мини|upright=1.3|Бранови функции на електрон во водороден атом на различни енергетски нивоа. Квантната механика не може да ја предвиди точната местоположба на честичка во просторот, само веројатноста да се најде на различни местоположби. Посветлите подрачја прикажуваат поголема веројатност да се најде електрон. Квантна механика — една од помладите гранки на физиката и истата се занимава со проучување на механиката во рамките на микродимензии (т.е. движење на атомски и субатомски честички), интеракции и размена на енергија помеѓу нив.
Класичната физика е неточна теорија, меѓутоа дава сосема соодветни и употребливи резултати ако се користи вон рамките на макросветот и за брзини неспоредливо помали од брзината на светлината. Ако се излезе вон рамките на класичната физика (физиката развиена од страна на Галилео Галилеј, Исак Њутн и други научници), таа дава неточни резултати и практично е бескорисна. Затоа, наместо неа се користи квантната механика (во микросветот) и релативитистичката физика (за брзини од ред на светлосната).
Важни концепти во квантната механика се:
Дискретизација на енергијата Браново-честична природа на материјата Тунелски ефект Хајзенбергово начело на неопределеност Шредингерова равенка Бранова функција и нејзина интерпретација Приближно решавање на Шредингеровата равенка WBK метод Теорија на растројувањата Спин
Историја
Историјата на квантната механика започнува во 1838 година со откривањето на катодните зраци од страна на Мајкл Фарадеј. По ова следувало поставувањето на проблемот на зрачење од црно тело на Густав Кирхоф, па сугестијата на Лудвиг Болцман од 1877 која вели дека енергетските состојби на физичкиот систем би можеле да се дискретни, а во 1900, Макс Планк ја објавува својата квантна хипотеза. Планковата хипотеза дека енергијата зрачи и се апсорбира во дискретни „кванти“ (или „енергетски елементи“) совршено се совпаѓала со набљудуваните закономерности на зрачењето од црно тело. Според Планк, секој енергетски елемент Е е пропорционален со неговата честота ν:
каде h e Планковата константа. Планк (внимателно) инсистирал дека ова е аспект на процесите на апсорпција и емисија на зрачењето и дека нема ништо заедничко со самата физичка реалност. Меѓутоа, во 1905 година, Алберт Ајнштајн реалистично ја протолкувал Планковата квантна хипотеза и ја искористил за да го објасни фотоелектричниот ефект, при кој светлината што зрачи на одредени материјали може да исфрли електрони од материјалот.
Основите на квантната механика биле поставени за време на првата половина од 20-от век од Макс Планк, Нилс Бор, Вернер Хајзенберг, Луј де Број, Артур Комптон, Алберт Ајнштајн, Ервин Шредингер, Макс Борн, Џон фон Нојман, Пол Дирак, Волфганг Паули, Давид Хилберт, Вилхелм Вин, Шатјендранат Бозе, Арнолд Зомерфелд и други. Во средината на 1920-тите, развојот во квантната механика довел до тоа таа да стане стандардна формулација за атомската физика. Во летото 1925, Бор и Хајзенберг објавиле резултати кои и ставиле крај на „старата квантна теорија“. И покрај партиулатното однесување во одредени процеси и мерења, светлинските кванти започнале да се нарекуваат фотони. Од ајнштајновиот едноставен постулат произлегла бура од дебати, теоретизации и тестирања. Така се појавила квантната физика, што довело до нејзино пошироко прифаќање на Петтата Солвејска конференција во 1927.
Проучувањето на електромагнетните бранови (како што е видливата светлина) исто така ја поттикнало појавата на квантната механика. Кога во 1900 Макс Планк забележа дека енергијата на брановите може да се опише како мали пакети од „кванти“, Алберт Ајнштајн ја разработи оваа идеја и покажа дека електромагнетен бран каков што е светлината може да се опише како честица (подоцна наречена фотон) со дискретен квантум на енергија која е зависна од нејзината честота. Ова доведе до теорија на единство меѓу субатомските честички и електромагнетните бранови наречена корпускуларно-бранов дуализам, според кој честичките и брановите не се ниту едното, ниту другото, туку поседуваат одредени својства на двете.
Иако квантната механика традиционално го опишувала светот на многу малото, таа исто така требала да објасни одредени скоро проучени макроскопски системи, како суперспроводниците и суперфлуидите.
Зборот квантум доаѓа од латински јазик и значи „колку големо“ или „колку многу“. Во квантната механика, тој се однесува на дискретна единица која квантната теорија ја припишува на одредени физички количества, како енергијата на атомот во невозбудена (мирна) состојба. Откритието дека честичките се дискретни пакети од енергија со брановидни својства доведе до создавање на гранката на физиката која се занимава со атомските и субатомските системи, денес наречена квантна механика. Таа е основната математичка рамка на многу полиња од физиката и хемијата, меѓу кои физика на кондензирана материја, физика на цврсто тело, атомска физика, молекуларна физика, пресметковна физика, пресметковна хемија, квантна хемија, физика на честички, јадрена хемија и јадрена физика. Некои фундаментални аспекти од оваа теорија сè уште активно се проучуваат.
Квантната механика е неопходна за разбирање на однесувањето на системите на ниво на атоми, како и на помало ниво. На пример, ако класичната механика навистина ја владеела работата на атомот, електроните брзо би се движеле кон јадрото и би се судриле со него, со што стабилните атоми би биле невозможно да постојат. Меѓутоа, во природата електроните остануваат во неодреден, недетерминистички, „разлеан“, пробабилистички орбитален пат околу (или низ) јадрото, пренебрегнувајќи го класичниот електромагнетизам.
Првобитно квантната механика била создадена да овозможи подобро објаснување на атомот, особено на разликите во спектарот на светлината емитирана од различни изотопи на еден ист елемент. Квантната теорија за атомот се развила како објаснување за останувањето на електронот во неговата орбита, што не може да се објасни со Њутновите закони за движење и Максвеловите равенки на класичниот електромагнетизам.
Во поширока смисла, квантната механика во себе вклучува четири класи на феномени кои не се предмет на проучување во класичната физика:
Квантизација на одредени физички својства Корпускуларно-бранов дуализам Принцип на неодреденост Квантна разделеност.
Првата квантна теорија: Макс Планк и зрачењето од црно тело
Топлинското зрачење е електромагнетно зрачење емитирано од површината на даден објект што настанува како резултат на температурата која ја поседува објектот. Ако објектот доволно се загрее, тој започнува да емитува светлина во црвениот дел на спектарот. Натамошното загревање предизвикува промена на бојата - од црвена во жолта, сина, бела - сето тоа поради емитување на светлина со сè помала бранова должина (а поголема честота). Се покажува дека совршениот емитер е и совршен апсорбер. Кога е ладно, таквиот објект изгледа совршено црн, бидејќи ја апсорбира сета светлина која паѓа на него, а не ја емитува истата. Како последица од ова, идеалниот топлински емитер е познат како црно тело, а зрачењето кое го емитува е наречено зрачење од црно тело.
Во доцниот 19 век, топлинското зрачење било релативно добро експериментално проучено. Како брановата должина на која зрачењето е најсилно се менува со температурата е дадено со Законот за Виново поместување, а целокупната моќ емитувана на единица површина е дадена со Штефан-Болцмановиот закон. Меѓутоа, класичната физика не била во можност да ја објасни врската меѓу температурата и најзастапените честоти на зрачењето. Всушност, класичната физика предвидувала дека на кратки бранови должини, енергијата бесконечно ќе се емитува од жешко тело. Овој резултат, кој е јасно дека е погрешен, е познат како ултравиолетова катастрофа. Физичарите биле во потрага по една теорија која би објаснувала зошто тие добивале вакви експериментални резултати.
Првиот модел кој можел да го објасни целосниот спектар на топлинско зрачење бил поставен од страна на Макс Планк во 1900. Тој го моделирал топлинското зрачење како да се наоѓа во рамнотежа, користејќи низа на хармониски осцилатори. За да повторно ги изведе експерименталните резултати, тој морал да претпостави дека секој осцилатор давал цел број на единици од енергија во неговата единечна карактеристична честота, а не произволно количество енергија. Со други зборови, енергијата на секој осцилатор била „квантирана“. Квантумот енергија за секој осцилатор, според Планк, бил пропорционален со честотата на осцилаторот; константата на пропорционалност денес е позната како Планкова константа. Таа обично се означува со и има вредност , па така енергијата на осцилатор со честота е дадена со
Планковиот закон бил првата квантна теорија во физиката, за што Планк ја добил Нобеловата награда во 1918 година „како признание за заслугите за напредокот на физиката со откривање на енергетските кванти“. Како и да е, во тоа време Планк сметал дека квантирањето било само математички трик, а не (како што денес е познато) фундаментална промена во нашето поимање за светот.
Фотони: квантизација на светлината
Во 1905, Алберт Ајнштајн се придвижил еден чекор понапред. Тој сугерирал дека квантирањето не било само математички трик: енергијата во еден сноп светлина постои во поединечни пакети, кои сега се наречени фотони. Енергијата на еден фотон е дадена со неговата честота помножена со Планковата константа:
Со векови научниците воделе расправа за две можни теории за светлината: дали таа е бран или дали таа се состои од поток на ситни честички? Во 19 век, оваа дилема се сметала за решена во полза на брановата теорија, бидејќи можеле да се објаснат набљудуваните ефекти како рефракција, дифракција и поларизација. Џејмс Клерк Максвел покажал дека електричеството, магнетизмот и светлината се манифестации на ист феномен: електромагнетно поле. Максвеловите равенки, кои ја сочинуваат севкупната низа на закони на класичниот електромагнетизам, ја опишуваат светлината како бранови: комбинација на осцилирачки електрични и магнетни полиња. Поради предноста која ја имале доказите во полза на брановата теорија, идеите на Ајнштајн најпрво биле прифатени со голем скептицизам. Но, подоцна фотонскиот модел предничел; еден од најзначајните докази во негова полза била можноста тој да објасни неколку загадочни својства на фотоелектричниот ефект, кој е опишан во следниот пасус. Како и да е, брановата аналогија останала незаменлива при сфаќањето на другите одлики на светлината, како дифракцијата.
Фотоелектричен ефект
Во 1887, Хајнрих Херц забележал дека светлината може да исфрли електрони од метал. Во 1902, Филип Ленард открил дека максималната можна енергија на исфрлен електрон е поврзана со честотата на светлината, а не со нејзината јачина; ако честотата е многу мала, не се исфрлаат електрони, без разлика на јачината. Најмалата честота на светлината која предизвикува исфрлање на електроните (поттикнувачка честота) е различна за секој метал. Ова гледиште се коси со класичниот електромагнетизам, кој предвидува дека енергијата на електронот би требало да е пропорционална со јачината на зрачењето.
Ајнштајн го објаснил овој ефект постулирајќи дека сноп светлина е поток на честички (фотони), и дека ако снопот е со честота , тогаш секој фотон има енергија еднаква на . Еден електрон е најверојатно да биде удрен само од еден фотон кој доделува енергија на електронот. Затоа, јачината на снопот нема ефект; само неговата честота ја одредува максималната енергија која може да му се додели на електронот.
За да го објасни поттикнувачкиот ефект на светлината врз исфрлањето електрони, Ајнштајн велел дека е потребна одредена количина на енергија (наречена работна функција или ) за да се отстрани електрон од металот. Ова количество енергија е различно за секој метал. Ако енергијата на фотонот е помала од работната функција, тогаш тој не носи доволно енергија за да го отстрани (исфрли) електронот од металот. Поттикнувачката честота () е честотата на фотон чија енергија е еднаква на работната функција: