Quantum - che cos'è? Definizione e significato per la scienza

Questo articolo parla del fatto che "quantum" è il concetto di fisica delle particelle elementari. Qui viene data la definizione di questo valore, viene mostrata la sua importanza e viene fornita una breve storia della sua scoperta.

Matematica e fisica

Le due più terribili discipline scolastiche per studenti umanitari mentalità una volta uniti per creare un nuovo stadio nello studio del mondo circostante. Tutto è iniziato con il fatto che Max Planck, derivando la formula di distribuzione delle radiazioni corpo assolutamente nero ha introdotto il concetto di "quantum". Il significato della parola è letteralmente: la porzione più piccola di qualcosa, per esempio energia, campo, momento di inerzia.

E questo concetto si applica al micromondo: può esserci un quanto di luce e un campo gravitazionale, ma non può esserci alcun quantum di massa o pioggia. Per rendere il lettore più chiaro, diamo un esempio. Se tutti gli stati possibili di un elettrone fossero una mucca intera, allora un quantum è la porzione più piccola di carne con cui puoi essere nutrito, cioè una bistecca. A proposito, nel famoso film di James Bond, il quanto di misericordia implica sicuramente che anche la persona più stanca ha una piccola compassione nella sua anima.

La lotta per la fisica quantistica

All'inizio, Max Planck ha agito nell'ambito delle precedenti idee sulla fisica. Introdusse un quantum nell'equazione, il cui significato nei suoi occhi consisteva solo nella comodità dell'espressione matematica. Così, si scopre che ha scoperto questo concetto quasi per caso, senza cercare di fare un passo avanti.

In generale, era un ricercatore coscienzioso, ha lavorato duramente su ogni argomento e ha portato la questione alla fine. Fu la perseveranza e la perseveranza che gli permisero di trasformare la fisica in giro. Non c'erano idee brillanti e idee improvvise. Forse è per questo che per lungo tempo ha negato l'importanza della sua scoperta e ha cercato in qualche modo di "adattarsi", conciliare il nuovo concetto con il vecchio approccio alla fisica. Un'intera galassia di scienziati, apparsa a causa dell'introduzione del quantum, non riuscì a convincerlo del significato fondamentale di una singola ipotesi per il futuro della scienza.

Valore per la scienza

Prima di tutto, un quantum è la base per comprendere la natura della luce. Gli scienziati ancora nel XVII secolo misuravano piuttosto accuratamente la velocità della luce solare, ma non potevano spiegare il loro aspetto o assorbimento dalle superfici. Si è scoperto che l'energia onde elettromagnetiche con lo stesso incremento di fase nel tempo, può richiedere solo multipli di E = (N + 1/2) ħω. Spiegheremo:

• E è energia;
• N è un numero intero;
• ħ - costante di Planck ridotta, h / 2π;
• ω è la frequenza angolare, che è l'incremento temporale della fase d'onda.

La formula sopra indica che l'energia della radiazione ħω è quantizzata, cioè è un insieme di pacchetti o fotoni finiti.

Quantum e materia

Avendo spiegato la natura della luce, le persone si sono rese conto che un quanto non è solo uno scherzo matematico, ma anche grandi opportunità. Più tardi, gli scienziati hanno scoperto perché gli elettroni negli atomi possono essere solo in certe orbite. Ciò ha richiesto l'introduzione del principio della dualità delle particelle d'onda per particelle elementari.

La transizione di un elettrone tra due orbitali in un atomo avviene sempre con uno strappo. Ciò porta a processi mediante i quali un quanto di luce viene emesso o assorbito. Cosa significa questo fatto per la scienza, spieghiamo un po 'di seguito. In ogni tipo di atomi, l'insieme dei quanti di transizione è unico. Cioè, l'insieme di energie necessarie per eccitare gli elettroni d'oro non è adatto al platino. Ciò rende possibile determinare esattamente quale transizione è stata fatta e capire quale tipo di atomo è studiato: idrogeno o argon, alluminio o magnesio.

Su questa base è lo strumento più potente per lo studio e la conquista della materia - la spettroscopia. Le applicazioni dell'analisi spettrale sono piuttosto estese, eccone alcune:

• studio della composizione e della struttura di nuovi materiali;
• migliorare le proprietà dei composti già noti;
• studio dei processi che si verificano durante l'interazione di diversi tipi di materia.

Il lettore stesso immaginerà facilmente che un tale metodo possa essere usato in tutte le sfere dell'attività umana.

Tipi di quanti

Oltre al fotone già descritto, ci sono altri tipi di quanti:

1. Gluon - quantum di un campo vettoriale.
2. Il gravitone è un quanto del campo gravitazionale (predetto teoricamente, ma finora la sua esistenza non è stata dimostrata praticamente).
3. Il bosone di Higgs è un quantum del campo di Higgs.

Il Large Hadron Collider, che è stato costruito nel 2012, ha dimostrato che un nuovo quanto il bosone di Higgs è nato nelle sue profondità. Così, i fisici hanno dimostrato perché gluoni e fotoni non hanno una massa di riposo.

Laser come risultato dell'addomesticamento dei quanti di luce

Avendo capito come si ottengono i fotoni, gli scienziati sono stati in grado di "domarli". Di conseguenza, apparve un laser - una fonte di onde elettromagnetiche monocromatiche. Con principi abbastanza semplici che sono alla base della generazione simultanea di fotoni di uno lunghezza d'onda (monocromatico), e la semplice struttura del dispositivo stesso, c'erano grandi difficoltà tecniche.

Il primo compito era trovare un materiale in cui esistesse la popolazione inversa di elettroni. Il secondo compito era creare due specchi alle estremità del cristallo funzionante. Ma entrambi sono stati a lungo risolti e la comprensione di cosa sia un quantum è il primo passo per ottenere dispositivi così complessi.

Nel mondo moderno, il laser è usato ovunque. È usato per divertimento (puntatore laser) e per scopi seri (reazione termonucleare).