Die Chronologie, in der Konzepte im Physikunterricht an Universitäten gelehrt werden, führt meiner Meinung nach dazu, dass Studenten einige frühere Konzepte "verlernen" müssen, um neue zu verstehen, und ich denke, das ist der Grund, warum ich bei einem konzeptionellen Problem mit der atomaren Orbitalwellenfunktion feststecke , was mich an der Wellenfunktionsinterpretation im Allgemeinen aufhängt.
Die Annahmen, mit denen ich anfange, sind:
Die Orbitalwellenfunktion ist ein nicht-physikalisches Berechnungswerkzeug, dessen absolutes Quadrat proportional zur Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung mit einem Elektron in einem bestimmten Bereich ist
Die Atomorbitale werden sowohl in Umfangsrichtung als auch radial durch die De-Broglie-Wellenlänge des Elektrons eingeschränkt
Der Verlust oder Gewinn einer ganzen Anzahl von Wellenlängen (ohne andere Faktoren wie Drehimpuls usw.) erklärt den Elektronenübergang zwischen Orbitalen
Der Übergang von einem Orbital höherer Energie in einen Grundzustand wird von der Erzeugung eines realen Energiephotons begleitet, das proportional zu diesem Übergang ist.
Hier ist mein Problem:
Wenn die Wellenfunktion nicht physikalisch ist und das Quadrat der Wellenfunktion nur die Wahrscheinlichkeit beschreibt, ist es für mich schwierig zu verstehen, warum das Gewinnen oder Verlieren einer ganzen Anzahl von Wahrscheinlichkeitswellenlängen zur Erzeugung eines sehr physikalisch realen und messbaren diskreten Photons führen sollte Energie.
Es scheint, als würden wir unseren Kuchen essen und gleichzeitig essen. Wenn die Wellenfunktion eine physikalisch verteilte Elektronenwelle beschreibt, die ganzzahlige Wellenlängen gewinnt und verliert, wenn sie Orbitale übergeht, ist es intuitiv sinnvoll, dass diese Übergänge mit Photonenabsorption / -erzeugung verbunden sind.
Sobald wir sagen "Die Orbitale sind nur Wahrscheinlichkeitsdichten ohne physische Existenz, das Elektron bleibt zu jeder Zeit eine Punktladung", dann scheint das Konzept des Gewinnens oder Verlierens einer Wellenlänge in der Wahrscheinlichkeitsverteilung so, als würden wir ein abstraktes mathematisches Konstrukt mit dem verbinden Erzeugung von physikalisch realen Teilchen, und dann wieder zurück zu konvertieren.
Fügen Sie hinzu, dass uns später beigebracht wird, dass die Born-Regel wirklich eine nicht-relativistische Annäherung ist, die nicht gilt, sobald Sie die Dirac-Gleichung hochstufen, und ich frage mich, ob "Wahrscheinlichkeitswellen" wirklich der genaueste Weg dazu sind Denken Sie an Atomorbitale und die Wellenfunktion im Allgemeinen.
'Halt die Klappe und rechne' funktioniert auch, aber ich glaube nicht, dass ich der einzige bin, der zumindest den aktuellsten konzeptionellen Rahmen in meinem Kopf behalten möchte, während ich durch die Mathematik stapfe.
Ich denke, die Antwort von John Rennie hier kommt dem nahe, wonach ich suche: Wenn Orbitalschalen nur Wahrscheinlichkeitsfunktionen sind, warum sind Quantenzahlen dann immer nur ganze Zahlen?
Wenn ich seine Antwort jedoch richtig interpretiere, sollten wir aufhören, das Quadrat der Wellenfunktion als Wahrscheinlichkeitsdichte für die Position des Elektrons zu bezeichnen, da es einfach keine Position für das Elektron gibt, während es sich in einem Energie-Eigenzustand befindet. In diesem Fall scheint es Für mich wäre es genauer, es als wirklich im Raum "verschmiert" zu betrachten, als es sich als Punktteilchen mit einer Wahrscheinlichkeit vorzustellen, dass es sich in einem bestimmten (x, y, z) befindet. Mir wurde aber immer wieder mitgeteilt, dass das "ausgeschmierte" Bild auch nicht stimmt.
Wir wechseln immer zwischen „abstrakten mathematischen Konstrukten“ und „physisch realen Entitäten“, wenn wir Physik betreiben. Das bedeutet, ein mathematisches Modell zu haben, das vorhersagt, was in (einer Idealisierung) der Welt passiert . Dies ist keineswegs nur der Quantenmechanik vorbehalten, sondern der Idee innewohnend, dass uns die Mathematik alles über die reale Welt sagen kann.
Als rein klassisches Beispiel hierfür siehe zB die Frage "Wie kann Energie nützlich sein, wenn sie 'abstrakt' ist?" .
Für einen berühmten Essay, der über die umfassendere Philosophie hinter der Verwendung von Mathematik in der Physik nachdenkt, siehe Wigners "The Unreasonable Effectiveness of Mathematics in the Natural Sciences" .
Außerdem ist der „genaueste Weg“ nicht immer der sinnvollste Weg , um über ein Problem nachzudenken. Ja, sicher, unser "genauestes" Verständnis der Quantenwelt ist nicht die nicht-relativistische Quantenmechanik als Wellenmechanik, sondern die relativistische Quantenfeldtheorie, genauso wie unser "genauestes" Verständnis der Gravitation nicht die Newtonsche Gravitation, sondern die allgemeine Relativitätstheorie ist.
Aber wir verwenden nicht das "genaueste" Verständnis, um alles vorherzusagen. Niemand führt allgemeine relativistische Berechnungen durch, um herauszufinden, wie lange ein geworfener Stein braucht, um den Boden zu treffen, und ebenso verwendet niemand die vollständige Quantenfeldtheorie, um sich ein Bild davon zu machen, was Orbitale sind.
Schließlich sollten Sie sorgfältig zwischen den formalen Vorhersagen der Quantenmechanik – „Das Quadrat der Wellenfunktion ist die Wahrscheinlichkeitsdichte, das Elektron an einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit zu entdecken“ – und ihren Interpretationen – z. B. „Das Elektron ist wirklich verschmiert und hat keine Position", "Das Elektron hat eine bestimmte Position und wird von der Pilotwelle geführt", "Es gibt eine Welt für jede mögliche Position des Elektrons" usw. Die ersteren sind objektiv und können experimentell überprüft werden , letzteres kann es nicht.
Du hast Recht. Man muss Sachen lernen und wieder verlernen.
Das Bild einer De-Broglie-Elektronenwelle, die eine ganze Anzahl von Wellenlängen sauber in den Umfang einer Bohr-Bahn einfügt - was hinter Ihren Annahmen 2 und 3 liegt - und zum Beispiel in https://physics.stackexchange.com schön erklärt ist /a/318638/194034 ist auf einer höheren Ebene einfach falsch.
Elektronen umkreisen den Kern nicht wie Planeten, die um die Sonne kreisen. Sie haben eine Wellenfunktion, die eine Lösung der Schrödinger-Gleichung (oder der Dirac-Gleichung - Relativitätstheorie ist hier nicht das Thema) sein muss.
Aber wir werden weiterhin das Bohr-Modell lehren, da es ein nützlicher Schritt auf der Leiter zu einem umfassenderen Verständnis ist.
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