Falowa natura materii

Podobne dokumenty
Falowa natura materii

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

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

Wykład FIZYKA II. 11. Optyka kwantowa. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Światło fala, czy strumień cząstek?

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

Podstawy fizyki kwantowej

Podstawy fizyki kwantowej

Kwantowa natura promieniowania

Podstawy fizyki kwantowej

Podstawy fizyki kwantowej. Nikt nie rozumie fizyki kwantowej R. Feynman, laureat Nobla z fizyki

ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE

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

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

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -1

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

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Wykład 7 Kwantowe własności promieniowania

Rysunek 3-19 Model ciała doskonale czarnego

Podstawy fizyki kwantowej

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

Promieniowanie cieplne ciał.

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

FALOWA NATURA MATERII

Elementy optyki kwantowej. Ciało doskonale czarne. Teoria Wiena. Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

Podstawy fizyki sezon Dualizm światła i materii

Światło ma podwójną naturę:

Problemy fizyki początku XX wieku

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Rozładowanie promieniowaniem nadfioletowym elektroskopu naładowanego ujemnie, do którego przymocowana jest płytka cynkowa

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

Stałe : h=6, Js h= 4, eVs 1eV= J nie zależy

Podstawy fizyki kwantowej

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 39 ATOM WODORU. PROMIENIOWANIE. WIDMA TEST JEDNOKROTNEGO WYBORU

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

Fizyka klasyczna i kwantowa. Krótka historia fizyki.

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

Ładunek elektryczny jest skwantowany

Zjawiska korpuskularno-falowe

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -2

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

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

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

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

BADANIE EFEKTU FOTOELEKTRYCZNEGO ZEWNĘTRZNEGO

39 DUALIZM KORPUSKULARNO FALOWY.

Rozdział 1. Światło a fizyka kwantowa

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

41P6 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - V POZIOM PODSTAWOWY

FALOWY I KWANTOWY OPIS ŚWIATŁA. Światło wykazuje dualizm korpuskularno-falowy. W niektórych zjawiskach takich jak

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

Feynmana wykłady z fizyki. [T.] 1.2, Optyka, termodynamika, fale / R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. wyd. 7. Warszawa, 2014.

Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

Wielcy rewolucjoniści nauki

Dualizm korpuskularno falowy

Ćwiczenia z mikroskopii optycznej

Kwantowa teoria promieniowania

FIZYKA Podręcznik: Fizyka i astronomia dla każdego pod red. Barbary Sagnowskiej, wyd. ZamKor.

Wykład 17: Elementy fizyki współczesnej

Optyka kwantowa wprowadzenie. Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej

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

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

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Optyka. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat. Dyfrakcja. Laser. Uniwersytet Rzeszowski, 17 stycznia 2018

Własności falowe materii

ZESTAW PYTAŃ I ZAGADNIEŃ NA EGZAMIN Z FIZYKI sem /13

Techniki Jądrowe w Diagnostyce i Terapii Medycznej

Efekt fotoelektryczny

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA NA PODSTAWIE PRAWA PLANCKA PROMIENIOWANIA CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO

WŁASNOŚCI ŚWIATŁA. 1. Optyka geometryczna i falowa zasady i prawa optyki geometrycznej całkowite wewnętrzne odbicie; światłowody

Foton, kwant światła. w klasycznym opisie świata, światło jest falą sinusoidalną o częstości n równej: c gdzie: c prędkość światła, długość fali św.

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

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Efekt fotoelektryczny. 18 października 2017

Energetyka Jądrowa. Wykład 28 lutego Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Techniczne podstawy promienników

Widmo fal elektromagnetycznych

BADANIE PROMIENIOWANIA CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO

Wczesne modele atomu

Wykład 32. ciało doskonale czarne T = 2000 K. wolfram T = 2000 K

Stara i nowa teoria kwantowa

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

Analiza spektralna widma gwiezdnego

FIZYKA II. Podstawy Fizyki Współczesnej 15h (R.Bacewicz) Fizyka Urządzeń Półprzewodnikowych 15 h (M.Igalson) Laboratorium Fizyki II 15h

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

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

W3. Mechanika klasyczna objekty klasyczne

Fizyka promieniowania jonizującego. Zygmunt Szefliński

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Zagadnienia na egzamin ustny:

WFiIS. Wstęp teoretyczny:

Wstęp do astrofizyki I

III. EFEKT COMPTONA (1923)

Oddziaływanie promieniowania X z materią. Podstawowe mechanizmy

Transkrypt:

r. akad. 2012/2013 wykład I - II Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Falowa natura materii 1

r. akad. 2012/2013 Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Warunki zaliczenia: Aby uzyskać dopuszczenie do kolokwium końcowego należy uzyskać zaliczenie: z laboratorium na ocenę nie gorszą niż trzy uzyskać zaliczenie z projektu na ocenę nie gorszą niż trzy Kolokwium końcowe obejmuje materiał omówiony w trakcie wykładów. Zagadnienia do kolokwium podane zostaną nie później niż na tydzień przed terminem zaliczenia i będą dostępne na stronie: www.biofizyka.p.lodz.pl w zakładce dydaktyka Termin zaliczenia przypada na termin ostatniego wykładu 2

Fizyka klasyczna: budowa materii - atomy i cząsteczki prawa Newtona, pole grawitacyjne kinetyczna teoria ciepła elektryczność magnetyzm elektromagnetyzm falowa natura światła szczególna teoria względności 3

Przewodnik z prądem Pętla z prądem B B B E E E Emisja energii w postaci fali EM 4

elektromagnetyzm falowa natura światła - doświadczalne potwierdzenie teorii Maxwella przez Hertza (1888) -światło jako fala elektromagnetyczna - widma emisyjne i absorpcyjne - promieniowanie ciała doskonale czarnego - rozkład R ν,t = f(ν,t) dąży do nieskończoności dla małych λ (katastrofa w ultrafiolecie) - paradoks trwałości atomu 5

Zdolność emisyjna/absorpcyjna ciał Promieniowanie cieplne (termiczne) emitowanie fal elektromagnetycznych kosztem energii wewnętrznej ciał. Całkowita zdolność emisyjna - strumień energii emitowany przez jednostkę powierzchni promieniującego ciała we wszystkich kierunkach. Jest funkcją temperatury T oraz częstotliwości ν. Całkowita zdolność emisyjna Zdolność absorpcyjna określa stopień pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego przez ciała. Jest funkcją temperatury T oraz częstotliwości ν. Określa ją stosunek strumienia energii promieniowania pochłoniętego przez dane ciało do strumienia padającego na nie. Zdolność absorpcyjna 6

Ciało doskonale czarne Całkowicie pochłania padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne niezależnie od temperatury, kąta padania i widma promieniowania. Prawo Kirchoffa Stosunek zdolności emisyjnej do zdolności absorpcyjnej nie zależy od rodzaju ciała i jest on dla wszystkich ciał jednakową funkcją częstości i temperatury Dla ciała doskonale czarnego f jest zdolnością emisyjną. Prawo Stefana - Boltzmana 7

Prawo przesunięć Wiena Promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez ciało doskonale czarne. Ze wzrostem temperatury widmo promieniowania ciała doskonale czarnego przesuwa się w stronę fal krótszych. Źródło: http://ay20-andykeller.blogspot.com/2012/10/black-bodyradiation.html 8

Katastrofa w ultrafiolecie Zdolność emisyjna na jednostkę objętości Jest to wzór Rayleigha - Jeansa dla promieniowania ciała doskonale czarnego. Wyrażenie na gęstość energii promieniowania ciała doskonale czarnego, otrzymane przez Plancka i zwane wzorem Plancka na rozkład widmowy promieniowania ciała doskonale czarnego, ma postać : 9

szczególna teoria względności - Einstein (1905) połączył zasadę względności z ograniczoną prędkościąświatła. Myśl ta została nazwana szczególną teorią względności i stanowi szczytowe osiągnięcie fizyki klasycznej. - matematycznym narzędziem teorii względności jest transformata Lorentza zawierająca czynnik: 1 V 2 /c 2 - wynikiem zastosowania szczególnej teorii względności jest fizyka relatywistyczna, będąca w istocie wciąż fizyką klasyczną poszerzoną o postulaty Einsteina 10

Fizyka współczesna a fizyka klasyczna Fizyka współczesna: korpuskularna natura materii zjawisko fotoelektryczne zjawisko Comptona falowa natura materii dyfrakcja elektronów 11

Fizyka współczesna a fizyka klasyczna Fizyka współczesna: Postulat Plancka (1900) prawo opisujące emisję światła przez ciało doskonale czarne znajdujące się w danej temperaturze. Zgodnie z nim emisja (i absorpcja) światła odbywa się w porcjach (kwantach) o energii E = hf = hc λ Max Karl Ernst PLANCK (1858-1947), wybitny fizyk niemiecki gdzie f - częstotliwość drgań oscylatorów h stała Plancka, h=6,6253 10-34 Js 12

Zjawisko fotoelektryczne Hipoteza Einsteina (1905): Albert EINSTEIN (1879-1955), fizyk niemiecki światło składa się z kwantów (fotonów) o energii E=hf, gdzie h stała Plancka fotony zachowują się jak cząstki materii podczas zderzenia z elektronem, fotony są pochłaniane przez elektrony i mogą oddawać im swoją energię 13

Zjawisko fotoelektryczne Zjawisko polegające na wybijaniu elektronów z powierzchni materiałów energia wybijanych elektronów zależy od częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego dla różnych metali f 0 przyjmuje różną wartość E max jest niezależne od natężenia promieniowania elektromagnetycznego liczba emitowanych elektronów zależy od natężenia promieniowania elektromagnetycznego a nie zależy od jego częstotliwości 14

Zjawisko fotoelektryczne E max =hf W 0 energia charakterystyczna dla danego metalu, zwana pracą wyjścia(w 0 ), jest minimalną energią potrzebną elektronowi na pokonanie sił przyciągania wiążących go wewnątrz metalu, przekroczenie powierzchni i wydobycie się na zewnątrz jeżeli zjawisko fotoelektryczne zachodzi na pojedynczym atomie, to praca wyjścia jest równa energii wiązania wybitego elektronu 15

Zjawisko Comptona - rozpraszanie fotonu na swobodnym elektronie 16

Zjawisko Comptona Z zasady zachowania energii Z zasady zachowania pędu λ` λ = 2 2 hf + mc = pc + mc = p' c + ' + h mc p p`= (1 p e cosα ) ' ' E e = hf Ee Zmiana długości fali w zjawisku Comptona zależy jedynie od kąta rozproszenia, nie zależy od energii początkowej fotonu. Komptonowska długość fali λ c =h/m e c = 0.0024 nm jest bardzo mała. Dlatego nie widać rozpraszania Comptona dla światła widzialnego o długości fal 400-700 nm. 17

zjawiska falowe dyfrakcja i interferencja Powiększony obraz szczelin siatki dyfrakcyjnej i odpowiadający temu rozkład natężenia światła na ekranie sinθ = nλ d warunek wystąpienia maksimum 18

Fizyka współczesna a fizyka klasyczna c.d.: zjawiska falowe - interferencja 19

Dualizm falowo - cząsteczkowy Hipoteza de Broglie`a (1924) głosi, że dwoiste, tj. korpuskularno-falowe zachowanie jest cechą nie tylko promieniowania, lecz również materii. Tak samo jak z fotonem stowarzyszona jest pewna fala świetlna, która rządzi jego ruchem, tak i cząstce materialnej (np.: elektronowi) przypisana jest pewna, określająca jego ruch fala materii Louis de BROGLIE (1892 1987), fizyk francuski h λ = oraz E = hf p dla wszystkich cząstek 20

Dualizm falowo cząsteczkowy fali elektromagnetycznej Fotony przechodzące przez szczelinę A dają obraz na ekranie 21

Dualizm falowo - cząsteczkowy Schemat doświadczenia Davissona i Germera potwierdzający hipotezę de Broglie`a; odbite od monokryształu niklu elektrony dały obraz interferencyjny, którego maksimum wypadało pod kątem 65 a wyliczona długość fali 16,5 nm zgadzała się z wartością wynikającą ze wzoru de Broglie`a 16,7 nm. 22

Dualizm falowo - cząsteczkowy Warunek wzmocnienia wiązki ugiętej 2d sinθ = mλ d odległość między płaszczyznami atomowymi Θ kąt pomiędzy padającą wiązką a płaszczyzną atomową m liczba całkowita m=±1, ±2, ±3, λ długość fali elektronów 23

Dualizm falowo - cząsteczkowy 24

Dualizm falowo - cząsteczkowy Dyfrakcja elektronów 25

Dualizm falowo - cząsteczkowy Funkcja falowa Właściwości falowe cząstki opisuje się za pomocą funkcji falowej Ψ( x, y, z, t) Prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w dowolnym punkcie (x,y,z) i dowolnej chwili t jest proporcjonalne do natężenia fali 2 Ψ( x, y, z, t) 26

Dualizm falowo - cząsteczkowy Funkcja falowa Jeżeli zdarzenie może zajść na kilka równoważnych sposobów, to amplituda prawdopodobieństwa tego zdarzenia jest sumą poszczególnych amplitud prawdopodobieństwa Ψ = Ψ1 + Ψ 2 27

Zasada korespondencji Niels Bohr jest twórcą tzw. zasady korespondencji (odpowiedniości). Mówiła ona o kierowaniu się analogią między światem klasycznym, a kwantowym w budowaniu teorii kwantowych i zachowaniu oszczędności w modyfikowaniu teorii klasycznych, ale w taki sposób, by powstałe teorie były zgodne z wynikami doświadczeń w świecie kwantów. Wedle tej zasady, wynik kwantowy powinien sprowadzać się do swego klasycznego odpowiednika w obszarze, w którym stałą Plancka możemy uważać za zaniedbywalnie małą, a także przy przejściu do wysokich liczb kwantowych, czy zastępując grupę danych przy kwantowym pomiarze wielkości ich wartościąśrednią (zasada Ehrenfesta). 28

Zastosowanie efektu fotoelektrycznego Noktowizory Fotokomórki Baterie słoneczne 29

Wykorzystanie efektu Comptona Zjawisko Comptona odgrywa istotną rolę w oddziaływaniu promieniowania gamma i rentgenowskiego z materią. W zakresie energii fotonów od kilkudziesięciu kev do kilku MeV rozpraszanie Comptona jest najbardziej prawdopodobnym rodzajem oddziaływania, jakiemu może ulec promieniowanie podczas przechodzenia przez materię Widmo promieniowania rentgenowskiego dla antykatody zawierającej miedź. Widmo składa się ciągłego widma hamowania i linii promieniowania charakterystycznego. 30