کلوپ شیمی

مکانیک کوانتوم توصیف کننده ی اتم، ذرات زیر اتمی و ذرات بنیادی  و زبان همه ی نظریه های ذرات است که بخوبی با معادلات ریاضی بیان می شود و نتایج احتمالات مختلف را پیشگویی می کند، ولی نه برای هر نتیجه ای که بخواهد در هر حالتی واقع شود.

تعبیر محاسبات، در قالب کلمات و تصاویر، اغلب به بیانیه هایی که باور مشترکی را تعریف کند رهنمود می شود. زیرا برداشت مشترک بر اساس تجربه، در مقیاس غیر محسوسی از این گونه حالات ویژه و غریب کوانتوم بنا شده است. زیرا اشیاء  مستقیما از روی درجه و مقیاس تجریه نمیشوند، بسیاری از ظواهر رفتاری کوانتوم ناآشنا به نظر می آید و حتی برای ما پارادکسی به نظ می آید. فیزیکدانان با کوشش بسیار نظریه های گوناگونی ارائه داده اند که بتواند این گونه حالات ویژه عجیب کوانتوم را بر طرف کند. اما هنوز کار ادامه دارد.

کلمه ی کوانتوم مفهومی برای اشاره به مقادیر کوچک است. پایه مقدار ثابت کوانتوم که به ثابت پلانک شناخته می شود برابر است  با

6.626069

x 10-34 Joule seconds

که با ثابت h  نشان داده میشود.

در آزمایش های انرژی بالا که ذرات با سرعتی در حدود سرعت نور جابجا میشوند، نظربه های ذره  به صورت نظریه های میدان کوانتوم نسبیتی بیان میشوند. اجازه دهید در ادامه به برخی از مفاهیم کوانتوم، بدون توضیح اشاره کنیم.

در نظریه کوانتم، انرژی و اندازه حرکت (تکانه) در رابطه با طول موج تعریف میشوند. تمام ذرات دارای خواصی (مثل تداخل) شبیه موج هستند  و برخی از خواص دیگر آنها به گونه ای است  که رفتار ذره گونه (رفتار نقطه ای) دارند. درهر دو صورت رفتار موجی - ذره تابع این است که چگونه به آن نگاه کنید.

برای مثال، فوتون ها ذره های کوانتومی وابسته به امواج الکترومغناطیسی هستند و فوتونی با فرکانس، f ، مقداری انرژی برابر (E = hf) حمل میکند.

انیشتین تنها با استفاده از طبیعت ذره ای که برای نور قائل شد توانست پدیده ی فوتوالکتریک را توجیه کند. از طرف دیگر الکترون نیز می تواند رفتاری موج گونه داشته باشد که در نمونه های تداخلی گسترش می دهد. 

 

گسستگی انرژی، اندازه ی حرکت و اندازه ی حرکت زاویه ای

 

در مکانیک کلاسیک پذیرفته شده بود که کمیت هایی نطیر انرژی و اندازه ی حرکت زاویه ای  هر مقداری را می توانند داشته باشند. اما در فیزیک کوانتوم بطور تحقیقی طبیعت این کمیت ها گسسته (ذره گونه) در نظر گرفته می شود.

بعنوان مثال، اندازه حرکت زاویه ای یک سیستم تنها می تواند ضرایب درستی از h/2 باشد که در آن h ثابت پلانک است. و مقادیری نظیر p(n+1/4)h مجاز نیستند.

بعلاوه اگر سئوال شود که یک سطح در مدت زمانیکه پرتو نوری بر آن تابیده می شود،  بطور دقیق چه مقدار انرژی  کسب می کند، قطعاً پاسخ nhf, می باشد که در آن n یک عدد صحیح است. بنابرای مقادیری نظیر p(n+1/2)h مجاز نیستند.

دنیای مکانیک کوانتوم بطور باور نکردنی زیبا خواهد بود اگر با کلمات آن را توصیف کنیم.

 

حالتها و اعداد کوانتومی

 

یک سیستم در مکانیک کوانتوم توسط مجموعه ای از حالتهای ممکن توصیف می شود. بعنوان مثال، مدار الکترونها در شیمی، برای الکترون در اتم، مجموعه ای از حالتها محدود شناخته شده است. این حالتهای محدود با یک مجموعه اصطلاحات خاص تحت عنوان "اعداد کوانتومی" تعریف می شوند که به این کمیتها وابسته اند. این عناوین با اعداد محض بیان می شوند و کمیتهایی گسسته اند. نظیر بار الکتریکی، انرژی و اندازه ی حرکت زاویه ای که یک سیستم می تواند داشته باشد، دقیقاً گسسته اند. 

 

تابع موج یا دامنه ی احتمال

 

یکی از این حالتها با کمیتی که تابع موج یا دامنه ی احتمال نام دارد، توصیف می شود. این کمیت تابعی است که وضعیت ذراه ی مورد نظر را بر حسب اعداد مختلط در هر نقطه از فضا ارائه می کند. احتمال یافتن یک ذره (مثلاً الکترون در اتم) در یک نقطه بوسیله تابع موج توصیف می شود که برابر است با مجذور مقدار مطلق دامنه ی احتمال آن.

در کتب شیمی مقدماتی، تصاویر مدارهای الکترونها دیده می شود که با احتمال زیاد، وجود آنها در آن ناحیه بوسیله تابع موج تعیین شده است.

 

حالت آزاد

 

همچنین ما می توانیم در مورد حالت کوانتومی حرکت آزادانه ی ذرات صحبت کنیم. این حالت را اندازه ی حرکت p , و انرژی     تعریف می کنیم . علاوه بر آن فرکانس موج f  بصورت f = pc/h بیان می شود که در آن c سرعت نور است.

 

تداخل کوانتومی

 

یکی دیگر از خاصیتهای عجیب کوانتوم این است که طبیعت شبه موج ذرات با اثرات تداخلی ایجاد آشفتگی  و ادراک عادی ما را به میزان احتمال کار آن، هدایت می کند.