Kvantinė mechanika

Kvantinė mechanika, kartais vadinama kvantine fizika, yra fizikos teorija, atsiradusi XX a. pradžioje. Ši teorija aprašo mikrodaleles (atomus, elektronus, protonus, neutrinus ir kt) ir jų sąveikas. Šios dalelės iš esmės skiriasi nuo klasikinės mechanikos aprašomų materialiųjų taškų. Todėl klasikinė fizika negalėjo paaiškinti tokių reiškinių kaip šiluminis spinduliavimas, fotoefektas, atomų spektro linijų pasiskirstymas ir kt.

Prie kvantinės mechanikos teorijos sukūrimo daugiausia prisidėjo tokie mokslininkai kaip Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Albertas Einšteinas, P.A. M. Dirac, Nilsas Boras ir John von Neumann. Teorijos atsiradimą galime sieti su mokslininkais dirbusiais Centrinėje Europoje, Vokietijoje ir Austrijoje, taip pat Anglijoje.

Esminiai kvantinės mechanikos principai:

• Šviesa yra kvantuota.
• Elektromagnetiniam laukui ir materijai būdingos ir dalelių, ir banginės savybės (bangos-dalelės dualumas).
• Heizenbergo neapibrėžtumo principas – jei tiksliai apibrėžta dalelės padėtis erdvėje, tai negalima pasakyti koks jos judesio kiekis ir atvirkščiai.
• Paulio draudimo principas – du fermionai negali užimti vienos ir tos pačios būsenos vienu laiko momentu.
• Šredingerio lygtis.

Istorija

Šiuolaikinė kvantinės mechanikos teorija buvo sukurta trečiajame XX amžiaus dešimtmetyje. Pagrindą teorijai suteikė ankstesni eksperimentai, kurių nebuvo galima paaiškinti klasikiniais dėsniais, bei pavienės teorijos, aiškinančios tuos eksperimentus.

Juodojo kūno spinduliavimas

XIX a. antroje pusėje suformuluota elektromagnetizmo teorija nesugebėjo paaiškinti absoliučiai juodo kūno spinduliavimo spektro. Tuo metu egzistavusios šio reiškinio teorijos tiksliai aprašydavo tik tam tikrą spektro dalį: labai žemus dažnius arba labai aukštus dažnius. Pirmajam pilnai spektrą paaiškinti pavyko vokiečių fizikui Maksui Plankui. 1901 metais jis paskelbė savo teoriją, kurioje buvo pateikta prielaida, jog kūnas šviesą spinduliuoja ne nepertraukiamu dažniu, bet tik tam tikro dažnio kvantais. Šviesos kvanto energija tiesiogiai proporcinga šviesos dažniui: $E=h\nu \!$, kur proporcingumo koeficientas $h$ yra vadinama Planko konstanta.

Fotoefektas

Klasikinė fizika taip pat negalėjo paaiškinti, kodėl stebint šviesos fotoefektą elektronų greitis nepriklauso nuo šviesos intensyvumo, tačiau priklauso nuo jos dažnio. Šį reiškinį 1905 metais pavyko paaiškinti A. Einšteinui, kuris rėmėsi prielaida, kad šviesos energija yra proporcinga šviesos dažniui bei tuo, kad šviesa yra ne tik spinduliuojama, tačiau ir sugeriama kvantais.

de Broilio hipotezė

Iš M. Planko bei A. Einšteino darbų sekė, kad šviesa pasižymi ne tik bangų, bet ir dalelių savybėmis. Šią mintį 1924 metais prancūzų fizikas Luisas de Broilis išplėtė visoms medžiagos formoms. Jis teigė, kad bet kuri dalelė elgiasi kaip banga, kurios bangos ilgis λ yra atvirkščiai proporcingas jos judėjimo kiekiui $p$:

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

De Broilio idėja po trejų metų buvo patvirtinta eksperimentiškai, kai buvo aptikta elektronų difrakcija.

Kvantinė mechanika ir magnetizmas

Kvantinė mechanika yra vienintelis fizikos skyrius, galintis pilnavertiškai paaiškinti magnetizmo reiškinį. Magnetizmo priežastys slypi atominiame medžiagų sandaros lygmenyje.

Klasikinės fizikos požiūriu, medžiagų elektronai skrieja apie branduolius uždaromis orbitomis, nutolusiomis nuo branduolio tam tikru atstumu. Kadangi elektronai turi elektros krūvį, tai judėdami ratu jie sukuria elektros srovę, o pastaroji kuria magnetinį lauką. Iš to seka, kad atomo magnetinis momentas tiesiogiai priklauso nuo jo orbitinio judesio kiekio momento.

20 amžiaus pradžioje buvo žinoma, kad vandenilio atomo žemiausio energetinio lygmens orbitinis judėjimo kiekio momentas yra lygus nuliui. Kita vertus, spektruose buvo aiškiai matyti dvi linijos, t. y., pilnas atomo magnetinis momentas buvo nelygus nuliui. Iš pradžių buvo manoma, kad šis magnetinis momentas atsiranda dėl elektrono sukimosi aplink savo ašį, tačiau ši idėja buvo greitai sukritikuota. Mat remiantis šia idėja bei norint paaiškinti eksperimento rezultatus, linijinis elektrono paviršiaus judėjimo greitis turėtų viršyti šviesos greitį, o tai prieštarautų specialiajai reliatyvumo teorijai. Vėliau buvo pasiūlyta teorija, kad elektronai turi savąjį judėjimo kiekio momentą, kuris yra nesusijęs su mechaniniu judėjimu ir yra vidinė dalelės savybė. Šis dydis dar vadinamas sukiniu. Pilnas atomo judesio kiekio momentas yra jo orbitinio judesio kiekio momento ir visų elektronų sukinių vektorinė suma. Atomų judesio kiekio momentas taip pat yra kvantuotas.

Nuorodos

• Quantiki portalas (angl.)