Cum să înțelegem fizica cuantică

Rețineți că particulele mari de masă trec printr-o tranziție clasică până la cuantică. Deși electronul liber prezintă unele proprietăți cuantice (cum ar fi spinul), pe măsură ce electronul se apropie de electronul neatinsă, viteza acestuia scade (probabil datorită fotonilor care emit lumina) și trece printr-o tranziție de la comportamentul clasic la cuantic, în timp ce energia sa coboară sub energia ionizării. Electronul leagă atomul și impulsul său unghiular față de nucleul atomic este limitat la valorile cuantificate ale orbitalilor pe care îi poate ocupa. Trecerea este bruscă. S-ar putea compara această tranziție cu cea a unui sistem mecanic care se schimbă de la o vizualizare instabilă la un comportament stabil sau de la o simplă vizualizare la un comportament haotic sau chiar o rachetă în decelerare și care se află sub viteza de evadare și intră pe orbită în jurul unei stele sau a altui obiect celestial. Dimpotrivă, fotonii (care nu au masă) nu trec prin acea tranziție: fotonii călătoresc doar prin spațiu nemodificați până când interacționează cu alte particule și apoi dispar. Privind la cerul de noapte, fotonii unei stele au călătorit prin ani lumină de spațiu fără schimbare și apoi au interacționat cu un electron într-o moleculă a retinei, și-au transferat energia și apoi au dispărut.

Înțelegeți ce particule sunt și dualitatea valurilor. Se postulează faptul că toate materiile au proprietăți de val și de particule. Un concept central al mecanicii cuantice, această dualitate se referă la incapacitatea conceptelor clasice, cum ar fi "particulă" și "val" pentru a descrie pe deplin comportamentul obiectelor la scara cuantică. Pentru o cunoaștere completă a dualității materiei, trebuie să avem concepte despre efectul Compton, efectul fotoelectric, lungimea de undă Broglie și formula Planck pentru radiația corpului negru. Toate aceste efecte și teorii demonstrează natura dublă a materiei. Există diferite experimente pentru lumina oamenilor de știință care arată că lumina are o natură duală, adică a particulelor, precum și a naturii undelor ... În 1901, Max Planck a publicat o analiză care a reușit să reproducă spectrul observat al luminii emise de un obiect luminos. Pentru a realiza acest lucru, Planck a trebuit să facă o presupunere matematică ad hoc a acțiunii cuantificate a oscilatoarelor (atomii de caractere negre) care emit radiații. Einstein a propus ulterior ca radiația electromagnetică să fie cuantizată în fotoni.

Înțelegeți principiul incertitudinii. Principiul incertitudinii afirmă că anumite perechi de proprietăți fizice, cum ar fi poziția și impulsul, nu pot fi cunoscute simultan la precizie arbitrară. În fizica cuantică, o particulă este descrisă ca un pachet de valuri, care dă naștere la acest fenomen. Luați în considerare măsurarea poziției unei particule. Ar putea fi oriunde. Pachetul de valuri al particulei are o amplitudine nonzero, adică poziția este incertă, ar putea fi oriunde de-a lungul pachetului de valuri. Pentru a obține o citire exactă a poziției, acest pachet val trebuie să fie "comprimat" cât mai mult posibil, ceea ce înseamnă că acesta trebuie să fie compus dintr-un număr tot mai mare de valuri sinusoidale care sunt împreună. Momentul particulei este proporțional cu numărul de valuri al unuia dintre aceste valuri, dar ar putea fi oricare dintre ele. Deci, o măsurare mai precisă a poziției, prin adăugarea mai multor valuri, înseamnă că măsurarea momentului devine mai puțin precisă (și invers).

Înțelegeți funcția de undă. Funcția de undă sau funcția de undă este o unealtă matematică a mecanicii cuantice, care descrie starea cuantică a unei particule sau a unui sistem de particule. Este frecvent aplicată ca o proprietate a particulelor în raport cu dualitatea lor de unde-particule, unde ψ (poziție, timp) este notată și unde | ψ | este egal cu probabilitatea de a găsi obiectul la un anumit timp și poziție. De exemplu, într-un atom cu un singur electron, cum ar fi hidrogen sau heliu ionizat, funcția de undă a electronului oferă o descriere completă a modului în care se comportă electronul. Se poate descompune într-o serie de orbite atomice care formează baza pentru posibilele funcții de undă. Pentru atomii cu mai mult de un electron (sau orice sistem cu particule multiple), spațiul de bază este posibilele configurații ale tuturor electronilor, iar funcția de undă descrie probabilitățile acestor configurații. În rezolvarea problemelor de sarcină care implică funcția de undă, familiaritatea cu numerele complexe este o condiție prealabilă. Alte cerințe includ calculele de algebră liniară, formula lui Euler a unei analize complexe și notația bracket.

Înțelegeți ecuația lui Schrödinger. Este o ecuație care descrie modul în care starea cuantică a unui sistem fizic se schimbă în timp. Este un element central al mecanicii cuantice la fel cum legile lui Newton sunt pentru mecanica clasică. Soluțiile la ecuația Schrödinger descriu nu numai sistemele moleculare, atomice și subatomice, ci și sistemele macroscopice, eventual chiar întregul univers. Forma cea mai generală este ecuația dependentă de timp a lui Schrödinger care oferă o descriere a unui sistem care evoluează în timp. Pentru sistemele într-o stare staționară, ecuația Schrödinger independentă de timp este suficientă. Soluții aproximative independent de timp. Ecuația Schrödinger este folosită în mod obișnuit pentru a calcula nivelele de energie și alte proprietăți ale atomilor și moleculelor.