Mecanica cuantică descrie legile mișcării microparticulelor, dar din moment ce proprietățile corpurilor sunt determinate de proprietățile și interacțiunile particulelor din care sunt compuse, mecanica cuantică este, de asemenea, utilizată pentru a explica multe fenomene macroscopice, cum ar fi feromagnetismul și superconductivitatea, precum și ca reacții termonucleare.

Constanta Planck

Constanta lui Planck

În 1900, fizicianul german Planck a fost primul care a prezentat idei cuantice într-o lucrare despre teoria radiațiilor termice. El a propus că lumina nu este emisă în mod continuu, conform teoriei clasice, ci în porțiuni discrete de energie - cuantă cu energie ε, determinată de formula: ε = hν, unde ν este frecvența și h = 6.62,10 -34 Js (Joule-secundă) e Constanta lui Planck. Constanta lui Planck are o semnificație fundamentală în teoria cuantică, este un criteriu pentru aplicabilitatea mecanicii clasice: dacă acțiunea sistemului considerat depășește semnificativ constanta Planck, atunci comportamentul sistemului cu o precizie ridicată este descris de mecanica clasică. Astfel, mecanica cuantică include mecanica clasică ca un caz special valabil pentru macro-obiecte.

Efectul fotoelectric

Efectul fotoelectric este un fenomen în care sub acțiunea radiației electromagnetice cu o lungime de undă suficient de mică, cum ar fi lumina vizibilă sau ultravioletă, electronii sunt emiși din materialul iluminat (metal, semiconductori). Dacă electronii părăsesc suprafața metalului iradiat, iar în cazul efectului foto intern, acestea rămân în volumul său, crescând doar conductivitatea acestuia.

Efectul foto a fost descoperit de Heinrich Hertz în 1887, iar legea care îl explică a fost derivat de Albert Einstein în 1905, pentru care a primit Premiul Nobel.

Ce este interesant la acest efect și ce problemă a pus științei secolului al XIX-lea?

  • electronii apar aproape imediat după iradiere.
  • efectul fotoelectric apare chiar sub influența celor mai slabe raze de lumină
  • creșterea intensității energiei iradiante nu schimbă cantitatea de electroni eliberați.

Toate acestea sunt evidente conflict cu tabloul clasic a interacțiunii luminii cu electronii. În 1905, Einstein a dezvoltat teoria efectului fotoelectric, dezvoltând conceptul cuantic al lui Planck. Einstein a susținut că lumina nu este numai emisă și absorbită, ci și propagată în porțiuni individuale, cuante de lumină, numite ulterior fotoni. Einstein a descris acest fenomen cu ecuația:

Efect Compton

În 1922, fizicianul american Compton a descoperit un efect în care s-au manifestat proprietățile corpusculare ale radiației electromagnetice, în acest caz lumina. Experimentul a arătat că, împreună cu proprietățile de undă cunoscute, de exemplu, difracția, lumina pare să fie formată din particule.

Efectul Compton se numește schimbarea frecvenței Δν sau lungimea de undă Δλ de fotoni, atunci când sunt împrăștiați de electroni sau nucleoni (particulele care alcătuiesc nucleul atomic). Diferența cu efectul fotoelectric este că fotonul nu își transferă complet energia către particulele de materie . Ilustrație: Hiperfizică

Atât efectul Compton, cât și efectul fotoelectric se datorează interacțiunii fotonilor cu electronii, în primul caz fotonul este împrăștiat, în al doilea - absorbit. Împrăștierea are loc în interacțiunea unui foton cu un electron liber și în efectul foto - cu electroni legați.

Atomul Bohr. Saltului Cuantic

În 1913, Niels Bohr a aplicat ideea cuantică modelului planetar clasic al atomului. Ideea sa este că atomul nu este în niciun fel similar cu sistemul mecanic clasic, care poate absorbi energia în porțiuni arbitrare mici. Pe de altă parte, Bohr a sugerat că atomul ar putea fi localizat numai în anumite stări de echilibru discrete cu energie E0, E1, E2. El demonstrează că electronul nu poate fi la nicio distanță de nucleul atomic, dar poate fi numai în anumite orbite fixe etc. "orbite permise ". Când electronii sunt pe unul orbita permisă, în ciuda accelerării lor, nu emit. Fiecare nivel corespunde unei anumite energii. Bohr a sugerat că produsul modulului de impuls al razei orbitei este un multiplu al constantei lui Planck:

Cu ajutorul regulii de cuantificare, se pot obține razele posibile ale orbitelor Atomul emite sau absoarbe o cuantică energie electromagnetică în timpul tranziției unui electron de la o stare staționară la alta.

Electronul dispare pur și simplu de pe o orbită și se materializează în alta fără a traversa spațiul dintre ele. Acest efect se numește „Saltului CuanticMai târziu, termenul a câștigat multă popularitate și a fost recent folosit pe scară largă pentru a însemna „îmbunătățire bruscă și rapidă”. salturi discrete - de la o orbită permisă la alta, similar cu scările descendente și ascendente. Dacă un electron sare pe o orbită inferioară, acesta pierde energie și, prin urmare, emite o lumină de quatt - un foton cu energie fixă ​​cu o lungime de undă fixă. Putem distinge între fotoni de diferite energii după culoarea lor - un fir de cupru încălzit în foc luminează în albastru și o lampă de sodiu luminează în galben. Orbitele sunt condiționate - puteți juca la „adăugarea” și „scăderea” unui foton.

Modelul atomului Bohr încalcă integritatea logică a teoriei: pe de o parte, folosind mecanica newtoniană și, pe de altă parte, sunt implicate reguli străine de cuantificare și acestea contravin electrodinamicii clasice. Teoria lui Bohr nu poate explica tranziția unui electron de la un nivel la altul. Acest lucru a fost făcut ulterior de probabil singurul aristocrat din fizică, marchizul de Broglie.

Valurile marchizului de Broglie

Formula

Fizicianul francez Louis Victor Pierre Raymond de Broglie, în disertația sa de doctorat din 1924, prezintă o explicație a modelului Bohr, o idee revoluționară pentru universalitatea dualității corpusculare-undă nu numai a fotonilor, ci și a particulelor elementare (electroni, protoni etc.) .). De Broglie a fost capabil să formuleze relația dintre impulsul unei particule cuantice (m.v) p cu lungimea de undă λ, care o descrie:

Acest raport înseamnă că undele și proprietățile corpusculare ale particulelor cuantice sunt fundamental corelate. Pe de altă parte, putem considera obiectul cuantic ca o particulă cu impuls p, și, pe de altă parte, poate fi considerată și o lungime de undă λ .Aceste valuri sunt numite valuri de materie sau valurile de Broglie.

Valurile materiei

Electronul negativ este atras de nucleul încărcat pozitiv. Pentru a se roti în jurul nucleului la o anumită distanță, electronul trebuie să se miște la o anumită viteză, în care forța centrifugă este echilibrată de forța centrifugă.

În modelul Niels Bohr, electronii se pot roti pe orbite permise la nesfârșit fără a pierde energie. Presupunând că electronul este o particulă, pentru ca electronul să rămână pe o astfel de orbită, trebuie să aibă aceeași viteză (impuls- m.v. ).

Dacă considerăm electronul ca pe o undă, atunci pentru a se încadra într-o astfel de orbită cu raza dată este necesar ca lungimea cercului acestei orbite să fie un multiplu al lungimii sale de undă. Ilustrație: kennethsnelson.net

Cu alte cuvinte, lungimea orbitei electronului poate fi doar una, două, trei (etc.) ori lungimea de undă. Numai pe astfel de orbite undele de electroni sunt în fază cu ele însele și nu se sting prin propria lor interferență, adică. noi avem valuri staționare pe orbită electronică și nu emit energie.

Ilustrație a bgchaos Cel mai simplu exemplu de undă staționară este mișcarea unui șir în sus și în jos, cu două capete fixe, așa cum se arată în diagramă. Această mișcare este rezultatul faptului că valul se suprapune unul pe celălalt. În acest caz, există doar două puncte finale fixe numite noduri.

Spre deosebire de „valul călător” obișnuit, unda staționară nu se mișcă în spațiu și nu transferă energie, care este transmisă doar dintr-un punct al șirului în altul.

Evident, pe un șir cu capete fixe, lungimea de undă în picioare nu poate fi nimic, ci doar una care deține un număr întreg de semidivele: una (stânga sus), două (dreapta), trei etc. Ilustrație a bgchaos
Acest număr poate fi doar un număr întreg și se poate schimba abrupt, nu continuu, ci discret. În cazul lui n = 4.3, unda se stinge. Ilustrație de hemi.nsu.ru

Verificarea

Faceți clic aici pentru a descărca un applet Java care simulează experiența appletului Davidson și Germer Java: Simulări interactive, Universitatea din Colorado

În 1927, comportamentul undelor materiei a fost confirmat experimental de Davisson și Germer de la Bell Labs, care au observat difracția electronilor cu energie scăzută care cad pe rețeaua cristalină a nichelului.

În același timp, fizicianul englez George P. Thompson (GP Thompson) a făcut experimente în care a obținut și difracția electronilor.

Este interesant să ne amintim că George Thompson, care a împărtășit în 1937. Premiul Nobel cu Davidson pentru aceste experimente, care demonstrează că electronii sunt unde, este fiul lui Joseph. Thompson, care a primit Premiul Nobel în 1906 dovedind că razele catodice sunt de fapt particule - electroni. Lucrul amuzant este că acum, conform teoriei cuantice, amândoi aveau dreptate. Ilustrație: ucalgary.ca

Câteva considerații

Lungimea de undă a lui De Broglie este mai mică cu cât masa particulei și viteza acesteia sunt mai mari. De exemplu, pe o particulă cu o masă de 1 gram, care se deplasează cu o viteză de 1 m/sec., Unda de Broglie corespunzătoare este λ ≈6,62.10 -31 m, care este mult în afara intervalului disponibil pentru observare. Prin urmare, proprietățile undei sunt nesemnificative în mecanica corpurilor macroscopice. Ideile lui De Broglie au devenit începutul mecanicii undelor create de Erwin Schrödinger.