Atom neden hayatta kalır ve çökmez? Bu soru çok önemli
Kuantum mekaniği temel bir doğadan kaynaklanır: Bir parçacığın konumu ve momentumu aynı anda keyfi bir hassasiyetle ölçülemez. Konum% 100 belirlenirse, momentumu hakkında hiçbir şey bilinmez ve bunun tersi de geçerlidir. Genellikle bir uzlaşma vardır.
Bir parçacığın konumu belirli bir nokta etrafında r yarıçapı içinde belirlenebilirse, momentumunun en az bir p belirsizliği vardır, bu p × r ~ h / 2'yi sağlar, burada h doğal bir sabittir, "Planck "Sabit" değeri çok küçüktür, bu nedenle makro koşullar altında göz ardı edilebilir, ancak atomlar ve atomları oluşturan daha düşük seviyeli parçacıklar için kilit bir kontrol rolü oynar.
Işığın dalga-parçacık ikiliği Newton'a kadar izlenebilir. Işık performansından, parçacık ışınlarından oluşmuş gibi görünüyor: Açık bir gölge oluşturmak için düz bir çizgide hareket ediyor ve klasik geometrik optik prensiplerine uyan farklı ortamların (hava ve cam gibi) kesişme noktasında kırılacak. Ancak ışığın aynı zamanda belirgin dalga özellikleri vardır: gölgenin kenarı gerçekte bulanık olacaktır; (en iyi gözlemlenen ışık dalgası örneği) birkaç küçük delikten geçerken, açık ve koyu girişim saçakları oluşturmak için birbirlerini etkileyecektir. Belirli koşullar altında, üst üste binen iki ışık huzmesi sönme gösterecektir.Işığı bir dalga olarak düşünürseniz, bu fenomeni anlamak kolaydır: iki dalga tepesi eşleştiğinde, daha büyük bir tepe oluşacaktır. Parlaklık artırılır, ancak zirveler ve çukurlar eşleştiğinde, her iki dalga da kaybolacak ve sönme olgusu karanlık oluşturuyormuş gibi görünecektir.
1900'de Max Planck, ışığın foton adı verilen mikroskobik enerji "paketi" veya "kuantum" şeklinde yayılacağını keşfetti. 1905'te Einstein, ışığın uzayda hareket ettiğinde, torbanın bu durumunu koruyacağını kanıtladı. Planck, kuantum enerji teorisine dayanarak, h sembolü olarak kısaltılan ünlü Planck sabitini önerdi. Bu, kuantum teorisinin başlangıcıdır ve ilk sonucu, atomların neden çökmeden hayatta kalabileceğini başarılı bir şekilde açıklamaktır.
Hidrojen atomunun içinde bir elektron vardır ve bu elektron merkez proton etrafında ışık hızının 1 / 137'sinde döner. 1000 km / s hızla 10 m'lik bir yörünge boyunca dönme, saniyede bir katrilyon devir anlamına gelir. Maxwell'in teorisine göre, elektronların şu anda elektromanyetik radyasyon yayması son derece kolaydır, böylece atom oluştuğunda, elektron hemen çekirdeğe yakın spiral yörüngeyi takip etmeli ve sonunda bir flaş ışınıyla birleşmelidir.
Peki atom nasıl var olur? Yakında ışıyan enerjinin nicelleştirildiği keşfedildi, bu yüzden Neils Bohr atomların içindeki elektronların enerjisinin de nicelleştirildiğini varsaydı: yalnızca belirli belirli enerjilere sahip olabilirler. Elektronlar bu spesifik enerji seviyeleriyle sınırlı olacaklar, bu yüzden sürekli enerjiyi yayamayacaklar, bu yüzden çekirdeğe doğru düzgün bir şekilde ilerlemeyecekler. Bunun yerine, elektronlar yalnızca bir enerji seviyesinden diğerine geçebilir ve aynı zamanda toplam enerji değerini değişmeden tutmak için enerjiyi serbest bırakabilir veya emebilir (büyük bir zaman ölçeğinde enerji tasarrufu). Elektronlar en düşük enerji seviyesine ulaştığında, gidecek daha düşük enerji seviyesi yoktur, bu nedenle bu enerji seviyesinde kalacaklar ve sonunda kararlı bir atom oluşturacaklardır.
Belki de bunun sadece iftira olduğundan şüphelenmeye başladınız: atom kararlı çünkü kararlı. Ancak buna oynaklık perspektifinden bakarsak sebebini bilebiliriz. Boll, Planck sabitinin h atomun etrafındaki elektronların enerji seviyesini belirlediğini varsayar. Modern bilim perspektifinden, ışık ve elektronlar uçuculuğa sahiptir ve dalga boyu ve momentum Planck sabiti h ile bağlanabilir. Bu teoriyi hidrojen atomuna uygulayın: Çevresinde yalnızca bir elektron bulunan en basit atomdur. Elektron dalga yolu eşleşmediğinde, iptal edilecek ve yok edilecektir.
Bir elektron yörüngede kaldığında enerji yaymaz, ancak yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçiş yaptığında enerji yayar Bohr, ışıyan enerjinin ışığa dönüştüğünü varsayar ve ardından karşılık gelen dalga boyunu hesaplar. Hidrojen atomlarının karmaşık spektrumu ile tam uyum içinde olduğu bulunmuştur. Einstein daha sonra Planck'ın kuantum teorisini foton radyasyonu problemine başarıyla uyguladı.
Planck'ın kuantum teorisi ve Bohr'un büyük keşiflerinin günümüz bilimi üzerinde derin bir etkisi var. Önemli etkilerden biri, kuantum teorisinin tüm maddenin dalga-parçacık ikililiğine sahip olduğuna inanmasıdır: genellikle bir elektronun bir tür parçacık olduğunu düşünürüz, ancak aslında bir dalga karakteristiğine sahip olan bir "elektrik alanın" kuantum paketidir. İnanılmaz gelebilir, ama doğru; elektronların uçuculuğuna dayanarak insanlar elektron mikroskobunu icat etti.
