Quantum Metropolis · Software für Quantenmechanik und komplexe Systeme

Software basierend auf der Störungstheorie und der Monte-Carlo-Berechnungsmethode. Werkzeug für die Arbeit im Labor, für die Forschung, für die Industrie und für das Bildungswesen. Anwendungen in Physik, Chemie und Ingenieurwissenschaften.


QNuclei Software

Diese Software ist ein System, mit dem Sie die Kernstruktur der verschiedenen Elemente des Periodensystems berechnen können. QNuclei ist ein Ab-initio-Programm (von den ersten Prinzipien), das Atomkerne mit dem Fermi-Gas-Modell simuliert. Laden Sie eine DEMO-Version herunter.


Handbuch QNuclei 3.0 Software (PDF)


Simulationsmodellierung · Quantensimulation · Quantensoftware · Quanten-Monte-Carlo


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QNuclei SOFTWARE. Neutronen im Borkern B (A=11, Z=5). Energie versus Kernradius im Fermi-Gas-Modell. Es werden Eigenwerte, Wellenfunktionen und das Quantentopfpotential für Neutronen gezeigt.

Quantenmechanik

Die Quantenmechanik ist der Zweig der Physik, der die Natur auf kleinen räumlichen Skalen, atomare und subatomare Systeme, ihre Wechselwirkungen mit elektromagnetischer Strahlung und anderen Kräften in Bezug auf beobachtbare Größen untersucht. Es basiert auf der Beobachtung, dass alle Energieformen in diskreten Einheiten oder Paketen, den sogenannten Quanten, freigesetzt werden. Diese Quanten haben die Eigenschaft, dass sie alle einer bestimmten Gruppe von Bosonen angehören, die jeweils mit einer fundamentalen Wechselwirkung verknüpft sind. (Bsp.: das Photon gehört zum Elektromagneten). Überraschenderweise erlaubt die Quantentheorie normalerweise nur probabilistische oder statistische Berechnungen der beobachteten Eigenschaften von Elementarteilchen, verstanden als Wellenfunktionen. Die Schrödinger-Gleichung spielt in der Quantenmechanik die Rolle, die die Newtonschen Gesetze und die Energieerhaltung in der klassischen Mechanik spielen. Das heißt, die Vorhersage des zukünftigen Verhaltens eines dynamischen Systems und es ist eine Wellengleichung in Form einer Wellenfunktion, die die genaue Wahrscheinlichkeit von Ereignissen oder Ergebnissen analytisch vorhersagt.

In früheren Theorien der klassischen Physik wurde Energie nur als kontinuierliches Phänomen behandelt, während angenommen wurde, dass Materie einen ganz bestimmten Raumbereich einnimmt und sich kontinuierlich bewegt. Gemäß der Quantentheorie wird Energie in winzigen, diskreten Mengen abgegeben und absorbiert. Ein einzelnes Energiebündel, Quant genannt, verhält sich in manchen Situationen wie ein Materieteilchen. Andererseits wurde festgestellt, dass die Partikel in Bewegung gewisse Welleneigenschaften aufweisen und nicht mehr als in einem bestimmten Bereich lokalisiert, sondern eher gespreizt wahrgenommen werden. Das von einem Atom emittierte oder absorbierte Licht oder andere Strahlung hat nur bestimmte Frequenzen (oder Wellenlängen), wie aus der Spektrallinie ersichtlich ist, die dem durch dieses Atom repräsentierten chemischen Element zugeordnet ist. Die Quantentheorie zeigt, dass solche Frequenzen bestimmten Niveaus von Lichtquanten oder Photonen entsprechen und das Ergebnis der Tatsache sind, dass die Elektronen des Atoms nur bestimmte erlaubte Energiewerte haben können. Wenn ein Elektron von einem erlaubten Niveau auf ein anderes übergeht, wird eine Energiemenge emittiert oder absorbiert, deren Frequenz direkt proportional zum Energieunterschied zwischen den beiden Niveaus ist.

Die Quantenmechanik tauchte zu Beginn des 20. Jahrhunderts zaghaft in den tiefsten Traditionen der Physik auf, um eine Lösung für Probleme zu liefern, für die die bisher bekannten Theorien ihre Erklärungsfähigkeit erschöpft hatten, wie zum Beispiel die sogenannte Ultraviolett-Katastrophe bei der Strahlung schwarzer Körper vorhergesagt durch die klassische statistische Physik und die Instabilität von Atomen in Rutherfords Atommodell. Der erste Vorschlag eines richtigen Quantenprinzips geht auf Max Planck im Jahr 1900 zurück, um das Problem der Schwarzkörperstrahlung zu lösen, das hart in Frage gestellt wurde, bis Albert Einstein es in das Prinzip umwandelte, das den photoelektrischen Effekt erfolgreich erklären kann. Die ersten vollständigen mathematischen Formulierungen der Quantenmechanik werden erst Mitte der 1920er Jahre erreicht, ohne dass bis heute eine konsequente Interpretation der Theorie, insbesondere des Messproblems, erfolgt.

Der Formalismus der Quantenmechanik wurde in den 1920er Jahren entwickelt. 1924 schlug Louis de Broglie vor, dass genauso wie Lichtwellen Teilcheneigenschaften aufweisen, wie beim photoelektrischen Effekt, Teilchen auch Welleneigenschaften aufweisen. Nach dem Vorschlag von de Broglie entstanden zwei verschiedene Formulierungen der Quantenmechanik. Die Wellenmechanik von Erwin Schrödinger aus dem Jahr 1926 verwendet eine mathematische Größe, die Wellenfunktion, die sich auf die Wahrscheinlichkeit bezieht, ein Teilchen an einem bestimmten Punkt im Raum zu finden. 1925 erwähnt Werner Heisenbergs Matrizenmechanik keine Wellenfunktionen oder ähnliche Konzepte, hat sich aber als mathematisch äquivalent zu Schrödingers Theorie erwiesen. Eine wichtige Entdeckung der Quantentheorie ist die von Heisenberg 1927 formulierte Unschärferelation, die der Genauigkeit bestimmter Messungen eine absolute theoretische Grenze setzt. Als Ergebnis die klassische Annahme von Wissenschaftlern.

Historischer Kontext

Die Quantenmechanik ist, chronologisch gesehen, der letzte der großen Zweige der Physik. Sie wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts formuliert, fast zeitgleich mit der Relativitätstheorie, obwohl der Großteil der Quantenmechanik nach 1920 entwickelt wurde (mit der speziellen Relativitätstheorie von 1905 und der allgemeinen Relativitätstheorie von 1915). .

Neben dem Aufkommen der Quantenmechanik gab es mehrere ungelöste Probleme in der klassischen Elektrodynamik. Das erste dieser Probleme war die Emission von Strahlung von jedem Objekt im Gleichgewicht, die sogenannte Wärmestrahlung, die von der mikroskopischen Schwingung der Partikel herrührt, aus denen sie besteht. Mit den Gleichungen der klassischen Elektrodynamik ging die von dieser Wärmestrahlung abgegebene Energie gegen unendlich, wenn man alle vom Objekt abgegebenen Frequenzen addiert, mit einem für Physiker unlogischen Ergebnis. Auch die Stabilität von Atomen konnte nicht durch den klassischen Elektromagnetismus erklärt werden, und die Vorstellung, dass das Elektron entweder ein klassisches Punktteilchen oder eine kugelförmige Hülle mit endlichen Dimensionen war, war für diese SUS gleichermaßen problematisch.

Elektromagnetische Strahlung

Das Problem der elektromagnetischen Strahlung eines schwarzen Körpers war eines der ersten Probleme, die in der Quantenmechanik gelöst wurden. In der statistischen Mechanik tauchten 1900 erstmals Quantenideen auf. Der deutsche Physiker Max Planck hatte einen mathematischen Trick: Wenn im Rechenverfahren das Integral dieser Frequenzen durch eine unstetige Summe (diskret) ersetzt wurde, war Unendlich nein dadurch länger erhalten, wodurch das Problem beseitigt wurde; außerdem stimmte das erhaltene Ergebnis mit dem überein, was später gemessen wurde.

Es war Max Planck, der dann die Hypothese aufstellte, dass elektromagnetische Strahlung von Materie in Form von „Lichtquanten“ oder Energiephotonen absorbiert und emittiert wird, quantisiert durch Einführung einer statistischen Konstante, die Plancksche Konstante genannt wurde. Seine Geschichte reicht bis ins 20. Jahrhundert zurück, da die erste Quantenformulierung eines Phänomens von Planck selbst am 14. Dezember 1900 in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft der Berliner Akademie der Wissenschaften bekannt gegeben wurde.

Plancks Idee wäre viele Jahre nur eine unbestätigte Hypothese geblieben, wenn Albert Einstein sie nicht wieder aufgegriffen hätte, indem er in seiner Erklärung des photoelektrischen Effekts postulierte, dass sich Licht unter Umständen wie Energieteilchen (Lichtquanten oder Photonen) verhält. Es war Albert Einstein, der 1905 die entsprechenden Bewegungsgesetze für seine spezielle Relativitätstheorie vervollständigte und zeigte, dass der Elektromagnetismus eine im Wesentlichen nicht-mechanische Theorie war. So kulminierte das, was man klassische Physik genannt hat, das heißt Nicht-Quantenphysik.

Er nutzte diesen von ihm als "Heuristik" bezeichneten Standpunkt, um seine Theorie des photoelektrischen Effekts zu entwickeln, und veröffentlichte diese Hypothese 1905, die ihm 1921 den Nobelpreis für Physik einbrachte. Diese Hypothese wurde auch angewendet, um eine Theorie darüber vorzuschlagen wärmespezifisch, dh derjenige, der die Wärmemenge löst, die erforderlich ist, um die Temperatur einer Masseneinheit eines Körpers um eine Einheit zu erhöhen.

Der nächste wichtige Schritt wurde um 1925 unternommen, als Louis De Broglie vorschlug, dass jedes materielle Teilchen eine zugeordnete Wellenlänge hat, die umgekehrt proportional zu seiner Masse und seiner Geschwindigkeit ist. Damit war die Welle/Materie-Dualität etabliert. Kurz darauf formulierte Erwin Schrödinger eine Bewegungsgleichung für „Materiewellen“, deren Existenz de Broglie vorgeschlagen und verschiedene Experimente als real nahegelegt hatte.

Die Quantenmechanik führt eine Reihe kontraintuitiver Tatsachen ein, die in früheren physikalischen Paradigmen nicht auftauchten; Damit wird entdeckt, dass sich die atomare Welt nicht so verhält, wie wir es erwarten würden. Hier werden erstmals die Begriffe Unsicherheit oder Quantisierung eingeführt. Darüber hinaus ist die Quantenmechanik die wissenschaftliche Theorie, die bisher die genauesten experimentellen Vorhersagen geliefert hat, obwohl sie Wahrscheinlichkeiten unterliegt.

Instabilität klassischer Atome

Das zweite wichtige Problem, das die Quantenmechanik durch das Bohr-Modell löste, war das der Stabilität von Atomen. Nach der klassischen Theorie sollte ein Elektron, das einen positiv geladenen Kern umkreist, elektromagnetische Energie aussenden und so an Geschwindigkeit verlieren, bis es auf den Kern fällt. Der empirische Beweis war, dass dies nicht geschah, und es wäre die Quantenmechanik, die diese Tatsache lösen würde, zuerst durch Ad-hoc-Postulate, die von Bohr formuliert wurden, und später durch Modelle wie das Atommodell von Schrödinger, die auf allgemeineren Annahmen beruhen. Das Scheitern des klassischen Modells wird weiter unten erklärt.

Die Quantenmechanik führt eine Reihe kontraintuitiver Tatsachen ein, die in früheren physikalischen Paradigmen nicht auftauchten; Damit wird entdeckt, dass sich die atomare Welt nicht so verhält, wie wir es erwarten würden. Hier werden erstmals die Begriffe Unsicherheit oder Quantisierung eingeführt. Darüber hinaus ist die Quantenmechanik die wissenschaftliche Theorie, die bisher die genauesten experimentellen Vorhersagen geliefert hat, obwohl sie Wahrscheinlichkeiten unterliegt.

Diese Inkompatibilität zwischen den Vorhersagen des klassischen Modells und der beobachteten Realität führte zur Suche nach einem Modell, das das Atom phänomenologisch erklären würde. Bohrs Atommodell war ein vorläufiges und phänomenologisches Modell, das zwar auf heuristische Weise einige Daten zufriedenstellend erklärte, wie die Größenordnung des Atomradius und die Absorptionsspektren des Atoms, aber es erklärte nicht, wie es möglich war, dass das Elektron emittiert keine Strahlung durch Energieverlust. Die Suche nach einem geeigneteren Modell führte zur Formulierung des Schrödinger-Atommodells, in dem bewiesen werden kann, dass der Erwartungswert der Beschleunigung null ist, und auf dieser Grundlage gesagt werden kann, dass die emittierte elektromagnetische Energie ebenfalls null sein sollte. Im Gegensatz zum Bohr-Modell ist die Schrödinger-Quantendarstellung jedoch intuitiv schwer zu verstehen.

Historische Entwicklung

Die Quantentheorie wurde in ihrer Grundform in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt. Die Tatsache, dass Energie diskret ausgetauscht wird, wurde durch experimentelle Tatsachen wie die folgenden hervorgehoben, die mit den bisherigen theoretischen Werkzeugen der klassischen Mechanik oder Elektrodynamik nicht erklärbar waren:

1) Spektrum der Schwarzkörperstrahlung, gelöst von Max Planck mit Energiequantisierung. Es stellte sich heraus, dass die Gesamtenergie des schwarzen Körpers eher diskrete als kontinuierliche Werte annahm. Dieses Phänomen nannte man Quantisierung, und die kleinstmöglichen Abstände zwischen diskreten Werten nennt man Quanten (Singular: Quantum, vom lateinischen Wort für „Menge“, daher der Name Quantenmechanik). Die Größe eines Quants ist ein fester Wert, der als Plancksche Konstante bezeichnet wird, und ist gleich: 6,626 × 10-34 J·s.

2) Unter bestimmten experimentellen Bedingungen zeigen mikroskopische Objekte wie Atome oder Elektronen ein wellenartiges Verhalten, wie bei einer Interferenz. Unter anderen Bedingungen zeigen die gleichen Arten von Objekten korpuskuläres Verhalten ("Teilchen" bedeutet ein Objekt, das in einem bestimmten Bereich des Raums lokalisiert werden kann), wie bei der Teilchenstreuung. Dieses Phänomen ist als Welle-Teilchen-Dualismus bekannt.

3) Die physikalischen Eigenschaften von Objekten mit zugehörigen Geschichten können in einem von jeder klassischen Theorie verbotenen Ausmaß korreliert werden, sie können nur genau beschrieben werden, indem auf beide gleichzeitig Bezug genommen wird. Dieses Phänomen wird Quantenverschränkung genannt und die Bellsche Ungleichung beschreibt den Unterschied zur gewöhnlichen Korrelation. Messungen von Verletzungen der Bellschen Ungleichung gehörten zu den größten Kontrollen der Quantenmechanik.

4) Erklärung des photoelektrischen Effekts, gegeben von Albert Einstein, in dem diese "mysteriöse" Notwendigkeit, Energie zu quantisieren, wieder auftauchte.

5) Compton-Effekt.

Die formale Entwicklung der Theorie war das Werk der gemeinsamen Anstrengungen verschiedener Physiker und Mathematiker der damaligen Zeit, darunter unter anderem Schrödinger, Heisenberg, Einstein, Dirac, Bohr und von Neumann (die Liste ist lang). Einige der grundlegenden Aspekte der Theorie werden noch aktiv untersucht. Die Quantenmechanik wurde auch als zugrunde liegende Theorie für viele Bereiche der Physik und Chemie übernommen, einschließlich der Physik der kondensierten Materie, der Quantenchemie und der Teilchenphysik.

Die Ursprungsregion der Quantenmechanik lässt sich in Mitteleuropa, in Deutschland und Österreich, und im historischen Kontext des ersten Drittels des 20. Jahrhunderts verorten.

Wichtigste Annahmen

Die wichtigsten Annahmen dieser Theorie sind die folgenden:

1) Da es unmöglich ist, sowohl den Ort als auch den Impuls eines Teilchens festzulegen, wird auf das in der klassischen Mechanik lebenswichtige Konzept der Flugbahn verzichtet. Stattdessen kann die Bewegung eines Teilchens durch eine mathematische Funktion erklärt werden, die jedem Punkt im Raum und zu jedem Zeitpunkt die Wahrscheinlichkeit zuordnet, dass sich das beschriebene Teilchen zu diesem Zeitpunkt an dieser Position befindet (zumindest in der Interpretation der meisten übliche Quantenmechanik, die probabilistische oder Kopenhagener Interpretation). Aus dieser Funktion bzw. Wellenfunktion werden theoretisch alle Größen der notwendigen Bewegung extrahiert.

2) Es gibt zwei Arten der Zeitentwicklung, wenn keine Messung stattfindet, entwickelt sich der Zustand des Systems oder der Wellenfunktion gemäß der Schrödinger-Gleichung, wird jedoch eine Messung am System durchgeführt, erfährt es einen "Quantensprung" in Richtung a Zustand, der mit den Werten des erhaltenen Maßes kompatibel ist (formal wird der neue Zustand eine orthogonale Projektion des ursprünglichen Zustands sein).

3) Es gibt bemerkenswerte Unterschiede zwischen gebundenen Zuständen und solchen, die es nicht sind.

4) Energie wird in einem gebundenen Zustand nicht kontinuierlich ausgetauscht, sondern eher diskret, was die Existenz von minimalen Energiepaketen impliziert, die Quanten genannt werden, während sich die Energie in ungebundenen Zuständen wie ein Kontinuum verhält.

Geschichte der Quantenmechanik

Niels Bohrs 1913 entwickeltes Quantenmodell des Atoms, das eine Erklärung in die Formel von Johannes Robert Rydberg von 1888 integrierte; Max Plancks Quantenhypothese von 1900, dass Atomenergiestrahler diskrete Energiewerte haben, J. J. Thomsons Modell von 1904, Albert Einsteins Quantenlichtpostulat von 1905 und die Entdeckung des Atomkernpositivs von 1907 durch Ernest Rutherford.

Die mit der Geschichte der Quantenchemie verflochtene Geschichte der Quantenmechanik beginnt im Wesentlichen mit der Entdeckung der Kathodenstrahlen durch Michael Faraday im Jahr 1838, der Einführung des Begriffs Schwarzer Körper durch Gustav Kirchhoff im Winter 1859-1860, dem Vorschlag von Ludwig Boltzmann 1877 über die Diskretisierung der Energiezustände eines physikalischen Systems und Max Plancks Quantenhypothese von 1900, die besagte, dass jedes atomare Energiestrahlungssystem theoretisch in eine Reihe diskreter Energieelemente unterteilt werden könnte, so dass jedes dieser Energieelemente war proportional zur Frequenz, mit der jeder von ihnen individuell Energie abstrahlen könnte. So postulierte Albert Einstein 1905 zur Erklärung des photoelektrischen Effekts (1839), also der Tatsache, dass Licht, das bestimmte Stoffe beleuchtet, Elektronen aus dem Stoff heraustreiben kann, auf der Grundlage der Planckschen Quantenhypothese, dass Licht selbst aus einzelnen Quantenteilchen zusammengesetzt ist, die später Photonen genannt wurden (1926). Der Ausdruck „Quantenmechanik“ wurde erstmals in Max Borns Aufsatz „Zur Quantenmechanik“ verwendet. In den folgenden Jahren wurde diese theoretische Grundlage langsam auf chemische Strukturen, Reaktionen und Bindungen übertragen.

[Geschichte]

1900 führte der deutsche Physiker Max Planck die Idee der Quantisierung von Energie ein, um eine Formel für die beobachtete Frequenzabhängigkeit der von einem schwarzen Körper emittierten Energie abzuleiten. 1905 erklärte Einstein den photoelektrischen Effekt mit einem Postulat, dass sich Licht, genauer gesagt alle elektromagnetischen Strahlungen, in eine endliche Anzahl von „Energiequanten“ zerlegen lässt, die als Punkte im Raum liegen.

Wenn sich ein Lichtstrahl von einem Punkt aus ausbreitet, verteilt sich nach den einzubauenden Annahmen die Energie nicht kontinuierlich über immer größer werdende Räume, sondern setzt sich aus einer endlichen Anzahl von Energiequanten zusammen, die an Punkten im Raum lokalisiert sind, sich ohne Teilung bewegen und nur als Ganzes aufgenommen oder erzeugt werden können. »
- Albert Einstein

Diese Aussage wurde als die revolutionärste Aussage eines Physikers im 20. Jahrhundert bezeichnet. Diese Energiequanten wurden später Photonen genannt, ein Begriff, der 1926 von Gilbert N. Lewis eingeführt wurde. Die Idee, dass jedes Photon aus Energie in Form von Quanten bestehen sollte, war ein bemerkenswerter Erfolg, da es effektiv die Möglichkeit ausschloss, dass Strahlung von einem Schwarz Körper erreichte unendliche Energie, was nur in Form von Wellenformen erklärt wurde. 1913 erklärte Bohr in seiner im Juli 1913 veröffentlichten Arbeit On the Constitution of Atoms and Molecules die Spektrallinien des Wasserstoffatoms, wiederum unter Verwendung von Quantisierung.

Diese Theorien, wie erfolgreich sie auch sein mögen, waren streng phänomenologisch: Es gibt keine strenge Rechtfertigung für die Quantisierung (abgesehen vielleicht von Henri Poincarés Diskussion der Planckschen Theorie in seiner Arbeit von 1912, Sur la théorie des cuanta (Über die Quantentheorie). )). Sie sind weltweit als die alte Quantentheorie bekannt.

Der Ausdruck "Quantenphysik" wurde erstmals 1931 in Johnstons Planck's Universe in Light of Modern Physics verwendet.
1924 stellte der französische Physiker Louis-Victor de Broglie seine Theorie der Materiewellen vor, die darauf hinwies, dass Teilchen Welleneigenschaften aufweisen können und umgekehrt. Diese Theorie galt für ein einzelnes Teilchen und wurde aus der speziellen Relativitätstheorie abgeleitet. Aufbauend auf dem Ansatz von de Broglie wurde die moderne Quantenmechanik 1925 geboren, als die deutschen Physiker Werner Heisenberg und Max Born die Matrizenmechanik entwickelten und der österreichische Physiker Erwin Schrödinger die Wellenmechanik und die nichtrelativistische Schrödinger-Gleichung als Näherung erfand. zum verallgemeinerten Fall der De-Broglie-Theorie. Schrödinger zeigte später, dass beide Ansätze gleichwertig waren.

Heisenberg formulierte seine Unbestimmtheitsrelation im Jahr 1927, und die Kopenhagener Deutung nimmt etwa zur gleichen Zeit Gestalt an. Ab 1927 beginnt Paul Dirac den Prozess der Vereinigung der Quantenmechanik mit der speziellen Relativitätstheorie, indem er die Dirac-Gleichung für das Elektron vorschlägt. Die Dirac-Gleichung kommt zu der relativistischen Beschreibung der Wellenfunktion eines Elektrons, die Schrödinger nicht erreichen konnte. Es sagt den Elektronenspin voraus und hilft, die Existenz des Positrons vorherzusagen. Er leistete auch Pionierarbeit bei der Verwendung der Operatortheorie, einschließlich der einflussreichen Coro-Chete-Notation, die in seinem berühmten Buch von 1930 beschrieben wurde. Zur gleichen Zeit formulierte der ungarische Mathematiker John von Neumann die strenge mathematische Grundlage für die Quantenmechanik der Theorie linearer Operatoren auf Hilbert-Räumen, die in seinem ebenso berühmten Buch von 1932 beschrieben wurde. Diese sind, wie viele andere Werke aus der Gründerzeit, noch erhalten und weit verbreitet.

Die Physiker Walter Heitler und Fritz London waren Pioniere auf dem Gebiet der Quantenchemie und veröffentlichten 1927 eine Studie über die kovalenten Bindungen des Wasserstoffmoleküls. Die Quantenchemie wurde von einer großen Anzahl von Wissenschaftlern weiterentwickelt, darunter der theoretische Chemiker, Amerikaner von Cal Tech, Linus Pauling, und John C. Slater in verschiedenen Theorien wie der Molekülorbitaltheorie oder der Valenztheorie.

Ab 1927 wurden Versuche unternommen, die Quantenmechanik auf Felder anstatt auf einfache Teilchen anzuwenden, was zu den sogenannten Quantenfeldtheorien führte. Die ersten, die in diesem Bereich tätig waren, waren Dirac, Pauli, Weisskopf und Jordan. Dieses Forschungsgebiet gipfelte in den 1940er Jahren in der Formulierung der Quantenelektrodynamik durch Feynman, Dyson, Schwinger und Tomonaga. Die Quantenelektrodynamik ist eine Quantentheorie der Elektronen, Positronen und des elektromagnetischen Feldes und diente als Modell für spätere Quantenfeldtheorien. Die Theorie der Quantenchromodynamik wurde in den frühen 1960er Jahren formuliert. Die Theorie, wie wir sie heute kennen, wurde 1975 von Politzer, Gross und Wilczek formuliert. Aufbauend auf der Pionierarbeit von Schwinger, Higgs, Goldstone, Glashow, Weinberg und Salam zeigten sie unabhängig voneinander, wie die quantenelektrodynamische schwache Kernkraft koaleszieren könnte in eine einzige elektroschwache Kraft.

Chronologie

Die folgende Tabelle zeigt die Schritte und Schlüsselpersonen in der Entwicklung der Quantenmechanik und Quantenchemie:

1771 stellte Luigi Galvani fest, dass sich die Muskeln toter Frösche leicht bewegten, als er sie mit einem elektrischen Entladungsgerät schlug, was er als „tierische Elektrizität“ bezeichnete.

1800 Alessandro Volta erfindet die voltaische Zelle oder Batterie, speziell um Galvanis Theorie der tierischen Elektrizität zu widerlegen.

1838 Michael Faraday entdeckte mit Voltas Batterie Kathodenstrahlen, als er während eines Experiments durch eine mit verdünnter Luft gefüllte Glasröhre lief und einen seltsamen Lichtbogen bemerkte, der an der Anode (positive Elektrode) begann und an der Kathode (negative Elektrode) endete.

1852 Edward Frankland Initiierte die Valenztheorie und schlug vor, dass jedes Element eine spezifische „Kombination von Kräften“ sei. Zum Beispiel neigen einige Elemente wie Stickstoff dazu, sich mit drei anderen Elementen zu verbinden, während andere dazu neigen, sich mit fünf zu verbinden, wobei jedes Element Schwierigkeiten hat, seine Quote an Kombinationskraft (Valenz) zu erfüllen, um ihre Affinitäten zu befriedigen.

1859 Gustav Kirchhoff Formulieren Sie das „Schwarzkörperproblem“: Wie hängt die Intensität der von einem Schwarzen Körper abgegebenen elektromagnetischen Strahlung von der Frequenz der Strahlung und der Temperatur des Körpers ab?

1877 Ludwig Boltzmann schlug vor, dass die Energiezustände eines physikalischen Systems diskret sein sollten.

1879 William Crookes zeigte, dass Kathodenstrahlen (1938) im Gegensatz zu Lichtstrahlen in einem Magnetfeld gebogen werden können.

1885 entdeckte Johann Jakob Balmer, dass sich die vier sichtbaren Linien des Wasserstoffspektrums in ihrer Gesamtheit einer Reihe zuordnen lassen.

1888 Johannes Robert Rydberg modifizierte Balmers Formel, um die andere Reihe von Linien einzubeziehen, um Rydbergs Formel zu produzieren.

1891 Alfred Werner schlug eine Theorie der Affinität und Valenz vor, in der Affinität eine Emission anziehender Kraft aus dem Zentrum des Atoms ist, die von dort aus gleichmäßig auf alle Teile der Kugeloberfläche des Zentralatoms wirkt.

1892 Heinrich Rudolf Hertz zeigte, dass Kathodenstrahlen (1838) dünne Goldfolien durchdringen und eine beträchtliche Leuchtkraft von Kristallen dahinter erzeugen können.

1896 Henri Becquerel entdeckte „Radioaktivität“, einen Prozess, bei dem bestimmte Elemente oder Isotope aufgrund des Kernzerfalls spontan eine von drei energetischen Einheiten abgeben: Alpha-Teilchen (positive Ladung), Beta-Teilchen (negative Ladung) und Gamma-Teilchen (neutrale Ladung).

1897 Joseph John Thomson zeigte, dass Kathodenstrahlen (1838) sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes und eines Magnetfeldes biegen, und um dies zu erklären, schlug er vor, dass Kathodenstrahlen negativ geladene elektrische subatomare Teilchen oder "Körperchen" (Elektronen) sind, die aus dem Atom gezogen werden , und schlug 1904 das "Pflaumenpudding" -Modell vor, bei dem Atome eine positiv geladene amorphe Masse (Pudding) als eingebetteten Körper mit negativ geladenen Elektronen (Pflaumen) haben, die in Form von nicht zufällig rotierenden Ringen überall verstreut sind.

1900 Max Planck Zur Erklärung der Schwarzkörperstrahlung schlug er vor, dass elektromagnetische Energie nur in quantisierter Form emittiert werden könne, das heißt, die Energie könne nur ein Vielfaches einer Elementareinheit sein.

1902 Gilbert N. Lewis Um die Oktettregel (1893) zu erklären, entwickelte er die kubische Atomtheorie, in der sich Elektronen in Form von Punkten an den Ecken eines Würfels befinden, und schlug vor, dass Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen auftreten, wenn zwei Atome werden durch mehrere Elektronenpaare (ein Paar für jede Bindung) zusammengehalten, die sich zwischen den beiden Atomen befinden (1916).

1904 Richard Abegg bemerkte die Existenz eines Musters zwischen der numerischen Differenz der maximalen positiven Wertigkeit und der maximalen negativen Wertigkeit eines Elements, das tendenziell acht ist (Abegg-Regel).

1905 Albert Einstein Zur Erklärung des photoelektrischen Effekts, also der Emission von Elektronen durch ein Material bei Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, postulierte er, dass Licht aus einzelnen Quantenteilchen (Photonen) aufgebaut ist, basierend auf der Quantenhypothese von Planck (1900) .

1907 Ernest Rutherford Um das Plumpudding-Modell (1904) zu testen, schoss er Alphateilchen (positiv geladen) in Goldfolie und bemerkte, dass einige von ihnen umkippten, was zeigte, dass Atome einen kleinen positiv geladenen Atomkern in ihrem Kern haben.

1913 Niels Bohr Um Rydbergs Formel (1888) zu erklären, die das Lichtemissionsspektrum des Wasserstoffatoms korrekt modelliert, stellte er die Hypothese auf, dass negativ geladene Elektronen in bestimmten „Quanten“-Abständen um einen positiv geladenen Kern kreisen. "fest" und dass jede dieser "kugelförmigen Umlaufbahnen" eine spezifische Energie hat, die damit verbunden ist, so dass Bewegungen von Elektronen zwischen den Umlaufbahnen "Quanten" -Emissionen oder -Absorptionen von Energie erfordern.

1916 Arnold Sommerfeld Um den Zeeman-Effekt zu beschreiben, dh dass sich die Spektrallinien der atomaren Absorption oder Emission ändern, wenn Licht zum ersten Mal durch ein Magnetfeld scheint, schlug er vor, dass es in Atomen neben Kugeln auch "Ellipsen" geben könnte.

1919 Irving Langmuir Aufbauend auf den Arbeiten von Lewis (1916) prägte er den Begriff „Kovalenz“ und postulierte, dass Koordinationsbindungen entstehen, wenn ein Elektronenpaar vom selben Atom stammt.

1922 Stern und Gerlach Das Stern-Gerlach-Experiment erfasst diskrete Werte des Drehimpulses für Atome im Grundzustand, die ein inhomogenes Magnetfeld passieren, was zur Entdeckung des Elektronenspins führt.

1923 Louis-Victor de Broglie Postuliert, dass sich bewegende Elektronen Wellenlängen zugeordnet sind, die durch die Plancksche Konstante geteilt durch den Impuls des Elektrons gegeben sind.

1925 fasst Friedrich Hund die „Regel der maximalen Multiplizität“ zusammen, die besagt, dass wenn Elektronen nacheinander zu einem Atom so viele Ebenen oder Umlaufbahnen hinzugefügt werden, sie vor jeder Paarung von Elektronen im Gegensatz zum 'Spin' separat besetzt werden, und macht die Unterscheidung, dass die inneren Elektronen in den Molekülen verbleiben in den Atomorbitalen und es werden nur die Valenzelektronen benötigt, da sie sich in den umhüllten Molekülorbitalen in beiden Kernen befinden.

1925 Wolfgang Pauli Fassen Sie das „Pauli-Ausschlussprinzip“ zusammen, das besagt, dass zwei identische Fermionen nicht gleichzeitig denselben Quantenzustand einnehmen können.

1926 Erwin Schrödinger Unter Verwendung des Postulats der Elektronenwellen von de Broglie (1924) entwickelte er eine "Wellengleichung", die mathematisch die Verteilung einer im Raum verteilten Elektronenladung darstellt, die kugelsymmetrisch oder in bestimmte Richtungen, dh auf die Valenz gerichtet, ausgeprägt ist Bindungen, die den korrekten Wert für die Spektrallinien des Wasserstoffatoms lieferten.

1927 Walter Heitler verwendete die Schrödinger-Wellengleichung (1926), um zu zeigen, wie sich zwei Wasserstoffatome in Wellenfunktion mit Plus-, Minus- und Austauschtermen zu einer kovalenten Bindung verbinden.

1927 Robert S. Mulliken 1927 arbeitete Mulliken mit Hund an der Entwicklung einer Molekülorbitaltheorie, in der Elektronen Zuständen zugeordnet werden, die sich über das gesamte Molekül erstrecken, und führte 1932 viele neue Molekülorbital-Terminologien ein, wie z. B. Sigma- und Delta-Bindung.

1928 Linus Pauling Fassen Sie die Natur der chemischen Bindung zusammen, indem Sie Heitlers (1927) quantenmechanisches Modell der kovalenten Bindung verwenden, um die quantenmechanische Grundlage für alle Arten von molekularen Strukturen und Bindungen zu legen, und schlagen Sie vor, dass verschiedene Arten von Bindungen in Molekülen aufeinander abgestimmt werden können durch die schnelle Verschiebung von Elektronen, ein Prozess, der "Resonanz" (1931) genannt wird, wie Hybridresonanzen, die Beiträge von verschiedenen möglichen Elektronenkonfigurationen enthalten.

1929 John Lennard-Jones führt eine linear kombinierende Approximation von Atomorbitalen zur Berechnung von Molekülorbitalen ein.

1932 Werner Heisenberg wandte die Störungstheorie auf das Beide-Elektronen-Problem an und zeigte, wie Resonanzableitungen des Elektronenaustauschs die Austauschwechselwirkung erklären könnten. 1938 Charles Coulson Führte die erste genaue Berechnung einer Molekülorbitalwellenfunktion für das Wasserstoffmolekül durch.

1951 Roothaan und Hall erhielten die Roothaan-Hall-Gleichungen und stellten rigorose Molekülorbitalmethoden auf eine solide Grundlage.



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QNuclei SOFTWARE. Aktiniumkern Ac Z=89. Neutronenwahrscheinlichkeitsdichte (1,1). Metropolis-Algorithmus.


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QNuclei SOFTWARE. Aluminiumkern Al Z=13. Neutronenwahrscheinlichkeitsdichte (1,2).


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QNuclei SOFTWARE. Americiumkern Am Z=95. Neutronenenergieniveaus (3D).


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QNuclei SOFTWARE. Argonkern Ar Z=18. Neutronenwellenfunktionen (1D).


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QNuclei SOFTWARE. Arsenkern As Z=33 Neutronenenergieniveaus.



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QNuclei SOFTWARE. Aktiniumkern Ac Z=89. Protonenniveaus (3D).



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QNuclei SOFTWARE. Aluminiumkern Al Z=13. Neutronen- und Protonenniveaus (3D).



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QNuclei SOFTWARE. Americiumkern Am Z=95. Neutron (1,1)-Funktion, Metropolis-Algorithmus.



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QNuclei SOFTWARE. Argonkern Ar Z=18. Neutronenwellenfunktion (3D). (1,3) Zustands- und Metropolis-Algorithmus.



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QNuclei SOFTWARE. Arsenkern As Z=33.Neutronenwellenfunktion (1D).



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QNuclei SOFTWARE. Aktiniumkern Ac Z=89. Protonenwahrscheinlichkeitsdichte (7,7). Metropolis-Algorithmus.


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QNuclei SOFTWARE. Aluminiumkern Al Z=13. Protonenwahrscheinlichkeitsdichte (7,7). Metropolis-Algorithmus.


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QNuclei SOFTWARE. Americiumkern Am Z=95. Protonenwahrscheinlichkeitsdichte (7,2). Metropolis-Algorithmus.


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QNuclei SOFTWARE. Argonkern Ar Z=18. Protonenwahrscheinlichkeitsdichte (7,1). Metropolis-Algorithmus.


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QNuclei SOFTWARE. Arsenkern Als Z=33. Protonenwahrscheinlichkeitsdichte (2,1). Metropolis-Algorithmus.



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QNuclei SOFTWARE. Aktiniumkern Ac Z=89. Protonenwahrscheinlichkeitsdichte (7,7). Metropolis-Algorithmus.



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QNuclei SOFTWARE. Aluminiumkern Al Z=13. Protonenwahrscheinlichkeitsdichte (7,7). Metropolis-Algorithmus.



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QNuclei SOFTWARE. Americiumkern Am Z=95. Protonenwahrscheinlichkeitsdichte (5,3). Metropolis-Algorithmus.



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QNuclei SOFTWARE. Argonkern Ar Z=18. Protonenwahrscheinlichkeitsdichte (7,1). Metropolis-Algorithmus.



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QNuclei SOFTWARE. Arsenkern Als Z=33. Protonenwahrscheinlichkeitsdichte (2,1). Metropolis-Algorithmus.


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