مکانیک کوانتومی زیرشاخه‌ای از فیزیک است که رفتار ذرات – اتم‌ها، الکترون‌ها، فوتون‌ها و تقریباً همه چیز در قلمرو مولکولی و زیر مولکولی را توصیف می‌کند. نتایج مکانیک کوانتومی که در نیمه اول قرن بیستم توسعه یافت، اغلب نتایج بسیار عجیب و غیرقابل درکی است.

مکانیک کوانتومی چه تفاوتی با فیزیک کلاسیک دارد؟

در مقیاس اتم ها و الکترون ها، بسیاری از معادلات مکانیک کلاسیک که حرکت و برهمکنش اشیاء را در اندازه ها و سرعت های روزمره توصیف می کنند، دیگر مفید نیستند. در مکانیک کلاسیک، اجسام در یک مکان خاص در یک زمان خاص وجود دارند. در مکانیک کوانتومی، اجسام در یک ابر احتمال وجود دارند. آنها شانس معینی برای قرار گرفتن در نقطه A، شانس دیگری برای قرار گرفتن در نقطه B و غیره دارند.

مکانیک کوانتومی چه زمانی توسعه یافت؟

مکانیک کوانتومی در اوایل قرن بیستم، طی چندین دهه توسعه یافت و به عنوان مجموعه‌ای از توضیحات ریاضی بحث‌برانگیز برای آزمایش‌هایی که ریاضیات مکانیک کلاسیک قادر به توضیح آن نبود، شروع شد. تقریباً در همان زمانی که آلبرت انیشتین نظریه نسبیت خود را منتشر کرد، انقلاب دیگری در فیزیک رخ داد که حرکت اشیاء با سرعت بالا را توصیف می کرد. با این حال، بر خلاف نسبیت، منشأ مکانیک کوانتومی را نمی‌توان به یک دانشمند نسبت داد. در عوض، دانشمندان متعددی به ایجاد این نظریه کمک کردند که به تدریج بین اواخر دهه 1800 و 1930 مورد پذیرش و تأیید تجربی قرار گرفت.

دوگانگی موج-ذره چیست؟

در مکانیک کوانتومی، ذرات می توانند گاهی به صورت موج و گاهی به صورت ذره وجود داشته باشند. این را می توان در آزمایش دو شکاف مشاهده کرد، جایی که ذراتی مانند الکترون ها به صفحه ای با دو شکاف بریده شده در آن شلیک می شوند، که در پشت آن صفحه ای قرار دارد که با برخورد الکترون به آن روشن می شود. بر اساس یک مقاله معروف در نیچر، اگر الکترون‌ها ذره بودند، پس از عبور از یکی از شکاف‌ها، دو خط روشن ایجاد می‌کردند.

در عوض، هنگامی که آزمایش انجام می شود، یک الگوی تداخل روی صفحه نمایش شکل می گیرد. این الگوی نوارهای تاریک و روشن تنها در صورتی معنا پیدا می کند که الکترون ها موجی باشند، که می توانند با یکدیگر تداخل داشته باشند. 

در سال 1924، فیزیکدان فرانسوی لویی دو بروگلی از معادلات نظریه نسبیت خاص انیشتین استفاده کرد تا نشان دهد که ذرات می توانند ویژگی های موج مانند و امواج می توانند ویژگی های ذره مانند را از خود نشان دهند  یافته ای که با آن، چند سال بعد جایزه نوبل را به دست آورد. 

مکانیک کوانتومی چگونه اتم ها را توصیف می کند؟

در دهه 1910، فیزیکدان دانمارکی نیلز بور تلاش کرد تا ساختار درونی اتم ها را با استفاده از مکانیک کوانتومی توصیف کند. در این مرحله، مشخص شد که یک اتم از یک هسته سنگین، متراکم و با بار مثبت ساخته شده است که توسط انبوهی از الکترون های کوچک، سبک و با بار منفی احاطه شده است. بور الکترون‌ها را مانند سیارات منظومه شمسی زیر اتمی در مدارهای دور هسته قرار داد، با این تفاوت که آنها فقط می‌توانند فواصل مداری از پیش تعریف‌شده‌ای داشته باشند. با پرش از یک مدار به مدار دیگر، اتم می‌تواند تابش را در انرژی‌های خاصی دریافت یا ساطع کند که طبیعت کوانتومی آنها را منعکس می‌کند.

به گفته انجمن فیزیک آمریکا، اندکی پس از آن، دو دانشمند به طور مستقل و با استفاده از خطوط جداگانه تفکر ریاضی، تصویر کوانتومی کامل تری از اتم ایجاد کردند. در آلمان، فیزیکدان ورنر هایزنبرگ این کار را با توسعه «مکانیک ماتریس» انجام داد. اروین شرودینگر، فیزیکدان اتریشی-ایرلندی، نظریه مشابهی به نام «مکانیک موج» ارائه کرد. شرودینگر در سال 1926 نشان داد که این دو رویکرد معادل هستند.

مدل هایزنبرگ- شرودینگر از اتم، که در آن هر الکترون به عنوان یک موج در اطراف هسته یک اتم عمل می کند، جایگزین مدل قبلی بور شد. در مدل هایزنبرگ- شرودینگر از اتم، الکترون‌ها تابع موجی هستند و به جای مدارها، «اوربیتال‌ها» را اشغال می‌کنند. بر خلاف مدارهای دایره‌ای مدل بور، اوربیتال‌های اتمی شکل‌های مختلفی دارند، از کره گرفته تا دمبل و… .