Elektroni in atomi

Nedeljivi. Atomi? Ne, delci!
Odgovori
blazob
Prispevkov: 5
Pridružen: 20.11.2012 19:34

Elektroni in atomi

Odgovor Napisal/-a blazob » 20.11.2012 20:37

Lep pozdrav!
Imam več vprašanj.
Kako se elektron obnaša v atomu, kot delec ali kot valovanje? Kako se premika med orbitalami? (ker kolikor razumem ne more obstajati v medorbitalnem prostoru niti za delček sekunde).
Druga stvar je pa še double slit experiment. Torej, če gre tok elektronov skozi ˝sito˝nastane vzorec, kjer so elektroni bolj zgoščeni, ter del kjer so manj zgoščeni. Zanima me, ali se elektron nahaja nekje na tem vzorcu, to pa lahko napovemo samo z določeno verjetnostjo, ali se ubistvu elektron nahaja na celem vzorcu? Nevem če je to sploh možno, vendar si ne prestavljam dobro, tako da če lahko približno razložite mal kaj pa kako?
Kaj pa če opazujemo ta tok elektronov, takrat jim torej lahko določimo natančno pozicijo, oz. isto naj bi bilo pri spinu elektorna, kolikor jaz razumem. Ali je ta lasntost vsaj približno razložena oz. kako si to vi predstavljate, ali je možno, da naša čutila tega ne morejo zaznati pa si predstavljamo tako kot si, ali gre tukaj za bolj komplicirano stvar?

P.S: Sem gimnazijec, tako da nimam nobene izobrazbe v tej smeri.

Uporabniški avatar
Aniviller
Prispevkov: 7263
Pridružen: 15.11.2004 18:16

Re: Elektroni in atomi

Odgovor Napisal/-a Aniviller » 20.11.2012 21:34

Aha. Rabis torej domac uvod v kvantno mehaniko.

Osnova kvantne mehanike je, da se vsa snov obnasa kot valovanje, "delckavost" je pa v tem, da je stevilo delcev lahko le celo stevilo. Glavna razlika od valov je torej, da pri valu lahko das amplitudo na pol in dobis pol vala. Pri delcih je pa verjetnostna porazdelitev po razlicnih stanjih tista, ki se obnasa kot val. Vemo, da je vsota verjetnosti vedno 1 (100%), torej ne mores imeti "pol delca", "0.45 osnovnega naboja" ali kaj podobnega. Torej, delec je delec, valuje pa verjetnost kje se nahaja.

Delec torej ni kroglica, ki ji lahko pripises koordinate, komponente hitrosti,... ampak je skalarna funkcija polozaja (vsaka tocka v prostoru ima verjetnost, s katero se delec lahko tam nahaja), kar si lahko predstavljas kot "packo" v prostoru namesto tocke. Za to kolicino drzi Schrodingerjeva enacba (ki je podobna enacbam, ki veljajo za valovanje). Kolicine, kot smo jih vajeni, lahko dobis le kot povprecja (osnove povprecenja ce imas verjetnost verjetno poznas: povprecen polozaj je tezisce packe). Seveda pa zdaj kar naenkrat kolicine (najbolj tipicni primer sta hitrost in polozaj) niso vec neodvisne, ker oboje racunas iz iste porazdelitve - hitrost (oziroma gibalna kolicina) je v tem opisu povezana z valovno dolzino valovanja. Iz tega naravno pride nacelo nedolocenosti: majhen zmazek ima dobro dolocen polozaj ampak slabo doloceno valovno dolzino. To velja za vsa valovanja, ni neka posebnost kvantne mehanike. Ce imas na razpolago samo en val, ali se manj, potem pa je kar konec, valovna dolzina ni dobro dolocljiva. Recimo pri zvoku sta skrajnosti tole: ce nekaj na kratko poci, tocno ves kdaj je pocilo (cas je dobro dolocen), ampak ne slisis jasne visine tona. Druga skrajnost je, da imas dolg enakomeren ton (recimo eno minuto enega tona flavte), pa ves tocno kateri ton je, ne mores pa povedat kdaj je bil, ker se ni zgodil ob enem trenutku ampak je trajal. Nacelo nedolocenosti je torej povezano s tem, da je dolocljivost kolicin, ki nas zanimajo, povezano s tem v kaksni valovni funkciji se delec trenutno nahaja (kako se ta spreminja s casom pa narekuje Schrodingerjeva enacba).

Posebne resitve Schrodingerjeve enacbe so vezana stanja. V teh primerih je POVPRECNA hitrost enaka 0, verjetnostna porazdelitev pa ostane v casu nespremenjena. To je podobno kot stojeci valovi, ki si jih vajen iz valovanja na vrvi ali bobnu. Seveda imas se vedno "razmazanost" hitrosti in "razmazanost" polozaja - to zadnje poznas kot orbitale. V vezanih stanjih torej sploh ne gre za gibanje ampak delec pac "je" nek zmazek. Ker gre za verjetnostne porazdelitve, se lahko delec nahaja tudi v mesanici razlicnih vezanih stanj - recimo 50% v eni 50% v drugi orbitali. Ne gre torej sploh za to ali je v "medorbitalnem prostoru" ampak je samo njegova verjetnostna porazdelitev lahko nekaj, kar ni ne ena ne druga orbitala. Seveda to ni stabilno stanje, in se s casom povecuje verjetnost, da je medtem delec ze oddal energijo in se znasel v najnizjem stanju. Opazis torej spet, da je vse tako kot si vajen, le da je vse, vkljucno z razpadom, podano v obliki verjetnosti (ne zaradi neke nase nesposobnosti meritve ampak zato, ker je verjetnostna porazdelitev vse, kar narava ve o delcu).

Nekoliko se zakomplicira, ko prineses v enacbe se meritev. Meritev pravzaprav ni nic drugega, kot da tvoj merilni instrument pride v Schrodingerjevo enacbo, ker se z "delcem" ki ga meris vidita in motita. Po meritvi valovno funkcijo zato zmesas v nekaj drugega kot bi bilo brez meritve, in tisto tudi izmeris. Ce meris polozaj, torej dobis enega izmed moznih polozajev - ce eksperiment ponovis veckrat, veckrat dobis tiste z vecjo verjetnostjo. Posamezne meritve pa seveda vedno izmerijo le en polozaj. To je primer pri double-slit eksperimentu. Vsak posamezen elektron "valuje" skozi obe rezi in interferira sam s seboj, kot vsak val. Na steni zadaj imas torej v "zgoscinah" vecjo verjetnost, da ga tam zaznas. Ce te elektrone lovis in stejes v bistvu samo ponavljas eksperiment, vsak elektron izmeris na neki poziciji, ampak ko dobis dovolj elektronov pocasi vidis, da so nekateri polozaji bolj verjetni - sorazmerno z valovno funkcijo. Elektron je bil vseskozi val - najprej enakmeren val, potem zaradi dveh rez dobis zgoscine in razredcine v precni smeri, nato pa je zadel steno, ki ga "pokvari" v valovno funkcijo, ki je zelo ozko lokalizirana na tocko kjer ga zaznas (googlaj kolaps valovne funkcije). Vseskozi se torej vidi "delckavost" v tem, da elektron bodisi je ali ga pa ni. Valovna narava pa se vidi le v njegovi verjetnostni porazdelitvi. Isto velja za orbitale. Ce meris v kateri orbitali je delec (to je meritev energije), bos dobil za odgovor eno izmed orbital. Ce je bil v "cistem" stanju, bo odgovor sigurno tisto stanje. Ce je bil v mesanem stanju, pri meritvi lahko z razlicno verjetnostjo dobis za odgovor eno izmed orbital. To je mogoce tisto, kar lahko po kmecko opises kot da ga ni v "medorbitalnem prostoru", ceprav se kot vidis to ne nanasa na fizicni prostor (ker je elektron itak packa, ki se razteza po celem prostoru, samo zelo malo verjetno je, da ga najdes dalec od atoma).

Za pojave, ki se dogajajo na dovolj veliki velikostni skali (vecji od obicajnih velikosti "zmazkov" valovne funkcije) lahko na valovno naravo pozabis in se delas, da je delec tocka z doloceno hitrostjo in polozajem. Ce pa so pojavi, ki jih opazujemo, na velikostih, primerljivih z valovno dolzino (ki je povezana s hitrostjo delca), pa to postane vazno. Saj v bistvu to vidis v vsakdanjem zivljenju. Svetloba je ravno tako valovanje, ampak se vsi pretvarjamo, da svetloba potuje v obliki ravnih zarkov. To smes naredit, ker je valovna dolzina okrog polovice mikrometra in razen pri kaksnih uklonskih mrezicah spranje niso dovolj ozke, da bi valovni pojavi postali opazni. Pri valovih na vodi je drugace. Ce gledas na valove na morju, kjer jih nic ne moti in so "prosti" (ravni valovi), je valovna dolzina ponavadi zelo lepo ocitna, valovi so pa vsepovsod (popolnoma nedolocen polozaj). To je podobno kot curek prostih elektronov v vakuumu, ki imajo lepo doloceno hitrost. Ce pa pomesas skodelico kave, pa dolgih valov ne mores ravno stlacit noter, da bi bili lepo vzporedni en z drugim, ampak dobis neko zmedo, katere valovna dolzina ni cisto jasna, za polozaj pa ves vsaj, da je ujet v skodelico. To je nekaj takega kot vezan elektron v orbitali atoma.

Alternativno si lahko razlagas, da elektron "sproba" vse mozne poti, z razlicnimi verjetnostmi, od katerih pac eno zaznas. Glavno je, da je valovna funkcija delca vsa fizikalna vsebina, ki jo imas. Ker ne opazujemo valovne funkcije ampak povprecja, ki so iz nje izpeljane, dobimo pojave, ki jih nismo vajeni.

V razlago sem nametal veliko grobih primerjav z vsakdanjimi pojavi. Primerjave jemlji bolj opisno in razlagalno, ne dobesedno. Dodatna vprasanja bom z veseljem odgovoril.

blazob
Prispevkov: 5
Pridružen: 20.11.2012 19:34

Re: Elektroni in atomi

Odgovor Napisal/-a blazob » 22.11.2012 17:53

Hvala za lep odgovor :) Torej je malo drugače kot sem si predstavljal.

Odgovori

Kdo je na strani

Po forumu brska: 0 registriranih uporabnikov in 2 gostov