Kumumanaʻo ʻAtomika o ka Mekanika Kuantum
Ua lōʻihi ka manawa i lilo ai ke kumumanaʻo ʻātoma i wahi noiʻi nui i ka physics a me ke kemika. Mai ka wā kahiko mai, ua ʻimi nā kānaka i kahi ʻike hohonu o nā ʻano liʻiliʻi loa o nā mea e hana ana i ke ao holoʻokoʻa. Mai ka manaʻo mua o nā ʻātoma ma ke ʻano he mau ʻāpana hiki ʻole ke māhele ʻia a hiki i ke kumumanaʻo paʻakikī a kipi o ka mechanics quantum, ua loli nui ko mākou manaʻo o nā ʻātoma. E ʻimi kēia ʻatikala i ka ulu ʻana o ke kumumanaʻo atomika i ka mechanics quantum a wehewehe i nā manaʻo koʻikoʻi a me ko lākou hopena no ka ʻepekema.
He Moʻolelo Pōkole o ke Kumumanaʻo Atomika
Hoʻomaka ka mōʻaukala o ke kumumanaʻo atomika me ka ʻike Helene kahiko, me Leucippus lāua ʻo Democritus e hōʻike ana he mau ʻāpana liʻiliʻi a hiki ʻole ke māhele ʻia ka mea i kapa ʻia ʻo atomos. Ua mau kēia manaʻo a hiki i ka Middle Ages, a ʻoiai ʻaʻohe kākoʻo hoʻokolohua, ua hoʻokumu ia i ke kahua no ka hoʻomohala hou aku.
I ka hoʻomaka ʻana o ke kenekulia 19, ua hoʻolauna ʻo John Dalton i ke kumumanaʻo atomika hou, me ka manaʻo he mau ʻāpana liʻiliʻi loa o kahi mea, kēlā me kēia me kahi nuipa a me nā waiwai kikoʻī. Ua hōʻailona kēia kumu hoʻohālike i kahi au hou i ka kemika a ua hoʻoulu i nā hoʻokolohua he nui i alakaʻi i kahi ʻike hohonu o ke ʻano atomika.
Ke Kumu Hoʻohālike ʻAtomika a Rutherford lāua ʻo Bohr
I ka makahiki 1911, ua ʻike ʻo Ernest Rutherford, ma o nā hoʻokolohua hoʻopuehu ʻāpana alpha, aia nā ʻātoma i kahi nucleus liʻiliʻi, paʻa, a hoʻopiʻi maikaʻi ʻia i hoʻopuni ʻia e nā electrons i hoʻokaʻawale nui ʻia. Ua hāʻawi kēia kumu hoʻohālike i kahi kahua koʻikoʻi, ʻoiai ʻaʻole hiki ke wehewehe i ke kūpaʻa o nā orbits electron.
Ma hope mai, ua hoʻomaʻemaʻe ʻo Niels Bohr i ke kumu hoʻohālike a Rutherford ma ka hōʻike ʻana he mau pae ikehu ʻokoʻa ko nā electrons a hiki ke kaapuni i ka nucleus me ka ʻole o ka nalowale ʻana o ka ikehu ma o ka radiation. Ua hoʻolauna ke kumu hoʻohālike atomika 1913 a Bohr i ke kumumanaʻo o ka 'quantization' i loko o ka physics, e ʻae ana i nā ʻātoma e hoʻololi ma waena o nā pae ikehu like ʻole ma o ka omo ʻana a i ʻole ka hoʻopuka ʻana i nā photons.
Ka Hoʻomaka ʻana o nā Mechanics Quantum
Ua kū mai ka mechanics quantum i ka hoʻomaka ʻana o ke kenekulia 20 ma muli o nā hoʻāʻo e hoʻoponopono i nā pilikia i ka physics kuʻuna i hiki ʻole ke wehewehe ʻia me ka hoʻohana ʻana i nā loina mua. ʻO kekahi mau loina koʻikoʻi o ka mechanics quantum e komo pū ana me ka wave-particle duality, ke kumumanaʻo maopopo ʻole o Heisenberg, a me ke kumumanaʻo hana nalu o Schrödinger.
ʻElua Nalu-ʻĀpana
ʻO kekahi o nā mea nui i ʻike ʻia i loko o ka mechanics quantum ʻo ia ka duality nalu-particle i hāpai ʻia e Louis de Broglie i ka makahiki 1924. Wahi a kēia manaʻo, ʻaʻole nā mea like ʻole e like me nā electrons i loaʻa i nā waiwai o nā mea like ʻole akā nā waiwai nalu hoʻi. ʻO ke ʻano kēia hiki iā lākou ke wehewehe i ka hoʻopilikia a me ka diffraction, nā hanana e pili pinepine ana me nā nalu.
Ke Kumumanaʻo o Heisenberg no ka Hoʻomaopopo ʻole
I ka makahiki 1927, ua hoʻolauna ʻo Werner Heisenberg i ke kumumanaʻo kānalua, kahi e ʻōlelo nei he hiki ʻole ke ʻike maopopo i ke kūlana a me ka momentum o kahi ʻāpana i ka manawa like. Ua hoʻopiʻi kēia kumumanaʻo i ka manaʻo deterministic kuʻuna a hāʻawi i kahi manaʻo probabilistic o ke ao holoʻokoʻa.
Ka hoʻohālikelike Schrödinger
I ka makahiki 1926, ua hoʻomohala ʻo Erwin Schrödinger i kahi hoʻohālikelike nalu e wehewehe ana i ka ulu ʻana o ka hiki ke kūlana o kahi ʻāpana a me ka momentum ma ke ʻano he hana o ka manawa. Ua lilo ka hoʻohālikelike Schrödinger i kumu o nā mechanics nalu, kekahi o nā ʻano hana nui o nā mechanics quantum.
$$
i\hbar \frac{\partial \psi}{\partial t} = \hat{H}\psi
$$
Maanei, ʻo $\psi$ ka hana nalu ʻāpana e loaʻa ana ka ʻike probabilistic e pili ana i ke kūlana a me ka momentum, ʻo $\hbar$ ka Planck constant i hoʻemi ʻia, a ʻo $\hat{H}$ ka mea hana Hamiltonian e hōʻike ana i ka ikehu holoʻokoʻa o ka ʻōnaehana.
Kumu Hoʻohālike ʻAtomika o ka Mekanika Kuantum
ʻO ke kumu hoʻohālike mechanical quantum o ka ʻātoma e pili ana i kekahi mau manaʻo koʻikoʻi, e like me nā orbitals atomic, nā helu quantum, a me ke kumumanaʻo hoʻokaʻawale ʻo Pauli. ʻO ka hana nalu Schrödinger e hiki ai iā mākou ke helu i nā orbitals atomic, nā ʻāpana ma ka lewa kahi i kiʻekiʻe loa ai ka hiki ke loaʻa kahi electron.
Nā Orbital Atomika a me nā Helu Quantum
ʻO kahi orbital atomika ka ʻāpana ma ka lewa a puni ka nucleus kahi i ʻoi aku ka nui o ka hiki ke loaʻa kahi electron. Hōʻike ʻia kēlā me kēia orbital e kahi hoʻonohonoho o nā helu quantum e wehewehe ana i kona pae ikehu, ka momentum angular, a me ke kuhikuhi spatial. ʻEhā mau helu quantum nui:
1. Helu Quantum Kumu (n): Hōʻike i ka pae ikehu kumu a me ka nui o ka orbital.
2. Helu Quantum Azimutal (l): Wehewehe i ke ʻano orbital (0 no s, 1 no p, 2 no d, a me 3 no f).
3. Helu Quantum Magnetic (m_l): Hōʻike i ke kuhikuhi o ka orbital i ka lewa.
4. Helu Kuantum Milo (m_s): Wehewehe i ke kuhikuhi o ka milo uila (\(+\frac{1}{2}\) a i ʻole \(-\frac{1}{2}\)).
Kumumanaʻo Hoʻokaʻawale ʻo Pauli
ʻO ke kumumanaʻo hoʻokoe, i hāpai ʻia e Wolfgang Pauli i ka makahiki 1925, ʻōlelo ʻia ʻaʻole hiki i ʻelua mau electrons i loko o kahi ʻātoma ke loaʻa i ka hoʻonohonoho like o nā helu quantum. ʻO kēia kumumanaʻo ke kuleana no ka hoʻonohonoho ʻana o nā pae ikehu atomika a me nā hanana kemika e like me ka hoʻonohonoho ʻana o ka electron a me ka papa periodic.
Nā noi a me nā hopena o ka Quantum Mechanics Atomic Theory
He ākea nā noi o ke kumumanaʻo atomika mechanical quantum i ka physics, kemika, a me ka ʻenehana. I loko o ke kemika quantum, hoʻohana ʻia ia e hoʻomaopopo i nā waiwai kemika a me ke kino o nā molekala a me nā mea. Hiki ke wehewehe ʻia nā manaʻo e like me ka hoʻopaʻa covalent a me nā pilina intermolecular me ka hoʻohana ʻana i nā mechanics quantum.
Eia kekahi, he mea nui ka mechanics quantum i ka hoʻomohala ʻana o nā ʻenehana e like me nā semiconductors, lasers, a me ka helu quantum. ʻO ka physics solid-state, ka mea e aʻo ana i ke ʻano a me nā waiwai o nā mea, ua hoʻohuli nui ʻia e kēia kumumanaʻo. No ka laʻana, hoʻohana ʻia nā ʻano crystallography X-ray a me nā neutron scattering e ʻimi i ke ʻano atomic o nā mea.
Ka hopena
Ua hoʻololi ke kumumanaʻo atomika mechanical quantum i ko mākou ʻike i ke ʻano o ka mea ma ka pae kumu loa. Mai ke kumu hoʻohālike kuʻuna a Dalton a hiki i nā kumu hoʻohālike paʻakikī i kūkulu ʻia mai ka hana nalu a Schrödinger, hōʻike ka ulu ʻana o ke kumumanaʻo atomika i ka ʻimi a ke kanaka e hoʻomaopopo hohonu a pololei i ke ao holoʻokoʻa. ʻO ka hoʻomaopopo ʻana i nā kumumanaʻo o ka mechanics quantum ʻaʻole i hāʻawi wale i nā ʻike waiwai i loko o ke ao o nā ʻātoma a me nā molekala akā ua hoʻomākaukau pū i ke ala no nā hana hou he nui e hoʻopilikia i ko mākou ola o kēlā me kēia lā. I ka hoʻomau ʻana o ka noiʻi ma kēia kahua i ka holomua, hiki iā mākou ke manaʻo i nā ʻike hou aʻe e hoʻokūkū a hoʻonui i nā palena o ko mākou ʻike o ke ao holoʻokoʻa.
