مکانیک کوانتومی الکترون ها

[Jack Daniel'ѕ]

در سال ۱۹۲۴ یک فیزیکدان فرانسوی به نام لوییس دوبروی در مقاله اش با عنوان (تحقیق دربارهٔ نظریهٔ کوانتوم) فرضیه‌ای را مطرح کرد که همهٔ مواد دارای یک موج دوبروی می‌باشند که شبیه نور است.[۵۲] در شرایط مناسب، الکترون‌ها یا مواد دیگر ممکن است از خودشان ویژگی‌های ذرات یا امواج را نشان بدهند. ویژگی‌های ذره‌ای یک ذره هنگامی بروز می‌کنند که در هر لحظه از طول مسیرش از خود یک موقعیت متمرکز در فضا نشان بدهد.[۵۳] طبیعت موجی هنگامی مشاهده می‌شود که مثلاً وقتی یک پرتو نور از میان دو شکاف موازی عبور می‌کند و تشکیل طرح تداخلی می‌دهد. در سال ۱۹۲۷ اثر تداخلی با یک پرتو از الکترون‌ها و با استفاده از یک پرده نازک فلزی توسط یک فیزیکدان انگلیسی به نام جورج پاجت تامسون مشاهده شد و همچنین دو فیزیکدان آمریکایی به نام‌های کلینتون دیویسون و لستر گرمر این اثر را با استفاده از یک بلور نیکل مشاهده کردند

موفقیت پیش بینی دوبروی منجر به انتشار معادلهٔ شرودینگر توسط اروین شرودینگر در سال ۱۹۲۶ شد که به طور موفقیت آمیزی چگونگی انتشار امواج الکترونی را توصیف می‌کرد.[۵۵] به جای ارائهٔ یک راه حل که مکان الکترون را در طول زمان بیان کند، این معادلهٔ موج می‌تواند برای پیش بینی احتمال یافتن الکترون در نزدیکی یک مکان مورد استفاده قرار گیرد. این دستاورد بعدها مکانیک کوانتومی نامیده شد که یک نتیجهٔ بسیار نزدیک به حالت‌های انرژی یک الکترون در یک اتم هیدروژن فراهم آورد.[۵۶] هنگامی که اسپین و واکنش بین الکترون‌ها در نظر گرفته شدند، مکانیک کوانتومی اجازه داد که تعریف الکترون‌ها در اتم‌های با اعداد اتمی بالاتر از هیدروژن به طور موفقیت آمیزی پیش بینی شوند.[۵۷]

در سال ۱۹۲۸ پاؤل دیراک بر مبنای کار ولفگانگ پاؤلی یک مدل از الکترون به نام معادلهٔ دیراک ارائه داد که با نظریه نسبیت سازگار بود و آن را با اعمال فرض‌های نسبیتی و متناسب با فرمولبندی همیلتونی میدان الکترومغناطیسی در مکانیک کوانتومی مطرح کرد.[۵۸] در سال ۱۹۳۰ دیراک به منظور رفع برخی اشکالات موجود در معادلهٔ نسبیتی اش، یک مدل از خلأ به عنوان یک دریای نامتناهی از ذرات با انرژی منفی ارائه داد که دریای دیراک نامیده شد. این موضوع منجر شد که او وجود پوزیترون را که پادماده ای دربرابر الکترون است، پیش بینی کند.[۵۹] این ذره در سال ۱۹۳۲ توسط کارل اندرسون کشف شد و پیشنهاد داد که الکترون‌های استاندارد نگاترون نامیده شوند و الکترون به عنوان یک عبارت عمومی بکار برده شود که هر دو نوع گونه‌های باردار مثبت و منفی را توصیف می‌کند. امروزه هنوز عبارت نگاترون به ندرت استفاده می‌شود و شاید گاهی بصورت نگاتون کوتاه شود.[۶۰][۶۱]

در سال ۱۹۴۷ ویلیس لام به هنگام همکاری با یک دانشجوی فارغ‌التحصیل به نام رابرت رادرفورد، متوجه شد که حالت‌های کوانتومی معینی از اتم هیدروژن که باید انرژی‌های یکسانی داشته باشند نسبت به یکدیگر تغییر می‌کنند که این تفاوت با نام تمایل لام شناخته می‌شود. تقریباً در همان زمان پولیکارپ کوش هنگام کار با هنری فولی، کشف کرد که گشتاور مغناطیسی الکترون کمی بیشتر از آن چیزی است که توسط نظریه دیراک پیش بینی شده‌است. این تفاوت کوچک بعدها گشتاور دوقطبی مغناطیسی بهنجار الکترون نامیده شد. برای حل این گونه مسائل یک تئوری تصحیح شده در اواخر دههٔ ۱۹۴۰ به نام الکترودینامیک کوانتومی منتشر شد که به وسیلهٔ سین ایتیرو توموناگا، جولیان شوینگر و ریچارد فاینمن ارائه شده بود