Fizyka współczesna.

Prezentacja na temat: "Fizyka współczesna."— Zapis prezentacji:

1 Fizyka współczesna

2 Fizyka współczesna Motto wykładów
Podstawy fizyczne działania przyrządów obecnej i przyszłej techniki Początek fizyki współczesnej - podanie przez Maxa Plancka w 1900 roku prawa promieniowania ciała doskonale czarnego. Odkryte wcześniej doświadczalnie własności tego promieniowania były sprzeczne z prawami fizyki klasycznej Fizyka po roku 1980 to fizyka współczesna . Fizyka przełomu XX i XXI wieku (fizyka rzeczywiście współczesna)

3 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
Każde ciało stałe, ciecz lub gaz, emituje promieniowanie termiczne w postaci fal elektromagnetycznych, a także absorbuje je z otoczenia. Promieniowanie ma widmo ciągłe. DEF: Ciało doskonale czarne absorbuje całe promieniowanie termiczne, które nań pada. Przykładem CDC jest np. przedmiot pokryty sadzą lub czernią bizmutową.

4 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
Rozkład widmowy promieniowania CDC charakteryzuje funkcja RT(v) zwana zdolnością emisyjną ciała (def: wielkość RT(v)dv jest równa energii promieniowania o częstotliwości leżącej w przedziale od v do v + dv, wysyłanego w ciągu jednostki czasu przez jednostkę powierzchni ciała mającego temperaturę bezwzględną T)

5 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
Częstotliwość odpowiadająca maksimum zdolności emisyjnej wzrasta liniowo ze wzrostem temperatury. Całkowita moc wyemitowana przez powierzchnię jednostkową (pole pod krzywą) gwałtownie rośnie z temperaturą.

6 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
Całkowita zdolność emisyjna RT - całka ze zdolności emisyjnej RT(v) po wszystkich częstotliwościach v. Jest ona równa całkowitej energii wyemitowanej w ciągu jednostki czasu z jednostki powierzchni ciała doskonale czarnego o temperaturze T. Ilościowo ujmuje ten fakt empiryczne prawo Stefana: RT = σT4, gdzie σ = 5,67 * 10-8 W/(m2 * K4) jest stałą Stefana-Boltzmana.

7 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
Prawo przesunięć Wiena Widmo promieniowania CDC wraz ze wzrostem temperatury T ulega przesunięciu w stronę wyższych częstotliwości. Fakt ten wyraża tzw. prawo przesunięć Wiena: vmax ~ T czyli max*T=const. gdzie vmax jest częstotliwością a max długością fali dla której RT(v) ma w danej temperaturze T wartość maksymalną (wraz ze wzrostem T częstotliwość vmax ulega przesunięciu w kierunku wyższych częstotliwości).

8 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
Model ciała doskonale czarnego Nieprzezroczyste ciało zawierające wnękę z bardzo małym otworem wejściowym, którego ścianki ogrzane są w jednorodny sposób do temperatury T. Promieniowanie padające na otwór z zewnątrz jest po wielokrotnych odbiciach od wewnętrznych ścian wnęki całkowicie pochłaniane. Wewnętrzne ściany wnęki także emitują promieniowanie, część jego wychodzi na zewnątrz. Otwór pochłania i emituje promieniowanie jak ciało doskonale czarne

9 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
Prawo Rayleigh’a – Jeans’a Koniec XIX w.: Rayleigh i Jeans obliczają energie promieniowania we wnęce. Klasyczna teoria pola elektromagnetycznego - promieniowanie wewnątrz wnęki ma charakter fal stojących (węzły na ścianach wnęki). Zgodnie z fizyką klasyczną, energia każdej fali może przyjmować dowolną wartość od zera do nieskończoności (energia jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy). Zdolność emisyjną Rayleigh’a i Jeans’a: RT(v) = ( 8πv2 / c3 )* kT, gdzie c jest prędkością światła w próżni, a k stałą Boltzmanna, k = 1,38 * 10 –23 J/K.

10 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
Rayleigh’a – Jeans’a „katastrofa w nadfiolecie”

11 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
Teoria Wiena: Plancka – oscylator kwantowy kwant – najmniejsza porcja energii fali elektromagnetycznej

12 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
Założenia Plancka – oscylator kwantowy. „Nieklasyczne” założenia Planck’a I. Oscylator nie może mieć dowolnej energii, lecz tylko energie dane wzorem: E = nhv gdzie v oznacza częstość oscylatora, h stałą (Plancka), n pewną liczbę całkowitą (zwaną obecnie liczbą kwantową). Z powyższego wzoru wynika, że energia jest skwantowana i może przyjmować tylko ściśle określone wartości.

13 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
II. Oscylatory nie promieniują (ani pobierają) energii w sposób ciągły, lecz porcjami, czyli kwantami, podczas przejścia z jednego stanu w drugi. Wtedy to: ΔE = Δnhv = hv Na podstawie przyjętych hipotez Planck otrzymał następującą funkcję rozkładu

14 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)

15 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
Przykład kwantyzacji makroskopowej Jak ta hipoteza stosuje się do znanych nam oscylatorów, np. sprężyna o masie m = 1 kg i stałej sprężystości k = 20 N/m wykonująca drgania o amplitudzie 1 cm. Częstotliwość drgań własnych: Wartość energii całkowitej: Jeżeli energia jest skwantowana to jej zmiany dokonują się skokowo przy czym E = hv. Względna zmiana energii wynosi więc: E/E = 4.7·10-31 Żaden przyrząd pomiarowy nie jest wstanie zauważyć tak minimalnych zmian energii.

16 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
Zastosowanie badań nad zdolnością emisyjną promieniowania podczerwonego : kamery działające na podczerwień (np.: dla myśliwych, szpiegowskie) aparatura techniczna (np. profilowanie opon i ich bieżników tak, by temperatury powstałe na skutek tarcia im nie szkodziły) pomiary temperatury - pirometry ogrzewanie - promienniki

17 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
Promieniowanie emitowane przez gorące ciało można wykorzystać do wyznaczenia jego temperatury. Mierzy się ich zdolność emisyjną dla wybranego zakresu długości fal. Z prawa Plancka wynika, że dla dwu ciał o temperaturach T1 i T2 stosunek natężeń promieniowania o długości fali  wynosi: Jeżeli T1 przyjmiemy jako standardową temperaturę odniesienia to możemy wyznaczyć T2 wyznaczając doświadczalnie I1/I2. Przyrząd wykorzystujący promieniowanie termiczne - pirometr

18 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
Pirometr – budowa

19 Fizyka współczesna Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC)
Współczesny pirometr cyfrowy

20 Promienie X Wilhelm Konrad Roentgen urodził się 27 marca 1845 roku w Dolnej Nadrenii w miasteczku Lennep w Niemczech jego rodzina przeniosła się do Holandii. wstąpił na sławną politechnikę w Zurychu (nie wymagano świadectwa dojrzałości) dyplom inżyniera mechanika - asystentem profesora Augusta Kundta. techniki eksperymentalne, precyzja pomiarów, dokładna analiza błędów doświadczalnych profesor zwyczajny fizyki doświadczalnej w Giessen w Hesji - cały swój czas poświęcał pracy naukowej 1888 kierownik Instytutu Fizyki na uniwersytecie w Wrzburgu sześć lat później został rektorem); na tym to właśnie uniwersytecie dokonał swego największego odkrycia.

21 Promienie X Wilhelm Roentgen badał własności promieni katodowych: Rura katodowa czynna - leżący w pobliżu rury ekran pokryty platynocyjankiem baru świecił. Rura owinięta w czarnym papierem - ekran świecił. Klisza fotograficzna w czarnym papierze umieszczona obok rury katodowej uległa naświetleniu.

22 Promienie X Lampa rentgenowska

23 Promienie X Rozróżniamy dwa rodzaje promieniowania rentgenowskiego:
promieniowanie hamowania - w polu kulombowskim jąder atomów materiału anody, elektron jest wyhamowany, emitując przy tym energię w postaci promieniowania rentgenowskiego promieniowanie charakterystyczne - (oddziaływanie z elektronami wewnętrznych powłok atomów materiału anody) - elektron wybija z wewnętrznej orbity atomu jeden z jego elektronów. Wówczas promieniowanie rentgenowskie powstaje wskutek przejścia elektronu z orbity zewnętrznej na miejsce wybitego wcześniej elektronu.

24 Fizyka współczesna Promieniowanie Roentgena

25 Promienie X

26 Promienie X Widmo fal elektromagnetycznych
– wartości liczbowe długości fal promienie gamma 0,03 pm pm promienie rentgenowskie 1 pm - 10 nm ultrafiolet (nadfiolet) 5 nm nm fioletowy ok. 360 nm niebieski ok. 400 nm zielony ok. 500 nm żółty ok. 600 nm pomarańczowy ok. 700 nm czerwony ok. 780 nm podczerwień 0,03 nm nm mikrofale 0,03 nm - 1 m fale radiowe 1 m - 30 km

27 Promienie X twarde promieniowanie rentgenowskie – długość fali od 5 pm do 100 pm miękkie promieniowanie rentgenowskie – długość fali od 0,1 nm do 10 nm

28 Promienie X Krystalografia rentgenowska Rentgenowska analiza fazowa
układ krystalograficzny i klasę dyfrakcyjną parametry komórki elementarnej typ sieci Bravais’a i grupę symetrii przestrzennej pozycje atomów w komórce elementarnej Rentgenowska analiza fazowa identyfikacja faz krystalicznych skład fazowy próbek krystalicznych rozróżnienie faz stałych amorficznych od krystalicznych

29 ROZPROSZENIE PROMIENI RENTGENA NA SIECI KRYSTALICZNEJ
Promienie X ROZPROSZENIE PROMIENI RENTGENA NA SIECI KRYSTALICZNEJ wiązka padająca dhkl  x wiązka rozproszona elektrony wokół jądra

30 Promienie X prawo Bragga n = 2 dhkl sin  Metody badania:
lampa Cu, = Ĺ  2 Metody badania: 1) metoda Lauego 2) Metoda obracanego kryształu 3) Metoda proszkowa (Debye'a–Scherrera)

31 Promienie X Metoda Lauego – badanie monokryształów (monokryształ zamocowany jest trwale na drodze wiązki promieniowania X) Każda płaszczyzna kryształu wybiera z wiązki padającej taką długość fali, która spełnia równanie Bragga Kryształ ustawiony osią symetrii równolegle do wiązki - obraz odzwierciedla symetrię kryształu - otrzymany obraz to lauegram. Zastosowania m.in.: - określanie orientacji i symetrii kryształu, - badanie obszaru niedoskonałości struktury krystalicznej spowodowanej obróbką mechaniczną i termiczną.

32 Promienie X Metoda obracanego kryształu – monokryształ ( mm) umieszczony na osi obrotu w monochromatycznej wiązki promieni X (filtr lub odbicie od dodatkowego kryształu) Wiązka ugina się na danej płaszczyźnie krystalicznej podczas obrotu próbki o kąt Θ, spełniający równanie Bragga. Zmiana Θ powoduje zmianę położenia płaszczyzn atomowych dających odbicie

33 Promienie X Metoda proszkowa:
- polikrystaliczny proszek o uziarnieniu m - polikrystaliczny spiek dobrze sproszkowaną próbkę promienie ugięte przechodzą przez próbkę wzdłuż tworzących stożków koncentrycznych z wiązką pierwotną tworzące są nachylone pod kątem 2Θ do kierunku wiązki pierwotnej stożki przecinają kliszę w postaci szeregu pierścieni koncentrycznych.

34 Promienie X

35 Promienie X Spektroskopia rentgenowska Metody badania:
rentgenowska analiza fluorescencyjna, XRF (X-Ray Fluorescence) – jakościowa i ilościowa analiza pierwiastkowa ciał stałych spektroskopia elektronowa dla celów analizy chemicznej ESCA (z angielskiego Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), metoda analityczna wykorzystująca promieniowanie rentgenowskie, o znanej energii kwantów, do wybijania elektronów z wewnętrznych powłok elektronowych atomów leżących głównie w warstwie powierzchniowej badanej próbki.

36 Promienie X XRF The K lines The L lines "Auger" Electron

37 Promienie X XRF

38 Promienie X XRF

39 Promienie X XRF (X-Ray Fluorescence)
Spektrometria XRF jest bardzo często wybierana jako metoda analizy zawartości pierwiastków spośród innych dostępnych technik analitycznych (chemiczne techniki analityczne powodują zniszczenie próbki i wymagają jej czasochłonnego przygotowania). Często stosuje się tam stężone kwasy i inne niebezpieczne substancje. Podczas procesu analitycznego nie tylko dochodzi do zniszczenia próbki, powstają też odpady, często niebezpieczne, wymagające utylizacji – wyjątkiem np. analiza śladowa). Spektrometria XRF pozwala łatwo i szybko zidentyfikować i określić stężenie pierwiastków w szerokim zakresie pomiarowym od stężeń na poziomie PPM do praktycznie 100% wagi. Badanie spektrometrem XRF nie jest inwazyjne, nie niszczy próbki i wymaga niewielkiego (albo wcale) przygotowania próbki. Proces analizy jest bardzo szybki. XRF pozwala znacznie zredukować koszt analizy próbki w porównaniu z innymi technikami analizy zawartości pierwiastków.

40 Promienie X MIKROANALIZATOR RENTGENOWSKI EDX
Spektrometr EDX (Energy Dispersive X-ray Analysis) lub EDS (ang. Energy dispersive spectrometry) - wiązka elektronów o energi 120 keV- całkowita i jednoczesna rejestracja pełnego spektrum promieniowania pochodzącego od wszystkich pierwiastków występujących w badanej próbce Zapewnia on jednoczesną analizę wszystkich pierwiastków jest metodą dużo szybsza w stosunku do innych rozwiązań Użycie spektrometru EDX było możliwe dzięki skonstruowaniu półprzewodnikowego detektora promieni X wykonanego z bardzo czystego krzemu monokrystalicznego aktywowanego litem – Si(Li)

41 Promienie X EDX W krysztale krzemu powstaje pod wpływem padającego promieniowania pary elektron-dziura Istnieje dobra korelacja pomiędzy ilości par elektron-dziura a energii promieniowania rentgenowskiego Utworzenie jednej pary wymaga energii ok. 3.8 eV

42 Promienie X ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)
promieniowanie rentgenowskie (znana energia kwantów) wybija elektrony z wewnętrznych powłok elektronowych atomów • Umożliwia określenie składu chemicznego powierzchni ciała stałego • Umożliwia uzyskanie informacji o otoczeniu chemicznym i stanie utleniania danego pierwiastka • Badania metodą ESCA odnoszą się do najbardziej zewnętrznych warstw próbki

43 Promienie X Analiza chemiczna ESCA
Fotojonizacja z powłoki K rożnych pierwiastków daje charakterystyczne pasma Pierwiastek Li Be B C N O F Energia (eV) 50 110 190 280 400 530 690 Znając energię h oraz mierząc Ek można wyznaczyć energię wiązania Eb W przypadku probek metalicznych Ek będzie pomniejszona o pracę wyjścia W Ponieważ budowa atomu każdego pierwiastka jest niepowtarzalna, więc pomiar energii wiązania wystarczy do identyfikacji pierwiastka występującego w próbce.

44 Atom – model Thomson Sir Joseph John Thomson  (born Dec. 18, 1856, Cheetham Hill, near Manchester, Eng.—died Aug. 30, 1940, Cambridge, Cambridgeshire), English physicist who helped revolutionize the knowledge of atomic structure by his discovery of the electron (1897). He received the Nobel Prize for Physics in 1906 and was knighted in 1908.

45 Atom – model Rutherforda
Eksperyment: interpretacja i wnioski 1911 elektron me proton mp=1936 me neutron mn=1938 me cząstka  = jądro He (2p, 2n) m~ 8000 me

46 Atom – model Rutherforda
The Nobel Prize in Chemistry 1908 Ernest Rutherford A black big ball at the center is the nucleus and small red points moving around the nucleus are electrons. (1871–1937) – nowozelandzki chemik i fizyk. W roku 1895 młody Rutherford przybył do Europy. Podjął pracę naukową w Wielkiej Brytanii w Laboratorium Cavendisha, będącym częścią Uniwersytetu Cambridge. W latach prowadził badania nad promieniowaniem wytwarzanym przez niektóre pierwiastki chemiczne. Odkrył, że ta radiacja zawiera dwie składowe obdarzone ładunkiem elektrycznym. Promienie dodatnie nazwał promieniowaniem alfa, ujemne − promieniowaniem beta. Zmarł w wieku 66 lat (spadł z drzewa, na którym przecinał gałęzie) „Cała nauka dzieli się na fizykę i zbieranie znaczków” „Jeśli nie potrafimy wyjaśnić wyniku, bez odwoływania się do matematyki, to go tak naprawdę nie rozumiemy”

47 Model Bohra atomu wodoru
Postulaty Bohra 1. Elektron porusza się po orbicie kołowej z pewną prędkością opisywaną przez mechanikę klasyczną Newtona, nie zmieniając swojej energii 2. Moment pędu elektronu na orbicie jest skwantowany 3. Elektron przeskakujący z jednej orbity na drugą wydziela lub musi pochłonąć foton o określonej energii Niels Henrik David Bohr (ur. 7 października 1885 w Kopenhadze, zm. 18 listopada 1962 tamże) - fizyk duński, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w roku 1922 za opracowanie badania struktury atomu. Jego prace naukowe przyczyniły się do zrozumienia budowy atomu oraz rozwoju mechaniki kwantowej. W 1913 roku opublikował pracę, w której opisał swój model budowy atomu wodoru

48 Model Bohra atomu wodoru

49 Model Bohra atomu wodoru
Jaką energię posiada elektron na dozwolonej orbicie? równanie Balmera

50 Model Bohra atomu wodoru
seria Balmera – 1885 seria Laymana – 1906

51 Model Bohra atomu wodoru
Widmo wodoru

52 Model Bohra atomu wodoru
Widmo helu Widmo azotu

53 Równanie Schrödingera
Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (ur. 12 sierpnia 1887 w Wiedniu (Erdberg), zm. 4 stycznia 1961 w Wiedniu) – austriacki fizyk teoretyk, jeden z twórców mechaniki kwantowej, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w roku 1933 za prace nad matematycznym sformułowaniem mechaniki falowej Profesor politechniki w Stuttgarcie (1920), uniwersytetu we Wrocławiu (1921), uniwersytetu w Zurychu (1921–1927), Uniwersytetu Fryderyka Wilhelma w Berlinie (1927–1933), Uniwersytetu w Oksfordzie (1933–1935), uniwersytetu w Grazu (1936–1938) oraz w Institute for Advance Studies w Dublinie (1940–1955).

54 Równanie Schrödingera
Louis Victor Pierre Raymond de Broglie (ur. 15 sierpnia 1892 w Dieppe, zm. 19 marca 1987 w Louveciennes) – francuski fizyk, laureat Nagrody Nobla w 1929 Profesor fizyki w Paryżu (od 1928), Sorbony (od 1932). Od 1942 był stałym sekretarzem Akademii Francuskiej W 1929 otrzymał Nagrodę Nobla za za odkrycie falowej natury elektronów (hipoteza de Broglie'a) Praktyczne zastosowanie teorii de Broglie'a pozwoliło między innymi na zbudowanie mikroskopu elektronowego.

55 Równanie Schrödingera
Fale materii – Hipoteza de Broglie’a Korpuskularno-falowe charakter metrii Tak samo jak z fotonem stowarzyszona jest pewna fala która rządzi jego ruchem tak i cząstce materialnej przypisana jest pewna fala materii. Energia dowolnego obiektu fizycznego jest związana z częstotliwością ν pewnej fali stowarzyszonej E = hν Pęd obiektu związany jest z długością tej fali p = h/λ

56 Równanie Schrödingera
Własności kwantowego równania falowego: Równanie musi być zgodne z postulatami de Broglie’a i Einsteina i Równanie musi być zgodne ze związkiem Równanie musi być liniowe względem Ψ(x,t) Energia potencjalna V jest funkcja x oraz t

57 Równanie Schrödingera
Rozwiązanie: Zgadujemy rozwiązanie w następującej postaci Równanie Schrödingera

58 Równanie Schrödingera
Jedynym rozwiązaniem równania Schrodingera jest zespolona funkcja falowa – znaczy to że funkcja falowa nie ma żadnego fizycznego znaczenia! Podstawowy związek pomiędzy własnościami funkcji falowej Ψ(x,t) a zachowaniem związanej z nią cząstki wyraża się za pośrednictwem gęstości prawdopodobieństwa P(x,t) = Ψ*(x,t) Ψ(x,t)

59 Równanie Schrödingera
Jeżeli w chwili t dokonamy pomiaru mającego na celu ustalenie położenia cząstki opisywanej funkcji falowej Ψ(x,t) to prawdopodobieństwo P(x,t)dx tego że wynik pomiaru wykaże położenie cząstki w przedziale pomiędzy x a x+dx wynosi Ψ*(x,t) Ψ(x,t)

60 Równanie Schrödingera
Dzięki funkcji P(x,t) możemy wyznaczać wartości średnie szukanych wielkości. gdzie

61 Równanie Schrödingera
Równanie Schrödingera niezależne od czasu Jeśli energia potencjalna nie zależy od czasu to

62 Równanie Schrödingera
Przy potencjale wolnozmiennym (o praktycznie stałej wartości na obszarze rzędu długości fali de Broglie’a cząstki. Z równań Schrödingera wiążącego zmianę prędkości paczki falowej ze zmianą potencjału. Zasada Dynamiki Newtona są szczególnym przypadkiem równań Schrödingera

63 Równanie Schrödingera

64 Równanie Schrödingera
Dla x<0 pierwszy człon wiąże się z padaniem cząstki na próg potencjału , a drugi z odbiciem od niego. Prawdopodobieństwo tego że cząstka zostanie odbita zależy od współczynnika odbicia R

65 Równanie Schrödingera
Jednak dla x>0 gęstość prawdopodobieństwa wynosi Zjawisko wnikania w obszar klasycznie wzbroniony

66 Równanie Schrödingera
R>0 czyli istnieje prawdopodobieństwo tego że cząstka zostanie odbita, Niezależnie od którego kierunku nadjedzie. T jest współczynnikiem przejścia

67 Równanie Schrödingera
Historycznie pierwsze zastosowanie kwantowej teorii przenikania przez barierę wiąże się z wyjaśnieniem długo istniejącego paradoksu dotyczącego emisji cząstki α w procesie promieniotwórczego rozpadu jąder - Potencjał kulombowski Energia cząstki α emitowana w czasie rozpadu radioaktywnego wynosi 4,2 MeV W roku 1928 obliczono współczynnik przejścia T ogólniej

68 Równanie Schrödingera
Atomu wodoru

69 Równanie Schrödingera
Atomu wodoru główna liczba kwantowa(n= 1,2,3...) kwantuje energię elektronu (numer orbity) orbitalna (poboczna) liczba kwantowa(l= 0,1,...,n− 1) oznacza wartość bezwzględną orbitalnego momentu pędu L (numer podpowłoki na której znajduje się elektron) magnetyczna liczba kwantowa (ml= − l,..., − 1,0,1,...,l) opisuje rzut orbitalnego momentu pędu na wybraną oś spinowa liczba kwantowa S oznacza spin elektronu. Jest on stały dla danej cząstki elementarnej i w przypadku elektronu wynosi 1/2 magnetyczna spinowa liczba kwantowa (ms = − m, m= 1 / 2, − 1 / 2) pokazuje, w którą stronę skierowany jest spin

70 Równanie Schrödingera
Zakaz Pauliego: w atomie żadne dwa elektrony nie mogą mieć tej samej czwórki liczb kwantowych: n, l, ml, ms Za powłokę elektronową wokół danego atomu uważa się zbiór orbitali atomowych mających tę samą główną liczbę kwantową n (K,L,M,N,O,P,Q ...) 2n2 elektronów na powłoce orbital atomowy to funkcja falowa Ψ opisująca stan elektronu w atomie zależna od trzech liczb kwantowych: n, l, m| l = 0, 1, 2, 3, 4,.... orbitale: s, p, d, f, g,....

71 Równanie Schrödingera

72 Lasery 1917 – Albert Einstein - teoretyczne podstawy maserów i laserów
Albert Einstein (ur. 14 marca 1879 r. w Ulm w Niemczech, zm. 18 kwietnia 1955 r. w Princeton w USA) – jeden z największych fizyków-teoretyków XX wieku, twórca ogólnej i szczególnej teorii względności, współtwórca korpuskularno-falowej teorii światła, odkrywca emisji wymuszonej. Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1921 roku za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego. Opublikował ponad 450 prac, w tym ponad 300 naukowych. Wniósł też swój wkład do rozwoju filozofii nauki. 1917 – Albert Einstein - teoretyczne podstawy maserów i laserów Zjawiska emisji spontanicznej i wymuszonej promieniowania elektromagnetycznego.

73 Lasery Charles Hard Townes (ur. 28 lipca 1915 w Greenville w stanie Karolina Południowa) - fizyk, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w roku 1964 za badania w dziedzinie elektroniki kwantowej i wynalezienie masera Opracował też podstawy naukowe, które doprowadziły do skonstruowania lasera rubinowego przez jego studenta Theodore'a Maimana. Profesorem w Massachusetts Institute of Technology. oraz Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Charles H. Townes zademonstrował możliwość wyprodukowania i utrzymania większej liczby atomów w stanach wzbudzonych niż w stanach podstawowych. Urządzeniem produkującym i utrzymującym był maser amoniakalny

74 Lasery Theodore Harold Maiman (ur. 11 lipca 1927 w Los Angeles, zm. 5 maja 2007 w Vancouver) – amerykański fizyk. W 1960 skonstruował laser rubinowy - pierwszy działający laser. Maiman w 1983 został uhonorowany Nagrodą Wolfa w fizyce, a w 1987 został wyróżniony prestiżową Nagrodą Japońską. 1960 – odkrycie przez Theodore H. Maimana lasera rubinowego w Malibu, Kalifornia

75 Lasery Laser – akronim: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania)

76 Jak powstaje światło laserowe?
1. Do substancji czynnej, którą może być ciecz, gaz lub ciało stałe, znajdującej się w stanie podstawowym E0 dostarczana jest energia w postaci promieniowania - proces ten nazywamy pompowaniem 2. Poprzez absorpcję fotonów elektrony zwiększają swoją energię. Znajdują się na poziomie energetycznym E1.

77 Jak powstaje światło laserowe?
Czas życia elektronów w stanie E1 jest krótki (rzędu 10-9 s), Stan metastabilny stanu energetycznego E2 (czas życia elektronów rzędu 10-3 – s) Inwersja obsadzeń liczba elektronów w stanie wzbudzonym (o większej energii) jest większa od liczby elektronów w stanie podstawowym

78 Jak powstaje światło laserowe?
Emisja wymuszona Emisja wymuszona (indukowana) zachodzi jeżeli atom znajduje się w stanie wzbudzonym, pod wpływem padającego na niego fotonu o odpowiedniej, rezonansowej energii przechodzi na niższy poziom energetyczny emitując swój własny foton. Emitowany foton jest spójny z fotonem wymuszającym.

79 Lasery Laser rubinowy – substancją czynną jest kryształ korundu Al2O3 + chrom lub pręt rubinowy Pompowanie optyczne - lampa błyskowa (laser impulsowy), Emituje światło czerwone

80 Lasery Lasery gazowe – substancja czynna: CO, CO2, azot, gazy szlachetne etc. Pompowanie elektryczne (wyładowania elektryczne) Stosowany w badaniach i do pompowania lasera barwnikowego

81 Lasery Laser barwnikowy – substancja czynna - tzw. barwnik organiczny np. rodamina Pompowanie za pomocą laserów gazowych Charakteryzuje się przestrajaną w szerokim zakresie długością emitowanej fali świetlnej, (strojenie długości rezonatora optycznego, zmianę ciśnienia, zmianę kuwet z barwnikami etc.) Długość fali nm

82 Lasery Laser półprzewodnikowy
Pompowanie jest wykonane przez wstrzykiwanie ładunków przez złącze (rekombinacja promienista) Zalety: niska cena, małe rozmiary, mały pobór mocy, wysoka wytrzymałość mechaniczna Zastosowania: małej mocy – wskaźniki laserowe, drukarki, nagrywarki CD/DVD, telekomunikacja dużej mocy – w przemyśle do cięcia i spawania

83 LASER NIEBIESKI

84 Rys historyczny Lata 60 - te
T.M Quist et al.: Półprzewodnikowe masery na GaAs Pierwsze diody LED (czerwona) M.I. Nathan: LASER na złączu p-n GaAs J. Pankove: odkrył iż Azotek Galu (GaN) może emitować światło niebieskie Rok 1982 Philips i Sony rozpoczynają produkcje odtwarzaczy CD Rok 1989 I. Akasaki – realizacja domieszkowania typu p i n półprzewodników GaN Rok S. Nakamura – pierwsza dioda niebieska LED, Technologia MOCVD, LASER GaN

85 Właściwości związków III-N
Cechy azotków (AlGaIn): prosta przerwa energetyczna, 0.8 eV dla InN, 3.5 eV dla GaN, 6 eV dla AlN pokrywa obszar widzialny i ultrafiolet silne wiązanie metalu z azotem (szczególnie dla AlN) materiały o stabilnych własnościach (wykreowanie lub przesunięcie defektu wymaga dużej energii)

86 Laser niebieski S. Nakamury
Shuji Nakamura was born on May 22, 1954 in Ehime, Japan.  He obtained B.E., M.S., and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from the University of Tokushima, Japan in 1977, 1979, and 1994, respectively.  He joined Nichia Chemical Industries Ltd in In 1988, he spent a year at the University of Florida as a visiting research associate.  In 1989, he started the research of blue LEDs using group-III nitride materials. In 1993 and 1995, he developed the first group-III nitride-based blue/green LEDs.  He also developed the first group-III nitride-based violet laser diodes (LDs) in 1995.  Professor of Materials Department Research Director for the Solid State Lighting & Energy Center University of California Santa Barbara,

87 Laser niebieski S. Nakamury
przerwa energetyczna poniżej 3 eV heterozłącza długością fali w granicach 470 nm małą mocą promieniowania krótki czas pracy Problem podłoża: monokryształ szafiru (Al2O3) heterosubstraty niedopasowanie stałych sieci ~ 16% liczba dyslokacji ~ 1010 – 1011 cm-1

88 Podłoża ELOG (Epitaxial Lateral OverGrowth)
Zastosowanie warstwy buforowej AlN w procesie MOCVD (600 0C) nukleacja warstwy GaN (ok C) wzrost trójwymiarowy – wyspy GaN rozrost na boki (lateralny) zamknięcie warstwy GaN ~3m liczba dyslokacji ~ 104 – 105 cm-1

89 Laser niebieski na podłożu ELOG (Epi- taxial Lateral OverGrowth)
stany rekombinacyjne w studniach kwantowych InGaN Warstwy InGaN pomiędzy grubymi warstwami AlGaN Supersieci: AlGaN/GaN Lustra TiO2/SiO2 Warstwa aktywna: para studni kwantowych InGaN ~3-4 nm, rozdzielonych barierami InGaN domieszkowanymi krzemem Moc promieniowania ok. 10 mW Czas pracy ok. 10 tys. h

90 Polski laser niebieski
Homosubstraty GaN na podkładce z monokryształu GaN prof. Sylwester Porowski Instytut Wysokich Ciśnień PAN UNIPRESS

91 Polski laser niebieski
Metoda wzrostu monokryształów GaN roztwór azotu w galu ciśnienie rzędu tysięcy barów (max. 20 bar) temperatura około 1500 stopni objętość komory kilka litrów kryształów GaN o wielkości około jednego cala czas > 300 h

92 Komora wysokociśnieniowa do krystalizacji azotku galu

93 Kryszatały GaN Gęstości dyslokacji na poziomie 100/cm2
Łupanie na linijki laserowe: Gęstości dyslokacji na poziomie 100/cm2

94 Epitaksja azotków Do nakładania warstw półprzewodnikowych
używana jest metoda MBE (Molecular Beam Epitaxy) Warstwy o grubościach od kilku nanometrów do kilku mikronów Wysoka czystość materiałów (1/109) Duża ilość warstw (aż do czterystu) Wysoka czystość technologii

95 Reaktor epitaksjalny MBE

96 Polski laser niebieski - własności
Polski niebieski laser charakteryzuje się: małymi dyslokacjami długością fali w zakresie 410430 nm długim czasem pracy (~ 10 tys. h) dużą mocą promieniowania: pracy ciągłej 100 i 200 mW w impulsie dochodzącą nawet do 4 W

97 Najnowsze osiągnięcia

98 Najnowsze osiągnięcia
diament laser Wersja do pracy impulsowej Laser do pracy ciągłej

99 Zastosowania Spektroskopia – większa energia w porównaniu z laserami czerwonymi – możliwość pobudzania większej ilości rodzajów cząsteczek (wykrywanie skażeń biologicznych i chemicznych) Komunikacja podwodna – minimum absorpcji wody przypada na falę o długości ~ 430 nm Przyrządy pomiarowe – krótsza długość fali oznacza większą precyzję (w porównaniu do laserów czerwonych)

100 Zastosowania Druk wysokiej rozdzielczości Zastosowania w wojskowości
Monitoring zanieczyszczeń Tranzystory oparte o azotki (wysoką odporność termiczną, chemiczną i radiacyjną, dobre przewodnictwo cieplne, lepsze przewodnictwo elektryczne (w porównaniu z krzemem), praca w wysokich częstotliwościach, w wysokiej temperaturze i w innych, szczególnie „niesprzyjających” warunkach)

101 Zastosowania

102 Skaningowy mikroskop tunelowy
Heinrich Rohrer i Gerd Binnig The Nobel Prize in Physics, 1986 Zasada działania: Bariera potencjału dla elektronów

103 Skaningowy mikroskop tunelowy
W czasie pracy igła mikroskopu znajduje się 0,5-1 nm od powierzchni badanej próbki. Precyzyjny ruch igły we wszystkich trzech kierunkach umożliwiają piezoelementy PX, PY, PZ (materiały ceramiczne zmieniające swe rozmiary pod wpływem pola elektrycznego), do których jest przymocowana.

104 Skaningowy mikroskop tunelowy

105 Skaningowy mikroskop tunelowy
Sercem przyrządu jest igła

106 Skaningowy mikroskop tunelowy
1 – uchwyt ostrza 2 – układ do próbek i układ przesuwu 3 – amortyzator tłumiący drgania

107 Skaningowy mikroskop tunelowy
Rekonstrukcja powierzchni krzemu o orientacji (111). Rozmiar analizowanego obszaru wynosi 30 x 21 nm2. Żółte kółka są obrazami atomów krzemu ulokowanych w najwyższej warstwie. Każda komórka elementarna o kształcie rombu (uporządkowanie heksagonalne) zawiera 12 takich atomów

108 Skaningowy mikroskop tunelowy
Powierzchnia kryształu NaCl. Amplituda rzeźby powierzchni ma około 0,1nm.

109 Skaningowy mikroskop tunelowy
Efektem 18-godzinnego doświadczenia był znak firmowy laboratorium, w którym eksperyment został wykonany. Napis IBM składał się z 35 atomów. Rozmiar liter wynosił 5 nm!

110 Skaningowy mikroskop tunelowy
48 atomów żelaza na miedzi , fale w środku pochodzą od interferencji falowej elektronów

111 Skaningowy mikroskop tunelowy
The original STM image of a logic three-input sorter. A sorter is a small part of the CPU in a computer.

112 Skaningowy mikroskop tunelowy
A stadium shaped corral made by iron atoms on a copper surface.

113 Skaningowy mikroskop tunelowy
Najmniejszy człowiek świata Postać zbudowana z cząsteczek tlenku węgla osadzonych na powierzchni platyny

114 O. Olenberg, C. Rasmusen, Fizyka współczesna, PWN, Warszawa 1970.
V. Acosta, C.L. Cowan, B.J. Graham, Podstawy fizyki współczesnej, PWN,Warszawa 1981. J. Norwood, Fizyka współczesna, PWN, Warszawa 1982. C.F. v. Weizsacker, J. Juilfs, Fizyka współczesna, PWN, Warszawa 1963. Rybka, Astronomia ogólna. M. Heller, Ewolucja kosmosu i kosmologii. C. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego, PWN, Warszawa 1976. E.H. Wichmann, ''Fizyka kwantowa'' (PWN, Warszawa, 1973) R. Shankar, ''Mechanika kwantowa'' (PWN, Warszawa, 2006) Podręczniki ogólnego kursu fizyki: D. Holliday, R. Resnick, Fizyka, tom I i II. C. Kittel at al., Mechanika. R. Feyman at. al., Feymana wykłady z fizyki (pięć tomów).