Квантна механика

Квантна механика — една од помладите гранки на физиката и истата се бави со проучување на механиката во рамките на микродимензии (т.е. движење на атомски и субатомски честици), интеракции и размена на енергија помеѓу нив.

Класичната физика е неточна теорија, меѓутоа дава сосема соодветни и употребливи резултати ако се користи вон рамките на макросветот и за брзини неспоредливо помали од 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).

Важни концепти во квантната механика се:

Историја

Историјата на квантната механика започнува во 1838 година со откривањето на катодните зраци од страна на Мајкл Фарадеј. По ова следувало поставувањето на проблемот на зрачење од црно тело на Густав Кирхоф, па сугестијата на Лудвиг Болцман од 1877 која вели дека енергетските состојби на физичкиот систем би можеле да се дискретни, а во 1900, Макс Планк ја објавува својата квантна хипотеза. Планковата хипотеза дека енергијата зрачи и се апсорбира во дискретни „кванти“ (или „енергетски елементи“) совршено се совпаѓала со набљудуваните закономерности на зрачењето од црно тело. Според Планк, секој енергетски елемент Е е пропорционален со неговата фреквенција ν:

Max Planck (1858-1947)
Планк се смета за татко на квантната теорија.

каде h e Планковата константа. Планк (внимателно) инсистирал дека ова е аспект на процесите на апсорпција и емисија на зрачењето и дека нема ништо заедничко со самата физичка реалност. Меѓутоа, во 1905 година, Алберт Ајнштајн реалистично ја протолкувал Планковата квантна хипотеза и ја искористил за да го објасни фотоелектричниот ефект, при кој светлината што зрачи на одредени материјали може да исфрли електрони од материјалот.

Solvay conference 1927
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 атомската физика. Во летото 1925, Бор и Хајзенберг објавиле резултати кои и ставиле крај на „старата квантна теорија“. И покрај партиулатното однесување во одредени процеси и мерења, светлинските кванти започнале да се нарекуваат фотони. 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 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 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 суперспроводниците и суперфлуидите.

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 физички количества, како енергијата 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 хемијата, 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 класичната механика навистина ја владеела работата на атомот, електроните 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“, 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 спектарот на светлината емитирана од различни изотопи 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 Њутновите закони за движење и Максвеловите равенки на класичниот електромагнетизам.

Во поширока смисла, квантната механика во себе вклучува четири класи на феномени кои не се предмет на проучување во класичната физика:

Првата квантна теорија: Макс Планк и зрачењето од црно тело

Hot metalwork
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.

Топлинското зрачење е електромагнетно зрачење емитирано од површината на даден објект што настанува како резултат на температурата 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 Законот за Виново поместување, а целокупната моќ емитувана на единица површина е дадена со 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 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 осцилатори. 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; константата на пропорционалност денес е позната како Планкова константа. Таа обично се означува со h и има вредност 6.63×1034 J s, па така енергијата E на осцилатор со фреквенција f е дадена со

[1]

Планковиот закон бил првата квантна теорија во физиката, за што Планк ја добил Нобеловата награда во 1918 година „како признание за заслугите за напредокот на физиката со откривање на енергетските кванти“. Како и да е, во тоа време Планк сметал дека квантирањето било само математички трик, а не (како што денес е познато) фундаментална промена во нашето поимање за светот.

Фотони: квантизација на светлината

Во 1905, Алберт Ајнштајн се придвижил еден чекор понапред. Тој сугерирал дека квантирањето не било само математички трик: енергијата во еден сноп светлина постои во индивидуални пакети, кои сега се наречени фотони. Енергијата на еден фотон е дадена со неговата фреквенција помножена со Планковата константа:

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. 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 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

Photoelectric effect
Светлина (црвени стрелки, лево) паѓа на метал. Ако светлината има доволна фреквенција (т.е. доволно енергија), електроните се исфрлуваат (сини стрелки, десно).

Во 1887, Хајнрих Херц забележал дека светлината може да исфрли електрони од метал. Во 1902, Филип Ленард открил дека максималната можна енергија на исфрлен електрон е поврзана со фреквенцијата на светлината, а не со нејзиниот интензитет; ако фреквенцијата е многу мала, не се исфрлаат електрони, без разлика на интензитетот. Најмалата фреквенција на светлината која предизвикува исфрлање на електроните (поттикнувачка фреквенција) е различна за секој метал. Ова гледиште се коси со класичниот електромагнетизам, кој предвидува дека енергијата на електронот би требало да е пропорционална со интензитетот на зрачењето.

Ајнштајн го објаснил овој ефект постулирајќи дека сноп светлина е поток на честици (фотони), и дека ако снопот е со фреквенција f, тогаш секој фотон има енергија еднаква на hf. Еден електрон е најверојатно да биде удрен само од еден фотон кој доделува енергија hf на електронот. Затоа, интензитетот на снопот нема ефект; само неговата фреквенција ја одредува максималната енергија која може да му се додели на електронот.

За да го објасни поттикнувачкиот ефект на светлината врз исфрлањето електрони, Ајнштајн велел дека е потребна одредена количина на енергија (наречена работна функција или φ) за да се отстрани електрон од металот. Ова количество енергија е различно за секој метал. Ако енергијата на фотонот е помала од работната функција, тогаш тој не носи доволно енергија за да го отстрани (исфрли) електронот од металот. Поттикнувачката фреквенција (f0) е фреквенцијата на фотон чија енергија е еднаква на работната функција:

Ако f е поголемо од f0, енергијата hf е доволна за да отстрани електрон. Исфрлениот електрон има кинетичка енергија EK која е (барем во повеќето случаи) еднаква на енергијата на фотонот минус енергијата потребна да се откине електронот од металот:

Описот на Ајнштајн на светлината како поток од честици ја продлабочил Планковата мисла за квантирана енергија: еден фотон со дадена фреквенција f дава непроменлива количина енергија 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 ултравиолетовата светлина може да предизвика изгореници на кожата, а видливата или инфрацрвената не можат. Фотон од UV светлината ќе донесе голема количина на енергија - доволна да предизвика оштетување на 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. Сонцето 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 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.

Квантизација на материјата: Боров модел на атомот

Во раниот 20-ти век било познато дека атомите се состојат од дифузен облак на негативно наелектризирани електрони кои обиколуваат мало, густо и позитивно наелектризирано јадро. Ова сфаќање предложило модел во кој електроните кружат околу јадрото како планетите околу Сонцето. Меѓутоа, било исто така познато дека атомот во овој модел би бил нестабилен: според класичната теорија, електроните кои орбитираат подлежат на центростремително забрзување и притоа би требале да оддаваат електромагнетно зрачење, а загубата на енергија би причинила тие да спирализираат кон јадрото, судрувајќи се со него во дел од секундата.

Друга загатка поврзана со оваа проблематика била емисиониот спектар на атомите. Кога еден гас се загрева, тој оддава светлина само на дискретни фреквенции. На пример, видливата светлина оддадена од водородот се состои од четири различни бои, што е прикажано на долната слика. За споредба, белата светлина се состои од континуирана емисија долж целиот опфат на видливите фреквенции.

Emission spectrum-H
Емисионен спектар на водородот. Кога е возбуден, водородниот гас оддава светлина во четири различни бои (спектрални линии) во видливиот спектар, како и неколку линии во инфрацрвениот и ултравиолетовиот.

Во 1885, швајцарскиот математичар Јохан Балмер открил дека секоја бранова должина λ (ламбда) во видливиот спектар на водородот е поврзана со некој цел број n преку равенката

каде B е константа која Балмер пресметал дека е еднаква на 364.56 nm. Така, Балмеровата константа била основа за систем на дискретни, т.е. квантизирани цели броеви.

Во 1888, Јоханес Ридберг ја воопштил и ја зголемил користа на Балмеровата формула. Тој предвидел дека λ е поврзана со два цели броја n и m во она што денес е познато како Ридбергова формула:[2]

каде R е Ридбергова константа, еднаква на 0.0110 nm−1, и притоа n треба да биде поголемо од m.

Ридберговата формула се однесува на четирите видливи бранови должини на водородот со доделување вредности за m = 2 и n = 3, 4, 5, 6. Таа исто така предвидува дополнителни бранови должини во емисиониот спектар: за m = 1 и за n > 1, емисиониот спектар би требало да содржи одредени ултравиолетови бранови должини, а за m = 3 и n > 3, тој исто така би требало да содржи одредени инфрацрвени бранови должини. Експерименталното набљудување на овие бранови должини се остварило две десетлетија подоцна: во 1908 Луис Пашен открил некои од предвидените инфрацрвени бранови должини, а во 1914 Теодор Лајман открил некои од предвидените ултравиолетови бранови должини.[2]

Боров модел

Bohr atom model Macedonian
Боровиот модел на атомот, прикажан е квантен скок на електронот во основна состојба n = 1.

Во 1913, Нилс Бор предложил нов модел на атомот кој во себе ги содржел квантизираните електронски орбити.[3] 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.[4] 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 моментот на импулсот или L на даден електрон е квантизиран:

каде n е цел број, а h е Планковата константа. Поаѓајќи од оваа претпоставка, Кулоновиот закон и равенките за кружно движење покажуваат дека електрон со n единици на момент на импулс ќе орбитираат околу протон на растојание r дадено со

,

каде ke е Кулонова константа, m е масата на електронот, а e е полнежот на електронот. Поради поедноставување, ова се запишува како

каде a0, означен како Боров радиус, е еднаков на 0.0529 nm. Боровиот радиус е радиусот на најмалата дозволена орбита.

Енергијата на електронот[заб. 1] може исто така да се пресмета и е дадена со

.

Според ова, претпоставката на Бор дека моментот на импулсот е квантизиран значи дека електронот може да насели само одредени орбити околу јадрото и дека може да има само одредени енергии. Последица од овие ограничувања е дека електронот нема да се судри со јадрото: тој не може континуирано да емитува енергија, и не може да дојде поблиску до јадрото од a0 (Боровиот радиус).

Електронот губи енергија со инстантно скокање од орбитата во која се наоѓал до пониска орбита; дополнителната енерија се емитува во облик на фотон. Спротивно, електрон кој апсорбира фотон се здобива со енергија, па затоа скока во орбита која се наоѓа подалеку од јадрото.

Секој фотон од возбудениот атомски водород потекнува од електрон што се движи од повисока орбита со радиус rn до пониска орбита rm. Енергијата Eγ на овој фотон е разликата во енергиите En и Em на електронот:

Бидејќи Планковата равенка покажува дека енергијата на фотонот е поврзана со неговата бранова должина со изразот Eγ = hc/λ, брановите должини на светлината кои можат да се емитуваат се дадени со

Оваа равенка има ист облик како и Ридберговата формула и предвидува дека константата R би требало да биде определена со

Затоа Боровиот модел на атомот може да го предвиди емисиониот спектар на водородот во облик на фундаментални константи.[заб. 2] Меѓутоа, тој не можел да даде точни предвидувања за атомите со повеќе електрони или да објасни зошто некои спектрални линии се посветли од останатите.

Белешки

  1. 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.
  2. Моделот лесно може да се измени за да се однесува на емисиониот спектар на секој систем што се состои од јадро и еден електрон (односно, јоните, како He+ или O7+ кои содржат само по еден електрон).

Наводи

  1. Francis Weston Sears (1958). Mechanics, Wave Motion, and Heat. Addison-Wesley. стр. 537. http://books.google.com/books?hl=en&q=%22Mechanics%2C+Wave+Motion%2C+and+Heat%22+%22where+n+%3D+1%2C%22&btnG=Search+Books.
  2. 2,0 2,1 Taylor, J. R.; Zafiratos, C. D.; Dubson, M. A. (2004). Modern Physics for Scientists and Engineers. Prentice Hall. стр. 147–8. ISBN 0-13-589789-0.
  3. McEvoy, J. P.; Zarate, O. (2004). Introducing Quantum Theory. Totem Books. стр. 70–89, especially p. 89. ISBN 1-84046-577-8.
  4. World Book Encyclopedia, page 6, 2007.

Надворешни врски

Астрофизика

Астрофизика — гранка од астрономијата која употребува физички и хемиски принципи со цел да ја определи природата на небесните тела наместо нивните положби или движења во вселената. Телата кои се изучуваат се Сонцето, други ѕвезди, галаксии, вонсончеви планети, меѓуѕвездената средина и космичкото микробраново зрачење.Нивното оддавање на енергија се разгледува во сите делови од електромагнетниот спектар, а меѓу својствата кои се испитуваат, се вклучени: сјајноста, густината, температурата и хемискиот состав. Бидејќи астрофизиката е обемна наука, астрофизичарите типично применуваат многу дисциплини од физиката, вклучувајќи механика, електромагнетизам, статистичка механика, термодинамика, квантна механика, нуклеарна и честична физика, и атомска и молекуларна физика.

Во пракса, во современата астрономија често се користи теориска и набљудувачка физика. Астрофизичарите се обидуваат да ги утврдат својствата на црната материја, црната енергија и црните дупки; дали е возможно да се патува низ времето, црвоточини, дали мултиверзумот постои; потеклото и крајот на универзумот . Теми кои исто така се разлгледувани од астрофизичките теоретичари се: создавање и развој на Сончевиот систем; ѕвездена динамика и развој, создавање и развој на галаксии; магнетохидродинамика; структура од материја со големи размери во универзумот; потеклото на космичките зраци, општа релативност и физичката космологија, вклучувајќи струнска космологија и астрочестична физика.

Астрофизиката може да студира на додипломско, магистарско и докторско ниво во оделите за физика и хемија на многу универзитети.

Бозон

Бозон — вид основна честичка која претставува дел од симетрично составените квантни состојби. За нив важи Бозе-Ајнштајновата статистика. Бозоните се честички со цел спин, за разлика од фермионите кои имаат половен спин.

Името го добиле според индискиот физичар Шатјендранат Бозе.

Бозони се следниве честички:

глуони

фотони

фонони

W+,W- бозон

Z0 бозон

гравитониСите честички се или бозони или фермиони. Бозонот е носител на основните интеракции. За бозоните не важи Паулиевото начело, затоа може една квантна состојба да зазема повеќе бозони.

Движење (физика)

За движењето во живиот свет, видете Движење.

Во физиката, под движење се подразбира постојана промена на местоположбата на едно тело. Промената во движењето е резултат на сила применета врз тоа тело. Движењето најчесто се опишува во рамките на фреквенција (или брзина), забрзување (акцелерација), поместување и време. Брзината на еден објект (или материјална точка) не може да се смени доколку на него не се дејствува со некоја сила, факт кој всушност го претставува Првиот Њутнов закон. Импулсот (моментумот) на објектот е директно поврзан со неговата маса и брзина, а вкупниот импулс на сите објекти во еден затворен систем (систем на кој не делуваат надворешни сили) не се менува со текот на времето, факт олицетворен во законот за зачувување на импулсот.

За тело кое не се движи, се вели дека се одмора, дека е неподвижно, стационарно или дека има постојана положба, независна од времето.

Движењето секогаш се набљудува и мери од аспект на некое референтно тело. Бидејќи не постои апсолутно референтно тело, апсолутното движење не може да се определи. Ова е опишано со терминот релативно движење. Тело кое е неподвижно во однос на едно референтно тело се движи релативно до бесконечно во однос на други референтни тела. Според ова, сѐ се движи во универзумот.

Дискретизација на енергијата

Една од најзначајните последици на квантната механика е и дискретизацијата на енергијата на микрочестичките, како што се електроните, протоните, атомите итн., кога тие се движат во потенцијална јама. Решенијата на Шредингеровата равенка покажуваат дека во тие случаи, движењето на честичките е финитно (ограничено) а енергетскиот спектар им е дисконтинуиран. Ваквите состојби на честичките во квантната механика се познати како сврзаните состојби, а множеството од сврзани состојби за секој систем го дефинира неговиот дискретен енергетски спектар.

Според тоа, дискретизацијата на енергијата овозможува секој атом или молекула да има единствен енергетски спектар, што како отисок од прст е својствен само за него. Затоа, со спектроскопска анализа може да се утврди присуството на било кој елемент во даден микро или макро-систем.

Електронска обвивка

Електронската обвивка може да се замисли како орбита по која се движат електрони, распространета околу јадрото на атомот. Таа се состои од електронски слоеви. Најблискиот слој до јадрото е познат како „прв слој“ (наречен и „К-слој“), по кој следува „втор слој“ (или „L-слој“), потоа „трет слој“ (или „М-слој“) итн. Буквите од слоевите К, L, M се наредени по алфабетски редослед.

Секој слој може да содржи само одреден број на електрони: првиот слој може да содржи до два електрони, вториот слој може да има до осум електрони, третиот до 18 итн. Бидејќи електроните се електрично привлечени за јадрото, електроните на даден атом ќе ги пополнуваат понадворешните (подалечни) слоеви само доколку повнатрешните слоеви се веќе целосно пополнети со други електрони. Меѓутоа, ова не е строг услов: атомите можат да поседуваат два или три надворешни слоеви кои се само делумно пополнети со електрони (види го Правилото на Клечковски). За објаснување на тоа зошто овие електрони постојат во овие слоеви, види електронска конфигурација.

Електроните во делумно пополнетиот надворешен слој (или слоеви) ги одредуваат хемиските својства на атомот; овој слоеј е познат како валентна обвивка.

Секој слој се состои од еден или повеќе подслоеви, а секој подслој е изграден од една или повеќе атомски орбитали.

Елементарна честичка

Елементарна честичка — најситна неделива честичка од која е составена материјата. Со тек на времето, а во зависност со постоечките сознанија, претставата за нив се менувала. Некои честички што порано се сметале за елементарни, подоцна се покажува дека имаат сложена структура. Така, уште од времето на грчките мислители, за најмала неделива честичка е сметан атомот. Ниту денес сè уште нема точна дефиниција за поимот на елементарна честичка. Со голема приближност, доста е експлоатиран поимот дека елементарна честичка не може да се опише преку систем составен од други делови или честички.

Денес елементарните честички се делат на лептони и кваркови.

Лептоните се поделени во две подгрупи. Во првата подгрупа спаѓаат електронот (e-), мионот (µ-, нарекуван и ми-мезон) и тау-честичката (τ-). Од сите нив, електронот е стабилен, додека останатите се нестабилни. Нестабилните честички постојат кратко време, а потоа се распаѓаат и преминуваат во други елементарни честички. На пример, мионот се распаѓа според релацијата µ- → e- + νµ + νe. Втората подгрупа од лептони е подгрупата на неутрина. Нив ги има три видови:

електронско (νe)

мионско (νµ)

тау-неутрино (ντ)Поимот "неутрино" за прв пат се среќава при проучувањето на β-распаѓањето. Притоа доаѓа до следната претворба: n = p + e + ve. Кога некој неутрон во некое атомско јадро се трансформира според оваа релација, тогаш станува збор за β-распаѓање (νe е симбол за неутрино, а со знак ~ над него е антинеутрино).

Според големината на електричниот полнеж, кварковите се поделени на две групи. Во првата се вброени кварковите што имаат позитивен електричен полнеж со големина од 1 / 3 од елементарниот електричен полнеж. Ознаките за кварковите: u, d, c, s, t, b потекнуваат од првите букви на англиските зборови: up (горе), down (долу), charm (шарм), strange (чудно), top (врв), bottom (дно). Самите имиња немаат некоја посебна смисла, но симболите се дадени за нивно меѓусебно разликување.

Директното набљудување на кварковите не е возможно, но индиректни докази за нивното постоење има во изобилство. Според досегашните сознанија, кварковите се составни делови на голем број набљудувани елементарни честички. На пример, протонот и неутронот се составени од по три кваркови: uud, односно udd. Нивниот сумарен полнеж одговара на полнежот на протонот, односно на неутронот. Според можноста за комбинирање на кварковите можат да се добијат и некои хипотетички структури кои сè уште не се познати во природата Врз основа на вакви претпоставки (во 1964) е откриен хиперонот омега минус (ω-), составен од три кваркови.

Еренфестова теорема

Еренфестова теорема — теорема во физиката именувана според австрискиот теоретски физичар Паул Еренфест . Го поврзува временскиот извод на очекуваната вредност за квантномеханички оператор во однос на очекуваната вредност на комутаторот на тој оператор со помош на Хамилтоновиот оператор на системот и на овој начин во квантната механика, равенките на движење што се аналог на Њутнвите равенки важат за средните вредности на соодветните величини и овој резултат е познат како Еренфестова теорема.

Равенката на Еренфестовата теорема може да се запише како



каде A е некој квантномеханички оператор е очекуваната вредност.

Еренфестовата теорема е најочигледно присутна во Хајзенберговата претстава на квантната механика, каде ја претставува очекуваната вредност на Хајзенберговата равенка на движење.

Теоремата е во потесна врска со Лиувиловата теорема од Хамилтоновата механика, која ги вклучува и Поасоновите загради како замена за комутаторот. Дираковото практично правило го потврдува фактот во квантната механика дека присуството на комутатор е исто со тврдењето во класичната механика каде комутаторот е заменет со Поасонова заграда и е помножен со . Ова овозможува очекуваните вредности на операторот да се поведуваат по соодветните класични равенки за движење.

Квант

Квант (од лат. quantus = „колку“) — најмала единица на еден физички ентитет во некакво заемодејство. Пример за ентитет што се квантува е преносот на енергија кај елементарните честички на материјата (наречени фермиони) и фотоните и другите бозони. Зборот квант означува количина, зад што стои фундаменталната идеја дека едно физичко својство може да се „квантува“, со т.н. „квантување“. Ова значи дека величината може да има само извесни одредени (дискретни) бројчени вредности, наспроти било која вредност, барем во рамките на еден дијапазон. Во блиско сродство со ова поимување е терминот квантен број.

На пример фотонот е еден квант на светлина, и како таков може да се нарече „светлосен квант“. Енергијата на електрон врзан за атом (во мирување) се квантува, што резултира со стабилноста на атомите, а со тоа воопшто и на материјата.

Во согласност со квантната механика, квантот физичарите го сметаат за фундаментален на спознавање и опишување на природата на ниво на инфинитезимални (бесконечно мали) величини, од причина што функционира. Квантувањето е „во природата на нештата“, а не произволна човечка определба.

Квантен број

Квантен број — вредноста на запазените количества во динамиката на квантниот систем. Во случајот на квантните броеви на електроните, тие може да се дефинираат како „групи на нумеричките вредности со кои се определуваат прифатливите решенија за Шредингеровата бранова равенка за водородниот атом“. Можеби најважниот аспект на квантната механика е квантувањето на набљудуваните количини, бидејќи квантните броеви се дискретни групи на цели броеви или половина броеви, иако во некои случаи тие можат да се приближат до бесконечност. Ова се разликува од класичната механика кога вредностите можат да се менуваат независно. Квантните броеви честопати ги опишуваат конкретните нивоа на енергијата на електроните во атомот, но има и други можности како што се аголниот момент и спинот. Секој квантен систем може да има еден или повеќе квантни броеви, па така тешко е да се набројат сите можни квантни броеви.

Квантна информатика

Кватна информатика — научна област што се занимава со информатиката како зависна од квантните појави во физиката. Опфаќа теоретска проблематика во пресметковните модели, и поекспериментални теми во квантната физика како прашањето што може да се прави со квантната информација.

Ги подразбира следниве полиња:

Квантни сметачи — се занимава со прашањето како и дали може да се создаде квантен сметач и какви алгоритми би можеле да ја искористат таа способност (погл. квантен алгоритам)

Квантна теорија на пресметковната сложеност

Квантна криптографија и нејзиното воопштување — квантното општење

Кватна исправка на грешки

Сложеност на квантното општење

Квантна заплетканост (информтеориски пристап)

Квантно густо шифрирање

Квантна телепортација добро позната постапка со квантните информации, каде со доверба од една точка се пренесува непозната квантна состојба на друга далечна точка, притоа поништувајќи ја првобитната состојба.

Клод Коен-Тануџи

Клод Коен Тануџи (француски: Claude Cohen-Tannoudji 1 април 1933) е француски физичар и добитник на Нобеловата награда за физика во 1997, која ја споделил со Стивен Чу и Вилијам Даниел Филипс, за истражувањето на методи за ласерско ладење и атомско ловење. Тој сè уште е активен истражувач, кој работи во „Екол нормал сипериор“ (École Normale Supérieure) во Париз.

Мерење

Мерење — постапка со која се утврдува соодносот една физичка величина како должина, време, температура и сл. со некоја мерна единица, како метарот, секундата или Целзиусовиот степен. Науката која се занимава со мерењето и мерите се нарекува метрологија.

Механика

Механика (грчки μηχανική) — област од науката која се занимава со однесувањето на физичките тела кога се изложени на сили или поместувања и последователните ефекти на телата во нивната средина.

Научната дисциплина води потелко од Древна Грција со записите на Аристотел и Арихмед (види Историја на класичната механика и Хронологија на класичната механика). За време на раниот раниот нов век, научници како Галилео Галилеј, Јоханес Кеплер, а особено Исак Њутн, ги поставил на сега познатата класична механика.

Станува збор за гранка на класичната физика која се занимава со честички кои се во мирување или се движат со брзини значајно помали од онаа од брзината на светлината. Исто така може да се дефинира како гранка од науката која се занимава со движењето и силите кои дејствуваат на телата.

Начело на неопределеност

Начело на неопределеност (Хајзенбергово начело на неопределеност) — збир на математички неравенки кои ја потврдуваат основната граница за прецизноста со која одредени парови на физички подесувања на честичките познати како комплеметарни променливи, како местоположба х и импулсот p, не може да бидат определени едновремено.

Преставено прв пат во 1927, од страна на германскиот физичар Вернер Хајзенберг , стои дека колку што е попрецизно детерминирана позицијата на некои честички , попрецизно може да биде познато времето и обратно. Формалната нееднквост која се однесува на стандардната девијација на позицијата Q и стандардната девијација на времето Q беа добиени од Ерл Хазе Кенард подоцна таа година и Херман Веј во 1928.

(ħ e Дираковата константа, h / 2π).

Историски, начелото на неопределеност се поистоветува погрешно со сличен ефект во физиката, кој е наречен набљудувачи ефект, кој нотира дека мерките на неизвесниот систем неможат да бидат направени без да влијаат врз системот. Хајзенберг понудил набљудувачки ефект на квантно ниво како физичко објаснување на квантната неизвесност. Оттогаш стана јасно , дека неизвесниот начело е својствен во подесувањата на сите брановидни системи и дека произлегува во квантната механика едноставно заради брановидната природа на сите квантни предмети . Затоа, неизвесниот начело всушност подвлекува фундаментално подесување за квантните системи и не се однесува на набљудувачкиот успех на моменталната технологија. Мора да биде нагласено дека мерките незначат само процес во кој физичарот – набљудувач учествува , туку интеракција помеѓу класичните и квантни предмети без оглед на набљудувачот.

Бидејки неизвесниот начело е основен резултат во квантната механика , типичните експерименти во квнтната механика рутински ги набљудуваат аспектите . Одредени експерименти, може намерно да тестираат одредена форма на неизвесниот начело како дел од нивната главна истражувачка програма. Ова вклучува, тестови на бројни фази за неизвесни релации во суперспроводливост или квантни оптички системи . Апликациите кои зависта од неизвесниот начело за нивно извршување вклучуваат екстремно ниско звучни технологии како тие што се користат во гравитациони бранови интерферометри.

Субатомска честичка

Субатомска честичка — претставува честичка која е многу помала од атомот. Постојат два вида на субатомски честички: основни честички коишто според денешните теории не се составени од други честички и сложени честички.. Честичната физика и нуклеарната физика ги изучуваат овие честички и начинот на кој тие меѓусебно заемодејствуваат.Во физиката на елементарни честички,концептот честичка е само еден од неколкуте концепти наследни од класичната физика.Но,го отсликува и современото разбирање дека на квантната скала материјата и енергијата се однесуваат многу поразлично од она што секојдневното искуство би не навело да очекуваме.

Идејата за честичка била сериозно преиспитана кога екпериментите покажале дека светлината може да се однесува како проток на честички(наречени фотони),а исто така покажала и брановити својства.Тоа довело до нов концепт за корпускуларен-бранов дуализам кој покажува дека „честичките“ на квантната скала се однесуваат и како честички и како бранови (познати како честичка-бран).Друг нов концепт ,начело на неопределеност, тврди дека некои од нивните својства гледани заедно,како на пример нивниот вектор на положба и импулс,не можат точно да се измерат. Во скорешното време,корпускуларно-брановиот дуализам беше прикажан да се примени не само на фотоните туку и на големи честички.

Взаемната комуникација помеѓу честичките во рамките на квантната теорија за полето е сфатена како создавање и уништување на квантот на соодвентните основни заемодејства. Ова ја меша физикатта на елементарни честички со квантата теорија за полето.

Тунелски ефект

Тунелски ефект или тунелен ефект — последица од неодреденоста во квантната механика. Да замислиме еден автомобил кој наближува до рид и кој не е доволно забрзан (нема доволно енергија) за да може се искачи и да помине преку ридот. Класичната механика тврди дека веројатноста автомобилот да се најде од другата страна на ридот е нула, меѓутоа тоа не е така и за квантната механика - таа предвидува дека постои веројатност (во овој случај екстремно мала, практично еднаква на нула) за автомобилот да се најде од другата страна на ридот. Оваа веројатност зависи пред се од димензиите и енергиите за кои се работи, така што ако се работи за електрон кој треба да премине некоја енергетска бариера поголема од енергијата на самиот електрон, според квантната механика веројатноста не е занемарливо мала (како во горниот случај), туку се работи за значителна веројатност тој да се најде „од другата страна“. Во тоа се состои и самата суштина на Тунел ефектот. Во секојдневието, тунел ефектот е доста често присутен, пример е протекување на струја помеѓу два метала кои се во допир. Имено, скоро сите метали се обложени со тенок слој на оксид кој претставува енергетска бариера за електроните во металот, меѓутоа тие ја преминуваат иако класичната физика не би го дозволила тоа.

Фермион

Фермиони се честички со половен спин кои создаваат антисиметрични квантни сосотјби. Затоа за фермионите важи Паулиевото начело. Фермионите се делат на кваркови и лептони.

Името го добиле според Енрико Ферми.

Во стандарден модел на слаби и силни заемодејства (сили), фермионите се творци на материјата.

Сите елементарни честички се или фермиони или бозони. За фермионите важи Ферми-Дираковата статистика.

Фермиони се:

електрони

протони

неутрони

кваркови

Физика

Физиката (од грчки: φυσικός, фисикос, природно и φύσις, фисис, природа) — природна наука која ги изучува општите и фундаментални закономерности кои ја определуваат градбата и еволуцијата на материјалниот свет. Физиката е егзактна наука, што значи дека се занимава со пронаоѓањето на количествен опиc на природните појави. Физиката се основа на теории кои даваат јасни и мерливи предвидувања. Како физички се сметаат само експериментални резултати кои можат да бидат независно добиени. Таквите резултати можат да потврдат или да отфрлат дадена физичка теорија. Теоретската и експерименталната физика се тесно поврзани - понекогаш развитокот на физичките теории мотивира спроведување на нови експерименти, а понекогаш новите експериментални податоци го провоцираат создавањето на нова теорија. За изучувањето на природните појави овие две активности се од еднаква важност.

Значењето на физиката во современиот свет е огромно. Новите нејзини идеи и достигнувања водат до развиток на другите науки и до нови научни откритија, кои од своја страна наоѓаат примена во техниката и промисленоста. На пример, истражувањата во областа на електромагнетизмот водат до појавата на телефонот, електромоторот, возовите кои се движат со помош на махнетни сили (магнетнолебдечки); откритијата во областа на термодинамиката ја прават можна изградбата на автомобилот, додека развитокот на радиоелектрониката доведува до појавата на компјутерите.

И покрај неверојатното количество на собрани познавања за светот, човечкото разбирање за процесите и појавите непрекинато се менува и развива, новите истражувања поттикнуваат нови и нерешени прашања за кои се потребни нови објаснувања и теории. Во таа смисла, физиката е во непрекинат процес на развиток и е сè уште далеку од можноста да ги објасни сите природни појави и процеси.

Шредингерова равенка

Шредингерова равенка — парцијална диференцијална равенка во квантната механика која опишува како квантната состојба во квантен систем се менува со текот на времето. Равенката била формулирана во крајот на 1925 и издадена во 1926 година од австрискиот физичар Ервин Шредингер.Во класичната механика, Вториот Њутнов закон, (F = ma), се користи за математички да се предвиди што ќе прави еден систем во секоја точка од времето откако е позната почетната состојба. Во квантната механика, аналогна на Њутновиот закон е Шредингеровата равенка за квантен систем (најчесто кај атоми, молекули и субатомски честички кои можат да бидат слободни, сврзани или локализирани). Оваа равенка не е едноставна алгебарска равенка, туку е линеарна парцијална диференцијална равенка, која го опишува развојот на брановата функција на системот со текот на времето.Концептот на брановата функција е основен постулат на квантната механика. Иако Шредингеровата равенка често е презентирана како посебен постулат некои автори покажуваат дека некои својства добиени од Шредингеровата равенка може да се откријат од самата симетрија на принципите, како комутативниот закон. Главно, „изводи” од Шредингеровата равенка ја демонстрираат нејзината можност за математичко опишување на дуалноста бран-честичка, но досега нема прифатливи изводи од Шредингеровата равенка од приближни начела.

Во копенхагенското толкување на квантната механика, брановата функција е најцелосен опис што може да се даде на еден физички систем. Решенија на Шредингеровата равенка опишуваат не само молекуларни, атомски или субатомски системи, туку и макроскопски системи, а можно е и целиот универзум. Шредингеровата равенка во најопштата форма е доследна со класичната механика и специјалната релативност, но оригиналната формулација на Шредингер била нерелативистичка.

Шредингеровата равенка не е единствениот начин да се прават предвидувања во квантната механика – можат да се користат други формулации, како Вернер-Хајзенберговата механика на матрици, и Ричард-Фајнмановата формулација за интеграл по траекторија.

Гранки на физиката
Поделба
Класична
Современа
Меѓудисциплини
Поврзано

This page is based on a Wikipedia article written by authors (here).
Text is available under the CC BY-SA 3.0 license; additional terms may apply.
Images, videos and audio are available under their respective licenses.