h 2 h p Mechanika falowa podstawy pˆ 2

Podobne dokumenty
Fizyka 3.3 WYKŁAD II

Stara i nowa teoria kwantowa

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

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

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Mechanika kwantowa. Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg

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

gęstością prawdopodobieństwa

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

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

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

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

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

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

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

V. RÓWNANIA MECHANIKI KWANTOWEJ

Właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków powtarzają się w pewnym cyklu (zebrane w grupy 2, 8, 8, 18, 18, 32 pierwiastków).

RÓWNANIE SCHRÖDINGERA NIEZALEŻNE OD CZASU

Mechanika kwantowa Schrödingera

Wykład Budowa atomu 3

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Atom wodoru i jony wodoropodobne

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

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

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

FIZYKA-egzamin opracowanie pozostałych pytań

Doświadczenie Younga Thomas Young. Dyfrakcja światła na dwóch szczelinach Światło zachowuje się jak fala - interferencja

Zasada nieoznaczoności Heisenberga. Konsekwencją tego, Ŝe cząstki mikroświata mają takŝe własności falowe jest:

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

Budowa atomów. Atomy wieloelektronowe Układ okresowy pierwiastków

Spis treści. Przedmowa redaktora do wydania czwartego 11

Tak określił mechanikę kwantową laureat nagrody Nobla Ryszard Feynman ( ) mechanika kwantowa opisuje naturę w sposób prawdziwy, jako absurd.

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

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

Równanie falowe Schrödingera ( ) ( ) Prostokątna studnia potencjału o skończonej głębokości. i 2 =-1 jednostka urojona. Ψ t. V x.

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

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

o pomiarze i o dekoherencji

Dualizm korpuskularno falowy

II.4 Kwantowy moment pędu i kwantowy moment magnetyczny w modelu wektorowym

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

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

Modele atomu wodoru. Modele atomu wodoru Thomson'a Rutherford'a Bohr'a

Równanie Schrödingera

Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie. Dr inż. KAROL STRZAŁKOWSKI Instytut Fizyki UMK w Toruniu

Wykład FIZYKA II. 12. Mechanika kwantowa. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

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

gdzie λ - długość fali, h - stała Plancka, p - pęd cząstki.

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

Mechanika Kwantowa. Maciej J. Mrowiński. 24 grudnia Funkcja falowa opisująca stan pewnej cząstki ma następującą postać: 2 x 2 )

Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii

Wielcy rewolucjoniści nauki

Równanie Schrödingera

falowa natura materii

Wykłady z Fizyki. Kwanty

Własności falowe materii

c) prawdopodobieństwo znalezienia cząstki między x=1.0 a x=1.5 jest równe

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

interpretacje mechaniki kwantowej fotony i splątanie

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

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

Wykład 3. Witold Bekas SGGW.

że w wyniku pomiaru zmiennej dynamicznej A, której odpowiada operator αˆ otrzymana zostanie wartość 2.41?

Faculty of Applied Physics and Mathematics -> Department of Solid State Physics. dydaktycznych, objętych planem studiów

Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Optyka 1 / 16

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

REZONANSY : IDENTYFIKACJA WŁAŚCIWOŚCI PRZEZ ANALIZĘ FAL PARCJALNYCH, WYKRESY ARGANDA

VIII. VIII.1. ORBITALNY MOMENT MAGNETYCZNY ELEKTRONU, L= r p (VIII.1.1) p=m v (VIII.1.2) L= L =mvr (VIII.1.1a) r v. r=v (VIII.1.3)

Modele atomu wodoru. Modele atomu wodoru Thomson'a Rutherford'a Bohr'a

POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ cd i formalizm matematyczny

Stany skupienia materii

Wczesne modele atomu

39 DUALIZM KORPUSKULARNO FALOWY.

Wykład 13 Mechanika Kwantowa

FALOWA I KWANTOWA HASŁO :. 1 F O T O N 2 Ś W I A T Ł O 3 E A I N S T E I N 4 D Ł U G O Ś C I 5 E N E R G I A 6 P L A N C K A 7 E L E K T R O N

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

Kwantowa natura promieniowania

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

Fizyka 3.3. dr hab. Ewa Popko, prof. P.Wr. p.231a

Paradoksy mechaniki kwantowej

Model Bohra budowy atomu wodoru - opis matematyczny

Metody rozwiązania równania Schrödingera

Mechanika klasyczna zasada zachowania energii. W obszarze I cząstka biegnie z prędkością v I, Cząstka przechodzi z obszaru I do II.

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

Problemy fizyki początku XX wieku

Wykład Budowa atomu 2

Światło fala, czy strumień cząstek?

Pasmowa teoria przewodnictwa. Anna Pietnoczka

Elementy fizyki kwantowej. Obraz interferencyjny. Motto. Funkcja falowa Ψ. Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż.

Podstawy fizyki kwantowej

Zasady obsadzania poziomów

Ładunek elektryczny jest skwantowany

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -2

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

Prawa ruchu: dynamika

Elementy fizyki kwantowej. Obraz interferencyjny. Funkcja falowa Ψ. Funkcja falowa Ψ... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż.

Wykład 26. Elementy mechaniki kwantowej.

Podstawy mechaniki kwantowej / Stanisław Szpikowski. - wyd. 2. Lublin, Spis treści

Transkrypt:

Mechanika falowa podstawy Hipoteza de Broglie a Zarówno promieniowanie jak i cząstki materialne posiadają naturę dwoistą korpuskularno-falową. Z każdą mikrocząstką można związać pewien proces falowy pierwotnie mówiono o tzw. falach materii; aktualnie mówi się raczej o tzw. falach prawdopodobieństwa. Długość fali kojarzonej z cząstką wiąże z jej pędem następująca zależność: λ h p Równanie Schrödingera Skoro z cząstkami materialnymi można skojarzyć pewną falę, zatem ruch owych cząstek powinien być opisywany prawami ruchu falowego przepisu pozwalającego określić funkcję falową skojarzoną z cząstką dostarcza tzw. równanie Schrödingera (w wersji zależnej od czasu opisuje czasową ewolucję układu; w wersji niezależnej od czasu opisuje stany stacjonarne układu). Równanie Schrödingera niezależne od czasu ma następującą postać: pˆ + U ( x) E m lub po prostu h m x gdzie + U ( x) Używając pojęcia liczby falowej i wzoru de Broglie a U (x) pˆ ih x E operator pędu, operator energii potencjalnej k π π π p 1 1 me m( E U ) λ h p h h k h możemy równanie Schrödingera przepisać w nieco prostszej postaci: x + k 0 przy czym należy pamiętać, iż liczba falowa k zależy od położenia cząstki. Rozwiązanie równania Schrödingera polega na znalezieniu postaci funkcji falowej i wartości energii cząstki E zależy zatem od rozkładu energii potencjalnej U(x) związanej z siłami działającymi na cząstkę. Funkcja falowa może być w ogólnym przypadku funkcją o wartościach zespolonych zatem sama w sobie nie posiada interpretacji fizycznej.

Interpretacja Borna funkcji falowej Kwadrat modułu funkcji falowej jest równy gęstości prawdopodobieństwa p znalezienia cząstki w punkcie przestrzeni o współrzędnej x. * p Prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w elemencie dx przestrzeni wynosi zatem: P( x, x + dx) p dx dx Zasada nieoznaczoności Heisenberga Jest ona konsekwencją falowo-cząstkowej natury materii. Istnieją pewne pary wielkości fizycznych (tzw. wielkości komplementarne lub sprzężone kanonicznie), których w drodze eksperymentu nie można równocześnie wyznaczyć z dowolną dokładnością obserwacja cząstki wywołuje pewne zaburzenia jej stanu. Parami wielkości sprzężonych kanonicznie są np. położenie i pęd oraz energia i czas. Iloczyn niepewności pary wielkości sprzężonych kanonicznie jest nie mniejszy niż połowa stałej Plancka dzielonej przez π. Np. h h p x x t E itd.... Uwaga!!! Ograniczenie dokładności pomiarów opisane w zasadzie nieoznaczoności nie jest spowodowane niedokładnością przyrządów pomiarowych czy metod ich użycia, lecz jest wynikiem falowej natury cząstek.

Interpretacja kopenhaska - filozofia mechaniki kwantowej Schrödinger sugerował, że funkcja falowa opisuje gęstość materii w przestrzeni, co oznaczało występowanie cząstek w postaci tzw. paczek falowych (obszarów przestrzeni otaczających "klasyczną" pozycję cząstki, w których można znaleźć cząstkę). To oznaczałoby, że nie ma możliwości, aby w jakichkolwiek warunkach określić dokładnie położenie cząstki, zaś temu przeczyły wyniki doświadczeń, które pozwalały na dokładną lokalizację elektronów. Elektrony według Schrödingera miały być po prostu falami materii, a ich postać cząsteczkowa, jak twierdził jest po prostu iluzją. Równanie Schrödingera (kwadrat funkcji falowej) opisywało gęstość rozkładu tej fali materii. W atomie wodoru na przykład fale materii były gęste w miejscach gdzie znajdowały się orbity opisane teorią Bohra. Rozwiązując równanie można było obliczyć bezpośrednio promienie tych orbit. Dopiero niemiecki fizyk, Max Born podał stosowaną do dziś interpretację wynikającej z równań Schrödingera funkcji falowej. Zasugerował on by nie nadawać interpretacji samej funkcji falowej, lecz kwadratowi jej wartości bezwzględnej. Takie podejście pozwalało mu określić prawdopodobieństwo zaobserwowania cząstki w określonym miejscu i czasie. Wielkość kwadratu wartości bezwzględnej funkcji falowej w dowolnym ustalonym punkcie określa nam miarę prawdopodobieństwa, że cząstka znajduje się w pobliżu tego punktu. Z takiej interpretacji funkcji falowej wynika statystyczny związek pomiędzy falą i związaną z nią cząstką. Oznacza to, że na poziomie cząstek elementarnych materia nie istnieje z "całą pewnością" w określonych miejscach, lecz raczej wykazuje "tendencję do zaistnienia". Komentarz Einsteina do faktu zaniechania przez teorię kwantową zasady ścisłej przyczynowości oraz rezygnacji z rozważania indywidualnych przypadków na rzecz interpretacji statystycznej: Bóg nie gra w kości ze Wszechświatem. Podsumowanie Heisenberga: Nie zakładaliśmy jakoby teoria kwantowa, w przeciwieństwie do teorii klasycznej, była teorią statystyczną w tym sensie, że z dokładnych wyników eksperymentalnych pozwala wysnuć tylko wnioski typu statystycznego. W sformułowaniu prawa przyczynowości, a mianowicie:»jeśli znamy dokładnie teraźniejszość, możemy przewidzieć przyszłość«, nie konkluzja, lecz raczej przesłanka jest fałszywa. Z przyczyn zasadniczych nie możemy znać teraźniejszości we wszystkich jej szczegółach. Mechanika kwantowa uznaje oddziaływanie badanego obiektu z obserwatorem za prawdę ostateczną odrzuca tym samym przekonanie, że poza dziedziną naszej percepcji leży ukryty świat obiektywny rządzony zasadami przyczynowości, jako pozbawione sensu i bezużyteczne; w zamian za to swoje rozważania ogranicza do opisu relacji zachodzących pomiędzy obserwacjami. Determinizm, jako opis ewolucji w czasie, dotyczy funkcji falowej, a nie samych wartości pomiarów. Każdy obiekt z kwantowego mikroświata (np. elektron, foton, itd.) opisywany jest za pomocą tzw. funkcji falowej, która mówi nam, jakie jest prawdopodobieństwo tego, iż obiekt ten znajduje się w danym miejscu. W rzeczywistości (jeśli można mówić o kwantowej rzeczywistości, co jest pojęciem bardzo dyskusyjnym), obiekty kwantowe, gdy ich nie widzimy, znajdują się w superpozycji stanów, czyli we wszystkich stanach jednocześnie. Dopiero akt pomiaru (czyli redukcji lub kolapsu funkcji falowej) sprowadza obiekty do określonego stanu. Przykładem ilustrującym to pozornie absurdalne zachowanie jest słynny kot Schrödingera. Bierzemy spore pudło i wkładamy do niego kota oraz truciznę. Uwolnienie trucizny uzależniamy od przebiegu procesu kwantowego (np. rozpadu promieniotwórczego), zachodzącego z prawdopodobieństwem 1. Jeśli proces zajdzie, kot zdechnie; jeśli nie, będzie żył. Nie jest to jednak tak proste, jak się z pozoru wydaje, gdyż do czasu otwarcia pudła i dokonania pomiaru, kot będzie się znajdował w superpozycji stanów. Będzie więc jednocześnie żywy i martwy. Dopiero akt obserwacji zredukuje funkcję falową kota i ustali jego stan. To jedna z możliwych interpretacji funkcji falowej. Istnieją jeszcze inne, w tym np. interpretacja s-f Everetta. Mówi ona, iż fakt pomiaru rozszczepia wszechświat na dwa równoległe: w jednym z nich kot dalej miauczy, a w drugim toczą go robaki.

Przykłady rozwiązań niezależnego od czasu równania Schrödingera CZĄSTKA SWOBODNA U ( x) E - dowolne 0 k i k x A e ± me / h * * ± ikx m ikx A e Ae A const ściśle określony pęd położenie całkowicie nieokreślone

CZĄSTKA W JAMIE POTENCJAŁU x < 0 U ( x) 0 0 x a x > a E - dowolne ikx ( x) C1e + C e ikx ( 0) ( a) sin k a 0 0 ka nπ, n ± 1, ±, K h k E π h n 8 m 8ma Energia cząstki znajdującej się w jamie potencjału jest skwantowana.

PRÓG POTENCJAŁU U ( x) 0 x 0 U 0 x > 0

BARIERA POTENCJAŁU U 0 x) U 0 ( 0 x < 0 0 x x > a a

KWANTOWY OSCYLATOR HARMONICZNY U ( x) k x Energia kwantowego oscylatora harmonicznego przyjmuje wartości dyskretne E n 1 ( + ) hω n ω k m n 0,1,, K!!!!! Energia drgań zerowych

ATOM WODOROPODOBNY U ( r) 1 4πε 0 Ze r zagadnienie trójwymiarowe Ponieważ potencjał ma charakter sferyczny zatem najwygodniej jest przejść do współrzędnych sferycznych Rozwiązania równania Schrödingera przetransformowanego do współrzędnych sferycznych mają postać n, l, m - to tzw. liczby kwantowe; numerują one poszczególne dopuszczalne rozwiązania równania Schrödingera; pojawiają się również w wyrażeniach na fizyczne wielkości określające stan kwantowy elektronu w atomie, kwantując ich wartości - w ten sposób ze zwykłych indeksów matematycznych stają się fizycznymi liczbami kwantowymi. główna liczba kwantowa: orbitalna liczba kwantowa: magnetyczna liczba kwantowa:

Główna liczba kwantowa określa energie stanów związanych elektronu w atomie wodoropodobnym. Wartość bezwzględna orbitalnego momentu pędu elektronu jest określona przez wartości orbitalnej liczby kwantowej l, a rzut wektora na wybraną oś określony jest przez liczbę magnetyczną m l. Dozwolone wartości tych liczb określone są z kolei przez wartość głównej liczby kwantowej n. Dla zadanej wartości liczby l jest możliwych l+1 wartości liczby m l i tyle też jest możliwych ustawień wektora momentu pędu względem wybranej osi. Warunki kwantyzacji nie narzucają jednak żadnych ograniczeń na wartości rzutu orbitalnego momentu pędu na dwie pozostałe osie prostopadłe do osi wyróżnionej. Oznacza to, że kierunek wektora L może się "obracać" wokół osi Z. SPIN ELEKTRONU Jego wartość i rzut na wyróżnioną (np. przez kierunek pola magnetycznego) oś są określone przez wyrażenia takie same jak dla wektora orbitalnego momentu pędu, tylko z innymi liczbami kwantowymi. s ms 1 ± 1 magnetyczna liczba spinowa