დატრიალებული სისტემა. ნაწილაკების საერთო სახელი

წყალბადის ატომის სპექტრის შესწავლისას აღმოაჩინეს, რომ მათ აქვთ ორმაგი სტრუქტურა (თითოეული სპექტრული ხაზი იყოფა ორ ზოლად). ამ ფენომენის ასახსნელად ვარაუდობდნენ, რომ ელექტრონს აქვს საკუთარი მექანიკური კუთხოვანი იმპულსი - სპინი (). თავდაპირველად სპინი უკავშირდებოდა ელექტრონის ბრუნვას მისი ღერძის გარშემო. მოგვიანებით გაირკვა, რომ ეს არასწორი იყო. სპინი არის ელექტრონის შინაგანი კვანტური თვისება - მას არ გააჩნია კლასიკური ანალოგი. სპინი კვანტირებულია კანონის მიხედვით:

სად - დატრიალება კვანტური რიცხვი.

ორბიტალური კუთხური იმპულსის ანალოგიით, პროექცია
სპინი კვანტიზებულია ისე, რომ ვექტორი შეუძლია მიიღოს
ორიენტაციები. ვინაიდან სპექტრული ხაზი იყოფა მხოლოდ ორ ნაწილად, მაშინ ორიენტაციები მხოლოდ ორი:
, აქედან
. ბრუნის პროექცია არჩეულ მიმართულებაზე განისაზღვრება გამოხატულებით:

სად - მაგნიტური კვანტური რიცხვი. მას მხოლოდ ორი მნიშვნელობა შეიძლება ჰქონდეს
.

ამრიგად, ექსპერიმენტულმა მონაცემებმა გამოიწვია სპინის დანერგვის აუცილებლობა. ამიტომ ამისთვის სრული აღწერაატომში ელექტრონის მდგომარეობა, მთავარ, ორბიტალურ და მაგნიტურ კვანტურ რიცხვებთან ერთად აუცილებელია მაგნიტური სპინის კვანტური რიცხვის მითითება.

პაულის პრინციპი. ელექტრონების განაწილება ატომში მდგომარეობების მიხედვით.

ატომში თითოეული ელექტრონის მდგომარეობა ხასიათდება ოთხი კვანტური რიცხვით:

(
1, 2, 3,...) – კვანტირებს ენერგიას ,

(
0, 1, 2,…,
) – კვანტირებს ორბიტალურ მექანიკურ მომენტს ,

(
0,
,
,…,
) – კვანტირებს კუთხური იმპულსის პროექციას მოცემულ მიმართულებაზე ,

(
) – კვანტირებს სპინის პროექციას მოცემულ მიმართულებამდე
.

მატებასთან ერთად ენერგია იზრდება. ატომის ნორმალურ მდგომარეობაში ელექტრონები ყველაზე დაბალია ენერგიის დონეები. როგორც ჩანს, მათ ყველა უნდა შეეძლოს 1s. მაგრამ გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ ეს ასე არ არის.

შვეიცარიელმა ფიზიკოსმა ვ. პაულიმ ჩამოაყალიბა პრინციპი: ერთ ატომში არ შეიძლება იყოს ორი ელექტრონი ერთი და იგივე კვანტური რიცხვებით. ,,
,. ანუ ორი ელექტრონი უნდა განსხვავდებოდეს მინიმუმ ერთ კვანტურ რიცხვში.

მნიშვნელობა შეესაბამება სხვადასხვა ღირებულების მქონე სახელმწიფოები და
. Მაგრამ ასევე აქვს ორი მნიშვნელობა
და
, ეს ნიშნავს ყველაფერს
შტატები. მაშასადამე, ქვეყნებში მოცემული შესაძლოა
ელექტრონები. ელექტრონების კოლექცია იგივე ფენას უწოდებენ და იგივე და - ჭურვი.

ორბიტალური კვანტური რიცხვიდან გამომდინარე იღებს ღირებულებებს ადრე
, ფენის ჭურვების რაოდენობა უდრის . გარსში ელექტრონების რაოდენობა განისაზღვრება მაგნიტური და სპინის კვანტური რიცხვებით: ელექტრონების მაქსიმალური რაოდენობა გარსში მოცემული უდრის
. ფენების აღნიშვნა და ელექტრონების განაწილება ფენებსა და გარსებზე წარმოდგენილია ცხრილში 1.

შტატებში ელექტრონების განაწილების გამოყენებით, შეიძლება აიხსნას მენდელეევის პერიოდული კანონი. ყოველ მომდევნო ატომს აქვს კიდევ ერთი ელექტრონი, რომელიც მდებარეობს ყველაზე დაბალი ენერგიის მქონე მდგომარეობაში.

ელემენტების პერიოდული სისტემა იწყება წყალბადის უმარტივესი ატომით. მისი ერთადერთი ელექტრონი არის 1s მდგომარეობაში, რომელიც ხასიათდება კვანტური რიცხვებით
,
და
(სპინის ორიენტაცია თვითნებურია).

ატომში
ორი ელექტრონი არის 1s მდგომარეობაში ანტიპარალელური სპინებით. ატომზე
მთავრდება K-ფენის შევსება, რაც შეესაბამება მენდელეევის პერიოდული სისტემის 1-ლი პერიოდის დასრულებას.

ატომზე
3 ელექტრონი. პაულის პრინციპის მიხედვით, მესამე ელექტრონი ვეღარ ჯდება მთლიანად შევსებულ K ფენაში და იკავებს ყველაზე დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობას.
(L-ფენა), ანუ 2s მდგომარეობა. ელექტრონული კონფიგურაცია ატომისთვის
: 12. ატომი
იწყება მენდელეევის პერიოდული ცხრილის მე-2 პერიოდი. მე-2 პერიოდი მთავრდება ინერტული აირის ნეონით. ნეონის ატომს აქვს მთლიანად შევსებული 2p გარსი და მთლიანად შევსებული L ფენა.

მეთერთმეტე ელექტრონი
მოთავსებულია Mlayer-ში (
), იკავებს უმცირეს მდგომარეობას 3s. ელექტრონული კონფიგურაცია ამისთვის
: 1223. 3s ელექტრონი (როგორც ლითიუმის 2s ელექტრონი) არის ვალენტური ელექტრონი, შესაბამისად თვისებები
თვისებების მსგავსი
.
მთავრდება მე-3 პერიოდი. მისი ელექტრონული კონფიგურაცია
: 12233. კალიუმის ატომიდან დაწყებული, გადახრა ხდება ელექტრონული გარსების მოწყობაში. 3D გარსის შევსების ნაცვლად, ჯერ 4-ები ივსება(
: 122334). ეს იმიტომ ხდება, რომ 4s ჭურვი ენერგიულად უფრო ხელსაყრელია და მდებარეობს ბირთვთან უფრო ახლოს, ვიდრე 3D ჭურვი. 4-ების შევსების შემდეგ ივსება 3d, შემდეგ კი 4p გარსი, რომელიც უფრო შორს არის ბირთვიდან ვიდრე 3d.

ჩვენ ვაგრძელებთ ასეთ გადახრებს. 4f გარსი, რომელიც შეიცავს 14 ელექტრონს, იწყებს შევსებას 5s, 5p, 6s შევსების შემდეგ. შედეგად, 58-71 ელემენტებში დამატებული ელექტრონები სახლდება 4f მდგომარეობაში და ამ ელემენტების გარე ელექტრონული გარსები იგივეა. აქედან გამომდინარე, მათი თვისებები მსგავსია. ამ ელემენტებს ლანთანიდები ეწოდება. აქტინიდები (90-103) მსგავსია თვისებებით, სადაც 5f გარსი ივსება მუდმივ 7-ზე. .

ამრიგად, მენდელეევის მიერ აღმოჩენილი პერიოდულობა ელემენტების ქიმიურ თვისებებში აიხსნება დაკავშირებული ელემენტების ატომების გარე გარსების სტრუქტურაში განმეორებადობით.

ვალენტობა ქიმიური ელემენტიუდრის ელექტრონების რაოდენობას s ან p გარსში მაქსიმალური n-ით. თუ s,p,d,… ჭურვები მთლიანად ივსება, მაშინ მათი ტრიალები ანაზღაურდება. ასეთი ელემენტები დიამაგნიტურია. თუ ჭურვები ბოლომდე არ არის შევსებული, მაშინ არის არაკომპენსირებული ტრიალები. ესენი არიან პარამაგნიტური.

გოლები: 0,1,2,3…
ნახევარი მთელი რიცხვი: 1/2, 3/2, ...

ტრიალი მნიშვნელოვანი მახასიათებელია ელემენტარული ნაწილაკები.
აღმოჩენის ისტორია
ელექტრონის სპინი აღმოაჩინეს 1925 წელს ულენბეკმა და გოლდსმიტმა, ჩაატარეს ექსპერიმენტები ელექტრონების სხივის გაყოფაზე არაერთგვაროვან მაგნიტურ ველში. მეცნიერები იმედოვნებდნენ, რომ დაენახათ, როგორ გაიყო ელექტრონების სხივი რამდენიმე ელექტრონად, კვანტური ორბიტალური იმპულსისგან დაშორებით. თუ ელექტრონების კუთხური იმპულსი ნულის ტოლი, მაშინ სხივი არ გაიყოფა, თუ კუთხური იმპულსი ტოლი იქნება , მაშინ სხივი გაიყოფა სამად და ა.შ., კუთხოვანი იმპულსის დროს 2L +1 სხივად. შედეგმა ყოველგვარ მოლოდინს გადააჭარბა: სხივი ორად გაიყო. ამის ახსნა შეიძლებოდა მხოლოდ ელექტრონს საკუთარი მომენტის მიკუთვნებით. ელექტრონის ამ შინაგან მომენტს სპინი ეწოდება. თავიდან ითვლებოდა, რომ სპინი შეესაბამებოდა ელექტრონის რაიმე სახის შიდა ბრუნვას, მაგრამ მალე პოლ დირაკმა გამოიტანა შრედინგერის განტოლების რელატივისტური ანალოგი (ე.წ. დირაკის განტოლება), რომელიც ავტომატურად ხსნიდა სპინის არსებობას სრულიად სხვაგან. პრინციპები.
სპინის კონცეფციამ შესაძლებელი გახადა თეორიის აგება პერიოდული ცხრილი, გაირკვეს ატომური სპექტრების აგებულება, ახსნას ბუნება კოვალენტური ბმები, თ.
სპინ ოპერატორი
მათემატიკურად, სპინი აღწერილია Spinor-ით - სვეტი 2S + 1 ტალღის ფუნქციებით, სადაც S არის სპინის მნიშვნელობა. ამრიგად, ნულოვანი სპინის მქონე ნაწილაკები აღწერილია ერთი ტალღის ფუნქციით ან სკალარული ველით, ნაწილაკები სპინით 1/2 (მაგალითად ელექტრონები) ორი ტალღური ფუნქციით ან სპინორული ველით, ნაწილაკები სპინით 1 სამი ტალღის ფუნქციით ან ვექტორული ველი.
სპინის ოპერატორები არის ზომის მატრიცები (2S +1) x (2S +1). 1/2 სპინის მქონე ნაწილაკების შემთხვევაში, სპინის ოპერატორი პაულის მატრიცების პროპორციულია.

ვინაიდან პაულოს მატრიცები არ მოძრაობს, შესაძლებელია მხოლოდ ერთდროულად განსაზღვრა საკუთარი მნიშვნელობებიერთ - ერთი მათგანი. ჩვეულებრივ არჩევენ? ზ.შესაბამისად, სპინის პროექციას z ღერძზე ელექტრონი შეიძლება ჰქონდეს შემდეგი მნიშვნელობები.

c მდგომარეობაზე ხშირად საუბრობენ, როგორც მდგომარეობაზე ზევით მიმართული სპინით, ხოლო c მდგომარეობაზე ხშირად საუბრობენ როგორც ქვევით მიმართულ მდგომარეობაზე, თუმცა ეს სახელები საკმაოდ თვითნებურია და არ შეესაბამება სივრცის არცერთ მიმართულებას.
სხვა დატრიალებული კომპონენტების მნიშვნელობები გაურკვეველია.

სპინი ყველაზე მეტია მარტივი რამრომელსაც შეუძლია კვანტურ მექანიკასა და კლასიკურ მექანიკას შორის განსხვავების დემონსტრირება. განმარტებიდან ჩანს, რომ ის დაკავშირებულია ბრუნვასთან, მაგრამ არ უნდა წარმოვიდგინოთ ელექტრონი ან პროტონი, როგორც მბრუნავი ბურთები. ისევე როგორც ბევრ სხვა დადგენილ შემთხვევაში სამეცნიერო ტერმინებიდადასტურდა, რომ ეს ასე არ არის, მაგრამ ტერმინოლოგია უკვე ჩამოყალიბებულია. ელექტრონი არის წერტილის ნაწილაკი (ნულოვანი რადიუსი). და სპინი პასუხისმგებელია მაგნიტური თვისებები. თუ ელექტრულად დამუხტული ნაწილაკი მოძრაობს მრუდი ტრაექტორიის გასწვრივ (ბრუნვის ჩათვლით), მაშინ წარმოიქმნება მაგნიტური ველი. ელექტრომაგნიტები ასე მუშაობენ - ელექტრონები მოძრაობენ ხვეულის მავთულის გასწვრივ. მაგრამ სპინი განსხვავდება კლასიკური მაგნიტისგან. აი კარგი ანიმაცია:

თუ მაგნიტები გადის არაერთგვაროვან მაგნიტურ ველში (შენიშვნა განსხვავებული ფორმაჩრდილოეთი და სამხრეთ პოლუსებიმაგნიტი, რომელიც ადგენს ველს), შემდეგ მაგნიტის ორიენტაციის მიხედვით (მისი მაგნიტური მომენტის ვექტორი), ისინი უფრო მაღალი კონცენტრაციით პოლუსიდან მოიზიდება (მოგერიდება). ელექტრო სადენებიმაგნიტური ველი (მაგნიტის წვეტიანი პოლუსი). პერპენდიკულარული ორიენტაციის შემთხვევაში მაგნიტი საერთოდ არ გადაიხრება არსად და დაეშვება ეკრანის ცენტრში.

ელექტრონების გავლისას ჩვენ მხოლოდ ზევით ან ქვევით გადახრას დავაკვირდებით იმავე მანძილზე. ეს არის კვანტიზაციის (დისკრეტულობის) მაგალითი. ელექტრონის სპინს შეუძლია მიიღოს მხოლოდ ერთი ორი მნიშვნელობიდან მოცემული მაგნიტის ორიენტაციის ღერძთან მიმართებაში - "ზევით" ან "ქვემოთ". ვინაიდან ელექტრონის გონებრივად წარმოდგენა შეუძლებელია (მას არც ფერი აქვს, არც ფორმა და არც მოძრაობის ტრაექტორია), როგორც ყველა ასეთ ანიმაციაში, ფერადი ბურთები რეალობას არ ასახავს, ​​მაგრამ არსი, ვფიქრობ, გასაგებია.

თუ ელექტრონი გადაიხრება ზევით, მაშინ ამბობენ, რომ მისი სპინი მიმართულია „ზემოთ“ (+1/2 არის პირობითად დანიშნული) მაგნიტის ღერძის მიმართ. თუ ქვემოთ, მაშინ -1/2. და როგორც ჩანს, სპინი შეიძლება აღწერილი იყოს ჩვეულებრივი ვექტორით, რომელიც მიუთითებს მიმართულებაზე. იმ ელექტრონებისთვის, სადაც ის მიმართული იყო ზევით, ისინი გადაიხრება ზევით მაგნიტურ ველში, ხოლო იმ ელექტრონებისთვის ქვევით, ისინი გადაიხრება ქვევით, შესაბამისად. მაგრამ ყველაფერი ასე მარტივი არ არის! ელექტრონი გადახრილია ზემოთ (ქვემოთ) იმავე მანძილზე ნებისმიერი მაგნიტის ორიენტაციის მიმართ. ზემოთ მოცემულ ვიდეოში შესაძლებელი იქნება არა გადასული მაგნიტების ორიენტაციის შეცვლა, არამედ თავად მაგნიტის როტაცია, რაც ქმნის მაგნიტურ ველს. ეფექტი ჩვეულებრივი მაგნიტების შემთხვევაშიც იგივე იქნება. რა მოხდება ელექტრონების შემთხვევაში - მაგნიტებისგან განსხვავებით, ისინი ყოველთვის ერთი და იგივე მანძილით გადაიხრებიან ზემოთ ან ქვემოთ.

თუ, მაგალითად, ვერტიკალურად განლაგებულ კლასიკურ მაგნიტს გაივლით ორ მაგნიტში, რომლებიც პერპენდიკულარულად არიან ორიენტირებულნი ერთმანეთთან შედარებით, შემდეგ გადახრით ზევით პირველში, ის საერთოდ არ გადაიხრება მეორეში - მისი მაგნიტური მომენტის ვექტორი იქნება მაგნიტური ველის პერპენდიკულარული. ხაზები. ზემოთ მოცემულ ვიდეოში ეს ის შემთხვევაა, როდესაც მაგნიტი ეკრანის ცენტრს ურტყამს. ელექტრონი სადღაც უნდა გადაიხრებოდეს.

თუ მეორე მაგნიტზე გავივლით მხოლოდ ელექტრონებს ზევით სპინით, როგორც ფიგურაში, მაშინ გამოდის, რომ ზოგიერთ მათგანს ასევე აქვს სპინი მაღლა (ქვემოთ) სხვა პერპენდიკულარულ ღერძთან შედარებით. მარჯვნივ და მარცხნივ ფაქტობრივად არის, მაგრამ სპინი იზომება არჩეულ ღერძთან შედარებით, ასე რომ, "ზევით" და "ქვემოთ" არის საერთო ტერმინოლოგია ღერძის მითითებასთან ერთად. ვექტორი არ შეიძლება იყოს მიმართული დაუყოვნებლივ ზემოთ და მარჯვნივ. ჩვენ ვასკვნით, რომ სპინი არ არის კლასიკური ვექტორი, რომელიც მიმაგრებულია ელექტრონზე, როგორც მაგნიტის მაგნიტური მომენტის ვექტორი. უფრო მეტიც, იმის ცოდნა, რომ ელექტრონის სპინი მიმართულია ზემოთ, პირველი მაგნიტის გავლის შემდეგ (ჩვენ ვბლოკავთ მათ, ვინც გადახრის ქვევით), შეუძლებელია იმის პროგნოზირება, თუ სად გადაიხრება ის მეორე შემთხვევაში: მარჯვნივ თუ მარცხნივ.

აბა, შეგიძლიათ ექსპერიმენტი კიდევ ცოტა გაართულოთ - დაბლოკოთ ელექტრონები, რომლებიც მარცხნივ გადახრილი არიან და გაივლიან მესამე მაგნიტის მეშვეობით, რომელიც ორიენტირებულია პირველივით.

და ჩვენ დავინახავთ, რომ ელექტრონები გადახრილი იქნება როგორც ზემოთ, ასევე ქვემოთ. ანუ მეორე მაგნიტში შემავალ ელექტრონებს ჰქონდათ სპინი ზემოთ პირველი მაგნიტის ორიენტაციის მიმართ, შემდეგ კი ზოგიერთი მათგანი მოულოდნელად გახდა სპინი იმავე ღერძის მიმართ.

უცნაურია! თუ თქვენ გაივლით კლასიკურ მაგნიტებს ასეთი დიზაინის მეშვეობით, რომლებიც ბრუნავს იმავე თვითნებურად არჩეული კუთხით, მაშინ ისინი ყოველთვის აღმოჩნდებიან ეკრანის იმავე წერტილში. ამას დეტერმინიზმი ჰქვია. ექსპერიმენტის გამეორება სრული დაცვით საწყისი პირობებიიგივე შედეგი უნდა მივიღოთ. ეს არის მეცნიერების წინასწარმეტყველური ძალის საფუძველი. ჩვენი ინტუიცია კი ეფუძნება შედეგების განმეორებადობას მსგავს სიტუაციებში. IN კვანტური მექანიკაზოგადად შეუძლებელია იმის პროგნოზირება, თუ სად გადახრის კონკრეტული ელექტრონი. მიუხედავად იმისა, რომ ზოგიერთ სიტუაციაში არის გამონაკლისები: თუ თქვენ მოათავსებთ ორ მაგნიტს ერთი და იგივე ორიენტაციის მქონე, მაშინ თუ ელექტრონი გადაიხრება ზევით პირველში, მაშინ ის აუცილებლად გადაიხრება ზევით მეორეში. და თუ მაგნიტები ბრუნავენ 180 გრადუსით ერთმანეთთან შედარებით და პირველში ელექტრონი გადაიხრება, მაგალითად, ქვემოთ, მაშინ მეორეში აუცილებლად გადაიხრება ზემოთ. და პირიქით. ტრიალი თავისთავად არ იცვლება. ეს უკვე კარგია)

რა ზოგადი დასკვნების გამოტანა შეიძლება ამ ყველაფრისგან?

1. ბევრი რაოდენობა, რომელსაც შეუძლია მიიღოს ნებისმიერი ღირებულება კლასიკური მექანიკა, შეიძლება ჰქონდეს მხოლოდ რამდენიმე დისკრეტული (კვანტიზებული) მნიშვნელობები კვანტური თეორია. სპინის გარდა, ატომებში ელექტრონების ენერგია მთავარი მაგალითია.
2. მიკროსამყაროს ობიექტებს არ შეიძლება მიენიჭოს კლასიკური მახასიათებლები გაზომვის მომენტამდე. ჩვენ არ შეგვიძლია ვივარაუდოთ, რომ სპინი ჰქონდა რაიმე კონკრეტული მიმართულება მანამ, სანამ გადავხედავდით, სად გადახრილი იყო ელექტრონი. ეს ზოგადი პოზიციადა ეს ეხება ყველა გაზომილ რაოდენობას: კოორდინატებს, სიჩქარეს და ა.შ. Კვანტური მექანიკა . ის ამტკიცებს, რომ ის არის ობიექტური, არავისზე დამოკიდებული კლასიკური სამყარო, უბრალოდ არ არსებობს. ყველაზე ნათლად აჩვენებს ამ ფაქტს. (დამკვირვებელი) კვანტურ მექანიკაში ძალიან მნიშვნელოვანია.
3. გაზომვის პროცესი გადაწერს (აქცევს შეუსაბამო) ინფორმაციას წინა გაზომვის შესახებ. თუ სპინი მიმართულია ღერძის მიმართ ზევით წ, მაშინ არ აქვს მნიშვნელობა, რომ ადრე იგი მიმართული იყო ზემოთ ღერძის მიმართ x, შეიძლება აღმოჩნდეს, რომ ტრიალებს იმავე ღერძთან შედარებით xშემდგომში. ისევ და ისევ, ეს გარემოება ეხება არა მხოლოდ ზურგს. მაგალითად, თუ ელექტრონი აღმოჩენილია კოორდინატების მქონე წერტილში ( x, წ, ზ) ეს საერთოდ არ ნიშნავს იმას, რომ ის ადრე იყო ამ ეტაპზე. Ეს ფაქტიცნობილია როგორც ტალღური ფუნქციის კოლაფსი.
4. არის ფიზიკური სიდიდეები, რომელთა მნიშვნელობების ერთდროულად გაგება შეუძლებელია. მაგალითად, თქვენ არ შეგიძლიათ გაზომოთ სპინი ღერძთან შედარებით xდა ამავე დროს მის პერპენდიკულარულ ღერძთან შედარებით წ. თუ ჩვენ ვცდილობთ გავაკეთოთ ორივე ერთდროულად, მაშინ მაგნიტური ველებიორი შემობრუნებული მაგნიტი გადაიფარება და ორი განსხვავებული ღერძის ნაცვლად მივიღებთ ერთ ახალს და გავზომავთ მის მიმართ ტრიალს. ასევე შეუძლებელი იქნება თანმიმდევრულად გაზომვა წინა No3 დასკვნის გამო. ისიც არის ზოგადი პრინციპი. მაგალითად, პოზიცია და იმპულსი (სიჩქარე) ასევე შეუძლებელია ერთდროულად დიდი სიზუსტით - ცნობილი ჰაიზენბერგის გაურკვევლობის პრინციპი.
5. პრინციპში შეუძლებელია ერთი გაზომვის შედეგის პროგნოზირება. კვანტური მექანიკა საშუალებას გვაძლევს გამოვთვალოთ მხოლოდ კონკრეტული მოვლენის ალბათობა. მაგალითად, შეგიძლიათ გამოთვალოთ, რომ პირველ სურათზე ექსპერიმენტში, როდესაც მაგნიტები ერთმანეთზე 90°-ით არიან ორიენტირებული, 50% გადაიხრება მარცხნივ და 50% მარჯვნივ. შეუძლებელია იმის პროგნოზირება, თუ სად გადაიხრება კონკრეტული ელექტრონი. ეს ზოგადი გარემოება ცნობილია, როგორც "დაბადებული წესი" და ცენტრალურია.
6. დეტერმინისტული კლასიკური კანონებიმიღებულია ალბათური კვანტური მექანიკურიდან იმის გამო, რომ მაკროსკოპულ ობიექტში ბევრი ნაწილაკია და სავარაუდო რყევები საშუალოდ არის გათვლილი. მაგალითად, თუ პირველ სურათზე ექსპერიმენტში ვერტიკალურად ორიენტირებული კლასიკური მაგნიტი გაივლება, მაშინ მისი შემადგენელი ნაწილაკების 50% მას „გაიყვანს“ მარჯვნივ, ხოლო 50% მარცხნივ. შედეგად ის არსად გადაუხვევს. მაგნიტის კუთხეების სხვა ორიენტირებისთვის, პროცენტი, რაც საბოლოოდ გავლენას ახდენს გადახრილ მანძილზე. კვანტური მექანიკა საშუალებას გაძლევთ გამოთვალოთ კონკრეტული ალბათობები და, შედეგად, შეგიძლიათ მიიღოთ მისგან გადახრილი მანძილის ფორმულა, რომელიც დამოკიდებულია მაგნიტის ორიენტაციის კუთხიდან, რომელიც ჩვეულებრივ მიიღება კლასიკური ელექტროდინამიკით. ასე მომდინარეობს კლასიკური ფიზიკა და კვანტური ფიზიკის შედეგია.

დიახ, მაგნიტებით აღწერილ მოქმედებებს სტერნ-გერლახის ექსპერიმენტს უწოდებენ.

არის ვიდეო ვერსია ამ პოსტისდა ელემენტარული შესავალი კვანტურ მექანიკაში.

პოპულარული რწმენის საწინააღმდეგოდ, სპინი არის წმინდა კვანტური ფენომენი. უფრო მეტიც, სპინს არაფერი აქვს საერთო თავის გარშემო „ნაწილაკების ბრუნვასთან“.

იმისათვის, რომ სწორად გავიგოთ რა არის სპინი, ჯერ გავიგოთ რა არის ნაწილაკი. ველის კვანტური თეორიიდან ვიცით, რომ ნაწილაკები არიან გარკვეული ტიპისპირველადი მდგომარეობის აგზნება (ვაკუუმი), რომლებსაც აქვთ გარკვეული თვისებები. კერძოდ, ზოგიერთ ამ აგზნებას აქვს მასა, რომელიც ძალიან გვახსენებს ნიუტონის კანონების ტრადიციულ მასას. ზოგიერთ ამ აგზნებას აქვს არანულოვანი მუხტი, რომელიც ძალიან ჰგავს კულონის კანონების მუხტს.

გარდა იმ თვისებებისა, რომლებსაც აქვთ ანალოგები კლასიკურ ფიზიკაში (მასა, მუხტი), გამოდის (ექსპერიმენტებში), რომ ამ აგზნებას უნდა ჰქონდეს კიდევ ერთი თვისება, რომელსაც აბსოლუტურად არ აქვს ანალოგი კლასიკურ ფიზიკაში. კიდევ ერთხელ ხაზს ვუსვამ ამას: ანალოგები არ არის (ეს არ არის ნაწილაკების ბრუნვა). გამოთვლების დროს აღმოჩნდა, რომ ეს სპინი არ არის ნაწილაკების სკალარული მახასიათებელი, როგორიცაა მასა ან მუხტი, არამედ სხვა (არა ვექტორი).

აღმოჩნდა, რომ სპინი არის შინაგანი მახასიათებელიისეთი მღელვარება, რომელიც თავისებურად მათემატიკური თვისებები(მაგალითად, ტრანსფორმაციის კანონი) ძალიან ჰგავს კვანტურ მომენტს.

მერე გაგრძელდა და გაგრძელდა. აღმოჩნდა, რომ ასეთი აგზნების თვისებები, მათი ტალღური ფუნქციები, ძალიან არის დამოკიდებული ამ ტრიალის სიდიდეზე. ამრიგად, ნაწილაკი 0 სპინით (მაგალითად, ჰიგსის ბოზონი) შეიძლება აღიწეროს ერთკომპონენტიანი ტალღური ფუნქციით, ხოლო ნაწილაკისთვის 1/2 სპინით უნდა არსებობდეს ორკომპონენტიანი ფუნქცია (ვექტორული ფუნქცია), რომელიც შეესაბამება სპინის პროექცია მოცემულ 1/2 ან -1/2 ღერძზე. ასევე აღმოჩნდა, რომ სპინი ატარებს ფუნდამენტურ განსხვავებას ნაწილაკებს შორის. ამრიგად, ნაწილაკებისთვის, რომლებსაც აქვთ მთელი სპინი (0, 1, 2), მოქმედებს ბოზე-აინშტაინის განაწილების კანონი, რომელიც საშუალებას აძლევს იმდენ ნაწილაკს იყოს ერთ კვანტურ მდგომარეობაში. ხოლო ნახევრად მთელი რიცხვის სპინის მქონე ნაწილაკებისთვის (1/2, 3/2), პაულის გამორიცხვის პრინციპის გამო, მოქმედებს ფერმი-დირაკის განაწილება, რომელიც კრძალავს ორ ნაწილაკს ერთ კვანტურ მდგომარეობაში ყოფნას. ამ უკანასკნელის წყალობით ატომებს აქვთ ბორის დონეები, ამის გამო შესაძლებელია კავშირები და, შესაბამისად, შესაძლებელია სიცოცხლე.

ეს ნიშნავს, რომ სპინი განსაზღვრავს ნაწილაკების მახასიათებლებს და როგორ იქცევა იგი სხვა ნაწილაკებთან ურთიერთობისას. ფოტონს აქვს 1-ის ტოლი სპინი და ბევრი ფოტონი შეიძლება იყოს ძალიან ახლოს ერთმანეთთან და არ იმოქმედოს ერთმანეთთან, ან ფოტონები გლუონებთან, რადგან ამ უკანასკნელებსაც აქვთ სპინი = 1 და ა.შ. და 1/2 სპინის მქონე ელექტრონები ერთმანეთს მოიგერიებენ (როგორც სკოლაში ასწავლიან - -დან, + +-დან.) სწორად გავიგე?

და კიდევ ერთი შეკითხვა: რა აძლევს თავად ნაწილაკს სპიინს ან რატომ არსებობს სპინი? თუ სპინი აღწერს ნაწილაკების ქცევას, მაშინ რას აღწერს და შესაძლებელს ხდის თავად სპინი (ნებისმიერი ბოზონები (მათ შორის არსებული ჰიპოთეტური) ან ე.წ. სიმები)?

ასე რომ, მოდი, მთლიანად აბსტრაქცია გავუკეთოთ საკუთარ თავს და დავივიწყოთ ნებისმიერი კლასიკური განმარტებები. რადგან თან ქინძისთავი უნიკალური კონცეფციაა კვანტური სამყარო. შევეცადოთ გაერკვნენ, რა არის ეს.

მეტი გამოსადეგი ინფორმაციასტუდენტებისთვის - ჩვენს ტელეგრამაზე.

ბრუნი და კუთხოვანი იმპულსი

Დატრიალება(ინგლისურიდან დატრიალება– ბრუნვა) – ელემენტარული ნაწილაკების შინაგანი კუთხური იმპულსი.

ახლა გავიხსენოთ რა არის კუთხოვანი იმპულსი კლასიკურ მექანიკაში.

იმპულსი- ეს ფიზიკური რაოდენობა, ახასიათებს ბრუნვის მოძრაობა, უფრო ზუსტად, ბრუნვის მოძრაობის რაოდენობა.

კლასიკურ მექანიკაში კუთხური იმპულსი განისაზღვრება როგორც ვექტორული პროდუქტინაწილაკების იმპულსი მისი რადიუსის ვექტორის მიხედვით:

ანალოგიით კლასიკური მექანიკა დატრიალებაახასიათებს ნაწილაკების ბრუნვას. ისინი წარმოდგენილია ღერძის გარშემო მბრუნავი მწვერვალების სახით. თუ ნაწილაკს აქვს მუხტი, მაშინ, როდესაც ბრუნავს, ის ქმნის მაგნიტურ მომენტს და არის ერთგვარი მაგნიტი.

თუმცა, ამ როტაციის კლასიკურად ინტერპრეტაცია შეუძლებელია. ყველა ნაწილაკს, გარდა სპინისა, აქვს გარეგანი ან ორბიტალური კუთხოვანი იმპულსი, რომელიც ახასიათებს ნაწილაკების ბრუნვას გარკვეულ წერტილთან მიმართებაში. მაგალითად, როდესაც ნაწილაკი მოძრაობს წრიული ბილიკის გასწვრივ (ელექტრონი ბირთვის გარშემო).

სპინი არის საკუთარი კუთხოვანი იმპულსი , ანუ ახასიათებს ნაწილაკების შიდა ბრუნვის მდგომარეობას გარე ორბიტალური კუთხური იმპულსის მიუხედავად. სადაც ტრიალი არ არის დამოკიდებული ნაწილაკების გარე მოძრაობებზე .

შეუძლებელია იმის წარმოდგენა, თუ რა ბრუნავს ნაწილაკში. თუმცა ფაქტი ფაქტად რჩება, რომ დამუხტული ნაწილაკებისთვის საპირისპირო მიმართული ტრიალით, მაგნიტურ ველში მოძრაობის ტრაექტორიები განსხვავებული იქნება.

კვანტური რიცხვის დატრიალება

კვანტურ ფიზიკაში სპინის დასახასიათებლად იგი დაინერგა სპინური კვანტური რიცხვი.

სპინის კვანტური რიცხვი არის ნაწილაკების თანდაყოლილი ერთ-ერთი კვანტური რიცხვი. ხშირად სპინის კვანტურ რიცხვს უბრალოდ სპინი ეწოდება. თუმცა, უნდა გვესმოდეს, რომ ნაწილაკის სპინი (მისი კუთხური იმპულსის გაგებით) და სპინის კვანტური რიცხვი ერთი და იგივე არ არის. სპინის ნომერი აღინიშნება ასოთი ჯ და იღებს უამრავ დისკრეტულ მნიშვნელობას და თავად სპინის მნიშვნელობა პროპორციულია შემცირებული პლანკის მუდმივთან:

ბოზონები და ფერმიონები

სხვადასხვა ნაწილაკებს აქვთ სხვადასხვა სპინის რიცხვი. ასე რომ, მთავარი განსხვავება ისაა, რომ ზოგს აქვს მთელი სპინი, ზოგს კი ნახევარი მთელი რიცხვი. ნაწილაკებს, რომლებსაც აქვთ მთელი რიცხვი სპინი, ეწოდება ბოზონები, ხოლო ნახევარმთლიანებს - ფერმიონები.

ბოზონები ემორჩილებიან ბოზე-აინშტაინის სტატისტიკას, ფერმიონები კი ფერმი-დირაკის სტატისტიკას. ბოზონებისგან შემდგარ ნაწილაკთა ანსამბლში, მათი ნებისმიერი რაოდენობა შეიძლება იყოს იმავე მდგომარეობაში. ფერმიონებთან კი პირიქითაა - ნაწილაკების ერთ სისტემაში ორი იდენტური ფერმიონის არსებობა შეუძლებელია.

ბოზონები: ფოტონი, გლუონი, ჰიგსის ბოზონი. - ცალკე სტატიაში.

ფერმიონები: ელექტრონი, ლეპტონი, კვარკი

შევეცადოთ წარმოვიდგინოთ, თუ როგორ განსხვავდება ნაწილაკები დატრიალებული ნომრებიმაკროკოსმოსის მაგალითების გამოყენებით. თუ ობიექტის სპინი ნულის ტოლია, მაშინ ის შეიძლება წარმოდგენილი იყოს წერტილის სახით. ყველა მხრიდან, როგორც არ უნდა დაატრიალოთ ეს ობიექტი, ის იგივე იქნება. 1-ის დატრიალებით, ობიექტის 360 გრადუსით როტაცია უბრუნებს მას თავდაპირველი მდგომარეობის იდენტურ მდგომარეობაში.

მაგალითად, ფანქარი, რომელიც ცალ მხარეს არის დამკვეთი. 2-იანი დატრიალება შეიძლება წარმოვიდგინოთ, როგორც ორივე მხრიდან მახვილი ფანქარი - როცა ასეთ ფანქარს 180 გრადუსით ვატრიალებთ, ვერავითარ ცვლილებებს ვერ შევამჩნევთ. მაგრამ ნახევრად მთელი რიცხვი 1/2-ის ტოლი სპინი წარმოდგენილია ობიექტით, რომლის საწყის მდგომარეობაში დასაბრუნებლად საჭიროა 720 გრადუსიანი შემობრუნება. მაგალითი იქნება წერტილი მოძრავი მობიუსის ზოლის გასწვრივ.

Ისე, დატრიალება - კვანტური მახასიათებელიელემენტარული ნაწილაკები, რომლებიც ემსახურება მათი შიდა ბრუნვის, ნაწილაკების კუთხური იმპულსის აღწერას, მისი გარე მოძრაობებისგან დამოუკიდებლად.

ვიმედოვნებთ, რომ ამ თეორიას სწრაფად დაეუფლებით და საჭიროების შემთხვევაში შეძლებთ ცოდნის პრაქტიკაში გამოყენებას. კარგად, თუ კვანტური მექანიკის პრობლემა ძალიან რთული აღმოჩნდა ან ვერ შეძლებთ ამის გაკეთებას, არ დაივიწყოთ სტუდენტური სამსახური, რომლის სპეციალისტები მზად არიან სამაშველოში. იმის გათვალისწინებით, რომ თავად რიჩარდ ფეინმანმა თქვა, რომ ”სრულიად კვანტური ფიზიკაარავის ესმის”, გამოცდილი სპეციალისტების დახმარებისთვის მიმართვა სავსებით ბუნებრივია!