Mékanika kuantum

Mékanika kuantum nyaéta cabang dasar élmu fisika anu ngagantikeun mékanika klasik dina tataran atom jeung subatom. Élmu ieu méré rangkay matematika pikeun sagala rupa cabang fisika jeung kimia, kaasup fisika atom, fisika molekular, kimia komputasi, kimia kuantum, fisika partikel, sarta fisika nuklir. Mékanika kuantum nyaéta bagian tina téori médan kuantum jeung fisika kuantum ilaharna, anu, babarengan jeung rélativitas umum, mangrupa salah sahiji tihang fisika modéren. Dasar tina mékanika kuantum nyaéta yén énergi henteu sinambung, tapi diskrit—mangrupa 'paket' atawa 'kuanta'. Konsép ieu révolusioner—teu luyu jeung fisika klasik anu nganggap yén énergi téh sinambungan.

Sajarah

Dina taun 1900, Max Planck ngawanohkeun pamanggih yén énergi bisa dibagi-bagi jadi sawatara pakét atawa kuanta. Ideu ieu sacara husus dipaké pikeun ngécéskeun sebaran inténsitas radiasi anu dipancarkeun ku barang hideung. Dina taun 1905, Albert Einstein ngécéskeun éfék fotoéléktrik sarta nyindekkeun yén énergi cahaya datang dina wangun kuanta anu disebut foton. Dina taun 1913, Niels Bohr ngécéskeun garis spéktrum tina atom hidrogén, ogé kalayan ngagunakeun kuantisasi. Dina taun 1924, Louis de Broglie méré téorina ngeunaan gelombang barang.

Téori-téori di luhur, sanajan hasil, tapi pohara fénoménal: euweuh guaran nu écés pikeun kuantisasi. Maranéhanana dipikawanoh minangka teori kuantum heubeul.

Frase "Fisika kuantum" mimiti dipaké ku Johnston dina tulisanana Planck's Universe in Light of Modern Physics (Alam numutkeun Planck dina jihat Fisika Modéren).

Mékanika kuantum modéren lahir dina taun 1925, sabot Werner Karl Heisenberg ngamekarkeun mékanika matriks sarta Erwin Schrödinger manggihan mékanika gelombang jeung persamaan Schrödinger. Schrödinger sawatara kali némbongkeun yén dua pendekatan kasebut sarua.

Heisenberg ngarumuskeun prinsip kateupastian dina taun 1927, sarta interprétasi Kopenhagen kabentuk dina waktu anu ampir babarengan. Dina taun 1927, Paul Dirac ngagabungkeun mékanika kuantum jeung rélativitas husus. Manéhna ogé naratas pamakéan téori operator, kaasup notasi bra-ket anu boga pangaruh. Dina taun 1932, Neumann Janos ngarumuskeun dasar matematika anu kuat pikeun mékanika kuantum minangka téori operator.

Widang kimia kuantum ditaratas ku Walter Heitler jeung Fritz London, anu medalkeun hasil panalungtikan iketan kovalen dina molekul hidrogén dina taun 1927. Kimia kuantum sawatara kali dimekarkeun ku sajumlah badag pagawé, kaasup kimiawan Amérika Linus Pauling.

Mitembeyan dina taun 1927, percobaan dimimitian pikeun ngagunakeun mékanika kuantum dina widang di luar partikel hijian, anu ngahasilkeun téori médan kuantum. Jalma munggaran dina widang ieu kaasup Dirac, Wolfgang Pauli, Victor Weisskopf jeung Pascaul Jordan. Widang riset wewengkon ieu dimekarkeun dina formulasi éléktrodinamika kuantum ku Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger, jeung Tomonaga Shin'ichirō dina taun 1940-an. Éléktrodinamika kuantum nyaéta téori kuantum élektron, positron, sarta médan éléktromagnétik, sarta lumaku pikeun téori kuantum satuluyna.

Téori Kromodinamika kuantum dirumuskeun dina mimiti taun 1960an. Téori anu dipikawanoh ku urang ayeuna dirumuskeun ku Polizter, Gross jeung Wilzcek dina taun 1975. Dimekarkeun mimiti ku Schwinger, Peter Higgs, Goldstone sarta anu séjén-séjénna. Sheldon Lee Glashow, Steven Weinberg sarta Abdus Salam mintonkeun kumaha gaya nuklir lemah jeung éléktrodinamika kuantum bisa digabungkan jadi hiji gaya lemah éléktro.

Ékspérimun titimuan

• Ékspérimén lolongkrang-ganda Thomas Young ngabuktikeun sipat gelombang dina cahaya. (kira-kira taun 1805)
• Henri Becquerel manggihan radioaktivitas (taun 1896)
• Joseph John Thomson - ékspérimen tabung sinar katoda (manggihan éléktron jeung muatan négatifna) (1897)
• Panalungtikan radiasi barang hideung antara 1850 jeung 1900, anu henteu bisa dijelaskeun tanpa konsép kuantum.
• Robert Millikan - ékspérimén tetesan minyak, ngabuktikeun yén muatan listrik lumangsung dina kuanta, (1909)
• Ernest Rutherford - ékspérimén lambaran emas ngagagalkeun modél ager plum atom anu ngusulkeun yén muatan positif sumebar kalawan rata. (1911)
• Otto Stern jeung Walter Gerlach ngalakukeun ékspérimén Stern-gerlach, anu némbongkeun sipat kuantisasi spin partikel (1920)
• Clyde L. Cowan jeung Frederick Reines ngayakinkeun ayana neutrino dina ékspérimén neutrino (1955)

Bukti ti mékanika kuantum

Mékanika kuantum pohara kapaké dina ngécéskeun naon anu lumangsung dina tingkatan mikroskopik, contona éléktron dina jero atom. Atom biasana digambarkan minangka hiji sistem di mana éléktron (anu boga muatan listrik négatif) nguriling muter sabudeureun nukleus (anu boga muatan listrik positif). Naha éléktron henteu kabetot ngarah kana nukleus sarta ngaleupaskeun énerginya? Naha aya énergi undakan diskrit? Nurutkeun mékanika kuantum, mangsa hiji éléktron pindah ti tingkatan énergi anu leuwih luhur (contona n=2) ka tingkatan énergi anu leuwih handap (contona n=1), dileupaskeun énergi anu mangrupa hiji cahaya partikel, foton:

$E=h\nu \!$

di mana

• $E\!$ nyaéta énergi (J),
• $h\!$ nyaéta konstanta Planck, h = 6.63 \times 10^{-34}\! (Js), sarta
• $\nu \!$ nyaéta frékuénsi tina cahaya (Hz).

Dina spéktrométer massa, geus dibuktikeun yén garis-garis spéktrum dina atom anu di-ionisasi henteu sinambung; ngan dina frékuénsi/panjang gelombang nu tangtu garis-garis spéktrum bisa katempo. Ieu téh salah sahiji bukti tina téori mékanika kuantum.