Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr"— Transkript prezentace:

1 F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr 2011- 2012

2 2/1. 4 kr. (příf plus uk plus > 4). Ukončení: zk. Vyučující
F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav Přírodovědecká fakulta jaro 2012 Rozsah 2/1. 4 kr. (příf plus uk plus > 4). Ukončení: zk. Vyučující prof. Bedřich Velický, CSc. (přednášející) Garance prof. RNDr. Michal Lenc, Ph.D. Rozvrh St 13:00--13:50 F3 St 14:00--15:50 F3 Předpoklady ( F1040 Mechanika a molekulová fyzika && F2070 Elektřina a magnetismus )| |( F1030 Mechanika a molekulová fyzika && F2050 Elektřina a magnetismus ) Anotace Tento kurs je pojat jako proseminář doplňující přednášky Úvod do fyziky mikrosvěta F4100 nebo F4050.

3 Přednášející Bedřich Velický ÚTFA velicky@karlov.mff.cuni.cz
Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr Přednášející Bedřich Velický ÚTFA

4 Přednášející Bedřich Velický ÚTFA velicky@karlov.mff.cuni.cz
Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr Přednášející Bedřich Velický ÚTFA Prosím ovou korespondenci vést na tuto adresu

5 Rozvrh St 13:00--13:50 F3 cvičení St 14:00--15:50 F3 přednáška
Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr Rozvrh St 13:00--13:50 F3 cvičení St 14:00--15:50 F3 přednáška

6 Měřítka kvantového světa 29. 2.m 2 Brownův pohyb 7. 3.m 3
F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr PLÁNOVANÉ PŘEDNÁŠKY m 1 Měřítka kvantového světa 29. 2.m 2 Brownův pohyb 7. 3.m 3 Langevinova rovnice pro Brownův pohyb 14. 3.m 4 Elektronová optika 21. 3.m 5 Synchrotronové záření v kosmu a na Zemi 28. 3.m 6 Neutronová interference 4. 4.m 7 Kvantová interferometrie (II. část) 11. 4.m 8 Jev Bohma a Aharonova 18. 4.m 9 Vibrace v polyatomických molekulách 25. 4.m 10 Molekulové vibrace a skleníkový jev 2. 5.m 11 Inversní linie čpavku: Sláva a pád 9. 5.m 12 Fysika nízkých a extrémně nízkých teplot 16. 5.m 13 Studené atomy: BE kondensace 23. 5.m

7 vyhlášeny na poslední přednášce a vystaveny na SIS
F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr PODMÍNKY PRO VYKONÁNÍ ZKOUŠKY m Podmínky Úspěšné vykonání písemného testu na posledním cvičení nebo jednom ze zápočtových termínů Forma zkoušky: Zpracování a seminární přednesení dílčí otázky k některému z přednesených témat po dohodě s přednášejícím Termíny Termíny zkoušky budou vyhlášeny na poslední přednášce a vystaveny na SIS

8 Úvodem Dnes: čekám, až trochu postoupí hlavní přednášky
Odvolám se na znalosti středoškolské a z předchozí části Kursu Cíl … orientace v nepřehledné oblasti atomárních soustav Fundamentální konstanty a zavedení přirozených jednotek Rozměrové a jiné kvalitativní úvahy Zamyšlení nad Bičákovým diagramem velikostí a hmotností objektů

9 Klasický a kvantový svět vs. mikrosvět a makrosvět

10 Klasický a kvantový svět Kvantové zákony ovládají titěrné mikroobjekty, jako jsou atomy a molekuly. V každodenním životě však kvantové efekty zpravidla nepozorujeme. Kde je rozhraní obou světů a jak je můžeme rozpoznat a charakterisovat?

11 Klasický a kvantový svět Kvantové zákony ovládají titěrné mikroobjekty, jako jsou atomy a molekuly. V každodenním životě však kvantové efekty zpravidla nepozorujeme. Kde je rozhraní obou světů a jak je můžeme rozpoznat a charakterisovat? Moje stará formulace

12 Nový pokus odpovídající na kritiku se strany filosofů Makrosvět a mikrosvět spolutvoří svět fyziky. Makrosvět se týká předmětů a dějů, se kterými se můžeme setkat v každodenním životě, často je proto tendence podsunout jej za přirozený svět. Mikrosvět tvoří titěrné mikroobjekty, jako jsou atomy a molekuly. Přirozenému světu je cizí.

13 Nový pokus Makrosvět a mikrosvět spolutvoří svět fyziky
Nový pokus Makrosvět a mikrosvět spolutvoří svět fyziky. Makrosvět se týká předmětů a dějů, se kterými se můžeme setkat v každodenním životě, často je proto tendence podsunout jej za přirozený svět. Mikrosvět tvoří titěrné mikroobjekty, jako jsou atomy a molekuly. Přirozenému světu je cizí.

14 Nový pokus Makrosvět a mikrosvět spolutvoří svět fyziky
Nový pokus Makrosvět a mikrosvět spolutvoří svět fyziky. Makrosvět se týká předmětů a dějů, se kterými se můžeme setkat v každodenním životě, často je proto tendence podsunout jej za přirozený svět. Mikrosvět tvoří titěrné mikroobjekty, jako jsou atomy a molekuly. Přirozenému světu je cizí.

15 Nový pokus Makrosvět a mikrosvět spolutvoří svět fyziky
Nový pokus Makrosvět a mikrosvět spolutvoří svět fyziky. Makrosvět se týká předmětů a dějů, se kterými se můžeme setkat v každodenním životě, často je proto tendence podsunout jej za přirozený svět. Mikrosvět tvoří titěrné mikroobjekty, jako jsou atomy a molekuly. Přirozenému světu je cizí.

16 Nový pokus Makrosvět a mikrosvět spolutvoří svět fyziky
Nový pokus Makrosvět a mikrosvět spolutvoří svět fyziky. Makrosvět se týká předmětů a dějů, se kterými se můžeme setkat v každodenním životě, často je proto tendence podsunout jej za přirozený svět. Mikrosvět tvoří titěrné mikroobjekty, jako jsou atomy a molekuly. Přirozenému světu je cizí. Umíme však rozmezí těchto různých světů přesně rozpoznat a charakterisovat?

17 Fyzikální svět a přirozený svět

18 Fyzikální svět a přirozený svět

19 Fyzikální svět = Makrosvět + Mikrosvět
přirozený svět makrosvět mikrosvět

20 Mikrosvět proniká do přirozeného světa
přirozený svět makrosvět mikrosvět přirozený svět

21 Mikrosvět proniká do přirozeného světa
přirozený svět makrosvět mikrosvět přirozený svět ?

22 Makrosvět + Mikrosvět vs. Klasický svět + Kvantový svět
přirozený svět makrosvět mikrosvět makrosvět mikrosvět svět klasické fyziky kvantový svět přirozený svět ?

23 Makrosvět + Mikrosvět vs. Klasický svět + Kvantový svět
přirozený svět makrosvět mikrosvět makrosvět mikrosvět svět klasické fyziky kvantový svět přirozený svět ? ? ? ne tak docela!!

24 Logaritmická škála velikosti objektů

25 Logaritmická škála velikosti objektů
velikost objekt lidská činnost

26 Logaritmická škála velikosti objektů
přirozená délka (sáh)

27 Logaritmická škála velikosti objektů
přirozená délka (sáh) oktáva x

28 Logaritmická škála velikosti objektů
přirozená délka (sáh) oktáva x rozlišovací mez prostého oka

29 Logaritmická škála velikosti objektů
makrosvět přirozená délka (sáh) oktáva x rozlišovací mez prostého oka mikrosvět

30 Logaritmická škála velikosti objektů
makrosvět rozlišovací mez prostého oka mesosvět mikrosvět

31 Logaritmická škála velikosti objektů
makrosvět rozlišovací mez prostého oka mesosvět mikrosvět

32 Logaritmická škála velikosti objektů
makrosvět rozlišovací mez prostého oka mesosvět vidět atomy mikrosvět

33 Logaritmická škála velikosti objektů
makrosvět rozlišovací mez prostého oka mesosvět vidět atomy mikrosvět

34 Vidět atomy AFM (Atomic Force Microscope) atomárních rozměrů
Stačí dvaapůl oktávy AFM (Atomic Force Microscope) atomárních rozměrů

35 Vidět atomy AFM (Atomic Force Microscope) mesoskopické
atomárních rozměrů

36 D Z Vidět atomy AFM (Atomic Force Microscope) mesoskopické
lidské měřítko D Z AFM (Atomic Force Microscope) mesoskopické atomárních rozměrů

37 Představa klasické fysiky o hierarchii měřítek
makrosvět Mikrosvět je zmenšenina makrosvěta planetární model atomu je spíše metafora molekulární chaos kvantové úkazy rozlišovací mez prostého oka mesosvět ?? mikrosvět

38 Obraz "moderní " fysiky je jiný
makrosvět FYZIKA 20. STOL. Mikrosvět není zmenšenina makrosvěta planetární model atomu je spíše metafora molekulární chaos kvantové úkazy rozlišovací mez prostého oka mesosvět mikrosvět

39 Procházka kvantovými jevy v celé škále velikostí objektů Samotná velikost objektů není rozhodující pro jejich kvantové chování. Kvantové projevy mohou být různorodé a neočekávané

40 ? Souběh dvou stupnic klasický svět makrosvět mesosvět kvantový svět
rozlišovací mez prostého oka rozlišovací mez prostého oka mesosvět kvantový svět mikrosvět

41 Klasický a kvantový svět v různých měřítkách
KVANTOVÉ OBJEKTY makroskopické teleportace přes Dunaj supravodiče, supratekuté helium BE kondensace v atom. oblacích kohese a chem. vazba v látkách meso("nano")skopické kvantové multivrstvy, kvant. tečky, vortexové struktury, qubity mikroskopické molekuly atomy a ionty atomová jádra subjaderné objekty klasický svět makrosvět ? rozlišovací mez prostého oka mesosvět KVANTOVÉ ÚKAZY kvantování energií vlnové šíření – interference, difrakce ... provázané stavy korelované chování identických částic kvantový svět mikrosvět

42 Klasický a kvantový svět v různých měřítkách
KVANTOVÉ OBJEKTY makroskopické teleportace přes Dunaj supravodiče, supratekuté helium BE kondensace v atom. oblacích kohese a chem. vazba v látkách meso("nano")skopické kvantové multivrstvy, kvant. tečky, vortexové struktury, qubity mikroskopické molekuly atomy a ionty atomová jádra subjaderné objekty klasický svět makrosvět ? rozlišovací mez prostého oka mesosvět KVANTOVÉ ÚKAZY kvantování energií vlnové šíření – interference, difrakce ... provázané stavy korelované chování identických částic kvantový svět mikrosvět

43

44 Klasický a kvantový svět
KVANTOVÉ OBJEKTY makroskopické teleportace přes Dunaj supravodiče, supratekuté helium BE kondensace v atom. oblacích kohese a chem. vazba v látkách meso("nano")skopické kvantové multivrstvy, kvant. tečky, vortexové struktury, qubity mikroskopické molekuly atomy a ionty atomová jádra subjaderné objekty klasický svět makrosvět ? rozlišovací mez prostého oka mesosvět KVANTOVÉ ÚKAZY kvantování energií vlnové šíření – interference, difrakce ... provázané stavy korelované chování identických částic kvantový svět mikrosvět

45 Kvantování energie v atomu (helia)
Bohrova podmínka dává fotony s určitou energií, čili ostré spektrální linie Uvidíme něco takového: kvantová čísla Celkový spin 0 Celkový spin 1 2-elektronové hladiny

46 Klasický a kvantový svět
KVANTOVÉ OBJEKTY makroskopické teleportace přes Dunaj supravodiče, supratekuté helium BE kondensace v atom. oblacích kohese a chem. vazba v látkách meso("nano")skopické kvantové multivrstvy, kvant. tečky, vortexové struktury, qubity mikroskopické molekuly atomy a ionty atomová jádra subjaderné objekty klasický svět makrosvět ? rozlišovací mez prostého oka mesosvět KVANTOVÉ ÚKAZY kvantování energií vlnové šíření – interference, difrakce ... provázané stavy korelované chování identických částic kvantový svět mikrosvět

47 Difrakce rychlých elektronů na hliníkové folii
G.P. Thomson 1927

48 Difrakce rychlých elektronů na hliníkové folii
G.P. Thomson NP elektrony Röntgenovy paprsky

49 Difrakce rychlých elektronů na hliníkové folii
G.P. Thomson NP elektrony Röntgenovy paprsky

50 Difrakce atomů helia na krystalu LiF
Esterling a Stern 1930

51

52 Rozmazané rozmezí klasického a kvantového světa
To jest: makroskopické se nekryje s klasickým, mikroskopické se nekryje s kvantovým

53 Klasický a kvantový svět
KVANTOVÉ OBJEKTY makroskopické teleportace přes Dunaj supravodiče, supratekuté helium BE kondensace v atom. oblacích kohese a chem. vazba v látkách meso("nano")skopické kvantové multivrstvy, kvant. tečky, vortexové struktury, qubity mikroskopické molekuly atomy a ionty atomová jádra subjaderné objekty klasický svět makrosvět ? rozlišovací mez prostého oka mesosvět KVANTOVÉ ÚKAZY kvantování energií vlnové šíření – interference, difrakce ... provázané stavy korelované chování identických částic kvantový svět mikrosvět

54 PŘEVZATO Z PŘEDNÁŠKY V. HOLÉHO

55 Kvantové tečky UMĚLÉ ATOMY (dimense 0) průměr tečky 10 nm
průměr atomu 0.3 nm elektrony jsou v resonančních vlnových stavech s kvantovanou energií

56 Kvantová tečka v CdSe STM V I QD substrát
PHYSICAL REVIEW B 73,

57 Rozmazané rozmezí klasického a kvantového světa
V MOSFETech i při dnešním stupni miniaturisace (ULSI) se elektrony řídí (semi)klasickými zákony pohybu

58 Technologie 65 nm firmy Intel

59 Technologie 65 nm firmy Intel
Elektrony jsou zde jako malé nabité kuličky, které přenášejí proud

60 Technologie 65 nm firmy Intel

61 Technologie 65 nm firmy Intel
? Postupné nenápadné přibližování ke kvantové limitě

62

63 ZEMĚ NIKOHO MESOSKOPIE
10 6

64 Kvantové objekty a úkazy v makrosopickém světě
Ještě výrazněji: makroskopické se nekryje s klasickým, mikroskopické se nekryje s kvantovým

65 Klasický a kvantový svět
KVANTOVÉ OBJEKTY makroskopické teleportace přes Dunaj supravodiče, supratekuté helium BE kondensace v atom. oblacích kohese a chem. vazba v látkách meso("nano")skopické kvantové multivrstvy, kvant. tečky, vortexové struktury, qubity mikroskopické molekuly atomy a ionty atomová jádra subjaderné objekty klasický svět makrosvět ? rozlišovací mez prostého oka mesosvět KVANTOVÉ ÚKAZY kvantování energií vlnové šíření – interference, difrakce ... provázané stavy korelované chování identických částic kvantový svět mikrosvět

66 Bose-Einsteinova kondensace atomů v pastech
Obláček atomů (alkalických kovů) za extrémně nízkých teplot přejde do zvláštního stavu – BE kondensátu, ve kterém všechny atomy se pohybují naprosto shodně, koherentně a dohromady vytvoří makroskopickou vlnovou funkci objeveno Nobelova cena 2001 Příbuzný jev – supratekutost znám v kapalném heliu od 30tých let PŘIBLIŽNÉ ÚDAJE KRITICKÝCH TEPLOT system M n TC He liquid 4 21028 1.47 K Na trap 23 21020 1.19 K Rb trap 87 21017 3.16 nK

67 Atomový obláček

68 Atomový obláček Atomový obláček

69 Princip experimentu s interferencí atomů
1. Atomový obláček vytvořený v pasti 2. Rozdělen na dvě části laserem 3. Past a laser vypnuty 4. Oba obláčky se roztékají, pronikají navzájem a interferují 69

70 Interference atomů BE zkondensovaných v pastech
Atomy sodíku vytvářejí makroskopickou vlnovou funkci Experimentální důkaz: Dvě části obláčku rozdělené a opět se prolínající spolu interferují. Jsou to tedy koherentní (makroskopické) vlny Vlnová délka v řádu desetin milimetru experiment ve skupině Ketterle a spol.

71 Klasický a kvantový svět
KVANTOVÉ OBJEKTY makroskopické teleportace přes Dunaj supravodiče, supratekuté helium BE kondensace v atom. oblacích kohese a chem. vazba v látkách meso("nano")skopické kvantové multivrstvy, kvant. tečky, vortexové struktury, qubity mikroskopické molekuly atomy a ionty atomová jádra subjaderné objekty klasický svět makrosvět ? rozlišovací mez prostého oka mesosvět KVANTOVÉ ÚKAZY kvantování energií vlnové šíření – interference, difrakce ... provázané stavy korelované chování identických částic kvantový svět mikrosvět

72 Kvantová teleportace fotonů
R. Ursin et.al: Quantum Teleportation link across the Danube, Nature 430, 849 (2004)

73 ZEMĚ NIKOHO MESOSKOPIE
10 6

74 PODIVNÝ SEZNAM MY KVANTOVÉ KAPALINY NO-MAN’S LAND MESOSCOPY
KVANTOVÉ PROVÁZÁNÍ 10 6

75 Planckova konstanta Samotná velikost objektů není tedy rozhodující pro jejich kvantové chování. Obecné kriterium je spíše, jak důležitá je pro daný problém Planckova konstanta.

76 Planckova konstanta

77 Planckova konstanta hodně malé číslo
rozměr energiečas=akce=délka hybnost=moment hybnosti Planck původně zavedl dnes již známo s velkou přesností

78 Planckova konstanta hodně malé číslo
rozměr energiečas=akce=délka hybnost=moment hybnosti Planck původně zavedl dnes již známo s velkou přesností Více rolí Planckovy konstanty Jako převodní koeficient Jako charakteristická mezní veličina V základních rovnicích

79 DNES NE, MÍSTO TOHO BOHROVA TEORIE VODÍKU
Planckova konstanta hodně malé číslo rozměr energiečas=akce=délka hybnost=moment hybnosti Planck původně zavedl dnes již známo s velkou přesností Více rolí Planckovy konstanty Jako převodní koeficient Jako charakteristická mezní veličina V základních rovnicích DNES NE, MÍSTO TOHO BOHROVA TEORIE VODÍKU

80 1. Planckova konstanta jako převodní koeficient
Překlad mezi jazyky dvou teorií … most C  Q „Světlo o frekvenci je tvořeno fotony o energii “ Tak uvažoval Einstein při vysvětlení fotoefektu elektrony vyletují jen pro Důvod: je výstupní práce elektronu foton musí mít energii větší, aby ho vyrval. Einstein 1905 … NP světlo elektrony KOV

81 1. Planckova konstanta jako převodní koeficient
Překlad mezi jazyky dvou teorií … most C  Q „Světlo o frekvenci je tvořeno fotony o energii “ Tak uvažoval Einstein při vysvětlení fotoefektu elektrony vyletují jen pro Důvod: je výstupní práce elektronu foton musí mít energii větší, aby ho vyrval. Einstein 1905 … NP V světlo elektrony KOV Experiment zejména Lenard …. NP Určení energie elektronu … brzdný potenciál elektronvolt

82 Odbočka: děsivé hodnoty a šikovné jednotky
Uvažme, že me= 9.1110-31 kg e = 10-19 C = 10-34 Js Je rozumné si zavést jednotky atomistice přiměřené. Např. (v rámci zákonné soustavy SI) nm, eV, fs 1 eV je energie, kterou elementární náboj získá při průchodu potenciálním rozdílem 1 V, 1 eV = 1.60 10-19 J Pak vyjde neobyčejně šikovně  = eVfs me=5.7 eVfs2nm -2

83 Odbočka: děsivé hodnoty a šikovné jednotky
Uvažme, že me= 9.1110-31 kg e = 10-19 C = 10-34 Js Je rozumné si zavést jednotky atomistice přiměřené. Např. (v rámci zákonné soustavy SI) nm, eV, fs 1 eV je energie, kterou elementární náboj získá při průchodu potenciálním rozdílem 1 V, 1 eV = 1.60 10-19 J Pak vyjde neobyčejně šikovně  = eVfs me=5.7 eVfs2nm -2 Ještě lepší je přejít k přirozeným jednotkám me= e =  = za chvíli

84 2. Planckova konstanta jako hraniční hodnota
Matematické vyjádření Heisenbergova principu

85 Relace neurčitosti -- aplikace
Propojíme prostorovou rozlehlost L a energii E vázaného stavu částice o hmotnosti m … kriterium ultrakvantového režimu 1. krok kinetická energie částice ve vázaném stavu (v potenciál. jámě) 2. krok odhad z relace neurčitosti 3. krok kinetická a celková energie stejného řádu energie kvant. fluktuací ~ příznak ultrakvantového stavu Platí pro coulombickou interakci:  Stabilita atomů a hmoty vůbec

86 Relace neurčitosti -- aplikace
Propojíme prostorovou rozlehlost L a energii E vázaného stavu částice o hmotnosti m … kriterium superkvantového režimu 1. krok kinetická energie částice ve vázaném stavu (v potenciál. jámě) 2. krok odhad z relace neurčitosti 3. krok kinetická a celková energie stejného řádu zkusíme pro atomy

87 Velikost atomů Jaké jsou empirické údaje o velikosti atomů Jaké jsou teoretické důvody pro tyto údaje Test pomocí relací neurčitosti

88 Opakování o atomech náboj jádra hmotnost atomu poloměr jádra Q = Z |e|
OBAL Z elektronů JÁDRO Z protonů N=A-Z neutronů náboj jádra hmotnost atomu poloměr jádra Q = Z |e| M ~ A u R = r0 A1/3 r0 = 1,2 m atom atomový objem = rel. at. hmotnost g/ 103  hustota objem na atom = atomový objem / Avogadr. číslo V cm3 … odhad z empirických dat

89 Odhad ionizační energie atomu z relace neurčitosti
použijeme našich jednotek nm, eV, fs Empirické poloměry atomů mají hodnoty v řádu 0,1 nm (1Å) Energie valenčních elektronů v atomech pak vycházejí v řádu eV

90 Odhad ionizační energie atomu z relace neurčitosti
použijeme našich jednotek nm, eV, fs Empirické poloměry atomů mají hodnoty v řádu 0,1 nm (1Å) Energie valenčních elektronů v atomech pak vycházejí v řádu eV v tabulkách lze ověřit, že je to správný odhad

91 Ionizační energie a poloměry prvků
54

92 3. Planckova konstanta jako součást teoretického aparátu kvantové teorie Jako příklad použijeme původní Bohrovy teorie atomu vodíku. Ta je teoreticky překonaná, ale všichni ji známe a vykazuje charakteristickou strukturu, nad kterou se zamyslíme

93 Semiklasický popis atomu vodíku podle Bohra
OBAL 1 elektron JÁDRO 1 proton náboj jádra hmotnost atomu poloměr jádra Q = |e| M ~ u >> me R = r0 << r r0 = 1,2 m atom Elektron obíhá rychlostí v kolem nehybného jádra. Má hybnost p= me v, moment hybnosti me vr, odstředivá síla je me v2/r … všechno klasické Přitahován je coulombickou silou Připojeno je kvantování, prostřednictvím kvanta akce, Planckovy konstanty . Veličina ke kvantování vhodná má rozměr akce. To je právě moment hybnosti.

94 Semiklasický popis atomu vodíku podle Bohra
OBAL 1 elektron JÁDRO 1 proton náboj jádra hmotnost atomu poloměr jádra Q = |e| M ~ u >> me R = r0 << r r0 = 1,2 m atom Elektron obíhá rychlostí v kolem nehybného jádra. Má hybnost p= me v, moment hybnosti me vr, odstředivá síla je me v2/r … všechno klasické Přitahován je coulombickou silou Připojeno je kvantování, prostřednictvím kvanta akce, Planckovy konstanty . Veličina ke kvantování vhodná má rozměr akce. To je právě moment hybnosti.

95 Bohrova teorie vodíku Dvě podmínky pro Bohrův poloměr a Hartreeho energii Klasická podmínka odstř. síla= dostř. síla Kvantová podmínka kvantování momentu hybnosti Výsledek Bohrův poloměr 0,053 nm Hartreeho energie 27,2 eV

96 2x ionisační energie vodíku
Bohrova teorie vodíku Dvě podmínky pro Bohrův poloměr a Hartreeho energii Klasická podmínka odstř. síla= dostř. síla Kvantová podmínka kvantování momentu hybnosti Výsledek Bohrův poloměr 0,053 nm Hartreeho energie 27,2 eV 2x ionisační energie vodíku

97 Bohrova teorie vodíku Dvě podmínky pro Bohrův poloměr a Hartreeho energii Klasická podmínka o tyto výpočty nejde, důležité je podívat se na výsledek který je exaktní odstř. síla= dostř. síla Kvantová podmínka kvantování momentu hybnosti Výsledek Bohrův poloměr 0,053 nm Hartreeho energie 27,2 eV

98 shoduje se s odhadem z relací neurčitosti
Bohrova teorie vodíku Dvě podmínky pro Bohrův poloměr a Hartreeho energii Klasická podmínka o tyto výpočty nejde, důležité je podívat se na výsledek který je exaktní odstř. síla= dostř. síla Kvantová podmínka kvantování momentu hybnosti Výsledek Bohrův poloměr 0,053 nm Hartreeho energie 27,2 eV shoduje se s odhadem z relací neurčitosti

99 Přirozené jednotky Rozměrové úvahy a zavedení přirozených jednotek jsou založeny na víře (dobře již osvědčené), že rozměrová úvaha vede k výsledku, který se od přesného liší jen numerickým faktorem v řádu jednotek

100 Tři klíčové teorie (pro atomární systémy)
Nepůjdeme-li na sub-atomární úroveň, jsou pro popis fyzikálního světa klíčové tři teorie a ty mají jako svůj symbol tři universální konstanty Klasická mechanika a teorie gravitace Gravitační zákon

101 Tři klíčové teorie (pro atomární systémy)
Nepůjdeme-li na sub-atomární úroveň, jsou pro popis fyzikálního světa klíčové tři teorie a ty mají jako svůj symbol tři universální konstanty Klasická mechanika a teorie gravitace Gravitační zákon Teorie elektromagnetického pole Maxwellovy rovnice, vlnová rovnice

102 Tři klíčové teorie (pro atomární systémy)
Nepůjdeme-li na sub-atomární úroveň, jsou pro popis fyzikálního světa klíčové tři teorie a ty mají jako svůj symbol tři universální konstanty Klasická mechanika a teorie gravitace Gravitační zákon Teorie elektromagnetického pole Maxwellovy rovnice, vlnová rovnice Kvantová teorie Komutační relace, Schrödingerova rovnice

103 Tři klíčové teorie (pro atomární systémy)
Nepůjdeme-li na sub-atomární úroveň, jsou pro popis fyzikálního světa klíčové tři teorie a ty mají jako svůj symbol tři universální konstanty Klasická mechanika a teorie gravitace Gravitační zákon Teorie elektromagnetického pole Maxwellovy rovnice, vlnová rovnice Kvantová teorie Komutační relace, Schrödingerova rovnice O této trojici za chvíli více

104 Další universální konstanty
Jiný typ universálních konstant – charakteristiky částic vlastnosti částic hmotnosti náboje gravitační elektrické elektron proton

105 Další universální konstanty
Jiný typ universálních konstant – charakteristiky částic vlastnosti částic hmotnosti náboje gravitační elektrické elektron proton

106 Přirozené jednotky ve fysice
Přirozené soustavy jednotek závisejí na výběru fundamentálních konstant VÝHODNÉ VLASTNOSTI PŘIROZENÝCH JEDNOTEK Fundamentální -- nezávislé na lidské libovůli, přesnosti a stálosti etalonů Fundamentální -- vystihují hluboké souvislosti fyzikálních zákonů Praktická -- hodnoty měřených veličin mají příjemný rozsah a jsou snadné k interpretaci Praktická -- rovnice se zjednodušší, mají bezrozměrné koeficienty, zpravidla malých celočíselných hodnot nebo zlomků jako ½ Fundamentální&Praktická -- výpočty zůstávají v platnosti i po zpřesnění hodnot univerzálních konstant

107 Atomové přirozené jednotky Jsou nejvhodnější pro atomární soustavy
Atomové přirozené jednotky Jsou nejvhodnější pro atomární soustavy ... relativní jednotky, kde jeden elektron, jeden proton, jeden atom vodíku slouží jako etalon

108 Atomové přirozené jednotky
Přirozené soustavy jednotek závisejí na výběru fundamentálních konstant Atomové jednotky Inspirace od Bohra(1913) Rozměrová úvaha  relevantní veličiny Dvě podmínky pro Bohrův poloměr a Hartreeho energii (rozměrové kombinace … kinetická energie a Coulomb. potenciál. energie) Výsledek v plné shodě s Bohrovou teorií

109 Atomové přirozené jednotky
Přirozené soustavy jednotek závisejí na výběru fundamentálních konstant Atomové jednotky Inspirace od Bohra(1913) Rozměrová úvaha  relevantní veličiny Dvě podmínky pro Bohrův poloměr a Hartreeho energii (rozměrové kombinace … kinetická energie a Coulomb. potenciál. energie) Výsledek v plné shodě s Bohrovou teorií

110 Atomové přirozené jednotky
Přirozené soustavy jednotek závisejí na výběru fundamentálních konstant Atomové jednotky Inspirace od Bohra(1913) Rozměrová úvaha  relevantní veličiny Dvě podmínky pro Bohrův poloměr a Hartreeho energii (rozměrové kombinace … kinetická energie a Coulomb. potenciál. energie) Výsledek v plné shodě s Bohrovou teorií

111 Atomové přirozené jednotky
Přirozené soustavy jednotek závisejí na výběru fundamentálních konstant Atomové jednotky Inspirace od Bohra(1913) Rozměrová úvaha  relevantní veličiny Dvě podmínky pro Bohrův poloměr a Hartreeho energii (rozměrové kombinace … kinetická energie a Coulomb. potenciál. energie) Výsledek v plné shodě s Bohrovou teorií

112 Atomové přirozené jednotky

113 Atomové přirozené jednotky -- měřítko světa atomů

114 Atomové přirozené jednotky a relativita

115 Planckovy přirozené jednotky Byly první a zdály se hodně divné, ale ...

116 Planckovy "přirozené" jednotky
Přirozené soustavy jednotek závisejí na výběru fundamentálních konstant Planckovy jednotky Sestavíme veličiny o rozměru délka, hmotnost, čas To jsou Planckovy jednotky, historicky první přirozené jednotky ... jak je navrhl 1899, sotva svou konstantu zavedl, ještě bez dnešní interpretace Hodnoty Planckových jednotek jsou poněkud zarážející

117 Hlubší pohled na Planckovu volbu: (cG ) schéma
V atomové fysice jsou jádra neměnná tělíska (téměř). Působí dvě universální interakce: gravitační a elektromagnetická Podmínky jejich působení lze znázornit v (cG ) schematu, které má Newtonův svět v počátku, tři hlavní teorie na osách. Příklady: STR je důležitá, jestliže typická rychlost , atd. QM , kvantum akce není zanedbatelné G STR c1 QM Newton

118 Hlubší pohled na Planckovu volbu: (cG ) schéma
V atomové fysice jsou jádra neměnná tělíska (téměř). Působí dvě universální interakce: gravitační a elektromagnetická Podmínky jejich působení lze znázornit v (cG ) schematu, které má Newtonův svět v počátku, tři hlavní teorie na osách. Příklad: STR je důležitá, jestliže typická rychlost , atd. U atomové fysiky je gravitace slabá (Newtonova), jedná se o kvasirelativistickou limitu, zato kvantové efekty jsou započteny plně. G OTR TOE STR c QM QFT 3 + 1 prostoro-čas Newton

119 Hlubší pohled na Planckovu volbu: (cG ) schéma
OTR TOE STR c1 QM QFT 3 + 1 prostoro-čas Newton

120 Hlubší pohled na Planckovu volbu: (cG ) schéma
OTR TOE STR c1 QM QFT 3 + 1 prostoro-čas Newton U atomové fyziky je gravitace slabá (Newtonova), jedná se o kvasirelativistickou limitu, zato kvantové efekty jsou započteny plně.

121 Bičákův diagram Zveřejněný již před mnoha lety ve Žlutém časopisu (Čs
Bičákův diagram Zveřejněný již před mnoha lety ve Žlutém časopisu (Čs. čas. fys.) mírně zastaralý, ale stále inspirující. My se podíváme z hledisek důležitých pro atomistiku

122

123 hmotnosti

124 a hmotnosti Hmotnost M (kg) L (m)

125 a hmotnosti E=mc2 Hmotnost M (kg) E=2f L (m)

126 Dvojlogaritmické měřítko
se zobrazí jako

127 Dvojlogaritmické měřítko
se zobrazí jako Krásné, ale ošidné: logaritmus se mění pomalu

128 a hmotnosti Hmotnost M (kg) L (m)

129 a hmotnosti Hmotnost M (kg) L (m)

130 a hmotnosti Hmotnost M (kg) L (m)

131 a hmotnosti Hmotnost M (kg) kvantová gravitace L (m)

132 a hmotnosti M ~ A u R = r0 A1/3 r0 = 1,2 10-15 m Hmotnost M (kg)
L (m)

133 a hmotnosti M ~ A u R = r0 A1/3 r0 = 1,2 10-15 m Hmotnost M (kg)
L (m)

134 a hmotnosti M ~ A u R = r0 A1/3 r0 = 1,2 10-15 m M ~ A u R = r0 A1/3
Hmotnost M (kg) L (m)

135 a hmotnosti Hmotnost M (kg) L (m)

136 a hmotnosti Hmotnost M (kg) L (m)

137 a hmotnosti Hmotnost M (kg) tajemství L (m)

138 hustota všech kondensovaných atomárních soustav je stejného řádu
a hmotnosti Hmotnost M (kg) tajemství hustota všech kondensovaných atomárních soustav je stejného řádu L (m)

139 The end


Stáhnout ppt "F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr"

Podobné prezentace


Reklamy Google