ไอน์สไตย์ได้เขียนบทความ 3บทความที่มีชื่อเสียงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่ส่งผลในปัจจุบันอย่างมากมาย ที่มีชื่อเสียงมากที่สุดคือ สัมพัทธภาพ (relativity) อีกสองบทความยังเป็นกังขาถกเถียงกันอยู่ ที่เนื้อหาบอกให้ทราบถึงสารประกอบด้วยอะตอม ทั้งสองบทความนี้เป็นรากฐานในการพัฒนาฟิสิกส์ในเวลาที่เหลืออยู่ของศตวรรษที่ 20และหลังจากนั้น ถือว่าเป็นบทความที่นำไปสู่การเกิดของควอนตัมฟิสิกส์
ไอน์สไตย์ได้แสดงให้เห็นว่า (จากที่มีการทดลองขณะนั้น)พลังงานที่มีอยู่ในลำแสงเคลื่อนที่เป็นกลุ่มก้อน (packets) เรียกว่าคอวนต้า (quanta) เอกพจน์ คือ ควอนตัม(quantum) แต่ขณะนั้นมีหลักฐานที่เชื่อมั่นว่าแสงเป็นคลื่น ความขัดแยังนี้นำไปสู่แนวคิดที่คิดให้แสงมีคุณสมบัติคู่คลื่นอนุภาค (wave-particle duality) การพัฒนาต่อมานำไปสู่ปริศนาแมวของชโรดิงเงอร์(schrondinger's cat) ที่มีชื่อเสียง
ความสำเร็จ ความยิ่งใหญ่ของควอนตัมฟิสิกส์ อธิบายพฤติกรรมของสารในมาตรอะตอม และที่เล็กกว่า โดยมีจุดเน้นที่การแสดงปรากฏการณ์ควอนตัมในปรากฏการณ์ประจำวัน โดยที่เทคโนโลยีสมัยใหม่ มีพื้นฐานจากควอนตัมชัดเจน แต่โดยทั่วไปไม่ค่อยตระหนัก เช่นในเรื่อง ซิลิกอนชิป ที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ คุณสมบัติของฉนวนและตัวนำ ภาวะเรือนกระจก (green house effect)ที่ใช้ควอนตัมฟิสิกส์จากทำให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์ เพื่อลดผลกระทบได้มีการคิดเทคโนโลยีที่เรียกว่า กรีนเทคโนโลยี (green technology) นอกจากนี้ยังมีสภาพการเป็นตัวนำยิ่งยวด (super conductivity) และเทคโนโลยีสารสนเทศ
ควอนตัมฟิสิกส์ไม่ใช่วิทยาศาสตร์ของจรวจ
วิทยาศาสตร์ของจรวจ เป็นเรื่องบางอย่างที่ยุ่งยาก นักวิทยาศาสตร์จรวจต้องมีความรู้ในรายละเอียดคุณสมบัติของสารที่ใช้ในการสร้างยานอวกาศ ต้องเข้าใจศักยภาพและอันตรายของเชื้อเพลิงที่ใช้เป็นกำลังให้จรวจ และนักวิทยาศาสตร์ยังต้องเข้าใจในรายละเอียดของดาวเคราะห์ ดาวเทียมเคลื่อนที่ภายใต้แรงโน้มถ่วง เช่นกันกลศาสตร์ควอนตัมก็ขึ้นชื่อในเรื่องของความยาก และความเข้าใจในรายละเอียดของพฤติกรรมหลายอย่างของปรากฏการณ์ทางควอนตัม แน่นอนว่าได้นำเสนอเป็นเรื่องที่ท้าทายที่สำคัญ ให้กับผู้ที่จะศึกษาฝึกหัดแบบนักฟิิสิกส์ที่มีประสบการณ์แล้วตาม นักคิดที่ยิ่งใหญ่ในชุมชนฟิสิกส์อาจเป็นผู้ที่ทำงานปัญหาที่ยังแก้ไม่ตกของฟิสิกส์ควอนตัมสามารถประยุกต์กับแรงโน้มถ่วงมหาศาลที่เชื่อว่ามีอยู่ในหลุมดำได้อย่างไร และอะไรที่มีส่วนบทบาทสำคัญในตอนวิวัฒนาการเริ่มแรกของจักรวาล อย่างไรก็ตามแนวคิดพื้นฐานของฟิสิกส์ควอนตัมจริงแล้วไม่เหมือนกับวิทยาศาสตร์ของจรวจ หรือวิทยาศาสตร์ที่เราคุ้นเคยใช้ได้ดีกับโลกของวัตถุทั่วไปจากการสังเกตและประสบการณ์ แทนที่ด้วยคอนเซ็ปท์ใหม่ๆเพื่อที่จะเข้าใจฟิสิกส์ควอนตัม ซึ่งเป็นการฝึกหัด สำหรับจิตนาการมากกว่าการใช้สติปัญญาเพียงอย่างเดียว ยิ่งกว่านั้นค่อนข้างที่เป็นไปได้ที่เข้าใจว่าหลักการทางกลศาสตร์ควอนตัมภายใต้ปรากฏการณ์ประจำวันหลายอย่างเป็นอย่างไร
บนฐานมโนทัศน์ทางฟิสิกส์ควอนตัมค่อนข้างแปลกและไม่คุ้นเคย และการตีความต่างๆก็ยังคงเป็นที่ถกเถียงกัน อย่างไรก็ตามเราจะเลื่อนการอภิปรายเรื่องนี้ไปในบทสุดท้าย เพราะจุดประสงค์หลักของหนังสื่อนี้เพื่อเข้าใจถึงฟิสิกส์ควอนตัมอธิบายปรากฏการธรรมชาติหลายอย่างได้อย่างไร รวมท้้งพฤติกรรมของสารในมาตรวัดขนาดเล็กระดับอะตอมและใกล้เคียง และรวมปรากฏการณ์หลายอย่างที่เราคุ้นเคยในโลกสมัยใหม่ เราจะพัฒนาหลักการพื้นฐานเบื้องต้นของฟิสิกส์ควอนตัมในบทที่ 2 ที่ซึ่งเราจะพบว่าอนุภาคมูลฐานของสารนั้นไม่เหมือนกับวัตถุในชีวิตประจำวัน เช่นลูกฟุตบอลล์ เม็ดทราย แต่เป็นไปได้ในบางสถานะการณ์ที่ประพฤติตัวราวกับว่าเป็นคลื่น เราจะพบว่าสถาพคู่คลื่น-อนุภาค มีบทบาทหลักในการหาโครงสร้างและคุณสมบัติของอะตอมและกี่งอะตอม(subatomic)
บทที่ 3 เริ่มจากการอภิปรายหลักการของฟิสิกส์ควอนตัมภายใต้แง่มุมสำคัญและคุ้นเคยของชีวิตสมัยใหม่ เรียกว่ากำลังจากควอนตัม บทนี้อธิบายถึง ฟิสิกส์ควอนตัมเป็นพื้นฐานหลายอย่างของวิธีการทีใช้ในการที่ก่อให้เกิดพลังงานสำหรับสังคมสมัยใหม่อย่างไร และจะพบว่า ผลของภาวะเรือนกระจก (green house effect) มีบทบาทสำคัญในการควบคุมอุณหภูมิ และดังนั้นสิ่งแวดล้อมของดาวเคราะห์ของเรามีรากฐานควอนตัมในธรรมชาติ เทคโนโลยีสมัยใหม่จำนวนมากมีส่วนต่อผลของภาวะเรือนกระจกที่นำไปสู่การเกิดภาวะโลกร้อน แต่ฟิสิกส์ควอนตัมก็เป็นส่วนของฟิสิกส์ที่เป็นเทคโนโลยีสีเขียวที่พัฒนาขึ้นมาเพื่อต่อต้านการเกิดภาวะโลกร้อน
บทที่4 ฟิสิกส์ควอนตัมอธิบายสภาพการนำไฟฟ้าของสารที่เป็นตัวนำและฉนวนไฟฟ้า
บทที่5 อภิปรายเรื่องฟิสิกส์ของสารกึ่งตัวนำที่มีคุณสมบัติอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน และฟิสิกส์ควอนตัมแสดงบทบาทหลักในสารเหล่านี้ ซึ่งได้นำไปใช้ประโยชน์ในการสร้างชิปซิลิกอน เป็นรากฐานของอิเลคทรอนิกส์สมัยใหม่ ซึ่งอยู่ภายใต้เทคโนโลยีข่าวสารและการสื่อสารซึ่งแสดงบทบาทหลักในโลกสมัย่ใหม่
บทที่6 ปรากฏการณ์ตัวนำยิ่งยวดที่ฟิสิกส์ควอนตัมเข้ามาเกี่ยวข้อง กับการที่ความต้านทานต่อกระแสไฟฟ้าถูกขจัดจนหมดไปอย่างสมบูรณ์ ปรากฏการณ์ทางควอนตัมอีกอย่างเกี่ยวข้องกับการพัฒนาเทคนิคการประมวลผลข่าวสารในบทที่ 7 ที่เข้ารหัสถอดรหัสที่ความปลอดภัยสูง และคาดหวังที่จะสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่มีความเร็วสูงมากขึ้นเป็นล้านๆ เท่า
บทที่8 กลับไปสู่ปัญหาแนวคิดที่แปลกทางควอนตัมฟิสิกส์ที่สามารถตีความและเข้าใจได้และที่ยังคงเป็นที่คลางแคลงใจ ขณะที่บทที่ 9มุงที่จะนำเองทุกสิ่งมารวมกันแล้วทำนายถึงฟิสิกส์ควอนตัมจะเป็นอย่างไรต่อไปข้างหน้า
คณิตศาสตร์
กับหลายคนมองว่าคณิตศาสตร์แสดงถึงอุปสรรค์สำคัญที่จะเข้าใจวิทยาศาสตร แน่นอนว่าคณิตศาสตร์เป็นเหมือนภาษาของวิทยาศาสตร์เป็นเวลานับ 400 ปีหรือมากกว่า และเป็นเรื่องยากในการทำความเข้าใจโลกกายภาพให้ก้าวหน้าโดยปราศจากการใช้คณิตศาสตร์
ในเอกสารนี้จะจำกัดการใช้คณิตศาสตร์เพียงการใช้เลขคณิต และพีชคณิตอย่างง่าย แต่จุดมุ่งหมายในการอธิบายปรากฏการณ์โลกที่เป็นจริง ซึ่งบางครั้งนำเราไปสู่การอภิปรายปัญหาที่ผลเฉลยที่สมบูรณ์จำเป็นต้องใช้การวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ในระดับสูง ในการอภิปรายเหล่านี้เราก็จะหลีกเลี่ยงคณิตศาสตร์ให้มากเท่าที่ทำได้ แต่ยังคงใช้ผังไดอะแกรมอย่างกว้างขวาง นอกจากนี้บางครั้งเพียงแต่กล่าวถึงผล ข้อโต้แย้งที่เกี่ยวพันธ์ในการอภิปรายที่รวมเอาไว้ใน ส่วนคณิตศาสตร์และเลขหัวข้อ เช่นคณิตศาสตร์ 1.1 สำหรับผู้อ่านที่มีพื้นทางคณิตศาสตร์บ้างจะพบว่าเป็นส่วนที่น่าสนใจมีประโยชน์
คณิตศาสตร์ 1.1
มโนทัศน์หลักคือสูตรทางคณิตศาสตร์หรือสมการ
ดังเช่น
a
= b + cd
ในทางพีชคณิต
ตัวอักษรภาษาอังกฤษแทนบางจำนวน
และตัวอักษรเขียนติดกันตั้งแต่สองตัวหมายถึงจำนวนดังกล่าวคูณกัน ดังนั้นถ้า b
=2 , c = 3 และ d
= 5 แล้ว a ต้องเท่ากับ 2 +3 x 5 = 2 +15 = 17
จำนวนยกกำลัง ถ้าคูณจำนวน (เช่น x)
ด้วยตัวเอง
เช่นยกกำลังสอง x2 และเมื่อคูณด้วยจำนวนเดิมอีกก็จะได้เป็น xxx
หรือ x3 และ ยกกำลังต่อๆไปได้ไม่จำกัด เราสามารถที่จะให้กำลังเป็นลย เช่น x-1
= 1/x , x-2 = 1/x2และต่อๆ ไป
ตัวอย่างหนึ่งของสูตรในฟิสิกส์คือสมการที่มีชื่อของไอน์สไตย์
E =
mc2
เมื่อ E คือพลังงาน, m คือมวล และ c คืออัตราเร็วแสง
นัยสำคัญทางกายภาพของสมการนี้คือพลังงานที่มีในวัตถุเท่ากับมวลคูณกับอัตราเร็วแสงยกกำลังสอง ตามสมการทางซ้าย และทางขวาของสมการเท่ากันเสมอ
ถ้าให้ตัวกระทำเดียวกันในแต่ละด้าน สมการก็ยังเท่ากันเหมือนเดิม ดังนั้นเมื่อหารทั้งสองด้านด้วย c2 ดังนี้ง
E/c2
= m หรือ m
= E/c2
สัญลักษณ์ที่ใช้แทนการหารและสมการยังคงเป็นจริง
เมือสลับขวามือมาเป็นซ้ายมือ
ฟิสิกส์คลาสสิก
จากความรู้ทางฟิสิกส์และเทคโนโลยีที่เรามี เราสามารถที่จะส่งคนไปดวงจันทร์เพราะว่าการเคลื่อนที่
ของดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์ จรวจ และดาวเทียมสามารถคำนวณได้ด้วยความละเอียดโดยใช้ฟิสิกส์ก่อนควอนตัมพัฒนาขึ้นระหว่าง 200 - 300 ปีมาแล้วโดยนิวตันและนักวิทยาศาสตร์อื่นๆ ความจำเป็นที่ต้องมีฟิสิกส์ควอนตัมไม่ได้ตระหนักจนกระทั่งตอนปลายศตวรรษที่ 19 เพราะว่าในสถานะการณ์คอวนตัมที่คุ้นเคยกันดีนั้นส่งผลให้เห็นน้อยไม่มีนัยสำคัญ เมื่อเราอภิปรายฟิสิกส์ควอนตัม เราอ้างถึงองค์ความรู้ก่อนหน้านี้เป็นแบบคลาสสิกในสาขาวิชาทางวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่ง หมายถึงบางสิ่งบางอย่างที่รู้กันมาก่อน และหัวข้ออภิปรายเกี่ยวข้องอยู่ในประเด็นเสมอ ดังนั้นในบริบทของเราจะอ้างถึงองค์ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ที่มีมาก่อนที่ปฏิวัติด้วยควอนตัม ฟิสิกส์ควอนตัมตอนแรกๆจะคุ้นเคยเกี่ยวข้องกับมโนทัศน์ฟิสิกส์คลาสสิกและใช้ฟิสิกส์ดังกล่าวเท่าที่สามารถพัฒนาแนวคิดใหม เราจะติดตามร่องรอยและอภิปรายถึงแนวคิดหลักฟิสิกส์สิกส์พอสังเขปที่จำเป็นสำหรับการอภิปรายต่อไปภายหลังหน่วย(Units)
เมื่อปริมาณทางกายภาพนำเสนอด้วยจำนวนตัวเลข เราจำต้องใช้ระบบของหน่วย ตัวอย่างเช่นเราอาจวัดระยะทางเป็นไมล์และวัดเวลาเป็นชั่วโมง ไมล์และชั่วโมงก็เป็นหน่วยของการวัดระยะทางและเวลาตามลำดับ และปริมาณอื่นๆ ถ้ามี ระบบของหน่วยที่ใช้ในงานทางวิทยาศาสตร์รู้จักกันตามชื่อในภาษาฝรั่งเศษ systeme Internationale หรือ ย่อว่า SI ในระบบนี้หน่วยของระยะทางเป็นเมตร (m) หน่วยของเวลาเป็นวินาที(s) และหน่วยของมวลเป็นกิโลกรัม(kg) และหน่วยของประจุไฟฟ้าเป็นคูลอมบ์ (C)
ขนาดของหน่วยมูลฐานของมวล,ความยาว,และเวลาเริ่มแรกได้กำหนดเมื่อระบบเมตริกได้ตั้งขึ้นมาตอนปลายศตวรรษที่ 18 เริ่มต้นกำหนด เมตร (metre) ให้เป็น หนึ่งในล้านของระยะทางจากขั้วโลกมายังเส้นศูนย์สูตร(equator) ตามเส้นเมอร์ริเดียนผ่านกรุงปารีส ; เวลาเป็นวินาทีกำหนดให้เป็น 1/86400 ของกลางวันเฉลีย (average solar day) และ กิโลกรัมเป็นมวลของ 1/1000 ของน้ำหนึ่งลูกบาศก์เมตร การนิยามดังกล่าวนำมาสู่ปัญหา
ในการศึกษาฟิสิกส์ควอนตัมเรามักเกี่ยวข้องกับปริมาณที่เล็กหรือน้อยมากเมื่อเปรียบเทียบกับในชีวิตประจำวัน เพื่อจะใช้กับวัตถุที่ใหญ่มากหรือที่เล็กมาก เรามักจะเขียนเป็นเลขจำนวนคูณกับสิบยกกำลัง ตามข้อกำหนด เราตีความ 10^n เมื่อ n เป็นเลขจำนวนเต็มบวก
การเคลื่อนที่
ส่วนที่สำคัญของฟิสิกส์ทั้งแบบคลาสสิกและควอนตัมเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ มโนทัศน์ง่ายที่สุดที่ใช้คืออัตราเร็ว(speed) สำหรับวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงตัวสม่ำเสมอ คือระยะทางเป็นเมตรที่เคลื่อนที่ได้ในหนึ่งวินาที มโนทัศน์ที่ใกล้เคียงกับอัตราเร็วคือความเร็ว(velocity) ในภาษาพูดในชีวิตประจำวันอัตราเร็วกับความเร็วนั้นคือสิ่งเดียวกัน แต่ในทางฟิสิกส์แตกต่างกันที่ ความเร็วเป็นปริมาณเวคเตอร์ ซึ่งหมายความว่ามีทั้งขนาดและทิศทาง ดังนั้นวัตถุที่เคลื่อนที่จากซ้ายไปขวาด้วยอัตราเร็ว 5ms^-1 เมื่อความเร็วของวัตถุเปลี่ยนแปลง อัตราของการเปลี่ยนแปลงเรียกว่าความเร่ง ดังเช่น อัตราเร็วของวัตถุหนึ่งเปลี่ยนจาก 10 เมตรต่อวินาที่ เป็น 11 เมตรต่อวินาที่ ในช่วงเวลา 1 วินาที การเปลี่ยนอัตราเร็ว 1 ms^-1 ดังนั้นวามเร่งคือหนึ่งเมตรต่อวินาทีต่อวินาที หรือ 1 ms^-2
มวล
ไอแซค นิวตันได้กำหนดมวลของวัตถุเป็นปริมาณของสารที่บรรจุอยู่ในวัตถุนั้น เท่ากับเรียกให้มีคำถามว่าสสารคืออะไรหรือปริมาณของสารในวัตถุสามารถวัดได้อย่างไร ปัญหาก็คือ แม้ว่าเราจะกำหนดบางปริมาณในเทอมปริมาณมูลฐานมากกว่า (เช่น อัตราเร็วในเทอมของระยะทางและเวลา) เมื่อไม่มีเทอมที่เป็นมูลฐานพอ แต่ก็สามารถกำหนดปริมาณเชิงปฏิบัติการได้ โดยการอธิบายว่าทำอะไร นั้นคือดำเนินการอย่างไร มากว่าที่เป็นอยู่ ในกรณีของมวล สามารถทำโดยใช้แรงให้แก่วัตถุเมื่ออยู่ภายใต้แรงความโน้มถ่วง ดังนั้นวัตถุที่มีมวลเท่ากันจะมีแรงกระทำเดียวกันที่ตำแหน่งเดียวกันที่พื้นโลก จากนี้สามารถที่จะเปรียบเทียบมวลจากสองวัตถุโดยอาศัยตาชั่ง
พลังงาน
เป็นมโนทัศน์ที่จะอ้างถึงบ่อยครั้งในการอภิปรายต่อไป ตัวอย่างหนึ่งของพลังงานที่มีโดยวัตถุที่เคลื่อนที่ ซึ่งเรียกว่าพลังงานจลน์ คำนวนได้จากครึ่งหนึ่งของมวลวัตถุคูณด้วยอัตราเร็วยกกำลังสอง ให้ดูหัวข้อคณิตศาสตร์ 1.2 มีหน่วยเป็นจูล (่joule) ตรงกับหน่วย kgm^2s^-2 อีกรูปแบบของพลังงานที่สำคัญคือพลังงานศักย์(potential energy) ซึ่งเกี่ยวพันธ์กับแรงที่กระทำกับวัตถุหนึ่งๆ ตัวอย่างเช่นพลังงานศักย์อันเนื่องมาจากความโน้มถ่วง ซึ่งพลังงานเพิ่มขึ้นเป็นสัดส่วนกับระยะทางที่ยกวัตถุขึ้นจากพื้น คำนวนค่าพลังงานจากผลคูณของมวลของวัตถุความสูงของวัตถุและความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วง หน่วยของทั่งสามปริมาณนี้เหมือนกันกับหน่วยของพลังงานจลน์ ตามที่คาดหวังไว้ เพราะรูปแบบต่างๆ ของพลังงานสามารถที่จะแปลงจากรูปหนึ่งไปยังอีกรูปแบบหนึ่งได้
หลักการที่สำคัญมากทั้งควอนตัมและฟิสิกส์คลาสสิกคือการคงตัวของพลังงาน ซึ่งหมายถึงพลังงานไม่สามารถสร้างขึ้นหรือทำลายให้หมดไปไม่ได้ พลังงานสามารถแปลงจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่งได้ แต่พลังงานรวมของพลังงานยังคงเท่าเดิมเสมอ เราสามารถแสดงในเรื่องนี้โดยการพิจารณาตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของกระบวนการทางกายภาพ สำหรับวัตถุหนึ่งที่ตกลงภายใต้ความโน้มถ่วง ขณะที่ปล่อยให้วัตถุตกลงมา วัตถุจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น เร็วขึ้นขณะที่กำลังตกลงมา พลังงานศักย์ของวัตถุจะลดลง ขณะที่พลังงานจลน์มีขนาดมากขึ้นตามความเร็วที่เพิ่มขึ้น และที่ทุกๆจุดพลังงานรวมมีค่าเท่าเดิม เมื่อวัตถุตกถึงพื้นโลกในกรณีที่ไม่กระดอน ทั้งพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ได้ลดน้อยลงจนเป็นศูนย์ แล้วพลังงานหายไปไหน คำตอบก็คือได้แปลงไปให้วัตถุรอบจุดที่กระทบ และความร้อนที่ให้ความอบอุ่นแก่โลก ตัวอย่างอีกรูปแบบหนึ่งของพลังงานคือพลังงานไฟฟ้า พลังงานเคมี และพลังงานมวลตามที่ระบุไว้ตามสมการ E = mc^2
คณิตศาสตร์ 1.2
เพื่อที่จะแสดงมโนทัศน์ของพลังงานในเชิงปริมาณ สิ่งแรกต้องแสดงพลังงานจนล์และพลังงานศักย์เป็นจำนวนที่สามารถเพิ่มรวมกันได้เป็นพลังงานรวม กำหนดพลังงานจนล์ของวัตถุที่เคลื่อนทีด้วย ครึ่งหนึ่งของผลคูณระหว่างมวลกับกำลังสองของอัตราเร็วของวัตถุ ถ้าแทนมวลด้วย m อัตราเร็วด้วย v และพลังงานจลด้วย K เขียนได้ว่า
K = 1/2 mv^2
ในกรณีวัตถุตกลงมาที่ผิวโลก กำหนดพลังงานศักย์เป็นผลคูณระหว่างมวลของวัตถุ ความสูง h และค่าคงที่ g (ความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วง) มีค่าประมาณ 10 ms^-2 เรียกว่าพลังงานศักย์ V
V = mgh
ดังนั้นพลังงานรวมคือ
E = K + V = 1/2mv^2 + mgh
สมมัติว่าวัตถุมีมวล 1 กิโลกรัมปล่อยให้ตกห่างจากพื้น 1 เมตร ที่จุดปล่อยมีพลังงานจลน์เป็นศูนย์เพราะยังไม่เริ่มเคลื่อนที่ ขณะที่ตกถึงพื้นพลังงานรวมเท่ากับ 10 J ถือว่าพลังงานคงตัว พลังงานศักย์เป็นศูนย์ พลังงานจนล์ต้องมีค่า 10 J ซึ่งหมายถึงว่าอัตราเร็วของวัตถุเท่ากับ 4.5 ms^-1
ประจุไฟฟ้า
พลังงานศักย์สองแหล่งหลักทางฟิสิกส์คลาสสิก อย่างแรกคือความโน้มถ่วง ซึ่งเราอ้างถึงมาก่อนแล้ว อีกอย่างหนึ่งคือไฟฟ้า บางครั้งเกี่ยวพันธ์กับสภาพแม่เหล็กโดยรวมเรียกว่า แม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetism) มโนทัศน์มูลฐานทางไฟฟ้าคือประจุไฟฟ้า และคล้ายกับมวลที่เป็นปริมาณหนึ่งที่ยังไม่ได้กำหนดให้พร้อมนำไปใช้ในเทอมของปริมาณมูลฐานอื่นที่เป็นมูลฐานกว่า ดังนั้นจึงเป็นอีกครั้งที่เป็นการกำหนดนิยามเชิงปฏิบัติการ เมื่อมีสองวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าออกแรงกระทำกันและกัน ถ้าประจุชนิดเดียวกันหรือเครื่องหมายเดียวกัน จะเป็นแรงผลักให้วัตถุประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ออกห่างกัน ถ้าเป็นประจุแตกต่างกันหรือเครื่องหมายตรงข้ามกันจะเป็นแรงดึงดูดกันและกันให้เคลื่อนเข้าหากัน ทั้งสองกรณีดังกล่าวถ้าปล่อยวัตถุประจุให้กระทำกันวัตถุประจุก็จะได้รับพลังงานจลน์่เพิ่มขึ้น ในการเคลื่อนที่ออกห่าง หรือเคลื่อนที่เข้าหากัน เมื่อประจุเหมือนกันหรือตรงกันข้ามกัน เพื่อให้แน่ใจว่าพลังงานคงตัว ก็จะต้องมีพลังงานศักย์ที่เกี่ยวเนื่องสัมพันธ์กันกับการเกินอันตรกิริยาระหว่างประจุไฟฟ้า กรณีที่พลังงานศักย์เพิ่มขึ้นเมื่อประจุเหมือนกันมารวมอยู่ด้วยกันหรือวัตถุมีประจุไม่เหมือนกันกันอยู่แยกห่างกัน ในรายละเอียดกำหนดในคณิตศาสตร์ 1.3
สนามไฟฟ้า (Electric fields)
เมื่อสองประจุไฟฟ้ามีอัตรกิริยาต่อกัน ด้วยปรากฏสาเหตุจากแรงหนึ่งกระทำต่ออีประจุ ได้ผลว่าแต่ละประจุต่างก็เคลื่อนที่ออกห่างจากกันถ้าเป็นประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกัน และจะเคลื่อนที่เข้าหากันถ้าเป็นประจุไฟฟ้าตรงข้ามกัน คำถามที่เกิดขึ้นคือประจุหนึ่งๆสามารถที่รู้ได้ว่ามีประจุอื่นอยู่ที่ระยะห่างหนึ่งได้อย่างไร การตอบคำถามนี้นักฟิสิกส์ได้กำหนดข้อตกลงเบื้องต้น (postulate) ว่าประจุไฟฟ้าหนึ่งๆสร้างสนามไฟฟ้าขึ้นในสเปสซ์โดยรอบประจุไฟฟ้า ในทางที่กลับกันก็จะมีอันตรกิริยากับประจุไฟฟ้าอื่นก่อให้เกิดแรงไฟฟ้า สนามจึงเป็นมโนทัศน์มูลฐานอีกอย่างหนึ่ง ที่กำหนดนิยามเชิงปฏิบัติการ เทียบกับนิยามก่อนหน้านี้ของมวลและประจุ หลักฐานที่สนับสนุนมโนทัศน์มาจากการทดลอง ซึ่งประจุทั้งสองยึดไว้แล้วให้ประจุหนึ่งเคลื่อนที่ ได้พบว่าแรงที่กระทำต่ออีกประจุไม่ได้เปลี่ยนไป
เมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ ไม่เพียงแต่สนามไฟฟ้าเปลี่ยนแปลง แต่สนามอีกชนิดคือสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้น คล้ายคลึงกับสนามที่สร้างจากแท่งแม่เหล็ก หรือโดยโลกซึ่งเป็นตัวควบคุมเข็มของเข็มทิศ การควบรวมสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ผ่านไปในสเปสซ์ เคลื่อนที่ผ่านสเปสซ์ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ตัวอย่างหนึ่งก็คือคลื่นแสง
คณิตศาสตร์ 1.3
นิพจน์ทางคณิตศาสตร์สำหรับพลังงานศักย์จากการปฏิสัมพันธ์ระหว่างประจุไฟฟ้าสองประจุ q1 และ q2 แยกจากกันเป็นระยะทาง r คือ V = kq1q2/r เมื่อ k คือตัวคงที่กำหนดขึ้นทำให้พลังงานคำนวณในหน่วยจูล (joules) ประจุวัดในหน่วยคูลอมบ์ และระยะทางวัดในหน่วยเป็นเมตร ค่าของ k คือ 9.0 x 109 jmC^-2 เราจะเห็นว่าขณะที่วัตถุประจุเคลื่อนเข้ามาอยู่ใกล้ชิดกันดังนั้นค่าของ r ลดลง แล้วพลังงานศักย์ V มีค่ามากขึ้น (นั่นคือมีค่าเป็นบวกมากขึ้น) ถ้าประจุแบบเดียวกันหรือเครื่องหมายเดียวกัน พลังงานศักย์จะมีค่าลดลง (นั่นคือจะมีค่าเป็นลมมากขึ้น)ถ้าเครื่องหมายของ q1 และ q2 ตรงข้ามกัน
โมเมนตัม
โมเมนตัมของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่กำหนดให้เป็นผลคูณของมวลกับความเร็วของวัตถุ ดังนั้นวัตถุที่หนักเคลื่อนที่ได้ช้า สามารถที่จะมีโมเมนตัมเท่ากับวัตถุที่เบากว่าแต่เคลื่อนที่เร็วกว่า เมื่อวัตถุเคลื่อนที่มาชนกัน โมเมนตัมรวมของวัตถุทั้งสองยังคงเท่าเดิม ดังนั้นโมเมนตัมจึงคงตัวเหมือนดังในกรณีของพลังงานที่อภิปรายมาก่อนแล้ว อย่างไรก็ตามโมเมนตัมต่างไปจากพลังงานในแง่มุมที่สำคัญ ซึ่งนั่นคือที่่โมเมนตัมเป็นปริมาณเวคเตอร์ที่มีทิศทางและขนาด เมื่อเราปล่อยให้ลูกบอลตกลงสู่พื้น และลูกบอลกระดอนขึ้นด้านบนด้วยอัตราเร็วเท่าๆกัน โมเมนตัมของมันจึงเปลี่ยนทิศทางดังนั้นผลรวมโมเมนตัมที่เปลี่ยนไปเท่ากับสองเท่าของค่าโมเมนตัมเริ่มต้น กำหนดให้โมเมนตัมคงตัว
วัตถุควอนตัมในครั้งแรก
จำเป็นต้องมีแนวคิดรากฐานใหม่ในทางฟิสิกส์เกิดขึ้นในครึ่งหลังของศตวรรษที่ 19 เมื่อนักวิทยาศษสตร์พบว่ายังไม่สามารถที่จะเข้าใจปรากฏการณ์บางอย่างที่เพิ่งค้นพบ บางอย่างเกี่ยวข้องกับรายละเอียดจากการศึกษาเรื่องแสง และการแผ่รังสีที่ใกล้เคียงกัน ซึ่งจะได้กล่าวถึงต่อไป ในอีกทางหนึ่งเกิดขึ้นจากการศึกษาเรื่องสสารและเห็นได้ชัดว่าประกอบด้วยอะตอม
อะตอม
ตั้งแต่ช่วงสมัยของนักปรัชญากรีกโบราณที่ได้มีการคาดการณ์ไว้ว่าถ้าสสารถูกแบ่งออกเป็นส่วนที่เล็กลงไปเรื่อยๆ ก็จะไปถึงจุดหนึ่งที่จะแบ่งต่อไปอีกไม่ได้ แนวคิดนี้ได้พัฒนาขึ้นในศตวรรษที่ 19 เมื่อตระหนักกันว่าคุณสมบัติของธาตุทางเคมีที่แตกต่างกันสามารถที่จัดคุณลักษณะให้แตกต่างกันตามความจริงที่ว่าสสารต่างประกอบด้วยอะตอมที่เหมือนกัน ในกรณีของธาตุเฉพาะแต่ต่างกันจากธาตุหนึ่งไปอีกธาตุหนึ่ง ดังนั้นที่เป็นส่วนที่บรรจุของแกสไฮโดรเจนไว้ ประกอบด้วยชนิดหนึ่งของอะตอม (เรียกว่าอะตอมไฮโดรเจน) คาร์บอนต่างๆ ก็เป็นอีกชนิดหนึ่ง(นั่นคืออะตอมคาร์บอน) และธาตุต่อๆ ไป ทำนองเดียวกัน โดยวิธีการหลากหลายต่างๆการศึกษาคุณสมบัติของแกสในรายละเอียด เป็นไปได้ที่จะประมาณค่าขนาดและมวลของอะตอม ดังตามที่คาดการณ์ไว้อะตอมมีขนาดเล็กมากตามมาตรวัดของวัตถุสารในชีวิตประจำวัน ในกรณีขนาดของอะตอมประมาณ 10^-10 m น้ำหนักประมาณระหว่าง 10^-27 Kg ในกรณีของอะตอมไฮโดรเจน และหนัก 10^-24 Kg ในกรณีของธาตุยูเรเนียม(เป็นธาตุที่หนักที่สุดที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ)
แม้ว่าอะตอมเป็นเป็นวัตถุที่เล็กที่สุดที่ใช้ในการเทียบเคียงจัดแบ่งธาตุเป็นการเฉพาะ โดยที่อะตอมมีโครงสร้างภายในประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเลคตรอนจำนวนหนึ่ง
อิเลคตรอน
อิเลคตรอนเป็นอนุภาคของสารน้ำหนักน้อยกว่าอะตอม ที่ประกอบด้วยมวลของอิเลคตรอนน้อยกว่า 10^-30 kg. จากที่มีอนุภาคจุด(point particle) ซึ่งหมายถึงขนาดเป็นศูนย์ หรือน้อยเกินไปที่จะวัดได้ที่ทำการทดลองใดๆได้จนถึงปัจจุบัน อิเลคตรอนทั้งหมดมีประจุไฟฟ้าลบเหมือนกัน
นิวเคลียส
มวลเกือบทั้งหมดของอะตอมอัดแน่นร่วมกันเป็นนิวเคลียส ซึ่งเล็กกว่าขนาดของอะตอมโดยรวม ปกติแล้วมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 10^-15 m หรือประมาณ 10^-5 เท่าของเส้นผ่าศูนย์กลางอะตอม นิวเคลียนมีประจุไฟฟ้าบวกเท่ากับและตรงข้ามประจุที่มีในอิเลคตรอนของแต่ละอะตอม ดังนั้นอะตอมจึงไม่มีการเปลี่ยนแปลงหรือเป็นกลางโดยรวม เป็นที่รู้กันว่านิวเคลียสยังสามารถแบ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุบวกเรียกว่า โปรตอน ตามด้วยอนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้าคือนิวตรอน ประจุบนโปรตอนเป็นบวก เท่ากันและตรงข้ามกับประจุบนอิเลคตรอน มวลของโปรตอนและนิวตรอนใกล้เคียงกัน(แม้ว่าจะไม่เหมือนกัน) มวลรวมของทั้งนิวตรอนและโปรตอนมากกว่ามวลรวมอิเลคตรอนประมาณ 2000 เท่า ดังตัวอย่างนิวเคลียสของธาตุไฮโดรเจนประกอบด้วยโปรตอนเดียวไม่มีนิวตรอน นิวเคลียสของคาร์บอนประกอบด้วยโปรตอน 6 ตัว และนิวตรอน 6 ตัว นิวเคลียสอะตอมของธาตุยูเรเนียมประกอบด้วย โปรตอน 92 ตัว มีนิวตรอนอยู่ระหว่าง 142 และ 146 ตัว (จะกล่าวถึงในเรื่องไอโซโทปต่อไป) เมื่อต้องการอ้างถึงอนุภาคหนึ่งที่ประกอบเป็นนิวเคลียสโดยไม่บ่งชี้ว่าเป็นโปรตอนหรือนิวตรอน จะเรียกว่านิวคลีออน
นิวคลีออนไม่ใช้่อนุภาคจุดดังเช่นอิเลคตรอน แต่มีโครงสร้างของตัวเอง แต่ละนิวคลีออนเกิดจากการรวมกันของอนุภาคจุด 3 ตัว เรียกว่า ควากซ์ (quarks) มีควากซ์ 2 ชนิดที่พบในนิวเคลียสคือ ควากซ์ทิศขึ้นกับควากซ์ทิศลง แม้ว่าไม่ได้มีนัยสำคัญทางกายภาพที่กำกับไว้ ควากซ์ขึ้น และ ลงนำประจุบวกค่า -2/3 และ -1/3 ของประจุรวมบนโปรตอน ตามลำดับ ซึ่งมีควากซ์ทิศขึ้น 2 ตัว ควากซ์ทิศลง 1 ตัว ส่วนนิวตรอนประกอบด้วยควากซ์ทิศขึ้น 1 ตั้ว และควากซ์ทิศลง 2 ตัว ซึ่งสอดคล้องกับประจุรวมเป็นศูนย์ ควากซ์ภายในนิวตรอนหรือโปรตอนตัวหนึ่งๆครอบคลุมอยู่ด้วยกันชิดแน่นดังนั้นนิวคลีออนสามารถจัดให้เป็นอนุภาคเดี่ยวได้ในเกือบทุกๆสถานะการณ์ นิวตรอนและโปรตอนมีอันตรกิริยาต่อกันน้อยมาก แต่ยังคงมีมากกว่าการมีอันตรกิริยาต่อกันระหว่างอิเลคตรอน ซึ่งหมายความว่าเป็นการประมาณอย่างดีที่จัดให้นิวเคลียสเป็นอนุภาคเดี่ยวได้โดยไม่คิดถึงโครงสร้างภายในเมื่อพิจารณาโครงสร้างภายในของอะตอม ทั้งหมดนี้แสดงไว้ดังในภาพข้างล่างนี้ โดยใช้อะตอมฮีเลี่ยมเป็นตัวอย่าง
คุณสมบัติแทบทั้งหมดของอะตอมหามาจากอิเลคตรอนและจนำนวนประจำลบของอิเลคตรอนซึ่งเท่ากับจำนวนประจุบวกของโปรตอนในนิวเคลียส ดังกล่าวนี้อย่างไรก็ตามนิวเคลียสนั้นประกอบด้วยจำนวนนิวตรอนที่ไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งเพิ่มมวลของนิวเคลียส และไม่ส่งผลมากต่อคุณสมบัติของอะตอม ถ้ามีสองอะตอมหรือมากกว่ามีจำนวนอิเลคตรอนเท่ากัน (เช่นกันสำหรับโปรตอน) แต่จำนวนนิวตรอนที่แตกต่างกัน เรียกว่าไอโซโทป ตัวอย่างเช่นดิวทีเรียมนิวเคลียสประกอบด้วย 1 โปรตอน และ 1 นิวตรอน ดังนั้นจึงเป็นไอโซโทปของไอโดรเจน โดยธรรมชาติจะเกิดอะตอมไฮโดรเจน 1 อะตอมขณะที่มีอะตอมดิวทีเรียมราว 10000 อะตอม
จำนวนของไอโซโทปเปลี่ยนแปลงไปในแต่ละธาตุ ยิ่งเป็นธาตุหนักขึ้นก็จะยิ่งมีไอโซโทปมากขึ้น นั่นคือจะมีจำนวนนิวคลีออนมากกว่า ธาตุที่หนักที่สุดตามธรรมชาติเช่นยูเรเนียมจะมีไอโซโทปถึง 19 ไอโซโทป จากที่มี 92 โปรตอน ที่มีมากที่สุดคือ U238 ซึ่งมีนิวตรอน 146 ตัว ขณะที่ไอโซโทปที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิสชันคือ U235 ที่มีนิวตรอน 143 ตัว ตัวเลขหลังสัญลักษณ์ธาตุคือจำนวนรวมของนิวคลีออน
โครงสร้างอะตอม
เพียงแค่นี้ เราได้เห็นว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสประจุบวกขนาดเล็กมาก ห้อมล้อมด้วยจำนวนอิเลคตรอน อะตอมง่ายที่สุดคือไอโดรเจน ที่มีเพียงอิเลคตรอนเดียว และอะตอมที่ใหญ่ที่สุดที่มีตามธรรมชาตคืออะตอมธาตุยูเรเนียม ซึ่งประกอบด้วยอิเลคตรอนจำนวน 92 ตัว ที่จำได้ว่านิวเคลียสนั้นเล็กมากและมิติขนาดของอิเลคตรอนคิดให้เป็นศูนย์ได้ เป็นที่่ชัดเจนว่าปริมาตรจำนวนมากที่อะตอมเข้าอยู่นั้นเป็นสเปสซ์ที่ว่าง อันหมายความว่าอิเลคตรอนมั้นต้องอยู่ในตำแหน่งที่ห่างจากนิวเคลียส แม้ว่าจะมีแรงดึงดูระหว่างประจุไฟฟ้าลบของอิเลคตรอนและประจุไฟฟ้าบวกของนิวเคลียส แล้วทำไมอิเลคตรอนไม่เคลื่อนเข้ามาชนนิวเคลียส แนวคิดหนึ่งเสนอแนะไว้ในเริ่มแรกในการพัฒนาวิชานี้ คืออิเลคตรอนอยู่ในวงโคจรรอบนิวเคลียสคล้ายกับที่กาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ในระบบสุริยะ อย่างไรก็ตามมีความแตกต่างเป็นอย่างมากระหว่างวงโคจรดาวบริวารที่โคจรในสนามความโน้มถ่วง กับที่อนุภาคเคลื่อนเป็นโคจรนั้นมีประจุ ซึ่งทราบกันดีว่าอนุภาคประจุที่โคจรมีการสูญเสียพลังงานโดยการปลดปล่อยรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นแสง เพื่อที่จะรักษาการคงตัวของพลังงานอนุภาคประจุควรจะเคลื่อนเข้าใหล้นิวเคลียสมากขึ้น ที่ซึ่งมีพลังงานศักย์ต่ำกว่า จากการคำนวณแสดงให้เห็นว่าควรจะนำให้อิเลคตรอนเคลื่อนเข้าชนนิวเคลียสสลายไปภายเศษเสี้ยวของวินาที อย่างไรก็ตามสำหรับอะตอมที่รู้ขนาด เรื่องเช่นนี้ไม่สามารถและไม่เกิดขึ้น ไม่มีโมเดลใดทางฟิสิกส์คลาสสิกที่สามารถอธิบายสำหรับคุณสมบัติอะตอมที่สังเกตได้นี้ และจึงต้องการฟิสิกส์ใหม่คือควอนตัมฟิสิกส์
คุณสมบัติพื้นฐานของอะตอมที่อธิบายไม่ได้จากทัศนะแบบคลาสสิก ก็คืออะตอมทั้งหมดเกี่ยวพันธ์ธาตุเฉพาะหนึ่งนั้นเป็นอย่างเดียวกัน จัดให้มีจำนวนอิเลคตรอนที่ถูกต้องและนิวเคลียสที่นำประจุไฟฟ้าบวกที่ชดเชยกับอิเลคตรอน อะตอมนั้นจะมีคุณสมบัติทั้งหมดที่เกี่ยวพันธ์กับธาตุนั้น ดังนั้นอะตอมไฮโดรเจนมี 1 อิเลคตรอน และอะตอมไฮโดรเจนทั้งหมดนั้นเหมือนกัน เพื่อให้เห็นว่าเรืองนี้ยังเป็นเรื่องทาง
คลาสสิกอย่างน่าประหลาด คิดถึงปัญหาเรื่องวงโคจรทางคลาสสิกอีกครั้ง ถ้าเรานำดาวบริวารให้โคจรรอบโลก แล้วจัดส่งจรวดตามคุณสมบัติทางวิทยาศาสตร์ สามารถส่งไปที่ระยะใดๆจากที่เราต้องการ แต่อะตอมไฮโดรเจนทั้งหมดมีขนาดเดียวกัน ซึ่งไม่เพียงแต่หมายถึงว่าอิเลคตรอนต้องยึดไว้ที่บางระยะจากนิวเคลียสแล้วยังคิดได้ว่าระยะทางนี้เท่ากันหมดสำหรับทุกอะตอมไฮโดรเจนตลอดเวลา (นอกจากที่จะได้อภิปรายต่อไป ที่ตั้งใจให้อะตอมหนึ่งอยู่ในภาวะถูกกระตุ้น) เป็นอีกครั้งหนึ่งที่เราเห็นว่าอะตอมมีคุณสมบัติที่ไม่สามารถอธิบายโดยใช้มโนทัศน์ของฟิสิกส์คลาสสิก
เพื่อจะพิจารณาในเรื่องนี้ต่อไป ให้พิจารณาถึงว่าอะไรที่ทำให้เราเปลี่ยนขนาดของอะตอมได้ เช่นการเคลื่อนที่อิเลคตรอนไกลออกไปจากนิวเคลียส เป็นการเพิ่มพลังงานศักย์ไฟฟ้ามากขึ้น ซึ่งจะต้องได้มาจากบางที่ เราคงจะต้องใส่พลังงานเข้าไปในอะตอม เพื่อไม่ให้สับสนไปมากกว่านี้ ในการที่เข้าไปในรายละเอียดทางปฏิบัติ ให้ได้รับผลเช่นนั้นโดยผ่านการดิสชาร์ตไฟฟ้าผ่านแกสที่ประกอบด้วยอะตอม ถ้าเราทำเช่นนี้แล้ว จะพบว่าพลังงานจะถูกดูดกลืนเข้าไปและแล้วก็ปลดปล่อยออกมาในรูปของแสงหรือรูปแบบอื่นของการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เราจะเห็นการเกิดเช่นนี้เมื่อไรก็ตามที่เปิดสวิตช์ให้หลอดฟรูออเรสเซ็นต์ติดขึ้นมา เหมือนกับว่าเรากระตุ้นอะตอมให้อยู่ในภาวะตื่นตัว แล้วก็กลับเข้าสู่สถานะเดิมโดยการปลดปล่อยการแผ่รังสีออกมา มากกว่าที่จะเป็นตามที่เราได้ทำนายไว้ในกรณีของประจุตามวงโคจรแบบคลาสสิก อย่างไรก็ตามพบว่ามีความแตกต่างที่สำคัญสองประการในกรณีของอะตอม ประการแรกที่อภิปรายมาแล้วก็คือการจัดตัวสุดท้ายของอะตอมที่สอดคล้องกับอิเลคตรอนไปอยู่ที่บางระยะหนึ่งจากนิวเคลียส และสถานะนี้มักจะเหมือนกันสำหรับอะตอมชนิดเดียวกันทั้งหมด ข้อแตกต่างประการที่สองเกี่ยวพันธ์กับธรรมชาติของการแผ่รังสีที่ปลอดปล่อยออกมา การแผ่รังสีในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งจะอภิปรายกันในรายละเอียดในตอนต่อๆ ไป
ในตอนนี้เราต้องการรู้เฉพาะว่าคลื่นรังสีที่ปลดปล่อยออกมาเช่นนั้นมีคุณลักษณะความยาวคลื่นที่ตรงสีของแสง โดยทางคลาสสิกส์ อนุภาคที่เคลื่อนที่แบบควงสว่านก่อนชนนิวเคลียสควรจะปลดปล่อยแสงทุกสี แต่เมื่อตรวจสอบแสงที่ปลดปล่อยจากการดิสชาร์ตของอะตอม ซึ่งพบว่ามีเฉพาะสีที่ตรงกับความยาวคลื่นเฉพาะค่าหนึ่ง ในกรณีของไฮโดรเจนอะตอม ก่อให้เกิดรูปแบบอย่างง่ายอย่างมีเหตุผล และได้เป็นเรื่องหนังที่สำคัญในความพยายามครั้งแรกของควอนตัมฟิสิกส์ที่สามารถทำนายได้ค่อนข้างแม่นยำ แนวคิดใหม่อย่างหนึ่งที่เป็นรากฐานคือมโนทัศน์ที่ค่าที่เป็นไปได้ของพลังงานของอะตอมหนึ่งๆถูกจำกัดด้วยค่าเป็นหน่วยหนึ่ง (quanized values) ซึ่งรวมเอาค่าต่ำสุดของพลังงานที่ระดับพื้น (ground state) ซึ่งอิเลคตรอนยังคงอยู่ห่างจากนิวเคลียสที่ระยะหนึ่ง เมื่ออะตอมดูดกลืนพลังงาน และทำได้เช่นนั้นเฉพาะเมื่อค่าพลังงานไปอยู่ที่อีกระดับที่ยอมให้ได้ ในกรณีเช่นนี้กล่าวได้ว่าอะตอมอยู่ในภาวะถูกกระตุ้น(excited state) ด้วยอิเลคตรอนที่อยู่ห่างจากนิวเคลีสมากกว่าที่สถานะพื้น ทำตามหลักการนี้ อะตอมกลับเข้าสู่สถานะพื้นอีก(ground state) ขณะเดียวกันก็ปลดปล่อยการแผ่รังสีที่ความยาวคลื่นหากได้จากความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานะเริ่มแรกกับสถานะสุดท้าย
สังเกตได้ว่าปรากฏการณ์ตามที่กล่าวข้างบนนี้สามารถที่จะอธิบายได้โดยใช้ฟิสิกส์คลาสสิกส์ แต่สามารถที่จะเข้าใจได้ทั้งหมดโดยการใช้ฟิสิกส์ควอนตัมใหม่ และจะได้กล่าวถึงในตอนต่อๆไป
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น