Cum să înțelegeți fizica cuantică

Fizica cuantică, cunoscută și sub numele de mecanica cuantică sau teoria cuantică, este o ramură a fizicii care descrie comportamentul și interacțiunea dintre materie și energie în scala particulelor subatomice, fotoni și anumite materiale la o temperatură foarte scăzută. Domeniul cuantic este definit ca locul unde "acțiunea" (sau, uneori, mișcarea sau mișcarea unghiulară) a particulei se află într-o ordine de mărime a unei constante fizice foarte mici, numită constanta Planck.

conținut

Pași
Partea 1constanta lui planck
Partea 2idei noi
Partea 3wave-particle duality
Partea 4incertitudine
Partea 5funcția wave
Partea 6schrödinger
Partea 7suprapunerea cuantică
Partea 8ignorând panorama clasică
Sfaturi

pași

Partea 1
Constanta lui Planck

Imagine intitulată Înțelegerea fizicii cuantice Pasul 1

Începeți să învățați despre semnificația constantei lui Planck în fizică. În mecanica cuantică, cantitatea de acțiune este constanta lui Planck, de obicei numită h. În același mod, pentru particulele subatomice care interacționează, cantitatea de un moment unghiular este constanta constantă Planck (împărțită la 2π), indicată prin h și a numit constanta Dirac. Valoarea constantei lui Planck este foarte mică, unitățile sale sunt cele ale momentului unghiular, iar noțiunea de acțiune este cel mai general concept matematic. Ca și numele mecanica cuantică indică faptul că anumite cantități fizice, cum ar fi un moment unghiular, se pot schimba numai în cantități discret (finit), nu continuu (analog).

De exemplu, impulsul unghiular al unui electron conectat la un atom sau moleculă este cuantificat și nu poate avea decât valori multiple ale constantei lui Planck reduse. Această cuantificare dă naștere orbitalilor electronici ai unei serii de numere cuantice primare integrale. În contrast, impulsul unghiular al unui electron liber aflat în apropiere nu este cuantificat. Constanta lui Planck joacă, de asemenea, un rol în teoria cuantică a luminii, unde cantitatea de lumină este fotonul, iar materia și energia interacționează prin tranziția electronilor electronici sau prin saltul cuantic al electronului conectat la atom.
Unitățile constantei Planck pot fi de asemenea văzute în termeni de energie x timp. De exemplu, în domeniul fizicii particulelor, noțiunea de particule virtuale se referă la particule care apar spontan în vacuum pentru o mică parte a timpului și joacă un rol în interacțiunea dintre particule. Limita de timp a acestor particule virtuale este energia (masa) timpilor de particule care sunt durata vieții. Mecanica cuantică este o arie largă, dar toate matematica ei implică constanta lui Planck.

Imaginea intitulată Înțelegerea fizicii cuantice Pasul 2

Aflați despre particulele cu masă. Aceste particule sunt supuse unei tranziții clasice cuantice. Deși electronul liber are unele proprietăți cuantice, rotire, pe măsură ce se apropie de atom și încetinește (probabil prin emițarea fotonilor), el trece printr-o tranziție de la comportamentul clasic la cel cuantic, deoarece energia lui cade sub energia ionizantă. Electronul se leagă apoi la atom, iar impulsul său unghiular față de nucleul atomului este limitat la valorile cuantificate ale orbitalilor pe care le poate ocupa. Tranziția este bruscă și poate fi comparată cu trecerea de la un sistem mecanic care, manifestând un comportament instabil, devine stabil sau un sistem cu comportament simplu care devine haotic sau chiar cel al unei rachete care încetinește viteza de scăpare și în orbita unei anumite stele sau a altui obiect celestial. Dimpotrivă, fotonii, care nu au nici o masă, nu suferă o astfel de tranziție: ei doar călătoresc prin spațiu fără a suferi schimbări, până când interacționează cu alte particule și apoi dispar. Când privești în cerul nopții, niște fotoni stelari au călătorit prin ani lumină de lumină nemodificați și au interacționat cu un electron într-o moleculă a retinei, și-au transferat energia și au dispărut.

Partea 2
Idei noi

Imaginea intitulată Înțelegerea fizicii cuantice Pasul 3

Urmați ideile noi prezentate în teoria cuantică. Trebuie să vă familiarizați cu acestea, care includ următoarele:

Domeniul cuantic urmează reguli oarecum diferite ale lumii pe care o trăim în fiecare zi.
Acțiunea (sau impulsul angular) nu este continuă, ci vine în unități mici, dar discrete.
Particulele elementare se comportă atât ca particule, cât și ca valuri.
Mișcarea unei particule particulare este în mod intrinsec aleator și poate fi estimată doar în termeni de probabilități.
Este fizic imposibil să se măsoare poziția și impulsul unei particule în același timp dincolo de precizia permisă de constanta lui Planck. Cu cât măsurarea poziției este mai precisă, cu atât viteza este mai puțin precisă și viceversa.

Partea 3
Wave-particle duality

Imaginea intitulată Înțelegerea fizicii cuantice Pasul 4

Studiați conceptul de dualitate a undelor-particulelor, numit și dualitatea valurilor-corpusculă sau dualitatea energiei-materiei. El postulează că toate materia prezintă proprietăți ale valurilor și ale particulelor. Această dualitate, un concept central al mecanicii cuantice, se referă la incapacitatea conceptelor clasice ca „particula“ și „val“ a descrie complet comportamentul obiectelor din scara cuantice.

Pentru a obține cunoștințe complete despre dualitatea materiei, este necesar să se cunoască efectul conceptelor Compton, efectul fotoelectric, materia de unda si formula lui Planck pentru radiația corpului negru. Toate aceste efecte și teorii demonstrează natura duală a materiei.
Diferitele experimente cu lumină făcute de oamenii de știință dovedesc că lumina are o natură duală, adică se comportă atât ca particulă cât și ca materie. În 1901, Max Planck a publicat o analiză care a reușit să reproducă spectrul observabil al luminii emise de un obiect luminos. Pentru aceasta, a trebuit să elaboreze o ipoteză matematică ad hoc a acțiunii cuantificate a oscilatoarelor (atomi ai corpului negru) care emit radiații. Apoi, Einstein a propus ca radiația electromagnetică însăși să fie cuantificată în fotoni.

Partea 4
incertitudine

Imagine intitulată Înțelegerea fizicii cuantice Pasul 5

Studiați principiul incertitudinii. El afirmă că nu este posibil să se determine cu o precizie foarte mare, în același timp, anumite perechi de proprietăți fizice, cum ar fi poziția și impulsul. În fizica cuantică, o particulă este descrisă ca un pachet de valuri, care generează acest fenomen. Gândiți-vă la măsura poziției unei particule. Poate fi oriunde. Pachetul de undă de particule are o amplitudine diferită de zero, ceea ce înseamnă că poziția sa este incertă - poate fi oriunde de-a lungul val de pachete. Pentru a obține o citire corectă a poziției, acest pachet de valuri trebuie să fie "comprimat" cât mai mult posibil, ceea ce înseamnă că acesta trebuie format prin creșterea numărului de valuri sinusoidale însumate. Momentul particulei este proporțional cu numărul de valuri al unuia dintre aceste valuri, dar poate fi oricare. Prin urmare, o măsurare mai precisă a poziției, adăugând mai multe valuri, înseamnă că măsura momentului devine mai puțin precisă și invers.

Partea 5
Funcția Wave

Imaginea intitulată Înțelegerea fizicii cuantice Pasul 6

Aflați despre funcția de undă. Este un instrument matematic al mecanicii cuantice care descrie starea cuantică a unei particule sau a unui sistem de particule. De obicei este aplicată ca proprietate a particulelor legate de dualitatea lor de unde-particule, unde se numește ψ (poziție, timp) și unde | ψ |² este egal cu șansa de a găsi particula într-un anumit timp și poziție.

De exemplu, într-un atom cu un singur electron, cum ar fi hidrogenul sau heliul ionizat, funcția valurilor electronice oferă o descriere completă a comportamentului său. Acesta poate fi descompus într-o serie de orbite atomice care formează baza unor posibile funcții de undă. Pentru mai mulți atomi de un electron sau orice alt sistem cu particule multiple, spațiul de bază este posibilă configurarea tuturor electronilor, iar funcția de undă care descrie probabilitatea acestor configurații.
Pentru a rezolva problemele care implică funcția de undă, trebuie să fiți familiarizați cu numerele complexe. Alte premise includ algebra liniară, formula lui Euler de analiză completă și notația bra-ket.

Partea 6
Schrödinger

Imagine intitulată Înțelegerea fizicii cuantice Pasul 7

Înțelegeți ecuația lui Schrödinger. Descrie modul în care starea cuantică a unui sistem fizic se schimbă în timp. Este la fel de central pentru mecanica cuantică, deoarece legile lui Newton sunt pentru mecanica clasică. Soluțiile la această ecuație descriu nu numai sistemele moleculare, atomice și subatomice, ci și sistemele macroscopice, și poate chiar întregul univers.

Forma cea mai generală este ecuația Schrödinger dependentă de timp, care descrie evoluția unui sistem în timp.
Pentru sistemele la starea de echilibru, această ecuație este suficientă. Soluțiile ei aproximative sunt adesea folosite pentru a calcula nivelurile de energie și alte proprietăți ale atomilor și moleculelor.

Partea 7
Suprapunerea cuantică

Imaginea intitulată Înțelegerea fizicii cuantice Pasul 8

Înțelege suprapunerea cuantică. Se referă la proprietatea soluțiilor mecanicii cuantice la ecuația lui Schrödinger. Deoarece ecuația este liniară, orice combinație liniară de soluții pentru o anumită ecuație va fi, de asemenea, o soluție pentru aceasta. Această proprietate matematică a ecuațiilor liniare este cunoscută ca principiul suprapunerii. În mecanica cuantică, aceste soluții sunt de obicei transformate în perpendiculare, cum ar fi nivelurile de energie ale unui electron. Astfel, energia suprapusă a stărilor este negată, iar valoarea așteptată a unui operator (orice stare suprapusă) este valoarea așteptată a operatorului în statele individuale înmulțită cu fracția stării superpoziției care este în acea stare.

Partea 8
Ignorând panorama clasică

1
Abandonați noțiunile clasice de fizică. În mecanica cuantică, calea particulei este concepută într-un mod complet diferit, iar vechea teorie cuantică este doar un model pentru înțelegerea ipotezei atomice.
- În mecanica clasică, calea particulei este determinată de traiectoria acesteia, în timp ce în mecanica cuantică, există mai multe modalități prin care se poate călători. Acest adevăr este ascuns în experimentul cu două fante, în care electronul se comportă în funcție de dualitatea undelor-particule, iar ideea este explicată în mod clar prin formularea lui Feynman a integralelor căilor.
- În mecanica cuantică, constantul de normalizare asigură că probabilitatea de a găsi particula este 1.
- Ignorați complet modelul lui Bohr pentru a înțelege cel mai înalt nivel al mecanicii cuantice. Motivul este simplu: nu este posibil să se determine calea exactă a electronului la diferite niveluri orbitale.
- În cazul în care mecanica cuantică se apropie de limita clasica, de exemplu, atunci când h tinde la zero, rezultatele sunt aproape de faptul că sunt mai aproape de teoria clasică.
- În mecanica cuantică, rezultatul clasic este obținut folosind valoarea așteptată, iar cel mai bun exemplu este teorema lui Ehrenfest. Este derivat folosind metoda operatorilor.

sfaturi

Unele dintre premisele pentru fizica cuantică include conceptele mecanicii clasice, hamiltonianul și valuri proprietăți diferite, cum ar fi interferență, difracție, etc. Consultați manuale și cărți de referință sau întrebați-vă profesorul de fizică. Trebuie să înțelegeți bine fizica liceului și premisele necesare pentru aceasta. Veți avea nevoie, de asemenea, să înveți un pic de matematică la nivel de colegiu.
Rezolva problemele numerice ale fizicii liceului pentru a practica conceptele necesare pentru a rezolva problemele matematice ale fizicii cuantice.
Există serii de cursuri pe această temă de pe YouTube.

Distribuiți pe rețelele sociale:

înrudit