Stáhnout prezentaci
Prezentace se nahrává, počkejte prosím
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 21028 1.47 K Na trap 23 21020 1.19 K Rb trap 87 21017 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)
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 energiečas=akce=délka hybnost=moment hybnosti Planck původně zavedl dnes již známo s velkou přesností
81
Planckova konstanta hodně malé číslo
rozměr energiečas=akce=délka hybnost=moment hybnosti Planck původně zavedl dnes již známo s velkou přesností
82
Planckova konstanta hodně malé číslo
rozměr energiečas=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 energiečas=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 energiečas=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 energiečas=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= 9.1110-31 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= 9.1110-31 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: (cG ) schéma
V atomové fysice jsou jádra neměnná tělíska (téměř). Působí dvě universální interakce: gravitační a elektromagnetická Podmínky jejich působení lze znázornit v (cG ) 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 c1 QM Newton
129
Hlubší pohled na Planckovu volbu: (cG ) schéma
OTR TOE STR c1 QM QFT 3 + 1 prostoro-čas Newton
130
Hlubší pohled na Planckovu volbu: (cG ) schéma
OTR TOE STR c1 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
133
hmotnosti
134
a hmotnosti Hmotnost M (kg) L (m)
135
a hmotnosti E=mc2 Hmotnost M (kg) E=2f 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
Podobné prezentace
© 2024 SlidePlayer.cz Inc.
All rights reserved.