Kvantfüüsika (tuntud ka kui kvantteooria või kvantmehaanika) on füüsika haru, mis kirjeldab aine ja energia käitumist ja vastastikmõju subatomiliste osakeste, footonite ja teatud materjalide skaalal väga madalal temperatuuril. Kvantvaldkond on määratletud kui koht, kus osakese “tegevus” (või mõnikord ka nurkimment) on mõne suurusjärgu piires väga pisikesest füüsilisest konstandist, mida nimetatakse Planki konstandiks.
1
Alustage Plancki konstandi füüsilise tähtsuse tundmaõppimisest. Kvantmehaanikas on toimekvant Plancki konstant, mida tavaliselt tähistatakse h-ga. Samuti on interakteeruvate subatomaarsete osakeste puhul nurkimpulsi kvantiks vähendatud Plancki konstant (Plancki konstant jagatud 2Ï€-ga), mida tähistatakse ħ-ga ja mida nimetatakse “h-bariks”. Plancki konstandi väärtus on äärmiselt väike, selle ühikud on nurkimpulsi ühikud ja tegevuse mõiste on üldisem matemaatiline mõiste. Nagu nimetus kvantmehaanika viitab, võivad teatud füüsikalised suurused, nagu nurkimpulss, muutuda ainult diskreetsetes suurustes, mitte pideval (vrd analoog) viisil. Näiteks kvantiseeritakse aatomi või molekuliga seotud elektroni nurkimpulss. ja neil võivad olla ainult väärtused, mis on taandatud Plancki konstandi kordsed. See kvantimine tekitab täisarvulise primaarse kvantarvu jada elektronorbitaalid. Seevastu lähedal asuva sidumata elektroni nurkimmenti ei kvantifitseerita. Plancki konstant mängib rolli ka valguse kvantteoorias, kus valguse kvant on footon ning kus aine ja energia interakteeruvad seotud elektroni aatomi elektronide ülemineku või “kvanthüppe” kaudu. Plancki konstandi ühikud võivad vaadelda ka kui energia korda aega. Näiteks osakeste füüsika ainevaldkonnas on virtuaalosakeste mõiste räpased osakesed, mis ilmuvad spontaanselt vaakumist välja väikese osa lõigust ja mängivad osakeste vastasmõjus rolli. Nende virtuaalsete osakeste eluea piir on osakeste energia (mass) kordades selle elueaga. Kvantmehaanika on suur ainevaldkond, kuid iga selle matemaatika osa hõlmab Plancki konstanti.
2
Lugege massiliste osakeste kohta. Massilised osakesed läbivad ülemineku klassikalisest kvanti. Kuigi vabal elektronil on mõned kvantomadused (nt spin), kui sidumata elektron läheneb aatomile ja aeglustub (võib-olla footoneid kiirgades), toimub see üleminekul klassikaliselt kvantkäitumisele, kuna tema energia langeb alla ionisatsioonienergia. Seejärel seotakse elektron aatomiga ja selle nurkimment aatomituuma suhtes piirdub nende orbitaalide kvantifitseeritud väärtustega, mida see võib hõivata. Üleminek on järsk. Seda üleminekut võiks võrrelda mehaanilise süsteemiga, mis muutub ebastabiilsest käitumisest stabiilseks või lihtsast kaootiliseks, või isegi raketilaevaga, mis aeglustub ja läheb allapoole põgenemiskiirust ning siseneb orbiidile mõne tähe või muu taevaobjekti ümber. Seevastu footonid (mis on massita) sellist üleminekut ei läbi: footonid lihtsalt liiguvad muutumatuna läbi ruumi, kuni nad suhtlevad teiste osakestega ja siis kaovad. Kui vaatate öötaevasse, liikusid mõne tähe footonid muutumatuna läbi kosmose valgusaastaid, seejärel suhtlesid teie võrkkesta molekulis oleva elektroniga, kandsid üle selle energia ja kadusid siis muul viisil.
3
Tutvuge kvantteoorias esitatud uudsete ideedega. Peate olema nendega kursis, sealhulgas: kvantvaldkond järgib reegleid, mis erinevad meie igapäevasest maailmast. Tegevus (või nurkimpulss) ei ole pidev, vaid toimub väikeste, kuid diskreetsete ühikutena. Elementaarosakesed käituvad nii nagu osakesed kui ka lained.Konkreetse osakese liikumine on oma olemuselt juhuslik ja seda saab ennustada ainult tõenäosuste alusel.Füüsiliselt on võimatu mõõta samaaegselt nii osakese asukohta kui ka impulssi üle Plancki konstandi lubatud täpsuse . Mida täpsemalt üks on teada, seda vähem täpne on teise mõõt.
4
Uurige osakeste ja laine duaalsuse mõistet. See postuleerib, et kogu ainel on nii laine- kui ka osakeste omadused. Kvantmehaanika keskne mõiste, see kahesus käsitleb klassikaliste mõistete nagu “osake” ja “laine” suutmatust kvantmastaabis objektide käitumist täielikult kirjeldada. Aine duaalsuse täielikuks teadmiseks peab olema Comptoni efekti, fotoelektrilise efekti kontseptsioon. efekt, de Broglie lainepikkus ja Plancki valem musta keha kiirguse jaoks. Kõik need mõjud ja teooriad tõestavad mateeria kahetist olemust. Teadlaste tehtud valguse katsed näitavad, et valgusel on kaksikloomus, st nii osakeste kui ka laineliste… 1901. aastal avaldas Max Planck analüüsi, mis õnnestus reprodutseerida hõõguva objekti poolt kiiratava valguse spekter. Selle saavutamiseks pidi Planck tegema ad hoc matemaatilise eelduse kiirgust kiirgavate ostsillaatorite (musta keha aatomite) kvantiseeritud toime kohta. Einstein tegi hiljem ettepaneku, et footoniteks kvantifitseeritakse elektromagnetkiirgus ise.
5
Uurige määramatuse põhimõtet. Määramatuse printsiip väidab, et teatud füüsikaliste omaduste paare, nagu asend ja impulss, ei saa samaaegselt suvaliselt suure täpsusega teada. Kvantfüüsikas kirjeldatakse osakest lainepaketiga, millest see nähtus tekib. Mõelge osakese asukoha mõõtmisele. See võib olla ükskõik kus. Osakese lainepaketi amplituud on nullist erinev, mis tähendab, et asukoht on ebakindel – see võib olla peaaegu kõikjal lainepaketis. Asendi täpse lugemise saamiseks tuleb see lainepakett võimalikult palju kokku suruda, mis tähendab, et see peab koosnema kasvavast arvust siinuslainetest, mis on kokku liidetud. Osakese impulss on võrdeline ühe sellise laine lainearvuga, kuid see võib olla ükskõik milline neist. Nii et täpsem asukoha mõõtmine – liites kokku rohkem laineid – tähendab, et impulsi mõõtmine muutub vähem täpseks (ja vastupidi).
6
Lisateave lainefunktsiooni kohta. Lainefunktsioon ehk lainefunktsioon on kvantmehaanika matemaatiline tööriist, mis kirjeldab osakese või osakeste süsteemi kvantseisundit. Seda kasutatakse tavaliselt osakeste omadusena, mis on seotud nende laine-osakeste duaalsusega, kus seda tähistatakse ψ(positsioon,aeg) ja kus |ψ|2 on võrdne võimalusega leida subjekt teatud ajal ja kohas. Näiteks ühe elektroniga aatomis, nagu vesinik või ioniseeritud heelium, annab elektroni lainefunktsioon täieliku kirjelduse selle kohta, kuidas elektron käitub. Seda saab lagundada aatomiorbitaalideks, mis on võimalike lainefunktsioonide aluseks. Aatomite puhul, millel on rohkem kui üks elektron (või mis tahes süsteem, milles on palju osakesi), on aluseks olevaks ruumiks kõigi elektronide võimalikud konfiguratsioonid ja lainefunktsioon kirjeldab nende konfiguratsioonide tõenäosust. Lainefunktsiooni hõlmavate kodutööülesannete lahendamisel on vajalik keerukate süsteemide tundmine. numbrid on eelduseks. Muude eelduste hulka kuuluvad lineaaralgebra matemaatika, Euleri valem kompleksanalüüsist ja bra–ket tähistus.
7
Saage aru Schrödingeri võrrandist. See on võrrand, mis kirjeldab, kuidas füüsilise süsteemi kvantseisund ajas muutub. See on kvantmehaanikas sama kesksel kohal kui Newtoni seadused klassikalises mehaanikas. Schrödingeri võrrandi lahendused ei kirjelda mitte ainult molekulaarseid, aatom- ja subatomilisi süsteeme, vaid ka makroskoopilisi süsteeme, võib-olla isegi kogu universumit. Kõige üldisem vorm on ajast sõltuv Schrödingeri võrrand, mis kirjeldab süsteemi, mis areneb koos aeg. Statsionaarses olekus olevate süsteemide jaoks piisab ajast sõltumatust Schrödingeri võrrandist. Ligikaudsed lahendused ajast sõltumatutele. Schrödingeri võrrandeid kasutatakse tavaliselt aatomite ja molekulide energiatasemete ja muude omaduste arvutamiseks.
8
Mõistke kvantsuperpositsiooni. Kvantsuperpositsioon viitab Schrödingeri võrrandi lahenduste kvantmehaanilistele omadustele. Kuna Schrödingeri võrrand on lineaarne, on iga konkreetse võrrandi lahenduste lineaarne kombinatsioon ka selle lahendus. Seda lineaarvõrrandite matemaatilist omadust tuntakse superpositsiooni põhimõttena. Kvantmehaanikas tehakse sellised lahendused sageli ortogonaalseteks, näiteks elektronide energiatasemed. Seda tehes nullitakse olekute kattumise energia ja operaatori (mis tahes superpositsiooni oleku) ootusväärtus on operaatori ootusväärtus üksikutes olekutes, korrutatuna superpositsiooni oleku murdosaga, mis on “selles”. olek.
9
Laske lahti klassikalistest füüsikamõistetest. Kvantmehaanikas idealiseeritakse osakese teekonda täiesti erineval viisil ja vana kvantteooria on lihtsalt mängumudel aatomihüpoteesi mõistmiseks. Q.M.-is kujutatakse osakese teekonda ette nii, nagu oleks see läbinud palju teid Klassikalises mehaanikas määrab osakese teekonna tema trajektoor, kuid QM-is on osakesel mitu teed. See tõde on peidetud topeltpilu eksperimendis, milles elektron käitub laineosakeste duaalsusena ja seda mõtet seletab selgelt Feynmani teeintegraal. Q.M.-is tagab normaliseerimiskonstant osakese leidmise tõenäosuseks 1. Täielikult ignoreerida “mänguasja mudel” (Bohri mudel), et mõista Q.M kõrgemat taset. Põhjus on lihtne – te ei saa määrata elektroni täpset teekonda erinevatel orbitaaltasanditel. Kui Q.M läheneb klassikalisele piirile (st) h kipub nullile, lähenevad Q.M tulemused mõnevõrra lähemale olevatele tulemustele. klassikaliseks. Q.M.-is saadakse klassikaline tulemus ootusväärtust kasutades ja parim näide on Ehrenfesti teoreem. See tuletatakse operaatorimeetodi abil.