De mysterieuze wereld van kwantummechanica

• New lesson editor
• STEM
• Secundair onderwijs

De mysterieuze wereld van kwantummechanica

Wat weet jij al over kwantummechanica?

Waarvoor staat de kwantum in kwantummechanica?

A

Voor extreem kleine deeltjes zoals elektronen

B

Voor een willekeurige waarde die kan veranderen

C

Voor een ondeelbare hoeveelheid van een fysische grootheid

D

Voor energie die elke waarde kan aannemen

Een elektron kan in een atoom:

A

Elke willekeurige energie hebben

B

Alleen bepaalde specifieke energieën hebben

C

Continu van energie veranderen zolang het in de baan blijft

D

Dat hangt af van de temperatuur

Waar bevindt een elektron zich rond de kern?

A

Op een exacte plaats die we kunnen berekenen

B

Op een vaste baan zoals een planeet

C

Verspreid als een soort “wolk”

D

Het elektron heeft geen plaats totdat je het meet

Het meten van de positie van een elektron ...

A

beïnvloedt het elektron zelf

B

bepaalt de positie zonder invloed op andere eigenschappen

C

is perfect nauwkeurig als je maar een goed meettoestel hebt

D

verandert niets aan het elektron

Een elektron kan ...

A

Nooit op twee plaatsen tegelijk zijn

B

Soms op twee plaatsen tegelijk zijn

C

Alleen op twee plaatsen tegelijk zijn als het heel snel beweegt

D

Alleen op twee plaatsen tegelijk zijn als we het niet meten

Als je één elektron tegelijk door een dubbele spleet stuurt, en je kijkt naar het patroon dat op een scherm verschijnt:

A

Je ziet een streepjespatroon op het scherm

B

Je ziet een volledig willekeurig patroon op het scherm

C

Je ziet één streep centraal tussen de spleten

D

Je ziet twee strepen recht achter de spleten

Volgens de kwantummechanica kan je:

A

niets exact voorspellen

B

alles exact voorspellen

C

sommige grootheden exact, andere niet exact voorspellen

D

enkel kansen voorspellen

Brian Greene

• Amerikaans theoretisch fysicus aan Columbia University

• zet zich in voor wetenschapscommunicatie:
  moeilijke theorie vertalen voor "de gewone mens"

• populair wetenschappelijke boeken, documentaires en festivals

Text

Documentaire: The fabric of the cosmos

Spelregels van de kwantummechanica

Spelregel 1:

Kwantisatie

Sommige grootheden kunnen alleen bepaalde vaste waarden aannemen (geen doorlopende reeks).

Voorbeeld: elektronen in een atoom kunnen alleen op vaste energieniveaus zitten (zoals trappen, niet een helling).

Spelregel 2:

Kans i.p.v. zekerheid

Je kan niet exact voorspellen wat één meting zal geven, alleen de kans op elk mogelijk resultaat.

Voorbeeld: je weet waar een elektron waarschijnlijk zit rond de kern, maar niet exact (wolk i.p.v. baan).

Spelregel 3:

Voorspelbaar zonder meting

Zolang je niet meet, evolueert een systeem regelmatig en voorspelbaar (volgens vaste wetten).

Voorbeeld: de “elektronenwolk” evolueert voorspelbaar… tot je meet en één positie krijgt.

Spelregel 4:

Onzekerheid

Van sommige grootheden (zoals plaats en snelheid) kan je niet tegelijk alles precies weten.

Voorbeeld: hoe beter je de plaats van een elektron kent, hoe slechter je zijn snelheid kent (en omgekeerd).

Spelregel 5:

Verstrengeling

Twee deeltjes kunnen zo verbonden zijn dat een meting aan het ene direct samenhangt met het andere, zelfs op afstand.

Voorbeeld: maak twee deeltjes samen en stuur ze uit elkaar. Meet je de spin van de ene, dan ligt die van de andere meteen vast.

Spelregel 6:

Golf én deeltje

Kwantumdeeltjes gedragen zich soms als een deeltje en soms als een golf, afhankelijk van hoe je meet.

Voorbeeld: in het dubbelspleet- experiment vormt licht (of elektronen) een interferentie-patroon (golfgedrag), maar arriveert ook in pakketjes (deeltjes).

Spelregel 7:

Pauliverbod

Twee bepaalde deeltjes (fermionen, zoals elektronen) kunnen niet exact dezelfde toestand hebben.

Voorbeeld: in een atoom kunnen max. 2 elektronen per orbitaal, en dan nog met tegengestelde spin.

Wat betekent kwantisatie?

A

Alle waarden zijn mogelijk

B

Alleen bepaalde vaste waarden zijn mogelijk

C

Waarden veranderen voortdurend

D

Waarden zijn altijd nul

Wat kan je voorspellen bij een meting in de kwantummechanica?

A

Het exacte resultaat

B

Helemaal niets

C

Alleen de kans op mogelijke resultaten

D

Altijd hetzelfde resultaat

Wat gebeurt er als je een kwantumsysteem niet meet?

A

Het gedraagt zich willekeurig

B

Het volgt voorspelbare wetten

C

Het stopt met bestaan

D

Het verandert niet

Wat zegt de onzekerheidsrelatie?

A

Alles kan perfect gemeten worden

B

Sommige grootheden kan je niet tegelijk exact kennen

C

Metingen zijn altijd fout

D

Alleen snelheid is onzeker

Wat is verstrengeling?

A

Deeltjes botsen tegen elkaar

B

Deeltjes verdwijnen

C

Twee deeltjes blijven met elkaar verbonden

D

Deeltjes bewegen trager

Wat gebeurt er bij een meting van één verstrengeld deeltje?

A

Er gebeurt niets met het andere

B

Het andere deeltje verandert willekeurig

C

Het andere deeltje heeft meteen een bijpassende waarde

D

Het andere deeltje verdwijnt

Wat betekent golf-deeltjedualiteit?

A

Deeltjes bestaan niet

B

Golven bestaan niet

C

Kwantumdeeltjes kunnen zich als golf én als deeltje gedragen

D

Alles is altijd een golf

Wat zie je in het dubbelspleetexperiment zonder meting?

A

Alleen twee strepen

B

Een interferentiepatroon

C

Helemaal niets

D

Eén punt

Wat zegt het pauliverbod?

A

Alle deeltjes mogen dezelfde toestand hebben

B

Fermionen mogen niet dezelfde toestand hebben

C

Fermionen mogen dezelfde toestand hebben

D

Geen enkel deeltje mag bewegen

Wat is een voorbeeld van het Pauliverbod?

A

Er kunnen maar 2 elektronen in één orbitaal

B

Er kunnen onbeperkt veel elektronen in één orbitaal zitten

C

2 elektronen met dezelfde spin kunnen in hetzelfde orbitaal

D

Er kan maar één elektron in een orbitaal zitten

Welke uitspraak is correct?

A

Je kan altijd exact weten waar een elektron is én hoe snel het gaat

B

Kwantummechanica werkt alleen voor licht

C

Metingen beïnvloeden het resultaat

D

Alle deeltjes zijn identiek

Welke combinatie klopt?

A

Kwantisatie → alle waarden mogelijk

B

Onzekerheid → alles exact meetbaar

C

Verstrengeling → verband tussen deeltjes

D

Pauliverbod → alle deeltjes hetzelfde

Het dubbelspalt-experiment

Wat gebeurt er als je elektronen één voor één door een dubbele spleet stuurt? A) Je ziet altijd twee streepjes, B) Er ontstaat een interferentiepatroon, C) Alle elektronen verdwijnen, D) Niets verandert.

Superpositie

Wat betekent het principe van superpositie? A) Een object kan in meerdere toestanden tegelijk verkeren, B) Elk atoom heeft een vaste plaats, C) Energie wordt vernietigd, D) Tijd staat stil.

Observeren beïnvloedt de uitkomst

Wat is een belangrijke les uit de kwantummechanica over meten? A) Meten verandert nooit iets, B) Door te meten kun je exact voorspellen, C) Door te meten beïnvloed je het systeem, D) Meten is onmogelijk.

Kwantumtoepassingen

Waarvoor wordt kwantummechanica in techniek al toegepast? A) Elektrische tandenborstels, B) Magnetrons, C) Transistoren en lasers, D) Voetbalmaterialen.

Introductie documentaire

We gaan nu samen een documentaire bekijken die de basisprincipes en de impact van kwantummechanica verduidelijkt.

Schrijf 3 dingen op die je deze les hebt geleerd.

Schrijf 2 dingen op waarover je meer wilt weten.

Stel 1 vraag over iets dat je nog niet zo goed hebt begrepen.