mini|desno|300px| Ogib ili difrakcija elektrona je pokazala da se elektroni ponašaju i kao čestice i kao valovi (dualizam).
mini|desno|300px|Fotoelektrični učinak: fotoni slijeva padaju na metalnu ploču i iz nje izbijaju elektrone.
mini|desno|300px|Prikaz ogiba kada je otvor na zapreci jednak valnoj duljini vala.
mini|desno|300px|Prikaz ogiba kada je otvor na zapreci 5 puta veći od valne duljine vala.
mini|300px|desno|Ogib na pukotini.F. Dorn, F. Bader: Physik-Oberstufe. Schroedel, Hannover 1986, .
mini|300px|desno|Comptonov učinak: foton valne duljine koji dolazi s lijeve strane, sudara se sa slobodnim elektronom, pa se zatim stvara novi foton valne duljine koji se raspršuje pod kutem .
mini|desno|300px|U pojednostavljenom Bohrovom modelu atoma vodika, Balmerova serija nastaje skokom elektrona na drugu energetsku razinu (n = 2). Prikazana je emisija kvanta svjetlosti. Prijelaz elektrona predstavlja H-alfa, prvu liniju Balmerove serije, valne duljine 656 nm.
mini|desno|300px|Dijagram energijskih razina elektrona u vodikovom atomu.
mini|desno|300px|Bohrov model atoma koji prikazuje najveći broj elektrona po ljuskama.
mini|desno|300px|Prijelaz elektrona i njihova rezultirajuća valna duljina za vodik.
mini|desno|300px|Vodikove atomske orbitale na različitim energetskim razinama. Svjetlija područja pokazuju mjesta gdje se elektron najvjerojatnije može naći.
Werner Heisenberg, punim imenom Werner Karl Heisenberg (Würzburg, 5. prosinca 1901. - München, 1. veljače 1976.), njemački fizičar. Matematiku i potom fiziku studirao u Münchenu. Doktorat o problemu nastajanja i širenja vrtloga tekućinom obranio je 1923. Nakon doktorata postao je asistent M. Borna u Göttingenu, da bi ubrzo postao privatnim docentom i predavačem (1924.).
Zahvaljujući bliskoj suradnji s N. Bohrom zarana se suočio sa svim problemima kvantne mehanike, napose s problemima složenih atomskih i molekulskih spektara. Velik je njegov prinos u izračunu jakosti (intenziteta) linija vodikova spektra. S pomoću novih kvantnoteorijskih pravila množenja koeficijenata u Fourierovim redovima za anharmoničke oscilatore dobio je rješenja jednadžbi gibanja za vodikov sustav. Bili su to novi kvantni uvjeti, koji su poslije poopćeni u komutacijsko pravilo matrica u radovima s M. Bornom i E. P. Jordanom. Heisenbergova mehanika matrica dovršena je i primijenjena 1925. Radovi trojice fizičara, Heisenberga, Borna i Jordana, odlučujuće su utjecali na daljnji razvoj kvantne mehanike: na izračune vlastitih stanja vodikovog atoma (W. Pauli), proširenje mehanike matrica u mehaniku operatora i time na neprekinuta gibanja, Diracovu metodu q-brojeva za višeelektronske atome, relativistički Comptonov učinak, finu strukturu vodikovih spektara te izračune stanja helijevog atoma.
Od 1926. Heisenberg je radio u Bohrovu institutu u Kopenhagenu. Potaknut Schrödingerovom valnom jednadžbom, napose fizikalnim značenjem kvadrata valne funkcije kao njezina pravoga rješenja, što je 1926. M. Born razriješio predodžbom statističke vjerojatnosti, Heisenberg je najdublje bio zainteresiran za problem zornih predodžbi veličina u kvantnoteorijskoj kinematici i mehanici. Rezultat su te analize slavne relacije neodređenosti 1927: ograničeno je istodobno mjerenje kanonski konjugiranih veličina, na primjer položaja i količine gibanja neke čestice. Općenito se uzima da su Bornovo statističko tumačenje valne funkcije, Heisenbergove relacije neodređenosti te Bohrov princip komplementarnosti temelji Kopenhagenske interpretacije kvantne mehanike.
Heisenberg je 1927., kao 25-godišnjak, preuzeo katedru teorijske fizike na Sveučilištu u Leipzigu. Ondje mu se 1929. pridružio F. Hund, da bi zajedno s matematičarom B. L. van der Waerdenom utemeljili poznati Leipziški krug moderne fizike. U toj fazi života i rada Heisenberg se bavio primjenom i proširenjem kvantne mehanike: kvantnomehaničko objašnjenje feromagnetizma te otkriće spinskih valova (zajedno s Hundom i Blochom). Tada je započela i njegova suradnja s W. Paulijem u razvoju relativističke kvantne teorije polja i najtežim problemom divergencija u njoj.
Temeljni je Heisenbergov prinos iz 1932. neutronsko-protonski model atomske jezgre, što ga je razvio ubrzo nakon otkrića neutrona. Heisenberg je formulirao izotopni spin ili izospin odgovarajućim matricama nukleonskoga stanja, kojim se opisuje simetrija nuklearne sile. U razdoblju do početka Drugog svjetskog rata bavio se proširenjem kvantne mehanike na kemiju i biologiju i temeljnim filozofijskim promjenama što ih je kvantna mehanika unosila u mikroskopsku sliku svijeta. Tijekom Drugog svjetskog rata u Institutu Kaiser Wilhel Heisenberg se uglavnom bavio teorijskim istraživanjem kozmičkoga zračenja. Surađivao je i u izgradnji nuklearnoga reaktora na bazi fisije uranija sporim neutronima.
S ostalim njemačkim fizičarima bio je 1945. zatočen i interniran u Farm Hall kraj Cambridgea, a vraćen u Zapadnu Njemačku na početku 1946. Postao je voditeljem Instituta Max Planck za fiziku i astrofiziku (1958.). U to se doba osobito bavio fizikom bariona, pa je predvidio na primjer ēta-mezon (η-mezon), koji je poslije i otkriven. U teorijskim se pokušajima Heisenberg često pozivao na Platonovu temeljnu sliku materije u obliku jednostavnih geometrijskih oblika. Potkraj života aktivno se bavio interdisciplinarnim odnosom fizike, filozofije i religije.
Filozofski i popularni tekstovi sabrani su u dvojezičnome izdanju njegovih Sabranih djela (njem. Gesammelte Werke – Collected Works, 1984.), u tri knjige u nizu pod oznakom C, (njem. Abteilung – Series C), pod naslovom Fizika i spoznaja (njem. Physik und Erkenntnis, C I 1927–55., C II 1956–68., C III 1969–76). Kopenhagensko se tumačenje kvantne teorije u općoj shemi svodi na rez između kvantnog objekta u mikrosvijetu, opisanog opservablama što opisuju njegovu probabilističku narav, i opažača sa sveukupnom njegovom instrumentacijom, klasičnom fizikom i svakodnevnim jezikom. Međudjelovanjem (aktom mjerenja) mikroskopskoga sustava i makroskopskog uređaja zbiva se događaj koji podliježe Heisenbergovim relacijama neodređenosti. Kvantna teorija narušila je ideal kauzalnosti klasične fizike.
Heisenberg je jedan od najuglednijih svjetskih znanstvenika i filozofa koji su primili počasni doktorat Sveučilišta u Zagrebu prigodom njegove 300. obljetnice. U hrvatskoj filozofiji znanosti za uvođenje kvantne mehanike u nastavu fizike i hrvatsku kulturu najzaslužniji je Heisenbergov student I. Supek. Heisenberg je dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 1932.
Odnosi neodređenosti
Klasična fizika prikazuje s jedne strane gibanje elektrona kao gibanje čestica uzduž određenih staza, s druge strane prikazuje širenje svjetlosti kao titranje kontinuuma. Ogib i interferencija elektronskih zraka, kao i pojava kvanata svjetlosti (fotona), sile nas da te temeljne klasične predodžbe podvrgnemo promjenama. Dok promatramo gibanje elektrona sve do u najsitnije potankosti kao gibanje čestica u točno određenim geometrijskim krivuljama, dok, dakle, gibanje elektrona shvatimo kao jedan astronomski sustav s točno određenim stazama, dotle u toj slici nema mjesta za valna svojstva. Isto tako, kad promatramo svjetlost kao elektromagnetski ili elastični val s određenim titrajima kontinuuma u svakom trenutku i u svakoj točki prostora ne možemo u tom kontinuiranom zbivanju otkriti ni traga takvim diskretnim kvantima svjetlosti. U stvarnosti, međutim, elektroni i svjetlost pokazuju valna i korpuskularna (čestica) svojstva (dualizam). To dokazuje da se ni klasična korpuskularna slika, ni klasična valna slika ne mogu dosljedno primijeniti na atomske procese. Opstojnost valnih svojstava materije ograničuje doseg korpuskularne slike, opstojnost kvanata svjetlosti ograničuje doseg klasične valne teorije. Temeljnim dualizmom vala i čestice, koji proniče čitavu nuklearnu fiziku, stavljene su granice klasičnoj fizici. Taj dualizam je ishodište kvantne kritike klasičnih zornih predodžbi. Kvantna teorija započinje tamo gdje zatajuju naše svakidašnje predodžbe o fizičkoj stvarnosti.
Do granica klasičnih predodžbi možemo najjasnije doći tako da iste fizičke procese opišemo u korpuskularnoj i valnoj slici. U klasičnoj mehanici gibanje neke točke potpuno je opisano ako u svaki pojedini trenutak znamo položaj i brzinu točke. Točno određena brzina, odnosno impuls sile, odgovara u valnoj slici valu s točno određenom valnom duljinom. Takav val s određenom valnom duljinom je ravni val, koji se širi po čitavom prostoru. Određena brzina elektrona ima, prema tome, u valnoj slici za posljedicu da je položaj elektrona u prostoru potpuno neodređen. Točno određenje mjesta i brzine elektrona stoji u suprotnosti s valnom predodžbom o gibanju materije. Želimo li u valnoj slici prikazati da se elektron nalazi u nekom malom području, moramo izgraditi jedan val koji snažno (intenzivno) titra samo u tom malom području, a izvan toga iščezava. Takav val nastaje po zakonima valnog širenja zbrajanjem vrlo mnogo ravnih valova različite duljine vala. Ti se ravni valovi u malom području pojačavaju, a izvan njega poništavaju. U korpuskularnoj slici valovima različite valne duljine odgovaraju različite brzine elektrona. Time što u valnoj slici ograničimo elektron na malo područje, brzina elektrona neminovno postaje neodređena. Što su manje dimenzije valnog paketa, to više treba valova s različitim valnim duljinama. Točno određenje mjesta u valnoj slici ima u korpuskularnoj slici za posljedicu potpunu neodređenost brzine. Želimo li gibanje elektrona istodobno prikazati kao širenje vala i kao gibanje čestica, u samom početku moramo se odreći mogućnosti da u najsitnije detalje provedemo obje predodžbe. Valna strana materije ukazuje na to da nema smisla govoriti istodobno o točno određenom položaju i brzini elektrona. Oba ta pojma mogu se primijeniti na elektron samo s izvjesnim stupnjem neodređenosti.
Na osnovu temeljnog dualizma postavit ćemo granice do kojih se pojmovi položaja i brzine smiju primijeniti na gibanje elektrona. Elektron neka se kreće na pravcu. Jednim mjerenjem je utvrđeno, da se on nalazi između točaka x i x + Δx. Rezultat toga mjerenja možemo u valnoj teoriji izraziti valom koji ima između x i x + Δx konačnu jakost (intenzitet), a izvan iščezava. Takav valni paket možemo prema zakonima valne teorije dobiti slaganjem ravnih valova s valnim duljinama od vrijednosti λ do vrijednosti λ + λ2/Δx.
Taj strogi matematički razultat je jasan ako pomislimo, da se ravni valovi moraju poništavati na granicama duljine Δx. U valnom paketu moraju se, dakle, pojavljivati ravni valovi, koji na granicama duljine Δx jedan ravni val učinio barem jedan titraj više od drugog vala. Prvi val neka je na toj duljini učinio n + 1 titraja (n je cijeli broj). Tada je njegova valna duljina jednaka Δx/(n + 1). Valna duljina drugog vala je jednaka λ = Δx/n, jer je taj drugi val učinio samo n titraja na duljini Δx. Prema tome, razlika u valnim duljinama između ta oba vala dana je razlikom:
Zaista vidimo da je valna duljina valova, koji izgrađuju valni paket, raspršena od vrijednosti λ do vrijednosti λ + λ2/Δx. Prema de Broglievu odnosu tim valnim duljinama odgovaraju impulsi između h/λ i h/(λ + Δλ). Raspršenje Δp impulsa dano je razlikom:
Uvrstimo li ovaio za raspon valne duljine gornju jednadžbu, dobivamo za raspršenje impulsa izraz:
Odatle proizlazi da je umnožak iz neodređenosti položaja Δx i neodređenosti impulsa Δp jednak Planckovoj konstanti h: