitlis elektronam klasificē elektronu apakščaulas figūras orientāciju. Apakščaulu "ziedlapiņas" var virzīt vairākos virzienos. Šīs dažādās orientācijas sauc par orbitālēm. Pirmajai apakščaulai (s; l = 0), kas atgādina sfēru, "virziens" nav norādīts. Katrai čaulai otrai (p; l = 1) apakščaulai, kas atgādina hanteles, kas norāda trīs iespējamos virzienos. Iedomājieties trīs hanteles, kas krustojas sākuma punktā, un katra norāda pa savu asi triaksiālā koordinātu sistēmā.

Dotā kvantu skaitļa derīgās vērtības sastāv no veseliem skaitļiem no -l līdz l, un šis skaitlis tiek apzīmēts kā m l atomu fizikā un z kodolfizikā. Lai aprēķinātu orbitāļu skaitu jebkurā apakščaulā, jums ir nepieciešams dubultot apakščaulas numuru un pievienot 1, (2∙l + 1). Piemēram, pirmā apakščaula (l = 0) jebkurā čaulā satur vienu orbitāli ar numuru 0; otrā apakščaula (l = 1) jebkurā apvalkā satur trīs orbitāles ar skaitļiem -1, 0 un 1; trešajā apakšapvalkā (l = 2) ir piecas orbitāles, kas numurētas ar -2, -1, 0, 1 un 2; utt.

Tāpat kā galvenais kvantu skaitlis, arī magnētiskais kvantu skaitlis radās tieši no eksperimentāliem datiem: Zēmana efekts, spektrālo līniju atdalīšana, pakļaujot jonizētu gāzi magnētiskajam laukam, tāpēc arī nosaukums "magnētiskais" kvantu skaitlis.

Griezuma kvantu skaitlis: tāpat kā magnētiskais kvantu skaitlis, šī atoma elektronu īpašība tika atklāta eksperimentos. Rūpīgi novērojot spektrālās līnijas, tika konstatēts, ka katra līnija patiesībā bija pāris ļoti cieši izvietotu līniju, ir izskanējis viedoklis, ka šī t.s. smalka struktūra bija rezultāts tam, ka katrs elektrons "griežas" ap savu asi, piemēram, planēta. Elektroni ar dažādiem "spiniņiem" uzbudināti izdalītu nedaudz atšķirīgas gaismas frekvences. Vērpšanas elektronu koncepcija tagad ir novecojusi, jo tā ir vairāk piemērota (nepareizam) priekšstatam par elektroniem kā atsevišķām matērijas daļiņām, nevis kā "mākoņiem", taču nosaukums paliek.

Griešanās kvantu skaitļi tiek apzīmēti kā jaunkundze atomu fizikā un sz kodolfizikā. Katrā orbitālē katrā apakščaulā var būt divi elektroni, viens ar spinu +1/2 un otrs ar spinu -1/2.

Fiziķis Volfgangs Pauli izstrādāja principu, kas izskaidro elektronu secību atomā atbilstoši šiem kvantu skaitļiem. Viņa princips, saukts Pauli izslēgšanas princips, norāda, ka divi elektroni vienā atomā nevar ieņemt vienus un tos pašus kvantu stāvokļus. Tas nozīmē, ka katram elektronam atomā ir unikāls kvantu skaitļu kopums. Tas ierobežo elektronu skaitu, kas var aizņemt jebkuru orbitāli, apakšapvalku un apvalku.

Tas parāda elektronu izvietojumu ūdeņraža atomā:

Ar vienu protonu kodolā atoms pieņem vienu elektronu savam elektrostatiskajam līdzsvaram ( pozitīvs lādiņš protonu precīzi līdzsvaro elektrona negatīvais lādiņš). Šis elektrons atrodas apakšējā apvalkā (n = 1), pirmajā apakšapvalkā (l = 0), šī apakščaulas vienīgajā orbitālē (telpiskā orientācija) (m l = 0), ar spina vērtību 1/2. Šīs struktūras vispārīgā aprakstīšanas metode ir elektronu uzskaitīšana atbilstoši to čaulām un apakščaulām saskaņā ar vienošanos, ko sauc par spektroskopiskais apzīmējums. Šajā apzīmējumā čaulas numurs tiek parādīts kā vesels skaitlis, apakščaula kā burts (s,p,d,f), bet kopējais elektronu skaits apakščaulā (visas orbitāles, visi spini) kā augšindekss. Tādējādi ūdeņradis ar vienu elektronu, kas atrodas bāzes līmenī, tiek aprakstīts kā 1s 1 .

Pārejot uz nākamo atomu (atomu skaita secībā), mēs iegūstam elementu hēlijs:

Hēlija atoma kodolā ir divi protoni, kam nepieciešami divi elektroni, lai līdzsvarotu dubulto pozitīvo elektrisko lādiņu. Tā kā divi elektroni - viens ar spinu 1/2 un otrs ar spin -1/2 - atrodas vienā orbitālē, hēlija elektroniskajai struktūrai nav nepieciešami papildu apakščaulas vai čaulas, lai noturētu otru elektronu.

Tomēr atomam, kuram nepieciešami trīs vai vairāk elektroni, būs nepieciešami papildu apakšapvalki, lai noturētu visus elektronus, jo apakšējā apvalkā var atrasties tikai divi elektroni (n = 1). Apsveriet nākamo atomu litija atomu skaita palielināšanas secībā:

Litija atoms izmanto daļu no apvalka kapacitātes L (n = 2). Šī apvalka kopējā jauda faktiski ir astoņi elektroni (maksimālā apvalka kapacitāte = 2n 2 elektroni). Ja ņemam vērā atoma struktūru ar pilnībā aizpildītu L apvalku, mēs redzam, kā visas apakščaulas, orbitāļu un spinu kombinācijas aizņem elektroni:

Bieži vien, piešķirot atomam spektroskopisku apzīmējumu, visi pilnībā aizpildītie apvalki tiek izlaisti un tiek apzīmēti neaizpildītie apvalki un augstākā līmeņa aizpildītie apvalki. Piemēram, elementu neons (parādīts attēlā iepriekš), kuram ir divi pilnībā piepildīti apvalki, spektrāli var raksturot vienkārši kā 2p 6, nevis 1s 22 s 22 p 6. Litiju ar pilnībā piepildītu K apvalku un vienu elektronu L apvalkā var vienkārši raksturot kā 2s 1, nevis 1s 22 s 1.

Pilnībā aizpildītu zemāka līmeņa čaulu izlaišana nav paredzēta tikai apzīmējumu ērtībai. Tas arī ilustrē ķīmijas pamatprincipu: elementa ķīmisko uzvedību galvenokārt nosaka tā neaizpildītie apvalki. Gan ūdeņradim, gan litijam uz ārējā apvalka ir viens elektrons (attiecīgi kā 1 un 2s 1), tas ir, abiem elementiem ir līdzīgas īpašības. Abi ir ļoti reaģējoši un reaģē gandrīz identiski (saistoties ar līdzīgiem elementiem līdzīgos apstākļos). Nav īsti svarīgi, ka litijam ir pilnībā piepildīts K veida apvalks zem gandrīz brīva L veida apvalka: neaizpildītais L veida apvalks nosaka tā ķīmisko uzvedību.

Elementi, kuriem ir pilnībā aizpildīti ārējie apvalki, tiek klasificēti kā cēli, un tiem raksturīgs gandrīz pilnīgs reakcijas trūkums ar citiem elementiem. Šie elementi tika klasificēti kā inerti, ja tika uzskatīts, ka tie vispār nereaģē, bet ir zināms, ka noteiktos apstākļos tie veido savienojumus ar citiem elementiem.

Tā kā elementiem ar vienādām elektronu konfigurācijām ārējos apvalkos ir līdzīgi Ķīmiskās īpašības, Dmitrijs Mendeļejevs atbilstoši sakārtoja ķīmiskos elementus tabulā. Šī tabula ir pazīstama kā , un mūsdienu tabulas atbilst šim vispārīgajam izkārtojumam, kas parādīts attēlā zemāk.

Ķīmisko elementu periodiskā tabula

Krievu ķīmiķis Dmitrijs Mendeļejevs bija pirmais, kurš izstrādāja periodisko elementu tabulu. Lai gan Mendeļejevs sakārtoja savu tabulu pēc atommasas, nevis pēc atomu skaita un izveidoja tabulu, kas nebija tik noderīga kā mūsdienu periodiskās tabulas, viņa attīstība ir lielisks zinātniska pierādījuma piemērs. Redzot periodiskuma modeļus (līdzīgas ķīmiskās īpašības atkarībā no atomu masas), Mendeļejevs izvirzīja hipotēzi, ka visiem elementiem ir jāiekļaujas šajā sakārtotajā shēmā. Atklājot tabulā "tukšas" vietas, viņš sekoja esošās kārtības loģikai un pieņēma vēl nezināmu elementu esamību. Turpmākā šo elementu atklāšana apstiprināja Mendeļejeva hipotēzes zinātnisko pareizību, un turpmākie atklājumi noveda pie periodiskās tabulas formas, ko mēs izmantojam tagad.

Kā šis vajadzētu darba zinātne: hipotēzes noved pie loģiskiem secinājumiem un tiek pieņemtas, mainītas vai noraidītas atkarībā no eksperimentālo datu atbilstības to secinājumiem. Jebkurš muļķis var formulēt hipotēzi pēc fakta, lai izskaidrotu pieejamos eksperimentālos datus, un daudzi to dara. Zinātnisko hipotēzi no post hoc spekulācijām atšķir nākotnes eksperimentālo datu prognozēšana, kas vēl nav savākti, un, iespējams, šo datu atspēkošana. Drosmīgi novest hipotēzi līdz tās loģiskam(-iem) secinājumam(-iem), un mēģinājums paredzēt turpmāko eksperimentu rezultātus nav dogmatisks ticības lēciens, bet gan šīs hipotēzes publiska pārbaude, atklāts izaicinājums hipotēzes pretiniekiem. Citiem vārdiem sakot, zinātniskās hipotēzes vienmēr ir "riskantas", jo mēģina paredzēt vēl neveiktu eksperimentu rezultātus, un tāpēc tās var viltot, ja eksperimenti nenotiek tā, kā paredzēts. Tādējādi, ja hipotēze pareizi paredz atkārtotu eksperimentu rezultātus, tā tiek atspēkota.

Kvantu mehānika vispirms kā hipotēze un pēc tam kā teorija ir izrādījusies ārkārtīgi veiksmīga, prognozējot eksperimentu rezultātus, un līdz ar to ir saņēmusi augstu zinātniskās ticamības pakāpi. Daudziem zinātniekiem ir pamats uzskatīt, ka šī ir nepilnīga teorija, jo tās prognozes ir vairāk patiesas mikrofizikālos mērogos nekā makroskopiskās, taču, neskatoties uz to, tā ir ārkārtīgi noderīga teorija, lai izskaidrotu un prognozētu daļiņu un atomu mijiedarbību.

Kā jūs redzējāt šajā nodaļā, kvantu fizika ir būtiska daudzu dažādu parādību aprakstīšanai un prognozēšanai. Nākamajā sadaļā mēs redzēsim tā nozīmi cietvielu, tostarp pusvadītāju, elektrovadītspējā. Vienkārši sakot, nekas ķīmijā vai fizikā ciets ķermenis nav jēgas populārajā teorētiskajā elektronu struktūrā, kas pastāv kā atsevišķas matērijas daļiņas, kas riņķo ap atoma kodolu kā miniatūri pavadoņi. Ja elektronus uzskata par "viļņu funkcijām", kas pastāv noteiktos, diskrētos stāvokļos, kas ir regulāri un periodiski, tad matērijas uzvedību var izskaidrot.

Summējot

Elektroni atomos pastāv sadalītas varbūtības "mākoņos", nevis kā diskrētas matērijas daļiņas, kas riņķo ap kodolu, piemēram, miniatūri pavadoņi, kā liecina izplatīti piemēri.

Atsevišķiem elektroniem ap atoma kodolu ir tendence uz unikāliem "stāvokļiem", ko raksturo četri kvantu skaitļi: galvenais (radiālais) kvantu skaitlis, zināms kā apvalks; orbitālais (azimuta) kvantu skaitlis, zināms kā apakščaula; magnētiskais kvantu skaitlis aprakstot orbitālā(apakščaulas orientācija); Un griešanās kvantu skaitlis vai vienkārši spin. Šie stāvokļi ir kvanti, tas ir, “starp tiem” nav nosacījumu elektrona pastāvēšanai, izņemot stāvokļus, kas iekļaujas kvantu numerācijas shēmā.

Glanoe (radiālais) kvantu skaitlis (n) apraksta bāzes līmeni vai apvalku, kurā atrodas elektrons. Jo lielāks šis skaitlis, jo lielāks ir elektronu mākoņa rādiuss no atoma kodola un jo lielāka ir elektrona enerģija. Galvenie kvantu skaitļi ir veseli skaitļi (pozitīvi veseli skaitļi)

Orbitālais (azimutālais) kvantu skaitlis (l) apraksta elektronu mākoņa formu noteiktā apvalkā vai līmenī, un to bieži sauc par "apakščaulu". Jebkurā apvalkā ir tik daudz apakščaulu (elektronu mākoņa formu), cik čaulas galvenais kvantu skaitlis. Azimutālie kvantu skaitļi ir pozitīvi veseli skaitļi, kas sākas no nulles un beidzas ar skaitli, kas ir par vienu mazāks par galveno kvantu skaitli (n - 1).

Magnētiskais kvantu skaitlis (m l) apraksta, kāda ir apakščaulas (elektronu mākoņa formas) orientācija. Apakšapvalkiem var būt tik dažādas orientācijas, cik divreiz lielāks par apakščaulas skaitli (l) plus 1, (2l+1) (tas ir, ja l=1, ml = -1, 0, 1), un katru unikālo orientāciju sauc par orbitāli. . Šie skaitļi ir veseli skaitļi, kas sākas no apakščaulas skaitļa negatīvas vērtības (l) līdz 0 un beidzas ar apakščaulas skaitļa pozitīvu vērtību.

Pagrieziena kvantu skaitlis (m s) apraksta citu elektrona īpašību un var iegūt vērtības +1/2 un -1/2.

Pauli izslēgšanas princips saka, ka diviem elektroniem atomā nevar būt vienāda kvantu skaitļu kopa. Tāpēc katrā orbitālē var būt ne vairāk kā divi elektroni (spin=1/2 un spin=-1/2), 2l+1 orbitāles katrā apakščaulā un n apakščaulas katrā un ne vairāk.

Spektroskopiskais apzīmējums ir konvencija par atoma elektronisko struktūru. Apvalki tiek parādīti kā veseli skaitļi, kam seko apakščaulas burti (s, p, d, f) ar augšējo indeksu cipariem, kas norāda kopējo elektronu skaitu, kas atrasti katrā attiecīgajā apakščaulā.

Atoma ķīmisko uzvedību nosaka tikai elektroni neaizpildītās čaulās. Zema līmeņa čaumalas, kas ir pilnībā piepildītas, maz vai nemaz neietekmē elementu ķīmiskās saistīšanās īpašības.

Elementi ar pilnībā piepildītiem elektronu apvalkiem ir gandrīz pilnīgi inerti, un tos sauc cēls elementi (iepriekš zināmi kā inerti).

Noteikti esat dzirdējuši daudzas reizes par neizskaidrojamajiem kvantu fizikas un kvantu mehānikas noslēpumiem. Tās likumi aizrauj ar mistiku, un pat paši fiziķi atzīst, ka līdz galam tos neizprot. No vienas puses, ir ziņkārīgi izprast šos likumus, bet, no otras puses, nav laika lasīt daudzsējumu un sarežģītas fizikas grāmatas. Es jūs ļoti saprotu, jo arī man patīk zināšanas un patiesības meklējumi, bet visām grāmatām ļoti nepietiek laika. Jūs neesat viens, tāpēc daudzi zinātkāri cilvēki ieraksta meklēšanas rindā: "kvantu fizika manekeniem, kvantu mehānika manekeniem, kvantu fizika iesācējiem, kvantu mehānika iesācējiem, kvantu fizikas pamati, kvantu mehānikas pamati, kvantu fizika bērniem , kas ir kvantu mehānika". Šis ieraksts ir paredzēts jums.

Jūs sapratīsit kvantu fizikas pamatjēdzienus un paradoksus. No raksta jūs uzzināsit:

• Kas ir kvantu fizika un kvantu mehānika?
• Kas ir iejaukšanās?
• Kas ir kvantu sapīšanās (vai kvantu teleportācija manekeniem)? (skat. rakstu)
• Kas ir Šrēdingera kaķa domu eksperiments? (skat. rakstu)

Kvantu mehānika ir daļa no kvantu fizikas.

Kāpēc ir tik grūti saprast šīs zinātnes? Atbilde ir vienkārša: kvantu fizika un kvantu mehānika (kvantu fizikas daļa) pēta mikropasaules likumus. Un šie likumi absolūti atšķiras no mūsu makrokosmosa likumiem. Tāpēc mums ir grūti iedomāties, kas notiek ar elektroniem un fotoniem mikrokosmosā.

Piemērs atšķirībai starp makro un mikropasaules likumiem: mūsu makrokosmosā, ja jūs ievietojat bumbu vienā no 2 kastēm, tad viena no tām būs tukša, bet otra - bumba. Bet mikrokosmosā (ja lodītes vietā - atoms) atoms var būt vienlaicīgi divās kastēs. Tas ir vairākkārt apstiprināts eksperimentāli. Vai nav grūti to ielikt galvā? Bet jūs nevarat strīdēties ar faktiem.

Vēl viens piemērs. Jūs fotografējāt ātru sacīkšu sarkanu sporta automašīnu un fotoattēlā redzējāt izplūdušu horizontālu joslu, it kā automašīna fotoattēla uzņemšanas brīdī būtu no vairākiem kosmosa punktiem. Neskatoties uz to, ko redzat fotoattēlā, jūs joprojām esat pārliecināts, ka automašīna bija tajā brīdī, kad to fotografējāt. vienā konkrētā vietā telpā. Mikro pasaulē tā nav. Elektrons, kas griežas ap atoma kodolu, patiesībā negriežas, bet gan kas atrodas vienlaicīgi visos sfēras punktos ap atoma kodolu. Kā brīvi uztīta pūkainas vilnas bumba. Šo jēdzienu fizikā sauc "elektroniskais mākonis" .

Neliela atkāpe vēsturē. Pirmo reizi zinātnieki aizdomājās par kvantu pasauli, kad 1900. gadā vācu fiziķis Makss Planks mēģināja noskaidrot, kāpēc metāli karsējot maina krāsu. Tas bija viņš, kurš ieviesa kvantu jēdzienu. Pirms tam zinātnieki domāja, ka gaisma ceļo nepārtraukti. Pirmais, kurš nopietni uztvēra Planka atklājumu, bija tolaik nezināmais Alberts Einšteins. Viņš saprata, ka gaisma nav tikai vilnis. Dažreiz tas uzvedas kā daļiņa. Einšteins saņēma Nobela prēmiju par atklājumu, ka gaisma tiek izstarota porcijās, kvantos. Gaismas kvantu sauc par fotonu ( fotons, Wikipedia) .

Lai būtu vieglāk izprast kvantu likumus fizika Un mehānika (Wikipedia), zināmā mērā ir nepieciešams abstrahēties no mums pazīstamajiem klasiskās fizikas likumiem. Un iedomājieties, ka jūs, tāpat kā Alise, ienira truša bedrē, Brīnumzemē.

Un šeit ir multfilma bērniem un pieaugušajiem. Stāsta par kvantu mehānikas fundamentālo eksperimentu ar 2 spraugām un novērotāju. Ilgst tikai 5 minūtes. Noskatieties to, pirms iedziļināmies kvantu fizikas pamatjautājumos un jēdzienos.

Kvantu fizika manekeniem video. Karikatūrā pievērsiet uzmanību novērotāja "acij". Fiziķiem tas ir kļuvis par nopietnu noslēpumu.

Kas ir iejaukšanās?

Multfilmas sākumā, izmantojot šķidruma piemēru, tika parādīts, kā uzvedas viļņi - ekrānā aiz šķīvja ar spraugām parādās pamīšus tumšas un gaišas vertikālas svītras. Un gadījumā, ja diskrētas daļiņas (piemēram, oļi) tiek “izšautas” pie plāksnes, tās izlido cauri 2 spraugām un atsitas pret ekrānu tieši pretī spraugām. Un uz ekrāna "uzzīmējiet" tikai 2 vertikālas svītras.

Gaismas traucējumi- Tā ir gaismas "viļņu" uzvedība, kad ekrānā tiek parādīts daudz mainīgu spilgtu un tumšu vertikālu svītru. Un tās vertikālās svītras sauc par traucējumu modeli.

Mūsu makrokosmosā mēs bieži novērojam, ka gaisma uzvedas kā vilnis. Ja noliek roku sveces priekšā, tad uz sienas būs nevis skaidra ēna no rokas, bet ar izplūdušām kontūrām.

Tātad, tas nemaz nav tik grūti! Tagad mums ir pilnīgi skaidrs, ka gaismai ir viļņu raksturs, un, ja 2 spraugas tiek izgaismotas ar gaismu, tad uz ekrāna aiz tām mēs redzēsim traucējumu rakstu. Tagad apsveriet otro eksperimentu. Šis ir slavenais Stern-Gerlach eksperiments (kas tika veikts pagājušā gadsimta 20. gados).

Karikatūrā aprakstītajā instalācijā tie nespīdēja ar gaismu, bet “šāva” ar elektroniem (kā atsevišķas daļiņas). Toreiz, pagājušā gadsimta sākumā, fiziķi visā pasaulē uzskatīja, ka elektroni ir matērijas elementārdaļiņas un tiem nevajadzētu būt viļņveida, bet tādiem pašiem kā oļiem. Galu galā elektroni ir elementāras matērijas daļiņas, vai ne? Tas ir, ja tie ir “iemeti” 2 spraugās, piemēram, oļi, tad uz ekrāna aiz spraugām mums vajadzētu redzēt 2 vertikālas svītras.

Bet... Rezultāts bija satriecošs. Zinātnieki ieraudzīja traucējumu rakstu - daudz vertikālu svītru. Tas ir, elektroniem, tāpat kā gaismai, var būt arī viļņu raksturs, tie var traucēt. Un no otras puses, kļuva skaidrs, ka gaisma ir ne tikai vilnis, bet arī daļiņa - fotons (no plkst. vēsturiskais fons Raksta sākumā mēs uzzinājām, ka Einšteins saņēma Nobela prēmiju par šo atklājumu).

Varbūt atceries, ka skolā mums fizikā stāstīja par "daļiņu-viļņu duālisms"? Tas nozīmē, kad mēs runājam par ļoti mazām mikropasaules daļiņām (atomiem, elektroniem), tad tie ir gan viļņi, gan daļiņas

Tieši šodien mēs ar jums esam tik gudri un saprotam, ka 2 iepriekš aprakstītie eksperimenti - elektronu šaušana un spraugu apgaismošana ar gaismu - ir viens un tas pats. Jo mēs šaujam uz spraugām kvantu daļiņas. Tagad mēs zinām, ka gan gaismai, gan elektroniem ir kvantu daba, tie vienlaikus ir gan viļņi, gan daļiņas. Un 20. gadsimta sākumā šī eksperimenta rezultāti bija sensācija.

Uzmanību! Tagad pāriesim pie smalkāka jautājuma.

Mēs spīdam uz savām spraugām ar fotonu (elektronu) plūsmu — un aiz ekrāna spraugām redzam traucējumu rakstu (vertikālas svītras). Tas ir skaidrs. Bet mums ir interesanti redzēt, kā katrs no elektroniem lido caur spraugu.

Jādomā, ka viens elektrons lido uz kreiso spraugu, otrs pa labi. Bet tad ekrānā tieši pretī slotiem jāparādās 2 vertikālām svītrām. Kāpēc tiek iegūts traucējumu modelis? Varbūt elektroni kaut kādā veidā mijiedarbojas viens ar otru jau ekrānā pēc izlidošanas caur spraugām. Un rezultāts ir tāds viļņu raksts. Kā mēs varam tam sekot?

Mēs metīsim elektronus nevis starā, bet pa vienam. Nomet, pagaidi, nomet nākamo. Tagad, kad elektrons lido viens, tas vairs nevarēs mijiedarboties uz ekrāna ar citiem elektroniem. Mēs reģistrēsim ekrānā katru elektronu pēc metiena. Viens vai divi, protams, mums “neuzzīmēs” skaidru ainu. Bet, kad mēs tos pa vienam iesūtām slotos, mēs pamanīsim ... ak šausmas - viņi atkal “uzzīmēja” traucējumu viļņu rakstu!

Sākam lēnām trakot. Galu galā mēs gaidījām, ka pretī spraugām būs 2 vertikālas svītras! Izrādās, kad mēs pa vienam metām fotonus, katrs no tiem izgāja it kā vienlaikus caur 2 spraugām un traucēja sev. Daiļliteratūra! Mēs atgriezīsimies pie šīs parādības skaidrojuma nākamajā sadaļā.

Kas ir spin un superpozīcija?

Tagad mēs zinām, kas ir iejaukšanās. Tāda ir mikrodaļiņu – fotonu, elektronu, citu mikrodaļiņu (turpmāk vienkāršības labad sauksim tos par fotoniem) viļņu uzvedība.

Eksperimenta rezultātā, iemetot 1 fotonu 2 spraugās, sapratām, ka tas lido it kā pa divām spraugām vienlaikus. Kā citādi izskaidrot traucējumu modeli ekrānā?

Bet kā iedomāties attēlu, kurā fotons vienlaikus izlido pa divām spraugām? Ir 2 varianti.

• 1. variants: fotons, kā vilnis (kā ūdens) "peld" pa 2 spraugām vienlaicīgi
• 2. variants: fotons, tāpat kā daļiņa, lido vienlaikus pa 2 trajektorijām (pat ne divām, bet visām vienlaikus)

Principā šie apgalvojumi ir līdzvērtīgi. Esam nonākuši pie "ceļa integrāļa". Šis ir Ričarda Feinmena kvantu mehānikas formulējums.

Starp citu, tieši tā Ričards Feinmens pieder pie plaši pazīstamā izteiciena, ka mēs varam droši teikt, ka neviens nesaprot kvantu mehāniku

Bet šī viņa izpausme darbojās gadsimta sākumā. Bet tagad mēs esam gudri un zinām, ka fotons var uzvesties gan kā daļiņa, gan kā vilnis. Ka viņš kaut kādā mums nesaprotamā veidā var izlidot pa 2 slotiem vienlaicīgi. Tāpēc mums būs viegli saprast šādu svarīgo kvantu mehānikas apgalvojumu:

Stingri sakot, kvantu mehānika mums saka, ka šī fotonu uzvedība ir noteikums, nevis izņēmums. Jebkura kvantu daļiņa, kā likums, atrodas vairākos stāvokļos vai vairākos telpas punktos vienlaicīgi.

Makropasaules objekti var atrasties tikai vienā noteiktā vietā un vienā noteiktā stāvoklī. Bet kvantu daļiņa pastāv saskaņā ar saviem likumiem. Un viņai ir vienalga, ka mēs viņus nesaprotam. Šī ir būtība.

Mums atliek vienkārši pieņemt kā aksiomu, ka kvantu objekta "superpozīcija" nozīmē, ka tas var atrasties uz 2 vai vairākām trajektorijām vienlaikus, 2 vai vairāk punktos vienlaikus.

Tas pats attiecas uz citu fotona parametru - spin (savu leņķisko impulsu). Spin ir vektors. Kvantu objektu var uzskatīt par mikroskopisku magnētu. Mēs esam pieraduši, ka magnēta vektors (spin) ir vērsts vai nu uz augšu, vai uz leju. Bet elektrons jeb fotons mums atkal saka: “Puiši, mums ir vienalga, pie kā jūs esat pieraduši, mēs varam būt abos griešanās stāvokļos vienlaikus (vektors uz augšu, vektors uz leju), tāpat kā mēs varam atrasties 2 trajektorijās tajā pašā laikā vai 2 punktos vienlaicīgi!

Kas ir "mērīšana" vai "viļņu funkcijas sabrukums"?

Mums atliek nedaudz - saprast, kas ir "mērīšana" un kas ir "viļņu funkcijas sabrukums".

viļņu funkcija ir kvantu objekta (mūsu fotona vai elektrona) stāvokļa apraksts.

Pieņemsim, ka mums ir elektrons, tas lido pie sevis nenoteiktā stāvoklī tā griešanās ir vērsta gan uz augšu, gan uz leju vienlaicīgi. Mums ir jāizmēra viņa stāvoklis.

Mērīsim, izmantojot magnētisko lauku: elektroni, kuru spins bija vērsts lauka virzienā, novirzīsies vienā virzienā, bet elektroni, kuru spins ir vērsts pret lauku, novirzīsies otrā virzienā. Fotonus var arī novirzīt polarizējošā filtrā. Ja fotona spins (polarizācija) ir +1, tas iziet cauri filtram, un, ja ir -1, tad ne.

Stop! Šeit neizbēgami rodas jautājums: pirms mērījuma galu galā elektronam nebija nekāda īpaša griešanās virziena, vai ne? Vai viņš bija visos štatos vienlaikus?

Tas ir kvantu mehānikas triks un sajūta.. Kamēr jūs nemērāt kvantu objekta stāvokli, tas var griezties jebkurā virzienā (tam ir jebkurš sava leņķiskā impulsa vektora virziens - spin). Bet brīdī, kad jūs mērījāt viņa stāvokli, šķiet, ka viņš izlemj, kuru griešanās vektoru izvēlēties.

Šis kvantu objekts ir tik foršs - tas pieņem lēmumu par savu stāvokli. Un mēs nevaram iepriekš paredzēt, kādu lēmumu tas pieņems, kad tas ielidos magnētiskajā laukā, kurā mēs to mērām. Varbūtība, ka viņš nolemj iegūt griešanās vektoru "uz augšu" vai "uz leju", ir 50 līdz 50%. Bet, tiklīdz viņš izlemj, viņš atrodas noteiktā stāvoklī ar noteiktu griešanās virzienu. Viņa lēmuma iemesls ir mūsu "dimensija"!

To sauc par " viļņu funkcijas sabrukums". Viļņu funkcija pirms mērījuma bija nenoteikta, t.i. elektronu spin vektors bija vienlaicīgi visos virzienos, pēc mērījuma elektrons fiksēja noteiktu virzienu savam spin vektoram.

Uzmanību! Lielisks piemērs-asociācija no mūsu makrokosmosa izpratnei:

Pagrieziet monētu uz galda kā virsu. Kamēr monēta griežas, tai nav konkrētas nozīmes – galvas vai astes. Bet, tiklīdz jūs nolemjat "izmērīt" šo vērtību un sasit monētu ar roku, šeit jūs iegūstat īpašo monētas stāvokli - galvas vai astes. Tagad iedomājieties, ka šī monēta izlemj, kādu vērtību jums "parādīt" - galvas vai astes. Elektrons uzvedas aptuveni tāpat.

Tagad atcerieties eksperimentu, kas parādīts multfilmas beigās. Kad fotoni tika izlaisti caur spraugām, tie izturējās kā vilnis un ekrānā parādīja traucējumu modeli. Un, kad zinātnieki vēlējās fiksēt (izmērīt) brīdi, kad fotoni izgāja cauri spraugai un aiz ekrāna novietoja “novērotāju”, fotoni sāka uzvesties nevis kā viļņi, bet gan kā daļiņas. Un uz ekrāna “uzzīmētas” 2 vertikālas svītras. Tie. mērīšanas vai novērošanas brīdī kvantu objekti paši izvēlas, kādā stāvoklī tiem jāatrodas.

Daiļliteratūra! Vai ne?

Bet tas vēl nav viss. Beidzot mēs nokļuva interesantākajā.

Bet... man šķiet, ka būs informācijas pārslodze, tāpēc šos 2 jēdzienus aplūkosim atsevišķos ierakstos:

• Kas notika ?
• Kas ir domu eksperiments.

Un tagad, vai vēlaties, lai informācija tiktu ievietota plauktos? Noskatieties Kanādas Teorētiskās fizikas institūta veidoto dokumentālo filmu. 20 minūtēs tas ļoti īsi un hronoloģiskā secībā pastāstīs par visiem kvantu fizikas atklājumiem, sākot ar Planka atklāšanu 1900. gadā. Un tad viņi jums pastāstīs, kādi praktiski pasākumi pašlaik tiek veikti, pamatojoties uz zināšanām par kvantu fiziku: no visprecīzākajiem atompulksteņiem līdz superātrām kvantu datora aprēķiniem. Ļoti iesaku noskatīties šo filmu.

Uz redzēšanos!

Es novēlu jums visiem iedvesmu visiem jūsu plāniem un projektiem!

P.S.2 Rakstiet savus jautājumus un domas komentāros. Uzraksti, kādi vēl jautājumi par kvantu fiziku tevi interesē?

P.S.3 Abonēt emuāru - abonēšanas veidlapa zem raksta.