quantum theory
The Columbia Encyclopedia, 6th ed. | 2015 | Copyright
quantum theory, modern physical theory concerned with the emission and absorption of energy by matter and with the motion of material particles; the quantum theory and the theory of relativity together form the theoretical basis of modern physics. Just as the theory of relativity assumes importance in the special situation where very large speeds are involved, so the quantum theory is necessary for the special situation where very small quantities are involved, i.e., on the scale of molecules, atoms, and elementary particles. Aspects of the quantum theory have provoked vigorous philosophical debates concerning, for example, the uncertainty principle and the statistical nature of all the predictions of the theory.
Relationship of Energy and Matter
According to the older theories of classical physics, energy is treated solely as a continuous phenomenon, while matter is assumed to occupy a very specific region of space and to move in a continuous manner. According to the quantum theory, energy is held to be emitted and absorbed in tiny, discrete amounts. An individual bundle or packet of energy, called a quantum (pl. quanta), thus behaves in some situations much like particles of matter; particles are found to exhibit certain wavelike properties when in motion and are no longer viewed as localized in a given region but rather as spread out to some degree.
For example, the light or other radiation given off or absorbed by an atom has only certain frequencies (or wavelengths), as can be seen from the line spectrum associated with the chemical element represented by that atom. The quantum theory shows that those frequencies correspond to definite energies of the light quanta, or photons, and result from the fact that the electrons of the atom can have only certain allowed energy values, or levels; when an electron changes from one allowed level to another, a quantum of energy is emitted or absorbed whose frequency is directly proportional to the energy difference between the two levels.
Dual Nature of Waves and Particles
The restriction of the energy levels of the electrons is explained in terms of the wavelike properties of their motions: electrons occupy only those orbits for which their associated wave is a standing wave (i.e., the circumference of the orbit is exactly equal to a whole number of wavelengths) and thus can have only those energies that correspond to such orbits. Moreover, the electrons are no longer thought of as being at a particular point in the orbit but rather as being spread out over the entire orbit. Just as the results of relativity approximate those of Newtonian physics when ordinary speeds are involved, the results of the quantum theory agree with those of classical physics when very large "quantum numbers" are involved, i.e., on the ordinary large scale of events; this agreement in the classical limit is required by the correspondence principle of Niels Bohr. The quantum theory thus proposes a dual nature for both waves and particles, one aspect predominating in some situations, the other predominating in other situations.
Evolution of Quantum Theory
Early Developments
While the theory of relativity was largely the work of one man, Albert Einstein, the quantum theory was developed principally over a period of thirty years through the efforts of many scientists. The first contribution was the explanation of blackbody radiation in 1900 by Max Planck, who proposed that the energies of any harmonic oscillator (see harmonic motion), such as the atoms of a blackbody radiator, are restricted to certain values, each of which is an integral (whole number) multiple of a basic, minimum value. The energy E of this basic quantum is directly proportional to the frequency ν of the oscillator, or E=hν, where h is a constant, now called Planck's constant, having the value 6.63×10-34 joule-second. In 1905, Einstein proposed that the radiation itself is also quantized according to this same formula, and he used the new theory to explain the photoelectric effect. Following the discovery of the nuclear atom by Rutherford (1911), Bohr used the quantum theory in 1913 to explain both atomic structure and atomic spectra, showing the connection between the electrons' energy levels and the frequencies of light given off and absorbed.
Quantum Mechanics and Later Developments
Quantum mechanics, the final mathematical formulation of the quantum theory, was developed during the 1920s. In 1924, Louis de Broglie proposed that not only do light waves sometimes exhibit particlelike properties, as in the photoelectric effect and atomic spectra, but particles may also exhibit wavelike properties. This hypothesis was confirmed experimentally in 1927 by C. J. Davisson and L. H. Germer, who observed diffraction of a beam of electrons analogous to the diffraction of a beam of light. Two different formulations of quantum mechanics were presented following de Broglie's suggestion. The wave mechanics of Erwin Schrödinger (1926) involves the use of a mathematical entity, the wave function, which is related to the probability of finding a particle at a given point in space. The matrix mechanics of Werner Heisenberg (1925) makes no mention of wave functions or similar concepts but was shown to be mathematically equivalent to Schrödinger's theory.
Quantum mechanics was combined with the theory of relativity in the formulation of P. A. M. Dirac (1928), which, in addition, predicted the existence of antiparticles. A particularly important discovery of the quantum theory is the uncertainty principle, enunciated by Heisenberg in 1927, which places an absolute theoretical limit on the accuracy of certain measurements; as a result, the assumption by earlier scientists that the physical state of a system could be measured exactly and used to predict future states had to be abandoned. Other developments of the theory include quantum statistics, presented in one form by Einstein and S. N. Bose (the Bose-Einstein statistics) and in another by Dirac and Enrico Fermi (the Fermi-Dirac statistics); quantum electrodynamics, concerned with interactions between charged particles and electromagnetic fields; its generalization, quantum field theory; and quantum electronics.
Bibliography
ทฤษฎีควอนตัมสารานุกรมโคลัมเบีย ed 6. | 2015 | ลิขสิทธิ์ ทฤษฎีควอนตัม ทฤษฎีจริงทันสมัยเกี่ยวข้องกับมลพิษและการดูดซึมพลังงาน ตามเรื่อง และ มีการเคลื่อนไหวของอนุภาควัสดุ ทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพที่รวมกันเป็นพื้นฐานทฤษฎีของฟิสิกส์สมัยใหม่ เหมือนกับทฤษฎีสัมพัทธภาพถือความสำคัญในสถานการณ์พิเศษที่เกี่ยวข้องกับความเร็วมาก ดังนั้นทฤษฎีควอนตัมเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสถานการณ์พิเศษที่ขนาดเล็กมากปริมาณเกี่ยวข้อง เช่น ในระดับโมเลกุล อะตอม และอนุภาคประถมศึกษา ลักษณะของทฤษฎีควอนตัมได้ท่านปรัชญาคึกคักการดำเนินเกี่ยวกับ เช่น หลักความไม่แน่นอนและลักษณะของการคาดการณ์ทั้งหมดของทฤษฎีสถิติ ความสัมพันธ์ของพลังงานและเรื่องตามทฤษฎีเก่าฟิสิกส์คลาสสิก พลังงานจะถือว่าเป็นปรากฏการณ์ต่อเนื่อง แต่เพียงผู้เดียวในขณะที่เรื่องสันนิษฐาน เพื่อครอบครองพื้นที่มากเฉพาะพื้นที่ และย้ายอย่างต่อเนื่อง ตามทฤษฎีควอนตัม พลังงานจัดขึ้นเพื่อออก และดูดซึมในปริมาณเล็ก ๆ แยกกัน แต่ละกลุ่มการแพคเก็ตของพลังงาน เรียกว่าควอนตัม (pl. quanta), ดังนั้นทำงานในบางสถานการณ์เหมือนอนุภาคของเรื่อง อนุภาคอยู่แสดงค่าคุณสมบัติ wavelike ในเคลื่อนไหว และไม่ดู เป็นภาษาท้องถิ่นในภูมิภาคที่กำหนด แต่จะแพร่กระจายออกไปบางส่วนตัวอย่าง แสงหรือรังสีอื่น ๆ แสดงออก หรือการดูดซึม โดยอะตอมได้เฉพาะความถี่ (หรือความยาวคลื่น), ตามที่สามารถเห็นได้จากสเปกตรัมของบรรทัดที่เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบทางเคมีแสดง โดยอะตอมที่ ทฤษฎีควอนตัมแสดงว่า ความถี่ที่สอดคล้องกับพลังงานที่แน่นอนของ quanta แสง หรือ photons และผลจากการที่อิเล็กตรอนของอะตอมสามารถมีได้เฉพาะค่าพลังงานที่ได้รับอนุญาต หรือระดับ เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนระดับหนึ่งอนุญาตอื่น ควอนตัมของพลังงานถูกปล่อยออก หรือดูดซึมที่มีความถี่เป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลต่างของพลังงานระหว่างระดับสอง ลักษณะที่สองของคลื่นและอนุภาคอธิบายข้อจำกัดของระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในคุณสมบัติ wavelike ของการเคลื่อนไหว: อิเล็กตรอนยึดวงโคจรเท่านั้นที่ซึ่งคลื่นความสัมพันธ์เป็นคลื่นยืน (เช่น เส้นรอบวงของวงโคจรมีเท่ากับจำนวนเต็มของความยาวคลื่น) และดังนั้น สามารถมีได้เฉพาะพลังงานที่สอดคล้องกับวงโคจรดังกล่าว นอกจากนี้ อิเล็กตรอนจะไม่คิดว่า เป็นที่เฉพาะเจาะจงในการโคจร แต่ ขณะกำลังแผ่ออกโคจรทั้งหมด เหมือนผลของทฤษฎีสัมพัทธภาพประมาณของทฤษฎีฟิสิกส์เมื่อเกี่ยวข้องกับความเร็วปกติ ผลลัพธ์ของทฤษฎีควอนตัมตกลงกับฟิสิกส์คลาสสิกเมื่อมาก "เลขควอนตัม" เกี่ยวข้อง เช่น ในขนาดใหญ่ปกติเหตุการณ์ จำเป็นต้องมีข้อตกลงนี้ในวงเงินคลาสสิก โดยใช้หลักการสื่อสารของบอร์ Niels ทฤษฎีควอนตัมจึงเสนอธรรมชาติคู่ทั้งคลื่น และอนุภาค ด้านหนึ่งที่ predominating ในบางสถานการณ์ ที่อื่น ๆ predominating ในสถานการณ์อื่น ๆ วิวัฒนาการของทฤษฎีควอนตัมเริ่มต้นพัฒนาในขณะที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพเป็นส่วนใหญ่การทำงานของชายคนหนึ่ง อัลเบิร์ตไอน์สไตน์ มีพัฒนาทฤษฎีควอนตัมหลักในช่วงสามสิบปีผ่านความพยายามของนักวิทยาศาสตร์หลาย ส่วนแรกจะถูกอธิบายรังสี blackbody ใน 1900 โดยพลังค์ ผู้เสนอว่า พลังงานของ oscillator ใด ๆ มีค่า (ดูเคลื่อนไหว harmonic), เช่นอะตอมของหม้อน้ำเป็น blackbody มีค่าจำกัด ซึ่งมีหลายตัว (หมายเลขทั้งหมด) เป็นค่าพื้นฐาน ขั้นต่ำ พลังงาน E ของควอนตัมพื้นฐานนี้เป็นสัดส่วนโดยตรงกับνความถี่ oscillator หรือ E = hν โดยที่ h คือ ค่าคง เรียกของพลังค์ของค่าคง มีตาราง 6.63 ค่า joule 10-34-2 ปีพ.ศ. 2448 สมัย ไอน์สไตน์เสนอว่า นอกจากนี้ยังมี quantized รังสีเองตามสูตรเดียวกันนี้ และเขาใช้ทฤษฎีใหม่เพื่ออธิบายการอิเล็ก ต่อไปนี้การค้นพบอะตอมนิวเคลียร์โดยรูเทอร์ฟอร์ด (1911), บอร์ใช้ทฤษฎีควอนตัมในปี 1913 เพื่ออธิบายโครงสร้างอะตอมและอะตอมแรมสเป็คตรา แสดงการเชื่อมต่อระหว่างระดับพลังงานของอิเล็กตรอนและความถี่ของแสงที่ให้ออก และดูดซึมควอนตัมและพัฒนาในภายหลังควอนตัม ทฤษฎีควอนตัม คณิตศาสตร์กำหนดขั้นสุดท้ายได้รับการพัฒนาในระหว่างปี 1920 ใน 1924, Louis de Broglie เสนอว่า ไม่เพียงแต่ทำคลื่นแสงบางแสดงคุณสมบัติ particlelike ในอิเล็กและแรมสเป็คตราอะตอม แต่อนุภาคอาจยังแสดงคุณสมบัติ wavelike สมมติฐานนี้ถูกยืนยัน experimentally ใน 1927 โดย C. J. Davisson และ L. H. Germer ที่พบคล้ายคลึงกับการเลี้ยวเบนของแสงมีการเลี้ยวเบนของแสงอิเล็กตรอน สูตรแตกต่างกันสองของควอนตัมได้นำเสนอข้อเสนอแนะต่อไปนี้ de Broglie ของ คลื่นกลศาสตร์ของแอร์วิน (1926) เกี่ยวข้องกับการใช้เอนทิตีทางคณิตศาสตร์ ฟังก์ชันคลื่น ซึ่งเกี่ยวข้องกับความน่าเป็นการค้นหาอนุภาคเป็นจุดกำหนดในพื้นที่ กลศาสตร์เมทริกซ์ของ Werner Heisenberg (1925) ทำให้ไม่พูดถึงฟังก์ชันคลื่นหรือแนวคิดที่คล้ายกัน แต่ที่แสดงจะ mathematically เท่ากับทฤษฎีของวินQuantum mechanics was combined with the theory of relativity in the formulation of P. A. M. Dirac (1928), which, in addition, predicted the existence of antiparticles. A particularly important discovery of the quantum theory is the uncertainty principle, enunciated by Heisenberg in 1927, which places an absolute theoretical limit on the accuracy of certain measurements; as a result, the assumption by earlier scientists that the physical state of a system could be measured exactly and used to predict future states had to be abandoned. Other developments of the theory include quantum statistics, presented in one form by Einstein and S. N. Bose (the Bose-Einstein statistics) and in another by Dirac and Enrico Fermi (the Fermi-Dirac statistics); quantum electrodynamics, concerned with interactions between charged particles and electromagnetic fields; its generalization, quantum field theory; and quantum electronics.Bibliography
การแปล กรุณารอสักครู่..
