Fysik TFYA68 Föreläsning 9/15 Ingår ej i 9FY321! 1 Kvantmekanik och Materialuppbyggnad • koncept • enklare uppgifter University Physics: Kapitel 38-39 Översikt och breddningskurs 2 Introduktion Kvantmekanik - hur naturen beter sig på mikroskopisk nivå Schrödingerekvationen vågfunktionsbeskrivning låg v (r, t) ~ 2 Våg-partikel dualism v nära c mikro icke-relativistisk KM relativistisk KM makro klassisk fysik relativistisk mekanik Heisenbergs osäkerhetsprincip x p →Sannolikheter - ljus som fotoner - elektroner, protoner som vågor Atomen: olika modeller Solida material Elektronik 3 Varför kvantmekanik? “The more important fundamental laws and facts of physical science have all been discovered, and these are so firmly established that the possibility of their ever being supplanted in consequence of new discoveries is exceedingly remote” - A.A. Michelson (1903) Svartkroppsstrålning UV katastrofen UP 39.5 Makroskopisk Mikroskopisk Klassisk fysik Kvantmekanik partiklar eller vågor våg-partikel dualitet ljus - kontinuerlig energi fotoner - energikvanta determinism (bestämbarhet) sannolikheter vågpaket Newtonmekanik 4 Spektrum Emissionsspektrum för väte: Emissionsspektrum för järn: Absorptionsspektra ger samma linjer! 1 nm = 10-9 m = 10 Ångström [Å] jmf UP 39.3 rättelse 5 Den fotoelektriska effekten frekvens intensitet Albert Einstein (1879 - 1955) Fotoelektrisk effekt: Vågbeskrivning ljusets frekvens svag ljusintensitet stopppotential f oberoende tidsfördröjning f oberoende Experiment f beroende ingen fördröjning f beroende ljus som partiklar: fotoner, ljuskvanta 6 • Nobelpris 1921 • “mirakelår” 1905 jmf UP 38.1! Ljus som partiklar, fotoner f Fotonens energi: E = hf = ~! = hc frekvens [hertz = Hz = s-1] f= = 4, 136 ⇥ 10 för EM-våg i vakuum våglängd [m] Plancks konstant h ⇡ 6, 626 ⇥ 10 c 34 15 större våglängd c ⇡ 2, 998 ⇥ 108 m/s ljusets hastighet J·s eV · s h ~= 2⇡ “h streck” f != 2⇡ vinkelhastighet → lägre frekvens f → lägre energi E • OBS: fotonen har ingen vilomassa! • En ljusstråle kan beskrivas som små energipaket, fotoner eller ljuskvanta • Vidareutveckling från Plancks idé för att förklara svartkroppsstrålning 7 Vågbeteende för EM-vågor (ljus) Spalt, punktkällor Interferensmönster Kort om vågors beteende →Återkommer till detta i kursen (Lab 2) 8 de Broglie våglängd Idé: naturen är symmetrisk, också andra partiklar än fotonen borde omfattas av våg-partikel dualism Beskrivning av fria partiklar som vågor → de Broglie våglängd: h h = = p mv Louis de Broglie (1892 - 1987) (v << c) • Nobelpris 1929 Partikelns energi: E = hf = ~! = hv ej större större rörelsemängdsmoment → kortare våglängd 9 Dubbelspalt experiment: elektroner Utför dubbelspalt experiment för elektroner (a) - (e) → Samma beteende som för ljusvågor! “Klassiska” partiklar → inget diffraktionsmönster! Även en ensam partikel har vågbeteende! Komplementaritetsprincipen: Våg- och partikelbeskrivning kompletterar varandra, båda behövs Niels Bohr (1928) UP 39.6 10 Heisenbergs osäkerhetsprincip För position, x, och rörelsemängdsmoment, p: x· p ~ 2 För tid och energi: t· E a osäkerheten i a ~ 2 Werner Heisenberg (1901 - 1976) • Nobelpris 1932 Positionen bestämd: x=0 p? Rörelsemängden bestämd: p=0 x? 11 Olika atommodeller + laddningsdistribution (okänd substans) J.J. Thomsons “pudding”-modell av atomen: − elektroner (1897 J.J.T.) Ex. e/me FÖ7 Experiment av E. Rutherford 10 m atom: ⇠ 10 alpha-partiklar He2+ mot guldfolie: Rutherfords modell med + atomkärna: m↵ ⇡ 7300 me förväntat resultat verklig observation ~ punktladdning! 12 kärnan: ⇠ 10 0.9995 · mat 14 m Bohrs atommodell (väte) Förklarar utseendet för: absorptions- och emissionsspektra Atomen har diskreta energisteg Fotonens energi: inga mellannivåer! hf = hc Niels Bohr (1885 - 1962) = Ei initial Halvklassisk modell: Ef final • de Broglie våglängd • (klassisk) partikel 13 • Nobelpris 1922 Bohrs atommodell (väte) Huvudkvanttal: n = 1, 2, 3, . . . m E = hf elektronens massa n 2 h2 rn = ✏ 0 ⇡me2 1 e2 vn = ✏0 2nh h2 a0 = ✏ 0 ⇡me2 a0 ⇡ 5, 29 ⇥ 10 • Transitioner endast mellan nivåer • Absorption/emission av foton Bohrradie 11 Endast hela våglängder se Fig. 39.22 UP m 14 Bohrs atommodell (väte) Problem! Bohrs atommodell ≈ väteliknande atomer jmf Heisenbergs osäkerhetsprincip! Antag våg i xy-planet → z pz = 0 Men Heisenbergs osäkerhetsprincip ger: z pz modellen ej rätt per definition Istället: vågbeskrivning av partiklar, Schrödingerekvationen: ~2 @ (x, t) @ (x, t) = i~ 2 2m @x @t 15 ~ 2 (r, t) mha 2 Sannolikheter → | (r, t)|