Kvantu fizika, pazīstama arī kā kvantu mehānika vai kvantu teorija, ir fizikas nozare, kas apraksta uzvedību un mijiedarbību starp matēriju un enerģiju zematomu daļiņu, fotonu un noteiktu materiālu skalā ļoti zemā temperatūrā. Kvantu domēns ir definēts kā tāds, kur daļiņas "darbība" (vai dažreiz impulss vai leņķiskā kustība) atrodas dažu lielumu robežās no ļoti mazas fiziskās konstantes, ko sauc par Planka konstanti.
soļi
1. daļa no 8: Planka konstante
1. solis. Sāciet, apgūstot Planka konstantes nozīmi fizikā
Kvantu mehānikā darbības apjoms ir Planka konstante, ko bieži sauc par H. Tāpat mijiedarbojošām subatomiskajām daļiņām daudzums leņķiskais impulss ir samazinātā Planka konstante (dalīta ar 2π), ko apzīmē ar H un sauca par Diraka konstanti. Planka konstantes vērtība ir ļoti maza, tās vienības ir leņķiskā impulsa vienības, un darbības jēdziens ir vispārīgākais matemātiskais jēdziens. Kā norāda nosaukums kvantu mehānika, daži fiziski lielumi, piemēram, leņķiskais impulss, var mainīties tikai atsevišķos (galīgos) daudzumos, nevis nepārtraukti (analoģiski).
- Piemēram, elektronam, kas pievienots atomam vai molekulai, ir leņķiskais impulss, un tam var būt tikai vairākas samazinātās Planka konstantes vērtības. Šī kvantēšana rada veselu skaitļu primāro kvantu skaitļu virknes elektroniskās orbitāles. Turpretī tuvumā esošā brīvā elektrona leņķiskais impulss nav kvantificēts. Planka konstantei ir nozīme arī gaismas kvantu teorijā, kurā gaismas daudzums ir fotons, un matērija un enerģija mijiedarbojas caur atomu saistītā elektrona atomu elektronisko pāreju jeb "kvantu lēcienu".
- Planka konstantes mērvienības var redzēt arī enerģijas x laika izteiksmē. Piemēram, daļiņu fizikas jomā virtuālo daļiņu jēdziens attiecas uz daļiņām, kas niecīgu laika sprīdi spontāni parādās vakuumā un kurām ir nozīme daļiņu mijiedarbībā. Šo virtuālo daļiņu dzīves ilguma robeža ir daļiņu enerģija (masa), kas pārsniedz šo kalpošanas laiku. Kvantu mehānika ir plaša joma, taču visa tās matemātika ietver Planka konstanti.
2. solis. Uzziniet par daļiņām ar masu
Šīs daļiņas iet cauri kvantu-klasiskajai pārejai. Lai gan brīvajam elektronam ir dažas kvantu īpašības, piemēram, griešanās, tuvojoties atomam un palēninoties (iespējams, izstarojot fotonus), tam notiek pāreja no klasiskās uz kvantu uzvedību, jo tā enerģija nokrītas zem jonizācijas enerģijas. Pēc tam elektrons saistās ar atomu, un tā leņķiskais impulss attiecībā pret atoma kodolu ir ierobežots līdz to orbitālu kvantētajām vērtībām, kuras tas var aizņemt. Pāreja ir pēkšņa, un to var salīdzināt ar mehāniskās sistēmas pāreju, kas, parādot nestabilu uzvedību, kļūst stabila; vai sistēma ar vienkāršu uzvedību, kas kļūst haotiska, vai pat raķetes, kas palēninās, zem bēgšanas ātruma un ieiet kādas zvaigznes vai cita debess objekta orbītā. Turpretī fotoni, kuriem nav masas, šādu pāreju neiziet: tie vienkārši pārvietojas pa telpu nemainītā veidā, līdz mijiedarbojas ar citām daļiņām un pēc tam pazūd. Kad jūs skatāties uz nakts debesīm, dažas zvaigznes fotoni ir izgājuši gaismas gadu nemainīgu telpu un mijiedarbojušies ar elektronu jūsu tīklenes molekulā, pārnesuši savu enerģiju un pazuduši.
2. daļa no 8: Jaunas idejas
1. solis. Sekojiet jaunajām kvantu teorijas idejām
Jums tie jāiepazīstas, tostarp:
- Kvantu joma ievēro noteikumus, kas nedaudz atšķiras no pasaules, ko mēs piedzīvojam katru dienu.
- Darbība (vai leņķiskais impulss) nav nepārtraukta, bet notiek mazās, bet diskrētās vienībās.
- Elementārās daļiņas darbojas kā daļiņas un viļņi.
- Konkrētas daļiņas kustība pēc savas būtības ir nejauša, un to var novērtēt tikai pēc varbūtības.
-
Fiziski nav iespējams izmērīt daļiņas stāvokli un impulsu vienlaicīgi, pārsniedzot Planka konstantes atļauto precizitāti. Jo precīzāks ir pozīcijas mērījums, jo mazāk precīzs būs moments un otrādi.
3. daļa no 8: Viļņu daļiņu dualitāte
1. solis. Izpētiet viļņu-daļiņu dualitātes jēdzienu, ko sauc arī par viļņu-ķermeņa dualitāti vai matērijas-enerģijas dualitāti
Viņš postulē, ka visai matērijai piemīt viļņu un daļiņu īpašības. Šī dualitāte, kas ir centrālais kvantu mehānikas jēdziens, attiecas uz tādu klasisko jēdzienu kā "daļiņa" un "vilnis" nespēju pilnībā aprakstīt objektu uzvedību kvantu skalā.
- Lai iegūtu pilnīgas zināšanas par matērijas dualitāti, ir jāzina Komptona efekta, fotoelektriskā efekta, matērijas viļņa un Planka formula melnā ķermeņa starojumam. Visas šīs sekas un teorijas pierāda matērijas divējādo raksturu.
- Zinātnieku veiktie dažādi eksperimenti ar gaismu pierāda, ka gaismai ir divējāds raksturs, tas ir, tā uzvedas gan kā daļiņa, gan kā matērija. 1901. gadā Makss Planks publicēja analīzi, kurā izdevās reproducēt novērojamo gaismas spektru, ko izstaro spilgts objekts. Šim nolūkam viņam bija jāizstrādā ad hoc matemātiska hipotēze par oscilatoru (melno ķermeņa atomu), kas izstaro starojumu, kvantētu darbību. Vēlāk Einšteins ierosināja elektromagnētisko starojumu kvantēt par fotoniem.
4. daļa no 8: Nenoteiktība
1. solis. Izpētiet nenoteiktības principu
Viņš norāda, ka nav iespējams noteikt ar ļoti augstu precizitāti un vienlaikus noteiktus fizisko īpašību pārus, piemēram, stāvokli un impulsu. Kvantu fizikā daļiņu raksturo kā viļņu paketi, kas rada šo parādību. Padomājiet par daļiņas stāvokļa mērīšanu. Viņa varētu būt jebkur. Daļiņu viļņu paketei ir amplitūda, kas nav nulle, kas nozīmē, ka tās atrašanās vieta ir neskaidra - tā varētu atrasties jebkurā vietā gar viļņu paketi. Lai iegūtu precīzu pozīcijas nolasījumu, šī viļņu pakete pēc iespējas jāsaspiež, kas nozīmē, ka tā jāveido no pieaugoša skaita sinusoīdu. Daļiņu impulss ir proporcionāls viena no šiem viļņiem viļņu skaitam, bet tas var būt jebkurš. Tāpēc precīzāks pozīcijas mērījums, pievienojot vairāk viļņu, nozīmē, ka impulsa mērīšana kļūst mazāk precīza un otrādi.
5. daļa no 8: Viļņu funkcija
1. solis. Uzziniet par viļņu funkciju
Tas ir matemātisks instruments kvantu mehānikā, kas apraksta daļiņas vai daļiņu sistēmas kvantu stāvokli. To parasti izmanto kā daļiņu īpašību, kas saistīta ar viļņu daļiņu dualitāti, kur to sauc par ψ (stāvoklis, laiks) un kur | ψ |2 ir vienāda ar iespēju atrast daļiņu noteiktā laikā un vietā.
- Piemēram, viena elektrona atomā, piemēram, ūdeņradī vai jonizētā hēlijā, elektrona viļņu funkcija sniedz pilnīgu tā uzvedības aprakstu. To var sadalīt virknē atomu orbitāļu, kas veido iespējamo viļņu funkciju pamatu. Atomiem ar vairāk nekā vienu elektronu vai jebkurai sistēmai ar vairākām daļiņām pamatā esošā telpa ir visu elektronu iespējamā konfigurācija, un viļņu funkcija apraksta šo konfigurāciju varbūtības.
- Lai atrisinātu problēmas, kas saistītas ar viļņu funkciju, ir jāpārzina sarežģīti skaitļi. Citi priekšnoteikumi ietver lineāro algebru, Eilera pilnīgas analīzes formulu un bra-ket apzīmējumus.
6. daļa no 8: Šrēdingera vienādojums
Solis 1. Izprotiet Šrēdingera vienādojumu
Tas apraksta, kā fiziskās sistēmas kvantu stāvoklis laika gaitā mainās. Tam ir tikpat liela nozīme kvantu mehānikā kā Ņūtona likumiem klasiskajā mehānikā. Šī vienādojuma risinājumi apraksta ne tikai molekulārās, atomu un subatomiskās sistēmas, bet arī makroskopiskās sistēmas un, iespējams, pat visu Visumu.
- Visizplatītākā forma ir no laika atkarīgs Šrēdingera vienādojums, kas apraksta sistēmas attīstību laika gaitā.
- Pastāvīga stāvokļa sistēmām šis vienādojums ir pietiekams. Tās aptuvenos risinājumus bieži izmanto, lai aprēķinātu atomu un molekulu enerģijas līmeni un citas īpašības.
7. daļa no 8: Kvantu superpozīcija
1. solis. Izprotiet kvantu superpozīciju
Tas attiecas uz Šrēdingera vienādojuma risinājumu kvantu mehānisko īpašību. Tā kā vienādojums ir lineārs, jebkura lineāra risinājumu kombinācija konkrētam vienādojumam būs arī tā risinājums. Šī lineāro vienādojumu matemātiskā īpašība ir pazīstama kā superpozīcijas princips. Kvantu mehānikā šie risinājumi parasti tiek pārveidoti perpendikulāros, piemēram, elektronu enerģijas līmeņi. Tādējādi stāvokļu pārklātā enerģija tiek anulēta, un operatora paredzamā vērtība (jebkurš superpozīcijas stāvoklis) ir operatora paredzamā vērtība atsevišķos stāvokļos, kas reizināta ar šajā stāvoklī esošās superpozīcijas stāvokļa daļu.
8. daļa no 8: klasiskās panorāmas ignorēšana
1. solis. Atteikties no klasiskajiem fizikas jēdzieniem
Kvantu mehānikā daļiņu ceļš tiek uztverts pavisam citādi, un vecā kvantu teorija ir tikai modelis atomu hipotēzes izpratnei.
- Klasiskajā mehānikā daļiņu ceļu nosaka tās trajektorija, turpretī kvantu mehānikā ir vairāki ceļi, pa kuriem tā var ceļot. Šī patiesība ir slēpta dubultās spraugas eksperimentā, kurā elektrons uzvedas saskaņā ar viļņu daļiņu dualitāti, un ideja ir skaidri izskaidrota ar Feinmana ceļa integrāļu formulējumu.
- Kvantu mehānikā normalizācijas konstante nodrošina, ka daļiņas atrašanas varbūtība ir 1.
- Pilnīgi ignorējiet Bora modeli, lai saprastu augstāko kvantu mehānikas līmeni. Iemesls ir vienkāršs: nav iespējams noteikt precīzu elektrona ceļu dažādos orbītas līmeņos.
- Ja kvantu mehānika tuvojas klasiskajai robežai, piemēram, kad h ir tendence uz nulli, rezultāti tuvojas klasiskajai teorijai tuvākajiem.
- Kvantu mehānikā klasiskais rezultāts tiek iegūts, izmantojot paredzamo vērtību, un labākais piemērs ir Erenfesta teorēma. To iegūst, izmantojot Operatoru metodi.
Padomi
- Daži no kvantu fizikas priekšnoteikumiem ietver klasiskās mehānikas jēdzienus, Hamiltona un dažādas viļņu īpašības, piemēram, traucējumus, difrakciju utt. Skatiet atbilstošās mācību grāmatas un uzziņu grāmatas vai jautājiet savam fizikas skolotājam. Jums ir jāsaprot vidusskolas fizika un tās priekšnoteikumi. Jums būs jāapgūst arī matemātika koledžas līmenī.
- Atrisiniet vidusskolas fizikas skaitliskos uzdevumus, lai praktizētu jēdzienus, kas nepieciešami, lai atrisinātu matemātikas uzdevumus kvantu fizikā.
- Vietnē YouTube ir sarunu sērija par šo tēmu.
