Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:40 • sest 21:16 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 15:13 • Sest 05:59 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 03:57 • Síðdegis: 16:31 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 10:23 • Síðdegis: 22:34 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Hugvísindi Vísindasaga
Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg

Hver er forsenda þess að skammtafræðin varð til?

Viðar Guðmundsson

Almennt er hægt að segja að skammtafræðin hafi verið fundin upp til þess að lýsa eðlisfræðilegum kerfum í náttúrunni sem hreyfifræði Newtons eða svo kölluð sígild eðlisfræði gat ekki lýst. Því er hægt að hugsa skammtafræðina sem betri lýsingu á ferlum náttúrunnar. Fyrir mörg kerfi gefur hún því eðlilega sömu svör og sígilda eðlisfræðin.

En lítum aðeins nánar á ástæðurnar fyrir uppgötvun skammtafræðinnar. Við erum vönust því að menn þurfi á henni að halda til þess að lýsa smásæjum hlutum eins og atómum og öreindum, en þá gleymum við því að í rauninni urðu eiginleikar stórsærra kerfa til þess að hún varð til.

Varmarýmd efna eða hluta eins og málmbúts segir til um það hve mikinn varma (orku) þurfi til þess að hita bútinn um til dæmis eina gráðu. Varmarýmdin er háð upphafshitastiginu sem við byrjum með. Ef við skoðum inn í málmbútinn komumst við að því að varminn er geymdur sem aukinn titringur kristallsgrindarinnar og aukinn hraði frjálsu rafeindanna sem geta færst um kristallinn og stjórna meðal annars rafleiðni hans. Fyrir rúmlega einni öld tókst mönnum að kæla efni allt að því niður að alkuli og gátu því mælt varmarýmd efna frá alkuli og langt upp fyrir herbergishita með hitun. Í ljós kom að varmarýmd margra efna eins og til dæmis málma minnkaði á sérstakan hátt við lágt hitastig. Einfalt var að gera líkan af kristallsgrind málmsins samkvæmt sígildri eðlisfræði og reikna út varmarýmd hans samkvæmt líkaninu. Til viðbótar var hægt að lýsa rafeindunum sem gasi og reikna varmarýmd þeirra einnig. Í ljós kom að varmarýmd málmsins samkvæmt þessu sígilda líkani minnkaði ekki við lágt hitastig.

Þegar málmbútur er hitaður getur hann farið að glóa, það er að segja að hann geislar orku sinni út í umhverfið. Eðlisfræðingar komust einnig að því fyrir rúmlega einni öld að sígilda eðlisfræðin gat ekki skýrt þessa varmaútgeislun á réttan hátt. Síðan bættist við fjöldi annara hrifa sem menn geta ekki skýrt út frá hefðbundinni eðlisfræði, til dæmis rafleiðni hálfleiðara og ofurleiðara, ljósgeislun einstakra atóma og ísog ljóss í gasi. Á um það bil þremur fyrstu áratugum síðustu aldar tókst eðlisfræðingum hins vegar að skýra þessi fyrirbæri og þróa nýja lýsingu á náttúruferlum sem við köllum skammtafræði. Nafnið fékk hún vegna þess að sumar mælistærðir kerfanna, eins og orka og hverfiþungi, geta ekki alltaf tekið hvaða gildi sem er. Þær eru strjálar eða skammtaðar.

Hafa ber í huga að ekki er hægt að lýsa eiginleikum skammtakerfis með hugtökum sígildrar eðlisfræði. Margar sígildar spurningar eins og nákvæm staðsetning og svo framvegis hafa enga merkingu lengur. Skammtafræði er í raun og veru ekki endilega flóknari en sígild eðlisfræði, heldur einfaldlega öðruvísi og framandlegri við fyrstu kynni. Hún er notuð á flestum sviðum eðlis- og efnafræði nú á dögum. Rétt eins og hreyfifræði Newtons og varmafræðin var undirstaða iðnbyltingarinnar er skammtafræðin undirstaða upplýsingabyltingarinnar. Með skammtafræði höfum við öðlast skilning á eiginleikum efnis og síðan hagnýtt þessa þekkingu í rafeindarásum og efnisfræði.

Um þessar mundir eru vísindamenn, eðlisfræðingar, efnafræðingar og líffræðingar að beita skammtafræði til þess að þróa nanótækni sem svo er kölluð og mun nýtast okkur á fjölmörgum sviðum á þessari öld. Segja má að með henni sé skammtafræðin og sérkenni hennar hagnýtt með enn markvissari hætti en nokkru sinni fyrr til þess meðal annars að meðhöndla örfá atóm eða sameindir á yfirborði kristalls í margs konar tilgangi.

Meira um skammtafræði

Mynd: University of St Andrews: School of Mathematical and Computational Sciences

Höfundur

Viðar Guðmundsson

Viðar Guðmundsson

prófessor í eðlisfræði við HÍ

Útgáfudagur

20.2.2001

Spyrjandi

Steinar Yan Wang, f. 1982

Efnisorð

Tilvísun

Viðar Guðmundsson. „Hver er forsenda þess að skammtafræðin varð til?“ Vísindavefurinn, 20. febrúar 2001. Sótt 19. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=1346.

Viðar Guðmundsson. (2001, 20. febrúar). Hver er forsenda þess að skammtafræðin varð til? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=1346

Viðar Guðmundsson. „Hver er forsenda þess að skammtafræðin varð til?“ Vísindavefurinn. 20. feb. 2001. Vefsíða. 19. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=1346>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hver er forsenda þess að skammtafræðin varð til?
Almennt er hægt að segja að skammtafræðin hafi verið fundin upp til þess að lýsa eðlisfræðilegum kerfum í náttúrunni sem hreyfifræði Newtons eða svo kölluð sígild eðlisfræði gat ekki lýst. Því er hægt að hugsa skammtafræðina sem betri lýsingu á ferlum náttúrunnar. Fyrir mörg kerfi gefur hún því eðlilega sömu svör og sígilda eðlisfræðin.

En lítum aðeins nánar á ástæðurnar fyrir uppgötvun skammtafræðinnar. Við erum vönust því að menn þurfi á henni að halda til þess að lýsa smásæjum hlutum eins og atómum og öreindum, en þá gleymum við því að í rauninni urðu eiginleikar stórsærra kerfa til þess að hún varð til.

Varmarýmd efna eða hluta eins og málmbúts segir til um það hve mikinn varma (orku) þurfi til þess að hita bútinn um til dæmis eina gráðu. Varmarýmdin er háð upphafshitastiginu sem við byrjum með. Ef við skoðum inn í málmbútinn komumst við að því að varminn er geymdur sem aukinn titringur kristallsgrindarinnar og aukinn hraði frjálsu rafeindanna sem geta færst um kristallinn og stjórna meðal annars rafleiðni hans. Fyrir rúmlega einni öld tókst mönnum að kæla efni allt að því niður að alkuli og gátu því mælt varmarýmd efna frá alkuli og langt upp fyrir herbergishita með hitun. Í ljós kom að varmarýmd margra efna eins og til dæmis málma minnkaði á sérstakan hátt við lágt hitastig. Einfalt var að gera líkan af kristallsgrind málmsins samkvæmt sígildri eðlisfræði og reikna út varmarýmd hans samkvæmt líkaninu. Til viðbótar var hægt að lýsa rafeindunum sem gasi og reikna varmarýmd þeirra einnig. Í ljós kom að varmarýmd málmsins samkvæmt þessu sígilda líkani minnkaði ekki við lágt hitastig.

Þegar málmbútur er hitaður getur hann farið að glóa, það er að segja að hann geislar orku sinni út í umhverfið. Eðlisfræðingar komust einnig að því fyrir rúmlega einni öld að sígilda eðlisfræðin gat ekki skýrt þessa varmaútgeislun á réttan hátt. Síðan bættist við fjöldi annara hrifa sem menn geta ekki skýrt út frá hefðbundinni eðlisfræði, til dæmis rafleiðni hálfleiðara og ofurleiðara, ljósgeislun einstakra atóma og ísog ljóss í gasi. Á um það bil þremur fyrstu áratugum síðustu aldar tókst eðlisfræðingum hins vegar að skýra þessi fyrirbæri og þróa nýja lýsingu á náttúruferlum sem við köllum skammtafræði. Nafnið fékk hún vegna þess að sumar mælistærðir kerfanna, eins og orka og hverfiþungi, geta ekki alltaf tekið hvaða gildi sem er. Þær eru strjálar eða skammtaðar.

Hafa ber í huga að ekki er hægt að lýsa eiginleikum skammtakerfis með hugtökum sígildrar eðlisfræði. Margar sígildar spurningar eins og nákvæm staðsetning og svo framvegis hafa enga merkingu lengur. Skammtafræði er í raun og veru ekki endilega flóknari en sígild eðlisfræði, heldur einfaldlega öðruvísi og framandlegri við fyrstu kynni. Hún er notuð á flestum sviðum eðlis- og efnafræði nú á dögum. Rétt eins og hreyfifræði Newtons og varmafræðin var undirstaða iðnbyltingarinnar er skammtafræðin undirstaða upplýsingabyltingarinnar. Með skammtafræði höfum við öðlast skilning á eiginleikum efnis og síðan hagnýtt þessa þekkingu í rafeindarásum og efnisfræði.

Um þessar mundir eru vísindamenn, eðlisfræðingar, efnafræðingar og líffræðingar að beita skammtafræði til þess að þróa nanótækni sem svo er kölluð og mun nýtast okkur á fjölmörgum sviðum á þessari öld. Segja má að með henni sé skammtafræðin og sérkenni hennar hagnýtt með enn markvissari hætti en nokkru sinni fyrr til þess meðal annars að meðhöndla örfá atóm eða sameindir á yfirborði kristalls í margs konar tilgangi.

Meira um skammtafræði

Mynd: University of St Andrews: School of Mathematical and Computational Sciences

...