NGUYÊN LÝ BẤT ĐỊNH HEISENBERG

Theo ý kiến của tôi, cơ học lượng tử là một trong thành tựu văn hoá mang tính chất phổ quát tháo của nhân loại. Tôi vẫn nhớ lần trước tiên mình thực sự hiểu được cơ học lượng tử là lúc tôi học tập năm máy 3 đại học. Tiếp đến trong một vài ba ngày, tôi ngoài đường với tâm lý lâng lâng, nhìn hồ hết khuôn mặt của các người đi trên tuyến đường và nghĩ: đầy đủ con fan kia phần nhiều là những người bất hạnh, do họ cũng tương tự mình vài cách đây không lâu đây không hiểu biết nhiều gì về thực chất lượng tử của nắm giới. Xúc cảm đó vẫn qua từ lâu, tuy vậy tôi nghĩ trong tương lai gần, nếu không hẳn là ngay lập tức bây giờ, một con tín đồ được giáo dục toàn vẹn phải biết đông đảo khái niệm cơ bạn dạng của cơ học tập lượng tử, cũng như người nào cũng biết đến bố định mức sử dụng của Newton, hay bắt đầu phân tử của tính di truyền. Đó nguyên nhân là không biết những định luật pháp lượng tử thì khó thưởng thức được 1 phần cái Đẹp của thế giới quanh ta, nét đẹp ở nút nguyên tử.

Bạn đang xem: Nguyên lý bất định heisenberg

Đế đọc sâu, tất cả hệ thống, môn cơ học lượng tử, ta cần một số kiến thức nhất quyết về toán với vật lý, quá quá lịch trình toán với vật lý phổ thông. Tuy vậy theo tôi trở ngại lớn nhất để hiểu cơ học lượng tử là trực quan của bé người, mẫu được gọt dũa qua hàng nghìn năm tiến hóa. Ta không nên biết định lao lý bảo toàn năng lượng và xung lượng nhằm đoán được rằng khi 1 hòn bi nhẹ chuyển động và va vào trong 1 hòn bi nặng đang đứng yên, thì hòn bi nhẹ sẽ bị bật ngược trở lại, nhưng lúc 1 hòn bi nặng nề va vào trong 1 hòn bi nhẹ đang đứng yên ổn thì hòn bi nặng nề vẫn thường xuyên tiến lên phía đằng trước như không có chuyện gì xảy ra. Số đông cảm nhận trên đều là vì kinh nghiệm trong cuộc sống đời thường hàng ngày, giả dụ không nói tới việc là nhiều người dân trong số chúng ta lúc còn bé đã từng nghịch bi. Vụ việc của cơ học tập lượng tử là ta không nhiều có tay nghề với thế giới vi mô — không nhiều người có dịp chơi với đều hòn bi form size chỉ bằng một nguyên tử — với chính vấn đề đó làm cho các hiện tượng lượng tử trở đề xuất rất khó khăn tiếp thu khi mới làm quen. Dẫu vậy rất may, các nguyên lý của cơ học lượng tử có thể hiểu được, ít nhất là tại mức định tính và đôi khi ở mức phân phối định lượng, chỉ cần dùng kỹ năng và kiến thức toán và vật lý phổ thông.

Một chút định kỳ sử

Người thứ nhất tìm ra cơ học lượng tử là Heisenberg. Thời điểm đó ông ta bắt đầu 23 tuổi, đang đề xuất đi nghỉ ở 1 hòn đảo để chữa dị ứng. Gần như là đồng thời, Schrödinger, 38 tuổi, tìm thấy cơ học tập lượng tử theo cách thức của mình sau thời điểm đi an dưỡng ở một nhà nghỉ ngơi trên núi với 1 người đàn bà bí ẩn, cho đến bây giờ không ai biết tên. Nếu là họa sĩ, tôi vẫn vẽ một tranh ảnh mang tên “Bình minh của cơ học tập lượng tử” bộc lộ một sự kiện gồm thật: Heisenberg, sang 1 đêm đo lường căng thẳng với đã biết rằng lý thuyết của bản thân mình là đúng, leo lên một hòn đá nhô ra biển để đón mặt trời lên. Hai phương pháp tiếp cận của Heisenberg va Schrödinger khôn xiết khác nhau, nhưng tương đương với nhau. Tiếp đến năm 1941 Feynman đưa ra một biện pháp phát biểu thứ ba cho cơ học lượng tử.

Trong khuôn khổ bài xích này, tôi chỉ nói tới nguyên lý bất định của Heisenberg.

Những ai đó đã học đồ lý chắc chắn còn nhớ khái niệm “chất điểm”. Ta tưởng tượng ra một điểm, không có cấu trúc, có một cân nặng

*
tuyệt nhất định. Những hạt cơ bản, ví như electron (điện tử), hoàn toàn có thể coi là chất điểm: bọn chúng không có cấu tạo gì cả.

Trong cơ học cổ điển, tâm trạng của hóa học điểm bao gồm vị trí của nó, và vận tốc của nó. Trong đồ gia dụng lý tất cả một khái niệm rất tiện nghi là xung lượng. Xung lượng của hóa học điểm là tích của khối lương và vận tốc:

*
. Gia tốc của một hạt được đo bởi cm/s. Xung lượng đo bằng g cm/s. Động năng của một hạt cân nặng
*
hoạt động với vận tốc
*
*
, hoặc ta bao gồm thế viết là
*
.

Trong cơ học cổ điển, tọa độ cùng xung lượng của một hạt rất có thể được khẳng định với một độ đúng chuẩn tùy ý. Nhưng mà trong cơ học lượng tử thì chưa phải như vậy. Ví như tọa độ dược khẳng định rất chính xác thì xung lượng bắt buộc xác định đúng chuẩn được, và ngược lai. Trên mức độ toán học tập hơn một chút, nguyên lý bất định của Heisenberg là

*
\hbar" class="latex" />

trong đó

*
là độ cô động của tọa độ,
*
là độ bất định của xung lượng, và
*
(chữ h có gạch ngang nghỉ ngơi trên) là hằng số Planck, một hằng số cơ bạn dạng của tự nhiên. Cực hiếm của hằng số này là
*
=1.054×10-27 g cm2/s

Bản hóa học của nguyên lý bất định là như thế nào? ví như ta tóm một nhỏ chuột, nó vẫn giãy giụa nhằm chạy thoát ra khỏi tay ta. Ta cứ tưởng tượng vạn trang bị trong tự nhiên đều như vậy. Trường hợp ta định “tóm” một đồ gia dụng lại, cấm đoán vị trí của nó xê dịch thừa một size bằng

*
, nó sẽ không còn thể ngồi yên ổn trong đó. Nghĩa là phân tử đó sẽ có một xung lượng ít nhất cỡ
*
, có nghĩa là vận tốc ít nhất cỡ
*
. Chuyển động này được hotline là hoạt động lượng tử.

Bạn đọc mang đến đây có thể bảo: làm gì có chuyện đó! ví như tôi gồm một hòn đá, ví như tay tôi không run, tôi hoàn toàn có thể giữ chặt đến nó ko cựa cậy được, làm cái gi có chuyện nó giãy giụa như nhỏ chuột! nhưng mà thực ra, hòn đá của người sử dụng vẫn cựa cậy, chỉ gồm điều hết sức yếu thôi. Đó là do hằng số Planck

*
khôn cùng nhỏ. Ta mang sử hòn đá của khách hàng nặng 100 g, và các bạn giữ nó cấm đoán nó cựa cậy quá số lượng giới hạn 1 micrômét. Theo công thức của nguyên lý bất định thì hòn đá đang cựa cậy với vận tốc là 10-25 cm/s — một vận tốc quá nhỏ để ta có thể cảm thấy được.

Xem thêm: Công Ty Xử Lý Nước Thải Tại Tphcm Hiện Nay, Công Ty Xử Lý Nước Thải Tại Tp

Thế tuy vậy với những phân tử rất nhỏ tuổi thì hiệu ứng của nguyên tắc bất định rất có thể cảm thấy được. Trường hợp thay vì hòn đá ta lấy một nguyên tử hyđrô có trọng lượng cỡ 10-24 g thì vấn đề khác hẳn rồi. Lúc này tốc độ “cựa cậy” của nguyên tử đang là 10 cm/s — một tốc độ ta có thể tưởng tượng được! cụ nguyên tử bằng một hạt năng lượng điện tử có khối lượng cỡ 10-27 g thì vận tốc này lên tới 100 m/s. Nguyên lý bất định của Heisenberg nói rằng không có cách này giảm tốc độ này xuống bởi không: chuyển động lượng tử là đặc điểm cố hữu của các vật.

Tại sao năng lượng điện tử không rơi vào tình thế trong phân tử nhân

Theo mẫu nguyên tử của Bohr, điện tử quay xung quanh hạt nhân, y hệt như những thế giới quay bao bọc mặt trời. Ta hoàn toàn có thể hỏi là: nguyên nhân điện tử không lâm vào cảnh trong phân tử nhân? nhớ lại là lực giữa hạt nhân và điện tử là lực hút. Nếu điện tử rất có thể nằm gọn trong hạt nhân, thay vì chưng quay bao bọc hạt nhân, thì cầm năng của nó giảm đi nhiều. Ví như ta rất có thể “ấn” điện tử vào trong hạt nhân thì ta đang giải phóng ra một năng lượng khổng lồ.

Nguyên lý bất định của Heisenberg giải thích tại sao vấn đề này không thể xảy ra được. Đó là do nếu ta ý muốn giam năng lượng điện tử vào vào một không gian chật thon thả như phân tử nhân thì nó đã vùng vẫy chạy ở trong các số ấy với một xung lượng siêu lớn. Bạn cũng có thể dùng cách làm trên cùng tính ra là tốc độ của năng lượng điện tử đạt đến vận tốc ánh sáng trước khi ta rất có thể cầm tù hãm nó trong nửa đường kính của phân tử nhân (bằng khoảng 10-13 cm). Như thế thì “lợi không ổn hại”: ta được lợi về chũm năng khi đến điện tử vào gần hạt nhân, thì lại thiệt vì hiện giờ động năng của chính nó quá lớn.

Như vậy vào một nguyên tứ, có một khoảng cách tối ưu giữa các điện tử và hạt nhân. Ta sẽ reviews khoảng bí quyết này đến nguyên tử dễ dàng nhất là nguyên tử hydro, gồm 1 hạt nhân cùng một năng lượng điện tử. Đoạn tiếp dưới đây có sử dụng một ít toán học với vật lý. Cam kết hiệu khoảng cách giữa điện tử với hạt nhân là

*
, thời gian đó:

thế năng của hạt đang là:

*
, trong số ấy
*
là điện tích của electron;
*
=4.8×10-10 g1/2 cm3/2 s-1.

động năng của hạt sẽ là:

*
, tuy vậy xung lượng
*
, bắt buộc động năng là
*
. Cân nặng của năng lượng điện tử
*
=9.1×10-28 g.

Năng lượng của hạt là tổng của đụng năng và vậy năng

*
.

Khảo tiếp giáp hàm số này, ta thấy nó có cực tè ở:

*

Đây chính là bán kính Bohr của nguyên tử hydro. Quý hiếm số của đại lượng này là 0.05 nanômét. Size các nguyên tử của các nguyên tố khác hầu hết cỡ 0.1 nanômét cả. Điều này phân tích và lý giải tại sao trọng lượng riêng của toàn bộ các hóa học rắn và lỏng số đông loanh quanh ở 1–10 g/cm3 cả, không tồn tại chất nào cân nặng riêng lên tới 100 g/cm3: trong hóa học lỏng và hóa học rắn các nguyên tử đã va vào nhau rồi, nếu như muốn tăng mật độ lên thì ta phải gồm một áp suất vô cùng lớn.

Trong một bài viết sau, ta vẫn ứng dụng nguyên lý bất định này để tò mò một nhiều loại sao lạ, điện thoại tư vấn là sao lùn trắng, đó là nơi vật chất bị nén lại cùng với áp suất khổng lồ.

Bài tập:

Hạt neutron, khối lượng 1.7×10-24 g, phía trong trọng ngôi trường của trái đất. Bên dưới mặt đất, ở chiều cao

*
=0, ta để một chiếc “gương neutron”, làm bằng chất liệu không đến neutron (năng lượng thấp) đi qua. Neutron bây giờ bị sẽ phải ở phía trên gương. Do nguyên tắc bất định, neutron cần thiết nằm đúng mực ở độ cao bằng không, mà bao gồm một hoạt động lượng tử loanh quanh một độ tối đa định. Đánh giá độ cao này. Tư liệu tham khảo: hep-ph/0306198