Квант механикийн дагуу. Квант механикийн таамаглалын магадлалын шинж чанар

КВАНТЫН МЕХАНИК
бүх төрлийн материал ба цацрагийн динамик зан үйл, тэдгээрийн харилцан үйлчлэлийн үндсэн физик онол. Квант механик нь атом, атомын цөм, молекул ба физикийн биетүүд, түүнчлэн тэдгээрээс бүрддэг энгийн бөөмсийн тухай орчин үеийн онолын үндэс суурь юм. Квант механикийг атом хэрхэн ажилладагийг ойлгохыг эрэлхийлсэн эрдэмтэд бүтээсэн. Атомын процессыг физикчид, ялангуяа химичүүд олон жилийн турш судалж ирсэн; Энэ асуудлыг танилцуулахдаа бид онолын талаар дэлгэрэнгүй ярихгүйгээр тухайн сэдвийн хөгжлийн түүхэн замыг дагах болно. Мөн үзнэ үүАТОМ.
Онолын гарал үүсэл. 1911 онд Э.Резерфорд, Н.Бор нар атомын цөмийн загварыг санал болгоход яг л гайхамшиг болсон юм. Ер нь 200 гаруй жил мэдэгдэж байсан зүйлээр баригдсан. Энэ нь үндсэндээ нарны аймгийн Коперникийн загвар байсан бөгөөд микроскопоор хуулбарласан: төвд нь удалгүй цөм гэж нэрлэгддэг хүнд масс байдаг бөгөөд түүний эргэн тойронд электронууд эргэлддэг бөгөөд тэдгээрийн тоо нь атомын химийн шинж чанарыг тодорхойлдог. . Үүгээр ч зогсохгүй энэхүү харааны загварын цаана хамгийн жижиг, хамгийн энгийн атомуудаас бүрдсэн бодисуудын химийн болон физикийн зарим шинж чанарыг тооцоолж эхлэх боломжтой онол байсан. Бор-Рутерфордын онол нь орчин үеийн онолд бүгд нэг хэлбэрээр хадгалагдан үлдсэн тул энд эргэн санахад хэрэгтэй хэд хэдэн заалтыг агуулж байсан. Нэгдүгээрт, атомыг холбодог хүчний мөн чанарын тухай асуудал чухал юм. 18-р зуунаас цахилгаанаар цэнэглэгдсэн биетүүд нь тэдгээрийн хоорондох зайн квадраттай урвуу хамааралтай хүчээр бие биенээ татах буюу түлхэх нь мэдэгдэж байсан. Резерфорд цацраг идэвхт хувирлын үр дүнд үүссэн альфа тоосонцорыг туршилтын бие болгон ашиглахдаа цахилгаан харилцан үйлчлэлийн ижил хууль (Куломын хууль) нь анх туршилтаар тогтоогдсон хэмжээнээс сая сая дахин бага масштаб дээр хүчинтэй болохыг харуулсан. Планк, А.Эйнштейн нар гэрлийн мөн чанарын талаар Бор нар хий ялгаруулах хоолой дахь устөрөгчийн атомын цацрагийн спектрийг бүхэлд нь тоон байдлаар тайлбарлаж, элементүүдийн үечилсэн системийн бүх үндсэн хуулиудын чанарын тайлбарыг өгч чадсан. 1920 он гэхэд хүнд атомуудын ялгарлын спектрийн асуудлыг шийдэж, нэгдлүүдийн атомуудыг хооронд нь холбодог химийн хүчний эрчмийг тооцоолох цаг болжээ. Гэхдээ энд амжилтын хуурмаг байдал арилав. Бор болон бусад судлаачид устөрөгчийн хажууд хоёр электронтой хамгийн энгийн атом болох гелийн спектрийг тооцоолох гэж хэдэн жилийн турш оролдсон ч бүтэлгүйтэв. Эхлээд юу ч бүтсэнгүй; Эцэст нь хэд хэдэн судлаачид энэ асуудлыг янз бүрийн аргаар шийдсэн боловч хариулт нь буруу болсон - энэ нь туршилттай зөрчилдсөн. Дараа нь химийн харилцан үйлчлэлийн ямар ч хүлээн зөвшөөрөгдөх онолыг бий болгох нь ерөнхийдөө боломжгүй юм. 1920-иод оны эхэн гэхэд Борын онол хүчин мөхөсдөв. Бор 1914 онд найздаа бичсэн захидалдаа өөрийн өвөрмөц ярвигтай хэв маягаар хэлсэн бошиглолын үг үнэн болохыг хүлээн зөвшөөрөх цаг иржээ: "Асуудал нь маш том бэрхшээлийг хамардаг гэдэгт би итгэх хандлагатай байгаа бөгөөд үүнийг зөвхөн үүнийг даван туулж чадна. ердийн бодлуудаас одоог хүртэл шаардагдаж байснаас хамаагүй илүү урагшилж, өмнө нь хүрсэн амжилт нь зөвхөн авч үзсэн системийн энгийн байдлаас үүдэлтэй юм."
Мөн үзнэ үү
BOR Niels Henrik David;
ГЭРЭЛ;
РЮТЕРФОРД Эрнест;
СПЕКТРОСКОПИ.
Эхний алхамууд. Борын цахилгаан ба механикийн салбарт урьд өмнө байсан санаануудыг квантчлалын нөхцөлтэй хослуулсан нь буруу үр дүнд хүргэсэн тул бүх зүйлийг бүхэлд нь эсвэл хэсэгчлэн өөрчлөх шаардлагатай болсон. Борын онолын үндсэн заалтуудыг дээр дурьдсан бөгөөд холбогдох тооцоололд энгийн алгебр, математикийн шинжилгээг ашиглан тийм ч төвөгтэй биш тооцоо хийхэд хангалттай байв. 1925 онд Германы залуу физикч В.Гейзенберг Копенгагенд Бор дээр зочилж, түүнтэй олон цагаар ярилцаж, Борын онолоос ирээдүйн онолд заавал юуг оруулах ёстой, зарчмын хувьд юуг орхиж болох талаар олж мэдэв. Бор, Гейзенберг нар ирээдүйн онол нь шууд ажиглагдаж болох бүх зүйлийг заавал илэрхийлэх ёстой бөгөөд ажиглагдахгүй байгаа бүхнийг өөрчлөх эсвэл авч үзэхээс хасах боломжтой гэдгийг шууд хүлээн зөвшөөрсөн. Хэйзенберг анхнаасаа атомыг хадгалах ёстой гэж үздэг байсан ч атом дахь электрон тойрог замыг хийсвэр санаа гэж үзэх ёстой, учир нь ямар ч туршилтаар электрон тойрог замыг хэмжилтээр тодорхойлж чадахгүй. гаригууд. Уншигч энд тодорхой логик бус зүйл байгааг анзаарч магадгүй: хатуу хэлэхэд атом нь электрон тойрог зам шиг шууд ажиглагдахгүй, ерөнхийдөө хүрээлэн буй ертөнцийн талаарх бидний ойлголтод тайлбар шаарддаггүй ганц ч мэдрэмж байдаггүй. Эдүгээ физикчид Эйнштейн Хайзенбергтэй ярилцахдаа анх хэлсэн алдарт афоризмыг эш татах нь ихсэж байна: "Бид яг юу ажиглав, онол бидэнд хэлдэг." Иймээс ажиглагдаж болох ба үл ажиглагдах хэмжигдэхүүнүүдийн ялгаа нь хатуу логик, сэтгэл зүйд ямар ч үндэслэлгүй, цэвэр практик шинж чанартай бөгөөд энэ ялгааг яаж хийсэн бай хамаагүй онолын нэг хэсэг гэж үзэх ёстой. Иймээс ажиглагдахгүй бүх зүйлээс цэвэршсэн онолын Гейзенбергийн идеал нь сэтгэлгээний тодорхой чиглэл боловч шинжлэх ухааны тууштай хандлага биш юм. Гэсэн хэдий ч энэ нь атомын онолыг анх боловсруулснаас хойш бараг хагас зуун жилийн турш ноёрхсон. Цахилгаан хүчний тухай Кулоны хууль, Ньютоны динамик хуулиуд, алгебрийн ердийн дүрэм зэрэг Борын анхны загварын бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг бид аль хэдийн эргэн дурссан. Хэйзенберг нарийн шинжилгээ хийснээр Ньютоны динамикийн зөв илэрхийлэлийг олж, дараа нь алгебрийн дүрмийг өөрчлөх замаар цахилгаан ба динамикийн мэдэгдэж буй хуулиудыг хадгалах боломжтой гэдгийг харуулсан. Ялангуяа электроны q байрлал ч, импульс p нь ч хэмжигдэхүйц хэмжигдэхүүн биш учир жишээлбэл, машины байрлал, импульс нь бид хүсвэл тэдгээрийг хадгалах боломжтой гэж Гейзенберг санал болгосон. онолыг зөвхөн тоогоор биш харин үсгээр илэрхийлсэн математикийн тэмдэг гэж үзэх замаар. Тэрээр p ба q-ийн алгебрийн дүрмийг баталсан бөгөөд үүний дагуу pq бүтээгдэхүүн нь qp бүтээгдэхүүнтэй давхцдаггүй. Хэйзенберг q байрлал ба импульс p нь хамаарлыг хангадаг гэж үзвэл атомын системийн энгийн тооцоолол нь хүлээн зөвшөөрөгдөх үр дүнг өгдөг болохыг харуулсан.

Энд h нь цацрагийн квантын онолоос аль хэдийн мэдэгдэж байсан, Борын онолд тусгагдсан Планкийн тогтмол юм, a. Планкийн тогтмол h нь нийтлэг тоо боловч маш бага, ойролцоогоор 6.6×10-34 J*s байна. Тиймээс, хэрэв p ба q нь ердийн масштабын хэмжигдэхүүн бол pq ба qp бүтээгдэхүүний хоорондох ялгаа нь эдгээр бүтээгдэхүүнтэй харьцуулахад маш бага байх тул p ба q-г энгийн тоо гэж үзэж болно. Микроскопийн ертөнцийн үзэгдлийг дүрслэх зорилгоор бүтээгдсэн Гейзенбергийн онол нь макроскопийн объектод хэрэглэхэд Ньютоны механиктай бараг бүрэн нийцдэг. Хейзенбергийн анхны бүтээлүүдэд шинэ онолын физик агуулгын бүх тодорхойгүй байдлыг үл харгалзан квант үзэгдлийн шинж чанартай салангид энергийн төлөв (жишээлбэл, атомын гэрлийн ялгарал) байгааг таамаглаж байгааг харуулсан. Геттингенд М.Борн, П.Жордан нартай хамтран гүйцэтгэсэн хожмын ажилд Гейзенберг онолын албан ёсны математик аппаратыг боловсруулсан. Гэсэн хэдий ч практик тооцоо маш хэцүү хэвээр байв. Хэдэн долоо хоног шаргуу хөдөлмөрлөсний эцэст В.Паули устөрөгчийн атомын энергийн түвшний томъёог гаргаж авсан нь Борын томьёотой давхцдаг. Гэхдээ тооцооллыг хялбарчлахаас өмнө шинэ, огт санаанд оромгүй санаанууд гарч ирэв. Мөн үзнэ үү
АЛГЕБРЫН АВСТРАТ;
БААР БАЙНГА БАЙНА.
Бөөм ба долгион. 1920 он гэхэд физикчид гэрлийн хоёрдмол шинж чанарыг аль хэдийн сайн мэддэг байсан: гэрлийн зарим туршилтын үр дүнг гэрлийг долгион гэж үзэх замаар тайлбарлаж болно, заримд нь энэ нь бөөмсийн урсгал шиг ажилладаг байв. Юу ч нэгэн зэрэг долгион, бөөмс байж чадахгүй нь ойлгомжтой мэт санагдсан тул нөхцөл байдал тодорхойгүй хэвээр үлдэж, мэргэжилтнүүдийн дунд ширүүн маргаан үүсгэв. 1923 онд Францын физикч Л.де Бройль хэвлэгдсэн тэмдэглэлдээ ийм парадоксик зан үйл нь гэрэлд хамаарахгүй байж болох ч зарим тохиолдолд матери нь бөөмс шиг, зарим тохиолдолд долгион шиг байж болно гэж санал болгосон. Харьцангуйн онол дээр үндэслэн де Бройль бөөмийн импульс p-тэй тэнцүү бол энэ бөөмстэй “холбогдох” долгион нь l = h/p долгионы урттай байх ёстойг харуулсан. Энэ хамаарал нь гэрлийн Е квант энерги болон харгалзах долгионы n давтамжийн хоорондох Планк, Эйнштейний анх олж авсан E = hn хамааралтай төстэй юм. Де Бройли мөн энэ таамаглалыг гэрлийн долгионы шинж чанарыг харуулсантай төстэй туршилтаар хялбархан шалгаж болохыг харуулсан бөгөөд тэрээр ийм туршилт хийхийг тууштай уриалав. Де Бройлийн тэмдэглэл Эйнштейний анхаарлыг татсан бөгөөд 1927 он гэхэд АНУ-д К.Дэвиссон, Л.Гермер, Англид Ж.Томсон нар де Бройлийн электроны тухай үндсэн санааг төдийгүй долгионы уртын томьёог баталжээ. 1926 онд тухайн үед Цюрихт ажиллаж байсан Австрийн физикч Э.Шредингер де Бройльгийн бүтээл, түүнийг баталсан туршилтын урьдчилсан үр дүнгийн талаар сонсоод дөрвөн өгүүлэл нийтлүүлж, шинэ онол дэвшүүлсэн нь математикийн баттай үндэс болсон юм. эдгээр санаанууд. Энэ нөхцөл байдал нь оптикийн түүхэнд ижил төстэй байдаг. Гэрэл бол тодорхой урттай долгион гэдэгт итгэх нь гэрлийн үйл ажиллагааг нарийвчлан тайлбарлахад хангалтгүй юм. Мөн гэрэл болон материтай харилцан үйлчлэх үйл явц, цахилгаан соронзон орон хэлбэрээр гэрлийн тархалтын үйл явцыг нарийвчлан тодорхойлсон Ж.Максвелийн гаргасан дифференциал тэгшитгэлийг бичиж, шийдвэрлэх шаардлагатай. Шрөдингер гэрлийн Максвеллийн тэгшитгэлтэй адил де Бройлийн материйн долгионы дифференциал тэгшитгэлийг бичсэн. Нэг бөөмийн Шредингерийн тэгшитгэл нь хэлбэртэй байна

Энд m нь бөөмийн масс, E нь түүний нийт энерги, V(x) нь потенциал энерги, y нь электрон долгионыг дүрсэлсэн хэмжигдэхүүн юм. Шредингер хэд хэдэн нийтлэлдээ өөрийн тэгшитгэлийг устөрөгчийн атомын энергийн түвшинг тооцоолоход хэрхэн ашиглаж болохыг харуулсан. Мөн тэрээр яг шийдэж чадахгүй байгаа ойролцоогоор асуудлыг шийдэх энгийн бөгөөд үр дүнтэй аргууд байдгийг тогтоосон бөгөөд түүний материйн долгионы онол нь математикийн хувьд Гейзенбергийн ажиглалтын алгебрийн онолтой бүрэн дүйцэж, бүх тохиолдолд ижил үр дүнд хүргэсэн. Кембрижийн их сургуулийн П.Дирак Хайзенберг, Шредингер нарын онолууд нь онолын боломжит олон хэлбэрээс хоёрыг л төлөөлдөг болохыг харуулсан. (1) хамаарал шийдвэрлэх үүрэг гүйцэтгэдэг Диракийн хувиргалтын онол нь квант механикийн тодорхой ерөнхий томьёоллыг гаргаж, түүний бусад бүх томъёоллыг тусгай тохиолдлуудад багтаасан болно. Дирак удалгүй квант механик маш өндөр хурдтай бүс нутагт хэрхэн ерөнхийлдөг болохыг харуулсанаар санаанд оромгүй томоохон амжилтанд хүрсэн. харьцангуйн онолын шаардлагыг хангасан хэлбэрийг авдаг. Аажмаар хэд хэдэн харьцангуй долгионы тэгшитгэл байгаа нь тодорхой болсон бөгөөд бага хурдтай тохиолдолд тус бүрийг Шредингерийн тэгшитгэлээр ойртуулж болох бөгөөд эдгээр тэгшитгэлүүд нь огт өөр төрлийн бөөмсийг дүрсэлсэн байдаг. Жишээлбэл, бөөмс нь өөр өөр "эргэлттэй" байж болно; Энэ нь Диракийн онолоор тодорхойлогддог. Үүнээс гадна харьцангуйн онолын дагуу бөөмс бүр нь цахилгаан цэнэгийн эсрэг тэмдэгтэй эсрэг бөөмстэй тохирч байх ёстой. Диракийн бүтээл хэвлэгдэх үед фотон, электрон, протон гэсэн гурван энгийн бөөмс л мэдэгдэж байсан. 1932 онд электроны эсрэг бөөмс болох позитроныг нээсэн. Дараагийн хэдэн арван жилийн хугацаанд бусад олон тооны эсрэг бөөмсүүд нээгдсэн бөгөөд тэдгээрийн ихэнх нь Диракийн тэгшитгэл эсвэл түүний ерөнхий дүгнэлтийг хангаж чадсан юм. 1925-1928 онд гарамгай физикчдийн хүчин чармайлтаар бүтээгдсэн квант механик нь түүнээс хойш үндсэн суурьдаа дорвитой өөрчлөлт ороогүй юм.
Мөн үзнэ үүЭСРЭГ МАТЕРИАЛ.
Хэрэглээ.Жижиг хэмжээний бодисын шинж чанар чухал ач холбогдолтой физик, биологи, хими, инженерийн бүх салбарууд одоо системтэйгээр квант механик руу шилжиж байна. Хэд хэдэн жишээ хэлье. Атомын цөмөөс хамгийн алслагдсан электрон тойрог замын бүтцийг иж бүрэн судалсан. Квант механикийн аргуудыг молекулын бүтцийн асуудалд ашигласан нь химийн хувьсгалд хүргэсэн. Молекулуудын бүтэц нь атомуудын химийн холбоогоор тодорхойлогддог бөгөөд өнөөдөр энэ салбарт квант механикийг тууштай ашигласнаар үүссэн нарийн төвөгтэй асуудлуудыг компьютерийн тусламжтайгаар шийдэж байна. Хатуу бодисын болор бүтцийн онол, ялангуяа талстуудын цахилгаан шинж чанарын онол олны анхаарлыг татсан. Практик үр дүн нь гайхалтай юм: жишээнүүдэд лазер, транзисторын шинэ бүтээл, түүнчлэн хэт дамжуулалтын үзэгдлийг тайлбарлах томоохон ахиц дэвшил орно.
Мөн үзнэ үү
ХАТУУ ТӨРИЙН ФИЗИК;
ЛАЗЕР;
ТРАНСИСТОР;
ХЭТ ДАМЖУУЛАХ чадвар. Олон асуудал шийдэгдээгүй байна. Энэ нь атомын цөмийн бүтэц, бөөмийн физиктэй холбоотой юм. Атомын бүтэц Ньютоны динамикийн хүрээнээс гадуур байсантай адил энгийн бөөмийн физикийн асуудлууд квант механикийн хүрээнээс гадуур байгаа эсэх талаар үе үе ярилцдаг. Гэсэн хэдий ч талбайн динамикийн талбарт квант механикийн зарчмууд эсвэл түүний ерөнхий дүгнэлтүүд хаана ч хэрэгжих боломжгүй болсон гэсэн мэдээлэл алга байна. Хагас зуун гаруй жилийн турш квант механик нь өвөрмөц "тайлбарлах чадвартай" шинжлэх ухааны хэрэгсэл хэвээр байсаар ирсэн бөгөөд математик бүтцэд дорвитой өөрчлөлт оруулах шаардлагагүй юм. Тиймээс квант механикийн физик утга, түүний тайлбарын талаар ширүүн маргаан (доороос үзнэ үү) байсаар байгаа нь гайхмаар санагдаж магадгүй юм.
Мөн үзнэ үү
АТОМЫН БҮТЭЦ;
АТОМЫН ЦӨМИЙН БҮТЭЦ;
МОЛЕКУЛЫН БҮТЭЦ;
БӨӨМСӨН.
Физик утгын талаархи асуулт.Туршилтаар маш тодорхой харагддаг долгион-бөөмийн хоёрдмол байдал нь квант механикийн математик формализмыг физик тайлбарлахад хамгийн хэцүү асуудлуудын нэгийг бий болгодог. Жишээлбэл, орон зайд чөлөөтэй хөдөлж буй бөөмийг дүрсэлсэн долгионы функцийг авч үзье. Бөөмийн тухай уламжлалт санаа нь бусад зүйлсээс гадна тодорхой эрч хүчээр тодорхой траекторийн дагуу хөдөлдөг гэж үздэг. Долгионы функцэд де Бройль долгионы урт l = h/p гэж томилогдсон боловч энэ нь орон зайд хязгааргүй байдаг долгионы шинж чанар бөгөөд тиймээс бөөмийн байршлын талаархи мэдээллийг агуулдаггүй. Dx өргөтгөлтэй орон зайн тодорхой мужид бөөмийг нутагшуулах долгионы функцийг моментийн харгалзах олонлогтой долгионы суперпозиция (багц) хэлбэрээр байгуулж болох бөгөөд хэрэв хүссэн импульсийн хүрээ Dp-тэй тэнцүү бол. , тэгвэл Dx ба Dp утгуудын хувьд DxDp і харьцаа h/4p хангагдсан байх ёстойг харуулах нь маш энгийн. Анх 1927 онд Гейзенберг олж авсан энэ хамаарал нь тодорхойгүй байдлын сайн мэддэг зарчмыг илэрхийлдэг: x ба p гэсэн хоёр хувьсагчийн аль нэгийг илүү нарийвчлалтай зааж өгөх тусам онол нь нөгөөг нь тодорхойлох боломжийг олгодоггүй.

Коллиерийн нэвтэрхий толь бичиг. - Нээлттэй нийгэм. 2000 .

Квант механикийн үндсэн зарчмууд нь В.Гейзенбергийн тодорхойгүй байдлын зарчим, Н.Борын нөхөх зарчим юм.

Тодорхойгүй байдлын зарчмын дагуу бөөмийн байршил, түүний импульсийг нэгэн зэрэг нарийн тодорхойлох боломжгүй юм. Бөөмийн байршил буюу координатыг илүү нарийвчлалтай тодорхойлох тусам түүний импульс улам тодорхойгүй болно. Үүний эсрэгээр, импульсийг илүү нарийвчлалтай тодорхойлох тусам түүний байршил тодорхойгүй хэвээр байна.

Энэ зарчмыг интерференцийн талаарх Т.Юнгийн туршилтыг ашиглан дүрсэлж болно. Энэ туршилтаас харахад гэрэл нь тунгалаг бус дэлгэцийн ойролцоо байрладаг хоёр жижиг нүхний системээр дамжин өнгөрөхдөө шулуун шугамаар тархдаг бөөмс шиг биш, харин харилцан үйлчлэгч долгион шиг ажилладаг бөгөөд үүний үр дүнд дэлгэцийн ард байрлах гадаргуу дээр интерференцийн загвар гарч ирдэг. ээлжлэн цайвар, бараан судал хэлбэрээр Хэрэв нэг удаад зөвхөн нэг нүх онгорхой байвал фотоны тархалтын интерференцийн загвар алга болно.

Та дараах бодлын туршилтыг ашиглан энэ туршилтын үр дүнд дүн шинжилгээ хийж болно. Электроны байршлыг тодорхойлохын тулд түүнийг гэрэлтүүлэх ёстой, өөрөөр хэлбэл фотоныг түүн рүү чиглүүлэх ёстой. Хоёр энгийн бөөмс мөргөлдсөн тохиолдолд бид электроны координатыг үнэн зөв тооцоолох боломжтой болно (мөргөлдөх үед түүний байрлал тодорхойлогддог). Гэсэн хэдий ч мөргөлдөөний үр дүнд электрон замаа өөрчлөх нь гарцаагүй, учир нь мөргөлдөөний үр дүнд фотоны импульс түүнд шилжих болно. Тиймээс, хэрэв бид электроны координатыг нарийн тодорхойлох юм бол үүнтэй зэрэгцэн бид түүний дараагийн хөдөлгөөний траекторийн талаархи мэдлэгээ алдах болно. Электрон ба фотонуудын мөргөлдөөний бодлын туршилт нь Янгийн туршилтын нэг нүхийг хаахтай адил юм: фотонтой мөргөлдөх нь дэлгэцийн нүхнүүдийн аль нэгийг хаахтай адил юм: энэ тохиолдолд хаагдах үед интерференцийн загвар устах эсвэл (энэ нь ижил зүйл) электроны замнал тодорхойгүй болно.

Тодорхойгүй байдлын зарчмын утга. Тодорхой бус байдлын хамаарал гэдэг нь сонгодог Ньютоны динамикийн зарчим, хуулиудыг бичил объекттой холбоотой үйл явцыг тодорхойлоход ашиглах боломжгүй гэсэн үг юм.

Үндсэндээ энэ зарчим нь детерминизмаас татгалзаж, бичил объекттой холбоотой үйл явц дахь санамсаргүй байдлын үндсэн үүргийг хүлээн зөвшөөрөх гэсэн үг юм. Сонгодог тайлбарт санамсаргүй байдлын тухай ойлголтыг статистикийн чуулгын элементүүдийн зан төлөвийг тодорхойлоход ашигладаг бөгөөд энэ нь асуудлын шийдлийг хялбарчлах нэрийн дор тайлбарын бүрэн бүтэн байдлыг санаатайгаар золиослох явдал юм. Бичил ертөнцөд объектын зан үйлийн талаар үнэн зөв таамаглаж, түүний параметрийн утгыг сонгодог тайлбарт уламжлалт байдлаар өгөх нь ерөнхийдөө боломжгүй юм. Энэ талаар идэвхтэй хэлэлцүүлэг байсаар байна: сонгодог детерминизмыг баримтлагчид квант механикийн тэгшитгэлийг практик тооцоололд ашиглах боломжийг үгүйсгэхгүйгээр бичил биетний зан үйлийг зохицуулдаг хуулиудыг бүрэн ойлгоогүйн үр дүнг санамсаргүй байдлаар хардаг. - бидний хувьд урьдчилан таамаглах аргагүй хэвээр байгаа объектууд. А.Эйнштейн энэ хандлагыг дэмжигч байсан. Орчин үеийн байгалийн шинжлэх ухааныг үндэслэгч, сонгодог аргын няцашгүй мэт санагдах байр суурийг эргэн харахаар зориглосон тэрээр байгалийн шинжлэх ухаанд детерминизмын зарчмаас татгалзах боломжгүй гэж үзсэн. А.Эйнштейн болон түүний дэмжигчдийн энэ асуудлаарх байр суурийг бичил биетний зан үйлийн талаар шийдвэр гаргах болгондоо шоо хаядаг Бурхан байдаг гэдэгт итгэх нь маш хэцүү гэсэн алдартай бөгөөд маш дүрсэлсэн үгээр томъёолж болно. - объектууд. Гэсэн хэдий ч өнөөг хүртэл бичил биетүүдийн "санамсаргүй" үйлдлийг хянадаг дотоод механизм байгааг харуулсан туршилтын баримтууд олдоогүй байна.

Тодорхой бус байдлын зарчим нь хэмжих хэрэгслийн дизайн дахь аливаа дутагдалтай холбоогүй гэдгийг онцлон тэмдэглэх нь зүйтэй. Микробөөмийн байрлал, импульсийг ижил нарийвчлалтайгаар хэмжих төхөөрөмжийг бий болгох нь үндсэндээ боломжгүй юм. Тодорхой бус байдлын зарчим нь байгалийн долгион-бөөмийн дуализмаар илэрдэг.

Мөн тодорхой бус байдлын зарчмаас үзэхэд квант механик нь сонгодог байгалийн шинжлэх ухаанд заасан объектууд болон тэдгээртэй холбоотой үйл явцын хэмжилт, ажиглалт хийх үндсэн боломжийг үгүйсгэдэг бөгөөд судалж буй системийн хувьсалд нөлөөлөхгүй.

Тодорхой бус байдлын зарчим нь нэмэлт байх ерөнхий зарчмын онцгой тохиолдол юм. Нэмэлт байдлын зарчмаас үзэхэд хэрэв бид аливаа туршилтаар физик үзэгдлийн нэг талыг ажиглаж чадвал тэр үед бид үзэгдлийн эхний талын нэмэлт талыг ажиглах боломжоо хасдаг. Зөвхөн харилцан хамааралгүй нөхцөлд хийгдсэн өөр өөр туршилтуудад илэрдэг нэмэлт шинж чанарууд нь бөөмийн байрлал ба импульс, бодис эсвэл цацрагийн долгион ба корпускуляр шинж чанар байж болно.

Суперпозиция зарчим нь квант механикт чухал байдаг. Үүссэн үр нөлөө нь тус тусад нь нөлөөлж буй үзэгдэл тус бүрээс үүссэн үр нөлөөний нийлбэрийг илэрхийлдэг гэсэн таамаглалыг суперпозицийн зарчим (ногдуулах зарчим) юм. Хамгийн энгийн жишээнүүдийн нэг бол параллелограммын дүрэм бөгөөд үүний дагуу биед үйлчлэх хоёр хүчийг нэмдэг. Бичил ертөнцөд суперпозиция зарчим нь тодорхойгүй байдлын зарчмын хамт квант механикийн математик аппаратын үндэс суурийг бүрдүүлдэг үндсэн зарчим юм. Энгийн бөөмсийг харилцан хувиргадаг харьцангуй квант механикийн хувьд суперпозицийн зарчмыг суперсонголтын зарчмаар нөхөх ёстой. Жишээлбэл, электрон ба позитроныг устгах үед суперпозиция зарчмыг цахилгаан цэнэгийг хадгалах зарчмаар нөхдөг - хувиргалтаас өмнө болон дараа нь бөөмийн цэнэгийн нийлбэр тогтмол байх ёстой. Электрон ба позитроны цэнэгүүд тэнцүү бөгөөд харилцан эсрэг байдаг тул энэ устах үйл явцад төрсөн фотон болох цэнэггүй бөөмс үүсэх ёстой.

Хэрэв та гэнэт квант механикийн үндэс суурь, постулатуудыг мартсан эсвэл энэ нь ямар төрлийн механик болохыг мэдэхгүй байгаагаа гэнэт мэдсэн бол энэ мэдээллийн талаар санах ойгоо сэргээх цаг болжээ. Эцсийн эцэст, квант механик амьдралд хэзээ хэрэгтэй болохыг хэн ч мэдэхгүй.

Амьдралдаа хэзээ ч энэ сэдвийг даван туулах шаардлагагүй гэж бодон инээж, дооглож байгаа нь дэмий юм. Эцсийн эцэст квант механик нь бараг бүх хүнд, тэр ч байтугай түүнээс хязгааргүй хол байгаа хүмүүст хэрэгтэй байж болно. Жишээлбэл, та нойргүйдэлтэй байна. Квант механикийн хувьд энэ нь асуудал биш юм! Унтахынхаа өмнө сурах бичгийг уншаарай - тэгвэл та гурав дахь хуудсан дээр гүн нойронд унах болно. Эсвэл та дажгүй рок хамтлагаа ингэж нэрлэж болно. Яагаад болохгүй гэж?

Хошигнохын хажуугаар нухацтай квант яриа эхлүүлье.

Хаанаас эхлэх вэ? Мэдээжийн хэрэг, квант гэж юу вэ гэдгээс эхэлнэ.

Квант

Квант (Латин квант - "хэр их" гэсэн үг) нь зарим физик хэмжигдэхүүний хуваагдашгүй хэсэг юм. Жишээлбэл, тэд гэрлийн квант, энергийн квант эсвэл талбайн квант гэж хэлдэг.

Энэ нь юу гэсэн үг вэ? Энэ нь үүнээс бага байж болохгүй гэсэн үг юм. Тэд зарим хэмжигдэхүүнийг квант гэж хэлэхэд энэ хэмжигдэхүүн нь хэд хэдэн тодорхой, салангид утгыг авдаг гэдгийг ойлгодог. Тиймээс атом дахь электроны энерги нь квант болж, гэрэл нь "хэсэгт", өөрөөр хэлбэл квантаар тархдаг.

"Квант" гэдэг нэр томьёо өөрөө олон хэрэглээтэй. Гэрлийн квант (цахилгаан соронзон орон) нь фотон юм. Аналогиар бол квантууд нь бусад харилцан үйлчлэлийн талбарт тохирох бөөмс буюу хагас бөөмс юм. Энд бид Хиггсийн талбайн квант болох алдарт Хиггс бозоныг эргэн санаж болно. Гэхдээ бид эдгээр ширэнгэн ой руу хараахан ороогүй байна.

Механик хэрхэн квант байж болох вэ?

Бидний ярианд бид бөөмсийг олон удаа дурьдсаныг та аль хэдийн анзаарсан. Магадгүй та гэрэл бол зүгээр л хурдтай тархдаг долгион гэдэгт дассан байх -тай . Харин бүх зүйлийг квант ертөнц буюу бөөмсийн ертөнцийн өнцгөөс харвал бүх зүйл танигдахын аргагүй өөрчлөгддөг.

Квантын механик нь физик үзэгдлийг хамгийн анхан шатны түвшинд буюу бөөмсийн түвшинд дүрсэлсэн квант онолын бүрэлдэхүүн хэсэг болох онолын физикийн салбар юм.

Ийм үзэгдлийн үр нөлөөг Планкийн тогтмол хэмжигдэхүүнтэй харьцуулж болох бөгөөд Ньютоны сонгодог механик ба электродинамик нь тэдгээрийг тайлбарлахад огт тохиромжгүй болсон. Жишээлбэл, сонгодог онолын дагуу цөмийн эргэн тойронд өндөр хурдтай эргэлддэг электрон нь энерги ялгаруулж, эцэст нь цөм дээр унах ёстой. Бидний мэдэж байгаагаар ийм зүйл тохиолддоггүй. Тийм ч учраас квант механикийг зохион бүтээсэн - нээсэн үзэгдлүүдийг ямар нэгэн байдлаар тайлбарлах шаардлагатай байсан бөгөөд энэ нь тайлбар нь хамгийн хүлээн зөвшөөрөгдөхүйц онол болж хувирсан бөгөөд бүх туршилтын өгөгдөл "нийссэн" юм.

Дашрамд хэлэхэд! Уншигчиддаа зориулан 10%-ийн хямдрал зарлалаа

Бага зэрэг түүх

1900 онд Макс Планк Германы Физикийн нийгэмлэгийн хурал дээр үг хэлэхдээ квант онол үүссэн. Тэр үед Планк юу гэж хэлсэн бэ? Мөн атомын цацраг нь салангид байдаг бөгөөд энэ цацрагийн энергийн хамгийн бага хэсэг нь тэнцүү байна.

h нь Планкийн тогтмол, nu нь давтамж юм.

Дараа нь Альберт Эйнштейн "гэрлийн квант" гэсэн ойлголтыг нэвтрүүлж, фотоэлектрик эффектийг тайлбарлахын тулд Планкийн таамаглалыг ашигласан. Нильс Бор атомд хөдөлгөөнгүй энергийн түвшин байдаг гэж таамаглаж, Луис де Бройль долгион-бөөмийн хоёрдмол байдлын санааг боловсруулсан, өөрөөр хэлбэл бөөмс (корпускул) нь долгионы шинж чанартай байдаг. Шрөдингер, Гейзенберг нар энэ ажилд нэгдсэн бөгөөд 1925 онд квант механикийн анхны томъёолол хэвлэгджээ. Үнэндээ квант механик нь бүрэн онолоос хол байгаа бөгөөд энэ нь одоо идэвхтэй хөгжиж байна. Түүнчлэн квант механик нь өөрийн таамаглалтай тулгарсан бүх асуултыг тайлбарлах чадваргүй гэдгийг хүлээн зөвшөөрөх хэрэгтэй. Үүнийг илүү дэвшилтэт онолоор солих бүрэн боломжтой.

Квантын ертөнцөөс бидний мэддэг зүйлсийн ертөнцөд шилжих явцад квант механикийн хуулиуд нь сонгодог механикийн хуулиуд болон хувирдаг. Сонгодог механик бол бидний мэддэг, танил макро ертөнцөд үйл ажиллагаа явагддаг квант механикийн онцгой тохиолдол гэж хэлж болно. Энд биетүүд гэрлийн хурдаас хамаагүй бага хурдтайгаар инерцийн бус жишиг системд тайван хөдөлдөг бөгөөд ерөнхийдөө эргэн тойрон дахь бүх зүйл тайван, тодорхой байдаг. Хэрэв та координатын систем дэх биеийн байрлалыг мэдэхийг хүсч байвал импульсийг хэмжихийг хүсвэл ямар ч асуудал гарахгүй.

Квант механик нь асуудалд огт өөр хандлагатай байдаг. Үүнд физик хэмжигдэхүүний хэмжилтийн үр дүн нь магадлалын шинж чанартай байдаг. Энэ нь тодорхой утга өөрчлөгдөхөд хэд хэдэн үр дүн гарах боломжтой бөгөөд тус бүр нь тодорхой магадлалтай гэсэн үг юм. Нэг жишээ хэлье: зоос ширээн дээр эргэлдэж байна. Энэ нь эргэлдэж байх үедээ ямар нэгэн тодорхой төлөвт (толгой-сүүлт) байдаггүй, гэхдээ зөвхөн эдгээр мужуудын аль нэгэнд нь дуусах магадлалтай.

Энд бид аажмаар ойртож байна Шредингерийн тэгшитгэлТэгээд Гейзенбергийн тодорхойгүй байдлын зарчим.

Домогт өгүүлснээр, Эрвин Шредингер 1926 онд шинжлэх ухааны семинарт долгион-бөөмсийн хоёрдмол байдлын сэдвээр үг хэлэхдээ нэгэн ахмад эрдэмтэн шүүмжилжээ. Энэ үйл явдлын дараа Шредингер ахмадуудаа сонсохоос татгалзаж, квант механикийн хүрээнд бөөмсийг дүрслэх долгионы тэгшитгэлийг идэвхтэй боловсруулж эхлэв. Тэгээд тэр үүнийг гайхалтай хийсэн! Шредингерийн тэгшитгэл (квант механикийн үндсэн тэгшитгэл) нь:

Энэ төрлийн тэгшитгэл, нэг хэмжээст хөдөлгөөнгүй Шредингерийн тэгшитгэл нь хамгийн энгийн нь юм.

Энд x нь бөөмийн зай буюу координат, m нь бөөмийн масс, E ба U нь тус тусын нийт ба боломжит энерги юм. Энэ тэгшитгэлийн шийдэл нь долгионы функц (psi) юм.

Долгионы функц нь квант механикийн өөр нэг үндсэн ойлголт юм. Тиймээс ямар нэгэн төлөвт байгаа аливаа квант систем нь энэ төлөвийг дүрсэлсэн долгионы функцтэй байдаг.

Жишээ нь, Шредингерийн нэг хэмжээст хөдөлгөөнгүй тэгшитгэлийг шийдвэрлэх үед долгионы функц нь бөөмийн орон зай дахь байрлалыг тодорхойлдог. Илүү нарийвчлалтайгаар сансар огторгуйн тодорхой цэгээс бөөмс олох магадлал.Өөрөөр хэлбэл, Шредингер магадлалыг долгионы тэгшитгэлээр дүрсэлж болохыг харуулсан! Зөвшөөрч байна, бид үүнийг өмнө нь бодох ёстой байсан!

Гэхдээ яагаад? Бөөмс хүртэлх зай эсвэл түүний хурдыг авч, хэмжихээс илүү энгийн зүйл байхгүй юм шиг санагдаж байхад бид яагаад эдгээр үл ойлгогдох магадлал, долгионы функцуудтай тулгарах ёстой гэж.

Энэ бол маш энгийн! Үнэн хэрэгтээ, макро сансар огторгуйд энэ нь үнэхээр байдаг - бид зайг соронзон хэмжүүрээр тодорхой нарийвчлалтайгаар хэмждэг бөгөөд хэмжилтийн алдаа нь төхөөрөмжийн шинж чанараар тодорхойлогддог. Нөгөөтэйгүүр, бид объект хүртэлх зай, жишээлбэл, ширээ хүртэлх зайг нүдээр бараг нарийн тодорхойлж чадна. Ямар ч тохиолдолд бид өрөөн доторх байр сууриа бидэнтэй болон бусад объектуудтай харьцуулахад нарийн ялгадаг. Бөөмийн ертөнцөд нөхцөл байдал үндсэндээ өөр байна - шаардлагатай хэмжигдэхүүнийг нарийн хэмжих хэмжих хэрэгсэл бидэнд ердөө л физикийн хувьд байдаггүй. Эцсийн эцэст хэмжих хэрэгсэл нь хэмжиж буй объекттой шууд харьцдаг бөгөөд бидний тохиолдолд объект болон багаж нь аль аль нь бөөмс юм. Чухамхүү энэхүү төгс бус байдал, бөөмс дээр ажиллаж буй бүх хүчин зүйлийг харгалзан үзэх үндсэн боломжгүй байдал, мөн хэмжилтийн нөлөөн дор системийн төлөв байдлыг өөрчлөх баримт нь Гейзенбергийн тодорхойгүй байдлын зарчмын үндэс суурь юм.

Түүний хамгийн энгийн жорыг өгье. Тодорхой бөөмс байгаа гэж төсөөлөөд үз дээ, бид түүний хурд, координатыг мэдэхийг хүсч байна.

Энэ хүрээнд Хэйзенбергийн тодорхойгүй байдлын зарчимд бөөмийн байрлал, хурдыг нэгэн зэрэг нарийн хэмжих боломжгүй гэж заасан байдаг. . Математикийн хувьд үүнийг дараах байдлаар бичдэг.

Энд дельта х нь координатыг тодорхойлох алдаа, дельта v нь хурдыг тодорхойлох алдаа юм. Энэ зарчим нь бид координатыг илүү нарийвчлалтай тодорхойлох тусам хурдыг бага нарийвчлалтай мэдэх болно гэдгийг онцлон тэмдэглэе. Хэрэв бид хурдыг тодорхойлох юм бол бөөмс хаана байгаа талаар өчүүхэн ч ойлголтгүй болно.

Тодорхойгүй байдлын зарчмын сэдвээр олон хошигнол, анекдот байдаг. Тэдний нэг нь энд байна:

Цагдаа квант физикчийг зогсоов.
- Эрхэм та хэр хурдан хөдөлж байгаагаа мэдэх үү?
-Үгүй, гэхдээ би хаана байгаагаа сайн мэднэ.

Мэдээжийн хэрэг бид танд сануулж байна! Хэрэв ямар нэг шалтгааны улмаас боломжит худаг дахь бөөмийн Шредингерийн тэгшитгэлийг шийдэх нь таныг сэрүүн байлгадаг бол амаараа квант механикаар хүмүүжсэн мэргэжлийн хүмүүст хандаарай!

Атомын цөмийн физик дэх төлөөлөл

Квант механикийн үүсэл.

Квант механик бол хөдөлгөөнийг микро түвшинд судалдаг физикийн онол юм.

19-р зууны төгсгөлд ч гэсэн ихэнх эрдэмтэд дэлхийн физик дүр төрх үндсэндээ баригдсан бөгөөд ирээдүйд хөдлөшгүй хэвээр байх болно гэсэн байр суурьтай байсан. Зөвхөн нарийн ширийн зүйлийг тодруулах шаардлагатай байна. Гэвч 20-р зууны хэдэн арван жилд анх удаа бие махбодийн үзэл бодол эрс өөрчлөгдсөн. Энэ нь 19-р зууны сүүлийн жил, 20-р зууны эхний арван жилийг хамарсан түүхэн туйлын богино хугацаанд хийсэн шинжлэх ухааны нээлтүүдийн "каскад"-ын үр дагавар байв.

1896 онд Францын физикч Антуан Анри Беккерел (1852-1908) ураны давс аяндаа ялгарах үзэгдлийг нээжээ.

Түүний судалгаанд Францын физикчид, эхнэр Пьер Кюри (1859-1906), Мари Склодовска-Кюри (1867-1934) нар багтжээ. 1898 онд "Беккерел туяа" - полони, радий ялгаруулах шинж чанартай шинэ элементүүд нээгдэв. Кюри нар энэ шинж чанарыг цацраг идэвхит гэж нэрлэдэг.

Мөн жилийн өмнө, 1897 онд Кембрижийн Кавендишийн лабораторид хийн (катодын туяа) дахь цахилгаан цэнэгийг судалж байхдаа Английн физикч Жозеф Жон Томсон (1856-1940) анхны энгийн бөөмс болох электроныг нээсэн.

1911 онд Английн нэрт физикч Эрнест Рутерфорд (1871-1937) атомын өөрийн гэсэн загварыг санал болгосон бөгөөд үүнийг гариг ​​гэж нэрлэдэг.

Н.Бор Резерфордын загварыг мэдэж түүнийг анхны загвар гэж хүлээн зөвшөөрч 1913 онд атомын бүтцийн квант онолыг боловсруулсан.

Квант механикийн зарчмууд

Гейзенбергийн тодорхойгүй байдлын зарчим: "Квантын бөөмийн координат болон хурдыг нэгэн зэрэг нарийн тодорхойлох боломжгүй"

Хорьдугаар зууны эхний улиралд физикчид атомын болон субатомын түвшинд материйн зан төлөвийг судалж эхлэхэд яг ийм хариу үйлдэл үзүүлсэн юм.

Хэйзенбергийн зарчим нь бичил ертөнц бидний мэддэг материаллаг ертөнцөөс хэрхэн, яагаад ялгаатай байдгийг маш тодорхой тайлбарласнаараа квант механикт гол үүрэг гүйцэтгэдэг.

Жишээлбэл, ном олохын тулд та өрөөнд орохдоо түүн дээр зогсох хүртэл эргэн тойрноо хардаг. Физикийн хэлээр энэ нь та харааны хэмжилт хийж (та номыг хайж олоод) үр дүнд хүрсэн гэсэн үг юм - та түүний орон зайн координатыг тэмдэглэсэн (та өрөөнд байгаа номын байршлыг тодорхойлсон).

1920-иод оны эхээр квант механикийг бий болгоход хүргэсэн бүтээлч сэтгэлгээний тэсрэлтийн үеэр Германы залуу онолын физикч Вернер Гейзенберг энэ асуудлыг анх олж мэдсэн. Тэр томъёолсон тодорхойгүй байдлын зарчим, одоо түүний нэрээр нэрлэгдсэн:

"Орон зайн координатын тодорхойгүй байдал" гэсэн нэр томъёо нь бид бөөмийн яг байршлыг мэдэхгүй гэсэн үг юм. Жишээлбэл, хэрэв та дэлхийн GPS системийг ашиглан номын байршлыг тодорхойлоход систем нь тэдгээрийг 2-3 метрийн нарийвчлалтайгаар тооцоолох болно. Эндээс бид бичил ертөнц болон бидний өдөр тутмын физик ертөнцийн хоорондох хамгийн үндсэн ялгааг олж харлаа. Энгийн ертөнцөд сансар дахь биеийн байрлал, хурдыг хэмжих нь Бид үүнд бараг ямар ч нөлөө үзүүлэхгүй.Хамгийн тохиромжтой нь бид чадна нэгэн зэрэгобъектын хурд, координатыг хоёуланг нь маш нарийвчлалтай хэмжих (өөрөөр хэлбэл тодорхойгүй байдал). Бид электроны орон зайн байрлалыг засах хэрэгтэй гэж бодъё. Бидэнд хэмжих хэрэгсэл хэрэгтэй хэвээр байна электронтой харьцах болномөн детекторуудад түүний байршлын талаарх мэдээлэл бүхий дохиог буцаана.

Хэрэв бид хэмжсэн хэмжигдэхүүний аль нэгийг 0 алдаатай (туйлын үнэн зөв) тодорхойлж чадвал нөгөө хэмжигдэхүүний тодорхойгүй байдал нь хязгааргүйтэй тэнцүү байх бөгөөд бид энэ талаар юу ч мэдэхгүй болно. Өөрөөр хэлбэл, хэрэв бид квант бөөмийн координатыг туйлын үнэн зөв тогтоож чадсан бол түүний хурдны талаар өчүүхэн ч ойлголтгүй байх байсан; Хэрэв бид бөөмийн хурдыг үнэн зөв бүртгэж чадвал түүний хаана байгааг мэдэхгүй байх байсан.

Тодорхойгүй байдлын зарчим нь эдгээр хэмжигдэхүүн бүрийг хүссэн нарийвчлалтайгаар хэмжихэд саад болохгүй. Тэр зөвхөн бид гэж мэдэгддэг чадахгүйхоёуланг нь нэгэн зэрэг найдвартай мэддэг.

Хэйзенбергийн харилцааны гол түлхүүр нь хэмжиж буй бөөмс ба түүний үр дүнд нөлөөлдөг хэмжих хэрэгслийн хоорондын харилцан үйлчлэл юм.

Н.Борын харилцан нөхөх зарчим: “ Бичил ертөнцийн объектуудыг бөөмс, долгион гэж хоёуланг нь дүрсэлсэн байдаг бөгөөд нэг тайлбар нь нөгөөг нь нөхдөг."

Өдөр тутмын амьдралд энергийг орон зайд шилжүүлэх хоёр арга байдаг - бөөмс эсвэл долгионоор дамжуулан. Далимоны ирмэг дээр тэнцвэржсэн ширээг тогшихын тулд та түүнд шаардлагатай энергийг хоёр аргаар өгч болно. Эхлээд та өөр домино шидэж болно (өөрөөр хэлбэл бөөмс ашиглан цэгийн импульс шилжүүлэх). Хоёрдугаарт, та ширээний ирмэг дээр байгаа даалууны эгнээ барьж, эхнийхийг нь хоёр дахь дээр нь буулгаж болно: энэ тохиолдолд импульс гинжин хэлхээний дагуу дамжих болно - хоёр дахь даалуу нурах болно. гурав дахь нь, гурав дахь нь дөрөв дэхийг нь унагана гэх мэт. Энэ бол энерги дамжуулах долгионы зарчим юм. Өдөр тутмын амьдралд энерги дамжуулах хоёр механизмын хооронд харагдахуйц зөрчилдөөн байдаггүй. Тэгэхээр сагсан бөмбөг бол бөөмс, дуу чимээ бол долгион, бүх зүйл тодорхой.

Гэсэн хэдий ч квант механикийн хувьд бүх зүйл тийм ч хялбар биш юм. Квантын объектуудтай хийсэн хамгийн энгийн туршилтуудаас ч гэсэн бичил ертөнцөд бидний сайн мэддэг макро ертөнцийн зарчим, хууль үйлчилдэггүй нь тун удалгүй тодорхой болно. Бидний долгион гэж төсөөлж дассан гэрэл заримдаа бөөмсийн урсгалаас тогтсон мэт аашилдаг ( фотонууд), электрон эсвэл бүр их хэмжээний протон зэрэг энгийн бөөмс нь ихэвчлэн долгионы шинж чанарыг харуулдаг. Хэрэв та электронуудыг нэг нэгээр нь "буудвал" тус бүр нь дэлгэцэн дээр тодорхой тэмдэг үлдээх болно, өөрөөр хэлбэл бөөмс шиг аашилна. Хамгийн сонирхолтой нь хэрэв та электрон цацрагийн оронд фотон туяа авбал ижил зүйл тохиолдох болно: цацрагт тэд долгион шиг, тус тусдаа бөөмс шиг ажиллах болно.

Өөрөөр хэлбэл бичил ертөнцөд бөөмс шиг ажилладаг биетүүд нэгэн зэрэг долгионы шинж чанараа “санаж” байгаа мэт, мөн эсрэгээрээ. Бичил ертөнцийн объектуудын энэхүү хачирхалтай шинж чанарыг нэрлэдэг квант долгионы хоёрдмол байдал.

Нэмэлт байх зарчим нь энэ баримтын энгийн мэдэгдэл юм. Энэ зарчмын дагуу хэрэв бид квант объектын шинж чанарыг бөөмс хэлбэрээр хэмжих юм бол энэ нь бөөмс шиг ажиллаж байгааг хардаг. Хэрэв бид түүний долгионы шинж чанарыг хэмжих юм бол бидний хувьд долгион шиг ажилладаг. Энэ хоёр санаа нь хоорондоо огт зөрчилддөггүй - яг таг нэмэлтзарчмын нэрээр тусгагдсан бие биенээ.

Атомын бүтэц.

Рутерфорд атомын цөмийг нээсний үр дүнд атомын бүтцийн гаригийн загварыг санал болгосон.
1. Атомын төвд атомын доторх орон зайн өчүүхэн хэсгийг эзэлдэг эерэг цэнэгтэй цөм байдаг.
2. Атомын бүхэл бүтэн эерэг цэнэг ба бараг бүхэлдээ масс нь түүний цөмд (электроны масс 1/1823 аму) төвлөрдөг.
3.Цөмийг тойрон электронууд хаалттай тойрог замд эргэлддэг. Тэдний тоо нь цөмийн цэнэгтэй тэнцүү байна.
Атомын цөм

Атомын цөм нь протон ба нейтроноос (ерөнхийдөө нуклон гэж нэрлэдэг) бүрдэнэ. Энэ нь гурван параметрээр тодорхойлогддог: А нь массын тоо, Z нь цөмийн цэнэг, протоны тоотой тэнцүү, N нь цөм дэх нейтроны тоо юм. Эдгээр параметрүүд нь харилцан хамаарлаар холбогддог:
A = Z + N.
Цөм дэх протоны тоо нь тухайн элементийн атомын тоотой тэнцүү байна.
Цөмийн цэнэгийг элементийн тэмдгийн зүүн доод талд, харин массын дугаарыг зүүн дээд талд бичдэг (цөмийн цэнэгийг ихэвчлэн орхигдуулдаг).
Жишээ 40 18 Ar: Энэ атомын цөм нь 18 протон, 22 нейтрон агуулдаг.
Цөм нь ижил тооны протон, өөр өөр тооны нейтрон агуулсан атомуудыг изотоп гэж нэрлэдэг, жишээлбэл: 12/6С ба 13/6С. Устөрөгчийн изотопууд нь тусгай тэмдэг, нэртэй байдаг: 1 H - протиум, 2 D - дейтерий, 3 Т - тритий. Изотопуудын химийн шинж чанарууд нь ижил боловч зарим физик шинж чанарууд нь маш бага ялгаатай байдаг.

Цацраг идэвхжил

Цацраг идэвхжил- энэ бол тогтворгүй байдлын аяндаа, аяндаа хувирах явдал юм атомын цөмбусад элементүүдийн цөмд бөөмс ялгарах дагалддаг. Холбогдох элементүүдийг цацраг идэвхт эсвэл радионуклеид гэж нэрлэдэг.

1899 онд Э.Рутерфорд туршилтын үр дүнд цацраг идэвхт цацраг нь нэг төрлийн бус бөгөөд хүчтэй соронзон орны нөлөөгөөр a, b туяа гэсэн хоёр бүрэлдэхүүн хэсэг болж задардаг болохыг олж мэдсэн. Гурав дахь бүрэлдэхүүн хэсэг болох g-туяаг 1900 онд Францын физикч П.Вильярд нээжээ.

Гамма туяа нь бодисын атомыг ионжуулахад хүргэдэг. Гамма цацраг бодисоор дамжин өнгөрөх үндсэн процессууд:

Фотоэлектрик эффект - гамма цацрагийн энергийг атомын бүрхүүлд электрон шингээж, электрон нь ажлын функцийг гүйцэтгэж атомыг орхиж (ионжсон, өөрөөр хэлбэл ион болж хувирдаг).

Дамжуулагч материалын гадаргуугаас электронууд гэрлээр тогших нь өнөөгийн өдөр тутмын амьдралд өргөн хэрэглэгддэг үзэгдэл юм. Жишээлбэл, зарим дохиоллын систем нь харагдахуйц эсвэл хэт улаан туяаны гэрлийн цацрагийг дамжуулах замаар ажилладаг фотоволтайк эс, үүнээс электронууд нь тасарч, түүний багтсан хэлхээний цахилгаан дамжуулах чанарыг хангадаг. Хэрэв гэрлийн цацрагийн замд саад тотгор гарч ирвэл гэрэл мэдрэгч рүү ирэхээ больж, электронуудын урсгал зогсч, хэлхээ эвдэрч, цахим дохиолол үүснэ.

Тун, үргэлжлэх хугацаанаас хамааран γ-туяагаар цацраг туяа нь архаг болон цочмог цацрагийн өвчин үүсгэдэг. Цацрагийн нөлөөнд янз бүрийн төрлийн хорт хавдар орно. Үүний зэрэгцээ гамма цацраг нь хорт хавдар болон бусад хурдан хуваагддаг эсийн өсөлтийг дарангуйлдаг. Гамма цацраг нь мутаген хүчин зүйл юм.

Гамма цацрагийн хэрэглээ:

Гамма согогийг илрүүлэх, бүтээгдэхүүнийг γ-туяагаар дамжуулж шалгах.

Хүнсний хадгалалт.

Эмнэлгийн материал, тоног төхөөрөмжийг ариутгах.

Цацрагийн эмчилгээ.

Түвшин хэмжигч

Гамма өндөр хэмжигч, сансрын хөлгийг газардах үед гадаргуу хүртэлх зайг хэмждэг.

Хадгалах хугацааг нэмэгдүүлэхийн тулд халуун ногоо, үр тариа, загас, мах болон бусад бүтээгдэхүүнийг гамма ариутгах.

Цацраг идэвхт бодисын төрлүүд

Атомын цөмийн хуваагдал нь аяндаа (аяндаа) ба албадан (бусад бөөмс, ялангуяа нейтронтой харилцан үйлчлэлийн үр дүнд) байж болно. Хүнд цөмийн хуваагдал нь экзотермик процесс бөгөөд үүний үр дүнд урвалын бүтээгдэхүүн, түүнчлэн цацрагийн кинетик энерги хэлбэрээр их хэмжээний энерги ялгардаг. Цөмийн хуваагдал нь цөмийн реактор болон цөмийн зэвсгийн эрчим хүчний эх үүсвэр болдог. 82-оос дээш серийн дугаартай CC-ийн бүх химийн элементүүд нь цацраг идэвхт (өөрөөр хэлбэл висмутаас эхлээд), зарим хөнгөн элементүүд (прометий, технеций нь тогтвортой изотопгүй, зарим элементүүд, тухайлбал индий, кали эсвэл кальци, зөвхөн байгалийн изотопууд нь тогтвортой, бусад нь цацраг идэвхт байдаг).

1913 оны хавар Содди дараах дүрмийг боловсруулжээ.

α-бөөмийн ялгаралт нь атомын массыг 4-ээр багасгаж, PS-ийн дагуу зүүн тийш 2 байр шилжүүлдэг.

β-бөөмийн ялгаруулалт нь элементийг бараг массыг нь өөрчлөхгүйгээр баруун тийш 1 байраар шилжүүлдэг.

"Квант" гэдэг үг нь Латин хэлнээс гаралтай квант(“хэр их, хэр их”) болон англи хэл квант(“тоо хэмжээ, хэсэг, квант”). "Механик" гэдэг нь материйн хөдөлгөөний шинжлэх ухааныг эрт дээр үеэс нэрлэж ирсэн. Иймээс "квант механик" гэсэн нэр томъёо нь материйн хэсэг хэсгээрээ хөдөлгөөний шинжлэх ухаан (эсвэл орчин үеийн шинжлэх ухааны хэлээр хөдөлгөөний шинжлэх ухаан) гэсэн үг юм. квантчилсанасуудал). "Квант" гэсэн нэр томъёог Германы физикч Макс Планк ( см.Планкийн тогтмол) гэрлийн атомуудын харилцан үйлчлэлийг тодорхойлох.

Квант механик нь бидний нийтлэг ойлголттой ихэвчлэн зөрчилддөг. Мөн эрүүл ухаан нь өдөр тутмын туршлагаас олж авсан зүйлсийг бидэнд хэлдэг учраас бид өдөр тутмын туршлагадаа зөвхөн макро ертөнцийн томоохон объект, үзэгдлүүдтэй харьцах ёстой бөгөөд атомын болон атомын түвшинд материаллаг хэсгүүд огт өөр байдлаар ажилладаг. Гейзенбергийн тодорхойгүй байдлын зарчим нь эдгээр ялгааны утгыг нарийн тодорхойлсон байдаг. Макро ертөнцөд бид аливаа объектын байршлыг (орон зайн координат) найдвартай, хоёрдмол утгагүй тодорхойлж чадна (жишээлбэл, энэ ном). Бид захирагч, радар, дууны аппарат, фотометр эсвэл бусад хэмжилтийн аргыг ашиглах нь хамаагүй, хэмжилтийн үр дүн нь номын байрлалаас үл хамааран объектив байх болно (мэдээжийн хэрэг, хэмжилт хийх явцад болгоомжтой байх тохиолдолд). Өөрөөр хэлбэл, зарим тодорхойгүй байдал, алдаатай байх боломжтой - гэхдээ зөвхөн хэмжих хэрэгслийн хязгаарлагдмал боломж, ажиглалтын алдаа зэргээс шалтгаална. Илүү нарийвчлалтай, найдвартай үр дүнд хүрэхийн тулд бид илүү нарийвчлалтай хэмжих төхөөрөмжийг авч, алдаагүй ашиглахыг хичээх хэрэгтэй.

Хэрэв номын координатын оронд бичил бөөмийн, жишээлбэл электроны координатыг хэмжих шаардлагатай бол хэмжих хэрэгсэл ба хэмжилтийн объектын хоорондын харилцан үйлчлэлийг үл тоомсорлож болохгүй. Захирагч эсвэл бусад хэмжих хэрэгслийн номонд үзүүлэх нөлөө нь өчүүхэн бага бөгөөд хэмжилтийн үр дүнд нөлөөлдөггүй боловч электроны орон зайн координатыг хэмжихийн тулд бид фотон, өөр электрон эсвэл өөр элементийн бөөмийг хөөргөх хэрэгтэй. түүний чиглэлд хэмжсэн электронтой харьцуулах энерги ба түүний хазайлтыг хэмжинэ. Гэхдээ үүнтэй зэрэгцэн хэмжилтийн объект болох электрон өөрөө энэ бөөмстэй харилцан үйлчлэлийн үр дүнд орон зай дахь байрлалаа өөрчлөх болно. Тиймээс хэмжилтийн үйлдэл нь хэмжсэн объектын байрлалыг өөрчлөхөд хүргэдэг бөгөөд хэмжилтийн алдаа нь ашигласан хэмжих хэрэгслийн нарийвчлалын зэргээс биш харин хэмжилтийн бодит баримтаар тодорхойлогддог. Энэ бол бид бичил сансар огторгуйд тэвчихээс өөр аргагүй нөхцөл байдал юм. Хэмжилтийг харилцан үйлчлэлгүйгээр хийх боломжгүй бөгөөд хэмжсэн объектод нөлөөлөхгүйгээр, үр дүнд нь хэмжилтийн үр дүнг гажуудуулахгүйгээр харилцан үйлчлэл хийх боломжгүй юм.

Энэ харилцан үйлчлэлийн үр дүнгийн талаар зөвхөн нэг зүйлийг хэлж болно:

орон зайн координатын тодорхойгүй байдал × бөөмийн хурдны тодорхойгүй байдал > h/м,

эсвэл математикийн хувьд:

Δ x × Δ v > h/м

хаана Δ xболон Δ v—бөөмийн орон зайн байрлал ба хурдны тодорхойгүй байдал, h -Планкийн тогтмол ба м-бөөмийн масс.

Үүний дагуу зөвхөн электрон төдийгүй аливаа субатомын бөөмийн орон зайн координатыг тодорхойлоход тодорхойгүй байдал үүсдэг бөгөөд зөвхөн координат төдийгүй бөөмсийн хурд гэх мэт бусад шинж чанаруудыг тодорхойлдог. Бөөмийн харилцан хамааралтай шинж чанаруудын ийм хосын хэмжилтийн алдааг ижил төстэй аргаар тодорхойлно (өөр нэг хосын жишээ бол электроноос ялгарах энерги ба түүний ялгарах хугацаа юм). Өөрөөр хэлбэл, хэрэв бид жишээлбэл, электроны орон зайн байрлалыг өндөр нарийвчлалтайгаар хэмжиж чадсан бол бид яг тэр мөчидБид түүний хурдны талаар хамгийн тодорхойгүй төсөөлөлтэй байдаг ба эсрэгээр. Мэдээжийн хэрэг, бодит хэмжилтээр энэ хоёр туйлд хүрэхгүй бөгөөд нөхцөл байдал үргэлж дунд хэсэгт байдаг. Өөрөөр хэлбэл, хэрэв бид жишээлбэл, электроны байрлалыг 10-6 м-ийн нарийвчлалтайгаар хэмжиж чадсан бол түүний хурдыг хамгийн сайндаа 650 м/с нарийвчлалтайгаар нэгэн зэрэг хэмжиж чадна.

Тодорхой бус байдлын зарчмын улмаас квант бичил ертөнцийн объектуудын тодорхойлолт нь Ньютоны макро ертөнцийн объектуудын ердийн тодорхойлолтоос өөр шинж чанартай байдаг. Механик хөдөлгөөнийг, жишээлбэл, бильярдны ширээн дээрх бөмбөгийг дүрсэлж заншсан орон зайн координат, хурдны оронд квант механикт объектуудыг дүрсэлсэн байдаг. долгионы функц."Долгионы" орой нь хэмжилт хийх үед орон зайд бөөмс олох магадлалын хамгийн их хэмжээтэй тохирч байна. Ийм долгионы хөдөлгөөнийг Шредингерийн тэгшитгэлээр дүрсэлсэн бөгөөд энэ нь квант системийн төлөв цаг хугацааны явцад хэрхэн өөрчлөгддөгийг хэлж өгдөг.

Шредингерийн тэгшитгэлээр зурсан бичил ертөнц дэх квант үйл явдлын дүр зураг нь бөөмсийг далай-сансрын гадаргуугийн дагуу тархаж буй түрлэгийн долгионтой адилтгадаг. Цаг хугацаа өнгөрөхөд долгионы орой (сансар огторгуйд электрон гэх мэт бөөмсийг олох магадлалын оргилд харгалзах) долгионы функцийн дагуу орон зайд хөдөлдөг бөгөөд энэ нь энэхүү дифференциал тэгшитгэлийн шийдэл юм. Үүний дагуу бидний уламжлалт бөөмс гэж боддог зүйл нь квант түвшинд долгионы шинж чанартай хэд хэдэн шинж чанарыг харуулдаг.

Бичил ертөнцийн объектуудын долгион ба корпускуляр шинж чанарыг зохицуулах ( см.Де Бройлийн хамаарал) физикчид квант ертөнцийн объектуудыг бөөмс, долгион биш, харин завсрын зүйл, долгион ба корпускулын шинж чанарыг хоёуланг нь агуулсан гэж үзэхийг зөвшөөрсний дараа боломжтой болсон; Ньютоны механикт ийм объектын аналог байдаггүй. Хэдийгээр ийм шийдэлтэй байсан ч квант механикт олон тооны парадокс байсаар байна ( см.Беллийн теорем), бичил ертөнцөд болж буй үйл явцыг тайлбарлах илүү сайн загварыг хэн ч хараахан санал болгоогүй байна.