Κβαντομηχανική: έννοιες και ερμηνευτικά ρεύματα

Στις αρχές του 20ού αιώνα, μερικά πειράματα παρήγαγαν αποτελέσματα που δεν θα μπορούσαν να εξηγηθούν από την κλασσική φυσική.

Ένα παράδειγμα είναι ότι εάν τα ηλεκτρόνια ήταν σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου, με τρόπο που να έμοιαζε με τους πλανήτες που στρέφονται γύρω από τον ήλιο, η κλασσική φυσική προέβλεπε ότι τα ηλεκτρόνια θα κινούνταν σπειροειδώς συνεχώς προς τα μέσα και θα συντρίβονταν στον πυρήνα εντός εντός κλάσματος του δευτερολέπτου.

Εκείνη η λανθασμένη πρόβλεψη, μαζί με μερικά άλλα πειράματα όπως η ακτινοβολία μέλανος σώματος και το πείραμα των δύο σχισμών, έδειξε στους επιστήμονες ότι κάτι νέο απαιτείται για να εξηγήσει η επιστήμη τι συμβαίνει στο ατομικό επίπεδο.

Η πρώτη εικόνα είναι η αντίληψη που είχαν τότε για το άτομο, με τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα.

Η νέα αντίληψη που έφερε η κβαντομηχανική για τη μορφή του ατόμου απεικονίζεται στο διπλανό σχήμα. Η εικόνα εμφανίζει μερικά σχήματα στο χώρο, στις περιοχές των οποίων υπάρχει πιθανότατα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο υδρογόνου (ο πυρήνας είναι στο κέντρο κάθε σχήματος). Τα σχήματα αυτά ονομάζονται τροχιακά.

Αντί λοιπόν να έχουμε τροχιές έχουμε τροχιακά. Αντί να ξέρουμε με ακρίβεια την ακτίνα των τροχιών, γνωρίζουμε την πιθανότητα να βρούμε ένα ηλεκτρόνιο σε μια δεδομένη θέση και με δεδομένη ενέργεια.

Τα παρακάτω είναι μεταξύ των σημαντικοτέρων πραγμάτων που η κβαντομηχανική μπορεί να περιγράψει ενώ η κλασσική φυσική δεν μπορεί:

α) Διακριτότητα της ενέργειας.

β) Η δυαδικότητα του φωτός και της ύλης .

γ) Κβαντική σήραγγα.

Ας τα δούμε λίγο:

α) Διακριτότητα της ενέργειας.

Εάν εξετάσουμε το φάσμα του φωτός που εκπέμπεται από ενεργητικά άτομα θα παρατηρήσουμε ότι αποτελείται από μεμονωμένες γραμμές διαφορετικών χρωμάτων. Αυτές οι γραμμές αντιπροσωπεύουν τα ιδιαίτερα ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων σε εκείνα τα διεγερμένα άτομα.

Όταν δηλαδή ένα ηλεκτρόνιο σε μια υψηλή ενεργειακή κατάσταση μεταπηδά σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, το άτομο εκπέμπει ένα φωτόνιο φωτός που αντιστοιχεί στη ακριβή ενεργειακή διαφορά εκείνων των δύο επιπέδων. Όσο μεγαλύτερη είναι η ενεργειακή διαφορά, τόσο πιο ενεργητικό θα είναι το φωτόνιο, και εάν βρίσκεται στην περιοχή του ορατού φωτός, τόσο πιο κοντά θα είναι το χρώμα του στο ιώδες, στο τέλος του φάσματος. Εάν τα ηλεκτρόνια δεν ήταν περιορισμένα σε διακριτές ενεργειακές στάθμες, το φάσμα από ένα διεγερμένο άτομο θα είχε τη μορφή μιας συνεχούς διαδοχής χρωμάτων από το κόκκινο ως το ιώδες χωρίς μεμονωμένες - διακριτές γραμμές.

Τα ηλεκτρόνια μπορούν να υπάρξουν μόνο σε ιδιαίτερα ενεργειακά επίπεδα, γεγονός που τα αποτρέπει από το να κινηθούν σπειροειδώς προς τον πυρήνα, όπως προβλέπει η κλασσική φυσική. Και αυτή είναι η κβάντωση της ενέργειας, μαζί με μερικές άλλες ατομικές ιδιότητες που είναι κβαντισμένες, η οποία δίνει στην κβαντομηχανική το όνομά της.

β) Η δυαδικότητα κύματος - σωματιδίου του φωτός και της ύλης.

Το 1690 o Christiaan Huygens πρότεινε τη θεωρία ότι το φως αποτελούνταν από κύματα, ενώ το 1704 ο Isaac Newton πρότεινε ότι το φως αποτελούνταν από μικροσκοπικά σωματίδια.

Εντούτοις, ούτε μια τέλεια θεωρία σωματιδίων, ούτε μια τέλεια κυματική θεωρία μπορούσε να εξηγήσει όλα τα φαινόμενα που συνδέονται με το φως. Δεν θα επεκταθούμε στην παρουσίαση π.χ. του πειράματος των δυο σχισμών το οποίο αναδεικνύει τις δύο αυτές όψεις, θεωρώντας το γνωστό. Θα εστιαστούμε περισσότερο στα συμπεράσματα στα οποία μας οδήγησαν τα πειράματα αυτά. Αξίζει να σημειωθεί ότι το 1923 ο Louis δε Broglie υπέθεσε ότι όχι μόνο τα κύματα έχουν σωματιδιακές ιδιότητες, αλλά και ένα υλικό σωματίδιο θα μπορούσε να έχει κυματοειδείς ιδιότητες. Και ότι 1927 αποδείχτηκε πειραματικά από τους Davisson και Germer ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν πράγματι να συμπεριφερθούν όπως τα κύματα.

Για το πώς μπορεί κάτι να είναι και ένα σωματίδιο και ένα κύμα συγχρόνως, η απάντηση που δόθηκε σε πρώτο επίπεδο είναι η εξής: Το φως και η ύλη εντοπίζονται ως σωματίδια. Αυτό που συμπεριφέρεται σαν κύμα (εμφανίζοντας κυματικά χαρακτηριστικά όπως π.χ. η υπέρθεση, η συμβολή κ.τ.λ.), είναι η πιθανότητα να βρεθεί αυτό το σωματίδιο σε διάφορες θέσεις.

Το φως που εμφανίζεται μερικές φορές να ενεργεί όπως ένα κύμα, επειδή παρατηρούμε την συσσώρευση πολλών από τα σωματίδια του φωτός (κβάντα), κι έτσι διαμοιράζονται πάρα πολύ οι πιθανότητες για διαφορετικές θέσεις στις οποίες θα μπορούσε να είναι κάθε σωματίδιο.

γ) Κβαντική σήραγγα

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ένα κύμα καθορίζει την πιθανότητα για το πού θα βρίσκεται ένα σωματίδιο. Όταν αυτό το κύμα πιθανότητας του σωματιδίου αντιμετωπίσει ένα ενεργειακό φράγμα, το μεγαλύτερο μέρος του κύματος θα ανακλαστεί προς τα πίσω, αλλά ένα μικρό μέρος από αυτό το κύμα "θα διαρρεύσει" μέσα στο φράγμα. Εάν το φράγμα είναι αρκετά μικρού πάχους, το κύμα που διέρρευσε μέσα από αυτό, θα συνεχίσει την διάδοση του στη άλλη πλευρά του φράγματος. Ακόμα κι αν το σωματίδιο δεν έχει αρκετή ενέργεια να ξεπεράσει το φράγμα, υπάρχει ακόμα μια μικρή πιθανότητα, να μπορεί αυτό "να ανοίξει" μέσα στο φράγμα μια σήραγγα.

Για παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι ρίχνουμε μια λαστιχένια σφαίρα πάνω σε έναν τοίχο. Ξέρουμε ότι δεν έχουμε αρκετή ενέργεια για να περάσει μέσα από τον τοίχο κι έτσι αναμένουμε την σφαίρα να αναπηδά πάντα πίσω. Η κβαντομηχανική, εντούτοις, λέει ότι υπάρχει μια μικρή πιθανότητα η σφαίρα να περάσει διαμέσου του τοίχου (χωρίς την καταστροφή του) και να συνεχίσει την πορεία της από την άλλη πλευρά. Με ένα τόσο μεγάλο σώμα όσο μια λαστιχένια σφαίρα η πιθανότητα αυτή είναι τόσο μικρή ώστε και αν ακόμα ρίχναμε τη σφαίρα για δισεκατομμύρια χρόνια, δεν θα την βλέπαμε ποτέ να περνάει μέσα από τον τοίχο. Αλλά με ένα μικροσκοπικό σώμα όπως ένα ηλεκτρόνιο, το να ανοίξει μια "σήραγγα" είναι καθημερινό φαινόμενο.