13.กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics)

19.12    กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum  Mechanics)

1. Quantum  Mechanics  เป็นวิชาสำหรับอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆในระดับอนุภาคที่มีขนาดเล็ก ๆ เท่ากับอะตอม เช่น  การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน เพราะกฏของนิวตันไม่สามารถให้รายละเอียดได้

2. Quantum  Mechanics  เป็นศาสตร์ของ Matter  Waves  ที่ให้หลักสมบูรณ์ในการศึกษาเรื่องอะตอมในปัจจุบัน

3. Quantum  Mechanics  จะกล่าวถึงโอกาสที่จะเป็นไปได้  ในการที่จะบอกว่า อิเล็กตรอนอยู่ที่ไหน  หรือจะพบได้ที่ไหน ที่บริเวณหนึ่ง ๆ

4. ในการคิดค้นกลศาสตร์ควอนตัม โซรดิงเจอร์ (Evwin  Schrodinger)  นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย  ได้คิดสมการของคลื่น โดยอาศัยหลักการของ  de  Broglie  โดยใช้เทอมความยาวช่วงคลื่นของ ( =) ซึ่งสมการนี้เรียกว่า  Schrodinger  Equation  สมการของโซรดิงเจอร์  มีความสำคัญในการอธิบายการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอะตอม  โมเลกุลและในผลึก ได้อย่างถูกต้องและสามารถพิสูจน์ได้ว่าระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม ไม่ต่อเนื่องกัน

19.12.1   หลักความไม่แน่นอนและโอกาสที่จะเป็นไปได้ (Uncertainty  Principle)

1. ในการพิจารณาอิเล็กตรอน ตามหลักทวิภาพของคลื่นและอนุภาคพบว่า  ถ้าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาค เราคิดถึงอนุภาคในลักษณะที่มีขนาดแน่นอนและขนาดเล็กมาก ถ้าคิดว่าอิเล็กตรอนเป็นคลื่น  ขนาดและตำแหน่งของคลื่นย่อมกระจายอยู่ในอาณาเขตอันหนึ่ง แต่ไม่สามารถบอกได้ชัดว่าอยู่ที่ใด

2. ในการศึกษา Quantum  Mechanics ไฮเซนเบอร์กได้ตั้งหลัก ความไม่แน่นอน  กล่าวคือ  ตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคไม่สามารถที่จะบอกได้ว่าอนุภาคอยู่ ณ  ที่ใดที่หนึ่ง และมีค่าโมเมนตัมที่แน่นอนเท่าใด หลักการนี้ปรากฏว่าใช้ได้ทั้งสสารและโฟตอน กล่าวโดยสรุปหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบอร์ก  เป็นความไม่แน่นอนทางตำแหน่ง และทางโมเมนตัมของอนุภาค

19.12.2  โครงสร้างอะตอมตามทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม

              ตามหลักความไม่แน่นอน  เราไม่สารมารถระบุได้ว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสอยู่ในตำแหน่งใดได้แน่นอน  เราบอกได้เพียงแต่โอกาสจะพบอิเล็กตรอน ณ ตำแหน่งต่างๆ ว่าเป็นเท่าใดเท่านั้น  ดังนั้นโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอน  ณ  ตำแหน่งต่างๆ  ว่าเป็นเท่าใดเท่านั้น  ดังนั้นโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสจึงมีลักษณะเป็นกลุ่มหมอกทรงกลมห่อหุ้มนิวเคลียสในระดับชั้นพลังงานต่างๆ  ดังรูป  19.14

รูป  19.14 ภาพแสดงกลุ่มหมอกของอะตอมไฮโดรเจนที่ระดับพลังงานต่าง ๆ

              แนวคิดของกลศาสตร์ควอนตัมที่มีโอกาสจะพบอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสมีลักษณะเป็นกลุ่มหมอก  สามารถอธิบายความไม่สมบูรณ์ของทฤษฎีของโบว์  ถึงการแยกเส้นสเปกตรัมหนึ่งเส้นเป็นหลายเส้น เมื่ออะตอมอยู่ในสนามแม่เหล็กได้

จะเห็นได้ว่าระดับพลังงานาของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจนในระดับต่างๆ จะได้จากกลศาสตร์ควอนตัมสอดคล้องกับทฤษฎีของโบว์ แต่อะตอมใหญ่ ๆ  ระดับพลังงานที่ได้จากทฤษฎีทั้งสองต่างกัน  แต่ผลที่ได้จากกลศาสตร์ควอนตัมถูกต้องกว่า