Hur man förstår Quantum Physics

Kvantitet (även kallad kvantteori eller kvantmekanik) Det är en filial av fysik som beskriver beteendet och interaktionen mellan materia och energi på skalan av subatomära partiklar, fotoner och vissa material vid mycket låga temperaturer. Quantum-riket definieras där åtgärd (eller vinkelmomentet) hos partikeln finns inom några få storleksordningar av en mycket liten fysisk konstant som kallas Plancks konstant.

steg

Förstå den fysiska betydelsen av Plancks konstant. I kvantmekaniken är handlingsmängden Plancks konstant, som ofta refereras till h. På samma sätt, för interaktionen mellan subatomiska partiklar, kvantiteten av vinkelmomentet är den reducerade Planckkonstanten (Planckkonstant dividerad med 2π) indikerad med ħ och ringa h snitt. Observera att värdet på Plancks konstant är extremt liten, dess enheter är de med vinkelmoment, och begreppet handling är det mer allmänna matematiska konceptet. Som namnet antyder kvantmekanik, vissa fysiska kvantiteter, såsom vinkelmomentet, kan ändras endast i diskreta kvantiteter, och inte kontinuerligt (analogt). Till exempel kvantiseras vinkelmomentet hos en elektron bunden till en atom eller en molekyl och kan endast ha värden som är multiplar av den reducerade Planckkonstanten. Denna kvantisering genererar på elektron-orbitalerna en serie av första och hela kvantnummer. I motsats härtill kvantifieras inte vinkelmomentet hos en närliggande obunden elektron. Plancks konstant spelar också en viktig roll i kvantteori av ljus, där en ljuskvantitet representeras av foton och där materia och energi interagerar genom den elektroniska övergången av elektronen eller "quantum leap" av den bundna elektronen. Plancks konstanta enheter kan också ses som energiperioder. I samband med fysiska partiklar definieras virtuella partiklar som masspartiklar som uppträder spontant i en liten del av tiden och spelar en roll i en partikelinteraktion. Gränsen för dessa virtuella partiers existensperiod är energin (massan) av partikelns utseende. Kvantmekanik omfattar ett mycket stort antal ämnen, men varje del av dess beräkningar innefattar Plancks konstant.

Var medveten om att partiklar med massa passerar genom en övergång från klassisk till kvant. Även om den fria elektronen visar några kvantegenskaper (som spin), så snart den olänkna elektronen närmar sig atomen och saktar (kanske avger fotoner), gör den en övergång från en klassiker till ett kvantbeteende, så snart dess energi faller under joniseringsenergin. Elektronen binds sedan till atomen och dess vinkelmoment, beroende på atomkärnan, är begränsad till de kvantiserade värdena för de orbitaler som den kan uppta. Övergången är plötslig. Denna övergång kan jämföras med den för ett mekaniskt system som förändras vilket visar ett beteende från instabil till stabil eller från enkel till kaotisk eller till och med till ett rymdfarkoster som saktar sig under flyghastigheten och går in i en omloppsbana runt någon stjärna eller annan kropp himmelska. Å andra sidan passerar fotoner (utan massa) inte genom en sådan övergång: de passerar helt enkelt utrymme utan ändringar tills de interagerar med andra partiklar och försvinner. När du tittar på en stjärnfärdig natt har fotonen reste utan förändringar från några stjärnor genom ljusår och sedan interagerar med en elektron i en molekyl i din näthinna, överför energi och försvinner sedan.

Vet att det finns nya idéer inom kvantteori, inklusive:

Quantum reality följer regler som är lite annorlunda från den värld vi upplever varje dag.

Åtgärden (eller vinkelmomentet) är inte kontinuerlig, men sker i små och diskreta enheter.

De elementära partiklarna beter sig både som partiklar och som vågor.

Förflyttningen av en specifik partikel är slumpmässig av natur och kan endast förutsägas med avseende på sannolikhet.

Det är fysiskt omöjligt att samtidigt mäta positionen och vinkelmomentet hos en partikel med den noggrannhet som tillåts av Plancks konstant. Närmare bestämt, om man är känd, kommer mätningen av den andra att vara mindre exakt.

Förstå partikelvågdualiteten. Antag att all materia uppvisar både våg- och partikelegenskaper. Nyckelbegreppet kvantmekanik, denna dualitet hänvisar till oförmågan hos klassiska begrepp som "våg" och "partikel" för att fullständigt beskriva beteendet hos föremål på kvantnivå. För en fullständig kunskap om materiens dualitet borde man ha begreppen Compton-effekten, den fotoelektriska effekten, våglängden för De Broglie och Planck-formeln för strålning av svarta kroppar. Alla dessa effekter och teorier visar på materiens dubbla natur. Det finns flera experiment på ljus som gjorts av forskare som upplever hur ljuset har en dubbel natur, partikel och våg ... 1901 publicerade Max Planck en analys som lyckades reproducera det observerade spektrumet av ljus som emitteras av ett föremål lysande. För att uppnå detta hade Planck att göra en ad hoc matematisk gissning för kvantifierade verkan hos de oscillerande föremålen (atomer av den svarta kroppen) som avgav strålningen. Det var då Einstein som föreslog att samma elektromagnetiska strålning kvantiserades i fotoner.

Förstå Indetermination-principen. Heisenberg Indetermination-principen anger att vissa par fysiska egenskaper, såsom position och momentum, inte kan kännas samtidigt med hög godtycklig precision. I kvantfysiken beskrivs en partikel av ett paket vågor som ger upphov till detta fenomen. Överväg att mäta en partikelns position, det kan vara var som helst. Partikelvågspaketet har en icke-nollgrad, vilket betyder att dess position är osäker - det kan vara mer eller mindre var som helst inom vågpaketet. För att få en noggrann läsning av läget måste detta vågpaket "komprimeras" så mycket som möjligt, dvs det måste bestå av ökande antal vågornas sinus förenade. Partikelns moment är proportionell mot vågnumret för en av dessa vågor, men det kan vara någon av dem. Således genom att göra en mer exakt mätning av positionen - lägga till fler vågor ihop - oundvikligen blir mätningen av momentum mindre precis (och vice versa).

Förstå vågfunktionen.. En vågfunktion i kvantmekaniken är ett matematiskt verktyg som beskriver kvantitet i en partikel eller ett partikelsystem. Det appliceras vanligtvis som en egenskap av partiklar, i förhållande till deras vågpartikel dualitet, betecknad med ψ (position, tid) där | ψ |² det är lika med sannolikheten att hitta ämnet vid en given tidpunkt och position. Till exempel, i en atom med en enda elektron, såsom väte eller joniserat helium, ger elektronvågfunktionen en fullständig beskrivning av elektronens beteende. Det kan brytas ner i en serie atoma orbital som bildar en grund för möjliga vågfunktioner. För atomer med mer än en elektron (eller något system med flera partiklar) är utrymmet nedan den möjliga konfigurationen av alla elektroner och vågfunktionen beskriver sannolikheten för dessa konfigurationer. För att lösa problem i uppgifter som involverar vågfunktionen är kännedom om komplexa tal en grundläggande förutsättning. Andra förutsättningar är beräkningarna av linjäralgebra, Euler-formeln från den komplexa analysen och brak-notationen.

Förstå Schrödinger ekvationen. Det här är en ekvation som beskriver hur det fysiska systemets kvante tillstånd förändras över tiden. Det är grundläggande för kvantmekaniken, liksom Newtons lagar för klassisk mekanik. Lösningarna till Schrödinger-ekvationen beskriver inte bara subatomiska, atom- och molekylära system utan också makroskopiska system, kanske till och med hela universum. Den vanligaste formen är den tidsberoende Schrödinger ekvationen som beskriver utvecklingen av ett system över tiden. För steady state-system är Schrödinger-ekvationen oberoende av tiden tillräcklig. Ungefärliga lösningar för den tidsoberoende Schrödinger ekvationen används vanligtvis för att beräkna energinivåer och andra egenskaper hos atomer och molekyler.

Förstå överlappsprincipen. Kvantuppsättningen avser de kvantmekaniska egenskaperna hos lösningarna till Schrödinger ekvationen. Eftersom Schrödinger-ekvationen är linjär kommer även varje linjär kombination av lösningar till en viss ekvation att vara dess lösning. Denna matematiska egenskap hos linjära ekvationer är känd som superpositionsprincipen. I kvantmekanik görs dessa lösningar ofta ortogonala, som energinivåerna hos en elektron. På detta sätt avbryts staternas överlappande energi och det förväntade värdet av en operatör (vilket överlappande tillstånd) är det förväntade värdet av operatören i de enskilda tillstånden multiplicerat med den fraktion av överlappande tillståndet som är "i "Den staten.

tips

Lös numeriska problem i gymnasieskolan som en övning för det arbete som behövs för att lösa kvantfysikberäkningar.
Några förutsättningar för kvantfysik innefattar begreppen klassisk mekanik, egenskaperna hos hamilton och andra egenskaper hos vågor såsom störningar, diffraktion etc. Konsultera lämpliga läroböcker och referensböcker eller fråga din fysiklärare. Du bör uppnå en god förståelse för gymnasiet fysik och dess förutsättningar samt att lära dig en hel del universitetsnivå matematik. För att få en idé, kolla in innehållsförteckningen på Schaums Outline.
Det finns en rad online-lektioner om kvantmekanik på YouTube. utsikt http://youtube.com/education?category=University/Science/Physics/Quantum%20Mechanics

Dela på sociala nätverk:

Relaterade