Pobierz prezentację
Pobieranie prezentacji. Proszę czekać
OpublikowałGrzegorz Woźniak Został zmieniony 8 lat temu
1
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 11/22 Wstęp do fizyki atomowej i cząsteczkowej Przedmiot badań: atom, cząsteczka (pojedynczy - nie kryształ ani ciecz) - struktura poziomów energ. - stany stacjonarne - przejścia między poziomami – stany niestacjonarne - oddziaływania z zewn. czynnikami (polami i cząstkami) Główne kierunki rozwoju: - spektroskopia a) atomowa b) molekularna - nowe dyscypliny - optyka nieliniowa - optyka kwantowa - fizyka ultrazimnej materii - informatyka kwantowa - zastosowania Plan wykładu: I.Struktura atomowa II.Oddziaływanie atomów z promieniowaniem EM III.Metody doświadczalne – wielkie eksperymenty fizyki atomowej Materiały do wykładu (prezentacje + zadania) IF UJ www.if.uj.edu.pl Zakład Fotoniki Zaliczenie – ćwiczenia + egzamin testowy
2
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 12/22 Polecane podręczniki: H. Haken, H. Ch. Wolf „Atomy i kwanty”, PWN, 2002 (2 wyd.) H. Haken, H. Ch. Wolf „Fizyka molekularna z elementami chemii kwantowej”, PWN, 1998. Paweł Kowalczyk „Fizyka cząsteczek. Energie i widma ”, PWN,2000. B. Cagnac, J. Pebay-Peyroula, „Modern Atomic Physics” vol. 1 „Fundamental Principles”, vol. 2 „Quantum Theory and its Application”, Macmillian Press Ltd, London, 1975. G. K. Woodgate „Struktura atomu”, PWN, 1974. W.Demtröder „Spektroskopia laserowa”, PWN, Warszawa 1993. C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloë „Quantum Mechanics” vol. 1+2, Wiley (N. York, 1977). R. Eisberg, R. Resnick „Fizyka kwantowa”, PWN, 1983. + wybrane artykuły w „Postępach Fizyki”, „Świecie nauki”, strony internetowe, itp...
3
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 13/22 1665 Isaac Newton (rozszczepienie światła na składowe) Geneza 1814 Joseph von Fraunhoffer (linie absorpcyjne w widmie słonecznym) rozwoju f. atomowej 1 - rozwój techniki pomiarowej (nowe obserwacje): 1860 Robert Bunsen & Gustav Kirchhoff (spektroskop pryzmatyczny)
4
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 14/22 2 - poszukiwanie obserwacji 1889 Johannes R. Rydberg 1884 Johan Jakob Balmer (widmo wodoru) 4 linie z widma Fraunhoffera; = ( 9/5 )h, ( 4/3 )h, ( 25/21 )h, ( 9/8 )h, gdzie h=364,56 nm serie widmowe 1/ = (1/4 – 1/n 2 ) wytłumaczenia
5
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 15/22 1. Dośw. Ernsta Rutherforda (~1910) 1871-1937 Nobel 1908 (Chemia) źródło cząstek (jądra He) detektor cząstek Folia metal. rozproszenie: cząstka naładowana odpychające oddziaływanie kulombowskie silne wsteczne rozprosz. silne oddz. silne pola ładunek ~ punktowy brak odrzutu atomów folii ładunki rozpraszające w ciężkich „obiektach” ~ cała materia folii skupiona w ciężkim jądrze atomy = ciężkie jądra naładowane dodatnio o b. małych rozmiarach (~ 10 -14 m << rozmiar atomu ~ 10 -10 m ) + lekkie elektrony Początek „nowożytnej” f. atomowej
6
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 16/22 2. Model Bohra (1913): 1. stacjonarne stany elektronu w atomie, w których elektron nie promieniuje; m r=nħ (ħ=h/2 ) 2.zmiana stanu zachodzi skokowo przez absorpcję (emisję) promieniowania o częstości =(E 1 -E 2 )/h konsekwencje: n 0 n 0 n = Z 0 /n 0 = e 2 /ħ E n n 2 K 2 K E n = - (Z 2 /n 2 K 2 )E I E I = Kme 4 /2ħ 2 = en. jonizacji = 13,6 eV RK 2 stała Rydberga: R = K 2 me 4 /2ħ 2 r n n 2 a 0 a 0 r n = n 2 a 0 /Za 0 = ħ 2 /me 2 = 0,052 nm (0,52 Å) K K 1/(4 0 )
7
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 17/22 sens poziomów Bohra postulat Bohra nie tłumaczy stabilności atomów jako stanów stacjonarnych (odpowiadających minimum energii) klasycznie całk. energia E = T klas + V klas T klas = ½ m 2 = | równowaga sił: m 2 /r 0 = e 2 /r 0 | = ½ e 2 /r 0 E = - ½ e 2 /r 0 V klas = - e 2 /r 0 E(r 0 ) 0. głęboki dół potencjał – el. spada na jądro!
8
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 18/22 z mech. kwant. r p ħ aby klasyczne orbity i kręt miały sens trzeba p << p, r << r, czyli ( r/r)( p/p) << 1 postulaty Bohra sprzeczne z dotychczasową fizyką elektron krążący emituje (przyspieszane ładunki promieniują ) i powinien spaść na jądro sprzeczność ale r p ħ ( r p)/rp ħ/rp mvr = pr = nħ, czyli ( r p)/rp 1/n nie można mówić o zlokalizowanych orbitach (w sensie klas.) (chyba że n>>1 – stany rydbergowskie)
9
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 19/22 V= -e 2 /r najkorzystniej gdy r 0, Wg. mechaniki kwantowej: ale relacja nieokreśl. wymaga, że gdy elektron zlokalizowany w obszarze o promieniu r 0, r r 0, p ħ/r 0 (niezerowy pęd) gdy pęd niezerowy, niezerowa en. kin. T T min = ( p) 2 /2m = ħ 2 /2mr 0 2 E = T + V minimum E min = T min + V występuje dla r 0 = ħ 2 /me 2 = a 0 stabilny atom T min V r 0 a0a0
10
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 110/22 Mechanika kwantowa o poziomach energet. atomu elektron w polu kulombowskim od Z protonów wg. mech. kwant. H CM =p 2 /2 - K Ze 2 /r m e M/(m e +M), K 1/(4 0 ) C/r C/r potencjał kulombowski i centralny + 2 /ħ(E-C/r) z założenia centralności możl. faktoryzacji na cz. radialną i kątową r, R(r)Y( ) warunki rozwiązalności 3 liczby kwantowe: n = 1, 2,... l = 0, 1, 2,..., n-1 -l m l równ. Schrödingera: R nl (r) Y l, m (, )
11
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 111/22 n rozwiązanie cz. radialnej: Rhc = 13,6 eV - en. jonizacji at. wodoru w stanie podst. 14 eV 10 5 0 121,5102,6 973950938 656,3 486434410397389 383,5 380 1875128210941005 954,6 40502630 7400 seria Balmera seria Lymana s. Paschena Bracketta Pfunda n=2 n=1 n=3 n=4 n=5 n= Interpretacja fiz. liczb kwant. - stała Rydberga (najdokładniej wyznaczona stała fundamentalna) K2K2
12
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 112/22 l, m rozwiązanie cz. kątowej: Y l, m ( , ) e im ciągłość f. falowej wymaga, by całkowita wielokrotność zmieściła się na obwodzie orbity (prom. a) kwantyzacja: 2 a=m dł. fal materii (de Broglie) =h/p t (p t - skł. styczna p) p t a = L z = m ħ skład. krętu może mieć tylko wartości skwant.: L z =0, ħ, ħ, ħ,... skwantowana też długość L (wartość L 2 ): l(l +1) ħ 2 a
13
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 113/22 Funkcje falowe liczba przejść R n l przez zero = n- l -1 prawdopodobieństwo radialne P(r)dr=|R| 2 r 2 dr a) radialne
14
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 114/22 f. radialne R nl (r) dla potencjału kulombowskiego R nl (r) zależą od n i l, ale E n wyłącznie od n degeneracja: n, l=0,1,..n-1. Stany m l też zdegener. stopień deg. g = l (2l+1) = n 2 V(r) nie zależy od l -13,6 -3,4 -1,51 -0,85 0 E [eV] 12 3 4 l = 0 n=1 n=2 n=3 n=4 n= degeneracja przypadkowa (tylko pot. kulomb. – tylko wodór !)
15
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 115/22 Funkcje falowe P( )=|Y( )| ważne dla zachowania się atomów w zewnętrznych polach i dla zrozumienia symetrii cząsteczek b) kątowe
16
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 116/22 Wiązania chemiczne a) kowalencyjne (np. H 2 +, H 2 ) b) jonowe przykład: H 2 O
17
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 117/22 symetria sfer. współrz. sfer. r. Schr. (część radialna) r 0 V eff l = 2 l = 0 l = 1 bariera odśrodkowa
18
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 118/22 Funkcje falowe – c.d.
19
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 119/22 Poziomy energ. atomów „jednoelektronowych” K2K2 Izotopy wodoru m e M/(m e +M) efekt izotopowy (masowy) H D
20
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 120/22 Atomy „egzotyczne” pozytonium (pozytronium) = (e + e – ) e–e– e+e+ ten sam pot. oddz. ten sam ukł. poz., inne inne wart. en. mionium (muonium) ( + e – ) ++ e–e– atomy mezonowe:
21
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 121/22 atom mionowy (p – ): promień orbity < R jądra mion penetruje (sonduje) jądro p ––
22
Wojciech Gawlik – Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09, Wykład 122/22 Quasi-atomy: kropki kwantowe centra barwne w kryształach (diament + NV nitrogen vacancy)
Podobne prezentacje
© 2024 SlidePlayer.pl Inc.
All rights reserved.