مکانیک کوانتومی

مجموعه قوانین حرکت ذرات ماده ، که خواص موجی آنها را نیز به حساب می آورد به مکانیک کوانتومی یا مکانیک موجی معروف است. مکانیک کلاسیک که قوانین آن از بررسی های اجسام بزرگ بدست می‌آید و خواص موجی اجسام هرگز به حساب نمی‌آید، نمی‌تواند پدیده‌های مربوط به این ذرات را بررسی نماید. مکانیک کلاسیک در مسائل مربوط به حرکت اجرام آسمانی و اشیای دور و پیش ما نتایج خوبی بدست می‌دهد.

به همین دلیل مکانیک کلاسیک برای توجیه پدیده‌های اتمی نامناسب است. مسائل مربوط به فیزیک اتمی را نمی‌توان به کمک مکانیک نیوتونی حل کرد. بنابراین ، باید مکانیکی جدیدتر و کاملتری پیدا شود تا خواص موجی ماده را نیز به حساب آورد. این مسئله مهم در اواخر سالهای بیست حل شد و در حل آن دانشمندان زیر بیشترین سهم را داشتند: کارل هایزنبرگ (1976-1901) فیزیکدان آلمانی ، اروین شرودینگر ( 1961- 1887 ) فیزیکدان اتریشی و پاول آدرین موریس دیراک (1984-1902) فیزیکدان انگلیسی. مکانیک کوانتومی تعداد زیادی از مسائل از جمله رفتار الکترونها در اتمها و مولکولها و اندرکنش بین آنها که نشر و جذب نور را سبب می شوند و نیز برخورد الکترونها و سایر ذرات با اتمهای مواد فرومغناطیس و بسیاری پدیده‌های دیگر را شامل می‌شود.

مکانیک کوانتومی تعدادی پدیده تازه را نیز پیش بینی کرده است که تمام پیش بینیهای آن با آزمایش تأیید شده‌اند. میدان الکتریکی هسته ، الکترون را درون اتم در ناحیه معینی از فضا نزدیک هسته نگه می‌دارد.

با در نظر گرفتن الکترون به عنوان موج نمی‌توانیم بطور دقیق حجمی را مشخص کنیم که این موج در آن محبوس می‌شود. مفاهیم موجی در مورد رفتار الکترون در اتم را می‌توان با استفاده از مکانیک کوانتومی فورمولبندی کرد. محاسبات مکانیک کوانتومی عملا امکان تعیین حالتهای معین اتم و تعیین مقدار انرژی مربوط به این حالتها را فراهم می‌آورد. قدم مهم در روشن شدن تناقضات بین مکانیک کلاسیک و مکانیک کوانتومی توسط دوبروی فیزیکدان فرانسوی برداشته شد.

دوبروی کسی بود که این تفکر را که نه تنها فوتونها بلکه تمام ذرات دارای خواص موجی هستند، پیشنهاد و اثبات کرد. این خواص با قوانین کلاسیکی قابل بیان نیستند، ولی نقش مهمی در پدیده‌های اتمی بازی می‌کنند. معلوم شده است که کوانتوم تابش الکترومغناطیسی ، یعنی فوتونها ، با اندازه حرکت p = E/C مشخص می شوند. (p یعنی مقدار یا اندازه حرکت، ِE یعنی انرژی و c سرعت نور) در ضمن موج نوری با فرکانس ν دارای طول موج λ = ν/C است.

با حذف فرکانس از این رابطه‌ها ،رابطه بین طول موج و اندازه حرکت فوتون به دست می آید. λ = h/p در صورتی که خواص فوتونها و سایر ذرات همان گونه که با فرضیه دوگانگی موج و ذره پیش بینی شد، واقعا نظیر هم باشند.

این رابطه را میتوانیم برای هر ذره بکار ببریم. به این طریق ، فرمول طول موج دوبروی بدست آمد. طول موج دوبروی به ذره ای با اندازه حرکت p برای بیان خواص موجی آن نسبت داده می‌شود. اگر سرعت ذره ای با جرم سکون m در مقایسه با سرعت نور کم باشد، فرمول طول موج دوبروی را می‌توان به صورت زیر نوشت:

λ = h/mv

بطور انکار ناپذیری ثابت شده است که در بعضی از پدیده‌ها ، ذرات خیلی کوچک همانند امواج رفتار می‌کنند. همچنین این آزمایشها به دانشمندان امکان تعیین طول موجی را برای ذرات داده اند. نتایج تجربی حاصل برای طول موج با مقدار حاصل از فورمول دوبروی توافق کامل داشتند.

بنابرین ، معلوم گردید که طول موج با عکس حاصلضرب کثافت ذره در سرعت آن mv متناسب بوده و ضریب تناسب همان ثابت پلانک است. ثابت پلانک بسیار کوچک h = 6.6 x 10-34 j.s است. چون ثابت پلانک بسیار کوچک است، به همین علت طول موج دو بروی برای ذره ای با کثافت محسوس ، خیلی کوچک و در حد قابل اغماض است. مطابق فورمول دوبروی ، یک ذره خاک با کثافت حدود میکروگرم ( 9-10 کیلوگرم ) که با سرعت 1Cm/s در حرکت است دارای طول موج λ = 6.6×10^34/(10^11) = 6.6×10^23 m است. این مقدار حتی در مقایسه با ابعاد اتمی نیز تا حد قابل اغماض کوچک است.

برای اتمها و الکترونها با کثافتی بسیار کوچکتر از میکروگرم وضعیت متفاوتی پیش می‌آید. در سرعتهای معمولی ، طول موج وابسته به آنها در حدود طول موج پرتوهای ایکس است. برای مثال در مورد اتم هلیوم با انرژی 0.04 ev (انرژی حرکت گرمایی در اتاق) ، λ = 0.7×10^10 m و برای الکترون با انرژی 13.5 ev طول موج دوبروی برابر λ = 3.3×10-10 m است.