Welches Experiment wird verwendet, um die Position des Elektrons im HH\rm H-Atom tatsächlich zu beobachten?

Erstens, wie bestimmt man eigentlich die Position des Elektrons, ohne es aus dem Atom zu „knallen“?

Wenn man von quantenmechanischen Einheiten wie dem Atom und dem Elektron spricht, muss man sich klar vor Augen halten, dass unsere gut validierten Modelle, die es uns ermöglichen, ihr Verhalten zu untersuchen, probabilistisch sind, die Wahrscheinlichkeit, die durch das Quadrat der Wellenfunktion gegeben ist.

Die Wellenfunktion ist eine Funktion von (x,y,z,t) . Die Art und Weise, wie es validiert wurde, besteht darin, Wahrscheinlichkeitsverteilungen zu erstellen und sie mit den Daten zu vergleichen. Die einzige Möglichkeit, Positionen für ein Elektron im Atom zu messen, besteht darin, dass das Elektron wechselwirkt. Dies kann dadurch erfolgen, dass es ausgelöst und gemessen wird, was schließlich einen Punkt in der zu messenden Wahrscheinlichkeitsverteilung ergibt, oder indem es schwache Streudaten anpasst, z. B. wie Licht durch einen Kristall oder Röntgenstrahlen, die Interferenzen von Licht, die Informationen darüber geben Stellung . Wieder eine statistische Verteilung. In diesem Fall ist das Endergebnis eine Sondierung der Position des Atoms als Ganzes, da die Elektronenorbitale die Größe der Atome definieren.

Zweitens, wenn Sie seine Position sehr genau bestimmen könnten, wäre sein Impuls nicht so groß, dass er die Lichtgeschwindigkeit überschreiten würde? (Oder wird es nur massiver? Wie auch immer, es scheint nicht so, als könnte es an den Kern gebunden bleiben.

Wenn Sie nur die Position bestimmen, könnte diese so genau sein wie Ihre Messmöglichkeiten. Die Heisenberg-Unschärfe schränkt nur dann ein, wenn sowohl Impuls als auch Ort zusammen erforderlich sind.

Drittens, wenn Sie in der Lage waren, seine Position zu bestimmen, wie verschlechtert sich Ihr Wissen über seine Position mit der Zeit? Es scheint, dass es sehr viel Zeit brauchen würde, um zu seiner ursprünglichen Wahrscheinlichkeitsverteilung (über den gesamten Raum) zurückzukehren, um die Lichtgeschwindigkeit nicht zu verletzen (es sei denn, es kann weit, weit weg auftauchen und wieder verschwinden ).

Bitte beachten Sie auch hier, dass Experimente für individuelle Interaktionen einmalig sind. Ein Photon geht durch den Kristall und interagiert mit dem Feld des Elektrons und wird als ein Punkt in einer Wahrscheinlichkeitsverteilung registriert. Oder ein Elektron wird abgestoßen und seine Spur wird gemessen und zurück zu seiner Position projiziert, wie in diesem jüngsten Experiment, wodurch die Verteilung des Elektrons in den Wasserstofforbitalen angegeben wird .

Wasserstofforbitale

Im Falle von Photonen, die das Atom zerstörungsfrei untersuchen, kann man auf keinen Fall wissen, was ein einzelnes Elektron nach dieser leichten Wechselwirkung in seiner Umlaufbahn tut. Es ist also keine Verschlechterung mit der Zeit feststellbar, da sich das Elektron noch in seiner Umlaufbahn befindet.

Im Fall der Streuung von Elektronen am Wasserstoffatom ist der Vorgang vollständig zerstörerisch für das Atom, das Elektron fliegt davon und wird in einem geeigneten Detektorsystem nachgewiesen, und der Wasserstoff wird zu einem Ion, einem Proton, das nach einem Elektron aus der Umgebung sucht Rückkehr zur Neutralität.

Erstens, wie bestimmt man eigentlich die Position des Elektrons, ohne es aus dem Atom zu „knallen“?

Dies steht im Kontext der nicht-relativistischen Quantenmechanik (QM).

In der QM setzt eine ideale Ortsmessung voraus, dass das Elektron unmittelbar nach der Messung eine eindeutige Position hat. Jedoch ist ein Zustand einer bestimmten Position notwendigerweise eine Überlagerung aller Energiezustände , einschließlich gebundener und ungebundener Zustände.

Somit ist das Elektron nach einer idealen Positionsmessung weder gebunden noch ungebunden (es befindet sich in einer Überlagerung von gebundenen und ungebundenen Zuständen), sodass wir nicht sagen können, dass es definitiv aus dem Atom „herausgeschmissen“ wurde.

Zweitens, wenn Sie seine Position sehr genau bestimmen könnten, wäre sein Impuls nicht so groß, dass er die Lichtgeschwindigkeit überschreiten würde?

Wiederum hat das Elektron unmittelbar nach einer idealen Ortsmessung keinen bestimmten Impuls, sondern befindet sich in einer Überlagerung von Impuls-Eigenzuständen. Wenn unmittelbar nach der Positionsmessung eine ideale Impulsmessung durchgeführt wird, ist das Ergebnis der Messung völlig ungewiss. Man könnte ein sehr hohes Momentum oder ein sehr niedriges Momentum messen.

Drittens, wenn Sie in der Lage waren, seine Position zu bestimmen, wie verschlechtert sich Ihr Wissen über seine Position mit der Zeit?

Der Zustand der bestimmten Position ist, wie bereits erwähnt, eine Überlagerung aller Energiezustände und entwickelt sich daher mit der Zeit. Es ist nicht so, dass unser Wissen mit der Zeit abnimmt, sondern dass die Lokalisierung mit der Zeit „abnimmt“.

Unmittelbar nach der Positionsmessung ist die Wahrscheinlichkeitsdichte maximal lokalisiert. Wenn sich der Zustand entwickelt, wird die Wahrscheinlichkeitsdichte weniger lokalisiert.

Sehr hoher Impuls bedeutet nicht Geschwindigkeiten über Lichtgeschwindigkeit - Elektronen nähern sich unendlichem Impuls, wenn sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern.

Das Unschärfeprinzip bedeutet, dass man sehr kurz nach einer präzisen Positionsmessung aufgrund der enormen Unsicherheit des Impulses nicht mehr weiß, wo er ist, sondern nur noch, wo er war. Sie wissen auch nicht, woher es vorher kam.

Ein ähnliches Prinzip gilt für Photonen. Eine kleine Antenne kann ziemlich genau erkennen, wo ein Photon ankommt, hat aber einen breiten Strahl, kann also nicht sagen, aus welcher Richtung das Photon kam, und hat daher eine große Unsicherheit im Impuls (der ein Vektor ist). Eine Antenne mit großer Apertur hat einen schmalen Strahl und kann erkennen, aus welcher Richtung ein Photon kam, kann es aber nicht lokalisieren, außer dass es sich irgendwo in seiner Apertur befand.

Es ist einfach, die Unsicherheit von Position und Impuls der Quantenwelt in Begriffe der Makrowelt zu übersetzen.

Die Art und Weise, wie Sie es tun, ist nur eine einfache Logik. Stellen Sie sich einen Tennisball vor und stellen Sie sich vor, Sie könnten ihn nicht wirklich sehen, genau wie Sie ein Elektron nicht sehen können. Sie können also nur sehen, wo sich der Tennisball befindet, indem Sie ihn mit einem anderen Tennisball oder mit einer enormen Lichtmenge treffen, sodass er tatsächlich die Position des Tennisballs verschiebt, dh ihn bewegt. In diesem Moment bringt dir das Licht die Information in deine Augen und du siehst den Tennisball.

Es wird dann offensichtlich, dass Sie keine Ahnung haben, wo der Tennisball vorher war, und Sie würden auch nicht wissen, in welche Richtung er geflogen ist. Weil Sie diese Informationen nicht hatten. Aber sobald Sie den Tennisball sehen, wird eines sicher, seine Wahrscheinlichkeitswelle ist zusammengebrochen und Sie wissen, dass der Tennisball sicherlich nirgendwo anders ist. Bekomme ich Lust auf dich ... nun, ich hoffe es. Wahrscheinlichkeitswellen, Vektoren, Impuls, Metrix, Tensor, Phasenraum und so weiter.

Das bedeutet auch, dass es einige Zeit gedauert hat, bis Sie auch die Informationen über den Standort des Tennisballs erhalten haben. Das bedeutet, dass der Tennisball, den Sie beobachtet haben, der Tennisball in einer vergangenen Zeit und an einem Ort war. Ja, das Elektron ist nicht mehr da, wenn Sie glauben, es liegt daran, dass es sich bereits bewegt hat. Du bist zu spät. Es friert nicht einfach wie ein Bild ein, bis Sie es überprüfen können.

In dieser realen Makrowelt ist das natürlich nicht anders. Der Tennisball, den Sie sehen, ist der Tennisball in einem vergangenen Raum und einer vergangenen Zeit. Nicht nur der Tennisball, sondern alles. Sie können nichts sehen, wie sie sind, sondern wie sie waren. Das ist keine Philosophie.

Sagen Sie mir jetzt, ob dies eine Tatsache oder eine Fiktion ist. Und es sind keine Formeln und keine komplizierte Sprache erforderlich, um es genau so zu sagen, wie es ist.

Mal sehen, was die gesamte kollabierende Wellenfunktion in all das hineinpasst.

Sie beobachten das Elektron oder was auch immer und Sie treffen es mit einem Photon und jetzt verhält sich das Elektron wie ein Teilchen, weil Sie es sehen können, da das Photon Ihnen einfach die Information bezüglich dieser Position und zu dieser Zeit bringt. Und das nennt man Kollaps der Wellenfunktion. Warum? Denn Sie wissen sicherlich, dass das Elektron genau dort ist und nicht woanders. Das ist nicht so kompliziert, nur gesunder Menschenverstand.

Stellen Sie sich jetzt vor, Sie hätten das Elektron mit einem Photon getroffen, aber Sie haben sich umgedreht und das Elektron nicht gesehen, Sie haben die Information verloren, also ist das Elektron für Sie nicht da und war nicht da. Sie sagen also, die Welle sei nicht zusammengebrochen, weil Sie die Informationen verloren hätten. Und Sie hatten auch keine Apparate, also brachte das Photon die Informationen nicht zu irgendeinem Apparat, um sie aufzuzeichnen. Die Information über ein vergangenes Ereignis der Position des Elektrons zu einer bestimmten Zeit und an einem bestimmten Ort ist verschwunden. Du hast es verpasst. Aber warte auf iiiit.

Also ist Photon mit den Informationen der Position irgendwo abgehauen, das versichere ich Ihnen. Du bist nicht das einzige Aufnahmeinstrument auf dieser Welt. Du bist für dich. Du kannst nicht über die Wand hinter dir sprechen. Was wäre, wenn das Photon die Information aufnähme, dann gegen die Wand prallte und von dieser Wand absorbiert würde, die Information des Elektrons eingebettet, wenn man so will, aufgezeichnet würde. Und die Wand spricht nicht darüber. Energie verschwindet nicht. Es ist das Energieerhaltungsgesetz.

Ein Photon trifft auf ein Elektron und das Elektron emittiert das Photon und das Photon breitet sich mit der Energie vom Elektron aus ... Vielleicht wurde es von einem Baum da draußen 50 Meilen entfernt aufgezeichnet. Und für diesen Baum ist die Elektronenwellenfunktion zusammengebrochen und der Baum spricht nicht darüber. Eines schönen Tages, was wäre, wenn Sie durch irgendeine Magie der Wissenschaft den Baum überprüfen (wie in der Dämmerungszone) und dort die Position des Elektrons aufgezeichnet wurde, da die Energie immer noch mit ihrem Fußabdruck vorhanden ist. Seltsam? Natürlich. Sagen Sie mir nicht, dass Informationen, die Energie sind, verloren gehen können, was bedeutet, dass sie aus dem Universum verschwinden können. Stimmt. Nur weil Sie Ihren Schlüssel verlieren, bedeutet das nicht, dass der Schlüssel aus der Existenz verschwunden ist.
Erraten Sie, was? Nein tut es nicht.

Ich wünsche Ihnen Inspiration und Freude und mögen Sie die Wissenschaft für alle Tage Ihres Lebens faszinierend finden....