Квантна механика: Разлика помеѓу преработките
| [проверена преработка] | [проверена преработка] |
Избришана содржина Додадена содржина
Нема опис на уредувањето |
с Јазична исправка, replaced: радиусот → полупречникот using AWB |
||
Ред 1:
{{Современа физика}}
'''Квантна механика''' — една од помладите гранки на [[физика
Класичната физика е неточна [[теорија]], меѓутоа дава сосема соодветни и употребливи резултати ако се користи вон рамките на макросветот и за [[Брзина|брзини]] неспоредливо помали од [[брзина на светлината|брзината на светлината]]. Ако се излезе вон рамките на класичната физика (физиката развиена од страна на [[Галилео Галилеј]], [[Исак Њутн]] и други научници), таа дава неточни резултати и практично е бескорисна. Затоа, наместо неа се користи квантната механика (во микросветот) и релативитистичката физика (за брзини од ред на светлосната).
Ред 28:
[[File:Solvay conference 1927.jpg|left|thumb|260px|Солвејската конференција во 1927 во [[Брисел]].]]
Основите на квантната механика биле поставени за време на првата половина од 20-от век од Макс Планк, [[Нилс Бор]], [[Вернер Хајзенберг]], [[Луј де Број]], [[Артур Комптон]], Алберт Ајнштајн, [[Ервин Шредингер]], [[Макс Борн]], [[Џон фон Нојман]], [[Пол Дирак]], [[Волфганг Паули]], [[Давид Хилберт]], [[Вилхелм Вин]], [[Шатјендранат Бозе]], [[Арнолд Зомерфелд]] и други. Во средината на [[1920]]-тите, развојот во квантната механика довел до тоа таа да стане стандардна формулација за [[атомска физика|атомската физика]]. Во летото [[1925]], Бор и Хајзенберг објавиле резултати кои и ставиле крај на „[[стара квантна теорија|старата квантна теорија]]“. И покрај партиулатното однесување во одредени процеси и мерења, светлинските кванти започнале да се нарекуваат [[фотон]]и. Од ајнштајновиот едноставен постулат произлегла бура од дебати, теоретизации и тестирања. Така се појавила квантната физика, што довело до нејзино пошироко прифаќање на Петтата [[Солвејска конференција]] во [[1927]].
Проучувањето на [[Електромагнетно зрачење|електромагнетните бранови]] (како што е видливата [[светлина]]) исто така ја поттикнало појавата на квантната механика. Кога во [[1900]] Макс Планк забележа дека енергијата на брановите може да се опише како мали пакети од „кванти“, Алберт Ајнштајн ја разработи оваа идеја и покажа дека електромагнетен бран каков што е светлината може да се опише како честица (подоцна наречена фотон) со дискретен квантум на енергија која е зависна од нејзината фреквенција. Ова доведе до [[теорија на единство]] меѓу [[субатомски честици|субатомските честици]] и електромагнетните бранови наречена [[корпускуларно-бранов дуализам]], според кој честиците и брановите не се ниту едното, ниту другото, туку поседуваат одредени својства на двете.
Иако квантната механика традиционално го опишувала светот на многу малото, таа исто така требала да објасни одредени скоро проучени макроскопски системи, како [[суперспроводници]]те и [[суперфлуиди]]те.
Зборот квантум доаѓа од [[латински јазик]] и значи „колку големо“ или „колку многу“. Во квантната механика, тој се однесува на дискретна единица која квантната теорија ја припишува на одредени [[физичка величина|физички количества]], како [[енергија]]та на атомот во невозбудена (мирна) состојба. Откритието дека честиците се дискретни пакети од енергија со брановидни својства доведе до создавање на гранката на физиката која се занимава со атомските и субатомските системи, денес наречена квантна механика. Таа е основната математичка рамка на многу полиња од физиката и [[хемија]]та, меѓу кои [[физика на кондензирана материја]], [[физика на цврсто тело]], [[атомска физика]], [[молекуларна физика]], [[пресметковна физика]], [[пресметковна хемија]], [[квантна хемија]], [[физика на честици]], [[јадрена хемија]] и [[јадрена физика]]. Некои фундаментални аспекти од оваа теорија сè уште активно се проучуваат.
Квантната механика е неопходна за разбирање на однесувањето на системите на ниво на атоми, како и на помало ниво. На пример, ако [[класична механика|класичната механика]] навистина ја владеела работата на атомот, [[електрон]]ите брзо би се движеле кон јадрото и би се судриле со него, со што стабилните атоми би биле невозможно да постојат. Меѓутоа, во природата електроните остануваат во неодреден, недетерминистички, „разлеан“, [[Веројатност|пробабилистички]] орбитален пат околу (или низ) јадрото, пренебрегнувајќи го класичниот [[електромагнетизам]].
Првобитно квантната механика била создадена да овозможи подобро објаснување на атомот, особено на разликите во [[Спектар (физика)|спектарот]] на светлината емитирана од различни [[изотоп]]и на еден ист елемент. Квантната теорија за атомот се развила како објаснување за останувањето на електронот во неговата орбита, што не може да се објасни со [[Њутнови закони|Њутновите закони]] за движење и [[Максвелови равенки|Максвеловите равенки]] на класичниот електромагнетизам.
Ред 49:
== Првата квантна теорија: Макс Планк и зрачењето од црно тело ==
[[File:Hot metalwork.jpg|thumb|left|300п|Усвитени метални предмети од леарница. Жолто-портокаловиот сјај е видливиот дел од топлинското зрачење емитувано како резултат на високата температура. Исто така, сè останато на сликата сјае со топлинско зрачење, но со помала светлина и на подолги бранови должини кои човечкото око не може да ги забележи. Далекусежна инфрацрвена камера може да го забележи ова зрачење.]]
[[Топлинско зрачење|Топлинското зрачење]] е електромагнетно зрачење емитирано од површината на даден објект што настанува како резултат на [[температура]]та која ја поседува објектот. Ако објектот доволно се загрее, тој започнува да емитува светлина во црвениот дел на спектарот. Натамошното загревање предизвикува промена на бојата - од црвена во жолта, сина, бела - сето тоа поради емитување на светлина со сè помала [[бранова должина]] (а поголема фреквенција). Се покажува дека совршениот емитер е и совршен апсорбер. Кога е ладно, таквиот објект изгледа совршено црн, бидејќи ја апсорбира сета светлина која паѓа на него, а не ја емитува истата. Како последица од ова, идеалниот топлински емитер е познат како [[црно тело]], а зрачењето кое го емитува е наречено зрачење од црно тело.
Во доцниот 19-ти век, топлинското зрачење било релативно добро експериментално проучено. Како брановата должина на која зрачењето е најсилно се менува со температурата е дадено со [[Закон за Виново поместување|Законот за Виново поместување]], а целокупната моќ емитувана на единица површина е дадена со [[Штефан-Болцманов закон|Штефан-Болцмановиот закон]]. Меѓутоа, класичната физика не била во можност да ја објасни врската меѓу температурата и најзастапените фреквенции на зрачењето. Всушност, класичната физика предвидувала дека на кратки бранови должини, енергијата бесконечно ќе се емитува од жешко тело. Овој резултат, кој е јасно дека е погрешен, е познат како [[ултравиолетова катастрофа]]. Физичарите биле во потрага по една теорија која би објаснувала зошто тие добивале вакви експериментални резултати.
Првиот [[Модел (наука)|модел]] кој можел да го објасни целосниот спектар на топлинско зрачење бил поставен од страна на Макс Планк во 1900. Тој го моделирал топлинското зрачење како да се наоѓа во рамнотежа, користејќи низа на [[хармониски осцилатор]]и. За да повторно ги изведе експерименталните резултати, тој морал да претпостави дека секој осцилатор давал цел број на единици од енергија во неговата единечна карактеристична фреквенција, а не произволно количество енергија. Со други зборови, енергијата на секој осцилатор била „квантирана“. Квантумот енергија за секој осцилатор, според Планк, бил пропорционален со фреквенцијата на осцилаторот; [[физичка константа|константата]] на пропорционалност денес е позната како [[Планкова константа]]. Таа обично се означува со {{math|''h''}} и има вредност {{val|6.63|e=-34|u=J s}}, па така енергијата {{math|''E''}} на осцилатор со фреквенција {{math|''f''}} е дадена со
Ред 69:
:<math>E = hf.</math>
Со векови научниците воделе расправа за две можни теории за светлината: дали таа е бран или дали таа се состои од поток на ситни честици? Во 19-тиот век, оваа дилема се сметала за решена во полза на брановата теорија, бидејќи можеле да се објаснат набљудуваните ефекти како [[рефракција]], [[дифракција]] и [[поларизација (бранови)|поларизација]]. [[Џејмс Клерк Максвел]] покажал дека електричеството, магнетизмот и светлината се манифестации на ист феномен: [[електромагнетно поле]]. Максвеловите равенки, кои ја сочинуваат севкупната низа на закони на класичниот електромагнетизам, ја опишуваат светлината како бранови: комбинација на осцилирачки електрични и [[магнетно поле|магнетни]] полиња. Поради предноста која ја имале доказите во полза на брановата теорија, идеите на Ајнштајн најпрво биле прифатени со голем скептицизам. Но, подоцна фотонскиот модел предничел; еден од најзначајните докази во негова полза била можноста тој да објасни неколку загадочни својства на фотоелектричниот ефект, кој е опишан во следниот пасус. Како и да е, брановата аналогија останала незаменлива при сфаќањето на другите карактеристики на светлината, како дифракцијата.
=== Фотоелектричен ефект ===
Ред 84:
Описот на Ајнштајн на светлината како поток од честици ја продлабочил Планковата мисла за квантирана енергија: еден фотон со дадена фреквенција {{math|''f''}} дава непроменлива количина енергија {{math|''hf''}}. Со други зборови, поединечните фотони можат да донесат повеќе или помалку енергија, но само во зависност од нивните фреквенции. Но, иако фотонот е честица, тој сè уште се опишувал како да има брановидно својство на фреквенцијата. Уште еднаш, корпускуларната природа на светлината била оспорена.
Врската меѓу фреквенцијата на електромагнетното зрачење и енергијата на секој поединечен фотон е причина зошто [[ултравиолетова светлина|ултравиолетовата светлина]] може да предизвика изгореници на кожата, а видливата или [[инфрацрвена светлина|инфрацрвената]] не можат. Фотон од UV светлината ќе донесе голема количина на енергија - доволна да предизвика оштетување на [[клетка|клетките]], што е случај кај изгорениците. Фотон од инфрацрвена светлина ќе донесе помала количина на енергија - доволна само да ја загрее кожата. Така, [[инфрацрвена ламба]] може да загрее голема површина, можеби доволно голема за да им е комфорно на луѓето во ладна соба, но не може да предизвика изгореници.
Ако секој поединечен фотон би имал идентична енергија, не би било коректно да се зборува за фотон со „висока енергија“. Светлината со висока фреквенција би можела да носи повеќе енергија само поради преплавувањето на дадена површина со повеќе фотони кои пристигнуваат за една секунда. Светлината со ниска фреквенција би можела да носи повеќе енергија само поради истата причина. Ако беше точно дека сите фотони носат иста енергија, тогаш ако го удвоиме напливот од фотони, ние ќе го удвоиме бројот на енергетски единици кои пристигнуваат секоја секунда. Сите фотони со иста фреквенција поседуваат иста енергија, а сите фотони со различни фреквенции имаат пропорционално различни енергии.
Во природата, единечните фотони ретко се среќаваат. [[Сонце]]то емитува фотони континуирано на сите електромагнетни фреквенции, така што изгледа дека тие пропагираат како континуиран [[бран]], а не како дискретни единици. Изворите на емисија достапни на Херц и Ленард во 19-тиот век ја имале оваа карактеристика. Сонце кое зрачи црвена светлина, или, пак, парче железо во леарница кое сјае со црвена боја, може да се каже дека содржат многу енергија. Би можело да се претпостави дека континуираното додавање на енергија на некое тело кое зрачи ќе направи тоа да зрачи црвена светлина, портокалова светлина, жолта светлина, зелена светлина, сина светлина, виолетова светлина итн. по редослед. Но тоа не е сосема така за големите Сонца, а поголемите парчиња железо во леарницата ќе сјаат во бои повеќе наклонети накај виолетовиот крај на спектарот. За да се промени бојата на такво тело кое зрачи, потребно е да се промени температурата, а зголемувањето на температурата ги менува квантите на енергија кои се достапни за да ги [[возбудена состојба|возбуди]] поединечните атоми до поголеми нивоа и да им овозможи да емитуваат фотони со поголеми фреквенции. Вкупната енергија емитувана во единица време од Сонцето или од парче железо во леарница зависи како од бројот на фотони емитувани во единица време, така и од количината енергија која ја носи секој фотон. Со други зборови, карактеристичната фреквенција на тело кое зрачи е зависна од неговата температура. Кога физичарите гледале во снопови светлина кои содржеле голем број на поединечни и виртуелно неразлични фотони, тешко било да се разбере важноста на енергетските нивоа на поединечните фотони. Па така кога физичарите конструирале направи што го демонстрирале фотоелектричниот ефект (ефектот кој ја овозможува работата на светлинометрите на современите камери), тие најпрво очекувале дека поголем интензитет светлина ќе даде поголема волтажа од фотоелектричната направа. Тие откриле дека јаки снопови светлина кон црвениот крај на спектарот не би произвеле електричен потанцијал, и дека слабите снопови кон виолетовиот крај на спектарот ќе дадат повисоки и повисоки волтажи. Ајнштајновата идеја дека поединечните единици светлина можат да содржат различно количество енергија во зависност од нивната фреквенција ги објаснила експерименталните резултати кои дотогаш изгледале многу контраинтуитивни.
Ред 110:
{{Details|Боров модел}}
[[File:Bohr atom model Macedonian.svg|thumb|right|250п|Боровиот модел на атомот, прикажан е квантен скок на електронот во основна состојба {{math|''n'' {{=}} 1}}.]]
Во [[1913]], [[Нилс Бор]] предложил нов модел на атомот кој во себе ги содржел квантизираните електронски орбити.<ref>{{cite book|last1=McEvoy|first1=J. P.|last2=Zarate|first2=O.|year=2004|title=Introducing Quantum Theory|publisher = Totem Books|pages=70–89, especially p. 89|isbn=1-84046-577-8}}</ref> Во Боровиот модел, електроните би можеле да населат само одредени орбити околу атомското јадро. Кога атомот емитувал (или апсорбирал) енергија, електронот не би се движел по континуирана [[траекторија]] од една орбита околу јадрото до друга, како што се прифаќа во класичното објаснување, туку тој инстантно би скокнал од една орбита до друга, оддавајќи ја емитуваната светлина во облик на фотон.<ref name="WorldBook">''World Book Encyclopedia'', page 6, 2007.</ref> Можните енергии на фотоните оддадени од секој елемент биле одредени од разликите во енергиите меѓу орбитите, па така емисиониот спектар за секој елемент би содржел одреден број на линии.
Бор теоретизирал дека [[Момент на импулсот|моментот на импулсот]] или {{math|''L''}} на даден електрон е квантизиран:
Ред 120:
:<math>r = n^2 a_0,\!</math>
каде {{math|''a''<sub>0</sub>}}, означен како [[Боров радиус]], е еднаков на 0.0529 nm.
Боровиот радиус е [[
Енергијата на електронот<ref group="заб.">Во овој случај, енергијата на електронот е сума од неговата кинетичка и потенцијална енергија. Електронот поседува кинетичка енергија колку неговото суштинско движење околу јадрото, а потенцијална енергија поради неговото [[електромагнетно заемодејство]] со јадрото.</ref> може исто така да се пресмета и е дадена со
Ред 148:
{{Гранки на физиката}}
{{Нормативна контрола}}
[[Категорија:Квантна механика| ]]
[[Категорија:Квантна физика|Механика]]
| |||