Dvouštěrbinový experiment

Prezentace na téma: "Dvouštěrbinový experiment"— Transkript prezentace:

1 Dvouštěrbinový experiment
Daniel Sýkora Ondřej Cigáník Matěj Petr František Čech Jan Čepila Michal Petráň Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

2 Historie

3 Historie - teoretici Huygens – „Traktát o světle“ (1678)
Světlo je vlnění a každý bod vlnoplochy je zdrojem dalších vlnoploch Newton – „Optika“ (1704) Světlo jsou částice, které se pohybují vysokou rychlostí Christaan Huygens Holandský fyzik publikoval Traktát o světle. Huygens předpokládal, že se světlo šíří v mimořádně pružném prostředí, éteru, konečnou rychlostí. Mechanismus šíření vln se dnes nazývá Huygensův princip. Každý bod vlnoplochy je zdrojem dalších vlnoploch. Newton - tak přišel s vlastní, korpuskulární teorií. Svojí teorii uveřejnil v roce 1704 ve své práci nazvané Optika. Zvažoval zde, že je světlo tvořeno tenkými korpuskulemi (částicemi), které se pohybují vysokou rychlostí. Ve své době vědci uznávali spíše Newtonovu verzi. Thomas Young -Zasloužil se o to britský fyzik Thomas Young. Teprve v roce 1801 se podařilo prokázat, že světlo je vlnění. 3

4 Historie - praxe Youngův experiment (1801) Fotoelektrický jev
Thomas Young Světlo je vlnění Fotoelektrický jev Prvně pozorován Heinrichem Hertzem (1887) Pokus vysvětlen Einsteinem (1905) Elektrony jsou vyzařovány z látky v důsledku absorpce elektromagnetického záření V roce 1801 Thomas Young za pomocí svého experimentu prokázal, že světlo je vlnění. Heinrich Hertz pozoroval fotoelektrický jev – elektrony jsou uvolňovány z kovu, když je ozařován elektromagnetickou vlnou. Einstein pak vysvětlil fotoelektrický jev, když popsal, že je světlo složené z oddělených kvant, nazvaných fotony. Takže světlo se chová jako vlna i částice. Za svůj objev získal Einstein později Nobelovku (1921). Už před Einsteinovým vysvětlením fotoelektrického jevu přišel Max Planck s podobnou myšlenkou, která říkala, že elektromagnetické záření není spojitá vlna, ale že se skládá z malých částí energie, kvant, což jsou fotony, které popsal Einstein. Louis de Broglie formuloval hypotézu, že částice lze popsat vlnovou délkou o velikosti: λ=h/p , kde h je Planckova konstanta a p je hybnost částice. Znamená to, že částici můžeme popsat vlnovými vlastnostmi a naopak. Každá částice se může projevovat jako vlnění. 4

5 Historie - sjednocení Částicově-vlnový dualismus Louis de Broglie
Jakékoliv částici lze za určitých okolností připsat vlnové vlastnosti (vlnovou délku) Planckova konstanta Vlnová délka Hybnost částice

6 Teorie 6

7 Princip

8 Vlnově-částicový dualismus
Elektron prochází dvouštěrbinou a je detekován na stínítku. Pokud je elektron částice, tak by prošel jednou štěrbinou a po několikanásobném opakování by se na stínítku zobrazily dva pruhy odpovídající tvaru dvouštěrbiny. Ale jestliže je elektron vlna, tak by po projití dvouštěrbinou interferovala a vytvořila by interferenční obrazec na stínítku. Podle kvantové mechaniky pokud detekujeme kterou štěrbinou elektron prochází, tak dojde ke zhroucení jeho vlnové funkce a projde pouze jednou štěrbinou jako klasická částice. Ale pokud detekujeme výsledný obrazec na stínítku, tak elektron projde oběma štěrbinami najednou a chová se jako vlna. 8

9 Interference K čemu dochází Podmínky Sčítání a odčítání maxim
„vrchol“ + „vrchol“ = „vysvícený bod“ „Vrchol“ + „údolí“ = „nevysvícený bod“ Podmínky Koherentní vlny Stejná frekvence Stejný směr kmitání Stejná fáze vlny

10 Interferenční oblast Výpočet vzdálenosti maxim ϕ d λ L h
Násobek vlnové délky Rozdíl v „cestě“ světla na stínítko musí být násobek vlnové délky, jinak se nezobrazí maximum. Lambda – vlnová délka, n – řád maxima, d – vzdálenost mezi štěrbinami, L – vzdálenost mezi štěrbinami a středem stínítka, h – vzdálenost mezi maximy Vzdálenost mezi štěrbinami Vzdálenost mezi maximy Vzdálenost mezi štěrbinou a stínítkem 10

11 Výpočty

12 Simulace Simion 8 je software, který vypočítává, navrhuje a simuluje elektromagnetická pole. Tento program používáme k zjištění optimálního napětí na elektrodách a dvouštěrbině. Potřebujeme navrhnout napětí, tak aby na štěrbinu dopadal urychlený a fokusovaný svazek. Na štěrbině potřebujeme nastavit napětí, tak aby se svazek znovu fokusoval přesně na stínítku. K urychlení elektronů použijeme napětí o velikosti 2kV. Na fokusaci napětí 600 V. Na štěrbině použijeme řádově menší, záporné napětí.

13 Simion - screeny

14 Simion - screeny

15 Simion - screeny

16 Experiment Fáze Konstrukce

17 Fáze

18 Konstrukce Zdroj Detektor

19 Aparatura

20 Zdroj elektronů - dělo Elektronové dělo Wolframové vlákno
Jako zdroj nám použil osciloskop ze staré TV, z něhož jsme vzali elektronové dělo a luminoforovou vrstvu na kterou jsme zamířili proud elektronů. Dělo se skládá ze dvou částí – wolframového vlákna, které emituje elektrony a ze tří elektrod. Není důležité jaké napětí přijde na wolframové vlákno, ale záleží na napětí, které použijeme na elektrody. Elektrody připojíme na určité napětí, které jsme si vypočítali, abychom věděli kam máme umístit luminoforové stínítko. Protože potřebujeme, aby elektrony překonaly velkou vzdálenost, tak musíme umístit celou aparaturu do vakuové komory. Ve vakuu je pro elektrony snazší doletět dál, protože nemůžou interagovat s jinými částicemi.

21 Zdroj elektronů - dělo

22 Dělo

23 Dvouštěrbina Problém: Nelze vyrobit mechanicky e Elektrostatická 23

24 Konstrukce dvouštěrbiny
Elektrostatická Dráty izolované v igelitu Izolace Udržení rozestupů Pro zkrácení vzdálenosti mezi štěrbinou a detektorem byla nepárová elektroda posunuta

25 Dvouštěrbina

26 Detektor Obrazovka z osciloskopu Načítání informací
Luminoforová vrstva Načítání informací Webkamera

27 Detektor

28 Rivalita

29 Detektor

30 Závěr Seznámení se základy kvantové teorie Práce s vakuovou aparaturou
Práce v mechanické dílně Práce s programem Simion (simulace chování částic) Hraní si s Merkurem 

31 Děkujeme za pozornost

32 Reference http://utf.mff.cuni.cz/~podolsky/Kvant/Dvoj ster.htm
Wikipedia.org Apra collaboration - Dvojšterbinový Experiment Conceptual Design Report