ควอนตัม คืออะไร?
กลศาสตร์ควอนตัม
กลศาสตร์ควอนตัม (English: quantum mechanics) เป็นสาขาหนึ่งในทฤษฎีรากฐานของฟิสิกส์ ที่มีความสามารถในการอธิบายผลการทดลองต่างๆ และถูกใช้แทนที่กลศาสตร์นิวตัน (หรือกลศาสตร์ดั้งเดิม) และ กลศาสตร์ไฟฟ้าของแม็กซ์เวลล์ (หรือทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า) ซึ่งกลศาสตร์ดั้งเดิมเหล่านี้ไม่สามารถใช้อธิบายปรากฏการณ์ในวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอม แต่กลศาสตร์ควอนตัมนั้นสามารถคำนวณได้แม่นยำมากกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อขนาดของวัตถุที่สนใจนั้นเล็กถึงขนาดอะตอม จึงกล่าวได้ว่ากลศาสตร์ควอนตัมนั้นเป็นรากฐานเบื้องต้นของฟิสิกส์ที่มีความสำคัญมากกว่ากลศาสตร์นิวตันและกลศาสตร์ไฟฟ้าของแม็กซ์เวลล์ หรือใกล้เคียงกับความจริงมากกว่านั่นเอง
เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม
http://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/285/19/quantum.htm ควอนตัมเอนแทงเกิลเมนต์
ควอนตัมเอนแทงเกิลเมนต์ถือเป็นหัวข้อที่เหล่านักฟิสิกส์ทำการศึกษาวิจัยกันอย่างเข้มข้น ผลลัพธ์ถูกแสดงในรูปการทดลองด้วยโฟตอน (photon), นิวทริโนส (neutrinos), อิเล็กตรอน (electron), โมเลกุลของบักกี้บอลส์ (buckyballs) หรือแม้กระทั่งเพชรขนาดเล็ก งานวิจัยยังให้ความสนใจในการประยุกต์ใช้ในวงการสื่อสารและคอมพิวเตอร์อีกด้วย บิต
บิตเป็นหน่วยวัดข้อมูลเล็กที่สุดที่ใช้กันทั่วไป อย่างไรก็ตามในการคำนวณทางควอนตัม (quantum computing) จะใช้หน่วยข้อมูลที่เล็กที่สุดเป็น คิวบิต เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม
เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม สัญลักษณ์ คือ ℓ (Azimuthal quantum number หรือ Orbital angular momentum quantum number) เป็นเลขควอนตัมสำหรับวงโคจรของอะตอม ที่ใช้บอกโมเมนตัมเชิงมุมสำหรับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสและใช้บอกรูปร่างของออร์บิทัลที่อิเล็กตรอนนั้นครอบครองอยู่ เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุมเป็นเลขอันดับ 2 ในชุดของเลขควอนตัม ซึ่งเลขควอนตัมนี้เป็นเลขที่อธิบายสถานะควอนตัมของอิเล็กตรอน เลขควอนตัม ประกอบด้วย เลขควอนตัมหลัก (Principal quantum number) เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม (Azimuthal quantum number) เลขควอนตัมแม่เหล็ก (Magnetic quantum number) และเลขควอนตัมสปิน (Spin quantum number) ควอนตัมดอต
ศาสตร์ที่ว่าด้วยการศึกษาวัสดุที่ มีโครงสร้างในระดับนาโนเมตรในทุกมิติ หรือ กล่าวอีกในหนึ่งคือ เทคโนโลยี ศูนย์ มิติ (Zero dimension nanotechnology) มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ บางครั้งก็ถูกเรียกว่า ผลึกนาโน (nanocrystals) ประกอบขึ้นจากธาตุ หมู่ สอง-หก (II-VI) , สาม-ห้า (III-V) , และ สี่-หก (IV-VI) ใน ตารางธาตุของเพอริออดิก (periodic table) วัสดุเหล่านี้ได้นำไปใช้ในอุตสาหกรรมอิเล็คโทรนิก เช่น วงจรในอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ เป็นต้น จุดเด่นของ ควอนตัมดอต คือ มีขนาดเล็กมาก โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ระหว่าง 2-10 นาโนเมตร หรือ 10-50 อะตอม นอกจากนั้นการนำไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการกระตุ้นภายนอก เช่น ความต่างศักย์ และ ฟรักซ์ ของ โฟตอน (photon flux) หรือ จำนวนโฟตอนต่อเวลาต่อพื้นที่ เป็นต้น สสารควาร์ก
ในแบบจำลองมาตรฐานของการศึกษาฟิสิกส์อนุภาค แรงที่แข็งแกร่งที่สุดคืออันตรกิริยาอย่างเข้ม ซึ่งสามารถอธิบายได้ตามทฤษฎีควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) ที่สภาวะความหนาแน่นและอุณหภูมิปกติ แรงนี้จะประกอบไปด้วยควาร์กที่รวมตัวกันเป็นอนุภาค (ฮาดรอน) ซึ่งมีขนาดประมาณ 10 ม. = 1 เฟมโตเมตร = 1 fm (เทียบกับมาตรวัดพลังงานของ QCD Λ ≈ 200 MeV) และไม่สามารถส่งผลกระทบได้ที่ระยะทางไกลๆ อย่างไรก็ดี เมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นจนถึงระดับพลังงาน QCD (ประมาณ 10 เคลวิน) หรือความหนาแน่นเพิ่มขึ้นจนถึงจุดที่ระยะห่างภายในควาร์กเฉลี่ยน้อยกว่า 1 fm ฮาดรอนจะหลอมละลายกลายไปเป็นควาร์กที่เป็นองค์ประกอบ อันตรกิริยาชนิดเข้มก็จะกลายเป็นคุณลักษณะหลักทางกายภาพ สภาวะเช่นนี้แหละที่เรียกว่า สสารควาร์ก หรือสสาร QCD ควอนตัมดอต
ในภาษาของวิชาวัสดุศาสตร์ วัสดุซึ่งทำมาจากสารกึ่งตัวนำที่มีหน่วยเป็นนาโนเมตร จะจำกัดขอบเขตการกระจายของอิเล็กตรอนไว้อย่างเหนียวแน่น หรือ สร้างพื้นที่ที่อิเล็กตรอนไม่สามารถเข้าไปได้ () ในบางครั้งควอนตัมดอตจะถูกเรียกว่า อะตอมเทียม ซึ่งเป็นคำศัพท์ที่เน้นให้เห็นว่า ควอนตัมดอตเป็นวัตถุเดี่ยวซึ่งมีอิเล็กตรอนที่มีสถานะจำกัดขอบเขต และไม่ต่อเนื่อง เช่นเดียวกับอะตอมหรือโมเลกุลที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ อะตอม
แนวคิดที่ว่าสสารประกอบด้วยหน่วยย่อยๆ ไม่ต่อเนื่องกันและไม่สามารถแบ่งออกเป็นชิ้นส่วนที่เล็กไปได้อีก เกิดขึ้นมานับเป็นพันปีแล้ว แนวคิดเหล่านี้มีรากฐานอยู่บนการให้เหตุผลทางปรัชญา นักปรัชญาได้เรียกการศึกษาด้านนี้ว่า ปรัชญาธรรมชาติ (Natural Philosophy) จนถึงยุคหลังจากเซอร์ ไอแซค นิวตัน จึงได้มีการบัญญัติศัพท์คำว่า 'วิทยาศาสตร์' (Science) เกิดขึ้น (นิวตันเรียกตัวเองว่าเป็น นักปรัชญาธรรมชาติ (natural philosopher) ) ทดลองและการสังเกตการณ์ ธรรมชาติของอะตอม ของนักปรัชญาธรรมชาติ (นักวิทยาศาสตร์) ทำให้เกิดการค้นพบใหม่ ๆ มากมาย ควอนตัมดอต
มีวิธีทางคอลลอยด์ที่ใช้ผลิตสารกึ่งตัวนำหลายชนิด ดอทแบบมาตรฐานจะสร้างมาจากอัลลอยด์สองส่วนผสมเช่น แคดเมียมเซลาไนด์ แคดเมียมซัลไฟด์ อินเดียมอาร์เซไนด์ และอินเดียมฟอสไฟด์ ดอทอาจจะสร้างจากอัลลอยด์สามส่วนผสมเช่นแคดเมียมเซลาไนด์ซัลไฟด์ ควอนตัมดอทเหล่านี้จะประกอบด้วยอะตอมระหว่าง 100 – 100,000 อะตอม ภายในปริมาตรของควอนตัมดอท โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 – 50 อะตอม ซึ่งมีขนาดประมาณ 2-10 nm และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 nm จะมีควอนตัมดอทเกือบ 3 ล้านที่จะอัดแน่นในช่วงว่างเท่านิ้วโป้งของคน ควอนตัมดอทขนาดใหญ่สามารถผลิตได้โดยการสังเคราะห์แบบคอลลอยด์ ซึ่งเป็นวิธีที่เหมาะสมที่จะนำไปใช้ทางการค้า และมีความเป็นพิษน้อยกว่าวิธีอื่น สุญญากาศ
"คุณภาพของสุญญากาศ" หมายถึงระดับของสภาวะที่เข้าใกล้สุญญากาศสมบูรณ์ ความดันของแก๊สที่เหลืออยู่จะถูกใช้เป็นตัววัดคุณภาพของสุญญากาศเป็นหลัก โดยการวัดในหน่วยทอรร์ (Torr) หรือหน่วยเอสไออื่น ๆ ความดันแก๊สที่ยิ่งเหลือน้อยจะหมายถึงคุณภาพที่ยิ่งมากขึ้น ถึงแม้ว่าจะมีตัวแปรอื่นที่ต้องตัดออกในภายหลัง ทฤษฎีควอนตัมได้กำหนดขอบเขตสำหรับคุณภาพของสุญญากาศที่ดีที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ จึงทำให้คาดเดาได้ว่าไม่มีปริมาตรของช่องว่างใดที่จะทำให้เป็นสุญญากาศได้อย่างสมบูรณ์ อวกาศเป็นสภาพสุญญากาศที่มีคุณภาพสูงโดยธรรมชาติ และสุญญากาศที่มีคุณภาพสูงกว่านั้นสามารถสร้างขึ้นได้ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน สำหรับสุญญากาศคุณภาพต่ำได้ถูกใช้เพื่อการดูดและการสูบมากว่าหลายพันปีแล้ว หลักความไม่แน่นอน
สำหรับกลศาสตร์ควอนตัม เราสามารถอธิบายอนุภาคได้ด้วยคุณสมบัติของคลื่น ตำแหน่ง คือที่ที่คลื่นอยู่อย่างหนาแน่น และโมเมนตัมก็คือความยาวคลื่น ตำแหน่งนั้นไม่แน่นอนเมื่อคลื่นกระจายตัวออกไป และโมเมนตัมก็ไม่แน่นอนในระดับที่ไม่อาจระบุความยาวคลื่นได้ การทดลองของสเติร์น-เกอร์แลค
การทดลองของสเติร์น-เกอร์แลค ตั้งชื่อตาม ออตโต สเติร์น และ วอลเทอร์ เกอร์แลค เป็นการทดลองในปี ค.ศ. 1922 ที่มีความสำคัญยิ่งในสาขากลศาสตร์ควอนตัม โดยทดสอบดูทิศทางการหักเหของอนุภาคซึ่งใช้ในการวางหลักการพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม และเป็นตัวบ่งชี้ว่าอิเล็กตรอนและอะตอมมีคุณสมบัติควอนตัมภายใน และการตรวจวัดในกลศาสตร์ควอนตัมมีผลกระทบต่อตัวระบบที่กำลังตรวจวัดนั้นเองด้วย การวัด
[[กลศาสตร์ควอนตัม]]ได้ให้ความหมายของการวัดไว้ว่าเป็น "การยุบตัวของฟังก์ชันคลื่น" ความหมายที่กำกวมเช่นนี้มาจาก[[ปัญหาการวัด]]ซึ่งเป็นข้อปัญหาพื้นฐานที่แก้ไม่ได้ของกลศาสตร์ควอนตัม ซีนอน
ซีนอนเป็นธาตุที่ถูกค้นพบโดย Sir William Ramsey และ M.W.Travers เมือ่ปี ค.ศ.1898 ซึ่งการค้นพบซีนอนนั้นเกิดจากการที่พยายามทำให้แก๊ส คริปทอน(Kr)บริสุทธิ์โดยการกลั่นแบบลำดับส่วนจึงทำให้พบแก๊สที่มีความหนาแนนสูงผิดปกติและทราบว่าเป็นธาตุใหม่จากการศึกษาสเปกตรัมซึ่งคำว่า "xenon" มาจากภาษากรีก หมายถึง "the stranger" ซึ่งหมายถึงคนแปลกหน้า และธาตุซีนอนมีการปรากฏเพียงแค่ 0.006 ใน 1 ล้านส่วน ในชั้นบรรยากาศ  ควอนตัมดอต
ช่วงชีวิตของการเกิดฟลูออเรสเซนส์พิจารณาจากขนาดของควอนตัมดอท ดอทที่มีขนาดใหญ่จะมีระดับพลังงานที่ใกล้กันมาก ซึ่งคู่ของอิเล็กตรอนและช่องว่างจะถูกจับ คู่ของอิเล็กตรอนและช่องว่างในดอทขนาดใหญ่จะอยู่ได้นานกว่าจึงมีช่วงชีวิตที่ยาวกว่า เช่นเดียวกับผลึกของสารกึ่งตัวนำ คลื่นไฟฟ้าของควอนตัมดอทจะทำงานบนชั้นของผลึก คล้ายกับโมเลกุลที่ ควอนตัมดอทจะมีสเปกตรัมพลังงานและความเข้มของสถานะอิเล็กทรอนิกส์ใกล้กับช่องว่างระหว่างแกบ ควอนตัมดอทสามารถสร้างได้จากเปลือกขนาดใหญ่หรือหนา ความหนาของเปลือกมีความสัมพันธ์โดยตรงกับคุณสมบัติทางสเปกโทรสโคปิกของอนุภาคเป็นช่วงชีวิตและปลดปล่อยความเข้ม แต่มีความเสถียรด้วย
ควอนตัมดอทมีความสำคัญในการใช้งานด้านการมองเห็น ในการใช้งานทางอิเล็กทรอนิกส์ นำไปใช้เป็นทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดียว เพราะมีผลกระทบคูลอมบ์ ควอนตัมดอทนำไปใช้ได้ทางด้านการประมวลผลข้อมูลเชิงควอนตัม ความสามารถในการเปลี่ยนขนาดของควอนตัมดอทเป็นข้อดีในการนำไปใช้งาน ควอนตัมดอทขนาดใหญ่จะมีการเปลี่ยนสเปกตรัมไปทางแดงมากกว่าดอทขนาดเล็ก และแสดงคุณลักษณะทางควอนตัมน้อยกว่า อนุภาคขนาดเล็กจะมีข้อดีในด้านมีผลกระทบควอนตัมมากกว่า ในทิศทางศูนย์ ควอนตัมดอทมีความเข้มที่คมของระยะมากกว่าโครงสร้างที่มีทิศทางสูงกว่า จึงมีการนำพลังที่สูงกว่าและคุณสมบัติต่อการมองเห็น และมีงานวิจัยเพื่อนำไปใช้เช่นเลเซอร์ไดโอด ตัวขยายสัญญาณ และเซนเซอร์ทางชีวภาพ ควอนตัมดอทจะตื่นตัวภายในสนามแม่เหล็กที่ผลิตโดยอนุภาคนาโนของทอง ทำให้เห็นพลาสมอนเรโซแนนท์ ในสเปกตรัมของผลึกนาโน (CdSe)ZnS ได้ควอนตัมดอทที่มีคุณภาพสูง เหมาะสำหรับการมองเห็นและการใช้งานที่มีการปล่อยสเปกตรัมแคบๆ รูปแบบใหม่ของควอนตัมดอท มีศักยภาพในการเข้าถึงระยะไกลในการศึกษาเกี่ยวกับโครงสร้างภายในเซลล์ กระบวนการภายในเซลล์ระดับโมเลกุลเดียว ภาพถ่ายเซลล์ที่มีความละเอียดสูง การตรวจสอบในสิ่งมีชีวิตจริงระยะยาวในการสื่อสารระหว่างเซลล์ การเกิดเนื้องอกและการวินิจฉัย
เทคโนโลยีควอนตัมดอทเป็นคู่แข่งที่สำคัญของการคำนวณควอนตัม ในสถานะของแข็ง โดยการให้ความต่างศักย์เล็กน้อยชักนำการไหลของอิเล็กตรอนผ่านควอนตัมดอท จะถูกควบคุมได้อย่างแม่นยำ และคุณสมบัติอื่นๆสามารถสร้างขึ้นได้ การคำนวณทางควอนตัมและคอมพิวเตอร์สามารถทำให้เป็นไปได้ ควอนตัมดอต
คุณลักษณะด้านการมองเห็นของควอนตัมดอทที่เป็นคอลลอยด์คือสี เมื่อวัสดุที่นำมาทำควอนตัมดอทมีพลังงาน ผลึกนาโนของควอนตัมจะมีขนาดที่ใกล้เคียงกับพลังงานในช่องว่างระหว่างแถบ ควอนตัมดอทของวัสดุเดียวกันแต่มีขนาดต่างกันจะให้สีต่างกัน เหตุผลทางฟิสิกส์คือผลจากขีดขั้นของพลังงาน ดอทที่มีขนาดใหญ่กว่ามีพลังงานต่ำกว่าจะให้สีแดง ดอทที่มีขนาดเล็กจะให้สีน้ำเงินและมีพลังงานสูงกว่า การเปลี่ยนสีจะมีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับระดับพลังงานของควอนตัมดอท พลังงานระหว่างช่องว่างจะเป็นตัวกำหนดพลังงานและสี ที่สัมพันธ์กับขนาดของดอท ควอนตัมดอทขนาดใหญ่ที่มีระดับพลังงานสูงจะมีช่องว่างที่แคบ ทำให้ควอนตัมดอทดูดซับโฟตอนที่มีพลังงานต่ำช่วงที่สเปกตรัมใกล้สีแดง  ฟิสิกส์ของอนุภาค
การวิจัยด้านฟิสิกส์ของอนุภาคที่ทันสมัยจะมุ่งเน้นไปที่อนุภาคของอะตอมย่อย () รวมทั้งองค์ประกอบที่สร้างขึ้นเป็นอะตอมเช่นอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน (โปรตอนและนิวตรอนเป็นอนุภาคผสมที่เรียกว่าแบริออน ทำจากหลายควาร์ก) ที่ผลิตโดยกระบวนการกัมมันตรังสีและการกระจัดกระจาย เช่นโฟตอน นิวตริโน และมิวออน เช่นเดียวกับอีกหลากหลายของอนุภาคที่แปลกใหม่ ไดนามิกส์ของอนุภาคทั้งหลายยังถูกควบคุมโดยกลศาสตร์ควอนตัมอีกด้วย; โดยพวกมันจะแสดงออกเป็นสองภาคของคลื่นและของอนุภาค () นั่นคือมันจะแสดงพฤติกรรมเหมือนกับเป็นอนุภาคภายใต้สภาวะการทดลองบางอย่างและพฤติกรรมเหมือนกับเป็นคลื่นในสภาวะอื่น ๆ ในความหมายทางเทคนิคมากขึ้น พวกมันจะถูกอธิบายโดยเวกเตอร์ของสภาวะควอนตัมใน Hilbert space, ซึ่งถูกปฏิบัติในทฤษฎีสนามควอนตัมเช่นกัน หลังจากการประชุมของนักฟิสิกส์ด้านอนุภาค คำว่าอนุภาคมูลฐานถูกนำไปใช้กับอนุภาคเหล่านั้นที่ถูก(ตามที่เข้าใจในปัจจุบัน)สันนิษฐานว่าเป็นพวกที่แบ่งแยกไม่ได้และไม่ประกอบด้วยอนุภาคอื่น ๆ ควาร์ก
ควาร์กมีค่าประจุไฟฟ้าเป็นเศษส่วน คือ − or + ของขนาดประจุมูลฐานขึ้นกับว่าเป็นเฟลเวอร์อะไร ถ้าเป็นควาร์กแบบอัพ ชาร์ม และท็อป (รวมๆ กันมักเรียกว่า "ควาร์กประเภทอัพ") จะมีประจุ + ขณะที่ควาร์กแบบดาวน์ สเตรนจ์ และบ็อททอม ("ควาร์กประเภทดาวน์") จะมีประจุ − ปฏิควาร์กจะมีประจุตรงกันข้ามกับควาร์กที่เป็นคู่ของมัน คือ ปฏิควาร์กประเภทอัพมีประจุ − และปฏิควาร์กประเภทดาวน์มีประจุ + ในเมื่อประจุไฟฟ้าของแฮดรอนนั้นเป็นผลรวมของประจุของควาร์กทั้งหมดที่เป็นส่วนประกอบ ดังนั้นแฮดรอนทั้งหมดจึงมีประจุเป็นจำนวนเต็ม ส่วนประสมของควาร์ก 3 ตัว (แบริออน), ปฏิควาร์ก 3 ตัว (ปฏิแบริออน) หรือควาร์กและปฏิควาร์ก 1 ตัว (มีซอน) ก็มีค่าประจุเป็นจำนวนเต็มเสมอ ยกตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบนิวเคลียสอะตอมของแฮดรอนประกอบด้วยนิวตรอนและโปรตอน มีประจุ 0 และ +1 ตามลำดับ โดยที่นิวตรอนประกอบด้วยดาวน์ควาร์ก 2 ตัวและอัพควาร์ก 1 ตัว ส่วนโปรตอนประกอบด้วยอัพควาร์ก 2 ตัวและดาว์นควาร์ก 1 ตัว กลศาสตร์ดั้งเดิม
ในทางฟิสิกส์ กลศาสตร์ดั้งเดิมอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุขนาดใหญ่โดยแปลงการเคลื่อนที่ต่าง ๆ ให้กลายเป็นส่วนของเครื่องจักรกล เหมือนกันกับวัตถุทางดาราศาสตร์ อาทิ ยานอวกาศ ดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ และ ดาราจักร รวมถึงครอบคลุมไปยังทุกสถานะของสสาร ทั้งของแข็ง ของเหลว และแก๊ส โดยจะให้ผลลัพธ์ที่มีความแม่นยำสูง แต่เมื่อวัตถุมีขนาดเล็กหรือมีความเร็วที่สูงใกล้เคียงกับความเร็วแสง กลศาสตร์ดั้งเดิมจะมีความถูกต้องที่ต่ำลง ต้องใช้กลศาสตร์ควอนตัมในการศึกษาแทนกลศาสตร์ดั้งเดิมเพื่อให้มีความถูกต้องในการคำนวณสูงขึ้น โดยกลศาสตร์ควอนตัมจะเหมาะสมที่จะศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุที่มีขนาดเล็กมาก ซึ่งได้ถูกปรับแต่งให้เข้ากับลักษณะของอะตอมในส่วนของความเป็นคลื่น-อนุภาคในอะตอมและโมเลกุล แต่เมื่อกลศาสตร์ทั้งสองไม่สามารถใช้ได้ จากกรณีที่วัตถุขนาดเล็กเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง ทฤษฎีสนามควอนตัมจึงเป็นตัวเลือกที่นำมาใช้ในการคำนวณแทนกลศาสตร์ทั้งสอง อะตอม
ช่วงคริสต์ทศวรรษ 1950 มีการพัฒนาเครื่องเร่งอนุภาคและเครื่องตรวจจับอนุภาค ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาผลกระทบจากการเคลื่อนที่ของอะตอมที่ระดับพลังงานสูง ๆ ได้[42] มีการค้นพบฮาดรอนเป็นส่วนประกอบย่อยของนิวตรอนและโปรตอน ซึ่งเป็นอนุภาคประกอบขึ้นจากชิ้นส่วนที่เล็กกว่าเรียกว่า ควาร์ก แบบจำลองมาตรฐานทางนิวเคลียร์ฟิสิกส์ได้รับการพัฒนาขึ้นจนสามารถอธิบายคุณลักษณะของนิวเคลียสได้อย่างสมบูรณ์ในรูปแบบของอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมและแรงต่าง ๆ ที่มีผลต่อปฏิกิริยาของอนุภาคเหล่านั้น[43] ประวัติศาสตร์ฟิสิกส์
ในช่วงต้นของ ค.ศ. 1900 แมกซ์ พลังค์ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นีลส์ บอห์ร และคนอื่น ๆ ได้พัฒนาทฤษฎี ควอนตัม เพื่ออธิบายผลการทดลองที่ต่างออกไป เช่น ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก และสเปกตรัมของ วัตถุดำ โดยการเสนอระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องกันและในปี ค.ศ. 1925 วูล์ฟกัง เพาลี ได้ตั้ง หลักการกีดกันของเพาลี และแนะนำการมีอยู่ของ สปิน ที่ควอนไทซ์กับ เฟอร์มิออน ในปีนั้น Erwin Schrödinger ได้เขียนสูตร กลศาสตร์คลื่น ซึ่งได้ให้กลักการทางคณิตศาสตร์สำหรับบรรยายสถานการณ์ทางฟิสิกส์จำนวนมากเช่น อนุภาคในกล่อง และ quantum harmonic oscillator ซึ่งเขาแก้เป็นครั้งแรก เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก ได้บรรยายเมื่อ ค.ศ. 1925 ถึงหลักการทางคณิตศาสตร์ที่แหวกแนวเช่นกัน เรียกว่า matrix mechanics ซึ่งพิสูจน์ว่าเทียบเท่ากับกลศาสตร์คลื่น ในปี ค.ศ. 1928 พอล ดิแรก ได้สร้างสูตรเชิงสัมพัทธภาพมาจาก matrix mechanics ของไฮเซนเบิร์ก และทำนายการมีอยู่ของ โพซิตรอน กับค้นพบ quantum electrodynamics พอล ดิแรก
ดิแรกได้รับการยกย่องในฐานะหนึ่งในบิดาของควอนตัวฟิสิกส์ เขาเขียนตำราเกี่ยวกับวิชาควอนตัมชื่อว่า The Principle of Quantum Mechanics ซึ่งตีพิมพ์ครั้งแรกในปี ค.ศ.1930 และยังคงถือเป็น "คำภีร์ไบเบิล" ของวิชากลศาสตร์ควอนตัมจนถึงปัจจุบัน   ประจุไฟฟ้า
การทดลองเรื่องหยดน้ำมัน ในศตวรรษที่ยี่สิบได้แสดงให้เห็นว่า ประจุจะถูก "quantized"; นั่นคือ ประจุของวัตถุใด ๆ จะมีค่าเป็นผลคูณที่เป็นจำนวนเต็มของหน่วยเล็ก ๆ แต่ละตัวที่เรียกว่า ประจุมูลฐาน หรือค่า "e" (เช่น 0e, 1e, 2e แต่ไม่ใช่ 1/2e หรือ 1/3e) "e" มีค่าประมาณเท่ากับ (ยกเว้นสำหรับอนุภาคที่เรียกว่า ควาร์ก ซึ่งมีประจุที่มีผลคูณที่เป็นจำนวนเต็มของ "e/3") โปรตอน มีประจุเท่ากับ +"e" และ อิเล็กตรอน มีประจุเท่ากับ -"e" การศึกษาเกี่ยวกับอนุภาคที่มีประจุและการปฏิสัมพันธ์ของพวกมันจะถูกไกล่เกลี่ยโดย โฟตอน ได้อย่างไรจะเรียกว่า ไฟฟ้าพลศาสตร์ควอนตัม ควาร์ก
สปิน คือคุณสมบัติภายในของอนุภาคพื้นฐาน ทิศทางของสปินเป็นองศาอิสระที่มีความสำคัญ ในบางครั้งอาจมองภาพเป็นการหมุนของวัตถุรอบแกนของมันเองก็ได้ (ซึ่งเป็นที่มาของคำว่า สปิน ที่หมายถึง การปั่น) แม้จะเป็นการชี้นำที่ผิดไปบ้างในระดับของอนุภาคย่อยของอะตอมเนื่องจากเชื่อกันว่าอนุภาคพื้นฐานนั้นมีลักษณะเป็นจุด หลุมดำ
เมื่อวัตถุเคลื่อนที่เข้าใกล้เอกภาวะมาก ๆ ด้วยแรงไทดัลที่มีค่าอนันต์ ส่วนประกอบทั้งหมดของวัตถุรวมไปถึงอะตอม และอนุภาคขนาดเล็กกว่าอะตอม จะถูกฉีกออกจากกันก่อนที่จะถึงเอกภาวะ โดยที่ไม่สามารถทราบผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นภายในเอกภาวะ แต่เชื่อว่าจากทฤษฎีควอนตัมโน้มถ่วง ต้องการที่จะอธิบายเหตุการณ์บริเวณใกล้เคียง เมื่อวัตถุข้ามผ่านไปในขอบฟ้าเหตุการณ์ มันจะหายไปจากเอกภพภายนอก ผู้สังเกตการณ์ระยะไกลจะมองเห็นการเปลี่ยนแปลงของมวล ประจุ และโมเมนตัมเชิงมุมเล็กน้อย ไม่ว่าอะไรก็ตามที่ผ่านจุดนี้ไปจะไม่สามารถเป็นตัวอย่างศึกษาได้อีกต่อไป จากภายนอกเอกภพ พบว่าหินที่ถูกโยนเข้าไปในหลุมหนึ่งล้านปีที่แล้วยังไม่สามารถที่จะผ่านขอบฟ้าไปได้ตามทฤษฏีอาจต้องมีการแก้ไข เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม
โดยที่ สารประกอบโคออร์ดิเนชัน
สารประกอบโคออร์ดิเนชัน () หรือสารเชิงซ้อนโคออร์ดิเนชัน (coordination complexes) หมายถึง สารประกอบที่ประกอบด้วย โคออร์ดิเนชันเอนทิตี (coordination entity) หรือ โคออร์ดิเนชันสเฟียร์ (coordination sphere) ซึ่ง โคออร์ดิเนชันเอนทิตี คือ ไอออนหรือโมเลกุลที่ประกอบด้วย อะตอมกลาง (central atom)(โดยปกติแล้วจะเป็นอะตอมของธาตุโลหะ) สร้างพันธะเชื่อมต่อกับอะตอมหรือกลุ่มของอะตอมรอบๆ แต่ละอะตอมหรือกลุ่มอะตอมดังกล่าวที่สร้างพันธะกับอะตอมกลางเรียกว่า ลิแกนด์ (ligand)  ขั้นตอนวิธีของชอร์
ในการแยกตัวประกอบโดยใช้ขั้นตอนวิธีของชอร์นั้นประกอบด้วย2ส่วนคือแนวคิดที่จะใช้การคำนวณต่าง ๆ บนอุปกรณ์ที่อยู่ทำงานด้วยพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัมเริ่มมีการนำเสนอมาตั้งแค่ทศวรรษที่ 1970 จากทั้งนักคอมพิวเตอร์ และนักฟิสิกส์หลายคน โดยแนวคิดนี้เริ่มต้นมาจากการที่พวกเขาทั้งหลายได้เริ่มไตร่ตรองถึงขีดจำกัดในการคำนวณ เนื่องมาจากกฎของมัวร์ (Moore’s law) ซึ่งจะทำให้ขนาดวงจรบนชิพซิลิกอนนั้นมีขนาดเล็กลงไปเรื่อย ๆ จนถึงขนาด 2-3 อะตอม ซึ่งถ้าหากมีขนาดเล็กขนาดนั้นก็จะทำให้อะตอมแสดงคุณสมบัติของควอนตัมออกมาในวงจร จึงเกิดแนวคิดเกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ชนิดใหม่ที่จะทำงานบนพื้นฐานของกฎทางกลศาสตร์ควอนตัม อนุภาคเหมือน
ให้ n แสดงถึงเลขควอนตัมที่ไม่ต่อเนื่องสำหรับการระบุสถานะของอนุภาคเดี่ยว (ตัวอย่างเช่น สำหรับปัญหาเกี่ยวกับอนุภาคที่อยู่ในกล่อง ให้แทน n เป็น quantized wave vector ของ wavefunction) เพื่อให้ง่ายจะพิจารณาระบบที่ประกอบด้วย 2 identical particles สมมติว่าอนุภาคหนึ่งอยู่ในสถานะ n และอีกตัวหนึ่งอยู่ในสถานะ n จะได้สถานะควอนตัมของระบบเป็น อะตอม
ปริมาณพลังงานที่จำเป็นต้องใช้ (ทั้งแบบเพิ่มเข้าไปหรือปลดปล่อยออกมา) ในการเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนนี้น้อยกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนมาก เช่น จำเป็นต้องใช้พลังงานเพียง 13.6 eV เพื่อให้อิเล็กตรอนจากอะตอมของไฮโดรเจนเปลี่ยนระดับลงไปยังสถานะพื้น[61] เทียบกับพลังงาน 2.23 ล้าน eV ในการแยกนิวเคลียสของดิวเทอเรียม[62] อะตอมมีประจุเป็นกลางถ้ามันมีจำนวนโปรตอนกับอิเล็กตรอนเท่ากัน อะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากหรือน้อยกว่าปกติเรียกว่า ไอออน อิเล็กตรอนที่อยู่ไกลจากนิวเคลียสมากอาจถ่ายโอนไปยังอะตอมข้างเคียง หรืออยู่ร่วมระหว่างสองอะตอมก็ได้ ด้วยกลไกนี้ อะตอมจึงสามารถเกิดพันธะเคมีกลายเป็นโมเลกุลและสารประกอบเคมีอื่น ๆ เช่น การเกิดผลึกแบบไอโอนิกคริสตัลหรือโคเวเลนต์[63] การแผ่รังสีของวัตถุดำ
โดยที่
ทำให้ภายหลังมีนักวิทยาศาสต์ท่านอื่นนำแนวคิดจากทฤษฎีที่พลังค์นำเสนอไปใช้อธิบายปรากฏการณ์อื่นๆ ในระดับอนุภาคได้ เช่นการอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก การกระเจิงคอมตันป์ เรียกได้ว่า แมกซ์ พลังค์ ถือเป็นบิดาของวิชาควอนตัมที่ให้กำเนิดวิชาควอนตัมที่ใช้ในการศึกษาปรากฏการณ์ในระดับอนุภาคที่เป็นอยู่ในปัจจุบันนั่นเอง ควอนตัมดอต
โดยปกติ โลหะแคดเมียมเป็นตัวนำไฟฟ้า แต่ ซีลีเนียมไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ แต่เมื่อนำโลหะสองชนิดมารวมกัน บวกกับการกระตุ้นจากภายนอก แคดเมียมซีลีไนด์ สามารถนำไฟฟ้าได้ ควอนตัมดอต
ควอนตัมดอทแบบรวบรวมตนเองโดยทั่วไปมีขนาด 5-50 nm ควอนตัมดอทกำหนดโดยอิเล็กโทรดแบบลิโทกราฟิกหรือโดยการฉีดอิเล็กตรอนในรูปแก๊สสองมิติในสารกึ่งตัวนำที่มีรูปร่างต่างๆกัน ทำให้ขยายด้านข้างให้ถึง 100 nm ควอนตัมดอทบางชนิดเป็นพื้นที่เล็กๆของวัสดุหนึ่งที่จับกับช่องว่างระหว่างแถบที่ขนาดใหญ่กว่า ซึ่งอาจเรียกได้ว่าโครงสร้างแบบแกน-เปลือก เช่น CdSe ที่ศูนย์กลางและ ZnS ที่เปลือกหรือโครงสร้างพิเศษของซิลิกาที่เรียกออสโมซีล ควอนตัมดอทบางชนิดเกิดได้เองในโครงสร้างควอนตัมเวล เนื่องจากเกิดโครงสร้างเป็นชั้นภายในควอนตัมเวล การทดลองของสเติร์น-เกอร์แลค
ในยุคที่ทำการทดลอง แบบจำลองดีที่สุดที่ใช้อธิบายอะตอมคือแบบจำลองของบอร์ ซึ่งบอกว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบๆ นิวเคลียสประจุบวกภายในขอบเขตออร์บิทัลของอะตอมที่แยกเป็นชั้นๆ ตามระดับพลังงาน โดยเหตุที่อิเล็กตรอนถูกควอนไตซ์ให้มีตำแหน่งที่แน่นอนในอวกาศ การแบ่งแยกเป็นระดับชั้นพลังงานที่แยกกันนี้จึงเรียกว่าเป็นการควอนไตซ์ในอวกาศ (space quantization) การทดลองของสเติร์น-เกอร์แลคต้องการทดสอบสมมุติฐานของบอร์-ซอมเมอร์เฟลด์ว่าทิศทางของโมเมนตัมเชิงมุมของอะตอมธาตุเงินนั้นควอนไตซ์จริงหรือไม่ อะตอม
การพัฒนาของเครื่องวิเคราะห์มวล (mass spectrometer) ทำให้สามารถตรวจวัดมวลที่แน่นอนของอะตอมได้ อุปกรณ์นี้อาศัยแม่เหล็กในการเบี่ยงเบนวิถีของลำอนุภาคไอออน และตรวจวัดปริมาณการหักเหจากอัตราส่วนระหว่างมวลอะตอมกับประจุของมัน นักเคมี ฟรานซิส วิลเลียม แอสตันใช้เครื่องมือนี้เพื่อแสดงให้เห็นว่าไอโซโทปมีมวลที่ต่างออกไป มวลอะตอมของไอโซโทปเหล่านี้จะแปรค่าไปเป็นจำนวนเต็มบวก เรียกว่า กฎของเลขจำนวนเต็ม (whole number rule) [36] การอธิบายไอโซโทปที่แตกต่างเหล่านี้ต้องรอไปอีกจนกระทั่งมีการค้นพบนิวตรอน หรืออนุภาคที่มีประจุเป็นกลางซึ่งมีมวลเท่ากับโปรตอน นักฟิสิกส์ชื่อ เจมส์ แคดวิคค้นพบนิวตรอนในปี ค.ศ. 1932 จึงทำให้สามารถอธิบายไอโซโทปได้ในฐานะธาตุที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่มีจำนวนนิวตรอนภายในนิวเคลียสที่แตกต่างออกไป[37] ผลรวมเชิงเส้นของออร์บิทัลเชิงอะตอม
ผลรวมเชิงเส้นของออร์บิทัลเชิงอะตอม () เป็นหลักการซ้อนทับทางควอนตัม (quantum superposition) ของออร์บิทัลเชิงอะตอม (atomic orbitals) และเป็นเทคนิคที่ใช้ในการคำนวณออร์บิทัลเชิงโมเลกุล(molecular orbital) ในเคมีควอนตัม ในทางกลศาสตร์ควอนตัมนั้น โครงแบบอิเล็กตรอนของอะตอมถูกอธิบายเป็นฟังก์ชันคลื่น (wavefunctions) ในทางคณิตศาสตร์ฟังก์ชันคลื่นเหล่านี้สามารถบวกและลบกันได้และหลักการนี้ได้ถูกใช้ในการอธิบายการเกิดพันธะเคมี สำหรับโมเลกุลอะตอมคู่ อาทิ ไฮโดรเจน H  แรง
ในศตวรรษที่ 20 การพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมนำไปสู่ความเข้าใจสมัยใหม่ว่าแรงพื้นฐานทั้งสาม(ยกเว้นแรงโน้มถ่วง)เป็นปรากฏการณ์ของ สสาร(เฟอมิออนส์) ที่มีปฏิกิริยาโดยการแลกเปลี่ยนกับ ปฏิอนุภาคที่เรียกว่า เกจ โบซอน แบบจำลองมาตรฐานฟิสิกส์ของอนุภาคนี้อนุมานถึงความคล้ายคลึงกันระหว่างแรง และทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถคาดเดาการรวมตัวกันของแรงแบบอ่อน และแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ในทฤษฎีอิเล็กโตร-วีค ซึ่งได้รับการยืนยันในภายหลังโดยการสังเกต ซึ่งรูปแบบที่สมบูรณ์ของแบบจำลองมาตรฐาน ได้ทำการสังเกตการณ์การสั่นของอนุภาคนิวทริโน ซึ่งบอกได้ว่าโมเดลมาตรฐานนั้นไม่สมบูรณ์  อนุภาคย่อยของอะตอม
ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคต่างๆในกรอบงานของทฤษฎีสนามควอนตัมถูกเข้าใจว่าเป็นการสร้างและการทำลายล้างของ"ควอนตัมทั้งหลาย"ของ"อันตรกิริยาพื้นฐาน"ที่สอดคล้องกัน สิ่งนี้จะผสมผสานฟิสิกส์ของอนุภาคเข้ากับทฤษฎีสนามควอนตัม แฮมิลโทเนียน (กลศาสตร์ควอนตัม)
แฮมิลโทเนียนมาจากชื่อของเซอร์วิลเลียม โรวัน แฮมิลตัน ซึ่งเป็นผู้ปฏิรูปการปฏิวัติของกลศาสตร์นิวโทเนียน (Newtonian mechanics) ซึ่งปัจจุบันมีชื่อเรียกว่า กลศาสตร์แฮมิลโทเนียน (Hamiltonian mechanics) และเป็นสิ่งที่สำคัญมากในวิชาฟิสิกส์ควอนตัม (quantum physics)  เลขควอนตัมแม่เหล็ก
ในฟิสิกส์อะตอม เลขควอนตัมแม่เหล็ก () สัญลักษณ์ คือ m เป็นหนึ่งในเลขควอนตัม ()  ซึ่งใช้อธิบายสถานะของอิเล็กตรอนในอะตอม เลขควอนตัมแม่เหล็กจะแสดงจำนวนออบิทัลตามระดับพลังงานย่อย และใช้เพื่อแสดงความสัมพันธ์กับเลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม () ของออบิทัล  ควอนตัมเอนแทงเกิลเมนต์
สมมติฐานของกลศาสตร์ควอนตัมเกี่ยวกับระบบที่มีความสัมพันธ์อย่างมากถูกนำมาอภิปรายโดย Albert Einstein ในปี 1935 ในงานวิจัยร่วมกับ Boris Podolsky และ Nathan Rosen ในการวิจัยนั้นพวกเขาได้ก่อตั้งแนวคิด EPR paradox (Einstein, Podolsky, Rosen paradox) ที่ว่าการทดลองที่พยายามจะแสดงว่าทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมยังไม่เสร็จสิ้นสมบูรณ์ พวกเขาเขียนไว้ว่า "We are thus forced to conclude that the quantum-mechanical description of physical reality given by wave functions is not complete." ตารางธาตุ
หมู่ เป็นแถวแนวตั้งในตารางธาตุ หมู่ยังถูกใช้เพื่อตรวจสอบแนวโน้มของธาตุ ซึ่งเห็นชัดได้กว่าคาบหรือบล็อก ทฤษฎีควอนตัมของอะตอมได้อธิบายว่าธาตุในหมู่เดียวกันมีสมบัติทางเคมีเหมือนกัน เนื่องจากมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่เหมือนกันในวงวาเลนซ์ของมัน[7] ดังนั้นธาตุในหมู่เดียวกันมักจะมีสมบัติทางเคมีที่ชัดเจนขึ้นเมื่อเลขอะตอมมากขึ้น[8] ถึงอย่างนั้น บางส่วนของตารางธาตุก็ไม่ได้เป็นไปตามนี้ เช่นธาตุในบล็อก-d หรือบล็อก-f[9][10][11] รัศมีอะตอม
คือระยะทางครึ่งหนึ่งของระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมสองอะตอมที่อยู่ใกล้กันที่สุดโดยรัศมีแวนเดอร์วาลส์นี้จะเกิดขึ้นในแก๊สเฉื่อยซึ่งไม่มีพันธะกับอะตอมอื่นหรือได้จากโมเลกุลโควาเลนต์สองโมเลกุลที่สัมผัสกัน อะตอม
นิวตรอนกับโปรตอนต่างเป็นเฟอร์มิออนเพียงแต่เป็นคนละชนิด ตามหลักการกีดกันของเพาลี คือผลจากแรงควอนตัมทำให้เฟอร์มิออน ที่เทียบเท่ากัน ไม่สามารถมีสถานะควอนตัมเดียวกันในเวลาเดียวกันได้ ดังนั้นโปรตอนทุกตัวในนิวเคลียสจึงต้องดำรงอยู่ในสถานะที่แตกต่างกันด้วยระดับพลังงานต่าง ๆ ของตัวเอง กฎเดียวกันนี้ยังใช้กับนิวตรอนทั้งหมดด้วย แต่ไม่ได้ห้ามโปรตอนกับนิวตรอนให้มีสถานะควอนตัมอันเดียวกัน[52] ไทบีเรียม
ไทบีเรียม () เป็นสารในจินตนาการ ซึ่งเป็นปมหลักในเกมซีรีส์ คอมมานด์ & คองเคอร์ โดยจากการสร้างอุกกาบาต ของมนุษย์ต่างดาวสคริน แร่ไทบีเรียมเป็นทั้งเครื่องมือและทรัพยากรในการทำสงครามภายในเกม ซึ่งแต่ละฝ่ายในเกมจะต่อสู้โดยตรงหรือโดยอ้อมเพื่อครอบครองแร่ไทบีเรียมดังกล่าว ไทบีเรียมกำหนดมาจากนอกอวกาศ และมีหลายรูปแบบ แต่ส่วนใหญ่จะพบในลักษณะเป็นผลึกสีเขียว ไปจนถึงผลึกสีน้ำเงิน หรืออาจพบในรูปแบบของ "แนวแร่" เดิมที แร่ไทบีเรียมไม่ได้อยู่ในสถานะของเหลว แต่สามารถผลิตขึ้นในสถานะของแข็งได้ในสงครามไทบีเรียม คริปทอน
คริปทอน() คือธาตุเคมีที่มีหมายเลขอะตอม 36 และสัญลักษณ์คือ Kr คริปทอนอยู่ในตารางธาตุหมู่ 8 คริปทอนเป็นก๊าซเฉื่อยไม่มีสีมีเล็กน้อยในธรรมชาติ สามารถแยกออกจากอากาศได้โดยอัดอากาศให้เป็นของเหลว ใช้บรรจุในหลอดฟลูโอเรสเซนต์ คริปทอนเป็นก๊าซมีตระกูลแต่ก็สามารถทำปฏิกิริยากับฟลูออรีนได้ เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม
เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม บอกให้ทราบถึงจำนวนและชนิดของระดับพลังงานย่อย (subshell) ทำให้ทราบว่ามีจำนวนออร์บิทัลเท่าใด และเมื่อทราบจำนวนออร์บิทัลจะทราบว่าแต่ละออร์บิทัลทำมุมกันเท่าใด จึงทราบว่ารูปร่างของกลุ่มออร์บิทัลเป็นแบบใด ค่า ℓ ขึ้นกับเลขควอนตัมหลัก (n) มีค่าเป็นจำนวนเต็มบวกเสมอ (ℓ = 0, 1, 2, … ถึง n-1) อนุภาคย่อยของอะตอม
เคมีศาสตร์มีความกังวลตัวเองเกี่ยวกับวิธีการที่อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันผูกกับหลายอะตอมกลายเป็นโครงสร้างเช่นผลึกและโมเลกุล ฟิสิกส์นิวเคลียร์จะเกี่ยวข้องกับวิธีการที่โปรตอนและนิวตรอนจัดเรียงตัวพวกมันเองในนิวเคลียส การศึกษาด้านอนุภาคของอะตอม อะตอมและโมเลกุล และโครงสร้างและการมีปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน ต้องใช้กลศาสตร์ควอนตัม กระบวนการการวิเคราะห์ที่เปลี่ยนจำนวนและชนิดของอนุภาคต้องใช้ทฤษฎีสนามควอนตัม การศึกษาเกี่ยวกับตัวอนุภาคของอะตอมเองเรียกว่าฟิสิกส์ของอนุภาค คำว่าฟิสิกส์พลังงานสูงเกือบจะพ้องกับ "ฟิสิกส์ของอนุภาค" เนื่องจากการก่อตั้งอนุภาคต้องใช้พลังงานสูง มันจะเกิดขึ้นได้เป็นผลมาจากรังสีคอสมิกหรือในเครื่องเร่งอนุภาคเท่านั้น ปรากฏการณ์วิทยาด้านอนุภาคเป็นวิชาการที่จัดระบบความรู้เกี่ยวกับอนุภาคของอะตอมที่ได้รับจากการทดลองเหล่านี้ ลำดับสิ่งประดิษฐ์ของสหรัฐ (ค.ศ. 1946–91)
เลเซอร์แบบควอนตัมเวลล์ (English: Quantum well laser) เป็นเลเซอร์ไดโอดในที่ซึ่ง ภูมิภาคที่แอคทีฟของอุปกรณ์เป็นที่แคบจะจนเกิดการเก็บตัวของควอนตัม. ความยาวคลื่นของ แสงที่ปล่อยออกโดยเลเซอร์ควอนตัมเวลล์จะถูกกำหนดโดยความกว้างของพื้นที่แอคทีฟมากกว่าแค่ความกว้างของแถบความถี่ของวัสดุที่มันถูกสร้างขึ้น. ควอนตัมเลเซอร์เวลล์ถูกคิดค้นโดย ชาร์ลส์ เอช เฮนรี นักฟิสิกส์ที่ Bell Labs ในปี 1974และ ได้รับสิทธิบัตรสำหรับมันในปี 1976.[232] อนุภาคมูลฐาน
โดยผ่านทางทฤษฎีควอนตัม โปรตอนและนิวตรอนถูกพบว่าประกอบด้วยควาร์กหลายตัว ได้แก่อัพควาร์กและดาวน์ควาร์ก ซึ่งในปัจจุบันถือว่าพวกนี้เป็นอนุภาคมูลฐาน และภายในโมเลกุลหนึ่ง สามองศาอิสระของอิเล็กตรอน (ประจุ, สปินและวงโคจร) สามารถแยกผ่านทาง wavefunction ออกเป็นสาม'อนุภาคคล้าย' () (Holon, spinon และ Orbiton) แต่อิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งไม่ได้กำลังโคจรรอบนิวเคลียส จะขาดการเคลื่อนไหวในการโคจร และจะปรากฏในรูปที่แบ่งแยกไม่ได้ จึงยังคงถือว่าเป็นอนุภาคมูลฐาน อะตอมฮีเลียม
ในวิชากลศาสตร์ควอนตัม เรามักจะศึกษาอะตอมของไฮโดรเจน ซึ่งเป็นอะตอมที่มีโครงสร้างอย่างง่ายที่สุด อีกอะตอมหนึ่งที่เราชอบใช้ในการศึกษา คืออะตอมของฮีเลียม ฮีเลียมเป็นธาตุที่ประกอบไปด้วยอิเล็กตรอนจำนวนสองตัวซึ่งดึงดูดอยู่กับนิวเคลียสด้วยแรงทางแม่เหล็กไฟฟ้า นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนจำนวนสองตัวและนิวตรอนจำนวนหนึ่งหรือสองตัวตามไอโซโทป ซึ่งยึดเหนี่ยวกันอยู่ภายในด้วยแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม สมการฮาร์มิลโทเนียนของอะตอมฮีเลียม คือ ควอนตัมดอต
ในการวิเคราะห์ทางชีววิทยาสมัยใหม่ สีย้อมอินทรีย์หลายชนิดถูกนำมาใช้ อย่างไรก็ตาม เมื่อเวลาผ่านไป ต้องการความยืดหยุ่นในการใช้สีมากขึ้นซึ่งทำไม่ได้ในการใช้สีย้อมแบบดั้งเดิม จึงนำควอนตัมดอทเข้ามามีบทบาทในส่วนนี้ ซึ่งจะสามารถสังเกตความสว่างและความคงตัว โดยคาดว่าควอนตัมดอทจะสว่างกว่า 20 เท่าและคงตัวมากกว่า 100 เท่า เมื่อเทียบกับสีย้อมฟลูออเรสเซนต์แบบดั้งเดิม การใช้ควอนตัมดอทในการถ่ายภาพภายในเซลล์ ที่ต้องการความไวเป็นความก้าวหน้าหลัก การปรับปรุงความคงตัวของแสงของควอนตัมดอททำให้ถ่ายภาพสามมิติได้คมชัดยิ่งขึ้น การใช้งานอีกอย่างหนึ่งคือการติดตามในช่วงเวลาจริงของโมเลกุลและเซลล์ในช่วงเวลาหนึ่ง แอนติบอดี สเตรปตาวิดิน เปบไทด์ กรดนิวคลีอิก หรือมือจับโมเลกุลขนาดเล็ก สามารถใช้เป็นเป้าหมายของควอนตัมดอทในการจับกับโปรตีนเฉพาะชนิดภายในเซลล์ นักวิจัยสามารถศึกษาควอนตัมดอทในต่อมน้ำเหลืองของหนูเป็นเวลานานกว่า 4 เดือน รัศมีโคเวเลนต์
รัศมีโคเวเลนต์ ("r") คือการวัดขนาดของอะตอมซึ่งประกอบกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ โดยที่หน่วยของรัศมีโคเวเลนต์ที่นิยมใช้ ได้แก่ พิโคเมตร (pm) หรือ อังสตรอม (Å) โดยที่ 1 อังสตรอม เท่ากับ 100 พิโคเมตร ขั้นตอนวิธีของชอร์
ให้ควอนตัมคอมพิวเตอร์มีจำนวนคิวบิตที่เพียงพอ ขั้นตอนวิธีของชอร์จะสามารถถอดรหัสประเภทระบบเข้ารหัสแบบกุญแจอสมมาตรได้ ยกตัวอย่างเช่น รหัสลับRSA โดยRSAนั้นตั้งอยู่บนสมมติฐานที่ว่าการคำนวณหาตัวประกอบของเลขที่มีจำนวนมาก ๆ นั้นเป็นไปไม่ได้ เท่าที่รู้กันสมมติฐานนี้ใช้ได้สำหรับคอมพิวเตอร์ทั่วไป และไม่มีขั้นตอนวิธีใดที่จะทำงานในเวลาไม่เกินฟังก์ชันพหุนาม อย่างไรก็ตามขั้นตอนวิธีของชอร์แสดงให้เห็นถึงวิธีการแยกตัวประกอบที่มีประสิทธิภาพในควอนตัมคอมพิวเตอร์ เพื่อให้ควอนตัมคอมพิวเตอร์มีขนาดที่ใหญ่พอที่จะถอดรหัสRSAได้ จึงสร้างแรงจูงใจอย่างมากในการออกแบบและการสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์ และสำหรับศึกษาแบบวิธีการบนควอนตัมคอมพิวเตอร์ใหม่ ๆ ในขณะที่ก็มีการให้การสนับสนุนการวิจัยระบบการเข้ารหัสแบบใหม่เพื่อสร้างความปลอดภัยจากควอนตัมคอมพิวเตอร์ เรียกว่าวิทยาการเข้ารหัสลับหลังควอนตัม (post-quantum cryptography) ตารางธาตุ
รัศมีอะตอมของธาตุแต่ละตัวมีความแตกต่างในการทำนายและอธิบายในตารางธาตุ ยกตัวอย่างเช่น รัศมีอะตอมทั่วไปลดลงไปตามหมู่ของตารางธาตุจากโลหะแอลคาไลถึงแก๊สมีตระกูล และจะเพิ่มขึ้นรวดเร็วจากแก๊สมีตระกูลมายังโลหะแอลคาไลในจุดเริ่มต้นของคาบถัดไป แนวโน้มเหล่านี้ของรัศมีอะตอม (และสมบัติทางเคมีและทางกายภาพของธาตุอื่น ๆ) สามารถอธิบายได้โดยทฤษฎีวงอิเล็กตรอนของอะตอม พวกมันมีหลักฐานสำคัญสำหรับการพัฒนาทฤษฎีควอนตัม[26] อะตอม
วงโคจรอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของอะตอมในสภาวะที่ไม่ได้รวมกัน รู้จักกันในชื่อว่า วงโคจรเวเลนซ์ อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนี้จะเรียกชื่อว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน จำนวนของเวเลนซ์อิเล็กตรอนหาได้จากพฤติกรรมของแรงยึดเหนี่ยวกับอะตอมอื่น ๆ เพราะอะตอมมีแนวโน้มจะเกิดปฏิกิริยาทางเคมีกับอะตอมอื่น ๆ ในลักษณะที่คอยเติมเต็ม (หรือทำให้ว่าง) วงโคจรเวเลนซ์ชั้นนอกสุด [98] ตัวอย่างเช่น การเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนเดี่ยวระหว่างอะตอมเป็นการประมาณการที่มีประโยชน์สำหรับพันธะที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมที่มีอิเล็กตรอนในวงโคจรเกินมา 1 ตัว กับอีกอะตอมหนึ่งที่ขาดอิเล็กตรอนในวงโคจรไป 1 ตัว ซึ่งเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นในสารประกอบโซเดียมคลอไรด์ และเกลือไอออนทางเคมีอื่น ๆ อย่างไรก็ดี ธาตุหลายชนิดปรากฏว่ามีเวเลนซ์หลายตัว หรือมีแนวโน้มที่จะมีจำนวนอิเล็กตรอนในสารประกอบที่แตกต่างกันเป็นจำนวนไม่เท่ากัน ดังนั้นพันธะเคมีระหว่างธาตุเหล่านี้จึงทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนหลายรูปแบบซึ่งมีการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนมากกว่า 1 ตัว ตัวอย่างเหล่านี้รวมไปถึงธาตุคาร์บอนและสารประกอบอินทรีย์อื่น ๆ [99] ลำดับสิ่งประดิษฐ์ของสหรัฐ (หลัง ค.ศ. 1991)
เลเซอร์ที่ลดหลั่นแบบควอนตัมเป็นเศษไม้ของวัสดุกึ่งตัวนำที่มีขนาดเท่าเห็บ. ภายใน, อิเล็กตรอนถูกจำกัดภายในชั้นของสารประกอบแกลเลียมและอะลูมิเนียม, เรียกว่าบ่อควอนตัมหนาเป็นนาโนเมตร, เล็กกว่าความหนาของเส้นผมมาก. อิเล็กตรอนกระโดดจากระดับพลังงาน หนึ่งไปยังอีกระดับพลังงานหนึ่ง, มากกว่าจะย้ายอย่างราบรื่นระหว่างระดับและอุโมงค์จากเลเยอร์หนึ่งไปยังอีกเลเยอร์หนึ่งข้างหน้า โดยการวิ่ง "ผ่าน" มากกว่า "ข้าม" แนวกั้นพลังงานที่แยกแต่ละบ่อ. เมื่ออิเล็กตรอนกระโดด, พวกมันปล่อยโฟตอนของแสง. เลเซอร์ลดหลั่นแบบควอนตัมได้รับการร่วมคิดค้นโดย Alfred Y. Cho, Claire F. Gmachl, Federico Capasso, Deborah Sivco, Albert Hutchinson, และ Alessandro Tredicucci ที่ Bell Laboratories ในปี 1994.[14] วันที่ 4 เมษายน ค.ศ. 1994 ทีมเบลล์แล็บยื่น สิทธิบัตร สหรัฐอเมริกา # 5457709 ทีได้รับการอนุมัติ เมื่อวันที่ 10 ตุลาคม ค.ศ. 1995.[15] ควอนตัมดอต
เทคโนโลยี CMOS นำมาใช้ในการประดิษฐ์ซิลิคอนควอนตัมดอทขนาดที่เล็กมาก ทรานซิสเตอร์ CMOS ทำหน้าที่เป็นควอนตัมดอทอิเล็กตรอนเดี่ยวที่จะทำงานที่อุณหภูมิเย็นกว่า -269 องศาเซลเซียสจนถึง -258 องศาเซลเซียส ทรานซิสเตอร์จะเป็นตัวบล็อกคูลอมบ์ เพราะการส่งประจุระหว่างอิเล็กตรอนแบบหนึ่งต่อหนึ่ง จำนวนของอิเล็กตรอนในช่องจะถูกขับเคลื่อนด้วยศักย์ไฟฟ้า เริ่มจากการยึดครองอิเล็กตรอนที่ศูนย์และกลายเป็นหนึ่งหรือมากกว่า
มีรายงานการใช้แบคเทอริโอฝาจ M13 ที่ดัดแปรพันธุกรรมเพื่อสร้างควอนตัมดอทที่มีโครงสร้างประกอบด้วยสิ่งมีชีวิต ภูมิหลังของงานนี้ ได้มีการแสดงว่าไวรัสที่ดัดแปรพันธุกรรม สามารถจดจำพื้นผิวของสารกึ่งตัวนำเฉพาะได้ โดยผ่านวิธีการเลือกโดยการแสดงฝาจที่รวมตัวกัน และเป็นที่รู้กันดีว่าโครงสร้างผลึกในของเหลวของไวรัสสายพันธุ์ดั้งเดิมและสนามแม่เหล็กภายนอกได้ถูกนำมาใช้ในสารละลาย คุณสมบัติการจดจำที่จำเพาะของไวรัสสามารถใช้ในการจัดการผลิตนาโนอนินทรีย์ ทำให้เกิดการจัดเรียงตัวตามความยาวของฝาจโดยการเกิดผลึกในของเหลว โดยใช้ข้อมูลนี้สามารถสร้างฟิลม์ที่จัดตัวเอง เรียงตัวเองได้สูง และสนับสนุนตัวเองได้จากฝาจและสารละลายเริ่มต้นเป็น ZnS ระบบนี้ยอมให้มีการปรับความยาวของแบคเทอริโอฝาจ และชนิดของวัสดุอนินทรีย์โดยผ่านการดัดแปลงพันธุกรรมและการคัดเลือก ควาร์ก
ควาร์กที่มีเฟลเวอร์แบบหนึ่งสามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นควาร์กของเฟลเวอร์อีกแบบหนึ่งได้ก็โดยผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อน ซึ่งเป็นอันตรกิริยาพื้นฐานชนิดหนึ่งในจำนวนสี่ชนิดของฟิสิกส์อนุภาค ทั้งนี้โดยการดูดซับหรือแผ่ W โบซอน ทำให้ควาร์กประเภทอัพ (อัพ ชาร์ม และทอปควาร์ก) สามารถเปลี่ยนไปเป็นควาร์กประเภทดาวน์ (ดาวน์ สเตรนจ์ และบอททอม) ได้ ในทางกลับกันก็เช่นเดียวกัน กลไกการเปลี่ยนรูปของเฟลเวอร์นี้ทำให้เกิดกระบวนการแผ่รังสีที่ทำให้เกิดการสลายให้อนุภาคบีตา ซึ่งนิวตรอน (n) 1 ตัวจะแบ่งตัวกลายเป็นโปรตอน (p) 1 ตัว อิเล็กตรอน (e) 1 ตัว และอิเล็กตรอนปฏินิวตริโน () 1 ตัว (ดูภาพประกอบ) สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่อดาวน์ควาร์กตัวหนึ่งในนิวตรอน เสื่อมสลายลงเป็นอัพควาร์กโดยการแผ่อนุภาคเสมือนของ W โบซอน เปลี่ยนให้นิวตรอนกลายไปเป็นโปรตอน จากนั้น W โบซอน นี้จะเสื่อมสลายไปเป็นอิเล็กตรอน 1 ตัวกับอิเล็กตรอนปฏินิวตริโน 1 ตัว มักซ์ บอร์น
ค.ศ. 1926 เขาได้ร่วมงานกับ โวล์ฟกัง เพาลี และ แวร์เนอร์ ไฮเซนแบร์ก เพื่อสร้างทฤษฎีควอนตัม และเขาก็ได้พิสูจน์ให้ไฮเซนแบร์ก เห็นว่าคณิตศาสตร์ที่ไฮเซนแบร์กใช้นั้น คือ สิ่งที่นักคณิตศาสตร์เรียกว่า เมทริกซ์ (matrix) จากนั้นเขา Pascual Jordan และไฮเซนแบร์กได้ร่วมกันปรับปรุงทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมที่ใช้เมทริกซ์ในการคำนวณให้เป็นระบบยิ่งขึ้น และผลที่ได้จากทฤษฎีนี้คือ ในโลกของอะตอม การทำนายผลต่างๆ จะอยู่ในลักษณะของโอกาสความเป็นไปได้ เช่น โอกาสการพบอิเล็กตรอน ณ ตำแหน่งต่างๆ จะขึ้นกับแอมพลิจูดของฟังก์ชันคลื่นที่ตำแหน่งและเวลานั้นๆ เป็นต้น อะตอม
เช่นเดียวกับอนุภาคอื่น อิเล็กตรอนมีคุณสมบัติแบบทวิภาค คือเป็นทั้งอนุภาคและเป็นทั้งคลื่น เมฆอิเล็กตรอนเป็นบริเวณภายในหลุมพลังงานที่อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะสร้างคลื่นนิ่ง 3 มิติประเภทหนึ่งขึ้น อันเป็นรูปคลื่นที่ไม่เคลื่อนที่ตามนิวเคลียส พฤติกรรมนี้ถูกกำหนดจากออร์บิทัลของอะตอม ซึ่งเป็นฟังก์ชันคณิตศาสตร์ที่แสดงคุณสมบัติความเป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนจะปรากฏตัวขึ้นที่จุดเฉพาะหนึ่ง ๆ ขณะที่ถูกวัดตำแหน่ง[58] รอบ ๆ นิวเคลียสจะมีออร์บิทัลที่ไม่ต่อเนื่องกันล้อมรอบอยู่ในลักษณะของควอนตา ทั้งนี้เพราะรูปแบบคลื่นอื่นที่เป็นไปได้จะสลายตัวไปอย่างรวดเร็วเข้าสู่สถานะที่เสถียรมากกว่า[59] ออร์บิทัลอาจมีลักษณะวงแหวนหนึ่งวง หลายวง หรือเป็นโครงสร้างโหนดก็ได้ ซึ่งมีความแตกต่างจากออร์บิทัลอื่น ๆ ทั้งด้านขนาด รูปร่าง และศูนย์กลาง[60] อะตอม
การทดลองของสเติร์น-เกอร์แลค ในปี ค.ศ. 1922 ทำให้เรามีหลักฐานเกี่ยวกับลักษณะความเป็นควอนตัมของอะตอม เมื่อลำอนุภาคอะตอมของเงินวิ่งผ่านสนามแม่เหล็กที่มีรูปร่างเฉพาะอย่างหนึ่ง ลำอนุภาคนั้นจะแยกออกไปในทิศทางของโมเมนตัมเชิงมุมของอะตอม หรือตามสปิน เนื่องจากทิศทางนี้เกิดขึ้นแบบสุ่ม จึงคาดการณ์ว่าลำอนุภาคจะแยกออกเป็นเส้น ทว่าลำอนุภาคกลับแยกออกเป็นสองส่วนเท่านั้นตามทิศทางสปินของอะตอมว่าเป็นแบบขึ้นหรือแบบลง[33] การเคลื่อนที่ (ฟิสิกส์)
การเคลื่อนที่ใช้ได้กับวัตถุ อนุภาค การแผ่รังสี อนุภาคของรังสี อวกาศ ความโค้ง และปริภูมิ-เวลาได้ อนึ่งยังสามารถพูดถึงการเคลื่อนที่ของรูปร่างและขอบเขต ดังนั้นการเคลื่อนที่หมายถึงการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องในการกำหนดค่าของระบบทางกายภาพ ตัวอย่างเช่นเราสามารถพูดถึงการเคลื่อนที่ของคลื่นหรือการเคลื่อนที่ของอนุภาคควอนตัมซึ่งการกำหนดค่านี้ประกอบด้วยความน่าจะเป็นในการครอบครองตำแหน่งที่เฉพาะเจาะจง อะตอม
"อะตอม" มาจากภาษากรีกว่า ἄτομος/átomos, α-τεμνω ซึ่งหมายความว่า ไม่สามารถแบ่งได้อีกต่อไป หลักการของอะตอมในฐานะส่วนประกอบที่เล็กที่สุดของสสารที่ไม่สามารถแบ่งได้อีกต่อไปถูกเสนอขึ้นครั้งแรกโดยนักปรัชญาชาวอินเดียและนักปรัชญาชาวกรีก ซึ่งจะตรงกันข้ามกับปรัชญาอีกสายหนึ่งที่เชื่อว่าสสารสามารถแบ่งแยกได้ไปเรื่อย ๆ โดยไม่มีสิ้นสุด (คล้ายกับปัญหา discrete หรือ continuum) ในคริสต์ศตวรรษที่ 17-18 นักเคมีเริ่มวางแนวคิดทางกายภาพจากหลักการนี้โดยแสดงให้เห็นว่าวัตถุหนึ่งๆ ควรจะประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐานที่ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีกต่อไป ระหว่างช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 และต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ค้นพบส่วนประกอบย่อยของอะตอมและโครงสร้างภายในของอะตอม ซึ่งเป็นการแสดงว่า "อะตอม" ที่ค้นพบตั้งแต่แรกยังสามารถแบ่งแยกได้อีก และไม่ใช่ "อะตอม" ในความหมายที่ตั้งมาแต่แรก กลศาสตร์ควอนตัมเป็นทฤษฎีที่สามารถนำมาใช้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของอะตอมได้เป็นผลสำเร็จ[2][3] กลศาสตร์ควอนตัม
ควอนตัม เอนแทงเกิลเมนต์ ครั้งหนึ่งเคยถูกมองเป็นเรื่องซับซ้อนและลึกลับเกินกว่าจะเป็นจริงได้ มาปัจจุบันกำลังกลายเป็นเรื่องที่ตื่นเต้นมาก และมีแนวโน้มจะเป็นหนึ่งในหลักการสำคัญของเทคโนโลยีแห่งศตวรรษที่ 21 อนุภาคที่พัวพันกัน กำลังจะถูกใช้ในการสร้างระบบการสื่อสารที่เป็นความลับ อาจเป็นพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ควอนตัมความเร็วสูงพิเศษ และแม้แต่เครื่อง "Teleportation" ในสไตล์ของภาพยนตร์ชุดสตาร์เทรค นักทฤษฎีในปัจจุบันคิดว่า เอนแทงเกิลเมนต์อาจเป็นปรากฏการณ์ค่อนข้างทั่วไปในธรรมชาติ ความคิดที่นำมาสู่ความเป็นไปได้ว่า เรากำลังอาศัยอยู่ในใยคอสมิกจริงๆ ที่เชื่อมโยงถึงกันและกัน ข้ามมิติของตำแหน่งและเวลา ทฤษฎีสนามควอนตัม
ทฤษฎีสนามควอนตัม ( หรือ QFT) คือทฤษฎีควอนตัมของสนามพลังงาน หรือ การใช้ทฤษฎีควอนตัมมาใช้กับระบบที่มีอนุภาคจำนวนมาก เพื่อใช้อธิบายปรากฏการณ์ทาง อิเล็กโตรไดนามิกส์ (โดยการควอนตัมสนามแม่เหล็กไฟฟ้า) เรียกว่าพลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัม (Quantum Electrodynamics) ต่อมาได้ขยายกรอบทางทฤษฎีเพื่ออธิบายสนามของแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนร่วมด้วย เรียกว่าทฤษฎี อิเล็กโตร-วีก (Electro-Weak Theory) และเป็นพื้นฐานสำหรับการอธิบายแรงนิวเคลียร์แบบเข้มที่เรียกว่า ควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (Quantum Chromodynamics) ทฤษฎีสนามควอนตัม (QFT) เป็นกรอบทฤษฎีสำหรับการสร้างแบบจำลองทางกลศาสตร์ควอนตั้มของสนามและระบบหลาย ๆ อย่างของวัตถุ (อยู่ในบริบทของสสารควบแน่น) ระบบทั้งสองซึ่งเป็นตัวแทนของระบบแบบคลาสสิกโดยเป็นจำนวนอนันต์ขององศาอิสระ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
ในทฤษฎีควอนตัมแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยโฟตอน อนุภาคมูลฐานซึ่งทำให้เกิดอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งสิ้น ฤทธิ์ควอนตัมทำให้เกิดแหล่งรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเพิ่ม เช่น การส่งผ่านอิเล็กตรอนไประดับพลังงานต่ำกว่าในอะตอมและการแผ่รังสีวัตถุดำ โฟตอนความถี่สูงขึ้นจะมีพลังงานมากขึ้น ความสัมพันธ์นี้เป็นไปตามสมการของพลังค์ "E" = "hν" โดยที่ "E" คือ พลังงานต่อโปรตอน "ν" คือ ความถี่ของโฟตอน และ "h" คือ ค่าคงที่ของพลังค์ ตัวอย่างเช่น โฟตอนรังสีแกมมาหนึ่งโฟตอน อาจพาพลังงาน ~100,000 เท่าของโฟตอนหนึ่งโฟตอนของแสงที่มองเห็นได้ กล้องจุลทรรศน์ของไฮเซนเบิร์ก
กล้องจุลทรรศน์ของไฮเซนเบิร์ก () เป็นกล้องจุลทรรศน์ในการทดลองทางความคิดของเวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก ต่อมาการทดลองทางความคิดนี้นำไปสู่หลักความไม่แน่นอนของกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งขัดกับหลักการพื้นฐานของทัศนศาสตร์ กล่าวคือการสังเกตสิ่งที่มีมวลมากในชีวิตประจำวันนั้นไม่ได้ส่งผลกระทบต่อพฤติกรรมของวัตถุที่ถูกสังเกตแต่อย่างใด แต่เมื่อพูดถึงวัตถุที่มีมวลน้อยอย่างเช่นอิเล็กตรอนแล้วเป็นไปไม่ได้ที่จะสังเกตพฤติกรรมของอิเล็กตรอนโดยไม่กระทบต่อพฤติกรรมของมันเอง เนื่องจากแสงมีโมเมนตัมแปรผันตามความถี่คองคลื่นแสง ดังนั้นวัตถุที่ถูกแสงตกกระทบจึงมีการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมหรือ "ถูกชน" ด้วยโฟตอนดังปรากฏการณ์คอมพ์ตัน นั่นคือยิ่งต้องการภาพของวัตถุชัดเจนเท่าไหร่ก็ต้องใช้แสงที่มีความถี่มากขึ้น และทำให้โฟตอนมีโมเมนตัมมากขึ้นก็จะรบกวนพฤติกรรมของวัตถุที่ถูกสังเกตมากขึ้นตามไปด้วย ควอนตัมดอต
ควอนตัมดอต () เป็นวัสดุที่มีขนาดเล็กมากเพียงไม่กี่นาโนเมตร ประกอบขึ้นจากอนุภาคของสารกึ่งตัวนำ และเนื่องจากขนาดดังกล่าว วัสดุชนิดนี้จึงมีคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างจากสารที่มีอนุภาคขนาดใหญ่ ควอนตัมดอตสามารถเปล่งแสงที่มีความถี่เฉพาะหากได้รับกระแสไฟฟ้า หรือ มีแสงมาตกกระทบ นอกจากนั้นการเปลี่ยนขนาด รูปร่าง และชนิดของสสาร ยังสามารถเปลี่ยนความถี่ของแสงที่ออกมาได้อย่างแม่นยำ จึงทำให้เทคโนโลยีดังกล่าวสามารถถูกนำไปประยุกตใช้ได้อย่างมากมาย สมการชเรอดิงเงอร์ใน 3 มิติ
ปัญหาที่สำคัญหนึ่งในกลศาสตร์ควอนตัม คือ อนุภาคในศักย์ทรงกลมสมมาตร กล่าวคือ มีศักย์ที่ขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างอนุภาคและจุดศูนย์กลางที่กำหนดไว้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ถ้าอนุภาคนั้น คือ อิเล็กตรอนและมีศักย์เป็นไปตามกฎของคูลอมบ์ ปัญหานี้จะสามารถใช้อธิบายอะตอมหรือไอออนของไฮโดรเจน  กลูออน
กล่าวในเชิงเทคนิค กลูออนก็คือเกจโบซอนแบบเวกเตอร์ที่เป็นตัวกลางของอันตรกิริยาอย่างเข้มของควาร์กในควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) ซึ่งแตกต่างกับโฟตอนที่เป็นกลางทางไฟฟ้าของควอนตัมอิเล็กโตรไดนามิกส์ (QED) ตัวกลูออนเองนั้นมีประจุสี (color charge) ดังนั้นจึงมีส่วนอยู่ในอันตรกิริยาอย่างเข้มเพื่อทำหน้าที่เป็นตัวกลาง ทำให้การวิเคราะห์ QCD ทำได้ยากกว่า QED เป็นอย่างมาก เวเลนซ์
เวเลนซ์ หรือ เวเลนซี () ของธาตุเคมีเป็นการระบุความสามารถของอะตอมในการเกิดเป็นสารประกอบหรือโมเลกุล โดยหลักการเกี่ยวกับเวเลนซีนี้ได้ถูกพัฒนาในครึ่งหลังของคริสต์ศตวรรษที่ 19 และใช้ในการอธิบายโครงสร้างของสารได้ทั้งสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ แม้ว่าแนวคิดเกี่ยวกับเวเลนซ์จะถูกกล่าวถึงมานานแต่ยังสามารถใช้ได้กับอีกทฤษฎีเกี่ยวกับพันธะเคมี อาทิ ทฤษฎีอะตอมทรงลูกบาศก์ (cubical atom) โครงสร้างลิวอีส (Lewis structures) ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์ (valence bond theory; VBT) ทฤษฎีออร์บิทัลเชิงโมเลกุล (molecular orbital theory; MOT) ทฤษฎีการผลักกันของคู่อิเล็กตรอนวงเวเลนซ์ (valence shell electron pair repulsion theory; VSEPR) รวมถึงทฤษฎีควอนตัมสมัยใหม่ เป็นต้น ควอนตัมดอต
ในหลายพื้นที่ของโลกมีข้อจำกัดห้ามใช้แคดเมียมหรือโลหะหนักในของใช้ในบ้านทุกชนิด ทำให้ควอนตัมดอทที่ใช้แคดเมียมไม่เหมาะสำหรับการผลิตเพื่อขายให้กับผู้บริโภค ด้วยข้อจำกัดนี้ ควอนตัมดอทที่ไม่ใช้โลหะหนักได้ถูกพัฒนาขึ้นโดยใช้สเปกตรัมในช่วงที่มองเห็นได้หรือช่วงแสงอินฟราเรด และมีคุณสมบัติคล้ายควอนตัมดอทของ CdSe แคดเมียมและโลหะหนักที่ถูกจำกัดการใช้อื่นๆเป็นหัวข้อที่ต้องคำนึงในเชิงการค้า ควอนตัมดอทที่จะเข้าสู่ตลาดจะต้องไม่มีแคดเมียมหรือโลหะที่จำกัดการใช้อื่นๆ ชนิดของควอนตัมดอทที่ไม่มีแคดเมียมแบบใหม่นำมาจากอนุภาคนาโนของฟอสฟอร์ในรูปคอลลอยด์ที่เพิ่มธาตุหายาก ที่ต่างจากอนุภาคนาโนของสารกึ่งตัวนำ การตื่นตัวทำได้โดยการดูดซับรังสีอุลตราไวโอเลตของวัสดุตั้งต้น ซึ่งเหมือนกับในวัสดุที่เมธาตุหายากชนิดอื่นๆ ทำให้มีช่องว่างของแถบพลังงานแคบกว่าควอนดัมดอทของ CdSe การสังเคราะห์ทำในของเหลวเพื่อลดข้อจำกัดของการละลายน้ำในการนำไปใช้ในสิ่งมีชีวิต พื้นผิวออกไซด์ง่ายสำหรับการทำงานเชิงเคมีมากกว่ารูปที่คงตัวทางเคมี ในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย มีรายงานบางชิ้นแสดงว่าความกังวลเกี่ยวกับการใช้อนุภาคนาโนของฟอสฟอร์ในเป้าหมายที่เป็นสิ่งมีชีวิตและรูปภาพ มักซ์ พลังค์
แต่ต่อมา สิ่งที่เขา "สมมุติ" ได้กลายเป็นจุดกำเนิดของฟิสิกส์ควอนตัม ที่มีแนวคิดแผกไปจากฟิสิกส์ดั้งเดิม  โมเมนตัม
โมเมนตัม หมายถึง ความสามารถในการเคลื่อนที่ของวัตถุ ซึ่งมีค่าเท่ากับผลคูณระหว่างมวลและความเร็วของวัตถุ มวลเป็นปริมาณสเกลาร์ แต่ความเร็วเป็นปริมาณเวกเตอร์ เมื่อนำปริมาณทั้งสองเข้าคูณด้วยกัน ถือว่าปริมาณใหม่เป็นปริมาณเวกเตอร์เสมอ ฉะนั้นโมเมนตัมจึงเป็นปริมาณเวกเตอร์ คือมีทั้งขนาดและทิศทาง สถานะโคะดะมะ
ใน ปี พ.ศ. 2544 ลี สโมลิน ได้เสนอว่า สถานะโคะดะมะ เป็น สถานะพื้น ที่มีคุณสมบัติ ลิมิตกึ่งคลาสสิก ที่ดี ซึ่งอาจทำให้เราศึกษาพลวัต (dynamics) ของ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ที่มี ค่าคงที่จักรวาลเป็นบวก หรือเรียกว่า "จักรวาล เดอ ซิตเตอร์" (de Sitter universe) 4มิติ และ กราวิตอน (อนุภาคทางทฤษฎีที่ใช้เป็นสื่อแรงโน้มถ่วงระหว่างมวล) จากทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัมได้อีกครั้ง (เนื่องจากในปัจจุบันเราไม่สามารถ ศึกษาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป โดยเริ่มจากทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัมแบบหนึ่งได้ ซึ่งเราเรียกว่าแบบคาโนนิคัล ทั้งๆที่เราศึกษาไดนามิกส์ของมันในเชิงคลาสสิก ก่อนจะส่งผ่าสู่แบบควอนตัม ทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัมแบบลูป ก็จัดอยู่ในประเภทนี้ และทฤษฎีความโน้มถ่วงเชิงควอนตัมเหล่านี้เริ่มมาจาก ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป จึงถือว่าเป็นทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัมแบบไม่ขึ้นอยู่กับพื้นหลัง) เนื่องจากสถานะนี้เป็น คำตอบแบแม่นตรง (exact solution) ของ เงื่อนไขคอนสเตรนท์ (เงื่อนไขที่บังคับตัวแปรอิสระของทฤษฎีบางตัวให้ไม่เป็นอิสระต่อกัน และสมการนี้ถือเป็นสมการการเคลื่อนที่ของทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัมแบบลูป และแบบคาโนนิคัล) บน""ทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัม แบบไม่ขึ้นอยู่กับพื้นหลัง""กล่าวคือ ทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัมที่ไม่ได้ใช้อวกาศเวลาเป็นตัวแปรอิสระเพราะอวกาศเวลาก็มีการเปลี่ยนแปลงสัมพันธ์กับตัวแปรอื่นๆ ทำให้สรุปได้ว่า ทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัมแบบลูป เป็นทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัม ที่มีลักษณะกึ่งคลาสสิก (ทฤษฎีที่สมมติให้แรงโน้มถ่วงอธิบายด้วยทฤษฎีคลาสสิก (ไม่มีผลทางควอนตัม) ส่วนอนุภาคและสนามอื่นๆอธิบายด้วยทฤษฎีควอนตัม ตัวอย่างเช่น ทฤษฎีสนามควอนตัมบนอวกาศเวลาโค้ง ผลของทฤษฎีนี้ที่เป็นที่รู้จัก คือ สตีเฟน ฮอว์คิง ใช้คำนวณ เอนโทรปี (ความยุ่งเหยิง) ของหลุมดำ) ที่ถูกต้อง  การเดินทางข้ามเวลา
ปรากฏการณ์ในทางกลศาสตร์ควอนตัม เช่น การเคลื่อนย้ายสสารเชิงควอนตัม (Quantum teleportation), ปฏิทรรศน์อีพีอาร์ (the EPR paradox) หรือ การพัวพันกันเชิงควอนตัม (หรือ ควอนตัมเอนแทงเกิลเมนต์ (Quantum entanglement)) อาจจะมีปรากฏให้เห็นอยู่ในเรื่องราวเกี่ยวกับการสร้างกลไกที่ช่วยทำให้เกิดการติดต่อสื่อสารระหว่างกันและกันในระยะทางที่ไกลมาก ๆ เช่น ในระยะทางระหว่างดวงดาว ที่มีอัตราเร็วมากกว่าแสง (FTL) หรือ ในเรื่องของการเดินทางข้ามเวลา, และในความเป็นจริงแล้วการตีความบางส่วนของกลศาสตร์ควอนตัม เช่น การตีความแบบโบห์ม (Bohm interpretation) เข้าใจว่าข้อมูลบางอย่างจะถูกแลกเปลี่ยนกันระหว่างอนุภาคอย่างทันทีทันใดเพื่อที่จะรักษาความสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคเอาไว้ [30] ปรากฏการณ์นี้จะถูกเรียกว่า "การกระทำของผีจากระยะไกล" (spooky action at a distance) โดยผู้ที่ให้คำจำกัดความนี้ก็คือ ไอน์สไตน์ ความโน้มถ่วงเชิงควอนตัม
ปัญหาความยากลำบากในความสอดคล้องกันของทฤษฎีเหล่านี้ในทุกสเกลวัดระดับของพลังงานที่มาจากสมมติฐานที่แตกต่างกันว่าทฤษฎีทั้งหลายเหล่านี้นั้นจะทำอย่างไรถึงจะเข้าใจกลไกการทำงานของจักรวาลได้ ทฤษฎีสนามควอนตัมนั้นขึ้นอยู่กับสนามอนุภาคที่ฝังตัวอยู่ในกาล-อวกาศแบบแบนของสัมพัทธภาพพิเศษ ในโมเดลของสัมพัทธภาพทั่วไปแรงโน้มถ่วงจะเป็นส่วนโค้งภายในกาล-อวกาศที่มีการเปลี่ยนแปลงในขณะที่เกิดการเคลื่อนย้ายของมวลแห่งแรงโน้มถ่วง อะตอม
ขณะเดียวกันในปี ค.ศ. 1913 นักฟิสิกส์ นีลส์ บอร์ เสนอรูปแบบของอิเล็กตรอนที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้น เขากล่าวว่ามันมีวงโคจรหลายระดับแตกต่างกัน และสามารถกระโดดไปมาระหว่างระดับวงโคจรต่าง ๆ ได้ แต่ไม่สามารถหมุนเป็นเกลียวเข้าออกตามใจชอบระหว่างทางได้[28] อิเล็กตรอนตัวหนึ่ง ๆ จะต้องดูดซับหรือแผ่พลังงานปริมาณจำเพาะเจาะจงขนาดหนึ่งออกมาเพื่อเปลี่ยนระดับวงโคจรที่มีกำหนดตายตัวอยู่แล้ว เมื่อแสงจากวัตถุที่ร้อนจัดวิ่งผ่านปริซึม มันจะสร้างสเปกตรัมหลากสีขึ้น การปรากฏของระดับพลังงานต่าง ๆ ที่กำหนดตายตัวได้รับการอธิบายอย่างสมบูรณ์จากการเปลี่ยนระดับวงโคจรนี้[29] ทัศนศาสตร์
บางปรากฏการณ์อาศัยข้อเท็จจริงที่ว่าแสงมีคุณสมบัติเหมือนทั้งคลื่นและอนุภาค คำอธิบายฤทธิ์เหล่านี้ต้องอาศัยกลศาสตร์ควอนตัม เมื่อพิจารณาคุณสมบัติคล้ายอนุภาคของแสง มีการจัดแบบจำลองแสงเป็นกลุ่มอนุภาคที่เรียก "โฟตอน" ทัศนศาสตร์ควอนตัมว่าด้วยการนำกลศาสตร์ควอนตัมมาใช้กับระบบทัศนศาสตร์ โทรคมนาคม
กลไฟฟ้า แสง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หรือคุณสมบัติพิเศษอื่นๆ ทางควอนตัมสำหรับการสื่อสัญญาณ ข้อความ เสียงภาพหรือสื่อประสมให้ผู้รับหรือระบบ สามารถเข้าใจได้”ซึ่งวิวัฒนาการของการโทรคมนาคมนั้นเริ่มต้นจากการใช้มนุษย์ เป็นผู้ส่งสารและพัฒนามาเป็นการส่งสาร ด้วยสิ่งประดิษฐ์ จากธรรมชาติ โดยใช้สัญลักษณ์ต่างๆ เช่น สัญญาณควัน สัญญาณไฟ หรือสัญญาณเสียง ซึ่งมีขอบเขตจำกัด ดังนั้นมนุษย์จึงได้มีการพัฒนาและคิดค้นสิ่งประดิษฐ์ ทาง ด้านโทรคมนาคมขึ้น เพื่อก้าวข้ามขอบเขตนั้นๆด้วยเหตุนี้ จึงทำให้เกิดเทคโนโลยี ที่ใช้สำหรับการสื่อสารโทรคมนาคมขึ้นมากมาย ซึ่งทำให้สามารถสื่อสาร กันได้อย่างรวดเร็ว และได้ระยะทางที่ไกลมากขึ้น เริ่มต้นการพัฒนาจากการสื่อสารระหว่างบุคคล กลายเป็นการสื่อสารระดับเครือข่ายระหว่างประเทศ และ และครอบคลุมทั่วโลกในที่สุด เลขควอนตัมสปิน
https://chem.libretexts.org/Core/Physical_and_Theoretical_Chemistry/Electronic_Structure_of_Atoms_and_Molecules/Electronic_Configurations/Spin_Quantum_Number ทฤษฎีอะตอม
คำว่า "อะตอม" (จากคำกริยาในภาษากรีกโบราณว่า "atomos", 'แบ่งแยกไม่ได้') ถูกนำมาใช้เรียกอนุภาคพื้นฐานที่ประกอบกันขึ้นเป็นธาตุเคมี เพราะนักเคมีในยุคนั้นเชื่อว่ามันคืออนุภาคมูลฐานของสสาร อย่างไรก็ดี เมื่อเข้าสู่คริสต์ศตวรรษที่ 20 การทดลองจำนวนมากเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้าและสารกัมมันตรังสี ทำให้นักฟิสิกส์ค้นพบว่าสิ่งที่เราเรียกว่า "อะตอมซึ่งแบ่งแยกไม่ได้อีก" นั้นที่จริงแล้วยังประกอบไปด้วยอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมอีกจำนวนมาก (ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน) ซึ่งสามารถแยกแยะออกจากกันได้ อันที่จริงแล้วในสภาวะแวดล้อมสุดโต่งดังเช่นดาวนิวตรอนนั้น อุณหภูมิและความดันที่สูงอย่างยิ่งยวดกลับทำให้อะตอมไม่สามารถดำรงอยู่ได้เลยด้วยซ้ำ เมื่อพบว่าแท้จริงแล้วอะตอมยังแบ่งแยกได้ ในภายหลังนักฟิสิกส์จึงคิดค้นคำว่า "อนุภาคมูลฐาน" (elementary particle) เพื่อใช้อธิบายถึงอนุภาคที่แบ่งแยกไม่ได้ วิทยาศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมนี้เรียกว่า ฟิสิกส์อนุภาค (particle physics) ซึ่งนักฟิสิกส์ในสาขานี้หวังว่าจะสามารถค้นพบธรรมชาติพื้นฐานที่แท้จริงของอะตอมได้ ควอนตัมดอต
มีหลายวิธีที่จะกระตุ้นสารกึ่งตัวนำ ทำให้มีหลายวิธีที่จะผลิตควอนตัมดอท โดยทั่วไป เส้นควอนตัม ควอนตัมเวล และควอนตัมดอทจะเพิ่มขึ้นด้วยเทคนิคอีพิแทกเชียล ในการผลิตผลึกนาโนโดยวิธีทางเคมี หรือโดยการถ่ายเทไอออน หรือในการแบ่งระดับนาโนโดยเทคนิคลิโทกราฟิก
ผลึกนาโนของสารกึ่งตัวนำที่เป็นคอลลอยด์สังเคราะห์ขึ้นโดยสารเริ่มต้นที่ละลายในสารละลายเช่นเดียวกับกระบวนการทางเคมีทั่วไป การสังเคราะห์ควอนตัมดอทแบบคอลลอยด์มีพื้นฐานจากองค์ประกอบหลัก 3 ประการคือ สารเริ่มต้น สารลดแรงตึงผิวอินทรีย์ และตัวทำละลาย เมื่อให้ความร้อนแก่ปฏิกิริยาจนได้อุณหภูมิสูงเพียงพอ สารเริ่มต้นจะเปลี่ยนรูปทางเคมีไปเป็นโมโนเมอร์ เมื่อโมโนเมอร์เกิดการอิ่มตัวยวดยิ่งจนถึงระดับที่เพียงพอจะเริ่มเกิดผลึกนาโน โดยมีกระบวนการก่อนิวเคลียส อุณหภูมิระหว่างการเติบโตเป็นปัจจัยสำคัญอย่างหนึ่ง ในการหาสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการเติบโต ของผลึกนาโน ซึ่งควรจะสูงเพียงพอสำหรับการจัดตัวใหม่และการคลายตัวของอะตอมระหวางกระบวนการสังเคราะห์ ซึ่งควรจะต่ำจนเพียงพอที่จะสนับสนุนการเติบโตของผลึก ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่ต้องควบคุมระหว่างการเติบโตของผลึกคือความเข้มข้นของโมโนเมอร์ กระบวนการเติบโตของผลึกนาโนจะเกิดขึ้นได้สองแบบคือแบบเน้นและแบบไม่เน้น ความเข้มข้นของโมโนเมอร์ที่สูง ขนาดวิกฤต (ขนาดที่ผลึกนาโนจะไม่มีการเติบโต)จะเล็กมาก ทำให้มีการเติบโตของอนุภาคทั้งหมด ในระบบนี้ อนุภาคที่เล็กกว่าจะเติบโตได้เร็วกว่าอันที่ใหญ่กว่า ทำให้มีการเน้นที่การกระจายตัวของขนาดต่อผลที่ได้จนเกือบจะเป็นอนุภาคที่มีการกระจายตัวแบบเดียว การเน้นที่ขนาดจะเหมาะสมเมื่อความเข้มข้นของโมโนเมอร์คงที่ เช่น ค่าเฉลี่ยของขนาดผลึกนาโนที่ปรากฏจะใหญ่กว่าขนาดวิกฤติเล็กน้อย เมื่อความเข้มข้นของโมโนเมอร์หมดลงระหว่างการเติบโต ขนาดวิกฤติจะใหญ่กว่าขนาดเฉลี่ยที่ปรากฏทำให้เกิดการกระจายตัวแบบไม่เน้น ออร์บิทัลเชิงอะตอม
การโคจรในที่นี้แตกต่างไปจากกลศาสตร์ดั้งเดิม ดังนั้นการโคจรของอิเล็กตรอนในอะตอมจึงเรียกด้วยคำเฉพาะว่า "ออร์บิทัล" ซึ่งกำหนดขึ้นครั้งแรกโดยนักเคมีชื่อว่า Robert Mulliken ในปี 1932 ใน. orbitals อะตอมอธิบายมักจะเป็น" ไฮโดรเจน - เช่น "(หมายถึงหนึ่งอิเล็กตรอน) ฟังก์ชันคลื่นมากกว่าพื้นที่, ประเภทโดย n, l และตัวเลขควอนตัม m ซึ่งตรงกับคู่ของพลังงานอิเล็กตรอน 'angular โมเมนตัมและทิศทางโมเมนตัม angular ตามลำดับ. แต่ละโคจร (กำหนดโดยกำหนดที่แตกต่างของตัวเลขควอนตัม) และที่มีสูงสุดสองอิเล็กตรอนให้เป็นที่รู้จักกันโดยชื่อคลาสสิกที่ใช้ในการ กำหนดค่าอิเล็กตรอนปรากฏบนขวา. ชื่อเหล่านี้โคจรคลาสสิก (s, p, d, f) จะได้มาจากลักษณะของสาย spectroscopic พวกเขาคมแพร่หลัก, และพื้นฐานที่เหลือถูกตั้งชื่อตามลำดับตัวอักษร. (โคจรห้าเรียกว่าตอนนี้ g เป็นเรียกเดิม t ยืนสำหรับหนา) ทฤษฎีการกำเนิดจักรวาล
พลังค์ไทม์ (10 ยกกำลังลบ 43 วินาที) คือเวลาที่โฟตอนเดินทางด้วยความเร็วแสงเป็นระยะทางเท่ากับ "ความยาวพลังค์" ได้มีการเสนอให้ใช้เป็น "เวลาควอนตัม" การวัดที่เล็กสุดของเวลาแม้ทฤษฎีฟิสิกส์ปัจจบันยังไม่มีการแจงนับเวลาในเชิงปริมาณ พลาสมาควาร์ก–กลูออน
พลาสมาควาร์ก-กลูออน (; QGP) หรือ ซุปควาร์ก คือสถานะของควอนตัมโครโมไดนามิกส์ ซึ่งมีอยู่ที่ระดับอุณหภูมิและความหนาแน่นสูงยิ่งยวด สภาวะนี้ประกอบด้วยควาร์กและกลูออนที่ (เกือบเป็น) อิสระ อันเป็นอนุภาคมูลฐานสำคัญที่ประกอบกันขึ้นเป็นสสาร การทดลองโดยเครื่องซูเปอร์โปรตอนซิงโครตรอน (SPS) ที่เซิร์น เป็นความพยายามแรกในการสร้างพลาสมาควาร์ก-กลูออน ขึ้นในคริสต์ทศวรรษ 1980-1990 ผลที่ได้ทำให้เซิร์นประกาศหลักฐานทางอ้อมที่ยืนยัน "สถานะใหม่ของสสาร" ในปี ค.ศ. 2000 มีการทดลองที่ห้องทดลองแห่งชาติบรู๊คฮาเวนด้วยเครื่อง Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ซึ่งยังคงพยายามดำเนินการอยู่ในปัจจุบัน รวมถึงการทดลองครั้งใหม่อีก 3 ครั้งด้วยเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ (LHC) และ Large Ion Collider Experiment (ALICE) ของเซิร์น ATLAS experiment (ATLAS) และ Compact Muon Solenoid (CMS) ก็ยังคงศึกษาคุณสมบัติของพลาสมาควาร์ก-กลูออนนี้อยู่ โมเมนตัมเชิงมุม
ในทางฟิสิกส์ โมเมนตัมเชิงมุมของวัตถุรอบจุดกำเนิด () คือปริมาณเวกเตอร์ที่แสดงถึงการหมุนของวัตถุ มีค่าเท่ากับมวลของวัตถุคูณกับผลคูณเชิงเวกเตอร์ของเวกเตอร์ตำแหน่งและเวกเตอร์ความเร็ว (หรือผลคูณระหว่างโมเมนต์ความเฉื่อยกับความเร็วเชิงมุม)  กลศาสตร์ควอนตัม
กลศาสตร์ควอนตัม หมวดหมู่:กลศาสตร์ หมวดหมู่:หลักการสำคัญของฟิสิกส์ ควาร์ก
ควาร์กเป็นอนุภาคที่มีสปิน spin- หมายความว่า มันเป็นเฟอร์มิออนตามทฤษฎีบทสปินเชิงสถิติ (spin-statistics theorem) มีลักษณะตามหลักการกีดกันของเพาลีซึ่งระบุว่า ไม่มีเฟอร์มิออนที่เหมือนกันสองตัวใดๆ จะสามารถมีสถานะควอนตัมเดียวกันได้ ซึ่งตรงกันข้ามกับโบซอน (อนุภาคที่มีสปินเป็นเลขจำนวนเต็ม) ที่สามารถมีหลายตัวอยู่ในสถานะเดียวกันได้ ส่วนที่แตกต่างจากเลปตอน คือ ควาร์กมีประจุสี อันเป็นเหตุให้มันสามารถเข้าร่วมในอันตรกิริยาอย่างเข้มได้ ผลจากความดึงดูดระหว่างควาร์กที่แตกต่างกันสองตัว ทำให้เกิดการรวมตัวกันเป็นอนุภาคประกอบที่รู้จักกันในชื่อ "แฮดรอน" (ดูหัวข้อ "อันตรกิริยาอย่างเข้มกับประจุสี" ด้านล่าง) อิเล็กตรอน
ในปี 1924 วิทยานิพนธ์ในชื่อหัวข้อว่า Recherches sur la théorie des quanta (งานวิจัยเกี่ยวกับทฤษฎีควอนตัม), ของนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสชื่อว่า หลุยส์ เดอ บรอย ได้ตั้งสมมติฐานว่าสสารทั้งหลายมีคุณสมบัติของคลื่นที่เรียกว่า คลื่น เดอ บรอย (de Broglie wave) ที่มีความคล้ายคลึงกับแสง สถานะ (สสาร)
โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเซต (Bose-Einstein condensate) เป็นสถานะที่ซึ่งจำนวนมหาศาลของ โบสัน(boson) ทั้งหมดอยู่ใน สถานะควอนตัม (quantum state) เดียวกันเป็นผลให้กลายเป็น คลื่นเดี่ยว/อนุภาค สสารควาร์ก
สสารควาร์ก (; ดูเพิ่มใน QCD) มีความหมายถึงสถานะของสสารในทฤษฎีจำนวนหนึ่งซึ่งมีค่าองศาความเป็นอิสระครอบคลุมไปถึงควาร์กกับกลูออน สถานะของสสารในทางทฤษฎีเหล่านี้สามารถเกิดขึ้นได้ในสภาวะที่มีความหนาแน่นและอุณหภูมิสูงยิ่งยวด คือนับพันล้านเท่าของค่าที่สามารถเกิดขึ้นได้ในสภาวะสมดุลในห้องทดลอง ภายใต้สภาวะยิ่งยวดนั้น โครงสร้างของสสารซึ่งเรารู้จักคุ้นเคยกันที่ประกอบไปด้วยนิวเคลียสอะตอม (ซึ่งประกอบด้วยนิวคลีออน อันเป็นการรวมตัวกันของควาร์ก) กับอิเล็กตรอน จะล่มสลายลง สำหรับสสารควาร์กแล้ว การคำนึงถึงโครงสร้างสสารควรยึดถือตัวควาร์กนั่นเองเป็นค่าองศาความเป็นอิสระพื้นฐาน หลุมดำ
ขณะที่ทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายว่าหลุมดำเป็นพื้นที่ว่างที่มีความเป็นภาวะเอกฐานที่จุดศูนย์กลางและที่ขอบฟ้าเหตุการณ์บริเวณขอบ คำอธิบายนี่เปลี่ยนไปเมื่อค้นพบกลศาสตร์ควอนตัม การค้นคว้าในหัวข้อนี้แสดงให้เห็นว่านอกจากหลุมดำจะดึงวัตถุไว้ตลอดกาล แล้วยังมีการค่อย ๆ ปลดปล่อยพลังงานภายใน เรียกว่า รังสีฮอว์คิง และอาจสิ้นสุดลงในที่สุด อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีคำอธิบายเกี่ยวกับหลุมดำที่ถูกต้องตามทฤษฎีควอนตัม กลศาสตร์ดั้งเดิม
เมื่อมองจากความเป็นจริง วัตถุต่าง ๆ ที่กลศาสตร์ดั้งเดิมกำหนดไว้ว่าวัตถุมีขนาดไม่เป็นศูนย์เสมอ (ซึ่งถ้าวัตถุที่มีขนาดเล็ก"มาก ๆ" อย่างเช่น อิเล็กตรอน กลศาสตร์ควอนตัมจะอธิบายได้อย่างถูกต้องกว่ากลศาสตร์ดั้งเดิม) วัตถุที่มีขนาดไม่เป็นศูนย์จะมีความซับซ้อนในการศึกษามากกว่าอนุภาคจุดตามทฤษฎี เพราะวัตถุมีระดับความอิสระ () ที่มาก อาทิ ลูกตะกร้อสามารถหมุนได้ขณะเคลื่อนที่หลังจากที่ถูกเดาะขึ้นไปบนอากาศ อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์สำหรับอนุภาคจุดสามารถใช้ในการศึกษาจำพวกวัตถุทั่วไปได้โดยสมมุติว่าเป็นวัตถุนั้น หรือสร้างอนุภาคจุดสมมุติหลาย ๆ จุดขึ้นมา ดังเช่นจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุที่แสดงเป็นอนุภาคจุด หลุมดำ
การปรากฏของเอกภาวะเป็นที่เข้าใจว่าเป็นสัญญาณของจุดสิ้นสุดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป โดยไม่คาดคิด เหมือนกับที่เกิดเมื่อกลศาสตร์ควอนตัมมีผลกระทบและกลายมาเป็นความสำคัญ เนื่องจากความกดดันมีมากและอนุภาคก็มีผลกระทบซึ่งกันและกัน โชคไม่ดีที่ไม่สามารถที่จะรวมทฤษฎีควอนตัมและความโน้มถ่วงเข้าด้วยกันได้ แต่อย่างไรก็ตามก็คาดว่าทฤษฎีโน้มถ่วงควอนตัมจะแสดงลักษณะเด่นของหลุมดำโดยไม่มีเอกภาวะ ปรากฏการณ์เรือนกระจก
กลศาสตร์ควอนตัม เป็นวิชาที่ให้พื้นฐานสำหรับใช้คำนวณปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลและการแผ่กระจายรังสี ปฏิสัมพันธ์เกือบทั้งหมดนี้เกิดขึ้นเมื่อความถี่ของการแผ่กระจายรังสีที่เทียบได้กับเส้นสเปกตรัม () ของโมเลกุลซึ่งกำหนดโดยโหมดของการสั่นสะเทือนและการหมุนควงของโมเลกุล (การกระตุ้นทางอีเลกทรอนิกส์โดยทั่วไปใช้ไม่ได้กับการแผ่กระจายรังสีอินฟราเรดเนื่องจากความต้องการพลังงานในปริมาณที่มากกว่าที่จะใช้กับโฟตอนอินฟราเรด) การเคลื่อนที่ (ฟิสิกส์)
นอกจากการอธิบายการเคลื่อนที่ในระดับอะตอมแล้วกลศาสตร์ควอนตัมยังเป็นประโยชน์ในการทำความเข้าใจปรากฏการณ์ที่มีขนาดใหญ่เช่น ของไหลยวดยิ่ง สภาพนำยวดยิ่ง และระบบชีวภาพรวมทั้งการทำงานของเซลล์รับกลิ่นและโครงสร้างของโปรตีน ทฤษฎีสนามควอนตัม
สนามคลาสสิกเป็นฟังก์ชันที่กำหนดไว้เหนือบริเวณบางส่วนของอวกาศและเวลา สองปรากฏการณ์ที่ได้รับการอธิบายโดยสนามแบบคลาสสิกคือ ความโน้มถ่วงของนิวตันอธิบายโดยสนามแรงโน้มถ่วงของนิวตัน g(x, "t"), อะตอม
ตามความเข้าใจในปัจจุบัน อะตอมเป็นวัตถุขนาดเล็กที่มีมวลน้อยมาก เราสามารถสังเกตการณ์อะตอมเดี่ยว ๆ ได้โดยอาศัยเครื่องมือพิเศษ เช่น กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ มวลประมาณ 99.9% ของอะตอมกระจุกรวมกันอยู่ในนิวเคลียส[note 1] โดยมีโปรตอนและนิวตรอนเป็นมวลที่เหลือประมาณเท่า ๆ กัน ธาตุแต่ละตัวจะมีอย่างน้อยหนึ่งไอโซโทปที่มีนิวเคลียสซึ่งไม่เสถียรและเกิดการเสื่อมสลายโดยการแผ่รังสี ซึ่งเป็นสาเหตุให้เกิดการแปรนิวเคลียสที่ทำให้จำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงไป[4] อิเล็กตรอนที่โคจรรอบอะตอมจะมีระดับพลังงานที่เสถียรอยู่จำนวนหนึ่งในลักษณะของวงโคจรอะตอม และสามารถเปลี่ยนแปลงระดับไปมาระหว่างกันได้โดยการดูดซับหรือปลดปล่อยโฟตอนที่สอดคล้องกับระดับพลังงานที่ต่างกัน อิเล็กตรอนเหล่านี้เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางเคมีของธาตุ และมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางแม่เหล็กของอะตอม