Teoria Quanta – Wikipedia

. teoria kwantowa to nazwa nadana teorii fizycznej, która próbuje modelować zachowanie energii na bardzo małą skalę za pomocą Quanta (liczba mnoga łacińskiego terminu kwant ), nieciągłe ilości. Znany w języku angielskim jako „starożytna teoria kwantowa” ( Stara teoria kwantowa ), jego wprowadzenie wstrząsnęło kilkoma nieporozumieniami z ówczesnych fizyki, na początku Xx ^{To jest} wiek. Służył jako pomost między fizyką klasyczną a fizyką kwantową, której kamień węgielny, Mechanika kwantowa, urodziła się w 1925 r.

Została założona przez Maxa Plancka w 1900 r., A następnie opracowała głównie przez Nielsa Bohra, Alberta Einsteina, Louisa de Brogliego, Erwin Schrödingera, Maxa, Hendrik Anthony Kramers, Werner Heisenberg.

Klasyczna fizyka obowiązująca na końcu Xix ^{To jest} wiek obejmował następujące teorie:

Problemy eksperymentalne na końcu Xix ^{To jest} wiek [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Wiele faktów eksperymentalnych znanych na końcu Xix ^{To jest} Century był niewytłumaczalny w ramach teorii klasycznej.
Te niezgodne fakty eksperymentalne stopniowo skłoniły fizyków do oferowania nowej wizji świata, fizyki kwantowej. Główne etapy tej rewolucji konceptualnej miały miejsce w latach 1900–1925.

Promieniowanie czarnego ciała [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Promieniowanie czarnego korpusu to promieniowanie elektromagnetyczne wytwarzane przez ciało całkowicie absorbujące w równowadze termodynamicznej ze środowiskiem.

Wyobraź sobie zamkniętą obudowę utrzymywaną w temperaturze

${DisplayStyle T}$

: „piekarnik” i przebity małą dziurą. Ściany piekarnika rzekomo całkowicie wchłaniające, każde promieniowanie początkowo na zewnątrz piekarnika, które wchodzi przez otwór w kierunku wnętrza obudowy, ulega wielu odbiciom, emisji i wchłaniania przez ściany piekarnika, aż do pełnej termalizacji: głośnik i jego promieniowanie Treść jest w Bilans termiczny . I odwrotnie, niewielka część promieniowania cieplnego wewnątrz piekarnika może ostatecznie uciec przed nim, umożliwiając jego badanie eksperymentalne, w szczególności IT Rozkład energii spektralnej , to znaczy gęstość energii objętościowej obecnej w odstępie częstotliwości elementarnej. Termodynamika pokazuje, że cechy tego promieniowania nie zależą od charakteru materiału, na którym składają się ściany piekarnika, ale tylko od jego temperatury. To promieniowanie jest nazywane Promieniowanie czarnego ciała .

Na końcu Xix ^{To jest} Wiek, klasyczna teoria nie była w stanie wyjaśnić eksperymentalnych cech promieniowania czarnego ciała: obliczenie emitowanej energii teoretycznie teoretycznie wobec nieskończoności, co oczywiście było sprzeczne z doświadczeniem. Ta nieporozumienie była nazywana katastrofą ultrafioletową i stanowi jedną ^{[[[ Pierwszy ]} z „Dwie małe chmury w spokojnej fizyce teoretycznej” , słynna formuła wymawiana przez Thomsona – Alias Lord Kelvin – Le 27 kwietnia 1900 podczas konferencji ^{[[[ 2 ]} . W pozostałej części przemówienia Thomson przewidział szybkie wyjaśnienie wyników eksperymentalnych w kontekście teorii klasycznej. Historia udowodniła, że ​​się myli: zaledwie kilka miesięcy po konferencji Thomson, Planck zaproponował odważną hipotezę, która doprowadzi do radykalnego wstrząsu krajobrazu fizyki teoretycznej.

LA Relation de Planck-Einstein (1900-1905) [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

W desperacji Planck hipotezuje, że wymiana energii między promieniowaniem elektromagnetycznym czarnego korpusu a materią stanowiącą ściany piekarnika zostały określone ilościowo, to znaczy, że energia jest przesyłana przez pakiety. Dokładniej, dla monochromatycznego promieniowania częstotliwości

${displayStyle not}$

, wymiany energii mogły odbywać się tylko przez wiele liczb całkowitych o minimalnej ilości, a kwant ^{[[[ 3 ]} energia:

$m tipe sleleh eylehoryy yhy?$

Lub

${DisplayStyle n = 0,1,2,3, …}$

jest dodatnią liczbą całkowitą i

${DisplayStyle H}$

Nowa uniwersalna stała ^{[[[ 4 ]} , dziś nazywany Planck Constant lub Quantum D’Action . Ta stała jest warta:

${DisplayStyle Happrox 6626.10^{-34}}$

Joule.s

Pisane jest prawo Plancka dla promieniowania czarnego ciała:

${DisplayStyle B_ {Lambda} (t) = {frac {2 {pi} hc^{2}} {Lambda^{5} {big (} e^{frac {hc} {{Lambda} kt}}-1 { Duży )}}}}$

${DisplayStyle Lambda}$

będąc długością fali,

${DisplayStyle T}$

Temperatura w Kelvin,

${DisplayStyle H}$

Planck jest stały,

${DisplayStyle K}$

Stała Boltzmanna i

${DisplayStyle C}$

Prędkość światła w próżni.

L ‘ Hipoteza kwantowa De Max Planck został przejęty i uzupełniony przez Alberta Einsteina w 1905 r. W celu interpretacji efektu fotoelektrycznego.

Efekt fotoelektryczny (1905) [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Na końcu Xix ^{To jest} Stuletnie fizycy zauważyli, że gdy metalowe światło ze światłem może emitować elektrony.

Ich energia kinetyczna zależy od częstotliwości padającego światła, a ich liczba zależy od intensywności światła, co jest trudne do zrozumienia w modelu falowym światła. W szczególności, jeśli światło padające ma częstotliwość poniżej pewnego progu, nic się nie dzieje, nawet jeśli czekamy bardzo długo. Wynik ten jest klasycznie niezrozumiały, ponieważ teoria Maxwella wiąże się z falami elektromagnetycznymi, gęstość energii proporcjonalna do intensywności światła, więc klasycznie możliwe jest gromadzenie tyle energii w metalu w świetle wystarczająco długo i „bez względu na częstotliwość częstotliwości. Rozważane promieniowanie incydentów ”. Nie powinno być progu.

Zainspirowany Planckiem, Einstein zaproponowany w 1905 r. Prosta hipoteza wyjaśniająca zjawisko: „Promieniowanie elektromagnetyczne sama jest określone ilościowo”, każde „ziarno światła”-które zostanie ochrzczone foton Następnie – będąc nosicielem kwantów energii

${DisplayStyle e = hnu}$

. Elektrony pochłaniające fotony nabierają tej energii; Jeśli jest większy niż stała energia progowa (która zależy tylko od natury metalu), elektrony mogą wydostać się z metalu. Emitowane elektrony mają następnie energię kinetyczną:

${displayStyle {frac {1} {2}} mv^{2} = hnu -e_ {text {seuil}}}$

.

W tym artykule zdobył Einstein tytuł lekarza w fizyce teoretycznej w 1905 r. Oraz Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1921 r.

Stabilność atomów [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Pod koniec pojawiły się dwa poważne problemy Xix ^{To jest} wiek dotyczący atomów, składający się z wielu punktualnych elektronów ^{[[[ 5 ]} naładowane negatywnie i prawie produkcyjne jądro ^{[[[ 6 ]} , pozytywnie załadowane:

• Stabilność atomu jest niezrozumiała w kontekście teorii klasycznej. Rzeczywiście, teoria Maxwella mówi, że każde „przyspieszone” obciążenie promieniuje energią w postaci fali elektromagnetycznej. W klasycznym modelu planetarnym elektrony są przyspieszane na swoich orbitach w atomie, a ich energia musi się zmniejszyć: elektrony spadają na jądro. Obliczenie charakterystycznego czasu trwania tego zjawiska wynosi około 10 ns , więc klasyczne atomy są niestabilne, które najwyraźniej jest sprzeczne.

• Ponadto klasyczna teoria przewiduje, że promieniowanie emitowane przez przyspieszony elektron ma częstotliwość równą częstotliwości kątowej ruchu. Elektron nieustannie spada na jądro, jego częstotliwość kątowa rośnie w sposób ciągły i należy zaobserwować ciągłe spektrum. Jednak światło emitowane przez atomową lampę spektralną parową ma spektrum dyskretnych promieni.

To duński Niels Bohr, który zaoferuje pierwszy półklasyczny model, który pozwala obejść te trudności.

Modyle the Borr (1913) [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Model BOHR atomu wodoru to model, który wykorzystuje dwa bardzo różne składniki:

• Opis klasycznej mechaniki nierelatywistycznej: elektron obraca się wokół protonu na okrągłej orbicie;
• Dwa składniki kwantowe do tego :
  • Dozwolone są tylko niektóre okrągłe orbitale (kwantyfikacja). Ponadto elektron na okrągłym orbicie nie promuje, w przeciwieństwie do tego, co przewiduje teorię Maxwella,
  • Elektron może czasami przechodzić z okrągłego orbity dozwolonego do innej dozwolonej okrągłej orbity, pod warunkiem, że emitował światło o bardzo precyzyjnej częstotliwości, powiązane z różnicą energii między dwiema okrągłymi orbitami zgodnie z relacją Planck-Einsteina.

Egzotyczna mieszanka tych składników daje spektakularne wyniki: zgodność z doświadczeniem jest rzeczywiście doskonała.

Sommerfeld Ulepszenia (1916) [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Sommerfeld doskonali model Bohr w dwóch etapach:

1. Uogólnienie na orbity eliptyczne;
2. Leczenie relatywistycznego modelu za pomocą orbity eliptycznej.

Włączenie efektów relatywistycznych tylko poprawia porównanie z wynikami eksperymentalnymi.

Chociaż było jasne, że światło przedstawiło dualność fali, Louis de Broglie zaproponował odważnie uogólnianie tej dualności na wszystkie znane cząstki.

W swojej pracy z 1923 r. De Broglie kojarzy się z każdą cząsteczką sprzętu

${DisplayStyle e}$

częstotliwość

${displayStyle not}$

Zgodnie z relacją Plancka-Einsteina już wspomnianego i, czyniąc nowy, proponuje powiązanie z Impetusem

${DisplayStyle p = mv}$

masywnej cząstki nierelatywicznej a długość fali

${DisplayStyle Lambda}$

, zgodnie z prawem :

${DisplayStyle p = {frac {h} {lambda}}}$

.

To był nowy rewolucyjny krok. Paul Langevin natychmiast przeczytał tezę od Brogliego do Einsteina, który oświadczył: „On [de Broglie] podniósł róg głównej zasłony. Postać fali elektronu otrzyma bezpośrednie potwierdzenie eksperymentalne z doświadczeniem dyfrakcji elektronów przez kryształ wykonany przez Davissona i kiełkował w 1927 r.

Relacje De Broglie można również napisać:

${displayStyle lewy {{begin {matrix} e = hbar omega \ {vec {p}} = hbar {vec {k}} end {matryca}} right.}$

Pod względem pulsacji:

${DisplayStyle Omega = 2pi nu}$

i wektor falowy

${DisplayStyle {rzecz {k}}}$

, którego standard jest wart:

${DisplayStyle k = 2pi /lambda}$

.

Elektrony, obciążone cząstki, oddziałują ze światłem, klasycznie opisane przez pole elektromagnetyczne. Jednak klasyczna fizyka nie wyjaśnia obserwowanej zmienności długości fali promieniowania jako funkcji kierunku dyfuzji.
Prawidłową interpretację tego faktu eksperymentalnego zostanie przekazana przez Compton i jego współpracowników pod koniec doświadczeń przeprowadzonych w latach 1925–1927.

Efekt ten, ochrzczony na jego honor Compton Effect, jest dobrze opisany przez uwzględnienie wstrząsu fotonu-elektronowego, jako wstrząs między dwiema cząstkami, a foton niosący kwant energii

${DisplayStyle e = hnu}$

i Impulse Quantum

${DisplayStyle {rzecz {p}} = hbar {rzecz {k}}}$

. Fotony są uwalniane zgodnie z zmiennymi kierunkami i mają zmianę długości fali, która zależy od kierunku dyfuzji.

Odniesienia historyczne [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

• Max Planck, Inicjacje do fizyki , Flammarion (1941). Ponowne wydanie w kolekcji Champs 204, Flammarion (1989) (ISBN 2-08-081204-1 ) .
• Niels Bohr, Fizyka atomowa i wiedza ludzka , Gauthier-Villars (1961). Ponowne wydanie w kolekcji Folio-Essais 157, Gallimard (1991) (ISBN 2-07-032619-5 ) .
• Werner Heisenberg, Część i całość – świat fizyki atomowej , Albin Michel (1972). Ponowne wydanie w kolekcji Champs 215, Flammarion (1990) (ISBN 2-08-081215-7 ) .
• Louis de Broglie, Nowa fizyka i kwant , Flammarion (1974) (ISBN 2-08-210196-7 ) . Ponowne wydanie w kolekcji Champs, Flammarion (1990) (ISBN 2-08-081170-3 ) .
• Albert Einstein i Léopold Infield, Ewolucja pomysłów w fizyce – od pierwszych koncepcji po teorie względności i kwantów , (1936). Ponowne wydanie w kolekcji Champs, Flammarion (1983) (ISBN 2-08-081119-3 ) .
• Émile Meyerson, Prawdziwy i determinizm w fizyce kwantowej , Hermann, 1933

Nowoczesne syntezę [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

• Banceh Hoffman et Michel Paty, Dziwna historia Quanty , Kolekcja punktów punktów 26, Le Seuil (1981). (ISBN 2-02-005417-5 )
• Emilio Segré, Współcześni lekarze i ich odkrycia – od X -Klatków po kwarki , Fayard (1984) (ISBN 2-213-01383-7 ) . Popularna historia, która obejmuje okres 1895–1983. Autor otrzymał (W) Prix ​​Nober W 1959 r. Do eksperymentalnego odkrycia antyprotonu.
• (W) Rodzice Abrahama, Wewnętrzny związany – materia i siły w świecie fizycznym , Oxford University Press (1986) (ISBN 0-19-851997-4 ) . Ta niezwykła historia rozwoju współczesnej fizyki rozpoczęła się w 1895 roku wraz z eksperymentalnym odkryciem promieni rentgenowskich i zakończyła się w 1983 r. Podczas eksperymentalnego odkrycia w Cern of the Bosons-Verceur W i Z. Pomysły, systematycznie wskazujące odniesienia oryginalnych publikacji.
• Georges Gamow, Trzydzieści lat, które wstrząsnęły fizyką (historia teorii kwantowej) , 1968. Ponowne wydanie Jacquesa Gabay (2000) (ISBN 2-87647-135-3 ) .
• Stephaza Deligeorges (red.), Świat kwantowy , Point-Sciences 46 Collection, Le Seuil (1984). (ISBN 2-02-008908-4 )
• Emile Noël (red.), Materia dzisiaj , Point-Sciences 24, Le Seuil (1981). (ISBN 2-02-005739-5 )
• Étienne Klein, Mała podróż do świata Quanta , Collection Champs 557, Flammarion (2004). (ISBN 2-08-080063-9 )
• José Leite-Lopes i Bruno Escoubès, Źródła i ewolucja fizyki kwantowej – teksty założycielskie , Masson (1995) (ISBN 2-25-84607-3 ) . Ponownie wydany przez E.D.P. Nauki. Daje ogólny pogląd na ewolucję pomysłów Xix ^{To jest} wiek do 1993 roku, a także francuskie tłumaczenie niektórych artykułów założycieli.
• (W) B.L. Van der Warden (red.), Źródła mechaniki kwantowej , Dover Publications, Inc. (1967) (ISBN 0-486-61881-1 ) . Ten tom łączy niektóre z pionierskich artykułów w latach 1916–1926.
• Bernard Cagnac i Jean-Claude Pebay-Peyroula, Fizyka atomowa – Tom 1: Doświadczenia i zasady podstawowe , Dunod (1975). (ISBN 2-04-002555-3 ) . Ta książka opisuje następujące aspekty eksperymentalne precyzyjnie i szczegółowo: efekt fotoelektryczny, spectra optyczna, doświadczenie Francka i Hertz, efekt Comptona, emisja i wchłanianie fotonów, laser, fala dualności -fala -konorktula, Modele, a także wiele aspektów magnetyzmu orbitalnego i magnetyzmu spinowego, w tym doświadczenie Sterna i Gerlach.