Kuantum mekaniğine göre. Kuantum mekaniği tahminlerinin olasılıksal doğası

KUANTUM MEKANİĞİ
Maddenin ve radyasyonun tüm temel biçimlerinin ve bunların etkileşimlerinin dinamik davranışının temel fiziksel teorisi. Kuantum mekaniği, atomların, atom çekirdeğinin, moleküllerin ve fiziksel cisimlerin yanı sıra bunların tamamını oluşturan temel parçacıklara ilişkin modern teorinin üzerine inşa edildiği teorik temeldir. Kuantum mekaniği, atomun nasıl çalıştığını anlamaya çalışan bilim adamları tarafından yaratıldı. Atomik süreçler fizikçiler ve özellikle kimyacılar tarafından uzun yıllardır incelenmektedir; Bu sayımızı sunarken teorinin ayrıntılarına girmeden konunun tarihsel gelişimini takip edeceğiz. Ayrıca bakınız ATOM.
Teorinin kökeni. 1911 yılında E. Rutherford ve N. Bohr atomun nükleer modelini önerdiğinde bu bir mucize gibiydi. Aslında 200 yılı aşkın süredir bilinen bir şeyden inşa edildi. Özünde, güneş sisteminin mikroskobik ölçekte yeniden üretilmiş bir Kopernik modeliydi: merkezde, etrafında elektronların döndüğü ve sayısı atomun kimyasal özelliklerini belirleyen, yakında çekirdek olarak adlandırılan ağır bir kütle var. . Ancak sadece bu da değil, bu görsel modelin arkasında, maddelerin, en azından en küçük ve en basit atomlardan oluşanların, bazı kimyasal ve fiziksel özelliklerinin hesaplanmasına başlamayı mümkün kılan bir teori vardı. Bohr-Rutherford teorisi burada hatırlamakta fayda olan bir takım hükümler içeriyordu, çünkü bunların hepsi modern teoride şu ya da bu şekilde korunmuştur. Birincisi, atomu bağlayan kuvvetlerin doğası meselesi önemlidir. 18. yüzyıldan itibaren elektrik yüklü cisimlerin birbirlerini aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı bir kuvvetle çektiği veya ittiği biliniyordu. Rutherford, radyoaktif dönüşümlerden kaynaklanan alfa parçacıklarını test cisimleri olarak kullanarak, aynı elektriksel etkileşim yasasının (Coulomb yasası), başlangıçta deneysel olarak oluşturulduğundan bir milyon milyon kat daha küçük ölçeklerde geçerli olduğunu gösterdi. İkinci olarak elektronların bu kuvvetlerin etkisi altında yörüngelerde nasıl hareket ettiği sorusunun yanıtlanması gerekiyordu. Burada da Rutherford'un deneyleri, Newton'un Principia Mathematica'sında (1687) formüle edilen hareket yasalarının bu yeni mikroskobik ölçeklerdeki parçacıkların hareketini tanımlamak için kullanılabileceğini gösteriyordu (ve Bohr bunu teorisinde kabul ediyordu). Üçüncüsü istikrar sorunu ortaya çıktı. Güneş sisteminde olduğu gibi Newton-Coulomb atomunda da yörüngelerin boyutları keyfidir ve yalnızca sistemin başlangıçta nasıl harekete geçirildiğine bağlıdır. Bununla birlikte, bir maddenin tüm atomları aynıdır ve dahası, eski fikirlerin bakış açısından tamamen açıklanamayacak şekilde kararlıdır. Bohr, atomik elektronların çekirdeğin etrafında yalnızca belirli enerji seviyelerine karşılık gelen belirli yörüngelerde hareket ettiği düşünülmesi gerektiğini ve daha yüksek enerjili bir yörüngeden bir yörüngeye hareket ederek ışık biçiminde bir kuantum enerji yaymaları gerektiğini öne sürdü. daha düşük bir enerjiyle. Bu tür "kuantizasyon koşulları" herhangi bir deneysel veri veya teoriden kaynaklanmamıştır; varsayımlar olarak kabul edildiler. Bu kavramsal öğelere dayanarak, o dönemde M. Planck ve A. Einstein'ın ışığın doğası üzerine Bohr, bir gaz deşarj tüpündeki hidrojen atomlarından gelen radyasyonun tüm spektrumunu niceliksel olarak açıklamayı ve periyodik elementler sisteminin tüm temel yasalarının niteliksel bir açıklamasını yapmayı başardı. 1920'ye gelindiğinde, daha ağır atomların emisyon spektrumu sorununu ele almanın ve bileşiklerdeki atomları bir arada tutan kimyasal kuvvetlerin yoğunluğunu hesaplamanın zamanı gelmişti. Ancak burada başarı yanılsaması kayboldu. Birkaç yıl boyunca Bohr ve diğer araştırmacılar, hidrojenin yanında iki elektrona sahip en basit atom olan helyumun spektrumunu hesaplamayı başaramadılar. İlk başta hiçbir şey işe yaramadı; Sonunda, birkaç araştırmacı bu sorunu çeşitli şekillerde çözdü, ancak cevabın yanlış olduğu ortaya çıktı; deneyle çelişiyordu. Daha sonra kabul edilebilir herhangi bir kimyasal etkileşim teorisi oluşturmanın genellikle imkansız olduğu ortaya çıktı. 1920'lerin başlarında Bohr'un teorisi kendi kendini tüketmişti. Bohr'un 1914'te bir arkadaşına yazdığı mektupta kendine has karmaşık üslubuyla yazdığı kehanet niteliğindeki şu sözün geçerliliğini anlamanın zamanı geldi: "Sorunun son derece büyük zorluklar içerdiğine ve bunların ancak sıradan düşüncelerden şimdiye kadar gerekli olandan çok daha ileri gidildiğini ve daha önce elde edilen başarının yalnızca dikkate alınan sistemlerin basitliğinden kaynaklandığını."
Ayrıca bakınız
BOR Niels Henrik David;
IŞIK ;
RUTHERFORD Ernest;
SPEKTROSKOPİ.
İlk adım. Bohr'un elektrik ve mekanik alanlarındaki önceden var olan fikirleri kuantizasyon koşullarıyla birleştirmesi yanlış sonuçlara yol açtığından, her şeyin tamamen veya kısmen değiştirilmesi gerekiyordu. Bohr teorisinin ana hükümleri yukarıda verilmişti ve ilgili hesaplamalar için sıradan cebir ve matematiksel analiz kullanılarak yapılan çok karmaşık hesaplamalar yeterli değildi. 1925'te genç Alman fizikçi W. Heisenberg, Bohr'u Kopenhag'da ziyaret etti ve burada onunla uzun saatler konuşarak Bohr'un teorisinden nelerin gelecek teorisine mutlaka dahil edilmesi gerektiğini ve prensip olarak nelerin terk edilebileceğini öğrendi. Bohr ve Heisenberg, gelecek teorisinin mutlaka doğrudan gözlemlenebilir olan her şeyi temsil etmesi gerektiği ve gözlemlenemeyen her şeyin değiştirilebileceği veya değerlendirme dışı bırakılabileceği konusunda hemen hemfikirdi. Heisenberg, en başından beri atomların korunması gerektiğine inanıyordu, ancak bir atomdaki bir elektronun yörüngesi soyut bir fikir olarak düşünülmelidir, çünkü hiçbir deney, elektronun yörüngesini, atomun yörüngeleri için yapılabilecek şekilde ölçümlerden belirleyemez. gezegenler. Okuyucu burada belli bir mantıksızlık olduğunu fark edebilir: Aslına bakılırsa atom, elektron yörüngeleri kadar doğrudan gözlemlenemez ve genel olarak bizi çevreleyen dünyaya ilişkin algımızda açıklama gerektirmeyen tek bir duyum yoktur. Günümüzde fizikçiler, ilk kez Einstein'ın Heisenberg'le yaptığı bir konuşmada dile getirdiği ünlü aforizmayı giderek daha fazla alıntılıyor: "Tam olarak neyi gözlemlediğimizi, teori bize söyler." Dolayısıyla, gözlemlenebilir ve gözlemlenemeyen nicelikler arasındaki ayrım tamamen pratik niteliktedir, ne katı mantıkta ne de psikolojide hiçbir gerekçesi yoktur ve bu ayrım, nasıl yapılırsa yapılsın, teorinin kendisinin bir parçası olarak değerlendirilmelidir. Bu nedenle, Heisenberg'in gözlemlenemeyen her şeyden arınmış bir teori ideali, belirli bir düşünce yönüdür, ancak hiçbir şekilde tutarlı bir bilimsel yaklaşım değildir. Bununla birlikte, ilk formüle edilmesinden sonra neredeyse yarım yüzyıl boyunca atom teorisine egemen oldu. Coulomb'un elektrik kuvvetleri yasası, Newton'un dinamik yasaları ve cebirin olağan kuralları gibi Bohr'un erken dönem modelinin kurucu unsurlarını zaten hatırlamıştık. Heisenberg, incelikli bir analizle, Newton dinamiği için uygun bir ifade bulup cebir kurallarını değiştirerek bilinen elektrik ve dinamik yasalarını korumanın mümkün olduğunu gösterdi. Özellikle Heisenberg, ne q konumu ne de bir elektronun momentumu p, örneğin bir arabanın konumu ve momentumu anlamında ölçülebilir büyüklükler olmadığından, eğer istersek onları şu şekilde koruyabileceğimizi öne sürdü: teoriyi yalnızca harflerle temsil edilen matematiksel semboller olarak kabul ederek, sayılarla değil. P ve q için cebirsel kuralları benimsedi; buna göre pq çarpımı qp çarpımı ile çakışmıyor. Heisenberg, q konumu ve p momentumunun ilişkiyi karşıladığını varsayarsak, atomik sistemlere ilişkin basit hesaplamaların kabul edilebilir sonuçlar verdiğini gösterdi.

Burada h, kuantum radyasyon teorisinden zaten bilinen ve Bohr'un teorisinde yer alan Planck sabitidir, a. Planck sabiti h yaygın bir sayıdır ancak çok küçüktür, yaklaşık 6,6×10-34 J*s. Dolayısıyla, eğer p ve q sıradan ölçekte niceliklerse, o zaman pq ve qp çarpımları arasındaki fark, bu çarpımların kendisiyle karşılaştırıldığında son derece küçük olacaktır, böylece p ve q sıradan sayılar olarak kabul edilebilir. Mikroskobik dünyanın olaylarını tanımlamak için oluşturulan Heisenberg'in teorisi, makroskobik nesnelere uygulandığında Newton mekaniğiyle neredeyse tamamen tutarlıdır. Zaten Heisenberg'in ilk çalışmalarında, yeni teorinin fiziksel içeriğinin belirsizliğine rağmen, kuantum fenomeninin (örneğin, ışığın bir atom tarafından yayılması) karakteristiği olan ayrı enerji durumlarının varlığını öngördüğü gösterilmiştir. Daha sonra M. Born ve P. Jordan ile birlikte Göttingen'de gerçekleştirilen çalışmada Heisenberg, teorinin resmi matematiksel aygıtını geliştirdi. Ancak pratik hesaplamalar son derece zordu. Birkaç hafta süren sıkı çalışmanın ardından W. Pauli, hidrojen atomunun enerji seviyeleri için Bohr'un formülüyle örtüşen bir formül elde etti. Ancak hesaplamalar basitleştirilmeden önce yeni ve tamamen beklenmedik fikirler ortaya çıktı. Ayrıca bakınız
CEBİR ÖZETİ;
BAR SABİTTİR.
Parçacıklar ve dalgalar. 1920'ye gelindiğinde fizikçiler zaten ışığın ikili doğasına oldukça aşinaydı: Işıkla yapılan bazı deneylerin sonuçları, ışığın dalga olduğu, bazılarında ise parçacık akışı gibi davrandığı varsayılarak açıklanabiliyordu. Hiçbir şeyin aynı anda hem dalga hem de parçacık olamayacağı açıkça görüldüğünden, durumun belirsiz kalması uzmanlar arasında hararetli tartışmalara neden oldu. Fransız fizikçi L. de Broglie, 1923 yılında yayımladığı notlarında bu tür paradoksal davranışların yalnızca ışığa özgü olmayabileceğini, ancak maddenin bazı durumlarda parçacık, bazı durumlarda ise dalga gibi davranabileceğini öne sürmüştü. Görelilik teorisine dayanarak de Broglie, bir parçacığın momentumu p'ye eşitse bu parçacıkla "ilişkili" dalganın dalga boyunun l = h/p olması gerektiğini gösterdi. Bu ilişki, bir ışık kuantumu E'nin enerjisi ile karşılık gelen dalganın frekansı n arasında ilk olarak Planck ve Einstein tarafından elde edilen E = hn ilişkisine benzer. De Broglie ayrıca bu hipotezin, ışığın dalga doğasını gösteren deneylere benzer deneylerle kolaylıkla test edilebileceğini gösterdi ve bu tür deneylerin yapılması konusunda ısrarla çağrıda bulundu. De Broglie'nin notları Einstein'ın dikkatini çekti ve 1927'de Amerika Birleşik Devletleri'ndeki K. Davisson ve L. Germer ile İngiltere'deki J. Thomson, yalnızca de Broglie'nin elektronlara ilişkin temel fikrini değil, aynı zamanda dalga boyu formülünü de doğruladılar. 1926'da, o zamanlar Zürih'te çalışan Avusturyalı fizikçi E. Schrödinger, de Broglie'nin çalışmasını ve bunu doğrulayan deneylerin ilk sonuçlarını duydu, onun için sağlam bir matematiksel gerekçe olan yeni bir teori sunduğu dört makale yayınladı. bu fikirler. Bu durumun optik tarihinde de benzeri vardır. Işığın belirli uzunlukta bir dalga olduğuna inanmak, ışığın davranışını ayrıntılı olarak tanımlamak için yeterli değildir. Işığın madde ile etkileşimi süreçlerini ve ışığın elektromanyetik alan biçiminde uzayda yayılmasını ayrıntılı olarak tanımlayan J. Maxwell tarafından türetilen diferansiyel denklemleri yazmak ve çözmek de gereklidir. Schrödinger, de Broglie'nin madde dalgaları için Maxwell'in ışık denklemlerine benzer bir diferansiyel denklem yazdı. Bir parçacık için Schrödinger denklemi şu şekildedir:

m parçacığın kütlesi, E toplam enerjisi, V(x) potansiyel enerjisi ve y elektron dalgasını tanımlayan miktardır. Bir dizi makalede Schrödinger, denkleminin hidrojen atomunun enerji seviyelerini hesaplamak için nasıl kullanılabileceğini gösterdi. Ayrıca, tam olarak çözülemeyen yaklaşık problemleri çözmenin basit ve etkili yollarının olduğunu ve madde dalgaları teorisinin matematiksel olarak Heisenberg'in cebirsel gözlemlenebilirler teorisine eşdeğer olduğunu ve her durumda aynı sonuçlara yol açtığını tespit etti. Cambridge Üniversitesi'nden P. Dirac, Heisenberg ve Schrödinger'in teorilerinin birçok olası teori biçiminden yalnızca ikisini temsil ettiğini gösterdi. İlişkinin (1) önemli bir rol oynadığı Dirac dönüşümleri teorisi, kuantum mekaniğinin açık bir genel formülasyonunu sağladı ve diğer tüm formülasyonları özel durumlar olarak kapsadı. Dirac çok geçmeden kuantum mekaniğinin çok yüksek hızlar bölgesine nasıl genelleştirildiğini göstererek beklenmedik derecede büyük bir başarıya ulaştı; görelilik teorisinin gereklerini karşılayan bir biçim alır. Yavaş yavaş, her biri düşük hızlar durumunda Schrödinger denklemiyle yaklaşık olarak tahmin edilebilecek çeşitli göreli dalga denklemlerinin olduğu ve bu denklemlerin tamamen farklı türdeki parçacıkları tanımladığı açıklığa kavuştu. Örneğin parçacıklar farklı "dönüşlere" sahip olabilir; bu Dirac'ın teorisi tarafından sağlanmaktadır. Ayrıca rölativistik teoriye göre her parçacık, elektrik yükünün zıt işaretine sahip bir antiparçacığa karşılık gelmelidir. Dirac'ın çalışması yayınlandığı sırada yalnızca üç temel parçacık biliniyordu: foton, elektron ve proton. 1932 yılında elektronun antiparçacığı olan pozitron keşfedildi. Sonraki birkaç on yılda, çoğu Dirac denklemini veya onun genellemelerini karşılayan birçok başka antiparçacık keşfedildi. 1925-1928'de seçkin fizikçilerin çabalarıyla oluşturulan kuantum mekaniği, o günden bu yana temellerinde önemli bir değişiklik geçirmedi.
Ayrıca bakınız ANTİ-MADDE.
Uygulamalar. Maddenin küçük ölçeklerdeki özelliklerinin önemli olduğu fizik, biyoloji, kimya ve teknolojinin tüm dalları artık sistematik olarak kuantum mekaniğine yöneliyor. Birkaç örnek verelim. Atom çekirdeğinden en uzaktaki elektron yörüngelerinin yapısı kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Kuantum mekaniğinin yöntemleri moleküler yapı problemlerine uygulanarak kimyada bir devrime yol açtı. Moleküllerin yapısı atomların kimyasal bağları tarafından belirlenir ve günümüzde kuantum mekaniğinin bu alanda tutarlı bir şekilde uygulanmasından kaynaklanan karmaşık problemler bilgisayarların yardımıyla çözülmektedir. Katıların kristal yapısı teorisi ve özellikle kristallerin elektriksel özellikleri teorisi oldukça ilgi çekmiştir. Pratik sonuçlar etkileyici: Örnekler arasında lazerlerin ve transistörlerin icadının yanı sıra süperiletkenlik olgusunun açıklanmasında önemli ilerlemeler yer alıyor.
Ayrıca bakınız
KATI HAL FİZİĞİ;
LAZER;
TRANSİSTÖR;
SÜPERİLETKENLİK. Birçok sorun henüz çözülmedi. Bu atom çekirdeğinin yapısı ve parçacık fiziği ile ilgilidir. Atomların yapısının Newton dinamiğinin kapsamı dışında olması gibi, temel parçacık fiziğinin problemlerinin de kuantum mekaniğinin kapsamı dışında olup olmadığı zaman zaman tartışılmaktadır. Ancak kuantum mekaniğinin ilkelerinin veya alan dinamiği alanındaki genellemelerinin hiçbir yerde uygulanamaz olduğuna dair henüz bir belirti yok. Yarım yüzyıldan fazla bir süredir kuantum mekaniği benzersiz bir "açıklama gücüne" sahip bilimsel bir araç olarak kaldı ve matematiksel yapısında önemli değişiklikler gerektirmiyor. Bu nedenle, kuantum mekaniğinin fiziksel anlamı ve yorumu hakkında hala yoğun tartışmaların (aşağıya bakınız) olması şaşırtıcı görünebilir.
Ayrıca bakınız
ATOMİK YAPI;
ATOM ÇEKİRDEĞİNİN YAPISI;
MOLEKÜL YAPISI;
TEMEL PARÇACIKLAR.
Fiziksel anlamı hakkında soru. Deneylerde çok açık olan dalga-parçacık ikiliği, kuantum mekaniğinin matematiksel formalizminin fiziksel yorumlanmasında en zor sorunlardan birini yaratır. Örneğin uzayda serbestçe hareket eden bir parçacığı tanımlayan bir dalga fonksiyonunu düşünün. Bir parçacığın geleneksel fikri, diğer şeylerin yanı sıra, onun belirli bir momentumla belirli bir yörünge boyunca hareket ettiğini varsayar. Dalga fonksiyonuna de Broglie dalga boyu l = h/p atanır, ancak bu, uzayda sonsuz olan ve dolayısıyla parçacığın konumu hakkında bilgi taşımayan bir dalganın özelliğidir. Bir parçacığı uzayın belirli bir bölgesinde Dx uzunluğunda konumlandıran dalga fonksiyonu, karşılık gelen momentum setine sahip dalgaların üst üste binmesi (paket) şeklinde ve eğer istenen darbe aralığı Dp'ye eşitse oluşturulabilir. o zaman Dx ve Dp değerleri için DxDp і ilişkisinin h/4p ile karşılanması gerektiğini göstermek oldukça basittir. İlk kez 1927'de Heisenberg tarafından elde edilen bu ilişki, iyi bilinen belirsizlik ilkesini ifade eder: x ve p değişkenlerinden biri ne kadar doğru belirlenirse, teori birinin diğerini belirlemesine o kadar az doğruluk sağlar.

Collier'in Ansiklopedisi. - Açık Toplum. 2000 .

Kuantum mekaniğinin temel ilkeleri W. Heisenberg'in belirsizlik ilkesi ve N. Bohr'un tamamlayıcılık ilkesidir.

Belirsizlik ilkesine göre, bir parçacığın konumunu ve momentumunu aynı anda doğru bir şekilde belirlemek imkansızdır. Bir parçacığın konumu veya koordinatı ne kadar kesin olarak belirlenirse momentumu da o kadar belirsiz hale gelir. Tersine, dürtü ne kadar kesin olarak tanımlanırsa, konumu da o kadar belirsiz kalır.

Bu prensip, T. Jung'un girişim üzerine deneyi kullanılarak açıklanabilir. Bu deney, ışığın opak bir ekrandaki birbirine yakın iki küçük delikten oluşan bir sistemden geçtiğinde, doğrusal olarak yayılan parçacıklar gibi değil, etkileşimli dalgalar gibi davrandığını ve bunun sonucunda ekranın arkasında bulunan yüzeyde bir girişim deseninin ortaya çıktığını göstermektedir. alternatif açık ve koyu çizgiler şeklinde Bir seferde yalnızca bir delik açık bırakılırsa foton dağılımının girişim deseni ortadan kalkar.

Aşağıdaki düşünce deneyini kullanarak bu deneyin sonuçlarını analiz edebilirsiniz. Bir elektronun yerinin belirlenebilmesi için aydınlatılması, yani ona bir fotonun yönlendirilmesi gerekir. İki temel parçacığın çarpışması durumunda, elektronun koordinatlarını doğru bir şekilde hesaplayabileceğiz (çarpışma anında bulunduğu yer belirlenir). Ancak çarpışma sonucunda elektron kaçınılmaz olarak yörüngesini değiştirecektir, çünkü çarpışma sonucunda fotondan gelen momentum ona aktarılacaktır. Bu nedenle, elektronun koordinatını doğru bir şekilde belirlersek, aynı zamanda onun sonraki hareketinin yörüngesine ilişkin bilgiyi de kaybedeceğiz. Bir elektron ile bir foton arasındaki çarpışmaya ilişkin düşünce deneyi, Young'ın deneyindeki deliklerden birinin kapanmasına benzer: bir fotonla çarpışma, bir ekrandaki deliklerden birinin kapanmasına benzer: bu durumda Kapandığında girişim deseni yok olur veya (ki bu aynı şeydir) elektronun yörüngesi belirsiz hale gelir.

Belirsizlik ilkesinin anlamı. Belirsizlik ilişkisi, klasik Newton dinamiğinin ilke ve yasalarının mikro nesneleri içeren süreçleri tanımlamak için kullanılamayacağı anlamına gelir.

Temel olarak bu ilke, determinizmin reddedilmesi ve mikro nesnelerin yer aldığı süreçlerde rastgeleliğin temel rolünün tanınması anlamına gelir. Klasik tanımlamada, rastgelelik kavramı istatistiksel toplulukların elemanlarının davranışını tanımlamak için kullanılır ve yalnızca problemin çözümünü basitleştirmek adına açıklamanın bütünlüğünün kasıtlı olarak feda edilmesidir. Mikro dünyada, klasik tanımlama için geleneksel olan parametrelerinin değerlerini vererek nesnelerin davranışının doğru bir tahmini genellikle imkansızdır. Bununla ilgili hala canlı tartışmalar var: Klasik determinizmin taraftarları, kuantum mekaniği denklemlerini pratik hesaplamalar için kullanma olasılığını inkar etmeden, mikro davranışını yöneten yasalara ilişkin eksik anlayışımızın sonucunu hesaba kattıkları rastgeleliği görüyorlar. -bizim için hâlâ tahmin edilemeyen nesneler. A. Einstein bu yaklaşımın savunucusuydu. Klasik yaklaşımın görünüşte sarsılmaz konumlarını revize etmeye cesaret eden, modern doğa biliminin kurucusu olarak, doğa bilimlerinde determinizm ilkesinden vazgeçmenin mümkün olduğunu düşünmedi. A. Einstein ve destekçilerinin bu konudaki konumu, mikro davranışları hakkında karar vermek için her seferinde zar atan Tanrı'nın varlığına inanmanın çok zor olduğuna dair iyi bilinen ve çok mecazi bir ifadeyle formüle edilebilir. -nesneler. Ancak bugüne kadar mikro nesnelerin "rastgele" davranışını kontrol eden iç mekanizmaların varlığına işaret eden hiçbir deneysel gerçek keşfedilmemiştir.

Belirsizlik ilkesinin, ölçüm araçlarının tasarımındaki herhangi bir eksiklikle ilişkili olmadığı vurgulanmalıdır. Bir mikropartikülün konumunu ve momentumunu eşit derecede doğru bir şekilde ölçebilecek bir cihaz yaratmak temelde imkansızdır. Belirsizlik ilkesi doğanın dalga-parçacık ikiciliğiyle ortaya çıkar.

Belirsizlik ilkesinden, kuantum mekaniğinin, klasik doğa bilimlerinde öne sürülen, incelenen sistemin evrimini etkilemeyen nesnelerin ve onlarla birlikte meydana gelen süreçlerin ölçümlerinin ve gözlemlerinin yapılmasına ilişkin temel olasılığı reddettiği sonucu çıkar.

Belirsizlik ilkesi, daha genel olan tamamlayıcılık ilkesinin özel bir durumudur. Tamamlayıcılık ilkesinden şu sonuç çıkar: Herhangi bir deneyde fiziksel bir olgunun bir yanını gözlemleyebilirsek, aynı zamanda olayın ilk yanının ek bir yanını da gözlemleme fırsatından mahrum kalırız. Yalnızca birbirini dışlayan koşullar altında yürütülen farklı deneylerde ortaya çıkan ek özellikler, parçacığın konumu ve momentumu, maddenin dalga ve parçacık yapısı veya radyasyon olabilir.

Süperpozisyon ilkesi kuantum mekaniğinde önemlidir. Süperpozisyon ilkesi (yükleme ilkesi), ortaya çıkan etkinin, her bir etkileyen olgunun ayrı ayrı neden olduğu etkilerin toplamını temsil ettiği varsayımıdır. En basit örneklerden biri, bir cisme etki eden iki kuvvetin toplandığı paralelkenar kuralıdır. Mikro dünyada süperpozisyon ilkesi, belirsizlik ilkesiyle birlikte kuantum mekaniğinin matematiksel aygıtının temelini oluşturan temel bir ilkedir. Temel parçacıkların karşılıklı dönüşümünü varsayan göreli kuantum mekaniğinde, süperpozisyon ilkesinin süperseçim ilkesiyle desteklenmesi gerekir. Örneğin, bir elektronun ve bir pozitronun yok olması sırasında süperpozisyon ilkesi, elektrik yükünün korunumu ilkesiyle desteklenir; dönüşümden önce ve sonra parçacık yüklerinin toplamı sabit olmalıdır. Elektron ve pozitronun yükleri eşit ve karşılıklı zıt olduğundan, bu yok olma sürecinde doğan foton olan yüksüz bir parçacığın ortaya çıkması gerekir.

Aniden kuantum mekaniğinin temellerini ve varsayımlarını unuttuğunuzu fark ettiyseniz veya bunun ne tür bir mekaniği olduğunu bile bilmiyorsanız, o zaman bu bilgiyle ilgili hafızanızı tazelemenin zamanı gelmiştir. Sonuçta kuantum mekaniğinin hayatta ne zaman yararlı olabileceğini kimse bilmiyor.

Hayatınızda bu konuyla hiçbir zaman uğraşmak zorunda kalmayacağınızı düşünerek boş yere gülüyorsunuz ve alay ediyorsunuz. Sonuçta kuantum mekaniği neredeyse herkes için faydalı olabilir, hatta ondan sonsuz derecede uzakta olanlar bile. Örneğin uykusuzluğunuz var. Kuantum mekaniği için bu bir sorun değil! Yatmadan önce ders kitabını okuyun; üçüncü sayfada derin bir uykuya dalacaksınız. Veya havalı rock grubunuza böyle diyebilirsiniz. Neden?

Şaka bir yana, ciddi bir kuantum sohbeti başlatalım.

Nereden başlamalı? Elbette kuantumun ne olduğundan başlayarak.

Kuantum

Kuantum (Latince kuantumdan - “ne kadar”), bazı fiziksel miktarın bölünmez bir kısmıdır. Örneğin, bir kuantum ışık, bir kuantum enerji veya bir kuantum alan diyorlar.

Bu ne anlama geliyor? Bu, daha az olamayacağı anlamına gelir. Bir niceliğin nicelleştirildiğini söylediklerinde, bu niceliğin bir takım spesifik, ayrık değerler aldığını anlıyorlar. Böylece, bir atomdaki elektronun enerjisi nicelenir, ışık “bölümlere” yani kuantum olarak dağıtılır.

"Kuantum" teriminin kendisinin birçok kullanımı vardır. Işığın kuantumu (elektromanyetik alan) bir fotondur. Benzer şekilde, kuantumlar diğer etkileşim alanlarına karşılık gelen parçacıklar veya yarı parçacıklardır. Burada Higgs alanının bir kuantumu olan ünlü Higgs bozonunu hatırlayabiliriz. Ama henüz bu ormanlara gitmiyoruz.

Mekanik nasıl kuantum olabilir?

Zaten fark ettiğiniz gibi, konuşmamızda parçacıklardan birçok kez bahsetmiştik. Işığın hızla yayılan bir dalga olduğu gerçeğine alışmış olabilirsiniz. İle . Ancak her şeye kuantum dünyası, yani parçacıklar dünyası açısından bakarsanız, her şey tanınmayacak kadar değişir.

Kuantum mekaniği teorik fiziğin bir dalıdır ve fiziksel olayları en temel düzeyde, parçacık düzeyinde tanımlayan kuantum teorisinin bir bileşenidir.

Bu tür olayların etkisi büyüklük olarak Planck sabitiyle karşılaştırılabilir ve Newton'un klasik mekaniği ve elektrodinamiğinin bunları tanımlamak için tamamen uygun olmadığı ortaya çıktı. Örneğin klasik teoriye göre, bir çekirdeğin etrafında yüksek hızla dönen bir elektronun enerji yayması ve sonunda çekirdeğin üzerine düşmesi gerekir. Bu, bildiğimiz gibi gerçekleşmez. Kuantum mekaniğinin icat edilmesinin nedeni tam olarak budur - keşfedilen fenomenin bir şekilde açıklanması gerekiyordu ve bu, açıklamanın en kabul edilebilir olduğu teori olduğu ve tüm deneysel verilerin "birleştiği" teori olduğu ortaya çıktı.

Bu arada! Okuyucularımız için şimdi %10 indirim var.

Biraz tarih

Kuantum teorisinin doğuşu, 1900 yılında Max Planck'ın Alman Fizik Derneği'nin bir toplantısında yaptığı konuşmayla gerçekleşti. Planck o zaman ne dedi? Ve atomların radyasyonunun ayrık olması ve bu radyasyonun enerjisinin en küçük kısmının eşit olması

h Planck sabiti, nu ise frekanstır.

Daha sonra “ışık kuantumu” kavramını ortaya atan Albert Einstein, fotoelektrik etkiyi açıklamak için Planck'ın hipotezini kullandı. Niels Bohr, atomda sabit enerji seviyelerinin varlığını öne sürdü ve Louis de Broglie, dalga-parçacık ikiliği fikrini, yani bir parçacığın (parçacığın) aynı zamanda dalga özelliklerine sahip olduğu fikrini geliştirdi. Schrödinger ve Heisenberg de bu amaca katıldılar ve 1925'te kuantum mekaniğinin ilk formülasyonu yayınlandı. Aslında kuantum mekaniği tam bir teori olmaktan çok uzaktır; şu anda aktif olarak gelişmektedir. Şunu da kabul etmek gerekir ki, kuantum mekaniği varsayımlarıyla birlikte karşılaştığı tüm soruları açıklama yeteneğine sahip değildir. Yerini daha gelişmiş bir teorinin alması oldukça olasıdır.

Kuantum dünyasından aşina olduğumuz şeyler dünyasına geçiş sırasında kuantum mekaniğinin yasaları doğal olarak klasik mekaniğin yasalarına dönüşür. Eylem tanıdık ve tanıdık makro dünyamızda gerçekleştiğinde, klasik mekaniğin kuantum mekaniğinin özel bir durumu olduğunu söyleyebiliriz. Burada cisimler, eylemsiz olmayan referans çerçevelerinde, ışık hızından çok daha düşük bir hızda sakin bir şekilde hareket eder ve genel olarak etraftaki her şey sakin ve nettir. Bir cismin koordinat sistemindeki konumunu bilmek istiyorsanız sorun yok; eğer itmeyi ölçmek istiyorsanız, hoş geldiniz.

Kuantum mekaniğinin konuya tamamen farklı bir yaklaşımı var. İçinde, fiziksel büyüklüklerin ölçümlerinin sonuçları doğası gereği olasılıksaldır. Bu, belirli bir değer değiştiğinde, her birinin belirli bir olasılığa sahip olduğu birçok sonucun mümkün olduğu anlamına gelir. Bir örnek verelim: Masanın üzerinde bir madeni para dönüyor. Dönerken herhangi bir spesifik durumda (tura-yazı) bulunmaz, yalnızca bu durumlardan birinde bitme olasılığı vardır.

İşte yavaş yavaş yaklaşıyoruz Schrödinger denklemi Ve Heisenberg belirsizlik ilkesi.

Efsaneye göre, 1926'da dalga-parçacık ikiliği konulu bilimsel bir seminerde konuşan Erwin Schrödinger, kıdemli bir bilim adamı tarafından eleştirildi. Bu olaydan sonra büyüklerinin sözünü dinlemeyi reddeden Schrödinger, parçacıkları kuantum mekaniği çerçevesinde tanımlamak için dalga denklemini aktif olarak geliştirmeye başladı. Ve bunu zekice yaptı! Schrödinger denklemi (kuantum mekaniğinin temel denklemi):

Bu tür denklem, tek boyutlu durağan Schrödinger denklemi, en basitidir.

Burada x parçacığın mesafesi veya koordinatıdır, m parçacığın kütlesidir, E ve U sırasıyla toplam ve potansiyel enerjileridir. Bu denklemin çözümü dalga fonksiyonudur (psi)

Dalga fonksiyonu kuantum mekaniğindeki bir diğer temel kavramdır. Yani belirli bir durumda olan herhangi bir kuantum sistemi, bu durumu tanımlayan bir dalga fonksiyonuna sahiptir.

Örneğin, tek boyutlu durağan Schrödinger denklemini çözerken, dalga fonksiyonu parçacığın uzaydaki konumunu tanımlar. Daha doğrusu uzayın belirli bir noktasında bir parçacığın bulunma olasılığı. Başka bir deyişle Schrödinger, olasılığın bir dalga denklemiyle tanımlanabileceğini gösterdi! Katılıyorum, bunu daha önce düşünmeliydik!

Ama neden? Bir parçacığın uzaklığını veya hızını alıp ölçmekten daha basit bir şey yokken, neden bu anlaşılmaz olasılıklarla ve dalga fonksiyonlarıyla uğraşmak zorundayız?

Her şey çok basit! Aslında makrokozmosta durum böyledir; mesafeleri bir şerit metreyle belirli bir doğrulukla ölçeriz ve ölçüm hatası cihazın özelliklerine göre belirlenir. Öte yandan, bir nesneye, örneğin bir masaya olan mesafeyi gözle neredeyse kesin olarak belirleyebiliriz. Her durumda, odadaki konumunu bize ve diğer nesnelere göre doğru bir şekilde ayırt ediyoruz. Parçacıklar dünyasında durum temelde farklıdır; gerekli miktarları doğru bir şekilde ölçmek için fiziksel olarak ölçüm araçlarımız yoktur. Sonuçta ölçüm cihazı, ölçülen nesneyle doğrudan temas halindedir ve bizim durumumuzda hem nesne hem de alet parçacıklardır. Heisenberg'in belirsizlik ilkesinin altında yatan şey, bu kusur, parçacık üzerinde etkili olan tüm faktörleri dikkate almanın temel imkansızlığı ve ölçümün etkisi altında sistemin durumunu değiştirme gerçeğidir.

En basit formülünü verelim. Belli bir parçacığın olduğunu ve onun hızını ve koordinatını bilmek istediğimizi düşünelim.

Bu bağlamda Heisenberg Belirsizlik İlkesi, bir parçacığın konumunu ve hızını aynı anda doğru olarak ölçmenin imkansız olduğunu belirtmektedir. . Matematiksel olarak şöyle yazılır:

Burada delta x koordinatın belirlenmesindeki hata, delta v ise hızın belirlenmesindeki hatadır. Bu prensibin, koordinatı ne kadar doğru belirlersek hızı o kadar az doğru bileceğimizi söylediğini vurgulayalım. Ve eğer hızı belirlersek parçacığın nerede olduğuna dair en ufak bir fikrimiz olmayacak.

Belirsizlik ilkesi konusunda pek çok şaka ve anekdot vardır. İşte onlardan biri:

Bir polis kuantum fizikçisini durdurur.
- Efendim, ne kadar hızlı hareket ettiğinizi biliyor musunuz?
- Hayır ama tam olarak nerede olduğumu biliyorum.

Ve elbette hatırlatıyoruz! Aniden, herhangi bir nedenle, potansiyel kuyusundaki bir parçacık için Schrödinger denklemini çözmek sizi uyanık tutuyorsa, dudaklarında kuantum mekaniği ile yetiştirilmiş profesyonellere başvurun!

Atom çekirdeğinin fiziğindeki temsiller

Kuantum mekaniğinin ortaya çıkışı.

Kuantum mekaniği, hareketi mikro düzeyde inceleyen fiziksel bir teoridir.

19. yüzyılın sonlarında bile çoğu bilim adamı, dünyanın fiziksel resminin temel olarak inşa edildiği ve gelecekte de sarsılmaz kalacağı görüşündeydi. Geriye yalnızca ayrıntıların açıklığa kavuşturulması kalıyor. Ancak 20. yüzyılın onyıllarında ilk kez fiziksel görüşler kökten değişti. Bu, 19. yüzyılın son yıllarını ve 20. yüzyılın ilk on yıllarını kapsayan son derece kısa bir tarihsel dönem boyunca yapılan bilimsel keşiflerin bir "kademesinin" sonucuydu.

1896'da Fransız fizikçi Antoine Henri Becquerel (1852-1908), uranyum tuzunun kendiliğinden emisyonu olgusunu keşfetti.

Araştırmaları arasında Fransız fizikçiler, Pierre Curie (1859-1906) ve Marie Skłodowska-Curie (1867-1934) eşleri de vardı. 1898'de, aynı zamanda “Becquerel ışınları” (polonyum ve radyum) yayma özelliğine sahip yeni elementler keşfedildi. Curie'ler bu özelliğe radyoaktivite adını verdiler.

Ve bir yıl önce, 1897'de, Cambridge'deki Cavendish laboratuvarında, İngiliz fizikçi Joseph John Thomson (1856-1940) gazlardaki elektrik deşarjını (katot ışınları) incelerken ilk temel parçacığı - elektronu keşfetti.

1911'de ünlü İngiliz fizikçi Ernest Rutherford (1871-1937), gezegensel olarak adlandırılan kendi atom modelini önerdi.

Rutherford'un modelini bilen ve onu ilk model olarak kabul eden N. Bohr, 1913 yılında atom yapısının kuantum teorisini geliştirdi.

Kuantum Mekaniğinin Prensipleri

Heisenberg Belirsizlik İlkesi: “Bir kuantum parçacığının koordinatlarını ve hızını aynı anda doğru bir şekilde belirlemek imkansızdır”

Yirminci yüzyılın ilk çeyreğinde fizikçilerin atom ve atom altı düzeylerdeki maddenin davranışını incelemeye başladıklarında verdikleri tepki tam olarak buydu.

Heisenberg ilkesi kuantum mekaniğinde önemli bir rol oynuyor, çünkü mikro dünyanın aşina olduğumuz maddi dünyadan nasıl ve neden farklı olduğunu oldukça açık bir şekilde açıklıyor.

Örneğin bir kitabı bulmak için bir odaya girdiğinizde, üzerinde durana kadar etrafına bakarsınız. Fizik dilinde bu, görsel bir ölçüm yaptığınız (bir kitaba bakarak buldunuz) ve sonucu aldığınız anlamına gelir - mekansal koordinatlarını kaydettiniz (kitabın odadaki yerini belirlediniz).

1920'lerin başında, kuantum mekaniğinin yaratılmasına yol açan yaratıcı düşüncenin patlaması sırasında, genç Alman teorik fizikçi Werner Heisenberg bu sorunu ilk fark eden kişi oldu. O formüle etti belirsizlik ilkesi, şimdi onun adını taşıyor:

"Uzaysal koordinat belirsizliği" terimi tam olarak parçacığın kesin konumunu bilmediğimiz anlamına gelir. Örneğin bir kitabın yerini belirlemek için global GPS sistemini kullanırsanız sistem bunu 2-3 metre hassasiyetle hesaplayacaktır. Ve burada mikro dünya ile gündelik fiziksel dünyamız arasındaki en temel farklılığa geliyoruz. Sıradan dünyada bir cismin uzaydaki konumunu ve hızını ölçmek, üzerinde neredeyse hiçbir etkimiz yok. Yani ideal olarak yapabiliriz eşzamanlı Bir nesnenin hem hızını hem de koordinatlarını kesinlikle doğru bir şekilde (başka bir deyişle sıfır belirsizlikle) ölçer. Elektronun uzaysal konumunu sabitlememiz gerektiğini varsayalım. Hala bir ölçüm aracına ihtiyacımız var bir elektronla etkileşime girecek ve dedektörlere konumu hakkında bilgi içeren bir sinyal gönderecektir.

Ölçülen büyüklüklerden birini sıfır hatayla (mutlak doğrulukla) belirlemeyi başarırsak, diğer niceliğin belirsizliği sonsuza eşit olacak ve onun hakkında hiçbir şey bilemeyiz. Başka bir deyişle, eğer bir kuantum parçacığının koordinatlarını kesinlikle doğru bir şekilde tespit edebilseydik, onun hızı hakkında en ufak bir fikrimiz olmazdı; Eğer bir parçacığın hızını doğru bir şekilde kaydedebilseydik onun nerede olduğu hakkında hiçbir fikrimiz olmazdı.

Belirsizlik ilkesi, bu niceliklerin her birini istenen doğrulukla ölçmemizi engellemez. O sadece bizim olduğumuzu iddia ediyor aciz ikisini de aynı anda güvenilir bir şekilde bilir.

Heisenberg ilişkisinin anahtarı, ölçümün parçacık-nesnesi ile ölçüm aracı arasındaki, sonuçları etkileyen etkileşimdir.

N. Bohr'un tamamlayıcılık ilkesi: “ Mikro dünyanın nesneleri hem parçacık hem de dalga olarak tanımlanıyor ve bir tanım diğerini tamamlıyor.”

Günlük yaşamda, enerjiyi uzayda aktarmanın iki yolu vardır: parçacıklar veya dalgalar aracılığıyla. Diyelim ki kenarında dengede duran bir masanın domino taşını devirmek için ona gerekli enerjiyi iki şekilde verebilirsiniz. İlk olarak, ona başka bir domino taşı atabilirsiniz (yani, bir parçacık kullanarak bir nokta dürtüsünü aktarabilirsiniz). İkinci olarak, masanın kenarındaki dominoya giden bir zincir halinde bir dizi domino oluşturabilir ve ilkini ikincinin üzerine bırakabilirsiniz: bu durumda, dürtü zincir boyunca iletilecektir - ikinci domino devrilecektir. üçüncüsü, üçüncüsü dördüncüyü devirecek vb. Bu, enerji aktarımının dalga ilkesidir. Günlük yaşamda, iki enerji aktarım mekanizması arasında gözle görülür bir çelişki yoktur. Yani basketbol bir parçacıktır ve ses bir dalgadır ve her şey açıktır.

Ancak kuantum mekaniğinde işler bu kadar basit değildir. Kuantum nesnelerle yapılan en basit deneylerden bile, makro dünyanın aşina olduğumuz ilke ve yasalarının mikro dünyada geçerli olmadığı çok geçmeden anlaşılıyor. Dalga olarak düşünmeye alıştığımız ışık, bazen sanki parçacıklardan oluşan bir akıştan oluşuyormuş gibi davranır ( fotonlar) ve bir elektron veya hatta büyük bir proton gibi temel parçacıklar sıklıkla bir dalganın özelliklerini sergiler. Elektronları teker teker “ateşlerseniz”, her biri ekranda net bir iz bırakacak, yani bir parçacık gibi davranacaktır. En ilginç şey, bir elektron ışını yerine bir foton ışını alırsanız aynı şeyin gerçekleşmesidir: ışında dalgalar gibi ve bireysel olarak parçacıklar gibi davranacaklar

Başka bir deyişle, mikro dünyada parçacık gibi davranan nesneler aynı zamanda dalga doğalarını “hatırlıyor” gibi görünüyor ve bunun tersi de geçerli. Mikro dünya nesnelerinin bu tuhaf özelliğine denir kuantum dalga ikiliği.

Tamamlayıcılık ilkesi bu gerçeğin basit bir ifadesidir. Bu prensibe göre bir kuantum nesnesinin özelliklerini parçacık olarak ölçersek onun parçacık gibi davrandığını görürüz. Dalga özelliklerini ölçersek bizim için dalga gibi davranır. Her iki fikir de birbiriyle hiçbir şekilde çelişmiyor - kesinlikle Tamamlayıcı Bu da ilkenin ismine yansımıştır.

Atomun yapısı.

Atomun yapısının gezegen modeli, atom çekirdeğinin Rutherford tarafından keşfedilmesinin bir sonucu olarak önerildi:
1. Atomun merkezinde, atomun içindeki boşluğun çok küçük bir kısmını kaplayan pozitif yüklü bir çekirdek vardır.
2. Bir atomun pozitif yükünün tamamı ve neredeyse tüm kütlesi çekirdeğinde yoğunlaşmıştır (bir elektronun kütlesi 1/1823 amu'dur).
3.Elektronlar çekirdek etrafında kapalı yörüngelerde dönerler. Sayıları çekirdeğin yüküne eşittir.
Atom çekirdeği

Bir atomun çekirdeği protonlardan ve nötronlardan (genellikle nükleonlar olarak adlandırılır) oluşur. Üç parametreyle karakterize edilir: A kütle numarasıdır, Z çekirdeğin proton sayısına eşit yüküdür ve N çekirdekteki nötron sayısıdır. Bu parametreler birbirleriyle ilişki yoluyla ilişkilidir:
A = Z + N.
Çekirdeğindeki proton sayısı elementin atom numarasına eşittir.
Nükleer yük genellikle element sembolünün sol alt kısmına, kütle numarası ise sol üst kısmına yazılır (nükleer yük genellikle atlanır).
Örnek 40 18 Ar: Bu atomun çekirdeği 18 proton ve 22 nötron içermektedir.
Çekirdekleri aynı sayıda proton ve farklı sayıda nötron içeren atomlara izotop denir, örneğin: 12/6C ve 13/6C. Hidrojen izotoplarının özel sembolleri ve isimleri vardır: 1 H - protium, 2 D - döteryum, 3 T - trityum. İzotopların kimyasal özellikleri aynıdır ancak bazı fiziksel özellikleri çok az farklılık gösterir.

Radyoaktivite

Radyoaktivite- bu kararsızın kendiliğinden, kendiliğinden bir dönüşümüdür atom çekirdeği parçacıkların emisyonu ile birlikte diğer elementlerin çekirdeklerine. Karşılık gelen elementlere radyoaktif veya radyonükleidler adı verildi.

1899'da E. Rutherford, deneyler sonucunda radyoaktif radyasyonun homojen olmadığını ve güçlü bir manyetik alanın etkisi altında a- ve b-ışınları olmak üzere iki bileşene ayrıldığını keşfetti. Üçüncü bileşen olan g-ışınları, 1900 yılında Fransız fizikçi P. Villard tarafından keşfedildi.

Gama ışınları madde atomlarının iyonlaşmasına neden olur. Gama radyasyonu maddeden geçtiğinde meydana gelen ana süreçler:

Fotoelektrik etki - bir gama ışınının enerjisi, bir atomun kabuğundaki bir elektron tarafından emilir ve bir iş işlevi gerçekleştiren elektron, atomu terk eder (iyonize olur, yani bir iyona dönüşür).

Elektronların iletken malzemelerin yüzeyinden ışıkla koparılması, günümüzde günlük yaşamda yaygın olarak kullanılan bir olgudur. Örneğin bazı alarm sistemleri görünür veya kızılötesi ışık ışınlarını fotovoltaik hücre Elektronların devre dışı bırakıldığı, dahil edildiği devrenin elektriksel iletkenliğini sağlayan. Işık ışınının yolunda bir engel belirirse, ışığın sensöre gelmesi durur, elektron akışı durur, devre bozulur ve elektronik bir alarm tetiklenir.

γ ışınlarıyla ışınlama, doza ve süreye bağlı olarak kronik ve akut radyasyon hastalığına neden olabilir. Radyasyonun etkileri çeşitli kanser türlerini içerir. Gama ışınlaması aynı zamanda kanserin ve hızla bölünen diğer hücrelerin büyümesini de baskılar. Gama radyasyonu mutajenik bir faktördür.

Gama radyasyonunun uygulamaları:

Gama kusur tespiti, ürünlerin γ ışınlarıyla transillüminasyon yoluyla incelenmesi.

Gıda koruması.

Tıbbi malzeme ve ekipmanların sterilizasyonu.

Radyasyon tedavisi.

Seviye göstergeleri

Gama altimetreler, uzay aracına inerken yüzeye olan mesafeyi ölçer.

Raf ömrünü uzatmak için baharatların, tahılların, balıkların, etlerin ve diğer ürünlerin gama sterilizasyonu.

Radyoaktivite türleri

Bir atom çekirdeğinin bölünmesi kendiliğinden (kendiliğinden) ve zorlanmış (diğer parçacıklarla, özellikle de nötronlarla etkileşimin bir sonucu olarak) olabilir. Ağır çekirdeklerin fisyonu ekzotermik bir süreçtir, bunun sonucunda reaksiyon ürünlerinin kinetik enerjisi ve radyasyon şeklinde büyük miktarda enerji açığa çıkar. Nükleer fisyon, nükleer reaktörlerde ve nükleer silahlarda enerji kaynağı olarak hizmet eder. Seri numarası 82'den büyük olan CC'nin tüm kimyasal elementlerinin radyoaktif olduğu (yani bizmuttan başlayarak) ve bazı hafif elementlerin (prometyum ve teknetyumun kararlı izotoplara sahip olmadığı ve indiyum gibi bazı elementlerin) olduğu tespit edilmiştir. potasyum veya kalsiyum, yalnızca doğal izotoplara sahiptir, diğerleri radyoaktiftir).

1913 baharında Soddy şu kuralı formüle etti:

α parçacıklarının emisyonu atom kütlesini 4 azaltır ve PS boyunca 2 sıra sola kaydırır.

β parçacıklarının emisyonu, elementi neredeyse kütlesini değiştirmeden 1 sıra sağa kaydırır.

"Kuantum" kelimesi Latince'den gelir. kuantum(“ne kadar, ne kadar”) ve İngilizce kuantum(“miktar, kısım, kuantum”). “Mekanik” uzun zamandır maddenin hareketi bilimine verilen isimdir. Buna göre "kuantum mekaniği" terimi, maddenin parçalar halinde hareketinin bilimi (veya modern bilimsel dilde hareket bilimi) anlamına gelir. nicemlenmiş konu). “Kuantum” terimi Alman fizikçi Max Planck tarafından icat edildi ( santimetre. Planck sabiti) ışığın atomlarla etkileşimini tanımlamak için kullanılır.

Kuantum mekaniği çoğu zaman sağduyulu kavramlarımızla çelişir. Ve bunların hepsi sağduyunun bize günlük deneyimlerden alınan şeyleri söylemesi ve günlük deneyimlerimizde yalnızca makro dünyanın büyük nesneleri ve fenomenleriyle uğraşmamız gerektiği ve atomik ve atom altı düzeyde maddi parçacıklar tamamen farklı davrandığı için. Heisenberg'in belirsizlik ilkesi bu farklılıkların anlamını tam olarak özetlemektedir. Makro dünyada, herhangi bir nesnenin (örneğin bu kitap) konumunu (uzaysal koordinatlarını) güvenilir ve açık bir şekilde belirleyebiliriz. Cetvel, radar, sonar, fotometri veya başka bir ölçüm yöntemi kullanmamızın bir önemi yok, ölçüm sonuçları objektif ve kitabın konumundan bağımsız olacaktır (tabii ki ölçüm sürecinde dikkatli olmanız şartıyla). Yani, bir miktar belirsizlik ve yanlışlık mümkündür - ancak yalnızca ölçüm cihazlarının sınırlı kapasitesi ve gözlem hataları nedeniyle. Daha doğru ve güvenilir sonuçlar elde etmek için daha doğru bir ölçüm cihazı alıp onu hatasız kullanmaya çalışmamız yeterli.

Şimdi, bir kitabın koordinatları yerine bir mikro parçacığın, örneğin bir elektronun koordinatlarını ölçmemiz gerekiyorsa, o zaman ölçüm cihazı ile ölçüm nesnesi arasındaki etkileşimleri artık ihmal edemeyiz. Bir cetvelin veya başka bir ölçüm cihazının bir kitap üzerindeki etki kuvveti ihmal edilebilir düzeydedir ve ölçüm sonuçlarını etkilemez, ancak bir elektronun uzaysal koordinatlarını ölçmek için bir fotonu, başka bir elektronu veya başka bir temel parçacığı fırlatmamız gerekir. ölçülen elektronla karşılaştırılabilir enerjileri kendi yönünde ölçer ve sapmasını ölçer. Ancak aynı zamanda ölçümün nesnesi olan elektronun kendisi de bu parçacıkla etkileşimi sonucunda uzaydaki konumunu değiştirecektir. Bu nedenle, ölçüm eylemi, ölçülen nesnenin konumunda bir değişikliğe yol açar ve ölçümün yanlışlığı, kullanılan ölçüm cihazının doğruluk derecesine göre değil, ölçümün gerçeğine göre belirlenir. Mikrokozmosta katlanmak zorunda kaldığımız durum budur. Etkileşim olmadan ölçüm imkansızdır ve ölçülen nesneyi etkilemeden ve bunun sonucunda ölçüm sonuçlarını bozmadan etkileşim imkansızdır.

Bu etkileşimin sonuçları hakkında tek bir şey söylenebilir:

uzaysal koordinatların belirsizliği × parçacık hızının belirsizliği > H/M,

veya matematiksel terimlerle:

Δ X × Δ v > H/M

nerede Δ X ve Δ v— sırasıyla parçacığın uzaysal konumunun ve hızının belirsizliği, H - Planck sabiti ve M- parçacık kütlesi.

Buna göre, yalnızca bir elektronun değil, aynı zamanda herhangi bir atom altı parçacığın uzamsal koordinatlarını ve yalnızca koordinatları değil aynı zamanda parçacıkların hız gibi diğer özelliklerini de belirlerken belirsizlik ortaya çıkar. Parçacıkların karşılıklı ilişkili özelliklerinin herhangi bir çiftinin ölçüm hatası da benzer şekilde belirlenir (başka bir çiftin örneği, bir elektron tarafından yayılan enerji ve bunun yayıldığı zaman aralığıdır). Yani, örneğin bir elektronun uzaysal konumunu yüksek doğrulukla ölçmeyi başarabilirsek, o zaman zamanın aynı anında hızı hakkında yalnızca belirsiz bir fikrimiz var ve bunun tersi de geçerli. Doğal olarak gerçek ölçümlerde bu iki uç noktaya ulaşmaz ve durum her zaman ortada bir yerdedir. Yani, örneğin bir elektronun konumunu 10-6 m doğrulukla ölçebilseydik, aynı anda hızını da en iyi ihtimalle 650 m/s doğrulukla ölçebilirdik.

Belirsizlik ilkesi nedeniyle, kuantum mikro dünyasındaki nesnelerin tanımı, Newton makro dünyasındaki nesnelerin olağan tanımından farklı bir niteliktedir. Kuantum mekaniğinde nesneler, örneğin bilardo masasındaki bir top gibi mekanik hareketi tanımlamaya alışkın olduğumuz uzaysal koordinatlar ve hız yerine sözde hareketlerle tanımlanır. dalga fonksiyonu.“Dalganın” tepesi, ölçüm anında uzayda bir parçacık bulmanın maksimum olasılığına karşılık gelir. Böyle bir dalganın hareketi, bize kuantum sisteminin durumunun zamanla nasıl değiştiğini söyleyen Schrödinger denklemiyle tanımlanır.

Mikro dünyadaki kuantum olaylarının Schrödinger denklemiyle çizilen resmi, parçacıkların okyanus uzayının yüzeyi boyunca yayılan bireysel gelgit dalgalarına benzetildiği şekildedir. Zamanla, dalganın tepesi (uzayda elektron gibi bir parçacığın bulunma olasılığının en yüksek noktasına karşılık gelir), bu diferansiyel denklemin çözümü olan dalga fonksiyonuna uygun olarak uzayda hareket eder. Buna göre, geleneksel olarak parçacık olarak düşündüğümüz şey, kuantum düzeyinde, dalgalara özgü bir takım özellikler sergiler.

Mikro dünya nesnelerinin dalga ve parçacık özelliklerinin koordinasyonu ( santimetre. De Broglie'nin ilişkisi), fizikçilerin kuantum dünyasının nesnelerini parçacıklar veya dalgalar olarak değil, ara bir şey olarak ve hem dalga hem de parçacık özelliklerine sahip olarak değerlendirmeyi kabul etmesiyle mümkün oldu; Newton mekaniğinde bu tür nesnelerin benzerleri yoktur. Böyle bir çözüm olsa bile kuantum mekaniğinde hala pek çok paradoks var ( santimetre. Bell teoremi), henüz hiç kimse mikro dünyada meydana gelen süreçleri tanımlamak için daha iyi bir model önermedi.