Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg

Πριν μάθουμε για την Αρχή της Αβεβαιότητας του Heisenberg, θα πρέπει να γνωρίζουμε τη φύση του φωτός. Ο Αϊνστάιν υπέθεσε και γνώριζε ότι το φως είναι ένα σωματίδιο (φωτόνιο) και γνωρίζουμε ότι η ροή των φωτονίων είναι ένα κύμα. Ο Αϊνστάιν πρότεινε ότι το φως είναι ένα σωματίδιο (φωτόνιο) και η εισροή φωτονίων είναι ένα κύμα. Το κύριο σημείο της πρότασης της ποσότητας φωτός του Αϊνστάιν είναι ότι η ενέργεια του φωτός συνδέεται με τη συχνότητα ταλάντωσής του. Έτσι, το φως μπορεί να περιγραφεί ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα και ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο.

Η Αρχή της Αβεβαιότητας εισήχθη το 1927 από τον Werner Heisenberg, έναν Γερμανό φυσικό, ο οποίος δήλωσε την αρχή του ερωτήματος που είναι η συνέπεια του δυαδικού κύματος της ύλης και της ακτινοβολίας.

Εξίσωση Αρχής Αβεβαιότητας Heisenberg

Η Αρχή της Αβεβαιότητας του Heisenberg δηλώνει ότι είναι αδύνατο να προσδιοριστεί, κατά σύμπτωση, η ακριβής θέση και η ακριβής ορμή (ή ταχύτητα) ενός ηλεκτρονίου. Μαθηματικά, μπορεί να παρουσιαστεί ως εξίσωση

∆x.∆p ≥ h/4π

Ή ∆x.∆(mv) ​​≥ h/4π

Ή ∆x.∆(v) ≥ h/4π

∆ x είναι το ερώτημα στη θέση και το ∆px (ή ∆ vx) είναι το ερώτημα σε υποκίνηση (ή βιασύνη) του σωματιδίου. Ωστόσο, η ταχύτητα του ηλεκτρονίου θα είναι επίσης αβέβαιη (Δ (vx) μεγάλο) εάν η θέση του ηλεκτρονίου είναι γνωστή με υψηλή ακρίβεια (το Δ x είναι μικρό). Από την άλλη πλευρά, εάν η ταχύτητα του ηλεκτρονίου κατανοηθεί απότομη (η Δ (vx) είναι μικρή), η θέση του ηλεκτρονίου θα είναι επίσης αβέβαιη (το Δ x θα είναι μεγάλο). Επομένως, εάν εφαρμόσουμε κάποια φυσικά μέτρα για τη θέση ή την ταχύτητα του ηλεκτρονίου, η συνέπεια θα απεικονίζει συνεχώς μια ασαφή ή θολή εικόνα.

Παράδειγμα και εξήγηση

Η αρχή της αβεβαιότητας μπορεί να συναχθεί καλύτερα με τη βοήθεια μιας απεικόνισης. Ας υποθέσουμε ότι σας ζητείται να μετρήσετε τη συνοχή της απόστασης του χαρτιού με ένα μη σημειωμένο μέτρο. Τα αποτελέσματα που θα επιτευχθούν θα ήταν εξαιρετικά ανακριβή και άσκοπα. Για να αποκτήσετε οποιαδήποτε ακρίβεια, θα πρέπει να δεσμεύσετε ένα όργανο βαθμολογημένο σε μονάδες χαμηλότερη από την περίμετρο ενός φύλλου χαρτιού.

Προϋποθέσεις και απαιτήσεις

Ομοίως, για να προβλέψουμε σωστά τη θέση ενός ηλεκτρονίου, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ένα μετρητή βαθμονομημένο σε μονάδες χαμηλότερα από τα όρια του ηλεκτρονίου (σημειώστε ότι ένα ηλεκτρόνιο θεωρείται σημειακό φορτίο και, επομένως, είναι αδιάστατο). Για να παρατηρήσουμε ένα ηλεκτρόνιο, μπορούμε να το ακτινοβολήσουμε με «φως» ή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Το "φως" που χρησιμοποιείται πρέπει να έχει μήκος κύματος μικρότερο από τα όρια ενός ηλεκτρονίου. Τα τεράστια φωτόνια ορμής παρόμοιου φωτός (p =h/ λ) θα αναδιατυπώσουν την ενέργεια των ηλεκτρονίων με συγκρούσεις. Σε αυτή τη λειτουργία, θα ήμασταν σίγουρα σε θέση να υπολογίσουμε τη θέση του ηλεκτρονίου, αλλά θα γνωρίζαμε πολύ λίγα για την ταχύτητα του ηλεκτρονίου μετά τη σύγκρουση.

Σημασία

Μια σημαντική εφαρμογή της Αρχής της Αβεβαιότητας του Heisenberg είναι ότι βοηθά στην εξάλειψη της ύπαρξης καθορισμένων μονοπατιών ή μονοπατιών πτήσης ηλεκτρονίων και άλλων παρόμοιων σωματιδίων. Η διαδρομή πτήσης ενός αντικειμένου κρίνεται από τη θέση και την ταχύτητά του σε διάφορες στιγμές. Ωστόσο, μπορούμε να πούμε πού θα βρισκόταν τελικά το σώμα στη συνέχεια, εάν δούμε πού βρίσκεται ένα σώμα σε μια συγκεκριμένη στιγμή και αν γνωρίζουμε επίσης την ταχύτητά του και τις δυνάμεις που ασκούνται σε αυτό εκείνη τη στιγμή.

Συμπεραίνουμε, λοιπόν, ότι η θέση ενός αντικειμένου και η βιασύνη του καθορίζουν τη γραμμή του. Δεδομένου ότι ένα υποατομικό αντικείμενο είναι παρόμοιο με ένα ηλεκτρόνιο, δεν είναι δυνατό να κρίνουμε ταυτόχρονα τη θέση και την ταχύτητα σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή με αυθαίρετο βαθμό ακρίβειας και δεν είναι δυνατόν να μιλήσουμε για την πορεία πτήσης ενός ηλεκτρονίου. /P>

Η επίδραση της Αρχής Ερωτήματος Heisenberg είναι σημαντική μόνο για την ανάδευση αντικειμένων και είναι αμελητέα για τα μακροσκοπικά αντικείμενα.

Παράδειγμα της σημασίας

Εάν η αρχή της αβεβαιότητας εφαρμόζεται σε ένα αντικείμενο μάζας, ας πούμε περίπου ένα χιλιοστόγραμμα (10–6 kg).

Τότε η τιμή του Δ v. Δx που επιτυγχάνεται είναι εξαιρετικά μικρή και είναι ασήμαντη. Έτσι, μπορεί κανείς να πει ότι όταν ασχολούμαστε με αντικείμενα μεγέθους χιλιοστόγραμμα ή ογκώδη αντικείμενα, οι σχετικοί ενδοιασμοί είναι δύσκολοι και οποιασδήποτε πραγματικής σημασίας. Στην περίπτωση ενός μακροσκοπικού αντικειμένου όπως ένα ηλεκτρόνιο από την άλλη. ∆v. Το Δx που επιτυγχάνεται είναι πολύ μεγαλύτερο και παρόμοιες αμφιβολίες έχουν πραγματική συνέπεια. Για παράδειγμα, για ένα ηλεκτρόνιο του οποίου η μάζα είναι 9,11×10–31 kg, που αντιστοιχεί στην αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg,

∆x × ∆vx ≥ h/4πm

=6,626×10-34 Js/4×3,1416×10-6 kg

≈ 10-28 m2 s-1

Ως αποτέλεσμα, εάν κάποιος προσπαθήσει να προσδιορίσει την ακριβή θέση του ηλεκτρονίου, ας πούμε με αβεβαιότητα μόνο 10–8 m, η αβεβαιότητα Δv στην ταχύτητα θα ήταν:

∆x × ∆vx ≥ h/4πm

=6,626×10-34 Js/4×3,1416×9,11×10-31 kg

≈ 10-4 m2 s-1

η οποία είναι τόσο μεγάλη που η κλασική εικόνα των ηλεκτρονίων που κινούνται στις διαδρομές του Bohr (σταθερή) δεν μπορεί να κρατήσει καλά. Επομένως, σημαίνει ότι οι ακριβείς δηλώσεις της θέσης και της ορμής των ηλεκτρονίων δίνουν εντολή να αντικατασταθούν από τις δηλώσεις πιθανότητας που έχει το ηλεκτρόνιο σε μια δεδομένη θέση και ορμή. Αυτό είναι επίσης ένα πρόβλημα με το κβαντομηχανικό μοντέλο ενός ατόμου.

Συμπέρασμα

Η αρχή του ερωτήματος του Heisenberg είναι μια σημαντική αρχή όχι μόνο στη χημεία αλλά και σε άλλα υδραγωγεία σοφίας. Δηλώνει ότι είναι άλυτο να προσδιοριστεί ταυτόχρονα, η ακριβής θέση και η ακριβής ορμή (ή ταχύτητα) ενός ηλεκτρονίου. Χρησιμοποιήθηκε για να αποκλειστούν διαφορετικά μοντέλα που προτάθηκαν από επιστήμονες. Για παράδειγμα, στο μοντέλο Bohr, ένα ηλεκτρόνιο θεωρείται ως ένα φορτισμένο flyspeck που κινείται σε μια καλά καθορισμένη έμμεση διαδρομή γύρω από τον σύνδεσμο. Ο κυματικός χαρακτήρας του ηλεκτρονίου αγνοείται στην πρόταση του Bohr. Μια διαδρομή πτήσης είναι μια πραγματικά καθορισμένη διαδρομή και αυτή η διαδρομή μπορεί να οριστεί πλήρως μόνο εάν η ακριβής θέση και η ταχύτητα του ηλεκτρονίου είναι ταυτόχρονα γνωστές. Αυτό δεν είναι εφικτό σύμφωνα με την Αρχή της Αβεβαιότητας του Heisenberg. Το μοντέλο του Bohr για το απόσπασμα υδρογόνου έρχεται σε αντίθεση με την Αρχή της Αβεβαιότητας του Heisenberg. Έτσι απορρίφθηκε στη συνέχεια. Αποκλείει επίσης την ύπαρξη καθορισμένων μονοπατιών ή διαδρομών πτήσης ηλεκτρονίων και άλλων ανάλογων σωματιδίων.