madde ve atom altı ölçek. Moleküllerin, atomların ve bunların bileşenlerinin özelliklerini tanımlamaya ve açıklamaya çalışır. elektronlar , protonlar, nötronlar ve kuarklar ve gluonlar gibi diğer daha ezoterik parçacıklar. Bu özellikler, parçacıkların birbirleriyle ve birbirleriyle olan etkileşimlerini içerir.elektromanyetik radyasyon (yani ışık, X-ışınları ve gama ışınları).
Madde ve radyasyonun atomik ölçekte davranışı genellikle tuhaf görünür ve kuantumun sonuçları teorisinin sonuçlarını anlamak ve inanmak zordur. Kavramları, gündelik dünyanın gözlemlerinden elde edilen sağduyu kavramlarıyla sıklıkla çatışır. Bununla birlikte, atom dünyasının davranışının tanıdık, büyük ölçekli dünyanınkine uyması için hiçbir neden yoktur. Kuantum mekaniğinin fiziğin bir dalı olduğunu ve fiziğin işinin -hem büyük hem de küçük ölçekte- dünyanın gerçekte nasıl olduğunu ve birinin onu hayal ettiği ya da isteyeceğini değil, gerçekte nasıl olduğunu açıklamak ve açıklamak olduğunu anlamak önemlidir.
Kuantum mekaniği çalışması birkaç nedenden dolayı ödüllendiricidir. İlk olarak, fiziğin temel metodolojisini gösterir . İkincisi, uygulandığı hemen hemen her durumda doğru sonuçlar vermede son derece başarılı olmuştur. Ancak ilginç bir paradoks var.. Kuantum mekaniğinin ezici pratik başarısına rağmen, konunun temelleri çözülmemiş problemler, özellikle de ölçümün doğası ile ilgili problemler içermektedir. Kuantum mekaniğinin temel bir özelliği, bir sistemi bozmadan ölçmenin prensipte bile genellikle imkansız olmasıdır; Bu bozukluğun ayrıntılı doğası ve tam olarak meydana geldiği nokta belirsiz ve tartışmalıdır. Böylece, kuantum mekaniği 20. yüzyılın en yetenekli bilim adamlarından bazılarını cezbetti ve onlar, dönemin belki de en iyi entelektüel yapısını inşa ettiler.
Temel hususlar
Temel düzeyde, hem radyasyon hem de madde,parçacıklar ve dalgalar Radyasyonun parçacık benzeri özelliklere ve maddenin dalga benzeri özelliklere sahip olduğunun bilim adamları tarafından kademeli olarak tanınması, kuantum mekaniğinin gelişimi için itici güç sağladı. Newton’dan etkilenen 18. yüzyılın çoğu fizikçisi, ışığın cisimcik adını verdikleri parçacıklardan oluştuğuna inanıyorlardı. Yaklaşık 1800’den itibaren, ışığın dalga teorisi için kanıtlar birikmeye başladı . Yaklaşık bu sırada Thomas Young , tek renkli ışık bir çift yarıktan geçerse, ortaya çıkan iki huzmenin araya girerek ekranda dönüşümlü olarak parlak ve karanlık bantlardan oluşan bir saçak deseninin göründüğünü gösterdi. Bantlar, ışığın dalga teorisi ile kolayca açıklanabilir. Teoriye göre, tepeler oluştuğunda parlak bir bant oluşur. iki yarıktan gelen dalgaların (ve çukurları) ekrana birlikte gelir; Bir dalganın tepesi diğerinin çukuruyla aynı anda geldiğinde ve iki ışık huzmesinin etkileri birbirini yok ettiğinde karanlık bir bant üretilir. 1815’ten başlayarak, Fransa’dan Augustin-Jean Fresnel ve diğerleri tarafından yapılan bir dizi deney, paralel bir ışık huzmesi tek bir yarıktan geçtiğinde, ortaya çıkan huzmenin artık paralel olmadığını ve uzaklaşmaya başladığını gösterdi; bu fenomen kırınım olarak bilinir. Işığın dalga boyu ve aparatın geometrisi (yani, yarıkların ayrılması ve genişlikleri ve yarıklardan ekrana olan mesafe) veriliyken, her durumda beklenen modeli hesaplamak için dalga teorisi kullanılabilir; teori, deneysel verilerle tam olarak aynı fikirdedir.
Planck’ın radyasyon yasası
19. yüzyılın sonunda, fizikçiler neredeyse evrensel olarak ışığın dalga teorisini kabul ettiler. Bununla birlikte, klasik fizik fikirleri, ışığın yayılmasıyla ilgili girişim ve kırınım olaylarını açıklasa da , ışığın soğurulmasını ve yayılmasını hesaba katmazlar. Tüm cisimler elektromanyetik enerjiyi ısı olarak yayar ; aslında, bir vücut tüm dalga boylarında radyasyon yayar. Farklı dalga boylarında yayılan enerji, vücudun sıcaklığına bağlı olan bir dalga boyunda maksimumdur; vücut ne kadar sıcaksa, maksimum radyasyon için dalga boyu o kadar kısa olur. Radyasyon için enerji dağılımını hesaplama girişimleriklasik fikirleri kullanan kara cisim başarısız oldu. (Bir kara cisim , üzerine düşen tüm ışıma enerjisini emen ve yeniden yayan varsayımsal ideal bir cisim veya yüzeydir .) Almanya’dan Wilhelm Wien tarafından önerilen bir formül, uzun dalga boylarındaki gözlemlerle aynı fikirde değildi ve Lord Rayleigh (John İngiltere’den William Strutt), kısa dalga boylarında olanlarla aynı fikirde değildi.
1900 yılında Alman teorik fizikçiMax Planck cesur bir öneride bulundu. Radyasyon enerjisinin sürekli olarak değil, kuantum adı verilen ayrık paketler halinde yayıldığını varsaydı . E enerjisi _kuantum , E = ile ν frekansı ile ilgilidirhν. The quantity Artık Planck sabiti olarak bilinen h , yaklaşık değeri 6,62607 × 10 −34 joule∙saniye olan evrensel birPlanck, hesaplanan enerji spektrumunun tüm dalga boyu aralığındaki gözlemle uyumlu olduğunu gösterdi.
Einstein ve fotoelektrik etki
1905’te Einstein, Planck’ın hipotezini , ışıkla ışınlandığında metal bir yüzey tarafından elektronların yayılması olan fotoelektrik etkiyi açıklamak için genişletti. or more-energetic photons. de yayılan elektronların kinetik enerjisi şunlara bağlıdır:radyasyonun frekansı ν, yoğunluğuna göre değil; belirli bir metal için, altında hiçbir elektronun yayılmadığı bir eşik frekansı ν 0 vardır . Ayrıca, ışık yüzeyde parlar parlamaz emisyon gerçekleşir; algılanabilir bir gecikme yoktur. Einstein, bu sonuçların iki varsayımla açıklanabileceğini gösterdi: (1) ışığın taneciklerden oluştuğu veyanenerjisi Planck ilişkisi tarafından verilen fotonlar ve (2) metaldeki bir atom ya bütün bir fotonu soğurabilir ya da hiçbir şeyi soğuramaz. Soğurulan fotonun enerjisinin bir kısmı , sabit bir W enerjisi gerektiren bir elektronu serbest bırakır. , elektron olarak bilinen metalin iş fonksiyonu ; geri kalanı yayılan elektronun kinetik enerjisine m e u 2/2 dönüştürülür ( m e elektronun kütlesi ve u hızıdır). Böylece, enerji ilişkisi ν0, hν0 = W, elektron yayılmaz. Yukarıda belirtilen deneysel sonuçların tümü 1905’te bilinmiyordu, ancak o zamandan beri Einstein’ın tüm tahminleri doğrulandı.