Introduction à la mécanique quantique
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| Mécanique quantique |
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 Dualité onde-particule |
| Introduction Glossaire · Histoire |
Fond
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Concepts fondamentaux
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Expériences
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Formulations
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Équations
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Interprétations
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Sujets avancés
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Les scientifiques
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La mécanique quantique (QM, ou la théorie quantique) est une science physique traiter avec le comportement de la matière et de l'énergie à l'échelle de atomes et subatomiques particules / ondes . QM constitue également la base pour la compréhension contemporaine de la façon dont de très grands objets tels que des étoiles et des galaxies , et cosmologiques événements tels que le Big Bang, peut être analysé et expliqué. La mécanique quantique est la fondation de plusieurs disciplines connexes, y compris les nanotechnologies, la physique de la matière condensée , chimie quantique , la biologie structurale, la physique des particules , et de l'électronique .
Le terme «mécanique quantique» a été inventé par Max Born en 1924. L'acceptation par la communauté de la physique générale de la mécanique quantique est due à sa prédiction précise du comportement physique des systèmes, y compris les systèmes où la mécanique newtonienne échoue. Même la relativité générale est limité de manière mécanique quantique ne est pas pour la description des systèmes à l'échelle atomique ou moins, à des énergies très basses ou très élevées, ou dans les températures les plus basses. Grâce à un siècle d'expérimentation et de science appliquée, la théorie de la mécanique quantique se est avérée très fructueuse et pratique.
Vue d'ensemble
Les fondements de la mécanique quantique datent du début des années 1800, mais les vrais débuts de la date de QM des travaux de Max Planck en 1900. Albert Einstein et Niels Bohr vite fait d'importantes contributions à ce qu'on appelle maintenant la «vieille théorie quantique." Cependant, ce ne est qu'en 1924 qu'un tableau plus complet a émergé avec Louis de Broglie hypothèse ondes de matière et de l'importance réelle de la mécanique quantique est devenu clair. Certains des plus éminents scientifiques de contribuer par la suite dans le milieu des années 1920 à ce qu'on appelle maintenant les «nouveaux mécanique quantique" ou "nouvelle physique" ont Max Born, Paul Dirac , Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, et Erwin Schrödinger. Plus tard, le champ a été élargi avec le travail par Julian Schwinger, Sin-Itiro Tomonaga et Richard Feynman pour le développement de Électrodynamique quantique en 1947 et par Murray Gell-Mann en particulier pour le développement de Chromodynamique quantique.
Les premiers chercheurs diffèrent dans leurs explications de la nature fondamentale de ce que nous appelons maintenant rayonnement électromagnétique . Certains maintenu que d'autres fréquences de la lumière et du rayonnement électromagnétique sont constitués de particules, tandis que d'autres ont affirmé que le rayonnement électromagnétique est un phénomène d'onde. En physique classique ces idées sont mutuellement contradictoires. Depuis les premiers jours de scientifiques QM ont reconnu que ni idée en elle-même peut expliquer rayonnement électromagnétique.
En 1690, Christian Huygens a expliqué les lois de la réflexion et de la réfraction sur la base d'une théorie de l'onde. Sir Isaac Newton croyait que la lumière est composée de particules infiniment petites qui il a désigné "corpuscules". En 1827, Thomas Young et Augustin Fresnel a fait des expériences sur interférence qui a montré qu'un la théorie corpusculaire de la lumière était insuffisante. Ensuite, en 1873 James Clerk Maxwell a montré qu'en faisant osciller un circuit électrique, il devrait être possible de produire des ondes électromagnétiques. Sa théorie a permis de calculer la vitesse d'un rayonnement électromagnétique sur la seule base de mesures électriques et magnétiques, et la valeur calculée correspond de très près à l'empirique mesurée vitesse de la lumière . En 1888, Heinrich Hertz fait un appareil électrique qui effectivement produit ce que nous appellerions aujourd'hui des micro-ondes - essentiellement rayonnement à une faible fréquence que la lumière visible. Tout jusqu'à ce point suggéré que Newton avait été tout à fait tort de considérer la lumière comme corpusculaire.
Des expériences plus récentes ont indiqué que un modèle de paquet ou quantique a été nécessaire pour expliquer certains phénomènes. Lorsque la lumière frappe un conducteur électrique, il amène les électrons à se éloigner de leurs positions initiales. Le phénomène observé ne pouvait se expliquer en supposant que la lumière fournit de l'énergie dans des paquets précis. Dans un dispositif photoélectrique comme le posemètre dans un appareil photo, la lumière frappant le détecteur métallique provoque électrons de se déplacer. Plus grand intensités de lumière à une fréquence peut causer plusieurs électrons de se déplacer, mais ils ne seront pas aller plus vite. En revanche, plus élevée fréquences lumineuses peuvent provoquer des électrons de se déplacer plus rapidement. Ergo, l'intensité des contrôles légers actuelle, mais la fréquence des contrôles légers tension. Ces observations ont soulevé une contradiction par rapport aux ondes sonores et vagues de l'océan, où seule l'intensité a été nécessaire de prévoir l'énergie de l'onde. Dans le cas de la lumière, la fréquence semble prédire l'énergie. Quelque chose était nécessaire pour expliquer ce phénomène et de concilier les expériences qui avaient montré la lumière d'avoir la nature des particules avec des expériences qui avaient montré à avoir nature ondulatoire.
Malgré le succès de la mécanique quantique, il a quelques éléments controversés. Par exemple, le comportement des objets microscopiques décrits dans la mécanique quantique est très différent de notre expérience quotidienne, ce qui peut provoquer une certaine incrédulité. La plupart de la physique classique est maintenant reconnu être composé de cas particuliers de la théorie de la physique quantique et / ou de la théorie de la relativité. Dirac a théorie de la relativité à porter sur la physique quantique afin qu'il puisse correctement face à des événements qui se produisent à une fraction importante de la vitesse de lumière. La physique classique, cependant, traite également de l'attraction de masse (gravité), et personne n'a encore été en mesure d'apporter gravité dans une théorie unifiée avec la théorie quantique relativisé.
Spectroscopie et au-delà
Il est assez facile de voir un spectre produit par une lumière blanche quand elle passe à travers un prisme, le bord biseauté d'un miroir ou une vitre en verre conique, ou à travers des gouttes de pluie pour former un arc en ciel. Lorsque les échantillons qui sont composées exclusivement d'un seul élément chimique par exemple l'hydrogène, sont amenés à émettre de la lumière, ils peuvent émettre de la lumière à plusieurs fréquences caractéristiques. Le profil de fréquence produit est caractéristique de cet élément. Au lieu d'avoir une large bande rempli de couleurs allant du violet au rouge, il y aura des bandes isolées de couleurs simples séparés par l'obscurité. Un tel affichage se appelle un spectre de raies. Certaines lignes vont au-delà des fréquences visibles et ne peuvent être détectés par film photographique spéciale ou d'autres dispositifs. Les scientifiques ont émis l'hypothèse qu'un atome peut émettre de la lumière la façon dont la chaîne sur un magnifique violon rayonne son - non seulement avec un fréquence fondamentale (dans laquelle la totalité de la chaîne se déplace de la même manière à la fois) mais avec plusieurs harmoniques supérieures (formée lorsque la chaîne se divise en deux moitiés et d'autres divisions qui vibrent en coordination avec l'autre que lorsque la moitié de la corde va une manière que l'autre moitié de la chaîne qui va dans le sens opposé). Pour un long temps, personne ne pourrait trouver une façon mathématique de relier les fréquences du spectre d'un élément de ligne.
En 1885, Johann Jakob Balmer (1825-1898) compris comment les fréquences de l'hydrogène atomique sont liés les uns aux autres. La formule est simple:
où 
est la longueur d'onde, R est le Constante de Rydberg et n est un nombre entier (n = 3, 4, ...) Cette formule peut être généralisée à se appliquer aux atomes qui sont plus compliqués que l'hydrogène, mais nous allons rester avec l'hydrogène pour cette exposition générale. (Ce est la raison pour laquelle le dénominateur de la première fraction est exprimée en carré).
Le développement suivant a été la découverte du Effet Zeeman, nommé d'après Pieter Zeeman (1865-1943). L'explication physique de l'effet Zeeman a été élaboré par Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928). Lorentz émis l'hypothèse que la lumière émise par l'hydrogène a été produit par la vibration des électrons. Il était possible d'obtenir des commentaires sur ce qui se passe au sein de l'atome parce électrons se déplaçant créent un champ magnétique et peut donc être influencé par l'imposition d'un champ magnétique externe d'une manière analogue à la façon dont un aimant de fer va attirer ou repousser un autre aimant .
L'effet Zeeman pourrait être interprété comme signifiant que les ondes lumineuses sont originaires par des électrons vibrants dans leurs orbites, mais la physique classique ne pouvait pas expliquer pourquoi les électrons ne devraient pas tomber hors de leurs orbites et dans le noyau de leurs atomes, ni la physique classique pourrait expliquer pourquoi leur orbites seraient de nature à produire la série de fréquences discrètes obtenues par la formule de Balmer et affichées dans les spectres de ligne. Pourquoi les électrons ne ont pas produit un spectre continu?
Vieille théorie quantique
La mécanique quantique développés à partir de l'étude des ondes électromagnétiques par spectroscopie qui comprend la lumière visible vu dans les couleurs de l'arc en ciel, mais aussi d'autres vagues y compris les vagues plus énergiques comme la lumière ultraviolette, les rayons X et les rayons gamma et les vagues avec des longueurs d'onde, y compris infrarouge ondes, micro-ondes et les ondes radio. Seuls les ondes qui voyagent à la vitesse de la lumière sont inclus dans cette description. Aussi, lorsque le mot «particule» est utilisé ci-dessous, il se réfère toujours à particules élémentaires ou subatomiques.
La constante de Planck
La physique classique prédit qu'une corps noir du radiateur serait produire de l'énergie infinie, mais ce résultat n'a pas été observée dans le laboratoire. Si rayonnement du corps noir a été dispersé dans un spectre, alors la quantité d'énergie rayonnée à diverses fréquences passé de zéro à une extrémité, a culminé à une fréquence liée à la température de l'objet rayonnant, puis est retombé à zéro. En 1900, Max Planck a développé une équation empirique qui pourrait expliquer les courbes d'énergie observés, mais il ne pouvait pas l'harmoniser avec la théorie classique. Il a conclu que les lois classiques de la physique ne se appliquent pas à l'échelle atomique comme cela avait été précédemment supposé.
Dans ce compte théorique, Planck a permis toutes les fréquences possibles, toutes les longueurs d'onde possibles. Toutefois, il a limité l'énergie qui est livré. "En physique classique, ... l'énergie d'un oscillateur donné dépend seulement sur l'amplitude, et cette amplitude est soumise à aucune restriction." Mais, selon la théorie de Planck, l'énergie émise par un oscillateur est strictement proportionnelle à sa fréquence. Plus la fréquence est grande, plus l'énergie. Pour arriver à cette conclusion théorique, il a postulé que un corps rayonnant composée d'un nombre énorme d'oscillateurs élémentaires, certains vibrant à une fréquence et d'autres à l'autre, avec toutes les fréquences de zéro à l'infini étant représentés. L'énergie E de l'une quelconque oscillateur n'a pas été autorisé à prendre ne importe quelle valeur arbitraire, mais était proportionnelle à un multiple entier de la fréquence f de l'oscillateur. C'est,
où n = 1, 2, 3, ... La proportionnalité constante h est appelée La constante de Planck.
Une des applications les plus directs est de trouver l'énergie de photons . Si h est connue, et la fréquence du photon est connue, l'énergie des photons peut être calculé. Par exemple, si un faisceau de lumière illumine une cible, et sa fréquence est de 540 × 10 12 hertz, puis l'énergie de chaque photon serait h × 540 × 10 12 joules. La valeur de h lui-même est extrêmement faible, environ 6.6260693 × 10 -34 seconde Joule. Cela signifie que les photons dans le faisceau de lumière ont une énergie d'environ 3,58 x 10 -19 joules ou (dans un autre système de mesure) d'environ 2,23 eV.
Lorsque l'énergie d'une onde est décrite de cette manière, il semble que la vague réalise son énergie en petits paquets. Cette découverte semblait alors refaire la vague dans une particule. Ces paquets d'énergie réalisées avec la vague ont été appelés quanta par Planck. La mécanique quantique a commencé avec la découverte que l'énergie est fournie dans les paquets dont la taille est liée à des fréquences de toutes les ondes électromagnétiques (et à la couleur de la lumière visible puisque dans ce cas la fréquence détermine la couleur). Soyez conscient, toutefois, que ces descriptions en termes de paquets, ondes et d'importation de particules concepts macro-monde dans le monde quantique, où ils ne ont aucun intérêt provisoire ou la pertinence.
Dans les premières recherches sur la lumière, il y avait deux façons concurrentes pour décrire la lumière, soit comme une onde qui se propage à travers l'espace vide, ou comme petites particules voyageant dans les lignes droites. Parce que Planck a montré que l'énergie de la vague est composée de paquets, l'analogie de particules se est favorisé pour aider à comprendre comment la lumière fournit de l'énergie en multiples de certaines valeurs de consigne désignés comme quanta d'énergie. Néanmoins, l'analogie d'onde est également indispensable pour aider à comprendre d'autres phénomènes lumineux. En 1905, Albert Einstein utilisé la constante de Planck pour expliquer l'effet photoélectrique en postulant que l'énergie dans un faisceau de lumière se produit dans des concentrations qu'il appelle quanta de lumière, plus tard appelés photons . Selon cette considération, un seul photon d'une fréquence donnée délivre une quantité invariable d'énergie. En d'autres termes, les photons individuels peuvent fournir plus ou moins d'énergie, mais uniquement en fonction de leurs fréquences. Bien que la description qui découle de la recherche de Planck ressemble compte corpusculaire de Newton, le photon de Einstein était encore dit avoir une fréquence, et l'énergie du photon a été comptabilisée proportionnelle à cette fréquence. Le compte de particules avait été compromise une fois de plus.
Tant l'idée d'une vague et l'idée d'une particule sont modèles dérivés de notre expérience quotidienne. Nous ne pouvons pas voir photons individuels. Nous ne pouvons étudier leurs propriétés indirectement. Nous regardons certains phénomènes, tels que l'arc en ciel de couleurs que nous voyons quand une fine pellicule d'huile repose sur la surface d'une flaque d'eau, et l'on peut expliquer ce phénomène à nous en comparant la lumière avec des vagues. Nous regardons d'autres phénomènes, comme la façon dont un mètres photoélectrique dans notre caméra fonctionne, et nous expliquer par analogie aux particules en collision avec l'écran de détection dans le compteur. Dans les deux cas, nous prenons des concepts de notre expérience quotidienne et les appliquer à un monde que nous ne avons jamais vu.
Ni forme d'explication, ondes ou de particules, ne est entièrement satisfaisante. En général, tout modèle ne peut rapprocher ce qu'il modèles. Un modèle ne est utile que dans la gamme des conditions où il est capable de prédire la vraie chose avec précision. physique newtonienne est encore un bon prédicteur de la plupart des phénomènes dans notre vie quotidienne. Pour nous rappeler que les deux «vague» et «particules» sont des concepts importés de notre monde macro pour expliquer le monde des phénomènes à l'échelle atomique, certains physiciens tels que George Gamow ont utilisé le terme " wavicle »pour désigner tout ce que ce est vraiment là. Dans la discussion qui suit, «vague» et «particules» peuvent tous deux être utilisés selon l'aspect des phénomènes de mécanique quantique est en discussion.
Réduit (ou de Dirac) la constante de Planck
La constante de Planck représentait à l'origine de l'énergie qui exerce une onde lumineuse en fonction de sa fréquence. Une étape dans le développement de ce concept est apparu dans les travaux de Bohr. Bohr a utilisé un modèle «planétaire» ou une particule de l'électron, et ne pouvait pas comprendre pourquoi un facteur de 2π était essentiel de ses formules obtenues expérimentalement. Plus tard, de Broglie postulé que les électrons ont des fréquences, tout comme le font les photons, et que la fréquence d'un électron doivent se conformer aux conditions d'un vague qui peut exister dans une certaine orbite debout. Ce est-à-dire, le début d'un cycle d'une onde à un point de la circonférence d'un cercle (puisque ce est ce est une orbite) doit coïncider avec la fin de certains cycle. Il peut y avoir aucun espace, aucune longueur le long de la circonférence qui ne participe pas à la vibration, et il ne peut y avoir aucun chevauchement de cycles. Ainsi, la circonférence de l'orbite, C, doit être égale à la longueur d'onde, λ, de l'électron multipliée par un entier positif (n = 1, 2, 3 ...). La connaissance de la circonférence, on peut calculer les longueurs d'onde qui correspondent à cette orbite, et connaissant le rayon, r, de l'orbite peut calculer sa circonférence. Pour mettre tout cela en forme mathématique,
et donc
et l'apparition du facteur de 2π est considérée se produire simplement parce qu'il est nécessaire pour calculer les longueurs d'onde possibles (et donc les fréquences possibles) lorsque le rayon de l'orbite est déjà connue.
Encore une fois en 1925 lorsque Werner Heisenberg a développé sa théorie quantique complète, les calculs impliquant l'analyse d'onde appelés série de Fourier était fondamentale, et donc la version "réduite" de la constante (h / 2π) de Planck est devenu une valeur inestimable, car il comprend un facteur de conversion pour faciliter les calculs impliquant l'analyse d'onde. Enfin, lorsque ce qui a réduit la constante de Planck est apparu naturellement dans l'équation de Dirac, il a ensuite été donnée une autre désignation, "Dirac constante." Par conséquent, il est approprié de commencer par une explication de ce que cette constante est, même si les théories qui ont fait sa une utilisation pratique doivent encore être discutées.
Comme indiqué plus haut, l'énergie de ne importe quelle onde est donnée par la fréquence multipliée par la constante de Planck. Une onde est constitué de crêtes et de creux. Dans une vague, un cycle est défini par le retour d'une certaine position dans la même position comme du haut de l'une crête à l'autre crête. Un cycle est en fait mathématiquement liées à un cercle, et les deux ont 360 degrés. Un diplôme est une unité de mesure de la quantité du tour nécessaire pour produire un arc d'une certaine longueur à une distance donnée. Un courbe sinusoïdale est générée par un point sur la circonférence d'un cercle qui tourne en tant que cercle. (Voir une démonstration à l'adresse: Rotation Applet) Il n'y a 2π radians par cycle dans une vague, ce qui est mathématiquement liées à la façon dont un cercle a 360 ° (qui sont égaux à deux π radians). (A radian est tout simplement l'angle si la distance le long de la circonférence du cercle est mesurée égale au rayon du cercle, puis les lignes sont tirées vers le centre du cercle. Cela forme un angle égal à 1 radian.) Depuis une cycle est 2π radians, lorsque h est divisée par 2π les deux facteurs "2 π" annulera laissant juste le radian à combattre. Donc, divisant h par 2π décrit une constante qui, lorsqu'il est multiplié par la fréquence d'une onde, donne l'énergie en joules par radian. La constante de Planck La réduction est écrit dans les formules mathématiques que H, et est lu comme "h-bar".
.
La constante de Planck Le réduite permet le calcul de l'énergie d'une vague en unités par radian au lieu d'en unités par cycle. Ces deux constantes h et H sont simplement des facteurs de conversion entre les unités d'énergie et les unités de fréquence. La réduction de la constante de Planck est utilisé plus souvent que h (constante de Planck) seul dans les formules mathématiques de la mécanique quantique pour de nombreuses raisons, dont l'une est que la vitesse angulaire ou pulsation est habituellement mesurés en radians par seconde afin utilisant ± qui fonctionne en radians en ira enregistrer un calcul de mettre radians en degrés ou vice-versa. Aussi, lorsque les équations pertinentes à ces problèmes sont écrits en termes de H, les facteurs 2π apparaissant fréquemment dans numérateur et le dénominateur peuvent annuler, l'enregistrement d'un calcul. Cependant, dans d'autres cas, comme dans les orbites de l'atome de Bohr, h / 2π a été obtenue naturellement pour le moment angulaire des orbites. Une autre expression pour la relation entre l'énergie et la longueur d'onde est donnée en électrons-volts pour l'énergie et angströms pour longueur d'onde: E photons (eV) = 12400 / λ (A) - il semble ne pas impliquer h du tout, mais ce est seulement parce qu'un système différent d'unités a été utilisé et maintenant, numériquement, le facteur de conversion approprié est 12400.
Bohr atome
En 1897, la particule appelée électrons a été découvert. Au moyen de la or physiciens des expériences de feuille découvert que la matière est, à volume égal, en grande partie de l'espace. Une fois que ce était clair, il a émis l'hypothèse que les entités de charge négative appelées électrons chargés positivement entourent noyaux . Donc, dans un premier temps tous les scientifiques croyaient que l'atome doit être comme un système solaire en miniature. Mais cette simple analogie prédit que les électrons, dans environ un centième de microseconde, crash dans le noyau de l'atome. La grande question du début du 20ème siècle était: «Pourquoi ne électrons maintiennent normalement une orbite stable autour du noyau?"
En 1913, Niels Bohr a supprimé ce problème important en appliquant l'idée de quanta discrets (non continu) pour les orbites des électrons. Ce compte est devenu connu comme le Modèle de Bohr de l'atome. Bohr essentiellement théorisé que les électrons ne peuvent habiter certaines orbites autour de l'atome. Ces orbites ont pu être obtenus en regardant les raies spectrales produites par des atomes.
Bohr a expliqué les orbites des électrons peuvent prendre en rapportant le moment angulaire des électrons dans chaque orbite "autorisée" à la valeur de h, la constante de Planck. Il a conclu que un électron dans l'orbitale plus bas a un moment angulaire discrète égale à h / 2π. Chaque orbite après l'orbite initiale doit prévoir le moment cinétique de l'électron étant un multiple entier de cette valeur minimale. Il dépeint électrons dans les atomes comme étant analogue à planètes en orbite solaire. Toutefois, il a pris la constante de Planck d'être une quantité fondamentale qui introduit des exigences particulières à ce niveau subatomique et qui explique l'espacement de ces orbites «planétaires».
Bohr considéré comme un tour en orbite pour être équivalent à un cycle dans un oscillateur (comme dans les premières mesures de Planck pour définir la constante h) qui est à son tour semblable à un cycle dans une vague. Le nombre de tours par seconde est (ou définit) ce que nous appelons la fréquence de cet électron ou orbitale. Précisant que la fréquence de chaque orbite doit être un multiple entier de la constante de Planck h permettrait seulement certaines orbites, et serait également fixer leur taille.
Bohr généralisée La formule de Balmer de l'hydrogène en remplaçant le terme dénominateur dans quart avec un carré de la variable explicite:
m = 1,2,3,4,5, ..., et n> m
où λ est la longueur d'onde de la lumière, R H est la Constante de Rydberg de l'hydrogène, et les nombres entiers n et m désignent les orbites entre lesquelles les électrons peuvent transiter. Cette généralisation prédit beaucoup plus spectres de ligne que ce qui avait été précédemment détectée, et la confirmation expérimentale de cette prédiction suivie.
Il se ensuit que si presque immédiatement est quantifiée comme la formule ci-dessus indique, puis l'élan de tout photon doit être quantifié. La fréquence de la lumière, 
, À une longueur d'onde donnée est donnée par la relation
et: 
et en multipliant par h / h = 1,
, Et nous savons que
- E = hv sorte
que nous pouvons réécrire comme:
, Et E / c = p (momentum) afin
ou 
Commençant avec des spectres de ligne, les physiciens ont pu déduire empiriquement les règles selon lesquelles les orbites des électrons sont déterminés et de découvrir quelque chose de vital sur les élans impliqués - qu'ils sont quantifiées.
Bohr prochaine réalisé à quel moment angulaire d'un électron dans son orbite, L, est quantifié, ce est à dire, il a déterminé qu'il ya une certaine valeur constante K telle que quand il est multiplié par constante de Planck h, il donnera l'élan angulaire qui rapporte à la plus basse orbitale. Quand il se est multiplié par entiers successifs, il donnera ensuite les valeurs des autres orbitales possibles. Il a déterminé plus tard que K = 1 / 2π. (Voir l'argumentation détaillée au .)
La théorie de Bohr représenté électrons en orbite autour du noyau d'un atome d'une manière qui était étonnamment différent de ce que nous voyons dans le monde de notre expérience quotidienne. Il a montré que lorsqu'un électron changé orbites, il ne bougeait pas dans une trajectoire continue d'une orbite autour du noyau à l'autre. Au lieu de cela, il a soudainement disparu de son orbite originale et réapparu dans une autre orbite. Chaque distance à laquelle un électron peut orbite est une fonction d'une quantité d'énergie quantifié. Le plus près du noyau un orbites des électrons, le moins d'énergie qu'il faut pour rester dans cette orbital. Les électrons qui absorbent un photon acquérir un quantum d'énergie, donc ils sautent à une orbite qui est plus éloigné du noyau, tandis que les électrons qui émettent un photon perdent un quantum d'énergie et ainsi de sauter à une orbitale intérieure. Les électrons ne peuvent pas gagner ou perdre un quantum fractionnaire de l'énergie, et ainsi, il est soutenu, ils ne peuvent pas avoir une position qui est à une distance fractionnée entre autorisés orbitales. Orbitales autorisés ont été désignés par des nombres entiers à l'aide de la lettre n avec la plus à l'intérieur étant désigné orbitale n = 1, le côté étant sur n = 2, et ainsi de suite. Toute orbital avec la même valeur de n est appelé une coquille d'électrons.
Le modèle de Bohr de l'atome était essentiellement deux dimensions parce qu'il représente les électrons comme des particules dans des orbites circulaires. Dans ce contexte, deux dimensions signifie quelque chose qui peut être décrite sur la surface d'un avion. Unidimensionnelle signifie quelque chose qui peut être décrit par une ligne. Parce que les milieux peuvent être décrits par leur rayon, qui est un segment de droite, tantôt le modèle de Bohr de l'atome est décrite comme une dimension.
Dualité onde-particule
Niels Bohr a déterminé qu'il est impossible de décrire la lumière de manière adéquate par le seul usage de l'analogie soit d'onde ou de l'analogie de particules. Il énonce donc principe de complémentarité, qui est une théorie de paires, telles que l'appariement des ondes et des particules ou l'appariement de position et l'impulsion. Louis de Broglie a travaillé sur les conséquences mathématiques de ces conclusions. En mécanique quantique, on a constaté que les ondes électromagnétiques peuvent réagir dans certaines expériences comme si elles étaient des particules et dans d'autres expériences comme si elles étaient des ondes. On a également découvert que les particules subatomiques pouvaient parfois être décrits comme des particules et parfois comme des ondes. Cette découverte a conduit à la théorie de la dualité onde-particule par Louis-Victor de Broglie en 1924, qui stipule que les entités subatomiques ont des propriétés des deux ondes et particules en même temps.
Le modèle de l'atome de Bohr a été agrandie sur la découverte par de Broglie que l'électron possède des propriétés ondulatoires. En accord avec les conclusions de de Broglie, les électrons ne peuvent apparaître dans des conditions qui permettent une onde stationnaire. Une onde stationnaire peut être faite si une chaîne est fixée sur les deux extrémités et fait vibrer (comme il le ferait dans un instrument à cordes). Cette illustration montre que les seules ondes stationnaires qui peuvent se produire sont ceux qui ont une amplitude nulle aux deux extrémités fixes. Les vagues créées par un instrument à cordes semblent osciller en place, changeant simplement la crête de creux dans un mouvement de va-et-vient. Une onde stationnaire ne peut être formé lorsque la longueur de l'onde tient l'entité vibrant disponibles. En d'autres termes, aucun des fragments partiels de sommets d'ondulation ou des creux sont autorisés. Dans un milieu vibrant rond, la vague doit être une formation continue des crêtes et des creux tout autour du cercle. Chaque électron doit être sa propre onde stationnaire dans son propre discrète orbitale.
Développement de la mécanique quantique moderne
La théorie de la mécanique quantique complet
Werner Heisenberg a fait la théorie complète mécanique quantique en 1925 à l'âge de 23. Après son mentor, Niels Bohr, Werner Heisenberg a commencé à travailler sur une théorie du comportement quantique des orbitales électroniques. Parce que les électrons ne ont pas pu être observées dans leurs orbites, Heisenberg a sur la création d'une description mathématique de la mécanique quantique construites sur ce qui pourrait être observé, ce est la lumière émise par des atomes dans leur spectres atomiques caractéristique. Heisenberg a étudié l'électron orbitale sur le modèle d'une boule chargée sur un ressort, un oscillateur, dont le mouvement est anharmonique (pas tout à fait régulière). Pour une image du comportement d'une boule chargée sur une mer de printemps: Frais vibrant. Heisenberg a d'abord expliqué ce genre de mouvement observé en termes des lois de la mécanique classique connus pour appliquer dans le monde macro, puis appliqué des restrictions de propriétés quantiques, discrètes (non continues), à l'image. Cela provoque des lacunes à apparaître entre les orbitales prévues de sorte que la description mathématique, il a formulé représenterait alors que l'électron orbitales prédit sur la base des spectres atomique.
En abordant le problème que Bohr lui donna à résoudre, Heisenberg a pris la position stratégique qu'il ne traiterait pas avec des quantités non observables. Il serait commencer à formuler des équations en utilisant uniquement les quantités qui pourraient être observés. Cette stratégie l'a conduit à commencer par la preuve expérimentale réelle à portée de main: les mesures avaient été bien établi pour des données telles que (1) les fréquences (et les énergies reliées mathématiquement) émis ou absorbés par des transitions d'électrons de l'une des orbites fixes Bohr, connus d'être associés à des spectres de ligne lumineux, (2) le «amplitude de transition» ou la probabilité de transition à partir de ne importe quelle orbite accordé à une quelconque orbite donnée, connu à partir de la résistance des différentes lignes dans le spectre lumineux, etc. De formules classiques qui serait caractérisent ces phénomènes Heisenberg créé des formules analogues qui tiennent compte des conditions quantiques. Formules qui ont suivi des décisions fondamentales formulées à ce point ont abouti à de bons résultats, mais les résultats qui étaient parfois pas ce que l'on pourrait se attendre. Dans le papier, dans lequel il a présenté la mécanique quantique au monde prévient-il, "Une difficulté importante se pose, toutefois, si l'on considère deux quantités x (t), y (t), et de demander après leur produit .... Alors que dans x classique (t) y (t) est toujours égale à Y (t) x (t), ce ne est pas nécessairement le cas dans la théorie quantique ". Lorsque les valeurs prédites sont exposées sous forme de matrice et multiplications sont effectuées, la nature de la difficulté apparaît dans une forme qui est plus familier aux mathématiciens.Plus important encore, les études empiriques valident les résultats théoriques et suggèrent qu'il ya quelque chose d'une importance profonde en ce que la différence entre x (t) y (t) et y (t) x (t) est une valeur liée à la constante de Planck.
Schéma d'une table des fréquences de transition (produite lorsque les électrons changent orbitales):
| États Electron | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | .... | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| S1 | f1 → 1 | f2 → 1 | f3 → 1 | → une f4 | f5 → 1 | ..... | |
| S2 | f1 → 2 | f2 → 2 | f3 → 2 | f4 → 2 | f5 → 2 | ..... | |
| S3 | f1 → 3 | f2 → 3 | f3 → 3 | f4 → 3 | f5 → 3 | ..... | |
| S4 | f1 → 4 | f2 → 4 | f3 → 4 | f4 → 4 | f5 → 4 | ..... | |
| S5 | f1 → 5 | f2 → 5 | f3 → 5 | f4 → 5 | f5 → 5 | ..... | |
| S ..... | ..... | ..... | ..... | ..... | ..... | ..... |
Schéma d'une table liée montrant les amplitudes de transition:
| États Electron | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | .... | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| S1 | a1 → 1 | a2 → 1 | a3 → 1 | → une a4 | a5 → 1 | ..... | |
| S2 | a1 → 2 | a2 → 2 | a3 → 2 | a4 → 2 | a5 → 2 | ..... | |
| S3 | a1 → 3 | a2 → 3 | a3 → 3 | a4 → 3 | a5 → 3 | ..... | |
| S4 | a1 → 4 | a2 → 4 | a3 → 4 | a4 → 4 | a5 → 4 | ..... | |
| S5 | a1 → 5 | a2 → 5 | a3 → 5 | a4 → 5 | a5 → 5 | ..... | |
| S ..... | ..... | ..... | ..... | ..... | ..... | ..... |
Comme relaté ci-dessus, Heisenberg a développé modes de relation significative l'information dans des tableaux comme ceux-ci de façon mathématique. Remplissage empiriquement dans les valeurs de tableaux portant sur des quantités quantique est pas une procédure simple, puisque les relevés effectués sur un seul et même système que l'on donne la valeur, mais a le potentiel de changer d'autres valeurs. Donc, un grand nombre de copies identiques du système en question doivent être préparés, et une seule mesure faite sur chaque système. Plusieurs expériences pour déterminer les mêmes caractéristiques sont faites, et les résultats sont en moyenne. Même alors, des mesures précises de toutes les caractéristiques du système comme ils le feraient apparaître simultanément ne peuvent être fournis en raison de l'incertitude quantique. Une détermination précise de la valeur une caractéristique crée nécessairement une incertitude sur la valeur de son corrélat. "Certaines paires de observables tout simplement ne peuvent pas être mesurées simultanément à un niveau arbitrairement élevé de précision. " Si des mesures simultanées sont faites de caractéristiques corrélées (telles que la position et l'impulsion) dans plusieurs systèmes identiques, il y aura inévitablement des différences dans les mesures de telle sorte que la différence entre leurs produits est égale ou supérieure à 
/ 2 ».
En 1925, Heisenberg a publié un document intitulé «ré-interprétation de la mécanique quantique des relations cinématiques et mécaniques" se rapportant ses découvertes. Ainsi se termina la vieille théorie quantique et a commencé à l'âge de la mécanique quantique. Le document de Heisenberg a donné quelques détails qui pourraient aider les lecteurs à établir la façon dont il fait parvint à obtenir ses résultats pour les modèles unidimensionnels qu'il a utilisé pour former l'hypothèse que révélé tellement utile. Dans son article, Heisenberg a proposé de "jeter tout espoir d'observer des quantités jusqu'ici non observables, telles que la position et la période de l'électron", et se limiter strictement aux quantités réellement observables. Il avait besoin de règles mathématiques permettant de prédire les relations réellement observées dans la nature, et les règles qu'il produit travaillé différemment en fonction de l'ordre dans lequel ils ont été appliqués. "Il est rapidement devenu évident que la non-commutativité (en général) des quantités cinématiques de la théorie quantique était l'idée nouvelle technique vraiment essentiel dans le papier. "
Le type spécial de multiplication qui avéré être nécessaire dans sa formule a été plus élégamment décrite par l'utilisation de tableaux spéciaux des numéros appelés matrices . Dans les situations ordinaires, il n'a pas d'importance dans quel ordre les opérations impliquées dans la multiplication sont effectuées, mais la multiplication de matrices ne pas commuer . Essentiellement cela signifie qu'il importe que des opérations d'ordre donné sont effectuées en. Multipliant matrice A par la matrice B est pas la même que la multiplication matrice B par la matrice A. En symboles, A × B est en général pas égal à B × A. (La chose importante dans la théorie quantique est qu'il est avéré à la matière que l'on mesure expérimentalement première vitesse et mesure ensuite immédiatement la position, ou vice-versa.) La convention de matrice avéré être un moyen pratique d'organiser l'information et en indiquant clairement l'exacte séquence dans laquelle les calculs doit être faite, et cela se reflète dans une forme symbolique les résultats inattendus obtenus dans le monde réel.
Heisenberg approché la mécanique quantique de la perspective historique qui a traité un électron comme une oscillation de particules chargées. L'utilisation de Bohr de cette analogie avait déjà lui a permis d'expliquer pourquoi les rayons des orbites des électrons ne pourrait avoir sur certaines valeurs. Il découle de cette interprétation des résultats expérimentaux disponibles et la théorie quantique qui Heisenberg créé par la suite qu'un électron pouvait pas être à toute position intermédiaire entre deux "autorisée" orbites. Par conséquent électrons ont été décrits comme "sauter" d'une orbite à. L'idée qu'un électron pourrait maintenant être à un endroit et un instant plus tard, soit dans un autre lieu, sans avoir voyagé entre les deux points était l'une des premières indications de la "spookiness" des phénomènes quantiques. Bien que l'échelle est plus petite, la "sauter" d'une orbite à est aussi étrange et inattendu comme ce serait le cas où quelqu'un est sorti d'une porte à Londres dans les rues de Los Angeles. tunnel Quantum est un cas dans lequel les électrons semblent pour être en mesure de se déplacer dans la voie "fantasmagorique" que Heisenberg attribuée à leurs actions au sein des atomes.
Amplitudes de position et de mouvement qui ont une période de 2 
comme un cycle dans une vague sont appelées variables de séries de Fourier. Heisenberg a décrit les propriétés des particules ressemblant à de l'électron dans une vague comme ayant position et l'impulsion dans ses mécanique matricielle. Lorsque ces amplitudes de position et l'impulsion sont mesurés et multipliés ensemble, ils donnent l'intensité. Toutefois, il a constaté que lorsque la position et la vitesse ont été multipliés ensemble dans cet ordre respectif, puis l'élan et la position ont été multipliés ensemble dans cet ordre respectif, il y avait une différence ou un écart d'intensité entre eux de h / 2 . Heisenberg ne comprendrait pas la raison de cet écart jusqu'à deux ans de plus avait passé, mais pour le moment, il se satisfait de l'idée que le calcul a travaillé et a fourni une description exacte du comportement quantique de l'électron.
mécanique matrice a été la première définition complète de la mécanique quantique, ses lois, et les propriétés qui décrivent entièrement le comportement de l'électron. Il a ensuite été étendu à appliquer à toutes les particules subatomiques. Très peu de temps après la mécanique matricielle a été introduit dans le monde, Schrödinger, agissant de manière indépendante, a produit une théorie de l'onde quantique qui ne semblait pas avoir similitudes que ce soit à la théorie de Heisenberg. Il était plus facile de calcul et d'éviter certaines des idées bizarres qui sonne comme «sauts quantiques» d'un électron d'une orbite à l'autre. Mais dans un court laps de temps de Schrödinger lui-même avait montré que les deux théories produites essentiellement les mêmes résultats dans toutes les situations. Enfin, Dirac fait l'idée de non-commutativité au centre de sa propre théorie et prouvé les formulations de Heisenberg et Schrödinger d'être des cas particuliers de sa propre théorie.
Équation d'onde de Schrödinger
Parce que les particules pourraient être décrits comme des vagues, plus tard, en 1925, Erwin Schrödinger analysé ce qu'est un électron ressemblerait comme une vague autour du noyau de l'atome. En utilisant ce modèle, il a formulé son équation d'ondes de particules. Plutôt que d'expliquer l'atome par analogie aux satellites en orbites planétaires, il traite tout comme des ondes de sorte que chaque électron a sa propre fonction d'onde unique. Une fonction d'onde est décrite dans l'équation de Schrödinger par trois propriétés (plus tard Wolfgang Pauli a ajouté un quatrième). Les trois propriétés étaient (1) une désignation "orbital", indiquant si l'onde de particules est celle qui est plus proche du noyau avec moins d'énergie ou une qui est plus éloignée du noyau avec plus d'énergie, (2) la forme de l'orbite, soit une indication que orbitales ne sont pas seulement des formes sphériques, mais d'autres, et (3) le moment magnétique de l'orbital, qui est une manifestation de la force exercée par la charge de l'électron lors de sa rotation autour du noyau.
Ces trois propriétés ont été appelés collectivement la fonction d'onde de l'électron et on dit pour décrire l' état quantique de l'électron. "État quantique" signifie que les propriétés collectives de l'électron décrivant ce que nous pouvons dire au sujet de son état à un moment donné. Pour l'électron, l'état quantique est décrit par son wavefunction, qui est désignée en physique par la lettre grecque 
(psi, prononcé «soupirer»). Les trois propriétés de l'équation de Schrödinger qui décrivent la fonction d'onde de l'électron et, par conséquent, également de décrire l'état quantique de l'électron comme décrit dans le paragraphe précédent sont chacun appelés nombres quantiques. La première propriété qui décrit l'orbitale a été numérotés selon le modèle de Bohr, où n est la lettre utilisée pour décrire l'énergie de chaque orbitale. Ceci est appelé le nombre quantique principal. Le prochain nombre quantique qui décrit la forme de l'orbite est appelé le nombre quantique azimutal et elle est représentée par la lettre l (L minuscule). La forme est due à la quantité de mouvement angulaire orbital de la. Le taux de changement de la vitesse angulaire de tout système est égal au couple externe résultante agissant sur ce système. En d'autres termes, le moment angulaire représente la résistance d'un objet de filature d'accélérer ou de ralentir sous l'influence d'une force extérieure. Le nombre quantique azimutal "l" représente la quantité de mouvement angulaire orbital de l'électron autour de son noyau. Cependant, la forme de chaque orbitale a sa propre lettre. Donc, pour la lettre "l" il ya d'autres lettres pour décrire les formes de "l" . La première forme est sphérique et est décrit par la lettre s . La forme suivante est comme un haltère et est décrit par la lettre p . Les autres formes d'orbitales deviennent plus compliquées (voir orbitales atomiques) et sont décrits par les lettres d , f et g . Pour la forme d'un atome de carbone, voir atome de carbone. Le troisième nombre quantique de l'équation de Schrödinger décrit le moment magnétique de l'électron et est désigné par la lettre m et parfois comme la lettre m avec un indice l parce que le moment magnétique dépend du deuxième nombre quantique l .
De mai 1926, Schrödinger a publié une preuve que la mécanique de la matrice de Heisenberg et ses propres mécanique ondulatoire ont donné des résultats équivalents: ils étaient mathématiquement la même théorie. Pourtant, les deux hommes étaient en désaccord sur l'interprétation de cette théorie. Heisenberg a vu aucun problème à l'existence de sauts quantiques discontinues, tandis que Schrödinger espère que une théorie basée sur des propriétés continues comme des vagues pourrait éviter ce «non-sens à propos de sauts quantiques» (selon les mots de Wilhelm Wien).
Principe d'incertitude
En 1927, Heisenberg a fait une nouvelle découverte sur la base de sa théorie quantique qui a eu des conséquences plus pratiques de cette nouvelle façon de regarder la matière et de l'énergie à l'échelle atomique. Dans la formule de la mécanique matricielle de Heisenberg, il a rencontré une erreur ou la différence de h / 2 entre la position et de l'élan. Le plus certain de la position d'une particule est déterminé, moins certain que le mouvement est connu, et h / 2 est la limite inférieure de l'incertitude. Cette conclusion est venu à être appelé "indétermination principe de Heisenberg», ou l'incertitude d'Heisenberg.
Pour les particules se déplaçant dans la mécanique quantique, il est tout simplement un certain degré d'exactitude et de précision qui manque. L'observateur peut être précis lors de la prise d'une mesure de la position ou peut être précis lors de la prise d'une mesure de l'élan, mais il est une imprécision inverse lorsque l'on mesure les deux en même temps que dans le cas d'une particule en mouvement comme l'électron. Dans le cas le plus extrême, une précision absolue d'une variable entraînerait imprécision absolue en ce qui concerne l'autre.
Heisenberg, dans un enregistrement de la voix d'une conférence au début sur le principe d'incertitude pointant vers un modèle de Bohr de l'atome, a déclaré:
- "Vous pouvez dire, eh bien, cette orbite est vraiment pas une orbite complète. En fait, à chaque instant l'électron ne dispose que d'une position inexactes et une vitesse inexactes et entre ces deux inexactitudes, il ya cette relation d'incertitude. Et que par cette idée qu'il était possible de dire ce que une telle orbite était. "
Une conséquence du principe d'incertitude était que l'électron ne pouvait plus être considéré comme dans un emplacement exact dans son orbite. Plutôt l'électron devait être décrit par chaque point où l'électron pourrait habiter. Le calcul des points de localisation probable pour l'électron dans son orbitale connue créé l'image d'un nuage de points dans une forme sphérique pour l'orbitale d'un atome d'hydrogène, qui progressivement disparu les points sur plus proche du noyau et loin du noyau. Cette image peut être appelée une distribution de probabilité . Par conséquent, le nombre de Bohr de l'atome n pour chaque orbital est devenu connu comme un n-sphère à l'atome trois dimensions et a été décrit comme un nuage de probabilité où l'électron de l'atome entouré à la fois.
Cela a conduit à la description plus détaillée de Heisenberg que, si une mesure de l'électron n'a pas été prises qu'il ne pouvait pas être décrite dans une situation particulière, mais est partout dans le nuage d'électrons à la fois. En d'autres termes, la mécanique quantique ne peuvent pas donner des résultats exacts, mais seulement les probabilités de l'apparition d'une variété de résultats possibles. Heisenberg est allé plus loin et a déclaré que le chemin d'une particule en mouvement ne vient que dans l'existence une fois que nous l'observons. Cependant étrange et contre-intuitif cette affirmation peut sembler, la mécanique quantique ne nous dit encore l'emplacement de l'orbite, son nuage de probabilité de l'électron. Heisenberg parlait de la particule elle-même, et non son orbitale qui est dans une distribution de probabilité connue.
Il est important de noter que, bien que Heisenberg ensembles infinis de positions pour l'électron dans ses matrices, cela ne signifie pas que l'électron pourrait être n'importe où dans l'univers. Plutôt il ya plusieurs lois qui montrent l'électron doit être dans l'une distribution de probabilité localisée. Un électron est décrit par son énergie dans l'atome de Bohr qui a été reporté à la mécanique des matrices. Par conséquent, un électron dans un certain n-sphère doit être dans une certaine plage à partir du noyau en fonction de son énergie. Cela limite son emplacement. En outre, le nombre de places peut être un électron est aussi appelé "le nombre de cellules dans son espace des phases ". Le principe d'incertitude de fixer une limite inférieure à la façon dont on peut finement hacher l'espace des phases classique, de sorte que le nombre de places qui peut être un électron dans son orbitale devient finie. L'emplacement d'un électron dans un atome est défini comme étant dans son orbite, mais arrête au niveau du noyau et avant la prochaine n-sphère orbitale commence.
La physique classique avait montré depuis Newton que si la position des étoiles et des planètes et des détails sur leurs mouvements étaient connus alors où ils seront à l'avenir peut être prédit. Pour les particules subatomiques, Heisenberg a nié cette notion montrant que, en raison du principe d'incertitude on ne peut pas connaître la position précise et dynamique d'une particule à un instant donné, de sorte que son mouvement futur ne peut pas être déterminée, mais seulement une gamme de possibilités pour le mouvement avenir de la particule peut être décrite.
Le terme eigenstate est dérivé du mot allemand / hollandais "eigen," ce qui signifie «inhérent» ou «caractéristique». Le mot eigenstate est descriptive de l'état mesurée d'un objet qui possède des caractéristiques quantifiables comme la position, l'élan, etc. L'état mesuré et décrit doit être un « observable »(c.-à quelque chose qui peut être mesuré expérimentalement soit directement ou indirectement, comme la position ou dynamique), et doit avoir une valeur définie. Dans le monde de tous les jours, il est naturel et intuitif de penser à tout l'être dans son propre état propre. Tout semble avoir une position définitive, une dynamique certaine, une valeur définitive de la mesure, et un moment précis de l'événement. Cependant, la mécanique quantique affirme qu'il est impossible d'identifier les valeurs exactes pour la dynamique d'une certaine particule comme un électron dans un endroit donné à un moment précis dans le temps, ou, à défaut, qu'il est impossible de donner un emplacement exact pour une telle objet lorsque l'élan a été mesurée. En raison du principe d'incertitude, les énoncés concernant à la fois la position et la vitesse des particules ne peuvent être données en termes d'une gamme de probabilités, une «distribution de probabilité". L'élimination de l'incertitude dans l'un terme maximise l'incertitude en ce qui concerne le second paramètre.
Il est donc devenu nécessaire de disposer d'un moyen de formuler clairement la différence entre l'état de quelque chose qui est incertain de la façon venons de décrire, comme un électron dans un nuage de probabilité, et efficacement opposer à l'état de quelque chose qui est pas incertain, quelque chose qui a une valeur définie. Quand quelque chose est dans la condition d'être définitivement "épinglé-bas" à certains égards, il est dit de posséder un état propre . Par exemple, si la position d'un électron a été rendue définitive, il est dit avoir un état propre de la position.
Une valeur définie, telle que la position d'un électron qui a été localisé avec succès, est appelée la valeur propre de l'état propre de la position. Le mot allemand «eigen" a été d'abord utilisé dans ce contexte par le mathématicien David Hilbert en 1904. équation d'onde de Schrödinger donne des solutions de fonction d'onde, ce qui signifie les possibilités où l'électron pourrait être, tout comme le fait la distribution de probabilité de Heisenberg. Comme indiqué ci-dessus, quand un effondrement de la fonction d'onde se produit parce que quelque chose a été fait pour localiser la position d'un électron, l'état de l'électron devient un état propre de la situation, ce qui signifie que la position a une valeur connue.
Le principe d'exclusion de Pauli
Le Principe d'exclusion de Pauli stipule qu'aucun électrons (ou autrefermion) peuvent être dans le même état quantique comme un autre au sein d'un atome.
Wolfgang Pauli a développé le principe d'exclusion de ce qu'il appelait un «degré quantique à deux valeurs de la liberté" pour tenir compte de l'observation d'un doublet, ce qui signifie une paire de lignes, dans le spectre de l'atome d'hydrogène. L'observation signifiait qu'il n'y avait plus d'énergie dans l'électron orbital du moment magnétique que ce qui avait été décrit précédemment. Au début de 1925, les jeunes physiciens Uhlenbeck et Goudsmit introduit une théorie que l'électron tourne dans l'espace de la même manière que la terre tourne sur son axe. Ceci expliquerait le moment magnétique manquant et permettre deux électrons dans la même orbitale être différente si leurs spins étaient dans des directions opposées, satisfaisant ainsi le principe d'exclusion.
Selon l'équation de Schrödinger, il ya trois états quantiques de l'électron, mais si deux électrons peuvent être dans la même orbitale, il doit y avoir un autre nombre quantique (le degré quantique à deux valeurs de la liberté) de distinguer les deux électrons de l'autre . Un seul électron ne peut pas avoir les mêmes quatre nombres quantiques comme un autre électron dans la même orbitale atomique. Lorsque deux électrons sont dans le même n-sphère et partagent donc le même nombre quantique principal, ils doivent donc avoir un autre nombre quantique unique de forme l , moment magnétique m ou de spin s . Lorsque les électrons ne sont pas dans une orbitale autour du noyau d'un atome, tel que dans la formation de gaz dégénérés, ils doivent toujours suivre le principe d'exclusion de Pauli lorsque dans un espace confiné.
Équation d'onde de Dirac
En 1928, Paul Dirac a travaillé sur une variation de l'équation de Schrödinger qui représentait une quatrième propriété de l'électron dans son orbitale. Paul Dirac a présenté le quatrième nombre quantique appelé le nombre quantique de spin désigné par la lettre s à la nouvelle équation de Dirac de la fonction d'onde de l'électron. En 1930, Dirac combiné matrice de la mécanique de Heisenberg avec la mécanique ondulatoire de Schrödinger dans une représentation unique de la mécanique quantique dans ses Principes de la mécanique quantique . L'image quantique de l'électron était maintenant terminée.
Tout le développement ci-dessus de la théorie quantique était basée principalement sur le spectre atomique de l'atome d'hydrogène. Cela est dû au fait que chaque atome de chaque élément unique, produit un motif de raies spectrales lorsque la lumière provenant de chaque autre type d'élément est passé à travers un prisme. Les scientifiques ne pouvaient pas étudier l'électron et le noyau de l'atome lui-même parce qu'ils ne peuvent pas être vus. Même aujourd'hui, avec effet tunnel à balayage haute résolution microscopes électroniques nous ne pouvons obtenir des images de l'atome comme une fuzzball floue. Toutefois, les lignes spectrales de l'atome révèlent les orbites des électrons et l'énergie qui peut être attendu. Il a été essentiellement l'étude de l'analyse spectroscopique de la première atome d'hydrogène puis l'atome d'hélium qui a conduit à la théorie quantique. Par conséquent, les formules mathématiques ont été faites pour adapter l'image du spectre atomique. Voilà pourquoi la mécanique quantique est parfois désigné comme une forme de la physique mathématique.
L'intrication quantique
Albert Einstein a rejeté principe d'incertitude de Heisenberg dans la mesure où il semblait impliquer plus d'une limitation nécessaire sur la capacité humaine de savoir réellement ce qui se passe dans le domaine quantique. Dans une lettre à Max Born en 1926, Einstein célèbre pour avoir déclaré que "Dieu ne joue pas aux dés". Le nu prescription de niveau de la surface pour faire des prédictions de la mécanique quantique, basé sur la règle de Born pour calculer des probabilités, est devenu connu comme l' interprétation de Copenhague de la mécanique quantique. Bohr a passé de nombreuses années à développer et à affiner cette interprétation à la lumière des objections d'Einstein. Après les années 1930, la conférence Solvay, Einstein jamais contesté l'interprétation de Copenhague sur des points techniques, mais n'a pas cessé une attaque philosophique sur l'interprétation, sur le terrain du réalisme et de la localité. Einstein, en essayant de montrer que la théorie quantique était pas une théorie complète, a reconnu que la théorie prédit que deux ou plusieurs particules ayant interagi dans le passé peuvent présenter de fortes corrélations lorsque différentes mesures sont faites sur eux. Il voulait que cela soit expliqué d'une manière classique par leur passé commun, et de préférence pas par un "sinistre action à distance ". L'argument est travaillé dans un célèbre article consacré à ce qui est maintenant appelé le paradoxe EPR (Einstein-Podolsky-Rosen, 1935). En supposant que ce qui est maintenant généralement appelé " réalisme local », l'EPR tente de montrer de la théorie quantique que les particules possèdent simultanément la position et l'élan, alors que selon l'interprétation de Copenhague, un seul de ces deux propriétés existe seulement brièvement, dans le moment où il qui est mesuré. Einstein a examiné cette conclusion une preuve que la théorie quantique était incomplète, car il refuse de discuter de propriétés physiques qui existent objectivement dans la nature. La caractéristique de la théorie quantique conduisant à ces paradoxes est appelé l'intrication quantique. Cela signifie que les propriétés de plusieurs objets distincts ne peuvent pas être décrits par les considérer séparément, même après prise en compte de l'histoire de leur interaction passé. Le papier 1935 Einstein, Podolsky et Rosen est actuellement la publication la plus citée d'Einstein dans des revues de physique.
Réponse originale de Bohr à Einstein était que les particules faisaient partie d'un système indivisible. Le défi d'Einstein a conduit à des décennies de recherche importante dans l'intrication quantique. La recherche semble confirmer l'objection de Bohr que les deux particules intriquées doivent être considérés ensemble comme un tout, et d'ailleurs, que les difficultés ne se posent en insistant sur la réalité des résultats de mesures qui ne sont pas faites de toute façon. En outre, Dieu fait jeter les dés, si ceux assez particulières. Un dé réelle jet peut être complètement comprise à la mécanique classique, et le résultat est simplement une fonction des conditions initiales. Cependant le résultat de jeter les dés quantiques n'a pas antécédent; aucune cause ou une explication à tout.
Interprétations
Selon le principe de correspondance et le théorème d'Ehrenfest comme un système devient plus grand ou plus massive ( l'action >> h ) la dynamique classique tend à émerger, à quelques exceptions près, comme superfluidité. cela, nous pouvons généralement ignorer la mécanique quantique lorsqu'ils traitent avec des objets de tous les jours; la place de la description classique suffira. Même si, en essayant de donner un sens de la théorie quantique est un processus continu qui a engendré un certain nombre de interprétations de la théorie quantique, allant du classique interprétation de Copenhague à variables cachées et de nombreux mondes. Il semble y avoir aucune fin en vue pour les réflexions philosophiques sur le sujet; Cependant le succès empirique ou technique de la théorie est incomparable; toutes les théories physiques fondamentales sont modernes théories quantique, la relativité étant englobés dans les théories quantiques des champs.
