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

2 F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr 2013- 2014

3 2/1. 4 kr. (příf plus uk plus > 4). Ukončení: zk. Vyučující
F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav Přírodovědecká fakulta jaro 2014 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 14:00--14:50 F3 St 15:00--16:50 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.

4 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr 2013- 2014
Přednášející Bedřich Velický ÚTFA

5 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr 2013- 2014
Přednášející Bedřich Velický ÚTFA Prosím ovou korespondenci vést na tuto adresu

6 Rozvrh St 14:00--14:50 F3 cvičení St 15:00--16:50 F3 přednáška
Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr Rozvrh St 14:00--14:50 F3 cvičení St 15:00--16:50 F3 přednáška

7 Měřítka kvantového světa 19.2.m 2 Brownův pohyb 26.2.m 3
F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr PLÁNOVANÉ PŘEDNÁŠKY m 1 Měřítka kvantového světa 19.2.m 2 Brownův pohyb 26.2.m 3 Langevinova rovnice pro Brownův pohyb 5.3.m 4 Elektronová optika 12. 3.m 5 Synchrotronové záření v kosmu a na Zemi 19. 3.m 6 Neutronová interference 26. 3.m 7 Kvantová interferometrie (II. část) 2. 4.m 8 Jev Bohma a Aharonova 9. 4.m 9 Vibrace v polyatomických molekulách 16. 4.m 10 Molekulové vibrace a skleníkový jev 23. 4.m 11 Inversní linie čpavku: Sláva a pád 30.4. m 12 Fysika nízkých a extrémně nízkých teplot 7. 5.m 13 Studené atomy: BE kondensace 14. 5.m

8 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

9 I. Měřítka kvantového světa
F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr I. Měřítka kvantového světa KOTLÁŘSKÁ 19. ÚNORA 2014

10 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

11 Klasický a kvantový svět vs. makrosvět a mikrosvět

12 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?

13 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? Velmi nepřesně položená otázka, směšuje několik světů a rozhraní

14 Fyzikální svět a přirozený svět

15 Fyzikální svět a přirozený svět

16 Fyzikální svět: tradiční představa
přirozený svět fyzikální svět teorie experiment

17 Fyzikální svět: dnešní skutečnost
přirozený svět fyzikální svět teorie experiment výpočty

18 Fyzikální svět a přirozený svět: problém komunikace
jazyk teorie experiment výpočty

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 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 – vlastně osahat si je
Gerd Binnig ½ NP 1986 za objev STM citací

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

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

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

38 Molekula kyseliny sorbové na povrchu grafitu

39 Povrch krystalu kamenné soli

40 Představa klasické fysiky o hierarchii měřítek
makrosvět FYZIKA 19. STOL. Mikrosvět je zmenšenina makrosvěta planetární model atomu Lorentz-Drudeova teorie je spíše metafora molekulární chaos kvantové úkazy rozlišovací mez prostého oka mesosvět ?? mikrosvět

41 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

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

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

44 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

45 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

46 Kvantování energie v atomu (helia)
Bohrova podmínka dává fotony s určitou energií, čili ostré spektrální linie D3 Uvidíme něco takového: kvantová čísla Celkový spin 0 Celkový spin 1 2-elektronové hladiny

47 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

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

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

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

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

52 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

53 PŘEVZATO Z PŘEDNÁŠKY V. HOLÉHO

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

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

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

57 Technologie 65 nm firmy Intel

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

59 Technologie 65 nm firmy Intel

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

61 Intel 2012: technologie 22 nm (procesor i5 Ivy Bridge)
Technologická bariera: příliš krátká gate – překonána ploutvemi (fins) Ale elektrony se stále chovají jako nabité kuličky

62 Rozmazané rozmezí klasického a kvantového světa
Difrakce velkých molekul: Téměř klasické objekty, součást sazí (soot) ... nebezpečný sub-m prach

63 Pokus A. Zeilingera a spol. s difrakcí fullerenu (1999)

64 Výsledky odpovídají teorii difrakce na mřížce

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

66 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

67 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

68 Atomový obláček

69 Atomový obláček Atomový obláček

70 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 70

71 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.

72 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

73 Kvantová teleportace fotonů
Teleportace je založena na provázanosti (entanglement) vzdálených částí kvantového systému R. Ursin et.al: Quantum Teleportation link across the Danube, Nature 430, 849 (2004)

74

75

76 ZEMĚ NIKOHO MESOSKOPIE

77 PODIVNÝ SEZNAM MY KVANTOVÉ KAPALINY NO-MAN’S LAND MESOSCOPY
KVANTOVÉ PROVÁZÁNÍ

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

79 Planckova konstanta

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

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

82 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 V základních rovnicích Jako převodní koeficient Jako charakteristická mezní veličina

83 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 V základních rovnicích Jako převodní koeficient

84 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 V základních rovnicích Jako převodní koeficient Jako charakteristická mezní veličina

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

86 2. 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 1921 světlo elektrony KOV

87 2. 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 1921 V světlo elektrony KOV Experiment zejména Lenard …. NP 1905 Určení energie elektronu … brzdný potenciál elektronvolt

88 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

89 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

90 3. Planckova konstanta jako hraniční hodnota
Matematické vyjádření Heisenbergova principu

91 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

92 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

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

94 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

95 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

96 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

97 Ionizační energie a poloměry prvků
54

98 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

99 Z Bohrovy práce o atomu vodíku

100 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.

101 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.

102 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

103 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

104 důležité je podívat se na výsledek
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

105 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

106 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

107 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

108 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

109 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

110 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

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

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

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

114 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

115 Fundamentální konstanty, jak je znal Bohr 1913

116 Fundamentální konstanty, jak je znal Bohr 1913
DOPORUČENÉ HODNOTY CODATA 2010 W = (30) eV a = (17) × 10−10 m

117 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

118 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

119 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

120 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

121 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

122 Z Bohrovy práce o atomu vodíku: nezbytnost Planckovy konstanty
... nedostatečnost klasické elektrodynamiky při popisu chování systémů atomárních rozměrů. Ať již změny v pohybových zákonech pro elektrony budou jakékoli, zdá se nezbytné, aby do těchto zákonů byla zavedena veličina cizí klasické elektrodynamice, totiž Planckova konstanta, nebo, jak je často zvána, elementární kvantum akce. Zavedením této veličiny se otázka stabilních konfigurací elektronů v atomech zásadně mění, protože tato konstanta má takový rozměr a takovou velikost, že může, ve spojení s hmotností a nábojem těchto částic, vymezit délku požadovaného řádu velikosti.

123 Atomové přirozené jednotky

124 Atomové přirozené jednotky -- měřítko světa atomů

125 Atomové přirozené jednotky a relativita

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

127 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

128 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

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

130 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.

131 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

132

133 hmotnosti

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

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

136 Dvojlogaritmické měřítko
se zobrazí jako

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

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

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

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

141 a hmotnosti OBLAST ČERNÝCH DĚR HYPERKVANTOVÁ OBLAST Hmotnost M (kg)
kvantová gravitace HYPERKVANTOVÁ OBLAST L (m)

142 a hmotnosti M ~ A u R = r0 A1/3 r0 = 1,2 10-15 m OBLAST ČERNÝCH DĚR
Hmotnost M (kg) kvantová gravitace HYPERKVANTOVÁ OBLAST M ~ A u R = r0 A1/3 r0 = 1,2 m L (m)

143 a hmotnosti M ~ A u R = r0 A1/3 r0 = 1,2 10-15 m OBLAST ČERNÝCH DĚR
Hmotnost M (kg) kvantová gravitace HYPERKVANTOVÁ OBLAST M ~ A u R = r0 A1/3 r0 = 1,2 m L (m)

144 a hmotnosti M ~ A u R = r0 A1/3 r0 = 1,2 10-15 m OBLAST ČERNÝCH DĚR
Hmotnost M (kg) kvantová gravitace HYPERKVANTOVÁ OBLAST M ~ A u R = r0 A1/3 r0 = 1,2 m L (m)

145 a hmotnosti tajemství M ~ A u R = r0 A1/3 r0 = 1,2 10-15 m
OBLAST ČERNÝCH DĚR Hmotnost M (kg) kvantová gravitace tajemství HYPERKVANTOVÁ OBLAST M ~ A u R = r0 A1/3 r0 = 1,2 m L (m)

146 a hmotnosti tajemství M ~ A u R = r0 A1/3 r0 = 1,2 10-15 m
OBLAST ČERNÝCH DĚR Hmotnost M (kg) kvantová gravitace tajemství HYPERKVANTOVÁ OBLAST M ~ A u R = r0 A1/3 r0 = 1,2 m L (m)

147 hustota všech kondensovaných atomárních soustav je stejného řádu
a hmotnosti OBLAST ČERNÝCH DĚR Hmotnost M (kg) kvantová gravitace tajemství hustota všech kondensovaných atomárních soustav je stejného řádu HYPERKVANTOVÁ OBLAST M ~ A u R = r0 A1/3 r0 = 1,2 m L (m)

148 Souhrn, verse Martina Reese


Stáhnout ppt "F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr"

Podobné prezentace


Reklamy Google