gtemata.com

Cum să înțelegeți Fizica cuantică

Quantstica (numită și teoria cuantică sau mecanica cuantică)

conținut

este o ramură a fizicii care descrie comportamentul și interacțiunea dintre materie și energie la scara particulelor subatomice, fotoni și unele materiale la temperaturi foarte scăzute. Tărâmul cuantic este definit acolo unde acțiune (sau impulsul unghiular) al particulei este cuprins în câteva ordini de mărime ale unei constante fizice foarte mici numită constantă a lui Planck.

paşi

1
Înțelegeți semnificația fizică a constantei lui Planck. În mecanica cuantică, cuantumul acțiunii este constanta lui Planck, adesea menționată h. De asemenea, pentru interacțiunea particulelor subatomice, cuantumul lui un moment unghiular este constanta Planck redusă (constantă Planck împărțită la 2π) indicată cu h și sunați h tăiat. Rețineți că valoarea constantei lui Planck este extrem de mică, unitățile sale sunt cele ale momentului unghiular, iar noțiunea de acțiune este conceptul matematic mai general. După cum sugerează și numele mecanica cuantică, anumite cantități fizice, cum ar fi un moment unghiular, se pot schimba numai în cantități discrete și nu în mod continuu (analogic). De exemplu, impulsul unghiular al unui electron legat de un atom sau de o moleculă este cuantificat și poate avea numai valori care sunt multipli ai constantei Planck reduse. Această cuantizare generează pe orbitalii electronici o serie de numere cuantice primare și întregi. În contrast, impulsul unghiular al unui electron nelegat din apropiere nu este cuantificat. constanta lui Planck are, de asemenea, un rol important în teoria cuantică a luminii, în cazul în care un cuantum de lumina este reprezentat de fotoni și unde materia și energia interacționează prin trecerea de electroni atomică sau „saltul cuantic“ de electroni legat. Unitățile constante ale lui Planck pot fi de asemenea văzute ca perioade de energie. De exemplu, în contextul particulelor fizice, particulele virtuale sunt definite ca particule cu masa care apar spontan pentru o mică parte a timpului și joacă un rol într-o interacțiune a particulelor. Limita perioadei de existență a acestor particule virtuale este energia (masa) timpului de apariție a particulei. Mecanica cuantică include o mare varietate de subiecte, dar fiecare parte a calculelor sale implică constanta lui Planck.
  • 2
    Fiți conștienți de faptul că particulele cu masa trec printr-o tranziție de la clasic la cuantum. Deși electron liber prezintă unele proprietăți cuantice (cum ar fi de spin), de îndată ce se apropie atom de electroni nelegați și încetinește (probabil prin care emit fotoni), ceea ce face o tranziție de la un comportament clasic al unei cuantice, imediat ce sa energia cade sub energia ionizării. Electronul se leaga apoi la atomul și impulsul său unghiular, în funcție de nucleul atomic, este limitată la orbitalii valorile cuantizate care pot ocupa. Trecerea este bruscă. S-ar putea compara această tranziție cu cea a unui sistem mecanic care se modifică în care prezintă un comportament de la instabil la stabil sau de la simplu la haotic, sau chiar a unei nave spațiale care încetinește merge sub viteza de evacuare și intrarea în orbită în jurul stelei sau de alt organism ceresc. Pe de altă parte, fotonii (fără masă) nu trec printr-o astfel de tranziție: pur și simplu traversează spațiul fără modificări până când interacționează cu alte particule și dispar. Când te uiți la o noapte înstelată, fotonii au călătorit fără schimbare de câteva stele prin ani de lumină spațiu și apoi interacționează cu un electron într-o moleculă de retină, să furnizeze energia lor și apoi dispar.
  • 3
    Aflați că există idei noi în teoria cuantică, inclusiv:
  • Realitatea cuantică urmează reguli puțin diferite de lumea pe care o trăim în fiecare zi.
  • Acțiunea (sau impulsul unghiular) nu este continuă, ci are loc în unități mici și discrete.
  • Particulele elementare se comportă atât ca particule, cât și ca valuri.
  • Mișcarea unei particule particulare este întâmplătoare și nu poate fi prezisă decât în ​​termeni de probabilitate.
  • Este fizic imposibil să măsuram simultan poziția și impulsul unghiular al unei particule cu precizia permisă de constanta lui Planck. Mai exact, dacă cineva este cunoscut, măsurarea celeilalte va fi mai puțin precisă.
  • 4
    Înțelegeți dualitatea valurilor particulelor. Să presupunem că toate materiile prezintă proprietăți ale valurilor și ale particulelor. Conceptul cheie al mecanicii cuantice, această dualitate se referă la incapacitatea conceptelor clasice, cum ar fi „val“ și „particule“ pentru a descrie pe deplin comportamentul obiectelor la nivel cuantic. Pentru o înțelegere completă a dualitatea materiei, ar trebui să aibă concepte efect Compton, a efectului fotoelectric, lungimea de undă de Broglie, și cu formula lui Planck pentru radiația organismelor negri. Toate aceste efecte și teorii demonstrează natura duală a materiei. Există mai multe experimente pe lumina făcută de oamenii de știință care dovedesc că lumina are o natură duală, precum val particulă ... În 1901, Max Planck a publicat o analiză care a fost capabil de a reproduce spectrul observat al luminii emise de un obiect genial. Pentru a realiza acest lucru, Planck a trebuit să facă o presupunere matematică ad-hoc pentru acțiunea cuantificată a obiectelor oscilante (atomii corpului negru), care au emis radiații. Einstein a propus atunci ca aceeasi radiatie electromagnetica sa fie cuantizata in fotoni.


  • 5
    Înțelegeți principiul nedeterminării. Principiul Heisenberg Indetermination afirmă că unele perechi de proprietăți fizice, cum ar fi poziția și impulsul, nu pot fi cunoscute simultan cu precizie arbitrară înaltă. În fizica cuantică, o particulă este descrisă de un pachet de valuri care dă naștere acestui fenomen. Luați în considerare măsurarea unei poziții a particulelor, ar putea fi oriunde. Pachetul de valuri de particule are o mărime diferită de zero, ceea ce înseamnă că poziția sa este nesigură - ar putea fi mai mult sau mai puțin oriunde în pachetul de valuri. Pentru a obține o citire exactă a poziției, acest pachet de valuri trebuie să fie "comprimat" pe cât posibil, adică trebuie să fie format dintr-un număr tot mai mare de sine a undelor reunite. Momentul particulei este proporțional cu numărul de valuri al unuia dintre aceste valuri, dar ar putea fi oricare dintre ele. Astfel, prin măsurarea mai precisă a poziției - adăugând mai multe valuri împreună - inevitabil măsurarea momentului devine mai puțin precisă (și invers).
  • 6
    Înțelegeți funcția de undă.. O funcție de undă în mecanica cuantică este o unealtă matematică care descrie starea cuantică a unui sistem de particule sau particule. Este frecvent aplicată ca o proprietate a particulelor, relativ la dualitatea lor de unde-particule, notată cu ψ (poziție, timp) unde | ψ |2 este egal cu probabilitatea de a găsi subiectul la un anumit timp și poziție. De exemplu, într-un atom cu un singur electron, cum ar fi hidrogenul sau heliul ionizat, funcția undelor electronice oferă o descriere completă a comportamentului electronului. Acesta poate fi descompus într-o serie de orbite atomice care formează baza pentru posibilele funcții de undă. Pentru atomii cu mai mult de un electron (sau orice sistem cu particule multiple), spațiul de mai jos este configurația posibilă a tuturor electronilor, iar funcția de undă descrie probabilitățile acestor configurații. Pentru a rezolva probleme în sarcinile care implică funcția de undă, familiaritatea cu numerele complexe este o condiție esențială. Alte cerințe sunt calculele de algebră liniară, formula Euler din analiza complexă și notația bracket.
  • 7
    Înțelegeți ecuația lui Schrödinger. Aceasta este o ecuație care descrie modul în care starea cuantică a unui sistem fizic se schimbă în timp. Este fundamental pentru mecanica cuantică ca și legile lui Newton pentru mecanica clasică. Soluțiile pentru ecuația Schrödinger descriu nu numai sistemele subatomice, atomice și moleculare, ci și sistemele macroscopice, poate chiar întregul univers. Forma cea mai generală este ecuația Schrödinger dependentă de timp care descrie evoluția unui sistem în timp. Pentru sistemele staționare, ecuația Schrödinger independentă de timp este suficientă. Soluțiile aproximative ale ecuației Schrödinger independente de timp sunt folosite în mod obișnuit pentru a calcula nivelele de energie și alte proprietăți ale atomilor și moleculelor.
  • 8
    Înțelegeți principiul suprapunerii. Suprapunerea cuantică se referă la proprietățile mecanice cuantice ale soluțiilor la ecuația Schrödinger. Deoarece ecuația Schrödinger este liniară, chiar și fiecare combinație liniară de soluții la o anumită ecuație va fi soluția sa. Această proprietate matematică a ecuațiilor liniare este cunoscută ca principiul suprapunerii. În mecanica cuantică, aceste soluții sunt adesea ortogonale, precum nivelurile de energie ale unui electron. În acest fel, suprapunerea stărilor de energie este anulat, iar valoarea așteptată a unui operator (orice stare de suprapunere) este operatorul valorii așteptate în statele individuale, înmulțită cu fracțiunea statului de suprapunere, care se află „în - Acea stare.

    • Sfaturi

    • Rezolvați probleme numerice în fizica liceului ca o practică pentru munca necesară pentru a rezolva calculele fizicii cuantice.
    • Unele premise pentru fizica cuantică includ conceptele de mecanică clasică, proprietățile lui Hamilton și alte proprietăți ale valurilor, cum ar fi interferențele, difracția etc. Consultați manuale și cărți de referință sau întrebați-vă profesorul de fizică. Ar trebui să obțineți o înțelegere solidă a fizicii liceului și a condițiilor sale premergătoare, precum și să învățați o mulțime de matematică la nivel universitar. Pentru a obține o idee, uitați-vă la cuprinsul conținutului Schaums Outline.
    • Există o serie de lecții online referitoare la mecanica cuantică pe YouTube. vedere https://youtube.com/education?category=University/Science/Physics/Quantum%20Mechanics
    Distribuiți pe rețelele sociale:

    înrudit