- QUANTUM THEORY. - Quantum Theory, in physics, description of the particles that make up matter and how they interact with each other and with energy. - Quantum theory explains in principle how to calculate what will happen in any experiment involving physical or biological systems, and how to understand how our world works. - The name “quantum theory” comes from the fact that the theory describes the matter and energy in the universe in terms of single indivisible units called quanta (singular quantum). - Quantum theory is different from classical physics.. - Classical physics is an approximation of the set of rules and equations in quantum theory.. - Quantum theory, on the other hand, can accurately describe the behavior of the universe on a much smaller scale, that of atoms and smaller particles. - Quantum theory is more general than classical physics, and in principle, it could be used to predict the behavior of any physical, chemical, or biological system. - However, explaining the behavior of the everyday world with quantum theory is too complicated to be practical.. - Quantum theory not only specifies new rules for describing the universe but also introduces new ways of thinking about matter and energy. - The tiny particles that quantum theory describes do not have defined locations, speeds, and paths like objects described by classical physics. - Instead, quantum theory describes positions and other properties of particles in terms of the chances that the property will have a certain value. - Quantum theory enabled scientists to understand the conditions of the early universe, how the Sun shines, and how atoms and molecules determine the characteristics of the material that they make up. - Quantum theory describes all of the fundamental forces-except gravitation-that physicists have found in nature. - The forces that quantum theory describes are the electrical, the magnetic, the weak, and the strong. - One of the striking differences between quantum theory and classical physics is that quantum theory describes energy and matter both as waves and as particles. - The type of energy physicists study most often with quantum theory is light.. - Quantum theory acknowledges that both light and matter can behave like waves and like particles.. - It is important to understand how scientists describe the properties of waves in order to understand how waves fit into quantum theory. - The highest points on the rope are called the crests of the waves. - The frequency of the waves is the number of waves per second that pass by a given point along the rope.. - If the two waves exactly line up—that is, if the crests and troughs of the waves line up—the waves interfere constructively. - This means that the trough of the combined wave is deeper and the crest is higher than those of the waves before they combined. - If the two waves are offset by exactly half of a wavelength, the trough of one wave lines up with the crest of the other. - This alignment creates destructive interference—the two waves cancel each other out and a momentary flat spot appears on the rope.. - In 1923 French physicist Louis de Broglie suggested that all particles—not just photons—have both wave and particle properties. - He calculated that every particle has a wavelength (represented by the Greek letter lambda) equal to Planck’s constant (h) divided by the momentum (p) of the particle. - Electrons, atoms, and all other particles have de Broglie wavelengths. - In fact, the de Broglie wavelength of anything much larger than an atom is smaller than the size of one of its atoms.. - For example, the de Broglie wavelength of a baseball moving at 150 km/h (90 mph) is 1.1 x 10 -34 m (3.6 x 10 -34 ft). - The diameter of a hydrogen atom (the simplest and smallest atom) is about 5 x 10 -11 m (about 2 x 10 -10 ft), more than 100 billion trillion times larger than the de Broglie wavelength of the baseball. - The de Broglie wavelengths of everyday objects are so tiny that the wave nature of these objects does not affect their visible behavior, so their wave- particle duality is undetectable to us.. - De Broglie wavelengths become important when the mass, and therefore momentum, of particles is very small. - One of the most dramatic and interesting demonstrations of the wave behavior of electrons comes from the double-slit experiment. - The barrier contains two slits, each about the width of the de Broglie wavelength of an electron. - The slits in the barrier are about as wide as the wavelength of the water waves. - In this experiment, the waves spread out spherically from the source until they hit the barrier. - The waves pass through the slits and spread out again, producing two new wave fronts with centers as far apart as the slits are. - These two new sets of waves interfere with each other as they travel toward the detector at the far end of the tank.. - The waves interfere constructively in some places (adding together) and destructively in others (canceling each other out). - On either side of this peak, the waves destructively interfere and cancel each other out, creating a low point in intensity. - Further out from these low points, the waves are weaker, but they constructively interfere again and create two more peaks of intensity, smaller than the large peak in the middle. - The intensity then drops again as the waves destructively interfere. - The intensity of the waves forms a symmetrical pattern on the detector, with a large peak directly across from. - The marbles are put in motion and pass through the barrier, striking the detector at the far end of the apparatus. - However, if scientists run the experiment using a barrier whose slits are much wider than the de Broglie wavelength of the electrons, the pattern resembles the one produced by the marbles. - LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ. - Thuyết lượng tử trong vật lý học mô tả các hạt tạo nên vật chất và cách chúng tương tác với nhau và với năng lượng. - Thuyết lượng tử giải thích về nguyên tắc làm thế nào để tính toán những gì sẽ xảy ra trong bất kỳ thực nghiệm nào liên quan đến hệ thống vật lý hay sinh học, và để hiểu những công việc trên thế giới chúng ta như thế nào. - Cái tên "thuyết lượng tử". - xuất phát từ thực tế là lý thuyết mô tả vật chất và năng lượng trong vũ trụ dưới dạng những đơn vị duy nhất không thể phân chia được gọi là những lượng tử. - Thuyết lượng tử là khác vật lý cổ điển. - Vật lý cổ điển là một phép gần đúng của bộ quy tắc và phương trình trong thuyết lượng tử. - Vật lý cổ điển mô tả chính xác hành vi của vật chất và năng lượng trong vũ trụ hàng ngày. - Ví dụ, vật lý cổ điển giải thích chuyển động của một chiếc xe tăng tốc hoặc một quả bóng bay qua không khí. - Thuyết lượng tử, mặt khác, có thể mô tả chính xác hành vi của vũ trụ trên một quy mô nhỏ hơn nhiều, đó là các nguyên tử và các hạt nhỏ hơn. - Các quy tắc của vật lý cổ điển không giải thích được hành vi của vật chất và năng lượng trên quy mô nhỏ này.. - Thuyết lượng tử tổng quát hơn vật lý cổ điển, và về nguyên tắc, nó có thể được dùng để dự đoán hành vi của bất kỳ hệ thống vật lý, hóa học, hoặc sinh học nào. - Tuy nhiên, việc giải thích hành vi thế giới hàng ngày bằng thuyết lượng tử là quá phức tạp về thực tế.. - Thuyết lượng tử không chỉ định rõ những quy tắc mới để mô tả vũ trụ mà còn giới thiệu những cách thức tư duy mới về vật chất và năng lượng. - Các hạt nhỏ xíu mà thuyết lượng tử mô tả không có quy định vị trí, tốc độ, và đường đi giống như các vật được mô tả bằng vật lý cổ điển. - Thay vào đó, thuyết lượng tử mô tả các vị trí và các tính chất khác của các hạt dưới dạng những cơ may mà tính chất sẽ có một giá trị nào đó. - Ví dụ, nó cho phép các nhà khoa học để tính toán chắc đúng thế nào rằng một hạt sẽ ở một vị trí nào đó tại một thời điểm nào đó. - Việc mô tả lượng tử của các hạt cho phép các nhà khoa học hiểu các hạt kết hợp để tạo thành các nguyên tử như thế nào.. - Việc mô tả lượng tử của các nguyên tử giúp các nhà khoa học hiểu được các tính chất hoá học và vật lý của các phân tử, nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử. - Thuyết lượng tử cho phép các nhà khoa học hiểu các điều kiện của vũ trụ ban đầu, Mặt Trời toả sáng thế nào, và các nguyên tử và phân tử xác định các đặc tính của vật liệu mà chúng tạo nên như thế nào.. - Không có thuyết lượng tử, các nhà khoa học không thể phát triển năng lượng hạt nhân hoặc các mạch điện cung cấp cơ sở cho các máy điện toán.. - Thuyết lượng tử mô tả tất cả các lực cơ bản, ngoại trừ lực hấp dẫn, mà các nhà vật lý đã tìm thấy trong tự nhiên. - Các lực mà thuyết lượng tử mô tả là điện, từ, yếu và mạnh. - Các nhà vật lý thường nhắc đến các lực này trong tương tác, bởi vì các lực kiểm soát phương cách các hạt tương tác với nhau. - Sự tương tác cũng ảnh hưởng đến sự thay đổi tự phát trong các hạt bị cô lập.. - Một trong những khác biệt nổi bật giữa thuyết lượng tử và vật lý cổ điển là thuyết lượng tử mô tả năng lượng và vật chất cả sóng và hạt. - Loại năng lượng các nhà vật lý nghiên cứu nhất thường với thuyết lượng tử là ánh sáng. - Vật lý cổ điển cho ánh sáng chỉ là sóng, và nó xem vật chất hoàn toàn như các hạt. - Thuyết lượng tử thừa nhận rằng cả ánh sáng và vật chất có thể đối xử giống như sóng và hạt.. - Điều quan trọng là hiểu các nhà khoa học mô tả các tính chất của sóng như thế nào để hiểu sóng phù hợp với thuyết lượng tử ra sao. - Khoảng cách từ ngọn đến ngọn hoặc từ lõm đến lõm - hoặc từ bất kỳ điểm nào trên sóng đến điểm giống hệt nhau trên sóng tiếp theo được gọi là bước sóng. - Hai sóng này sẽ giao thoa hoặc kết hợp. - Năm 1923, nhà vật lý người Pháp Louis de Broglie đề xuất rằng tất cả các hạt – không chỉ photon - có cả hai tính chất sóng và hạt. - Ông tính toán rằng mỗi hạt có một bước sóng (đại diện bằng chữ Hy Lạp lambda) bằng hằng số Planck h chia cho động lượng p của hạt. - Điện tử, nguyên tử, và tất cả các hạt khác có bước sóng de Broglie. - Bởi vì hằng số Planck là một số cực nhỏ, nên bước sóng de Broglie (h/p) của bất kỳ vật nhìn thấy nào là cực nhỏ. - Thực tế, bước sóng de Broglie của bất kỳ vật nào lớn hơn nhiều so với nguyên tử thì nhỏ hơn kích thước của một trong các nguyên tử của nó. - Ví dụ, bước sóng de Broglie của một quả bóng chày di chuyển ở tốc độ 150 km/h (90 dặm/h) là 1,1 x 10 -34 m (3,6 x 10 -34 fít). - Đường kính của nguyên tử hydro (nguyên tử đơn giản và nhỏ nhất) khoảng 5 x 10 -11 m (khoảng 2 x 10 -10 fít), lớn hơn nghìn tỷ lần bước sóng de Broglie của bóng chày. - Các bước sóng de Broglie của các vật hàng ngày nhỏ đến nỗi bé bản chất sóng của các vật này không ảnh hưởng đến hành vi nhìn thấy của chúng, do vậy, lưỡng tính sóng - hạt của chúng không thể phát hiện đến chúng ta.. - Bước sóng de Broglie trở nên quan trọng khi khối lượng, và do đó động lượng, của các hạt rất nhỏ. - Kích thước nguyên tử các hạt và điện tử có những tính chất như sóng có thể chứng minh được. - Rào cản chứa hai khe, độ rộng mỗi khe vào khoảng bước sóng de Broglie của một điện tử. - Trên quy mô nhỏ này, bản chất sóng của điện tử trở nên hiển nhiên, như được mô tả trong đoạn sau đây.. - Các nhà khoa học có thể xác định liệu các điện tử có hành vi như sóng hay như hạt bằng cách so sánh các kết quả của những thực nghiệm hai khe với những thực nghiệm tương tự được thực hiện với sóng và hạt nhìn thấy. - Để thiết lập hành vi sóng nhìn thấy như thế nào trong bộ máy hai khe, các nhà vật lý có thể thay thế nguồn điện tử bằng một thiết bị tạo sóng trong một thùng nước. - Các khe trong rào chắn rộng bằng khoảng bước sóng của sóng nước.. - Các sóng giao thoa tăng cường biên độ ở một số nơi (cộng thêm với nhau) và giảm bớt biên độ ở những nơi khác (trừ khử lẫn nhau). - Sau đó cường độ giảm trở lại như sóng giao thoa giảm bớt biên độ. - Để xem hành vi các hạt trong thực nghiệm hai khe ra sao, các nhà vật lý thay thế nước bằng đá hoa. - Các khe rào chắn rộng khoảng một viên đá, như là chỗ thực nghiệm này là để cho phép các hạt (trong trường hợp này là những viên đá hoa) đi qua rào cản. - Khi các nhà vật lý thực hiện thử nghiệm hai khe với các điện tử, mô hình phù hợp phát hiện được sinh ra bởi sóng, không phải những viên đá. - Tuy nhiên, nếu các nhà khoa học chạy thử nghiệm bằng cách sử dụng một rào chắn có các khe rộng hơn nhiều so với bước sóng de Broglie của các điện tử, mô hình sẽ giống với sản phẩm của các viên đá. - Điều này cho thấy các hạt nhỏ như điện tử cư xử như sóng trong một số trường hợp và như hạt ở những trường hợp khác.