Podstawy fizyki kwantowej

Podobne dokumenty
Podstawy fizyki kwantowej

Podstawy fizyki kwantowej

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

Podstawy fizyki kwantowej

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

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE

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

Kwantowa natura promieniowania

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Falowa natura materii

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

Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

Promieniowanie cieplne ciał.

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

Światło fala, czy strumień cząstek?

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

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -1

Wykład 7 Kwantowe własności promieniowania

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

FALOWA NATURA MATERII

Problemy fizyki początku XX wieku

Techniczne podstawy promienników

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

Falowa natura materii

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

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

Rysunek 3-19 Model ciała doskonale czarnego

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

Rozdział 1. Światło a fizyka kwantowa

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA NA PODSTAWIE PRAWA PLANCKA PROMIENIOWANIA CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO

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

ZESTAW PYTAŃ I ZAGADNIEŃ NA EGZAMIN Z FIZYKI sem /13

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

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

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

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

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

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

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

WYZNACZENIE STAŁEJ STEFANA - BOLTZMANNA

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

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

39 DUALIZM KORPUSKULARNO FALOWY.

Efekt fotoelektryczny. 18 października 2017

wymiana energii ciepła

Podstawy fizyki sezon Dualizm światła i materii

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

Analiza spektralna widma gwiezdnego

PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdffactory

Ćwiczenie 375. Badanie zależności mocy promieniowania cieplnego od temperatury. U [V] I [ma] R [ ] R/R 0 T [K] P [W] ln(t) ln(p)

WFiIS. Wstęp teoretyczny:

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Zjawiska korpuskularno-falowe

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

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

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

Fizyka klasyczna i kwantowa. Krótka historia fizyki.

Spektroskop, rurki Plückera, cewka Ruhmkorffa, aparat fotogtaficzny, źródło prądu

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

WYKŁAD 15. Gęstość stanów Zastosowanie: oscylatory kwantowe (ª bosony bezmasowe) Formalizm dla nieoddziaływujących cząstek Bosego lub Fermiego

Termodynamika. Część 11. Układ wielki kanoniczny Statystyki kwantowe Gaz fotonowy Ruchy Browna. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

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

Czym jest prąd elektryczny

Temat XXXVI. Mechanika kwantowa - źródła

Oddziaływanie promieniowania X z materią. Podstawowe mechanizmy

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

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

Wstęp do astrofizyki I

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

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Ćwiczenia z mikroskopii optycznej

Wstęp do astrofizyki I

Przejścia promieniste

Światło ma podwójną naturę:

BADANIE PROMIENIOWANIA CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

Wstęp do astrofizyki I

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

WSTĘP DO ĆWICZEŃ DOTYCZĄCYCH CIEPŁA WŁAŚCIWEGO

Optyka kwantowa fotony i fale materii

Wykład 13 Mechanika Kwantowa

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

fotony i splątanie Jacek Matulewski Karolina Słowik Jarosław Zaremba Jacek Jurkowski MECHANIKA KWANTOWA DLA NIEFIZYKÓW

Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

III. EFEKT COMPTONA (1923)

Widmo fal elektromagnetycznych

Wprowadzenie do technologii HDR

I.2 Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego

Pytania do ćwiczeń na I-szej Pracowni Fizyki

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

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

Ładunek elektryczny jest skwantowany

Rysunek 3-23 Hipotetyczne widmo ciągłe atomu Ernesta Rutherforda oraz rzeczywiste widmo emisyjne wodoru w zakresie światła widzialnego

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

WYKŁAD 2 Podstawy spektroskopii wibracyjnej, model oscylatora harmonicznego i anharmonicznego. Częstość oscylacji a struktura molekuły Prof. dr hab.

Transkrypt:

Podstawy fizyki kwantowej Fizyka kwantowa - co to jest? Światło to fala czy cząstka? promieniowanie termiczne efekt fotoelektryczny efekt Comptona fale materii de Broglie a równanie Schrodingera podstawa mechaniki kwantowej

Fizyka kwantowa - po co? Jeśli chcemy badać zjawiska, które zachodzą w skali mikro - (w skali atomów, elektronów itp.) to niestety okazuje się, że nasze klasyczne prawa fizyki, które znamy z codziennych doświadczeń (prawa mechaniki, elektrodynamiki), zawodzą! Nie możemy wyjaśnić klasycznie Dlaczego Słońce świeci? Dlaczego pierwiastki ze względu na swoje własności tworzą układ okresowy? Jak działają diody,tranzystory i inne urządzenia mikroelektroniczne? Dlaczego miedź przewodzi dobrze prąd elektryczny, a szkło nie? Nowy fizyczny sposób opisu tych zjawisk to Fizyka kwantowa

Korpuskularno-falowa natura światła Czy światło jest falą czy cząstka? czyli co to jest foton? Doświadczenia, które wykazują falową naturę światła dyfrakcja, interferencja, polaryzacja,odbicie, załamanie Jak wyjaśnić inne zjawiska takie jak: promieniowanie termiczne (promieniowanie e-m gorących ciał) efekt fotoelektryczny (wybijanie elektronów w metalu przez światło) efekt Comptona (specyficzne odbijanie się promieniowania e-m od materiału tarczy) czyli jak doszło do odkrycia kwantowego charakteru promieniowania e-m. - fotony!

Emisja promieniowania elektromagnetycznego odbywa się na skutek cieplnego, chaotycznego ruchu cząsteczek ciała Promieniowanie e-m. emitowane przez substancje kosztem ich energii wewnętrznej nazywamy promieniowaniem cieplnym. Fakt doświadczalny: ogrzane ciała stałe, np. metale, emitują promieniowanie np. stopiony metal w wysokiej temperaturze daje czerwony kolor przy obniżaniu temperatury zmienia się kolor metalu od niebieskiej do czerwonej Emisję promieniowania e-m. powodują przyspieszane ładunki el. (drgające elektrony wewnątrz atomów - oscylatory) - analogia do promieniowania emitowanego przez anteny drgają elektrony w antenie, częstość drgań odpowiada częstości emitowanego promieniowania. Jeśli ciało może emitować promieniowanie e-m. to może też je absorbować!

Dla różnych temperatur nagrzanego obiektu mamy jego różny rozkład energii emitowanego promieniowania (różny rozkład względem długości fali λ emitowanej) ale uwaga: różne obiekty mające jednakową temperaturę mogą mieć różne krzywe rozkładu widmowego jednakże możemy rozpatrywać wyidealizowany przypadek tzw. ciała doskonale czarnego Natężenie promieniowania [W/m 2 ] dł. fali [nm] Porównanie emisji promieniowania tego samego obiektu o różnych temperaturach

Model ciała doskonale czarnego - ciało które idealnie absorbuje promieniowanie padające - oraz idealnie emituje promieniowanie. Ciało które nie odbija promieniowania tylko je całkowicie absorbuje : Definicje: A (ν,t) zdolność absorpcyjna R (ν,t) współczynnik odbicia A (ν,t)+r (ν,t) = 1 A (ν,t) =1 ; R (ν,t) = 0 energia pochłonięta przez powierzchnię zamienia się w ciepło wzbudzone przez falę e- m. drgania elektronów zamieniają się w ruch cieplny Elektrony w atomach ścianek wnęki oscylując wysyłają falę elektromagnetyczne światło. Wypromieniowane światło nie ulatuje na zewnątrz. Natrafiając na ścianki wnęki fale światła są pochłaniane przez inne atomy oscylatory, które emitują je z powrotem do wnętrza komory. Pojedynczy oscylator promieniując traci energię, ale natychmiast ją odzyskuje pochłaniając światło z komory. Ustala się stan równowagi cieplnej i cała komora wypełnia się promieniowaniem.

E(ν,T) dν zdolność emisyjna: ilość energii promieniowania wysyłana o częstości od ν do ν + dν przez jednostkową powierzchnię ciała o temperaturze T w jednostce czasu. jednostki [J/(s m 2 )] ν= c / λ Ε(ν,Τ) Ε(λ,Τ) Widmowa zdolność emisyjna (a) ciała doskonale czarnego (b) i (c) dowolnego ciała inaczej można ją nazwać strumieniem energii bądź natężeniem intensywnością wypromieniowanej energii

Fakty doświadczalne: Prawo Kirchoffa: stosunek zdolności emisyjnej do zdolności absorpcyjnej jest dla wszystkich powierzchni jednakową, uniwersalną funkcją częstotliwości i temperatury. E,T =,T A,T Im lepszy emiter tym lepszy absorber! Jednakowa funkcja dla wszystkich ciał Dla ciała doskonale czarnego A(ν,T)=1 więc ε(ν,t) = E(ν,T) Zatem funkcja ε(ν,t) jest zdolnością emisyjną ciała doskonale czarnego!!! Dla dowolnego ciała E(ν,T) = A(ν,T) ε(ν,t) wtedy najczęściej A(ν,T) < 1

Fakty doświadczalne: Prawo Stefana-Boltzmana całkowita zdolność emisyjna E T c.d.cz. [J/(s m 2 )] Ε(λ,Τ) [J/(sm 2 )] E = T 0 E,T d = T 4 lub inaczej - moc promieniowania emitowanego [W=J/s] P T = σ A T 4 gdzie A powierzchnia, σ - = stała 5,67x10-8 W/(m 2 K 4 ) λ [µm] im wyższa T tym pole powierzchni pod krzywą większe - więcej jest emitowanego promieniowania

Prawo przesunięć Wiena Ε(λ,Τ) [J/(sm 2 )] funkcja ε(λ,t) (a także E(λ,T)) wykazuje max., które zależy od temperatury λ max T = 0.2898 x 10-2 m K = const im wyższa temperatura T tym λ max mniejsze λ [µm]

Promieniowanie termiczne W c.d.cz. mamy stan równowagi cieplnej między emisją i absorpcją promieniowania. Promieniowanie wypełnia całą przestrzeń we wnęce ( fale stojące ) Atomy-oscylatory pochłaniają i emitują promieniowanie Ten model pozwala wyprowadzić, że natężenie promieniowania (zdolność emisyjna) dla częstotliwości ν we wnęce zależy od: E = 2 2 c 2 < U > Model klasyczny (Rayleigh-Jeans) średnia energia oscylatora Drgający oscylator ma średnią energię = kt Wszystkie oscylatory mogą przyjmować dowolne wartości energii Tą średnią energię bierze się z uśrednienia energii po wszystkich oscylatorach o częstotliwościach ν Prawdopodobieństwo że oscylator częstotliwości ν ma energię U wyznacza rozkład Boltzmana: P U =a e Po uśrednieniu (całkowaniu po wszystkich możliwych energiach) otrzymujemy że <U>=kT U kt

Model klasyczny (Rayleigh-Jeans) zatem E = 2 2 c 2 kt Za pomocą natężenia promieniowania można wyrazić gęstość energii promieniowania (ilość energii na jedn. objętości) u= E 4 c Energia emitowania przez c.d.cz.w postaci fali e-m. na jednostkę objętości w przedziale częstotliwości od ν dο dν wynosi ud = 8 kt c 3 2 d u (gęstość energii) NIE ZGADZA SIĘ! KATASTROFA ULTRAFIOLETOWA ν (częstotliwość)

(rok 1900) Max Plank zauważył,że można wzór zmodyfikować aby spełniał warunki eksperymentu: Gęstość energii emitowania przez c.d.cz.w postaci fali e-m. objętości w przedziale częstotliwości od ν dο dν wynosi u d = 8 2 c 3 h e h /kt 1 d u (gęstość energii) ν (częstotliwość)

(rok 1900) Aby to wyjaśnić trzeba użyć pewien 'trick' widać że średnia energia oscylatora powinna wynosić: <U >= h e h/ kt 1 Jest to spełnione gdy: drgający oscylator ma kwantowaną energię tzn. może przyjmować tylko skokowe wartości energii może więc emitować tylko skokowe wartości energii n liczba kwantowa (liczba całkowita), ν częstotliwość oscylacji h jest stałą Planck a = 6.626 x 10-34 J s oscylator może zmieniać energię tylko o wielokrotność hν U n U kt P U =a e U n = n h 3 h 2 h 1 h 0 h

Wnioski: Promieniowanie termiczne trzeba było kwantować energię oscylatorów, które wytwarzają promieniowanie aby otrzymać zależność intensywności promieniowania od częstotliwości zgodną z doświadczeniem Stosując teorię kwantową Planck'a można wytłumaczyć doświadczalne prawa c.d.cz. (Kirfoff'a, Stefan'a-Boltzman'a, Wienn'a) Rok 1900, w którym Max Planck opublikował swoją teorię kwantową uznaje się za rok narodzin fizyki współczesnej Planck jednak samo promieniowanie uważał nadal za falę Kwantowania promieniowania elektromagnetycznego dokonał 5 lat później Einstein wyjaśniając zjawisko fotoelektryczne