In mensentaal/Kwantummechanica

Uit Wikibooks

Kwantummechanica is een natuurwetenschappelijke uitleg waarbij gebruik gemaakt wordt van kwanta (kleinst mogelijke hoeveelheidjes) van energie.

[bewerken] Inleiding

In de definitie van kwantummechanica die aan het begin van dit boek is gegeven, zijn woorden gebruikt die niet in het normale Nederlandse taalgebruik voorkomen, namelijk `natuurwetenschappelijke uitleg' en `kwanta'. Deze woorden moeten dus uitgelegd worden en dat gebeurt in de volgende hoofdstukken. Er is ook een woord gebruikt dat wel in het normale Nederlandse taalgebruik voorkomt, maar vaak in een heel andere betekenis dan hier bedoeld wordt: het woord 'energie'. Dit woord moet dus ook uitgelegd worden en ook dat gebeurt in een van de volgende hoofdstukken. In deze inleiding worden eerst voorbeelden gegeven en wat achtergrondinformatie.

[bewerken] Voorbeeld: kwantummechanische veer

Een gewone veer kun je bijvoorbeeld 1 cm uitrekken en loslaten, waarna hij trilt met een maximale uitwijking van 1 cm. Althans eventjes, want normale veren in een normale omgeving dempen altijd uit en staan dan weer stil. Je kunt een gewone veer ook 2 cm uitrekken en loslaten, dan trilt hij eventjes met een maximale uitwijking van 2 cm. Maar ook 1,5 cm kan, of 1,01 cm, wat je maar wilt. Althans daar lijkt het op en daarom doen we net alsof een gewone veer met elke willekeurige beginuitwijking kan trillen.

Heel anders is het met een kwantummechanische veer, d.w.z. een veer op kwantummechanisch niveau. Omdat er kleinste hoeveelheidjes energie zijn, kan een kwantummechanische veer alleen trillen met een maximale uitwijking die bij zo'n mimimaal hoeveelheidje energie past. Iedere poging de kwantummechanische veer anders te laten trillen mislukt.

Als een kwantummechanische veer een paar centimeter groot zou kunnen zijn (dat kan niet, ze zijn heel klein), dan zou het je bijvoorbeeld lukken om hem 1 cm of 2 cm uit te rekken, maar niet 1,5 cm of 1,01 cm.Iedere uitrekking tussen 1 cm en 2 cm zou bijvoorbeeld onmogelijk zijn! Een kwantummechanische veer kan dus ook niet uitdempen!

Als een veer trilt, heeft hij trillingsenergie. Een veer die trilt met een maximale uitwijking van 2 cm, heeft meer trillingsenergie dan een veer met een maximale uitwijking van 1 cm. Dus een gewone veer kan iedere hoeveelheid trillingsenergie hebben, maar een kwantummechanische veer kan alleen sommige hoeveelheden trillingsenergie hebben, namelijk de kleinste hoeveelheid trillingsenergie, of twee keer de kleinste hoeveelheid trillingsenergie, of drie keer of vier keer, etc. Dus geen hoeveelheid trillingsenergie tussen één keer de kleinste hoeveelheid en twee keer de kleinste hoeveelheid, of tussen twee keer en drie keer die kleinste hoeveelheid.

[bewerken] Relatie met klassieke mechanica

Ieder natuurverschijnsel behalve de zwaartekracht kan kwantummechanisch uitgelegd worden. Voor de meeste natuurverschijnselen is een kwantummechanische uitleg niet nodig, omdat ze ook met klassieke (gewone) mechanica uitgelegd kunnen worden en de uitleg met klassieke mechanica is altijd korter en makkelijker dan een kwantummechanische uitleg. Sommige zeer bijzondere natuurverschijnselen kunnen niet met klassieke mechanica uitgelegd worden. Deze natuurverschijnselen kunnen alleen met kwantummechanica uitgelegd worden en we kunnen ze daarom kwantummechanische natuurverschijnselen noemen.

Kwantummechanische uitleg gaat altijd over heel kleine dingetjes en heel kleine hoeveelheden. Maar soms wel over héél veel heel kleine dingetjes of heel vaak heel kleine hoeveelheden.

[bewerken] Voorbeeld kwantummechanisch natuurverschijnsel

Het eenvoudigste kwantummechanische natuurverschijnsel is de warmtecapaciteit van vaste stoffen. De warmtecapaciteit van een object is de hoeveelheid energie die nodig is om het object een graad in temperatuur te verhogen per cm³. Als de warmtecapaciteit van een object groot is, duurt het lang voordat dat object afkoelt. Dat is bijvoorbeeld handig voor een kruik. Je kunt een kruik dus het beste vullen met die stof die een grote warmtecapaciteit heeft. En dat is water, wat een geluk! Ook voor andere toepassingen zijn warmtecapaciteiten van groot belang. Maar iedere poging om met klassieke mechanica de warmtecapaciteit van vaste stoffen te voorspellen op grond van andere kennis over die vaste stoffen mislukte.

Met de kwantummechanica lukte het wel. Een vaste stof kun je je voorstellen als op elkaar gestapelde rijen bolletjes met veertjes ertussen. Warmer worden betekent dat de veertjes sneller trillen. De berekening van de warmtecapaciteit heeft dus te maken met dat trillen van die veertjes. Maar het zijn kwantummechanische veertjes, geen gewone veertjes. Hoe je de kwantummechanische veertjes moet voorstellen, weet niemand.

[bewerken] Nog steeds geen voorstelling

Normale natuurwetenschappelijke uitleg bestaat altijd uit formules en een voorstelling van het natuurverschijnsel. De voorstelling geeft aan hoe je je de aspecten van het natuurverschijnsel die je niet kunt zien, kunt voorstellen. De kwantummechanische uitleg bestaat alleen uit formules. De uitvinders van de kwantummechanica hebben heel lang gepraat over welke voorstelling past bij die formules, maar ze konden er geen vinden. Op twee conferenties in 1927, in Como, Italië en Brussel, België, heeft Niels Bohr toen gezegd dat hij vond dat als de kwantummechanische formules goede voorspellingen doen over de kwantummechanische natuurverschijnselen, en dat doen ze, dat ze dan goed genoeg zijn, ook zonder voorstelling die erbij past. Dit is toen afgesproken en deze afspraak heet de Kopenhagen interpretatie, omdat Niels Bohr daar hoofd van een instituut was. Belangrijke aanwezigen op de conferentie waren Niels Bohr (uit Denemarken), Erwin Schrödinger (uit Oostenrijk) en Werner Heisenberg (uit Duitsland).

[bewerken] Dualisme van licht

Een belangrijk probleem waardoor geen voorstelling bij de kwantummechanica gemaakt kan worden, is dat bij sommige formules de voorstelling past dat licht een golfverschijnsel is en dat bij andere formules de voorstelling past dat licht uit deeltjes bestaat. Dit heet het dualisme (twee mogelijkheden) van licht.

[bewerken] Voorstellingsvermogen of taalprobleem

Sommige mensen zijn van mening dat het niet mogelijk is om een voorstelling bij de kwantummechanica te maken, omdat het het voorstellingsvermogen van de mens te boven zou gaan. Anderen denken dat het een taalprobleem is. Er zou bijvoorbeeld een `primitieve' taal bestaan in het Amazone gebied, waarin wel een kwantummechanische voorstelling beschreven kan worden, en de formules dus niet leiden tot het dualisme van licht.

[bewerken] Wat is natuurwetenschappelijke uitleg?

De natuurwetenschap probeert uit te leggen hoe het bijvoorbeeld komt dat dingen op aarde naar beneden vallen, maar dat de maan niet naar beneden valt. En hoe het komt dat suiker in caramel kan veranderen als je het warm maakt. En waardoor metalen glinsteren. En hoe het komt dat er vanzelf een gaswolk uit een gasfles kan komen, maar dat een gaswolk niet vanzelf terug in een gasfles kan stromen. Waarvoor halen mensen adem? Waarom hebben veel dieren vier ledematen, één hoofd en twee ogen? Dat zijn een heleboel verschillende soorten vragen die de natuurwetenschap probeert te beantwoorden.

Vragen die de natuurwetenschap niet probeert te beantwoorden zijn: Wat is de nieuwste mode? Wat is de Nederlandse wet? Wie heeft de boekdrukkunst uitgevonden? Heb ik vandaag zin om een fietstocht te maken? Uitleg waarmee deze vragen beantwoord worden is dus geen natuurwetenschappelijke uitleg.

Natuurwetenschappelijke uitleg gaat altijd over algemene vragen: Overal op de wereld vallen dingen naar beneden, kan suiker in caramel veranderd worden, glinsteren metalen, stromen gaswolken niet vanzelf in flessen, halen mensen adem en zijn er dieren met vier ledematen. En de antwoorden blijven altijd waar, zijn voor veel mensen van belang en zijn niet toevallig. Terwijl mode overal op de wereld verschillend is en steeds verandert. Dat geldt ook voor wetten. In verschillende landen is de boekdrukkunst door verschillende mensen uitgevonden. Iemand was toevallig de eerste. Of ik vandaag zin heb in een fietstocht is alleen vandaag en alleen voor mij van belang.

[bewerken] Waar is natuurwetenschappelijk uitleg goed voor?

Natuurwetenschappelijk uitleg helpt ons dingen te maken die ons leven leuker en gemakkelijker maken. Door het antwoord waarom de maan nietop de aarde valt, weten ingenieurs hoe ze een achtbaan moeten ontwerpen. Doordat we weten hoe het komt dat suiker in caramel kan veranderen, kunnen we lekkere caramel maken, een recept volgen zodat de caramel steeds lukt, of machines daarvoor maken.

[bewerken] Wat zijn kwanta?

Kwanta zijn de kleinst mogelijke hoeveelheidjes van materie, energie, elektrische lading of van wat dan ook. Het is niet mogelijk met minder van die materie, die energie of van elektrische lading te maken te krijgen. Om te begrijpen wat er bijzonder is aan de kwantummechanica, moeten we ook begrijpen wat normaal is als je naar steeds kleinere hoeveelheden kijkt.

[bewerken] Steeds kleiner

[bewerken] Vorm: planken

Stel we hebben een houten plank. De plank is 1 cm dik, 20 cm breed en 80 cm lang. We zagen de plank door de helft. We geven een helft weg. We houden één helft over van 40 cm lang. Deze helft zagen we weer door de helft en geven weer een helft weg. De plank is dan 20 cm lang en dus even lang als hij breed is. Als we de plank weer door de helft zagen, maakt het niet uit of we de lengte of de breedte door de helft zagen. We zagen de plank weer door de helft, zodat de plank nu 20 cm bij 10 cm is. Dan weer, nu in de andere richting, zodat de plank 10 cm bij 10 cm is. En dat doen we zo vaak tot het stuk hout 1 cm lang is en 1 cm breed is. En hij is nog steeds 1 cm dik. Is het stukje hout nu nog steeds een plank? Nee want een plank is plat. Nu is het stukje hout een kubusje. We hebben een plank door de helft gedaan en hielden een plank over en deden die weer door de helft en hielden weer een plank over en dat deden we heel vaak en op een keer, we weten niet precies welke keer, was het geen plank meer. Dat komt omdat we iets een plank noemen als het een bepaalde vorm heeft en door het steeds door de helft te zagen, veranderen we de vorm.

[bewerken] Mengsel: deeg

Stel we gaan een taart bakken en we doen meel, ei en water bij elkaar en mengen dat. We krijgen dan deeg. Het deeg bestaat uit meel, ei en water. Is een beetje meel daarom een beetje deeg? Is een beetje ei een beetje deeg? Nee, want we noemen alleen een bepaald mengsel deeg. Meel, ei en water noemen we de bestanddelen van het deeg. De bestanddelen van deeg zijn niet een beetje deeg. Ieder beetje deeg moet uit meel, ei en water bestaan.

[bewerken] Orde en chaos: rommelige kamer

Jan heeft een rommelige kamer: een heleboel dingen liggen door elkaar. Alle dingen samen zijn het totale bezit van Jan. Dat komt doordat ieder ding een klein beetje bezit van Jan is en samen vormen die beetjes het totale bezit van Jan. Alle dingen samen maken een rommelig geheel. Is dat omdat ieder ding een beetje rommelig is en dat al die beetjes rommeligheid samen de totale rommeligheid van de kamer uitmaken? Nee, één bal bijvoorbeeld, kan niet rommelig zijn. Een verzameling van een heleboel dingen kan dus een eigenschap hebben die geen enkele van die dingen kan hebben, namelijk rommelig zijn. Of ordelijk zijn.

[bewerken] Structuur: hout

Stel iemand kookt hout tot het een pap wordt. Is het dan nog hout? Nee, want we noemen iets alleen hout als het stijf is. En hout is alleen stijf als het structuur heeft. Dat betekent dat de bestanddelen van het hout op een bepaalde manier geordend moeten zijn, net als een opgeruimde kamer. Als we een beetje hout nemen en daar de helft van en steeds weer de helft, dan hebben we op een keer geen hout meer, want er is te weinig om de structuur van hout te hebben, net zoals één bal te weinig is om rommelig of ordelijk te zijn.

[bewerken] Kwanta van chemische stoffen

[bewerken] Wat zijn chemische stoffen?

Stel je eet een suikerklontje. Dat smaakt zoet, je wordt er dik van (als je er te veel neemt) en het is slecht voor je tanden. Nu doe je een suikerklontje in je thee en je roert. Het suikerklontje verdwijnt. Je ziet niets door de thee zweven. Maar de thee smaakt wel zoeter en je wordt er even dik van het het is even slecht voor je tanden. De suiker is er dus nog. Het suikerklontje niet meer. Want we noemen het alleen een klontje als we het kunnen zien en vastpakken. Maar we noemen dat waar het suikerklontje uit bestaat en wat in de thee zit suiker. Wat we suiker noemen, heeft dus niets te maken met de vorm en of je het vast kan pakken. Het heeft ook niet met structuur te maken: de suiker in het suikerklontje is stijf door een structuur, maar in de thee heeft suiker die structuur niet.

Een suikerklontje is een ding en thee met of zonder suiker is een mengsel. Zowel het suikerklontje als de thee met suiker bevat suiker. Het suikerklontje bevat zelfs niets anders, dus het bestaat uit suiker. Suiker is een chemische stof. Een bepaalde chemische stof, bijvoorbeeld suiker, kan voorkomen in een vorm die je vast kan pakken, maar ook zó dat je het niet kunt vastpakken. Als je het kunt vastpakken, dan kan het een klontje zijn, maar ook korreltjes of een poeder. Dat maakt niet uit. Dus als we het hebben over een suikerklontje dan bedoelen we dat het echt een klontje moet zijn, maar als we het hebben over suiker dan bedoelen we dat het niet uitmaakt of het een klontje of een poeder is of in thee zit opgelost.

Als nou iemand zegt dat hij een pak suiker heeft, wat bedoelt hij dan? Als je in dat pak kijkt, zie je klontjes, of korreltjes of een poeder, maar je ziet niet dat-de-vorm-niet-uitmaakt. Toch bedoelt iemand dat als hij zegt dat hij een pak suiker heeft. Een pak suikerklontjes is tegelijk ook een pak suiker en een pak suikerkorreltjes is tegelijk ook een pak suiker en een pak poedersuiker is tegelijk ook een pak suiker. Als iemand dus zegt dat hij een pak suiker heeft, dan heeft hij misschien een pak suikerklontjes, of misschien een pak suikerkorreltjes of mischien een pak poedersuiker of misschien wel een pak met al die vormen door elkaar. We weten niet wat, omdat hij dat niet belangrijk vond om te vertellen. Als je suiker in je thee wilt doen om het zoet te maken, dan maakt het immers niet uit. Nou, bij het klontje moet je misschien wat langer roeren voor het opgelost is, maar voor het resultaat maakt het niets uit.

Altijd als we het over chemische stoffen hebben, dan maakt de vorm niet uit.

[bewerken] Moleculen en Atomen

Chemische stoffen bestaan uit kwanta en de kwanta van chemische stoffen zijn kleine dingetjes van een bepaalde soort. Suiker is een chemische stof en de kwanta van suiker zijn suikermoleculen. Water is ook een chemische stof en de kwanta van water zijn watermoleculen.

MEER VOLGT

[bewerken] Hoe weten we over Moleculen en Atomen?

Wet van de equivalente hoeveelheden.

MEER VOLGT

[bewerken] `Kijken' naar tennisballen door te gooien met tennisballen

Stel je bent in een kamer waar tennisballen in rondstuiteren. Je wilt iets weten over het aantal tennisballen die daar rondstuiteren en over hun snelheden. Maar je kunt niet naar de tennisballen kijken of luisteren. Je kunt wel een netje in de kamer bevestigen en wachten tot er een tennisbal in terecht komt. En dan bijhouden hoe vaak dat gebeurt en hoe hard iedere tennisbal tegen het netje botste. Wat je ook kunt doen is met andere tennisballen gaan gooien om te kijken wat dat voor effect heeft op hoevaak en hard er tennisballen in je netje terechtkomen. Meer kun je in dit voorbeeld niet doen om iets over de tennisballen te weten te komen. Dit is een moeilijke manier om iets te weten te komen. Maar in de kwantummechanica gaat dat zo. In de kwantummechanica houd je je bezig met kwanta: de kleinste dingetjes en beweginkjes etc. Er is dan niets dat kleiner is dan die kwanta om te gebruiken om iets te weten te komen over die kwanta. Het is dan alsof je met tennisballen naar tennisballen gooit. In de volgende alinea wordt dat verder uitgelegd.

Normaal gebruiken we een lamp om lichtkwanta naar de tennisballen te gooien. Die lichtkwanta stuiteren tegen de tennisballen en we vangen de lichtkwanta op in een speciaal netje, namelijk in ons oog. De tennisballen vangen we niet op in dat netje, want dat past helemaal niet. Als een tennisbal op ons oog afkomt, komt hij niet in ons oog terecht, maar op ons oog en dat levert een blauw oog op en dan moeten we ons onderzoek naar de tennisballen onderbreken om ijs op ons oog te doen. We vangen heel veel lichtkwanta in ons oog op nadat die gestuiterd zijn tegen de tennisballen. Onze hersenen gebruiken de informatie over de ingevangen lichtkwanta om te weten waar de tennisballen zijn en hoe snel ze bewegen. Het is dus heel normaal om met kleine dingetjes te gooien naar datgene wat je wilt onderzoeken en die dingetjes dan op te vangen nadat ze er vanaf gestuiterd zijn. We doen dat iedere dag als we iets zien.

De lichtkwanta zijn heel veel kleiner dan de tennisballen. Als je iets wilt weten over de lichtkwanta zelf, kun je niets vinden dat nog veel kleiner is. Dus moet je wel andere kwanta gebruiken en die zijn ongeveer even groot. Als het lichtkwanta zijn van dezelfde "kleur" (eigenlijk de zelfde golflengte) dan zijn ze precies even groot.

[bewerken] Wat is Energie?

TEDOEN. HIER ENIGE STEEKWOORDEN:

"de interactie tussen de allerkleinste deeltjes onderling en" "met hun omgeving in relatie tot de afstand;" "de interactie vertegenwoordigt de krachten die worden" "uitgeoefend;" "een gestabiliseerde afstand tussen deze deeltjes heeft de" "vorming van een groter geheel tot gevolg,positronen," "neutrino´s,neutronen,protonen------->atoomkernen-->materie"

"materie-energie kan zich verzamelen,zich verspreiden," "bewegingsenergie in relatie tot de gravitatie," "temperatuur,electriciteit en straling"

[bewerken] Kwantummechanische verschijnselen

[bewerken] Warmtecapaciteit van vaste stoffen

[bewerken] Zwarte stralers

[bewerken] Dubbelspleet interferentie bij neutronen

[bewerken] Fotoelectrisch effect

[bewerken] Atomische spectra

[bewerken] Compton effect

Deze pagina is vrijgegeven onder de GNU Free Documentation License (GFDL) en nog niet onder CC-BY-SA. Klik hier voor meer informatie. Wilt u deze tekst gebruiken onder de Creative Commons CC-BY-SA licentie? Klik dan hier om te kijken van welke gebruikers u nog toestemming nodig heeft.