7.8: Принцип неопределенности

Вернер Гейзенберг рассмотрел пределы того, насколько точно можно измерить свойства электрона или других микроскопических частиц. Он определил, что существует фундаментальный предел того, насколько точно можно одновременно измерить как положение частицы, так и ее импульс. Чем точнее известно измерение импульса частицы, тем менее точно известно положение в то время, и наоборот. Это то, что сейчас называют принципом неопределенности Гейзенберга. Он математически связал неопределенность положения и неопределенность количества движения & nbsp; с величиной, включающей постоянную Планка.

Это уравнение вычисляет предел, насколько точно можно узнать одновременно как положение объекта, так и его импульс.

Таким образом, чем точнее положение электрона, тем точнее его скорость и наоборот. Например, можно предсказать, где бейсбол приземлится на поле, отметив его начальное положение и скорость, а также учитывая влияние силы тяжести и ветра и т. д. можно оценить траекторию бейсбольного мяча.

Однако для электрона положение и скорость не могут быть определены одновременно. Таким образом, траектория для электрона атома не может быть определена. Это поведение неопределенно. Вместо точного расположения электрона можно говорить с точки зрения вероятности нахождения электрона в определенной области атома, что является плотностью вероятности. Оно может быть указано как psi square (ψ²). Чем выше вероятность нахождения электрона в определенной области, тем больше значение  psi square. На основании этого атомы описываются как состоящие из ядра, окруженного электронным облаком.

Принцип Гейзенберга накладывает максимальные ограничения на то, что можно знать в науке. Принцип неопределенности может быть показан как следствие дуальности волны-частицы, которая лежит в основе того, что отличает современную квантовую теорию от классической механики.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 6.3: Развитие квантовой теории.

Электрон это субатомная частица с массой m. Но он также ведет себя как волна со скоростью v, что демонстрирует соотношение де Бройля. Итак, электрон имеет характеристики как волны, так и частицы.

К сожалению, невозможно наблюдать, электрон одновременно являющийся частицей с определенным местоположением а также представляющий собой волну с известной скоростью или импульсом. Что происходит, когда ставится эксперимент по наблюдению двойственной природы электрона? Во-первых, пересмотр эксперимента с двумя щелями, в котором есть две близкорасположенные апертуры.

Когда пучок электронов проходит через щели, возникает интерференционная картина. Это уникальное свойство волн. Когда электроны проходят один за другим, наблюдается та же картина.

Поскольку электрон это частица, должна быть возможность отслеживать, через какую щель или щели он проходит. Для исследования сразу за щелями размещается лазерный луч. Когда электрон проходит через щель, он производит небольшую вспышку, указывающую на щель, через которую он только что прошел.

Во время эксперимента вспышки наблюдаются только за одной из щелей одновременно, но никогда одновременно за обеими щелями. Более того, интерференционная картина больше не наблюдается;вместо этого видны две яркие линии. При попытке наблюдать за частицей электрона его волновая природа теряется.

Другими словами, электрон наблюдается либо как частица, либо как волна, но никогда не как и то и другое одновременно. Таким образом, природа частицы и волновая природа электрона, а также его положение и импульс являются дополнительными свойствами, а это означает, что невозможно одновременно наблюдать точное положение и скорость электрона. Вернер Гейзенберг выяснил, что неопределенность этих свойств, представленная дельта-х и м-дельта-v, должна быть больше или равна конечной величине постоянной Планка делить на 4 пи.

Это известно как принцип неопределенности Гейзенберга. Чем точнее известно положение электрона и чем меньше дельта-х, тем менее определенно известна скорость электрона и больше дельта-v, и наоборот. Теперь представьте, что мяч для гольфа лежит на подставке.

Согласно теории классической физики, путь или траекторию мяча для гольфа можно предсказать, зная его исходное положение, силу, с которой по нему ударили, и влияние других факторов, таких как сила тяжести, ветер и сопротивление воздуха. С помощью этих данных можно в любой момент определить положение и скорость мяча для гольфа. Однако, если известно только начальное положение мяча для гольфа, невозможно определить его окончательное положение.

Аналогично для электрона, поскольку его положение и скорость не могут быть известны одновременно, его траектория также не может быть предсказана. Это известно как неопределенное поведение электрона. Его нынешнее местоположение не может определить его будущее положение.

Из-за этого вместо описания точного положения электрона используется вероятность его нахождения в определенной области атома. Это известно как плотность вероятности, где каждая точка представляет собой потенциальное местоположение электрона в атоме. Плотность точек пропорциональна вероятности найти электрон.

Таким образом, электрон с большей вероятностью будет обнаружен ближе к ядру атома, чем дальше от него. Таким образом, более точное изображение атома представлено ядром, окруженным электронной плотностью вероятности, которая также известна как модель электронного облака.