Kwantummechanica

In het begin van de vorige (20e) eeuw hebben een aantal wetenschappers een nieuwe natuurkundige theorie ontwikkeld, die was bedoeld om de natuurkunde, die toen bestond, compleet te maken. Deze theorie is de kwantummechanica. De kwantummechanica is een natuurwetenschappelijke uitleg waarbij gebruik gemaakt wordt van kwanta (kleinst mogelijke hoeveelheidjes) van energie.

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 mechanica uitgelegd kunnen worden en de uitleg met klassieke mechanica is altijd korter en makkelijker dan een kwantummechanische uitleg. Sommige bijzondere natuurverschijnselen kunnen niet met klassieke mechanica uitgelegd worden. Deze natuurverschijnselen kunnen alleen met kwantummechanica uitgelegd worden, waardoor men niet zonder kan. Kwantummechanische uitleg gaat altijd over hele kleine dingetjes en hele kleine hoeveelheden.

De kwantummechanica gaat van een paar principes uit, waarvan de volgende twee de belangrijkste zijn. Licht kan alleen in pakketjes voorkomen. Als de kwantumtheorie wordt toegepast op hele grote objecten, dan gelden de wetten van de normale/oude natuurkunde. Met deze uitgangspunten is er een dynamisch model opgesteld, die allerlei verschijnselen op hele kleine schaal beschreef. Dit dynamisch model is de Schrödingervergelijking, opgesteld door de Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger.

• Dit model is een tweede afgeleide van een functie ψ. Dat is gelijk aan een constante maal -ψ.
• De oplossingen daarvan zijn golffuncties. Oftewel sinus en cosinus. Dat is alleen zo wanneer (E > V(x)) de totale energie groter is dan de potentiële energie. Volgens de Klassieke Mechanica is dit altijd zo. Maar volgens de kwantummechanica kan ook E < V(x) voorkomen. Dit gebeurt, wanneer er een rand of afgrond van atomen is. De elektronen kunnen volgens de klassieke mechanica niet door die rand of over de afgrond heen. Maar als je de vergelijking oplost, zie je dat het wel kan en dat je dan de vergelijking kan oplossen met een e-macht. Deze loopt dan altijd af hoe verder je van het gebied komt waar E > V(x).
• De ψ is de waarschijnlijkheid. Dus dit betekend dat elektronen ook kunnen bestaan op plekken waar E < V(x).
• Dit heeft een groot effect op de computerindustrie. Zij maken steeds betere en kleinere chips door alle elektrische componenten kleiner te maken. Dit geeft op een gegeven moment problemen. Dat komt doordat elektronen dan heel makkelijk van de ene draad op de andere draad kunnen springen en zo de stroom beïnvloeden. Hierdoor kunnen de chips niet goed meer werken en zal er dus niet mee kunnen worden gewerkt.
• Aan de andere kant kan men de effecten van de kwantummechanica juist weer gebruiken om nieuwe soorten componenten en nieuwe technieken te ontwikkelen.
• Daarnaast wordt dit gedrag van elektronen gebruikt om hele scherpe foto’s en filmpjes te maken van atomen, hele kleine oppervlakten en allerlei reacties.

Ook is deze vergelijking erg belangrijk bij allerlei berekeningen aan licht. Met deze vergelijking kan je uitrekenen wat de golflengte van het licht is, wat een foton uitzendt als een elektron uit een bepaalde golf naar een andere golf gaat. Zoals ook ongeveer gebeurt bij het terugvallen van een elektron in een atoom. Hierbij is een foton een deeltje met de kleinste lichteenheid. Het allerbelangrijkste gebruik van deze vergelijking is de mogelijkheid om atomen te kunnen verplaatsen. Dit wordt manipuleren genoemd. Hierdoor kunnen hele structuren worden gebouwd. Dit kan belangrijk zijn in de toekomst. Want als er structuren te bouwen zijn, dan kunnen er een heleboel dingen gebouwd worden. Zo zijn nanomotoren niet meer zo ver weg. Je kan ook logische schakelingen maken. Die zijn zo klein dat je meer uit je computer kan halen. IBM, de computerfabrikant, is al heel erg bezig met nanotechnologie. Met hetzelfde principe van het verslepen van een atoom kan je ook een atoom indrukken. Hierdoor komt er een putje. Dit zorgt ervoor dat elk atoom een bit kan worden. Zo kan een enorm opslagmedium gemaakt worden.

De mogelijkheden lijken nu door de differentiaalvergelijking eindeloos, maar er zitten ook nadelen aan. Het grootste voordeel, het feit dat het zo klein is, is ook gelijk het grootste nadeel in de toepassingen. Doordat het klein is kan je veel informatie erop zetten en andere dingen, maar omdat het zo klein is, is het daarentegen heel erg lastig om alles goed neer te zetten en omdat alles ook nog eens heel langzaam gaat door de precisie. Hierdoor is fabriceren heel duur. Gezegd is ook, dat de vergelijking moest voldoen aan de voorwaarde dat als een voorwerp heel groot wordt, dat dan de wetten van de Klassieke Mechanica gelden.