Print W14 Podst Mech kwan

1

Jak opisać świat w małej skali?

Podstawy mechaniki kwantowej

Czy świat jest realny?

2

Promieniowanie elektromagnetyczne

10-12 ₁₀-10 ₁₀-8_{4 x 10}-7

Gamma

rays X rays Ultraviolet Infrared Microwaves Radio waves

FM Shortwave AM 4 x 10-7 Wavelength in meters 5 x 10-7 _{6 x 10}-7 _{7 x 10}-7 7 x 10-7 ₁₀-4 ₁₀-2 _{1 10}2 104 Visible gamma X ultrafiolet widzialne

podczerwień mikrofale radiowe

3 1 second λ1 ν1 = 4 cycles/second = 4 hertz ν2 = 8 cycles/second = 8 hertz λ2 λ3 ν3 = 16 cycles/second = 16 hertz

mała długość fali duża częstość duża długość fali mała częstość 4 1 second λ1 ν1 = 4 cycles/second = 4 hertz ν2 = 8 cycles/second = 8 hertz λ2 λ3 ν3 = 16 cycles/second = 16 hertz

Promieniowanie elektromagnetyczne

[ ]

s

T

1

1

=

ν

λ− długość fali [m] ν − częstość [1/s] Τ − okres [s]

[ ]

s m

T

c

=

λ

=

λ

⋅

ν

5

Przykład1 Wyznaczenie częstości światła z długości fali

Jaka jest częstość promieniowania podczerwonego stosowanego w dalmierzu (autofocus) aparatu fotograficznego, jeżeli długość fali tego promieniowania wynosi 1.00 µm?

! pamiętając, że λ ⋅ ν = c i przeliczając długość fali na

metry, tak aby c i λ były wyrażone w tych samych jednostkach, długość fali wynosi:

λ = 1.00 µm ⋅

10

-6

= 1.00⋅10

-6

_m

1µm

ν = = 3.00⋅10

3.00⋅10

8

m/s

14 1

_/s

1.00⋅10

-6

_m

3.00⋅10

14

_Hz

Promieniowanie elektromagnetyczne

⇒

=

λ

ν

c

6

1.

Rozkład energii w widmie ciała doskonale

czarnego

2.

Efekt fotoelektryczny

3.

Efekt Comptona

4.

Widma atomowe

5.

Układ okresowy

Fakty eksperymentalne

7

1.

Rozkład energii w widmie ciała doskonale czarnego

ν

h

E

=

Max Planck 1900

s

J

h

=

6

.

626

⋅

10

−34

⋅

kwanty energii http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/applets/Blackbody/frame.html 8

Φ

+

=

2 2 1

_v

e

m

h

ν

Fakty eksperymentalne

2.

Efekt fotoelektryczny

Albert Einstein 1905 _{hν e} m_e– masa elektronu v – prędkość ν – częstość Φ – praca wyjścia bilans energii

9

Kwantowanie można porównać z wlewaniem wody do wiadra. Woda płynie nieprzerwanym strumieniem i wydaje się, że można wlać jej dowolną ilość. Jednak najmniejsza ilość wody, którą można przenieść, to

jedna cząsteczka H₂O. Podobnie wydaje się, że

energia jest przenoszona w sposób ciągły, w rzeczywistości jednak może być przekazywana tylko pewnymi porcjami.

Analogia

10

Przykład 2 Wyznaczenie energii fotonów

Jaka jest energia (w kilodżulach na mol) fotonów światła żółtego o częstości 5.2⋅1014_Hz?

Każdy foton ma energię, która odpowiada częstości światła, zgodnie z równaniem E=hν. Z równania tego należy obliczyć tą energię, a następnie pomnożyć ją przez stałą Avogadra, by wyznaczyć energię na mol fotonów (w kilodżulach na mol 1kJ = 103 _{J, 1Hz = 1/s).}

E = hν = (6.63⋅10

-34

_{J⋅s) ⋅ (5.2⋅10}

14 1

_{/s) = 6.63 ⋅ 5.2 ⋅ 10}

-20

_J

(6.63 ⋅ 5.2 ⋅ 10

-20

_{J) ⋅ (6.022⋅10}

23

_{/mol) ⋅ (1 kJ/10}

3

_{J) = 2.1⋅10}

2

_kJ/mol

11 równanie de Broglie’a

λ

h

p

=

3.

Efekt Comptona

zasada zachowania pędu

p_i p_s θ p_e p_i e s i

p

p

p

ρ

=

ρ

+

ρ

p s i

h

h

h

λ

λ

λ

=

+

λ

θ

λ

cos

=

s i

θ

cos

=

i s

p

p

ρ

ρ

(

θ

)

λ

λ

i

=

e

1

−

cos

12

Przypuśćmy, że elektron w atomie porusza się z prędkością 2.2⋅106_{m/s. Jaka jest długość fali de Broglie’a elektronu?}

Równanie λ = h/mυ podaje zależność między długością fali a masą i prędkością obiektu. Aby z niego skorzystać

musimy znać masę elektronu i wartość h (jednostki: kilogram, metr, sekunda).

(9.109 ⋅ 10

-28

_{g) ⋅}

10

-3

kg

_{= 9.109 ⋅ 10}

-31

_kg

1g

6.63⋅10

-34

_J⋅s

(9.109⋅10

-31

kg) ⋅ (2.2⋅10

6

_m/s)

λ = = 3.3 ⋅ 10

-10

_m

1J = 1kg ⋅ m

2

_/s

2

_{; 330 pm}

Przykład 2 Obliczenie długości fali obiektu

13

Jaką masę mają fotony pochodzące ze światła o długości fali 500 nm?

Równanie mυ= h/λ podaje zależność między masą i prędkością obiektu a długością fali.

m

_e

=9

⋅

10

-31

_kg

Przykład 3 Obliczenie masy fotonu

Fakty eksperymentalne

kg

s

m

m

Js

m

c

h

m

f f 37 8 7 -34

-10

4

10

3

10

5

10

6.63

₌

_⋅

−

⋅

⋅

⋅

⋅

=

⋅

=

λ

14 07_97 Prism Slit Continuous spectrum Electric arc (white light source) (a) Prism Slit Detector (photographic plate) Hydrogen gas (b) High voltage 410 nm434 nm 486 nm 656 nm Detector (photographic plate) Arc VI BGYOR + -+

-Fakty eksperymentalne

4.

Widma atomowe

2

1

2

1

1

2 2



>











₋

=

n

n

R

_o

λ

15

5.

Układ okresowy

02_29 1 H 3 Li 11 Na 19 K 37 Rb 55 Cs 87 Fr 4 Be 12 Mg 20 Ca 38 Sr 56 Ba 88 Ra 21 Sc 39 Y 57 La* 89 Ac† 22 Ti 40 Zr 72 Hf 104 Unq 23 V 41 Nb 73 Ta 105 Unp 24 Cr 42 Mo 74 W 106 Unh 25 Mn 43 Tc 75 Re 107 Uns 26 Fe 44 Ru 76 Os 108 Uno 27 Co 45 Rh 77 Ir 109 UneUun110 Uuu111

28 Ni 46 Pd 78 Pt 29 Cu 47 Ag 79 Au 30 Zn 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 48 Cd 80 Hg 31 Ga 49 In 81 Tl 5 B 13 Al 32 Ge 50 Sn 82 Pb 6 C 14 Si 33 As 51 Sb 83 Bi 7 N 15 P 34 Se 52 Te 84 Po 8 O 16 S 9 F 17 Cl 35 Br 53 I 85 At 10 Ne 18 Ar 36 Kr 54 Xe 86 Rn 2 He 58 Ce 90 Th 59 Pr 91 Pa 60 Nd 92 U 61 Pm 93 Np 62 Sm 94 Pu 63 Eu 95 Am 64 Gd 96 Cm 65 Tb 97 Bk 66 Dy 98 Cf 67 Ho 99 Es 68 Er 100 Fm 69 Tm 101 Md 70 Yb 102 No 71 Lu 103 Lr 1A 2A Transition metals 3A 4A 5A 6A 7A 8A 1 2 13 14 15 16 17 18 A lka li m et a ls Alkaline

earth metals Halogens

Noble gases *Lanthanides † Actinides 16 !dyfrakcja !interferencja !dyfrakcja !interferencja falowe !promieniowanie katodowe !promieniowanie beta

!ciało doskonale czarne

!efekt Comptona !efekt fotoelektryczny korpuskularne elektrony światło własności

Dualizm korpuskularno-falowy

http://www.kutl.kyushu-u.ac.jp/seminar/MicroWorld1_E Przykład: proces fotograficzny

17

dyfrakcja elektronów

18

Pd-Cs cathode

Źródło pojedynczych elektronów

19

Zgodnie z relacją de Broglie’a cząstka o określonej prędkości jest falą, której długość określa równanie:

e e e

m

h

υ

λ

⋅

=

Gdzie zatem znajduje się elektron?

Fala rozciąga się w przestrzeni, jest wszędzie. Jednak elektrony są jednocześnie falą i materią Zasada nieoznaczoności Heisenberga

Elektrony

20

Zasada nieoznaczoności Heisenberga

"

jeżeli znamy prędkość cząstki, to nie możemy określić jej

położenia.

"

gdy znamy położenie cząstki, wówczas nie wiemy nic o jej

prędkości.

tzn. znając położenie cząsteczki, nie możemy opisać jej jako fali o określonej długości

h

p

x

⋅

∆

≥

∆

Czy są sytuacje, że zasada nieoznaczoności nie działa?

Dualizm korpuskularno-falowy

#zjawiska makroskopowe, gdy falowe właściwości materii nie odgrywają

21

energia

masa

pęd

h

h

--stała Plancka = 6.62 stała Plancka = 6.62 ..₁₀₁₀--3434_JJ.._ss

ν

ν

––częstość, sczęstość, s--11

λ

λ

--długość fali, mdługość fali, m

c

c

––prędkość światła 3prędkość światła 3..₁₀₁₀88_{m/s m/s}

λ

ν

h

c

h

p

_f

=

=

ν

h

E

_f

=

2

c

h

m

_f

=

ν

Fotony

Dualizm korpuskularno-falowy

22

Mechanika kwantowa

Podstawy

1.

Kwantowanie energii

interpretacja efektu fotoelektrycznego i rozkładu widma ciała

doskonale czarnego

ν

h

E

=

2.

Dualizm korpuskularno-falowy

każda poruszająca się cząstka (foton, elektron) emituje falę o

długości:

p

h

=

λ

3.

Zasada nieoznaczoności

nie można dokładnie ustalić położenia i pędu cząstki

h

p

x

⋅

∆

≥

23

Podstawy

4.

Gęstość prawdopodobieństwa

można natomiast ustalić prawdopodobieństwo P

przebywania cząstki w określonej objętości dV.

Prawdopodobieństwo w danej objętości definiujemy jako

gęstość prawdopodobieństwa Ψ

2

_:

dV

P

=

2

ψ

5.

Równanie Schrödingera

funkcję Ψ znajdujemy rozwiązując równanie różniczkowe:

ψ

ψ

E

H

ˆ

=

gdzie Ψ oznacza funkcję falową.

24

Co to jest funkcja falowa?

Mechanika kwantowa

x y z P – prawdopodobieństwo Ψ– funkcja falowa ρ – gęstość prawdopodobieństwa

)

,

,

(

)

,

,

,

(

x

y

z

t

x

y

z

dV

P

_ρ

_ρ

ρ

=

=

≈

Definicje

Istnieje taka funkcja, że

1

2 2

=

=

∫

ψ

ρ

ψ

25

Definicje

Co to jest operator w matematyce?

dowolna operacja matematyczna, jak na przykład:

sin

dx

d

×

+

f

g

f

G

ˆ

=

⋅

Co to jest zagadnienie własne?

jeżeli w wyniku działania jakiegoś operatora G na funkcję f

otrzymamy tą samą funkcję przemnożoną przez liczbę g:

wówczas liczbę g nazywamy wartością własną operatora G

^ ^

Mechanika kwantowa

26

Definicje

ax ax

Ae

a

Ae

dx

d

−

₌

2

_⋅

− 2 2

Co to jest zagadnienie własne?

Przykład

można policzyć, że podwójne różniczkowanie funkcji:

daje:

gdzie:

ax

Ae

f

=

−

G

dx

d

_ˆ

2 2

jest operatorem i a2_{jest wartością własną}

27

V

T

H

ˆ

=

ˆ

+

ˆ

Równanie Schrödingera

ψ

ψ

E

H

ˆ

=

− − − ψ E

Hˆ operator różniczkowy Hamiltona

energia funkcja falowa m – masa cząstki h – stała Plancka zasada zachowania energii













₊

₊

−

2 2₂ 2₂ 2₂

2

dz

d

dy

d

dx

d

m

h

r

e

Z

0 2

4

πε

⋅

−

Z – ładunek jądra E – ładunek elektronu przyciąganie Coulombowskie jądro-elektron

energia kinetyczna elektronu

ε0– stała dielektryczna próżni

r – promień operator energii potencjalnej operator energii kinetycznej

28

Równanie Schrödingera

2 2 2

2

ˆ

dx

d

m

h

H

=

−

jeżeli cząstka porusza się w jednym wymiarze x to operator Hamiltona ma postać w stanie nieważkości:













+

+

−

=

2 2₂ 2₂ 2₂

2

ˆ

dz

d

dy

d

dx

d

m

h

H

a w trzech wymiarach x, y, z: m – masa cząstki h – stała Plancka

Mechanika kwantowa

29

Równanie Schrödingera

Rozwiązując równanie Schrödingera otrzymuje się funkcje

falowe i odpowiadające im wartości energii E. O poprawności

rozwiązania świadczy jego zgodność z wartościami E

wyznaczonymi doświadczalnie.

Mechanika kwantowa

30

Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym)

x x=0 x=L

)

(

)

(

2

2 2 2

x

E

x

dx

d

m

h

_ψ

₌

_ψ

−

równanie Schrödingera ma postać:

31

)

Ψ(

Ψ

2

2 2 2

x

E

dx

d

m

h

=

−

E

–energia cząstki

A, B

– stałe całkowania

kx

B

kx

A

x

)

sin

cos

Ψ(

=

+

Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym)

rozwiązanie równania ma postać ogólną:

gdzie

π

2

h

=

η

2 1

)

2

(

η

mE

k

=

i 32

Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym)

Uwzględniając warunki brzegowe cząstki w pudle dla:

x=0 to

Ψ

=0

i

x=L to

Ψ

=0

bo cząstka nie przebywa na ściankach pudła. Podstawiając x=0 do równania ogólnego otrzymamy:

Ψ

(x=0)=Asin (k

⋅

0)+Bcos(k

⋅

0)=0

zauważmy, że:

sinkx=0 i coskx=1

wówczas

B=0

Podstawiając x=L do równania ogólnego otrzymamy:

Ψ

(x=L)=Asin (k

⋅

L)=0

wówczas

A=0 lub sin (k

⋅

L)=0

jednak A=0 wykluczamy, bo cząstka istnieje (Y(x)= 0 dla 0 < x< L)

Mechanika kwantowa

33

Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym)

Zatem dalej:

sin (k

⋅

L)=0

wtedy i tylko wtedy, gdy

k=n

⋅π

i n

jest liczbą naturalną

Podstawmy do wzoru na

k

Z tego otrzymamy wzór na energię E

π 2π 3π

...

2

,

1

)

2

(

2 1

=

=

=

mE

n

n

k

π

η

...

2

1

8

2 2 2

,

n

mL

h

n

E

=

=

Energia cząstki jest kwantowana, a jej wartość zależy od liczby kwantowej

n

Mechanika kwantowa

34

Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym)

...

2

1

8

2 2 2

,

n

mL

h

n

E

=

=

Mechanika kwantowa

1 2 3 4 5 1 4 9 16 25 n n2 E

poziomy energetyczne cząstki

0

energia

35 dla stanu podstawowego

dla stanu podstawowego n= 1

dla stanu wzbudzonego n> 1

można wykazać, że z warunku

określający funkcję własną dla n-tego poziomu energetycznego

∫

L

Ψ

x

dx

=

0 2

₍

₎

₁

L

x

n

L

x

n

π

sin

2

)

(

2 1













=

Ψ

Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym)

funkcja falowa

36

Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym)

Mechanika kwantowa

funkcja falowa i energia

L

x

n

L

x

n

π

sin

2

)

(

2 1













=

Ψ

2 2 2

8mL

h

n

E

=

1 2 3 1 4 9 n n2 E 0 ψ

37

Cząstka w pudle potencjału (jednowymiarowym)

Mechanika kwantowa

funkcja falowa

L

x

n

L

x

n

π

sin

2

)

(

2 1













=

Ψ

2 2 2

8mL

h

n

E

=

2 2

sin

2

)

(













=

Ψ

L

x

n

L

x

n

π

gęstość prawdopodobieństwa i energia ψ x=0 x=L 1 2 3 1 4 9 n n2 E 0 ψ2