Fizyka kwantowa, znana również jako mechanika kwantowa, jest działem fizyki zajmującym się opisem zachowania cząstek na poziomie submikroskopowym, czyli atomowym i subatomowym. Teoria kwantowa jest kluczowa dla zrozumienia budowy atomów, właściwości cząstek w atomach oraz zachowania układów cząstek na poziomie subatomowym.
Teoria kwantowa
Teoria kwantowa opiera się na hipotezie Louisa Victora de Broglie'a, która głosi, że elektron, poruszając się jako cząstka materialna, ma również właściwości falowe. Słuszność tej hipotezy została szybko potwierdzona doświadczalnie, co doprowadziło do powstania współczesnego modelu budowy atomu nazwanego modelem kwantowo-mechanicznym, uwzględniającego falowe właściwości elektronu.
Podstawy mechaniki kwantowej
Jedną z kluczowych zasad mechaniki kwantowej jest tzw. zasada nieoznaczoności Heisenberga, która głosi, że nie jest możliwe jednoczesne dokładne wyznaczenie położenia i pędu cząstki, takiej jak elektron, w atomie. Zamiast tego, możemy jedynie rozpatrywać prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w określonym czasie w dowolnie wybranym obszarze wokół jądra atomowego.
Orbitale atomowe
Orbital atomowy to funkcja falowa, która opisuje matematycznie stan energetyczny elektronu w atomie lub jonie. Kwadrat tej funkcji określa prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym obszarze wokół jądra atomowego. Orbitale atomowe odpowiadają określonym stanom energetycznym elektronów, które mogą przyjmować energię jedynie w określonych porcjach, co jest zjawiskiem skwantowania. Geometria orbitalu atomowego wskazuje przestrzenny rozkład prawdopodobieństwa znalezienia elektronu opisanego danym orbitalem.
Atomowy układ elektronowy
Elektrony w atomie mogą znajdować się w stanie podstawowym lub stanie wzbudzonym, które charakteryzują się różnymi poziomami energetycznymi. Dodatkowo, wyróżniamy cztery typy orbitali atomowych, oznaczane literami s, p, d i f, które różnią się kształtem i orientacją przestrzenną.
Liczby kwantowe
Stan kwantowy elektronów w atomie lub jonie opisuje się za pomocą czterech liczb kwantowych: głównej liczby kwantowej, pobocznej liczby kwantowej, magnetycznej liczby kwantowej oraz spinu elektronu. Te liczby charakteryzują stan elektronów w atomie lub jonie oraz określają energię elektronu, kształt orbitali atomowych oraz orientację przestrzenną.
W związku z powyższym, fizyka kwantowa jest niezwykle istotnym obszarem badań, który znajduje zastosowanie nie tylko w fizyce, ale także w chemii, biologii oraz innych dziedzinach nauki. Poznanie mechaniki kwantowej pozwala lepiej zrozumieć naturę materii oraz zjawiska zachodzące na poziomie mikroskopowym.
