Sci3nce

Czysta nauka, newsy, dyskusje, spekulacje

Ogłoszenie

UWAGA! Niedługo na forum pojawią się konkursy!
  • Index
  •  » Teoria
  •  » Dwie teorie i przełom w chemicznym postrzeganiu świata

#1 06-07-2010 20:19:13

 MadChemist

Moderator

Skąd: W-wa
Zarejestrowany: 05-07-2010
Posty: 9
Punktów :   

Dwie teorie i przełom w chemicznym postrzeganiu świata

W pierwszym poście w tym dziale chciałbym napisać artykuł o dwóch teoriach, które wprowadziły nowy pogląd na struktury mikroskopowe w budowie materii. Na razie zacznę od teorii kwantów Plancka Bohra, które jednakże w późniejszym okresie okazały się niezupełne (nie mylić z tym, że były całkowicie błędne).

Otóż według teorii Bohra energia jest wymieniana w kwantach (fotonach - cząstki elementarne nieobdarzone masą, m = 0). Energia takiego kwantu jest proporcjonalna do częstotliwości drgań fali promieniowania i opisuje ją równanie:

E = h * v      gdzie:

h = 6,625 * 10^-34 J * s - stała Plancka
v - częstotliwość drgań źródła, które wysyła falę elektromagnetyczną.

Zgodnie z teorią wymiana energii odbywa się tylko poprzez wymianę całych kwantów. Podczas wysyłania kwantu przez atom jego energia zmniejsza się o energię wyemitowanego kwantu. Dla zobrazowania tego zjawiska, zakładam, że energia elektronu wynosi E3 przed emisją kwantu, a po emisji wynosi ona E2. Równanie opisujące:

E3 - E2 = hv

Równanie opisuje to, że po wyemitowaniu przez atom kwantu, jego elektron przechodzi z wyższego stanu energetycznego (E3)  na niższy  (E2). Elektron może również przejść na jeszcze niższy stan energetyczny (E1), wtedy wyemitowany zostanie kwant o wyższej energii. Te poziomy energetyczne Bohr nazwał orbitami, które otaczają jądro (później zostały one zastąpione definicją orbital). Warto wspomnieć, że na orbicie położonej bliżej jądra elektron ma niższą energię. Warto dodać, że elektrony mogą również osiągać wyższe stany energetyczne podczas pochłonięcia odpowiedniego kwantu energii. W atomach mogą występować również stany stacjonarne, w których elektrony nie wysyłają kwantów promieniowania. Żeby bardzo dokładnie omówić te stany, należy zagłębić się w równanie Schrödingera, które jest podstawą mechaniki kwantowej i jest równaniem różniczkowym (jego rozwiązaniem nie są liczby, lecz funkcje). A to nie ten poziom...


NALEŻY PAMIĘTAĆ, ŻE MODEL ATOMU I RUCHU ELEKTRONÓW WOKÓŁ JĄDRA PRZEDSTAWIONY POWYŻEJ JEST DZIŚ JUŻ TYLKO HISTORYCZNY I NIEPEŁNY. ZOSTAŁ UZUPEŁNIONY NOWYM POGLĄDEM NA ŚWIAT MIKROCZĄSTEK - MECHANIKĄ KWANTOWĄ. PONIŻEJ PRZEDSTAWIĘ DWIE TEORIE, KTÓRE ZREWOLUCJONIZOWAŁY KONCEPCJĘ MECHANIKI KWANTOWEJ I DOSKONALE ORAZ LOGICZNIE OPISUJĄ STRUKTURĘ MIKROCZĄSTEK.


Pierwszą "rewolucją" był dualizm korpuskularno-falowy de Broglie'a, wedle którego teorii mikrocząstki mają zarówno charakter falowy (mogą być falą) jak i korpuskularny (są traktowane po prostu jako cząsteczki). Zgodnie z kwantową teorią promieniowania (równanie Plancka), da się opisać światło równaniem E = hv, więc światło powinno być falą jak i kwantem. Dla ruchu fotonów stosuje się dwa równorzędne równania:

równanie Plancka: E = hv
równanie Einsteina: E = mc^2      gdzie:

E - energia fotonu
m - masa
c - prędkość światła (3 * 10^8 m/s)

Dwa powyższe równania są równorzędne, więc hv = mc^2. Biorąc pod uwagę, że v = c/λ (λ - długość fali (każdy z gimnazjalnej fizyki powinien to wynieść)), a więc:

h / λ = mc

λ = h / mc

mc = p - pęd fotonu

Równanie de Broglie'a:

λ = h / p

Z powyższego równania wynika charakter falowy cząsteczek będących w ruchu. I teraz równanie fal materii de Broglie'a, które przedstawia zależność pomiędzy charakterem korpuskularnym a falowym:

λ = h / mV  bo p = mV ( wzór na pęd to fizyka I klasa gimnazjum)

Należy również wspomnieć o tym, że w ciałach makroskopowych również występuje charakter falowy, lecz nie może być on zauważony. Można to zrozumieć na 2 przykładach:

PRZYKŁAD 1. Obliczyć długość fali elektronu, który porusza się z prędkością 5,9 * 10^7 m/s.

m e = 1 / 1840 u = 1 / 1840 u  * (0,166 * 10^-23 / 10^3 kg) = 9 * 10^-31 kg

λ = h / mV

λ = 6,625 * 10^-34 J * s / 9 * 10^-31 kg * 5,9 * 10^7 m/s

λ = 1,2 * 10^-11 m

PRZYKŁAD 2. Obliczyć długość fali piłki golfowej o masie 40 g, która leci z prędkością 25m/s.

λ = h / mV

λ = 6,625 * 10^-34 J * s / 25 m/s * 0,04 kg

λ = 6,625 * 10^-34 m

Kierując się powyższymi przykładami, widać, że dualizm korpuskularno-falowy nie powinno stosować się do ciał makroskopowych, bo nie ma to sensu. Musi być brany pod uwagę tylko w przypadku cząstek elementarnych.

Teraz chciałbym opisać drugą teorię, która zrewolucjonizowała mechanikę kwantową.

Na początku fizyka stworzyła zasadę przyczynowości, która mówiła, że określona przyczyna może wywołać tylko jeden, określony skutek. Obrazując to, jeżeli jest znajomy jakiś stan układu w pewnej chwili, można określić wszystkie jego stany wcześniejsze i późniejsze. Przykładem jest z pewnością to, że po ustaleniu dokładnego położenia i pędu Słońca, jest możliwość ustalenia dokładnego czasu jego zaćmienia. Jednakże ta zasada nie jest już w stanie opisać ruchu elektronów. Wyznaczając stan układu w przypadku elektronu, trzeba określić jego położenie i pęd. Teraz rodzi się w głowie pytanie: jak wyznaczyć położenie elektronu? Korzystając z dualizmu korpuskularno-falowego, zakłada się, że elektron jest cząstką i można użyć krótkofalowego promieniowania (promieniowanie rentgena) i za pomocą mikroskopu na kliszy fotograficznej otrzymać obraz elektronu. Należy wziąć pod uwagę, że w czasie wyznaczania położenia elektronu popełnimy błąd Δx, który będzie wynosił około tyle samo, co długość fali λ (żeby zmniejszyć błąd używamy promieniowania krótkofalowego):

Δx ≈ λ

Kwant promieniowania rentgena w ruchu ma pewną masę. Kwant zderzając się z elektronem nada mu swój pęd (znów fizyka gimnazjalna i wzór, który już stosowałem wyżej: p = mV):

p = h / λ

Wskutek tego elektron zmieni swój pęd o Δp, z tym że Δp ≈ p (zmiana pędu rzędu około pędu kwantu): 

Δp ≈ p ≈ h / λ

Wnioskując z powyższych równań, błąd Δx powoduje zmianę pędu elektronu o Δp. Dla zmniejszenia niepewności Δp można użyć kwantów promieniowania o mniejszym pędzie, czyli dłuższej fali. To by spowodowało zwiększenie błędu Δx. Jak się okazało, iloczyn obu niepewności równa się mniej więcej stałej Plancka:

Δx Δp ≈ λ h / λ ≈ h

Powyższe równania i opisy błędów przy oznaczaniu stanów układu elektronu ukazują ZASADĘ NIEOZNACZONOŚCI HEISENBERGA. Owa zasada mówi, że nie można równocześnie z dowolną dokładnością położenia i pędu cząsteczki elementarnej. Nie wolno jednak myśleć, że zasada przyczynowości jest całkowicie błędna. Obie zasady opisują różne zjawiska. Trzeba pamiętać, że biorąc pod uwagę dualizm korpuskularno-falowy de Broglie'a, musimy też uwzględnić zasadę nieoznaczoności Heisenberga. Natomiast w przypadku ruchu cząstek makroskopowych charakter falowy cząsteczek, jak już mówiłem, może być pominięty. Fala jest bardzo krótka i zasada nieoznaczoności jest pomijana. Podsumowując, fizyka klasyczna przyjęła zasadę, która jest nieprzydatna w opisie zjawisk w strukturach mikroskopowych. dualizm korpuskularno-falowy de Broglie'a oraz zasada nieoznaczoności Heisenberga odgrywają bardzo ważną rolę w mechanice kwantowej.


Yo Yo Yo 1-4-8 3 to the 3 to the 6 to the 9. Representing the ABQ. What up BIATCH?!!

Offline

 

#2 03-02-2018 08:16:06

Szostek

user

Zarejestrowany: 26-05-2016
Posty: 7
Punktów :   

Re: Dwie teorie i przełom w chemicznym postrzeganiu świata

Twoje rozważania na temat dualizmu fala-matera oraz zasady nieoznaczoności Heisenberga rozumiem w nieco inny sposób.

Aby zaobserwować cząstkę o masie m trzeba na nią w jakiś sposób oddziaływać. To oddziaływanie może być, np. działaniem światłem o długości fali λ. Jeżeli energia fotonu jest takiego rzędu, jak energia, którą potrzeba, aby zauważalnie (czyli w granicach dokładności pomiaru) zmienić pęd cząstki, wtedy obserwacja wpływa na stań cząstki. Wtedy pomiar położenia cząstki powoduje zaburzenie jej ruchu i uniemożliwia pomiar jej pierwotnej (!) prędkości, czyli także pędu i energii kinetycznej (tak się powszechnie uważa, ale ja nie mam takiej pewności, że się jednak jakimiś sprytnymi metodami nie da). Wtedy ujawnia się zasada nieoznaczoności Heisenberga.

Jeżeli ciało ma dużą masę, np. m=40 g, wtedy, aby wpłynąć na jego stan potrzebne byłoby oddziaływanie bardzo energetycznymi fotonami, czyli, jak wyliczyłeś, np. fotonami, którym odpowiada długość fali λ = 6,625 * 10^-34 m. Jeżeli fotony będą mniej energetyczne, wtedy obserwacja ciała, przy ich pomocy, nie wpłynie na ruch ciała. Wtedy można jednocześnie zmierzyć i położenie i pęd tej cząstki. Oczywiście do pomiaru położenia dużej cząstki nie są potrzebne fotony o bardzo krótkiej fali.

Nie ma tutaj żadnego dualizmu korpuskularno-falowego. Tego typu idee są nadinterpretacjami, których jest niestety bardzo dużo, we współczesnej fizyce. Takie nadinterpretacje wprowadzają w błąd i utrudniają zrozumienie zagadnienia.

Mam także wątpliwości do przedstawionych obliczeń. W pewnym momencie podmieniłeś prędkość c, na prędkość V. Otrzymałeś wtedy wzór:
λ = h / (mV)
No to zróbmy teraz przekształcenia w drugą stronę
λ/c = h / (mVc)
1/v = h / (mVc)
hv = mVc
Ale, co to jest za dziwoląg ! ?
Po lewej stornie mamy energię fotonu, a co jest po prawej? Ty zaczynałeś od wzoru, który ma jakiś logiczny sens, czyli
hv = mc^2
Wydaje mi się, że nie można dokonać zamiany prędkości fotonu c, na prędkość V dolnego ciała, ponieważ c występujące we wzorze jest prędkością fotonu (!) z wzoru na jago energię całkowitą.

Mam pytanie, czy to jest Twój rachunek, czy pochodzi z jakiejś książki? Z jakiej?

Inną zupełnie sprawą jest to, ze wzór E=mc^2 jako zależność na energię całkowitą nie jest poprawny. Wiąże się to z tym, że w ramach STW można wyprowadzić różne dynamiki. Pokazane jest to w artykule
Metoda Wyprowadzania Licznych Dynamik W Szczególnej Teorii Względności
Jest bardzo wątpliwe, że akurat ta uznawana dzisiaj kinematyka jest tą właściwą.

Ostatnio edytowany przez Szostek (03-02-2018 08:23:49)

Offline

 
  • Index
  •  » Teoria
  •  » Dwie teorie i przełom w chemicznym postrzeganiu świata

Stopka forum

RSS
Powered by PunBB
© Copyright 2002–2008 PunBB
Polityka cookies - Wersja Lo-Fi


Darmowe Forum | Ciekawe Fora | Darmowe Fora
www.sid.pun.pl szata mrocznego mistrza gothic mroczne tajemnice przeciek kolo turbosprezarki niedrozne jelita u swinki morskiej cyber swiat