Podstawy mechaniki kwantowej

Podobne dokumenty
Podstawy mechaniki kwantowej

Podstawy mechaniki kwantowej. Jak opisać świat w małej skali?

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

PIERWIASTKI W UKŁADZIE OKRESOWYM

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Chemia. Wykłady z podstaw chemii. Dr hab. Joanna Łojewska Zakład Chemii Nieorganicznej r Odkrycie fosforu przez Henninga Branda

Chemia. Dr hab. Joanna Łojewska Zakład Chemii Nieorganicznej r Odkrycie fosforu przez Henninga Branda

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Układ okresowy Przewidywania teorii kwantowej

Wykłady z podstaw chemii

1669 r Odkrycie fosforu przez Henninga Branda. Chemia. dr hab. Joanna Łojewska Zakład Chemii Nieorganicznej

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

Chemia. dr hab. Joanna Łojewska Zakład Chemii Nieorganicznej r Odkrycie fosforu przez Henninga Branda

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Chemia nieorganiczna. Copyright 2000 by Harcourt, Inc. All rights reserved.

Chemia nieorganiczna. Pierwiastki. niemetale Be. 27 Co. 28 Ni. 26 Fe. 29 Cu. 45 Rh. 44 Ru. 47 Ag. 46 Pd. 78 Pt. 76 Os.

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

gęstością prawdopodobieństwa

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

ul. Umultowska 89b, Collegium Chemicum, Poznań tel ; fax

Zad Sprawdzić, czy dana funkcja jest funkcją własną danego operatora. Jeśli tak, znaleźć wartość własną funkcji.

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

FALE MATERII. De Broglie, na podstawie analogii optycznych, w roku 1924 wysunął hipotezę, że

Wykład 9 Wprowadzenie do krystalochemii

Pierwiastek: Na - Sód Stan skupienia: stały Liczba atomowa: 11

Mechanika kwantowa. Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

Chemia nieorganiczna. Pierwiastki. niemetale Be. 27 Co. 28 Ni. 26 Fe. 29 Cu. 45 Rh. 44 Ru. 47 Ag. 46 Pd. 78 Pt. 76 Os.

Elektronowa struktura atomu

Wiązania. w świetle teorii kwantów fenomenologicznie

Chemia nieorganiczna. Copyright 2000 by Harcourt, Inc. All rights reserved.

UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW

r. akad. 2012/2013 wykład III-IV Mechanika kwantowa Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Mechanika kwantowa

Inne koncepcje wiązań chemicznych. 1. Jak przewidywac strukturę cząsteczki? 2. Co to jest wiązanie? 3. Jakie są rodzaje wiązań?

Kwantowa natura promieniowania

Światło fala, czy strumień cząstek?

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Fale materii hipoteza de Broglie'a Funkcja falowa Równanie Schrödingera

Elektronowa struktura atomu

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Fale materii hipoteza de Broglie'a Funkcja falowa Równanie Schrödingera

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Funkcja falowa Równanie Schrödingera

Dualizm korpuskularno falowy

λ(pm) p 1 rozpraszanie bez zmiany λ ze wzrostem λ p e 0,07 0,08 λ (nm) tł o

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -2

Rozwiązania zadań z podstaw fizyki kwantowej

XXIII Konkurs Chemiczny dla Uczniów Szkół Ponadgimnazjalnych. Etap II. Poznań, Zadanie 1. Zadanie 2. Zadanie 3

Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Optyka 1 / 16

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

Podstawy fizyki kwantowej

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

Konwersatorium 1. Zagadnienia na konwersatorium

Jak matematycznie opisać własności falowe materii? Czym są fale materii?

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Związki kompleksowe pigmenty i barwniki co to są związki kompleksowe? jaka jest ich budowa? skąd się bierze kolor?

Związki kompleksowe. pigmenty i barwniki. co to są związki kompleksowe? jaka jest ich budowa? skąd się bierze kolor? Pierwiastki

Teoria VSEPR. Jak przewidywac strukturę cząsteczki?

CHEMIA WARTA POZNANIA

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Jak matematycznie opisać własności falowe materii? Czym są fale materii?

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

39 DUALIZM KORPUSKULARNO FALOWY.

RÓWNANIE SCHRÖDINGERA NIEZALEŻNE OD CZASU

VII. CZĄSTKI I FALE VII.1. POSTULAT DE BROGLIE'A (1924) De Broglie wysunął postulat fal materii tzn. małym cząstkom przypisał fale.

Struktura elektronowa

Atom wodoru. Model klasyczny: nieruchome jądro +p i poruszający się wokół niego elektron e w odległości r; energia potencjalna elektronu:

Falowa natura materii

Wykład 9 Podstawy teorii kwantów fale materii, dualizm falowo-korpuskularny, funkcja falowa, równanie Schrödingera, stacjonarne równanie

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

Konfiguracja elektronowa atomu

Promieniowanie X. Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie Budowa lampy rentgenowskiej Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania X

Ładunek elektryczny jest skwantowany

Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

Fizyka. dr Bohdan Bieg p. 36A. wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

Źródła światła w AAS. Seminarium Analityczne MS Spektrum Zakopane Jacek Sowiński MS Spektrum

ZAPROSZENIE DO SKŁADANIA OFERT

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -1

Podczerwień bliska: cm -1 (0,7-2,5 µm) Podczerwień właściwa: cm -1 (2,5-14,3 µm) Podczerwień daleka: cm -1 (14,3-50 µm)

Problemy fizyki początku XX wieku

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Zasada nieoznaczoności Heisenberga

Fale materii. gdzie h= J s jest stałą Plancka.

V. RÓWNANIA MECHANIKI KWANTOWEJ

p.n.e. Demokryt z Abdery. Wszystko jest zbudowane z niewidzialnych cząstek - atomów (atomos ->niepodzielny)

Stara i nowa teoria kwantowa

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

Podstawy fizyki kwantowej

ROZPORZĄDZENIE RADY MINISTRÓW. z dnia 12 lipca 2006 r. w sprawie szczegółowych warunków bezpiecznej pracy ze źródłami promieniowania jonizującego 1)

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

Wykład 13 Mechanika Kwantowa

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

III. EFEKT COMPTONA (1923)

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

h 2 h p Mechanika falowa podstawy pˆ 2

Atom wodoru i jony wodoropodobne

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Mateusz Winkowski, Jan Szczepanek

ZESTAW PYTAŃ I ZAGADNIEŃ NA EGZAMIN Z FIZYKI sem /13

Transkrypt:

Podstawy mechaniki kwantowej Jak opisać świat w małej skali? Czy świat jest realny? Promieniowanie elektromagnetyczne gamma X ultrafiolet podczerwień mikrofale radiowe widzialne Wavelength in meters 0-0 -0 0-8 4 x 0-7 7 x 0-7 0-4 0-0 04 Gamma rays X rays Ultraviolet Infrared Microwaves Radio waves Visible FM Shortwave AM 4 x 0-7 5 x 0-7 6 x 0-7 7 x 0-7 Film_fala elektromagnetyczma.mov

Promieniowanie elektromagnetyczne second λ duża długość fali mała częstość ν = 4 cycles/second = 4 hertz λ ν = 8 cycles/second = 8 hertz λ 3 mała długość fali duża częstość ν 3 = 6 cycles/second = 6 hertz 3 Promieniowanie elektromagnetyczne λ second ν = 4 cycles/second = 4 hertz λ λ c = = λ ν T m [ s ] ν = 8 cycles/second = 8 hertz λ 3 λ długość fali [m] ν częstość [/s] Τ okres [s] ν = [] s T ν 3 = 6 cycles/second = 6 hertz 4

Promieniowanie elektromagnetyczne Przykład Wyznaczenie częstości światła z długości fali Jaka jest częstość promieniowania podczerwonego stosowanego w dalmierzu (autofocus) aparatu fotograficznego, jeżeli długość fali tego promieniowania wynosi.00 µm?! pamiętając, że λ ν= c i przeliczając długość fali na metry, tak aby c i λ były wyrażone w tych samych jednostkach, długość fali wynosi: c ν = λ λ =.00 µm 0-6 =.00 0-6 m µm 3.00 0 ν = 8 m/s = 3.00 0 4 /s.00 0-6 m 3.00 0 4 Hz 5 Fakty eksperymentalne. Rozkład energii w widmie ciała doskonale czarnego. Efekt fotoelektryczny 3. Efekt Comptona 4. Widma atomowe 5. Układ okresowy 6

Fakty eksperymentalne. Rozkład energii w widmie ciała doskonale czarnego Max Planck 900 kwanty energii E = hν h = 6.66 0 34 J s http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/applets/blackbody/frame.html 7 Fakty eksperymentalne. Efekt fotoelektryczny Albert Einstein 905 hν e bilans energii hν = m e v + Φ m e masa elektronu v prędkość ν częstość Φ praca wyjścia 8

Analogia Kwantowanie można porównać z wlewaniem wody do wiadra. Woda płynie nieprzerwanym strumieniem i wydaje się, że można wlać jej dowolną ilość. Jednak najmniejsza ilość wody, którą można przenieść, to jedna cząsteczka H O. Podobnie wydaje się, że energia jest przenoszona w sposób ciągły, w rzeczywistości jednak może być przekazywana tylko pewnymi porcjami. 9 Fakty eksperymentalne Przykład Wyznaczenie energii fotonów Jaka jest energia (w kilodżulach na mol) fotonów światła żółtego o częstości 5. 0 4 Hz? Każdy foton ma energię, która odpowiada częstości światła, zgodnie z równaniem E=hν. Z równania tego należy obliczyć tą energię, a następnie pomnożyć ją przez stałą Avogadra, by wyznaczyć energię na mol fotonów (w kilodżulach na mol kj = 0 3 J, Hz = /s). E = hν = (6.63 0-34 J s) (5. 0 4 /s) = 6.63 5. 0-0 J (6.63 5. 0-0 J) (6.0 0 3 /mol) ( kj/0 3 J) =. 0 kj/mol 0

Fakty eksperymentalne 3. Efekt Comptona p i zasada zachowania pędu ρ p i p ρ ρ p ρ = p s i s ρ + p = cosθ e p s θ p i p e i s równanie de Broglie a p h p = λ h h h λi = + = cosθ λ λ λ λ s λ i = λ e ( cosθ ) Fakty eksperymentalne Przykład Obliczenie długości fali obiektu Przypuśćmy, że elektron w atomie porusza się z prędkością. 0 6 m/s. Jaka jest długość fali de Broglie a elektronu? Równanie λ = h/mυ podaje zależność między długością fali a masą i prędkością obiektu. Aby z niego skorzystać musimy znać masę elektronu i wartość h (jednostki: kilogram, metr, sekunda). λ = (9.09 0-8 0 g) -3 kg = 9.09 0-3 kg g 6.63 0-34 J s (9.09 0-3 kg) (. 0 6 m/s) = 3.3 0-0 m J = kg m /s ; 330 pm

Fakty eksperymentalne Przykład 3 Obliczenie masy fotonu Jaką masę mają fotony pochodzące ze światła o długości fali 500 nm? Równanie mυ = h/λ podaje zależność między masą i prędkością obiektu a długością fali. m m f f h = λ c -34 6.63 0 Js = = 4 0-7 8 m 5 0 m 3 0 s 37 kg m e =9 0-3 kg 3 Fakty eksperymentalne 07_97 4. Widma atomowe (a) + VI BGYOR Continuous spectrum - Electric arc (white light source) Slit Prism Detector (photographic plate) (b) + Arc Detector (photographic plate) = R o n λ n > High voltage - Hydrogen gas Slit Prism 40 nm434 nm 486 nm 656 nm 4

Fakty eksperymentalne 5. Układ okresowy 0_9 Alkaline earth metals A Noble gases Halogens 8 8A H 3 4 5 6 7 A 3A 4A 5A 6A 7A He 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 0 Ne Na Mg 3 4 5 6 7 8 9 0 Transition metals 3 Al 4 Si 5 P 6 S 7 Cl 8 Ar Alkali metals 9 K 37 Rb 0 Ca 38 Sr Sc 39 Y Ti 40 Zr 3 V 4 Nb 4 Cr 4 Mo 5 Mn 43 Tc 6 Fe 44 Ru 7 Co 45 Rh 8 Ni 46 Pd 9 Cu 47 Ag 30 Zn 48 Cd 3 Ga 49 In 3 Ge 50 Sn 33 As 5 Sb 34 Se 5 Te 35 Br 53 I 36 Kr 54 Xe 55 Cs 56 Ba 57 La* 7 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 8 Tl 8 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87 Fr 88 Ra 89 Ac 04 Unq 05 Unp 06 Unh 07 Uns 08 Uno 09 Une Uun 0 Uuu *Lanthanides 58 Ce 59 Pr 60 Nd 6 Pm 6 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 7 Lu Actinides 90 Th 9 Pa 9 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 00 Fm 0 Md 0 No 03 Lr 5 Dualizm korpuskularno-falowy własności korpuskularne falowe światło!ciało doskonale czarne!efekt Comptona!efekt fotoelektryczny!dyfrakcja!interferencja elektrony!promieniowanie katodowe!promieniowanie beta!dyfrakcja!interferencja Które efekty dominują i dlaczego? Przykład: proces fotograficzny http://www.kutl.kyushu-u.ac.jp/seminar/microworld_e 6

dyfrakcja elektronów 7 Źródło pojedynczych elektronów Pd-Cs cathode 50 nm gold layer 8

Elektrony Dualizm korpuskularno-falowy Zgodnie z relacją de Broglie a cząstka o określonej prędkości jest falą, której długość określa równanie: h λe = m υ e e Gdzie zatem znajduje się elektron? Fala rozciąga się w przestrzeni, jest wszędzie. Jednak elektrony są jednocześnie falą i materią Zasada nieoznaczoności Heisenberga 9 Dualizm korpuskularno-falowy Zasada nieoznaczoności Heisenberga " jeżeli znamy prędkość cząstki, to nie możemy określić jej położenia. " gdy znamy położenie cząstki, wówczas nie wiemy nic o jej prędkości. tzn. znając położenie cząsteczki, nie możemy opisać jej jako fali o określonej długości x p h Czy są sytuacje, że zasada nieoznaczoności nie działa? # zjawiska makroskopowe, gdy falowe właściwości materii nie odgrywają praktycznie roli 0

Fotony Dualizm korpuskularno-falowy energia E f = hν masa m f hν = c pęd h - stała Plancka = 6.6. 0-34 J. s hν h ν częstość, s - p f = = c λ λ - długość fali, m c prędkość światła 3. 0 8 m/s Podstawy. Kwantowanie energii interpretacja efektu fotoelektrycznego i rozkładu widma ciała doskonale czarnego E = hν. Dualizm korpuskularno-falowy każda poruszająca się cząstka (foton, elektron) emituje falę o długości: λ = h p 3. Zasada nieoznaczoności nie można dokładnie ustalić położenia i pędu cząstki x p h

Podstawy 4. Gęstość prawdopodobieństwa można natomiast ustalić prawdopodobieństwo P przebywania cząstki w określonej objętości dv. Prawdopodobieństwo w danej objętości definiujemy jako gęstość prawdopodobieństwa Ψ : ψ P = dv 5. Równanie Schrödingera funkcję Ψ znajdujemy rozwiązując równanie różniczkowe: H ˆψ = Eψ gdzie Ψ oznacza funkcję falową. 3 Definicje Co to jest funkcja falowa? z P prawdopodobieństwo Ψ funkcja falowa ρ gęstość prawdopodobieństwa P ρ = = ρ( x, y, z, t) ρ( x, y, z) dv x y Istnieje taka funkcja, że ψ = ρ ψ = 4

Definicje Co to jest operator w matematyce? dowolna operacja matematyczna, jak na przykład: + Co to jest zagadnienie własne? Gˆ f d dx = g f sin ^ jeżeli w wyniku działania jakiegoś operatora G na funkcję f otrzymamy tą samą funkcję przemnożoną przez liczbę g: ^ wówczas liczbę g nazywamy wartością własną operatora G 5 Definicje Co to jest zagadnienie własne? Przykład można policzyć, że podwójne różniczkowanie funkcji: f = Ae ax daje: d dx Ae ax = a Ae ax gdzie: d dx jest operatorem Gˆ i a jest wartością własną 6

Równanie Schrödingera Ĥ E ψ H ˆψ = Eψ operator różniczkowy Hamiltona energia funkcja falowa zasada zachowania energii h d d d + + m dx dy dz energia kinetyczna elektronu m masa cząstki h stała Plancka operator energii kinetycznej Hˆ = Tˆ + Vˆ operator energii potencjalnej Z ładunek jądra E ładunek elektronu Z e 4πε r przyciąganie Coulombowskie jądro-elektron 0 7 ε 0 stała dielektryczna próżni r promień Równanie Schrödingera jeżeli cząstka porusza się w jednym wymiarze x to operator Hamiltona ma postać w stanie nieważkości: Hˆ h d = m dx a w trzech wymiarach x, y, z: ˆ = h d d d H + + m dx dy dz m masa cząstki h stała Plancka 8

Równanie Schrödingera Rozwiązując równanie Schrödingera otrzymuje się funkcje falowe i odpowiadające im wartości energii E. O poprawności rozwiązania świadczy jego zgodność z wartościami E wyznaczonymi doświadczalnie. 9 Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym) x=0 x=l x równanie Schrödingera ma postać: h m d ψ ( x) = Eψ ( x) dx 30

Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym) h m d Ψ = E Ψ( x) dx rozwiązanie równania ma postać ogólną: gdzie Ψ( x) = Asin kx + B cos kx (me) k = η i η = h π E energia cząstki A, B stałe całkowania 3 Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym) Uwzględniając warunki brzegowe cząstki w pudle dla: x=0 to Ψ=0 i x=l to Ψ=0 bo cząstka nie przebywa na ściankach pudła. Podstawiając x=0 do równania ogólnego otrzymamy: Ψ(x=0)=Asin (k 0)+Bcos(k 0)=0 sinkx=0 i coskx= zauważmy, że: wówczas B=0 Podstawiając x=l do równania ogólnego otrzymamy: Ψ(x=L)=Asin (k L)=0 wówczas A=0 lub sin (k L)=0 3 jednak A=0 wykluczamy, bo cząstka istnieje (Y(x)= 0 dla 0 < x< L)

Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym) Zatem dalej: sin (k L)=0 wtedy i tylko wtedy, gdy k=n π i n jest liczbą naturalną Podstawmy do wzoru na k ( me) k = = nπ n =, η Z tego otrzymamy wzór na energię E π π 3π... n h E = n = 8mL,... Energia cząstki jest kwantowana, a jej wartość zależy od liczby kwantowej n 33 Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym) energia n h E = n =,... 8mL poziomy energetyczne cząstki E n n 5 5 6 4 9 3 0 4 34

Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym) funkcja falowa dla stanu podstawowego n = dla stanu wzbudzonego n > można wykazać, że z warunku L Ψ ( x) dx = 0 Ψ ( x) n = L nπx sin L określający funkcję własną dla n-tego poziomu energetycznego 35 Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym) funkcja falowa i energia E n n ψ Ψn ( x) = L nπx sin L 9 3 E = n h 8mL 4 0 36 x=0 x=l

Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym) funkcja falowa E n n ψ ψ Ψn ( x) = L Ψ i energia n h E = 8mL nπx sin L gęstość prawdopodobieństwa nπx n( x) = sin L L 0 9 4 3 37 x=0 x=l