Wstęp do fizyki atomowej i cząsteczkowej

Transkrypt

1 Wstęp do fizyki atomowej i cząsteczkowej Pzedmiot badań: atom, cząsteczka (pojedynczy - nie kyształ ani ciecz) - stuktua poziomów eneg. - stany stacjonane - pzejścia między poziomami stany niestacjonane - oddziaływania z zewn. czynnikami (polami i cząstkami) Główne kieunki ozwoju: - spektoskopia a) atomowa b) molekulana - nowe dyscypliny - optyka nieliniowa - optyka kwantowa - fizyka ultazimnej mateii - infomatyka kwantowa - zastosowania m.in. metologia kwantowa Plan wykładu: I. Stuktua atomowa II. Oddziaływanie atomów z pomieniowaniem EM III. Metody doświadczalne wielkie ekspeymenty fizyki atomowej Mateiały do wykładu (pezentacje + zadania) Zakład Fotoniki Zaliczenie ćwiczenia + egzamin (w amach egz.licencjackiego). Pemia za zaliczenie lepsze niż 3,0 Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 1/

2 Polecane podęczniki: H. Haken, H. Ch. Wolf Atomy i kwanty, PWN, 00 ( wyd.) H. Haken, H. Ch. Wolf Fizyka molekulana z elementami chemii kwantowej, PWN, Paweł Kowalczyk Fizyka cząsteczek. Enegie i widma, PWN, 000. B. Cagnac, J. Pebay-Peyoula, Moden Atomic Physics vol. 1 Fundamental Pinciples, vol. Quantum Theoy and its Application, Macmillian Pess Ltd, London, G. K. Woodgate Stuktua atomu, PWN, W.Demtöde Spektoskopia laseowa, PWN, Waszawa C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloë Quantum Mechanics vol. 1+, Wiley (N. Yok, 1977). R. Eisbeg, R. Resnick Fizyka kwantowa, PWN, wybane atykuły w Postępach Fizyki, Świecie nauki, stony intenetowe, itp Kakowskie Konwesatoium Fizyczne Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 /

3 Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 3/ Geneza ozwoju f. atomowej 1 - ozwój techniki pomiaowej (nowe obsewacje): 1665 Isaac Newton (ozszczepienie światła na składowe) 1814 Joseph von Faunhoffe (linie absopcyjne w widmie słonecznym) 1860 Robet Bunsen & Gustav Kichhoff (spektoskop pyzmatyczny)

4 Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 4/ - poszukiwanie wytłumaczenia obsewacji 1884 Johan Jakob Balme (widmo wodou) 4 linie z widma Faunhoffea; λ = (9/5)h, (4/3)h, (5/1)h, (9/8)h, gdzie h=364,56 nm seie widmowe 1/λ = (1/4 1/n ) 1889 Johannes R. Rydbeg = R λ n

5 Początek nowożytnej f. atomowej 1. Dośw. Ensta Ruthefoda (~1910) Nobel 1908 (Chemia) źódło cząstek α (jąda He) θ Folia metal. detekto cząstek α ozposzenie: cząstka naładowana odpychające oddziaływanie kulombowskie silne wsteczne ozposz. silne oddz. silne pola ładunek ~ punktowy bak odzutu atomów folii ładunki ozpaszające w ciężkich obiektach ~ cała mateia folii skupiona w ciężkim jądze atomy = ciężkie jąda naładowane dodatnio o b. małych ozmiaach (~ m << ozmia atomu ~ m ) + lekkie elektony Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 5/

6 Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 6/. Model Boha (1913): 1. stacjonane stany elektonu w atomie, w któych elekton nie pomieniuje; mυ=nħ (ħ=h/π). zmiana stanu zachodzi skokowo pzez absopcję (emisję) pomieniowania o częstości ν=(e 1 -E )/h konsekwencje: K E n = - (Z /n K )E I 1/(4πε 0 ) E I = Kme 4 /ħ = en. jonizacji = 13,6 ev stała Rydbega: R = K me 4 /ħ n = n a 0 /Z a 0 = ħ /me = 0,05 nm (0,5 Å) υ n = Zυ 0 /n υ 0 = e /ħ

7 Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 7/ sens poziomów Boha klasycznie całk. enegia E = T klas + V klas jako stanów stacjonanych (odpowiadających minimum enegii) V klas = - e / 0 T klas = ½ mυ = ównowaga sił: m υ / = ½ e 0 = e / 0 / 0 E = - ½ e / 0 E( 0 ) 0. głęboki dół potencjał el. spada na jądo! postulat Boha nie tłumaczy stabilności atomów

8 postulaty Boha spzeczne z dotychczasową fizyką elekton kążący emituje (pzyspieszane ładunki pomieniują ) i powinien spaść na jądo z mech. kwant. p ħ aby klasyczne obity i kęt miały sens tzeba p << p, <<, ale p ħ czyli ( /)( p/p) << 1 ( p)/p ħ/p mv = p = nħ, czyli ( p)/p 1/n dla małych n spzeczność (chyba że n>>1 stany ydbegowskie) nie można mówić o zlokalizowanych obitach (w sensie klas.) Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 8/

9 Wg. mechaniki kwantowej: Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 9/ V= -e / najkozystniej gdy 0, ale elacja nieokeśl. wymaga, że gdy elekton zlokalizowany w obszaze o pomieniu 0 ; 0, to p ħ/ 0 (niezeowy pęd) gdy pęd niezeowy, niezeowa en. kin. T T min = ( p) /m = ħ /m 0 0 a 0 T min V E = T + V minimum E min = T min + V występuje dla 0 = ħ /me = a 0 stabilny atom nie może spaść, bo byłby zlokalizowany.

10 Mechanika kwantowa o poziomach eneget. atomu elekton w polu kulombowskim od Z potonów wg. mech. kwant. H CM =p /µ - K Ze / µ m e M/(m e +M), K 1/(4πε 0 ) C/ C/ potencjał kulombowski i centalny ówn. Schödingea: ψ + µ/ħ(e-c/) ψ = 0 z założenia centalności możl. faktoyzacji na cz. adialną i kątową ψ(,ϑ,ϕ) = R()Y(ϑ,ϕ) waunki ozwiązalności 3 liczby kwantowe: R nl () n = 1,,... l = 0, 1,,..., n-1 -l m l Y l, m (ϑ,ϕ) Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 10/

11 Fizyczna intepetacja liczb kwantowych n ozwiązanie cz. adialnej: E n µ C = n Z = n ( Rhc) 4 me R =K 3 - stała Rydbega 4π c (najdokładniej wyznaczona stała fundamentalna) n= n=5 n=4 n=3 n= 656, , seia Balmea ,6 s. Paschena Backetta Pfunda 14 ev 10 Rhc = 13,6 ev - en. jonizacji at. wodou w stanie podst. 11,5 10, n=1 0 seia Lymana Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 11/

12 Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 1/ l, m ozwiązanie cz. kątowej: Y l, m (θ, φ ) e imφ a ciągłość f. falowej wymaga, by całkowita wielokotność λ zmieściła się na obwodzie obity (pom. a) kwantyzacja: πa=mλ dł. fal mateii (de Boglie) λ=h/p t (p t - skł. styczna p) p t a = L z = mħ skład. kętu może mieć tylko watości skwant.: L z =0, ±ħ, ±ħ, ±3ħ,... skwantowana też długość L (watość L ): l(l +1) ħ

13 Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 13/ Funkcje falowe a) adialne pawdopodobieństwo adialne P()d= R d liczba pzejść R nl pzez zeo = n-l-1

14 f. adialne R nl () dla potencjału kulombowskiego R nl () zależą od n i l, ale E n wyłącznie od n E [ev] l = ,85-1,51-3,4 n= n=4 n=3 n= V() nie zależy od l degeneacja: n, l=0,1,..n-1. Stany m l też zdegene. stopień deg. g = Σ l (l+1) = n degeneacja pzypadkowa (tylko pot. kulomb. tylko wodó!) -13,6 Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 14/ n=1

15 Funkcje falowe Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 15/ b) kątowe P(θ)= Y(θ) ważne dla zachowania się atomów w zewnętznych polach i dla zozumienia symetii cząsteczek

16 Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 16/ Wiązania chemiczne a) kowalencyjne (np. H +, H ) b) jonowe pzykład: H O

17 Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 17/ symetia sfe. współz. sfe.. Sch. (część adialna) u E m u m l l V m u d d R u R E R V l l m d d d d m l n n l n = = = + + +,. 1) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1) ( 1 m l l Ze K V eff 1) ( ) ( + + = 0 V eff l = l = 0 l = 1 baiea odśodkowa

18 Funkcje falowe c.d. Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 18/

19 Poziomy eneg. atomów jednoelektonowych E n = µ C n = Z n ( Rhc) R = K 4 µ e 4π c 3 Izotopy wodou µ m e M/(m e +M) H β D β efekt izotopowy (masowy) Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 19/

20 Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 0/ Atomy egzotyczne pozytonium (pozytonium) = (e + e ) mionium (muonium) (µ + e ) atomy mezonowe: e µ + e e + v ten sam pot. oddz. ten sam ukł. poz., inne µ inne wat. en.

21 Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 1/ atom mionowy (p µ ): µ p pomień obity < R jąda mion penetuje (sonduje) jądo

22 Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 010/11, Wykład 1 / Quasi-atomy: kopki kwantowe centa bawne w kyształach (diament + NV nitogen vacancy)