Az optika a kvantummechanika előszobája

Átírás

1 Cserti József ELTE, TTK Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék Az optika a kvantummechanika előszobája Atomcsill, november 8., ELTE, Budapest

2 Optika a középiskolában Geometriai optika alapja: --- Vákuumban a fény egyenes vonalban terjed --- Snellius-Descartes-törvény (prizmák, lencsék) Willebrord Snellius Leiden, René Descartes

3 Snellius-Descartes-törvény (prizmák, lencsék): Ezt érdemes megjegyezni! Több törőközeg:

4 Snellius-Descartes-törvény (prizmák, lencsék): Ezt érdemes megjegyezni! Szivárvány (Cserti József: A szivárvány fizikája, Atomcsill, október 26)

5 Lencsetörvény: t k tárgy kép f f A Snellius-Descartes-törvényből levezethető:

6 Newton-féle tükrös teleszkóp (távcső): Egy modern verzió: Hubble-űrteleszkóp (kiküszöbölik a légköri mozgásokat és szennyezéseket)

7 Tükör: Claude Monet kertje vízililiomokkal, Giverny, Franciaország

8 Hullámoptika: Optika a középiskolában kavicsokat dobunk a tóba Hullámok találkozása: interferencia

9 Hullámoptika: Optika a középiskolában Hullámok találkozása: interferencia

10 Young-féle kétréses kísérlet Thomas Young mindentudó: tanulmányozta pl. a látást, a fényt, az energiát, a nyelvet, a fiziológiát (élettan), a zenei harmóniát, az egyiptomi hieroglifákat,...

11 Young-féle kétréses kísérlet ernyő erősítések: x kioltások: k: egész szám az ernyőn a fény intenzítása A rések távolsága összemérhető a fény hullámhosszával! x

12 Interferencia Fresnel-féle kettőstükör: Szines olajfoltok, szappanhártyák, CD disk: be 1 2

13 Radar-interferometria: Etna New Orleans radar-interferometria alkalmazása űrsiklóval Interferometriai rádió-teleszkópok:

14 Mi a fény?

15 Mi a fény? A fény = az elektromágneses tér hulláma

16 Mi a fény? A fény = az elektromágneses tér hulláma Mi írja le az elektromágneses teret?

17 Mi a fény? A fény = az elektromágneses tér hulláma Mi írja le az elektromágneses teret? Maxwell-egyenletek

18 Mi a fény? A fény = az elektromágneses tér hulláma Mi írja le az elektromágneses teret? Maxwell-egyenletek Hullámoptika

19 Mi a fény? A fény = az elektromágneses tér hulláma Mi írja le az elektromágneses teret? Maxwell-egyenletek Hullámoptika közelítés: az amplitúdó lassan változik Geometriai optika

20 Analógia a mechanika és a geometriai optika között töltések forrása elektromos mező detektor Sir William Rowan Hamilton ( ) fényforrás detektor (ernyő)

21 Korábban láttuk Hullámoptika közelítés Geometriai optika

22 Korábban láttuk Hullámoptika közelítés Geometriai optika analógia Mechanika

23 Hullámoptika analógia???????? közelítés Geometriai optika analógia Mechanika

24 Hullámoptika analógia Hullámmechanika közelítés Geometriai optika analógia Mechanika

25 Hullámoptika analógia Kvantummechanika közelítés Geometriai optika analógia Mechanika

26 Hullámoptika analógia Kvantummechanika közelítés közelítés Geometriai optika analógia Mechanika

27 Hullámoptika analógia rögös út Kvantummechanika Schrödinger-egyenlet feketetest sugárzás (1900) Az energia nem folytonos, kvantált: Max Planck ( ) Planck-állandó: Minden mozgó részecskéhez hozzárendelünk egy hullámot, melynek hullámhossza: v: sebesség m: tömeg Louis de Broglie ( ) de Broglie-hullámhossz

28 Kvantummechanika Schrödinger-egyenlet (1926) Schrödinger-egyenlet megoldása: hullámfüggvény Erwin Schrödinger ( ) x A részecske (elektron) megtalálási valószínűsége:

29 Kvantummechanika akcióban (vagy nem) Kétréses kísérlet Trabanttal? Nagyon kicsi a de Broglie-hullámhossza: Az atommag átmérője A rések távolsága sokkal nagyobb a hullámhossznál, e két méret nem összemérhető! m = 1000 kg v = 100 Km/h Nincs interferencia! A klasszikus világunk nem kvantumosan viselkedik!

30 Hullám-részecske dualitás, kísérlet fullerénnel Fullerének (buckyball) Harold Kroto, Robert Curl és Richard Smalley, 1985-ben fedezték fel, 1996-ban kémiai Nobel-díj interferencia minta: ráccsal rács nélkül M. Arndt, O. Nairz, J. Vos-Andreae, C. Keller, G. van der Zouw & A. Zeilinger, Nature 401, 680 (1999).

31 Alagúteffektus Klasszikusan nem tud áthaladni a falon

32 Alagúteffektus x Kvantumosan pl. az elektron át tud haladni a falon x Dávid Gyula: Kvantumkémek az alagútban, Atomcsill, október 22

33 Az alagúteffektus szerepe a mindennapi életünkben Régen így vasaltak

34 Az alagúteffektus szerepe a mindennapi életünkben Ma így vasalnak Ha bedugjuk a villásdugót a konnektorba, akkor az elektron egy potenciálgátat "érez", mert ott van egy oxidréteg meg egy rés, és ezen a potenciálgáton át kell haladnia: ezt az alagúteffektus teszi lehetővé.

35 Alagúteffektus: egy Nobel-díjas alkalmazás, a pásztázó alagútmikroszkóp A minta fölött egy nagyon hegyes tűt mozgatnak, az elektronok alagúteffektussal jutnak át a tű és a minta között. Gerd Binnig és Heinrich Rohrer, 1981 (Nobel díj 1986). Felbontás: nanométer tört része, egyedi atomok és molekulák megfigyelése, és alkalmas egyes atomok mozgatására a felületen.

36 Pásztázó alagútmikroszkóp Atomok mozgatása: Cserti József: A nanofizika új eredményei, Atomcsill, április 27

37 Atomok elhelyezése egy felületen 35 Xenon atom nickel felületen 2,17 K hőmérsékleten IBM Zürich Research Laboratory 1990 (Sasvári László: A kvantumfolyadékok csodái a szuperfolyékony hélium, Atomcsill, március 1)

38 Kvantum karám Cu lapon 48 Fe atom egy R= 7,18 nm sugarú kör mentén a hullámfüggvény mérése M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler. Confinement of electrons to quantum corrals on a metal surface. Science 262, (1993).

39 Kvantum stadion 1995 M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler, E.J. Heller: Waves on a metal surface and quantum corrals. Surface Review and Letters 2, (1995). Cserti József: A Chladni-féle porábráktól a nanofizikáig, KÖMAL, 54. évfolyam (április), oldal (2004)

40 A lyukas dobtól a grafénig

41 A lyukas dobtól a grafénig 2007

42 A lyukas dobtól a grafénig 2007

43 A lyukas dobtól a grafénig 2007

44 Már csak azt kell eldöntenünk: részecske vagyok, vagy hullám?

45 A kvantummechanikáról szólni száz oldalon olyan feladat, mint egy induló vonat ablakából szerelmet vallani. Károlyházi Frigyes: Igaz varázslat "I think I can safely say that nobody understands Quantum Mechanics" Richard P. Feynman