Wykład dla doktorantów (2013) Wykład 2

Prezentacja na temat: "Wykład dla doktorantów (2013) Wykład 2"— Zapis prezentacji:

1 Wykład dla doktorantów (2013) Wykład 2
Mechanika Kwantowa, Relatywistyczna Mechanika Kwantowa Wykład dla doktorantów (2013) Wykład 2 Najważniejsze, abyśmy nigdy nie przestali zadawać pytań. Cieka­wość ma swoje własne racje istnienia. Nie sposób nie oniemieć z zachwytu, gdy kontempluje się tajemnice wieczności, życia, czy też wspaniałej struktury rzeczywistości. Wystarczy spróbować pojąć choćby drobny fragment tej tajemnicy każdego dnia. Nigdy nie wolno utracić tej świętej ciekawości.  Marek Zrałek Zakład Teorii Pola i Cząstek Elementarnych Instytut Fizyki Uniwersytet Śląski Katowice, 20013

2 Jak powstała Mechanika Kwantowa, (uwagi historyczne)

3 Fraunhofer ( ), żył 39 lat. Linie Fraunhofera były pierwotnie obserwowane jako ciemne kształty w widmie Słońca. Franunhofer znalazł 570 takich linii. Bunsen (1813 – 1899), Kirchhoff (1824 – 1887) twórcy ANALIZY WIDMOWEJ - z pomiarów fal linii widmowych dla danej substancji można wyznaczyć jej skład identyfikując pierwiastki w niej zawarte. Mendelejew (1834 – 1907), wykrył PRAWO OKRESOWOŚCI - właściwości pierwiastków są periodycznie zależne od ich mas atomowych. Odkrycie Mendelejewa było punktem zwrotnym w rozwoju chemii, dając możliwość przewidywania własności nieodkrytych jeszcze pierwiastków. Prawo okresowości było podstawą zbudowania UKŁADU OKRESOWEGO. ----- Notatki ze spotkania ( :24) ----- Balmer ( ) - pierwszy podał wzór na długość fali emitowanego przez wodór w zakresie widma widzialnego. Rydberg ( ) - widma innych pierwiastków, zamiasd długości fali wprowadził jej odwrotność zwaną obecnie liczbę falową Rontgen (1845 – 1923) – wyprodukował i dokonał detekcji promieniowania elektromagnetycznego zakres pomiędzy promieniowaniem nadfioletowym a promieniowaniem gamma. Otrzymał pierwszą nagrodę Nobla (1901)

4 Lenard (1902), Promienie nadfioletowe mogą powodować emisję z katody.
Zeeman (1896), Lorentz (1897), Normalny i anomalny efekt Zeemana, badali linie widmowe pierwiastków umieszczonych w polu magnetycznym. Hertz (1887),Wyładowania pomiędzy elektrodami łatwiej zachodzą gdy jedną z nich oświetlimy promieniami nadfioletowymi, Lenard (1902), Promienie nadfioletowe mogą powodować emisję z katody. Efekt fotoelektryczny Kirchhoff (1859), Energia wypromieniowana z ogrzanego ciała zależy tylko od temperatury i częstości promieniowania, postawił pytanie jak wygląda E(T,ν), Stefan (1879), Boltzman (1884), eksperymentalnie i teoretycznie pokazali, że E ≈ T4, Wien(1896), znalazł związek Lummer, Pringsheim (1899), prawo Wiena nie zgadza się dla ν -> ∞ Promieniowanie ciał doskonale czarnych Pieter Zeeman (1865 – 1943) - na polecenie swojego mentora (LORENTZA) zajął się wpływem pól magnetycznych na światło. Razem z Lorentzem ( za wyjaśnienie efektu Zeemana) otrzymali w 1902 roku nagrodę Nobla. Hendrik Antoon Lorentz (1853 – 1928) wyjaśnił efekt Zeemana w ramach swojej klasycznej elektronowej teorii materii Gustav Kirchhoff – odkrył prawo mówiące, że stosunek zdolności emisji promieniowania e(l,T) i zdolności absorbcji a(l,T) jest uniwersalną funkcją f(l,T). Wprowadził pojęcie ciała doskonale czarnego, Josef Stean (1835 – 1893) – wykrył, że całkowita ilość promieniwania wysyłanego prze ciało o temperaturze T jest proporcjonalna do czwartej potęgi T. Prawo to zostało teoretycznie wyprowadzone przez Boltzmana Różne teoretyczne propozycje prawa ciała doskonale czarnego (Michelson, Weber, Wien, Paschen, Reyleigh, Lummer i Pringsheim, Jahnke, Planck)

5 ν Ostateczny cios wszystkim teoriom zadali Rubens i Kurlbaum, jesienią 1900 roku wykonali pomiary dla dużego zakresu długości fal i temperatury. Korzystam ze slajdów przygotowanych przez Andrzeja Wróblewski w Jego wykładzie „Historia fizyki”

6 Becquerell (1896), Piotr i Maria Curie (1897),
Promieniowanie β Joseph, John Thomson (1896), Promieniowanie katodowe Rayleigh, Jeans (czerwiec, 1900), Korzystając z elektrodynamiki Maxwella wyprowadzili wzór na gęstość promieniowania ciała doskonale czarnego: Liczna dozwolonych wartości częstotliwości dla (ν, ν + dν): Zasada ekwipartycji energii: E = k T stąd Rayleigh podał prawo na energii promieniowania ciała doskonale czarnego zawartą w jednostce objętości przypadającą na przedział częstości v,v+dv. Dokładny wzór podali w 1905 roku Rayleigh i Jeans.

7 ν =c / λ; e(λ,T) = -ρT(ν) dν/dλ =ρT (ν) c/λ2
A.Wróblewski

8 PLANCK: Fenomenologia: Teoria klasyczna:
W granicy : αT / β  8πkT/c3 ; zupełnie źle dla Planck zrezygnował z zasady ekwipartycji energii, zamiast tego przyjął: ΔE = hν, i otrzymał wzór na gęstość energii: Wyznaczył wartość stałych h i k.

9 A.Wróblewski

10 1900 rok

11

12 Einstein – fala elektromagnetyczna to strumień fotonów (1905),
Do tej pory światło było traktowane jako fala elekromagnetyczna, typowe zjawiska były obserwowane: dyfrakcja i interferencja DUALIZM KORPUSKULARNO -- FALOWY Einstein – fala elektromagnetyczna to strumień fotonów (1905), Potwierdzenie doświadczalne – rozpraszanie fali elektromagnetycznej na elektronach Compton (1923). Cząstkowy i falowy aspekt światła są nierozłączne, Mogę podać jedynie prawdopodobieństwo lokalizacji fotonów, Identyczne fotony mogą się w różny sposób zachowywać . W 1923 roku Louis de Broglie ----- ----dualizm dotyczy wszystkich cząstek, także posiadających masę różną od zera.

13 A.Wróblewski

14 Konferencja Solvayowska
1911 rok iedzą (od lewej): W. Nernst, M. Brillouin, E. Solvay, H. Lorentz, E. Warburg, J. Perrin, W. Wien, M. Skłodowska-Curie, H. Poincaré; Stoją (od lewej): Robert Goldschmidt, M. Planck, H. Rubens, A. Sommerfeld, F. Lindemann, M. de Broglie, M. Knudsen, F. Hasenöhrl, G. Hostelet, E. Herzen, J.H. Jeans, E. Rutherford, H. Kamerlingh Onnes, A. Einstein, P. Langevin Akceptacja tego co dotąd i pytanie co dalej?

15 A.Wróblewski

16 A.Wróblewski

17 A.Wróblewski

18 Model Bohra (1912) kwantowanie energii: E = - d / n2;
kwantowanie momentu pędu: lz = n h/2π. Doświadczenie Francka – Hertza (1913) Strumień elektronów z monochromatora ustalającego dokładnie ich energię wpuszczany jest do pojemnika z gazem np. CO, utrzymywanym w niskiej temperaturze. Rozproszone elektrony przechodzą do analizatora, ten przepuszcza elektrony o ustalonej energii ( obecnie ΔE to energia rzędu eV) do detektora. Detektor mierzy liczbę elektronów N o danej energii. N = f(E)

19 A.Wróblewski

20 A.Wróblewski

21 A.Wróblewski

22 A.Wróblewski

23 A.Wróblewski

24 A.Wróblewski

25 A.Wróblewski

26 ( ) ( ) A.Wróblewski

27 A.Wróblewski

28 A.Wróblewski

29 A.Wróblewski

30 A.Wróblewski

31 A.Wróblewski

32 Kongres Solvaya w 1927 roku pod hasłem: „elektrony i fotony”
A. Piccard, E. Henriot, P. Ehrenfest, Ed. Herzen, Th. De Donder, E. Schrödinger, J.E. Verschaffelt, W. Pauli, W. Heisenberg, R.H. Fowler, L. Brillouin; P. Debye, M. Knudsen, W.L. Bragg, H.A. Kramers, P.A.M. Dirac, A.H. Compton, L. de Broglie, M. Born, N. Bohr; I. Langmuir, M. Planck, M. Curie, H.A. Lorentz, A. Einstein, P. Langevin, Ch. E. Guye, C.T.R. Wilson, O.W. Richardson 15 laureatów nagrody Nobla

33 A.Wróblewski

34 A.Wróblewski

35 ( ) A.Wróblewski

36 ( ) A.Wróblewski

37 A.Wróblewski

38 Pierwsze uwagi Diraca o istnieniu antymaterii
A.Wróblewski

39 A.Wróblewski

40 A.Wróblewski

41 A. Wróblewski

42

43 Nierelatywistycznej Mechaniki Kwantowej
Fundamentalne prace z Nierelatywistycznej Mechaniki Kwantowej do lat 30-tych (Powstanie Mechaniki Kwantowej). Planck Lenard Einstein Rutherford Bohr Franck i Hertz Millikan Sommerfeld Stern i Gerlach Compton De Broglie 12. Pauli , 1925 13. Bose 14. Uhlenbeck i Goudsmit 15. Heisenberg , 1927 16. Schrödinger 17. Born 18. Dirac , 1928 19. Fermi 20. Davisson i Germer 21. Von Neumann – 1932 22. Einstein, Podolsky, Rosen Inna interpretacja wyników eksperymentów Francka i Hertza a inna Bohra. Dopiero w 1919 roku Franck i Hertz uznali wyjaśnienie ich eksperymentu teorią Bohra za słuszne. Sommerfeld – udoskonalił model Bohra, wprowadził dodatkowe liczby kwantowe (l), struktura subtelna wodoru, stała struktury subtelnej, do opisu atomu wprowadził efekty relatywistyczne, kwantowanie momentu pędu. Stern i Gerlach – przepuszczali srebro przez niejednorodne pole magnetyczne, udowodnili kwantyzacje przestrzenną zakładaną przez Sommerfelda (błąd bo mieli dla srebra (spin połówkowy) rozszczepienie na dwie linie, a spin wtedy nie był jeszcze znany.