Podstawy fizyki wykład 1

Transkrypt

1 D. Halliday, R. Resnick, J.Walker: Podstawy Fizyki, tom 5, PWN, Warszawa H. D. Young, R. A. Freedman, Sear s & Zemansky s University Physics with Modern Physics, Addison-Wesley Publishing Company, K.Sierański, K.Jezierski, B.Kołodka, Wzory i prawa z objaśnieniami, cz. 3, Oficyna Wydawnicza Scripta, Podstawy fizyki wykład 1 Dr Piotr Sitarek Katedra Fizyki Doświadczalnej, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska

2 Użyteczne informacje Moja strona domowa: informacje do wykładu: Dydaktyka/Elektronika II Miejsce konsultacji: pokój 37/4, budynek A-1

3 Plan kursu 1. Dualizm falowo-korpuskularny. Fale materii. 2. Elementy mechaniki kwantowej (studnia potencjału, skaningowy mikroskop tunelowy, mikroskop sił atomowych). 3. Budowa atomu. Układ okresowy pierwiastków. Promieniowanie Roentgena. 4. Podstawy teorii pasmowej ciał stałych. Własności elektryczne ciał stałych. Wybrane nowoczesne przyrządy półprzewodnikowe (ogniwo słoneczne, fotodioda, laser półprzewodnikowy). 5. Fizyka jądrowa (budowa jądra atomowego, procesy rozpadów jądrowych).

4 Materiał do samodzielnego opanowania 1. Statystyki kwantowe: Fermiego-Diraca i Bose- Einsteina. Lasery. 2. Wiązania międzycząsteczkowe i w ciele stałym. Struktura krystaliczna ciał stałych. 3. Nowoczesne struktury niskowymiarowe. 4. Atomy wieloelektronowe. 5. Procesy powstawania pierwiastków.

5 Literatura D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Podstawy Fizyki, tomy 4 i 5, Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa K. Sierański, P. Sitarek, K. Jezierski, Repetytorium. Wzory i prawa z objaśnieniami, Oficyna Wydawnicza Scripta, K. Sierański, J. Szatkowski, Wzory i prawa z objaśnieniami, cz. 3, Oficyna Wydawnicza Scripta, P.A. Tipler, R.A. Llewellyn, Fizyka Współczesna, PWN 2012 H. D. Young, R. A. Freedman, Sear s & Zemansky s University Physics with Modern Physics, Addison-Wesley Publishing Company, Witryna dydaktyczna fizyki - zawiera materiały dydaktyczne

6 Kwantyzacja - Idea, że cała materia jest zbudowana z malutkich cząstek (atomów) pojawiła się ok. roku 450 p.n.e. w spekulacjach Demokryta. - Pomysł wrócił dopiero w XVII wieku różne stany skupienia starano się opisać korzystając z modelu małych niezniszczalnych kuleczek poruszających się w różnych kierunkach. - Dopiero Avogadro w 1811 r. zapostulował, że w jednostkowej objętości dowolnego gazu w tej samej temperaturze znajduje się tyle samo cząsteczek umożliwiło to ilościowe wyjaśnienie wielu własności związanych z objętością materii model cząsteczkowej budowy materii stał się akceptowanym. - Materia nie jest ciągła. W skali atomowej ma strukturę dyskretną skwantowaną. - Okazuje się, że kwantową naturę mają także: ładunek elektryczny, energia światła i energia oscylacji układu mechanicznego.

7 Kwantyzacja ładunku Pomiary ładunku e - opierając się na pracach M. Faradaya z pierwszej połowy IX wieku, w 1874 r. G.I. Stoney doszedł do wniosku, że ładunek elementarny e jest rzędu C, - w międzyczasie P. Zeeman, badając rozszczepienie linii widmowych w polu magnetycznym oszacował stosunek e/m na 1, C/kg, - w 1897 r. Thomson zmierzył stosunek e/m dla promieni katodowych w dwóch różnych eksperymentach, Rok 1897, ta określa (umownie) początek naszego rozumienia budowy atomu.

8 Kwantyzacja ładunku Pomiary ładunku e doświadczenie J.J. Thomsona - drugi z nich (zwany doświadczeniem Thomsona) polegał na dobraniu natężenia wzajemnie prostopadłych pól magnetycznego i elektrycznego w taki sposób, aby tor cząstki nie uległ odchyleniu (np. siłę Lorentza należy zrównoważyć siłą elektryczną), - została otrzymana wartość 1, C/kg, wyznaczona jedynie za pomocą woltomierza, amperomierza i linijki, Schemat lampy, której Thomson używał do wyznaczenia stosunku e/m. - dla różnych metali Thomson uzyskał takie same wartości e/m cząstki te (nazwane korpuskułami lub elektronami) o ujemnym ładunku elementarnym e wchodzą w skład wszystkich metali (atomów),

9 Kwantyzacja ładunku Pomiary ładunku elektrycznego doświadczenie Millikana - w 1909 r. Millikan rozpoczął serię eksperymentów, które pokazały, że mierzony ładunek jest wielokrotnością ładunku elementarnego e, - określił, że e = 1, C - obecnie przyjmuje się e = 1, C - kropelki oleju w rozpylaczu ładują się przechodząc przez dyszę, - wpadają od góry do urządzenia, - opadanie pod wpływem pola elektrycznego i wznoszenie pod wpływem pola elektrycznego można obserwować za pomocą mikroskopu, - pomiar czasu wznoszenia (opadania) pozwala wyznaczyć ładunek obserwowanej kropelki, - ładunek można zmieniać, oświetlając kropelki promieniowaniem X teleskop rozpylacz

10 Dualizm korpuskularno falowy

11 Dualizm korpuskularno falowy

12 Dualizm korpuskularno falowy Ciało doskonale czarne Jest to ciało całkowicie pochłaniające promieniowanie elektromagnetyczne padające na jego powierzchnię. Dla ciała doskonale czarnego spektralna zdolność absorpcyjna jest równa jedności dla każdej długości absorbowanej fali. Substancją o spektralnej zdolności absorpcyjnej bliskiej jedności jest np. sadza.

13 Dualizm korpuskularno falowy Spektralna zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego przykład

14 Dualizm korpuskularno falowy

15 Dualizm korpuskularno falowy Wyznacz moc jaką emituje Słońce (jako ciało doskonale czarne) P = RS = A(T)σST 4 r S = 4 p r 2 S J/rok

16 Dualizm korpuskularno falowy

17 Dualizm korpuskularno falowy Wprowadzenie pojęcia najmniejszych porcji energii kwantów energii, doprowadziło do tego, że naukowcy zaczęli inaczej spoglądać na otaczający ich świat (głównie mikroskopowy), co stoi doprowadziło do powstania nowej dziedziny fizyki fizyki kwantowej (mechaniki kwantowej) Fizyka kwantowa choć głównie zajmuje się mikroświatem, to odpowiada także na wiele pytań dotyczących świata makro czy kosmologii. Jest wiele wielkości, które istnieją tylko w pewnych minimalnych porcjach (zwanych kwantami) lub jako wielokrotności tych porcji. Mówimy, że wielkości te są skwantowane.

18 Dualizm korpuskularno falowy - Widma emisyjne pierwiastków H Na He Ne Hg przykład

19 przykład Dualizm korpuskularno falowy Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne U h nie zależy od natężenia światła!

20 Dualizm korpuskularno falowy Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne Potencjał hamujący zależy od częstotliwości, ale Częstości światła v 3 > v 2 > v 1 Takie same intensywności U h3 > U h2 > U h1 maksymalny prąd zależy tylko od intensywności.

21 Dualizm korpuskularno falowy Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne λ 0 = c ν 0 Nie dla wszystkich fal zjawisko występuje!

22 Dualizm korpuskularno falowy Równanie Einsteina

23 Dualizm korpuskularno falowy Praca wyjścia Na Li Al. Pb Zn Cu Ag Fe Pt

24 Dualizm korpuskularno falowy W 1916 A. Einstein zapostulował, że foton ma pęd W 1923 A. Compton potwierdził, że foton może przekazywać pęd i energię.

25 Dualizm korpuskularno falowy Efekt Comptona

26 Dualizm korpuskularno falowy Efekt Comptona f

27 Dualizm korpuskularno falowy

28 Dualizm korpuskularno falowy

29 Dualizm korpuskularno falowy Doświadczenie C.J.Davissona i L.G.Germera przykład

30 Dualizm korpuskularno falowy Doświadczenie C.J. Davissona i L.G. Germera

31 Dualizm korpuskularno falowy Doświadczenie z jedną szczeliną obraz dyfrakcyjny elektronów

32 Dualizm korpuskularno falowy Doświadczenie z dwiema szczelinami 100 elektronów 3000 elektronów elektronów

33 Dualizm korpuskularno falowy - elektronowi o masie i prędkości odpowiada fala o długości - a piłce bejsbolowej poruszającej się z prędkością

34 Dualizm korpuskularno falowy Zasada nieoznaczoności Heisenberga Pewnych wielkości fizycznych nie można zmierzyć równocześnie z dowolną dokładnością. Iloczyn niepewności pomiaru dwóch takich wielkości jest niemniejszy od stałej Plancka dzielonej przez 2p. Δp x Δx h 4π ΔE Δt h 4π

35 Dualizm korpuskularno falowy Zasada nieoznaczoności Heisenberga - określić dokładność wyznaczenia prędkości elektronu poruszającego się z prędkością 1000 m/s przy zastosowaniu światła o długości 550nm - określić dokładność wyznaczenia pędu piłki bejsbolowej o masie 45g i prędkości 60m/s przy zastosowaniu światła o długości 550nm

36 Dualizm korpuskularno falowy Zasada nieoznaczoności Heisenberga dozwolone niemożliwe

37 Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) - pierwszy obraz otrzymał Max Knoll w 1935, - badania nad podstawami fizycznymi i oddziaływaniem wiązki z próbką prowadził Manfred von Ardenne w 1937 (patent na SEM), - SEM zbudował Sir Charles Oatley i jego student Gary Stewart (przedstawiono go do sprzedaży w 1965 przez Cambridge Scientific Instrument Company).

38 Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) - Obraz oglądany w skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) nie jest obrazem rzeczywistym. To co widzimy w SEM jest obrazem wirtualnym skonstruowanym na bazie sygnałów emitowanych przez próbkę. - Dzieje się to poprzez zeskanowanie linia po linii obszaru na powierzchni próbki. - Przemieszczanie się wiązki od punktu do punktu wywołuje zmiany w generowanym przez nią sygnale. Zmiany te odzwierciedlają zróżnicowanie próbki w poszczególnych punktach. - Sygnał wyjściowy jest więc serią danych analogowych, które są przetwarzane na serię wartości liczbowych - tworzony jest obraz cyfrowy.

39 Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) Schemat SEM

40 Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) Przykłady SEM - kontakty ze złota (jasne pola) naniesione na heterostrukturę GaInAs/InP.

41 Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)

42 Transmisyjny Mikroskop Elektronowy (TEM) Transmisyjny Mikroskop Elektronowy (Transmission Electron Microscopy TEM) Louis de Broglie teoretyczne założenia, że elektron może mieć własności falowe o długości dużo mniejszej niż światło widzialne Knoll i Ruska (NP 1986) wynaleźli soczewki elektronowe pierwszy działający (jeszcze niezbyt dobrze) aparat Siemens i Halske (Niemcy) pierwszy komercyjny TEM

43 Transmisyjny Mikroskop Elektronowy (TEM) - TEM mikroskopia, w której wiązka elektronów jest przepuszczana przez bardzo cienką próbkę oddziaływując z nią. - Obraz jest formowany z elektronów, które przeszły przez próbkę, wzmacniany i ogniskowany a następnie detektowany, aktualnie, poprzez kamerę CCD. -

44 Transmisyjny Mikroskop Elektronowy (TEM) - elektrony są generowane termicznie np. z W lub LaB 6 lub poprzez emisję polową - elektrony są przyspieszane do energii rzędu 100 to 300 kev i ogniskowany przy użyciu elektrostatycznych i elektromagnetycznych soczewek - transmitowana wiązka przenosi informacje o gęstości elektronów, fazie i periodyczności użytych do formowania obrazu

45 Transmisyjny Mikroskop Elektronowy (TEM) Tryb dyfrakcyjny (ED) l el = nm dla 200 kv Prawo Bragg a daje nam zależność pomiędzy odległością pomiędzy płaszczyznami d a kątem ugięcia q: nλ = 2dsinΘ Kąty rozpraszania są bardzo małe ( 0< q <1 ).

46 Transmisyjny Mikroskop Elektronowy (TEM) TEM ED otrzymany z cienkiej folii Al-Li-Cu

47 Transmisyjny Mikroskop Elektronowy (TEM) Tryb dyfrakcyjny (ED) / tryb obrazowy

48 Transmisyjny Mikroskop Elektronowy (TEM) Tryby obrazowe - Jasnego pola (Bright Field): apertura jest umieszczona w tylnej płaszczyźnie ogniskowej obiektywu kontrast masy, kontrast dyfrakcyjny - Ciemnego pola (Dark Field): wiązka pierwotna jest blokowana poprzez aperturę podczas gdy wiązka dyfrakcyjna przechodzi przez obiektyw defekty powierzchniowe, kontrast dyfrakcyjny

49 Transmisyjny Mikroskop Elektronowy (TEM) Nanodrut GaAs (WZ)/GaAsSb(ZB)/ GaAs (ZB)

50 Transmisyjny Mikroskop Elektronowy (TEM) Przykłady

51 Transmisyjny Mikroskop Elektronowy (TEM) TEM transmisyjny mikroskop elektronowy MoS nm - zielone Mo - żółte S STEM

52 Transmisyjny Mikroskop Elektronowy (TEM) TEM transmisyjny mikroskop elektronowy

53 Transmisyjny Mikroskop Elektronowy (TEM) TEM transmisyjny mikroskop elektronowy

54 Pewne konsekwencje teorii kwantowej Na każdym opakowaniu (np. puszki z fasolą) powinno być napisane (zdaniem zawsze dobrze poinformowanych prawników): Ostrzeżenie: przed oglądaniem, dotykaniem czy przechowywaniem produktu! Produkt emituje promieniowanie. Produkt składa się przynajmniej z 99,999% pustej przestrzeni. Wewnątrz znajdują się cząstki, które poruszają się z szybkością większą niż milion km/h. Każdy kilogram produktu zawiera energię odpowiadającą energii wyzwolonej przez około sto bomb atomowych (standardowa głowica bojowa ma zdolność niszczenia odpowiadającą 0,2 mega tony TNT 1 mega tona TNT odpowiada energii zmagazynowanej w 47 g materii) Christoph Schiller MOTION MOUNTAIN The Adventure of Physics - Edition available as free pdf with films at

55 Pewne konsekwencje teorii kwantowej, cd. Ostrzeżenie: przed oglądaniem, dotykaniem czy przechowywaniem produktu! W przypadku zetknięcia z antymaterią grozi katastrofalna eksplozja. Produkt przyciąga, z siłą zwiększającą się w miarę zmniejszania odległości, inne obiekty, włączając to dzieci nabywcy. Niemożliwe jest aby produkt pozostawiony w jednym miejscu pozostał tam zawsze. Produkt może się rozpaść w ciągu następnych lat. Produkt zagina przestrzeń i czas w swoim sąsiedztwie. Produkt może zniknąć z obecnej lokalizacji i pojawić się w dowolnym innym miejscu (choćby w garażu sąsiada). Składniki produktu są dokładnie takie same jak innych produktów we Wrzechświecie, włączając w to np. zgniłą rybę.

56 Dziękuję za uwagę!