Θεμελιώδεις έννοιες και αρχές της Κβαντικής Φυσικής
- Κβάντα του φωτός ή φωτόνια
Είναι τα μικρότερα “πακέτα” ενέργειας από τα οποία αποτελείται το φως.
Στη φυσική ονομάζονται και φωτόνια.
Ο όρος κβάντα προέρχεται από τη λατινική λέξη quantum που σημαίνει ποσόν ή ελάχιστο ποσόν.
Κάθε φωτεινό κβάντο έχει καθορισμένη ενέργεια Ε που εξαρτάται από τη συχνότητα f του συγκεκριμένου χρώματος και από τα οποία χρώματα αποτελείται το φως.
- Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και η ερμηνεία του από τον Einstein με τη βοήθεια των φωτεινών κβάντων
Είναι η εκπομπή ηλεκτρονίων από μια μεταλλική επιφάνεια όταν αυτή ακτινοβοληθεί με φως κατάλληλης συχνότητας.
Το 1905, ο Albert Einstein εξήγησε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο προτείνοντας ότι το φως αποτελείται από «πακέτα ενέργειας», τα φωτόνια.
- Το άτομο του Bohr
Το μοντέλο του Bohr (1913) περιγράφει το άτομο ως «πλανητικό σύστημα», όπου τα ηλεκτρόνια κινούνται σε συγκεκριμένες, κβαντισμένες κυκλικές τροχιές γύρω από έναν κεντρικό πυρήνα. Σύμφωνα με αυτό:
Τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε συγκεκριμένες, επιτρεπτές τροχιές (ενεργειακές στάθμες).
Όταν ένα ηλεκτρόνιο «μεταπηδά» σε υψηλότερη στάθμη απορροφά ενέργεια και όταν «πέφτει» σε χαμηλότερη στάθμη εκπέμπει φως (φωτόνιο).
- Το φαινόμενο Compton
Ανακαλύφθηκε από τον Arthur Compton το 1923, επιβεβαιώνοντας ότι τα φωτόνια συμπεριφέρονται ως σωματίδια με ορμή. Σύμφωνα με αυτό:
Όταν ακτίνες Χ με μήκος κύματος λ προσπίπτουν πάνω σε λεπτή υλική επιφάνεια, ένα τμήμα της δέσμης εκτρέπεται από την ευθύγραμμη πορεία του (σκεδάζεται) και το μήκος κύματος της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας, λ΄, είναι μεγαλύτερο από αυτό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, λ.
- Ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός του φωτός
Το φως έχει διττή φύση.
Άλλοτε συμπεριφέρεται ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα (φαινόμενα συμβολής, περίθλασης, πόλωσης) και άλλοτε συμπεριφέρεται ως σωματίδιο δηλαδή φωτόνιο (φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, φαινόμενο Compton).
Με απλά λόγια : Το φως συμπεριφέρεται όπως «του ζητάει» το πείραμα να συμπεριφερθεί.
- Απαγορευτική Αρχή του Pauli
Διατυπώθηκε από τον Wolfgang Pauli το 1925 και είναι η ραχοκοκαλιά του περιοδικού πίνακα. Καθορίζει τη διάταξη των ηλεκτρονίων στα άτομα.Σύμφωνα με αυτή:
«Είναι αδύνατο να υπάρξουν στο ίδιο άτομο ή σύμπλεγμα ατόμων πάνω από δύο ηλεκτρόνια στην ίδια ενεργειακή στάθμη»
- Ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός της ύλης- Κύματα de Broglie
Ένα ηλεκτρόνιο, αλλά και κάθε άλλο υλικό σωματίδιο με ορμή p=mυ, έχει ταυτόχρονα και κυματική συμπεριφορά με μήκος κύματος λ. (Υλικά κύματα de Broglie)
- Κυματική εξίσωση του Schrödinger
Η εξίσωση Σρέντινγκερ (Schrödinger) είναι μία διαφορική εξίσωση η οποία προτάθηκε από τον Αυστριακό φυσικό Έρβιν Σρέντινγκερ το 1925 και δημοσίευσε το 1926, για να περιγράψει τη χρονική και χωρική εξάρτηση κβαντομηχανικών συστημάτων.
- Αρχή της αβεβαιότητας ή αρχή της απροσδιοριστίας του Heisenberg
Σύμφωνα με αυτή: «Το γινόμενο των αβεβαιοτήτων θέσης και ορμής ενός σωματιδίου δεν μπορεί να γίνει μικρότερο από το μισό της σταθεράς του Planck»
«Όσο πιο πολύ καθορίζεται με ακρίβεια η θέση, με τόση λιγότερη ακρίβεια είναι γνωστή η ορμή (άρα και η ταχύτητα) για εκείνη τη στιγμή και το αντίθετο».
Werner Heisenberg
- Κβαντική Υπέρθεση (quantum superposition)
Ένα σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα, μέχρι να το μετρήσουμε.
Η κβαντική υπέρθεση είναι θεμελιώδης αρχή της κβαντομηχανικής, σύμφωνα με την οποία ένα κβαντικό σύστημα (π.χ. ηλεκτρόνιο) μπορεί να βρίσκεται ταυτόχρονα σε πολλαπλές, διαφορετικές καταστάσεις. Το σύστημα παραμένει σε αυτόν τον συνδυασμό καταστάσεων, περιγραφόμενο από μια κυματοσυνάρτηση, έως ότου πραγματοποιηθεί μέτρηση, η οποία «αναγκάζει» το σύστημα να καταρρεύσει σε μία μόνο κλασική κατάσταση.
- Κβαντική διεμπλοκή ή Κβαντική σύμπλεξη (quantum entanglement)
Δύο ή περισσότερα σωματίδια συνδέονται τόσο στενά, ώστε η κατάσταση του ενός (π.χ. το spin) να καθορίζει ακαριαία την κατάσταση του άλλου, ανεξάρτητα από την απόσταση που τα χωρίζει.
H κβαντική σύμπλεξη είναι ένα από τα πιο περίεργα φαινόμενα που μελετά η κβαντική μηχανική – τόσο παράξενο που ανάγκασε τον Einstein να αναφέρεται σ’ αυτό ως η «στοιχειωμένη δράση από απόσταση».
Όταν δύο σωματίδια βρίσκονται σε κβαντική σύμπλεξη, συν-πλέκονται μεταξύ τους ακόμα και αν βρίσκονται εκατομμύρια έτη φωτός μακριά.
