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 Plan wykładu: I. Stuktua atomowa II. Oddziaływanie atomów z pomieniowaniem EM III. Metody doświadczalne wielkie ekspeymenty fizyki atomowej Mateiały do wykładu (pezentacje + zadania) IF UJ www.if.uj.edu.pl Zakład Fotoniki Zaliczenie ćwiczenia + egzamin testowy Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 1/
Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 / 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, 1998. 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, 1975. G. K. Woodgate Stuktua atomu, PWN, 1974. W.Demtöde Spektoskopia laseowa, PWN, Waszawa 1993. C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloë Quantum Mechanics vol. 1+, Wiley (N. Yok, 1977). R. Eisbeg, R. Resnick Fizyka kwantowa, PWN, 1983. + wybane atykuły w Postępach Fizyki, Świecie nauki, stony intenetowe, itp...
Geneza ozwoju f. atomowej Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 3/ 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)
Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, 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 1889 Johannes R. Rydbeg seie widmowe 1/λ = (1/4 1/n ) 1 1 1 = R λ n
Początek nowożytnej f. atomowej 1. Dośw. Ensta Ruthefoda (~1910) 1871-1937 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 (~ 10-14 m << ozmia atomu ~ 10-10 m ) + lekkie elektony Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 5/
Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, 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 1/(4πε 0 ) E = - n (Z /n K )E I E I = Kme 4 /ħ = en. jonizacji = 13,6 ev stała Rydbega: R = K me 4 /ħ = n n a /Z 0 a 0 = ħ /me = 0,05 nm (0,5 Å) υ = Zυ n 0 /n υ 0 = e /ħ
Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 7/ sens poziomów Boha jako stanów stacjonanych klasycznie całk. enegia E = T klas + V klas (odpowiadających minimum enegii) V klas = - e / 0 T klas = ½ mυ = ównowaga sił: mυ / 0 = e / 0 = ½ e / 0 E = - ½ e / 0 E( 0 ) 0. głęboki dół potencjał el. spada na jądo! postulat Boha nie tłumaczy stabilności atomów
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 spzeczność (chyba że n>>1 stany ydbegowskie) nie można mówić o zlokalizowanych obitach (w sensie klas.) Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 8/
Wg. mechm echaniki kwantowej: Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 9/ V= -e / najkozystniej gdy 0, ale elacja nieokeśl. wymaga, że gdy elekton zlokalizowany w obszaze o pomieniu 0, 0, 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
Mechanika kwantowa o poziomach eneget. atomu Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 10/ elekton w polu kulombowskim od Z potonów wg. mech. kwant. H CM =p /µ -K Ze / C/ ówn. Schödingea: µ m e M/(m e +M), K 1/(4πε 0 ) C/ potencjał kulombowski i centalny 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)
Intepetacja fiz. liczb kwant. n ozwiązanie cz. adialnej: E n µ C = n Z = n ( Rhc) 4 m e R = K 3 -stała Rydbega 4π c (najdokładniej wyznaczona stała fundamentalna) n= n=5 n=4 n=3 n= 656,3 486 434 410 397 389 383,5 380 1875 18 seia Balmea 1094 1005 954,6 s. Paschena 4050 630 7400 Backetta Pfunda 14 ev 10 Rhc = 13,6 ev - en. jonizacji at. wodou w stanie podst. 11,5 10,6 973 950 938 5 n=1 0 seia Lymana Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 11/
Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, 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
Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 13/ Funkcje falowe a) adialne pawdopodobieństwo adialne P()d= R d liczba pzejść R nl pzez zeo = n-l-1
f. adialne R nl () dla potencjału kulombowskiego R nl () zależą od n i l, ale E n wyłącznie od n E [ev] l = 0 1 3 4 0-0,85-1,51-3,4 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, 008/09, Wykład 1 14/ n=1
Funkcje falowe Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 15/ b) kątowe P(θ)= Y(θ) ważne dla zachowania się atomów w zewnętznych polach i dla zozumienia symetii cząsteczek
Wiązania chemiczne Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 16/ a) kowalencyjne (np. H +, H ) b) jonowe pzykład: H O
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 Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 17/
Funkcje falowe c.d. Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 18/
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, 008/09, Wykład 1 19/
Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 0/ Atomy egzotyczne pozytonium (pozytonium) = (e + e ) mionium (muonium) (µ + e ) µ + e atomy mezonowe: e e + ten sam pot. oddz. ten sam ukł. poz., inne µ inne wat. en.
Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 1/ atom mionowy (p µ ): µ p pomień obity < R jąda mion penetuje (sonduje) jądo
Wojciech Gawlik Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09, Wykład 1 / Quasi-atomy: kopki kwantowe centa bawne w kyształach (diament + NV nitogen vacancy)