Germany Jahrgangsstufe 13 Physics
अध्याय: 5
1. Basic ideas of quantum physics
Properties of quantum objects · The quantum physics worldview
- द्रव्य तरंगें और दे ब्रॉग्ली संबंध – प्रकाश तरंग की तरह भी चलता है और कण की तरह भी। 1924 में लुई दे ब्रॉग्ली ने कहा कि द्रव्य भी ऐसा ही करता है: हर गतिमान कण के साथ एक तरंग होती है, जिसकी तरंगदैर्ध्य λ = h/p = h/mv। गतिज ऊर्जा K वाले कण के लिए λ = h/√(2mK); V वोल्ट से त्वरित इलेक्ट्रॉन के लिए λ = 1.227/√V nm। रोज़ की चीज़ों की λ बहुत ही छोटी होती है, पर इलेक्ट्रॉन की λ परमाणु के आकार जितनी होती है।
- क्वांटम भौतिकी की मूल बातें: द्वि-झिरी, अध्यारोपण और मापन – फोटॉन और इलेक्ट्रॉन जैसी बहुत छोटी चीज़ें "क्वांटम वस्तुएँ" हैं। हर एक पर्दे पर एक बिंदु बनाती है (कण जैसा), पर बिंदु कहाँ गिरेंगे, यह प्रायिकता तरंग तय करती है, जिससे धारियाँ बनती हैं। मापने से पहले वस्तु कई संभावनाओं के मिश्रण (अध्यारोपण) में रह सकती है। अगर हम पता कर लें कि कण किस झिरी से गया, तो धारियाँ गायब हो जाती हैं।
2. A quantum model of the atom
A quantum model of the atom
- क्वांटम यांत्रिक मॉडल: क्वांटम संख्याएँ, कक्षक और इलेक्ट्रॉनिक विन्यास – चलते इलेक्ट्रॉन तरंग जैसे भी हैं: λ = h/mv (दे ब्रॉग्ली)। इसलिए स्थिति और संवेग एक साथ ठीक-ठीक नहीं जान सकते: Δx·Δp ≥ h/4π (हाइज़ेनबर्ग)। इसलिए पक्की कक्षाएँ छोड़कर कक्षक (orbital) लेते हैं: वह जगह जहाँ इलेक्ट्रॉन मिलने की संभावना ज़्यादा है (श्रोडिंगर समीकरण, ψ² = संभावना)। चार क्वांटम संख्याएँ हर इलेक्ट्रॉन बताती हैं: n (कोश, आकार, ऊर्जा), l (उपकोश, आकृति: 0 से n−1), mₗ (दिशा: −l से +l) और mₛ (चक्रण: +½ या −½)। s गोल, p डम्बल, d ज़्यादातर चार पत्ती जैसा। इलेक्ट्रॉन आउफबाऊ (n + l), पाउली (अधिकतम 2, उल्टे चक्रण) और हुंड (पहले अकेले) नियम से भरते हैं। आधे और पूरे भरे उपकोश ज़्यादा स्थायी, इसलिए Cr = 3d⁵4s¹ और Cu = 3d¹⁰4s¹।
3. Probing the structure of matter
Probing the structure of matter
- आधुनिक भौतिकी: क्वांटम सिद्धांत और आपेक्षिकता – आधुनिक भौतिकी लगभग 1900 में शुरू हुई, जब पुरानी (चिरसम्मत) भौतिकी बहुत छोटी और बहुत तेज़ चीज़ों पर फ़ेल हुई। क्वांटम सिद्धांत कहता है कि ऊर्जा पैकेटों में आती है: फ़ोटॉन की ऊर्जा E = hf। प्रकाश-विद्युत प्रभाव दिखाता है कि प्रकाश कण की तरह भी चलता है, और व्यतिकरण दिखाता है कि इलेक्ट्रॉन जैसे कण तरंग की तरह भी (λ = h/p)। विशिष्ट आपेक्षिकता कहती है कि प्रकाश का वेग सब प्रेक्षकों के लिए एक है, इसलिए चलती घड़ी धीमी (t = γt₀), चलती लंबाई छोटी, और द्रव्यमान ऊर्जा है (E = mc²)। लेज़र, सोलर सेल, इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी, GPS और नाभिकीय ऊर्जा इन्हीं पर चलते हैं।
4. Nuclear physics
A simple model of the nucleus · Radioactivity and nuclear power
- नाभिकीय भौतिकी: नाभिक और रेडियोधर्मिता – नाभिक में प्रोटॉन (Z) और न्यूट्रॉन (N) होते हैं; द्रव्यमान संख्या A = Z + N। समस्थानिकों में Z वही पर N अलग होता है। अस्थिर नाभिक अपने-आप क्षय होते हैं: अल्फ़ा क्षय में 2 प्रोटॉन और 2 न्यूट्रॉन निकलते हैं (A − 4, Z − 2), बीटा क्षय में एक न्यूट्रॉन प्रोटॉन बनता है और इलेक्ट्रॉन निकलता है (Z + 1), गामा सिर्फ़ ऊर्जा है। अर्ध-आयु वह समय है जिसमें आधे नाभिक क्षय हो जाते हैं।
- नाभिक: आकार, नाभिकीय बल, बंधन ऊर्जा, विखंडन और संलयन – नाभिक में Z प्रोटॉन और N न्यूट्रॉन होते हैं (A = Z + N न्यूक्लिऑन)। इसकी त्रिज्या R = R₀A^(1/3), R₀ ≈ 1.2 fm, इसलिए सब नाभिकों का घनत्व लगभग एक जैसा और बहुत ज़्यादा है। एक बहुत तेज़, कम दूरी वाला नाभिकीय बल न्यूक्लिऑनों को बाँधे रखता है। नाभिक अपने अलग-अलग कणों से थोड़ा हल्का होता है; यह द्रव्यमान क्षति Δm ही बंधन ऊर्जा है, E = Δm c² (1 u = 931.5 MeV)। प्रति न्यूक्लिऑन बंधन ऊर्जा लोहे (A ≈ 56) के पास सबसे ज़्यादा है, इसलिए भारी नाभिक टूटकर (विखंडन) और हल्के नाभिक जुड़कर (संलयन) ऊर्जा देते हैं।
5. Experimental work
Physics lab experiments, year 13
- वैज्ञानिक विधि – वैज्ञानिक विधि वह सावधान तरीका है जिससे वैज्ञानिक पता लगाते हैं कि दुनिया कैसे चलती है। कुछ देखो (प्रेक्षण), परखने लायक प्रश्न पूछो, परिकल्पना बनाओ (साफ़, परखने योग्य अनुमान), निष्पक्ष प्रयोग से परखो (एक चर बदलो, एक मापो, बाकी सब एक जैसा), दोहराओ और आँकड़े लिखो, विश्लेषण करो, निष्कर्ष निकालो और साझा करो ताकि दूसरे जाँच सकें। जो नतीजे परिकल्पना से मेल न खाएँ, वे भी काम के हैं: वे नई परिकल्पना की ओर ले जाते हैं।