AZ ELEKTRON MÁGNESES MOMENTUMA. H mágneses erœtérben az m mágneses dipólmomentummal jellemzett testre M = m H forgatónyomaték hat.

Hasonló dokumentumok
A spin. November 28, 2006

Fizikai mennyiségek, állapotok

Stern Gerlach kísérlet. Készítette: Kiss Éva

Azonos és egymással nem kölcsönható részecskékből álló kvantumos rendszer makrókanónikus sokaságban.


Radiokémia vegyész MSc radiokémia szakirány Kónya József, M. Nagy Noémi: Izotópia I és II. Debreceni Egyetemi Kiadó, 2007, 2008.

Idegen atomok hatása a grafén vezet képességére

Fermi Dirac statisztika elemei

a Bohr-féle atommodell (1913) Niels Hendrik David Bohr ( )

Elektrodinamika. Maxwell egyenletek: Kontinuitási egyenlet: div n v =0. div E =4 div B =0. rot E = rot B=

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

Magszerkezet modellek. Folyadékcsepp modell

Atomok és molekulák elektronszerkezete

January 16, ψ( r, t) ψ( r, t) = 1 (1) ( ψ ( r,

Közös minimum kérdések és Vizsgatételek a Fizika III tárgyhoz

Kvantummechanika gyakorlat Beadandó feladatsor Határid : 4. heti gyakorlatok eleje

2015/16/1 Kvantummechanika B 2.ZH

az Aharonov-Bohm effektus a vektorpotenciál problémája E = - 1/c A/ t - φ és B = x A csak egy mértéktranszformáció erejéig meghatározott nincs fizikai

Szilárdtestek mágnessége. Mágnesesen rendezett szilárdtestek

A kvantummechanikai atommodell

A H + 2. molekulaion1. molekulaion, ami két azonos atommagból (protonok) és egyetlen elektronból. A legegyszer bb molekula a H + 2 áll.

Szilárdtestek el e ek e tr t o r n o s n zer e k r ez e et e e t

A s r ségfunkcionál elmélet (Density Functional Theory)

Atommodellek. Az atom szerkezete. Atommodellek. Atommodellek. Atommodellek, A Rutherford-kísérlet. Atommodellek

A kvantumszámok jelentése: A szokásos tárgyalás a pályák alakját vizsgálja, ld. majd azt is; de a lényeg: fizikai mennyiségeket határoznak meg.

Kifejtendő kérdések június 13. Gyakorló feladatok

Bevezetés a részecske fizikába

Elektronok, atomok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Slide 1 of 60

Szilárdtestek sávelmélete. Sávelmélet a szabadelektron-modell alapján

Alkalmazott spektroszkópia

Fizikai kémia (4): Elméleti kémia (emelt szint) kv1c1lm1e/1 vázlat

A Relativisztikus kvantummechanika alapjai

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (e) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: december 3. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Kvantummechanika. - dióhéjban - Kasza Gábor július 5. - Berze TÖK

A TételWiki wikiből. c n Ψ n. Ψ = n

Az elektromágneses hullámok

A SZILÁRDTEST FOGALMA. Szilárdtest: makroszkópikus, szilárd, rendezett anyagdarab. molekula klaszter szilárdtest > σ λ : rel.

13. Molekulamodellezés

Bevezet fejezetek a molekulák. elektronszerkezetének elméleti leírásába. Jegyzet. Bogár Ferenc

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

WOLFGANG PAULI ÉS AZ ANYAGTUDOMÁNY KROÓ NORBERT MAGYAR TUDOMÁNYOS AKADÉMIA ÓBUDAI EGYETEM,

Kvantummechanikai alapok I.

Fizikai kémia (4): Elméleti kémia (emelt szint) kv1c1lm1e/1 vázlat

Két 1/2-es spinből álló rendszer teljes spinje (spinek összeadása)

Fizikai kémia Részecskék mágneses térben, ESR spektroszkópia. Részecskék mágneses térben. Részecskék mágneses térben

Elektronok, atomok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Slide 1 of 60

Mágneses monopólusok?

Kétállapotú spin idbeli változása mágneses mezben

SCHRÖDINGER-EGYENLET SCHRÖDINGER-EGYENLET

1 A kvantummechanika posztulátumai

Elektronok, atomok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Dia 1/61

A Maxwellegyenletek. Elektromágneses térjellemz k: E( r, t) és H( r, t) térer sségek, D( r, t) elektromos eltolás és B( r, t) mágneses indukció.

Fizika II minimumkérdések. A zárójelben lévő értékeket nem kötelező memorizálni, azok csak tájékoztató jellegűek.

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (a) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 15. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Foton-visszhang alapú optikai kvantum-memóriák: koherens kontroll optikailag sűrű közegben

Explicit hibabecslés Maxwell-egyenletek numerikus megoldásához

Geometriai és hullámoptika. Utolsó módosítás: május 10..

Monte Carlo módszerek a statisztikus fizikában. Az Ising modell. 8. előadás

Véletlen mátrix extrém-érték statisztika: Tracy-Widom eloszlás

kv2n1p18 Kvantumkémia

Wolfgang Ernst Pauli életútja. Gáti József

F1404 ATOMMAG- és RÉSZECSKEFIZIKA

Van-e a vákuumnak energiája? A Casimir effektus és azon túl

Úton az elemi részecskék felé. Atommag és részecskefizika 2. előadás február 16.

Fizikai kémia (4): Elméleti kémia (kv1c1lm1/1) Elméleti Kémia I. (kv1c1lm1/1, kv31n1lm1/1) Vázlat

Átmenetifém-komplexek mágneses momentuma

Fizika M1, BME, gépészmérnök szak, szi félév (v6)

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

Ψ - 1/v 2 2 Ψ/ t 2 = 0

Az atomhéj (atommag körüli elektronok) fizikáját a kvantumfizika írja le teljes körűen.

MSC ELMÉLETI FIZIKA SZIGORLAT TÉTELEK. A-01. Tétel A KLASSZIKUS FIZIKA ÉS A NEMRELATIVISZTIKUS KVANTUMMECHANIKA ALAPEGYENLETEI.

Atomok, elektronok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Dia 1/61

Fizikai kémia (4): Elméleti kémia (kv1c1lm1/1) Elméleti Kémia I. (kv1c1lm1/1, kv31n1lm1/1) Vázlat

A kvantummechanika filozófiai problémái

A kémiai kötés eredete; viriál tétel 1

Thomson-modell (puding-modell)

SÍKBELI KERINGŐMOZGÁS SÍKBELI KERINGŐMOZGÁS

Atom- és molekulafizika jegyzet vázlat:

Hőmérsékleti sugárzás és színképelemzés

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Az időtől független Schrödinger-egyenlet (energia sajátértékegyenlet), A Laplace operátor derékszögű koordinátarendszerben

Sinkovicz Péter, Szirmai Gergely október 30

Erős terek leírása a Wigner-formalizmussal

Mágneses momentum, mágneses szuszceptibilitás

alapvető tulajdonságai

Lagrange egyenletek. Úgy a virtuális munka mint a D Alembert-elv gyakorlati alkalmazását

1.9. B - SPLINEOK B - SPLINEOK EGZISZTENCIÁJA. numerikus analízis ii. 34. [ a, b] - n legfeljebb n darab gyöke lehet. = r (m 1) n = r m + n 1

indeterminizmus a fizikában

Molekuláris dinamika. 10. előadás

Klasszikus és kvantum fizika

Bevezet fejezetek a molekulák. elektronszerkezetének elméleti leírásába. Jegyzet. Bogár Ferenc

Fizika 2 - Gyakorló feladatok

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Pósfay Péter. arxiv: [hep-th] Eur. Phys. J. C (2015) 75: 2 PoS(EPS-HEP2015)369

Bevezetés a görbe vonalú geometriába

Az impulzusnyomatékok általános elmélete

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (b) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 9. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

Átírás:

AZ ELEKTRON MÁGNESES MOMENTUMA Mágneses dipólmomentum: m H mágneses erœtérben az m mágneses dipólmomentummal jellemzett testre M = m H forgatónyomaték hat. M = m H sinϕ (Elektromos töltés, q: monopólus jellegı elektromos mennyiség; E elektromos erœtérben a q elektromos töltéssel jellemzett testre F = qe erœ hat.) A testek mágnessége a bennük található elemi köráramok következménye, u.i. az M forgatónyomaték M = IA B = IAµ 0 Hsin ϕ tehát: m = µ 0 IA Az elektron pályamomentuma: az elektronpályához a klasszikus fizika szerint tartozó elemi köráram: I = e T = eω 2π = ev 2πr, így m = µ 0e v 2π r r 2 π = µ 0e m 2m e rv, azaz: e m = µ 0e 2m e L A kvantummechanika szerint L = h l( l +1), L z = hm l, tehát m = µ 0eh l( l + 1) = µ 2m B l( l +1) ; m z = µ B m l e lenne, ahol µ B = µ 0eh 2m e az un. Bohr-magneton.

Problémák: 1. Zeeman-effektus. Legyen a B tér a z iránnyal. Ekkor a mágneses tér leírható a V = mb µ 0, potenciállal, és a Schrödinger-egyenlet: 1 e 2 2m e 4πε 0 r B µ 0eh ˆ L µ 0 2m e ϕ = Eϕ \ / \/ ha B kicsi: h2 ˆ H 0 + e B h 2m e j Φ ϕ nlm = ( E n + E m )ϕ nlm E m = eh B m 2m l felhasadás azonos n,l különböz m l értékei között. e Az elektron pl. az m l = -1 mágneses kvantumszámú pályáról felgerjeszthetœ az m l = 1 pályára mikrohullámú sugárzással, ha hω = 2 E 1 Zeeman-effektus. Az l=0 (s-típusú) pályák esetén m l = 0, tehát nem lehetséges Zeeman-felhasadás, Zeeman azonban ilyent is megfigyelt.

2. Stern-Gerlach kísérlet: É Ag D Atomok inhomogén mágneses térben: az erœ F = (mh), azaz az eltérítés m-tœl függ. Mivel az Ag atom elektronkonfigurációja 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s1 a páratlan elektron mágneses momentuma 0, így nincs eltérítés! a kísérlet szerint azonban az atomok kétfelé térülnek el!! Következmény: az elektronoknak l = 0 és m l = 0 mellett is van mágneses momentuma a mérések szerint vagy µ B vagy -µ B. Kérdés: tartozik-e impulzusmomentum ehhez a mágneses momentumhoz? Einstein - De Haas kísérlet 2ϕ 1 2ϕ 2 I I Fe m Fe M = D * ϕ m = m m = 2 m m'

M -bœl és t-bœl az impulzusmomentum meghatározható és ennek alapján: Az elektron saját momentuma: Az elektron rendelkezik pályamozgástól független saját impulzusmomentummal, un. spinnel, aminek z-komponense S z = ± h 2 m z = 2µ B S z. Így: és a hozzátartozó mágneses momentum: A spin úgy viselkedik mint a pályamomentum: [ S ˆ, S ˆ i j ] = jhs ˆ S k ˆ 2, S ˆ i [ ] = 0 i, j,k = x, y, z ( ) de mivel nem vezethetœ vissza keringésre [ S ˆ, r ˆ ] = 0 [ S ˆ, p ˆ ] = 0 ψ ( r,t,s) = ψ ( r,t)σ( s) Az S ˆ z σ( s) = hsσ( s) sajátértékegyenletnek csak két megoldása lehet, s = ± 1/2 sajátértékek mellett. Legyen: S ˆ z α = h 2 α és S ˆ z β = h 2 β ahhoz, hogy a felcserélési relációk teljesüljenek, kell, hogy: ˆ S x α = h 2 β ˆ S x β = h 2 α ˆ S y α = h 2 jβ ˆ S y β = h 2 jα amibœl ˆ S 2 α = 3h2 4 α ˆ S 2 β = 3h2 4 β, tehát S = 3 h 2 S z = ± h 2

A pályamomentumból és a spinbœl eredœ mágneses momentumok kölcsönhatnak: ez a spin-pálya kölcsönhatás, ami a degenerált atomi pályák (kis) felhasadásához vezet. SOK-ELEKTRONOS RENDSZEREK Az elektron "hullámtermészete" miatt nincs értelme egy sok elektront tartalmazó rendszerben megkülönböztetni az egyes elektronokat. A rendszert egyetlen Ψ = Ψ( r 1, r 2,Kr N, t) reguláris függvénnyel kell leírni. Mivel az elektronok azonosak, Ψ( K,r i,kr j,kt) 2 = Ψ( K, r j,kr i,kt) 2. Itt: r i = ( r i,s i ), és Ψ r 1, r 2,Kr N ( ) 2 dr 1 dr 2 Kdr N = N. 6. Posztulátum: Azonos, N számú részecskébœl álló rendszer leírható egyetlen, N (hely/spin) változós reguláris függvénnyel, a- mely két részecske hely/spin koordinátáinak felcserélésére vagy szimmetrikus vagy antiszimmetrikus. Pauli elv: 7. Posztulátum: Feles spinı azonos részecskékbœl álló rendszer állapotfüggvénye két részecske hely/spin koordinátáinak felcserélésére csak antiszimmetrikus lehet!

A FÜGGETLEN RÉSZECSKE KÖZELÍTÉS Tekintsünk egy két-elektronos rendszert, pl. a He atomot: ˆ H = h2 2m 1 h2 2m 2 2e 4πε 0 1 r 1 = ˆ T 1 + ˆ T 2 + ˆ V 1 + ˆ V 2 + ˆ V 12 2e 1 + 4πε 0 r 2 e 1 = 4πε 0 r 12 ElsŒ közelítésben tekintsünk el az elektronok kölcsönhatásától, azaz feltételezzük, hogy függetlenek! H ˆ 0 = ( T ˆ 1 + V ˆ 1 )+ ( T ˆ 2 + V ˆ 2 ) = H ˆ 1 + H ˆ 2 Általában: ha ˆ H 1 ϕ 1 = Eϕ 1 és ˆ H 2 ϕ 2 = Eϕ 2 akkor Φ 0 ( 1,2) = ϕ 1 ( 1)ϕ 2 ( 2) és E 0 = 2E (r 1 1) u.i.: ( H ˆ + H ˆ 1 2 )ϕ 1 ( 1)ϕ 2 ( 2) = = ( H ˆ 1 ϕ 1 )ϕ 2 + ϕ 1 ( H ˆ 2 ϕ 2 ) = ( Eϕ 1 )ϕ 2 + ϕ 1 Eϕ 2 ha ˆ H = = 2Eϕ 1 ϕ 2 H ˆ i és H ˆ i ϕ i = Eϕ i i akkor ( ) = Φ( 1KN ) = ϕ 1 ( 1)ϕ 2 ( 2)Lϕ N ( N) és E tot = NE

A részecskék megkülönböztethetetlenségét kimondó 6. posztulátum szerint azonban, pl. a He atomban ϕ 1 ( 1)ϕ 1 ( 2), ϕ 1 ( 1)ϕ 2 ( 2), ϕ 2 ( 1)ϕ 1 ( 2), ϕ 2 ( 1)ϕ 2 ( 2) egyformán lehetséges! Több speciális megoldásból az általános megoldás: Φ( 1,2) = = c 11 ϕ 1 ( 1)ϕ 1 ( 2) + c 12 ϕ 1 ( 1)ϕ 2 ( 2) + c 21 ϕ 2 ( 1)ϕ 1 ( 2) + c 22 ϕ 2 ( 1)ϕ 2 ( 2) ahol a c ij együtthatók négyzetei az egyes megoldások relatív valószínıségét adják. A 7. posztulátum szerint azonban: Φ( 1,2) = Φ( 2,1). Ez csak akkor lehetséges (és a megoldás akkor normált), ha: c 11 = 0, c 22 = 0, c 12 = 1 2, c 21 = 1 2 Azaz, c 2 2 11 = 0, c 22 = 0 PAULI elv: két részecske nem lehet azonos kvantumállapotban! A 7. posztulátum ennek általánosabb, a független részecske közelítésen túlmenœ megfogalmazása! 1 A megoldás tehát: [ 2 ϕ 1( 1)ϕ 2 ( 2) ϕ 2 ( 1)ϕ 1 ( 2) ], vagy általában a független részecske közelítés: Φ( 1KN ) = 1 N ϕ 1 ( 1) ϕ 2 ( 1) L ϕ N ( 1) ϕ 1 ( 2) ϕ 2 ( 2) L ϕ N ( 2) ϕ 1 M M O M ( N) ϕ 2 ( N) L ϕ N ( N) Slater-determináns

Hogyan lehetne a kölcsönható valódi elektronokat független részecskék együtteseként kezelni? Egy rendszert többféleképp is "össze lehet rakni", csak a teljes rendszer bír fizikai realitással: Legyen a valós N-elektron rendszer alapállapotát leíró fv. Φ ο. Ekkor: ˆ H Φ 0 = E 0 Φ 0 Φ 0 H ˆ Φ 0 = E 0 Φ 0 Φ 0 E 0 = Φ 0 H ˆ Φ 0 Φ 0 Φ 0 Definiáljuk az E[ Φ] = Φ H ˆ Φ Φ Φ funkcionált tetszœleges Φ -re. Variációs elv: δe( Φ) = δ Φ ˆ H Φ Φ Φ = 0, ha Φ a rendszer alapállapota Tegyük fel, hogy az N valódi elektronból álló rendszer közelíthetœ ismeretlen ϕ i (r) állapotfüggvényekkel leírt N független részecske, un. egyelektron együttesével (Φ egy Slater determináns).

TetszŒleges számú mag és elektron ˆ H = ˆ + ˆ + ˆ i T i V ia i,a V ij i>j esetére a variációs elv a következœ egyenletre vezet minden i-re: C ˆ ϕ i ( r 1 ) = X ˆ ϕ i ( r 1 ) = 1 2 1 4πε 0 H ˆ i ϕ i = ε i ϕ i H ˆ i = T ˆ i + V ˆ + C ˆ + X ˆ 1 4πε 0 ˆ V = A ˆ V ia e 2 ϕ * j ( r 2 )ϕ j ( r 2 ) j dv r 2 12 ϕ i ( r 1 ) e 2 ϕ * j ( r 2 )ϕ i ( r 2 )ϕ j ( r 1 ) j dv r 2 12 az effektív V SCF = ˆ V + ˆ C + ˆ X potenciál egy "független" un. egyelektron - ra a magok és az összes többi által kifejtett átlagos potenciált írja le, ami csak iteratív eljá - rásban határozható meg. FONTOS: a kölcsönhatás részleteit eldugtuk a ϕ i függvényekbe!

A 6.-7. posztulátumok következménye a részecskék energia eloszlására: Klasszikus mechanika: a részecskék megkülönböztethetœk Maxwell-Boltzmann (MB) statisztika: f MB (E,T) = e E+µ kt Kvantummechanika: a részecskék megkülönböztethetetlenek - egészspinı részecskékbœl tetszœlegesen sok lehet azonos állapotban (bozonok) Bose-Einstein (BE) statisztika: f BE (E,T) = e 1 E kt 1 - feles spinı részecskékbœl csak kettœ lehet azonos állapotban (fermionok) Fermi-Dirac statisztika: f FD (E,T ) = e 1 E µ kt +1

A KLASSZIKUS ÉS A KVANTUMMECHANIKA KAPCSOLATA: AZ EHERENFEST TÉTEL A klasszikus mechanika központi egyenlete: m x = F. Milyen határesetben érvényes-e ez a kvantummechanikában? Kvantummechanikában: x x. Hogyan értelmezhetœ a várható érték deriváltja? Kvantummechanikai idœderivált: d dt ψ ˆ O ψ = ψ * t O ˆ ψ + ψ * O ˆ ψ t dv de a Schrödinger egyenletbœl: h j + h j ψ t ψ * t = ˆ H ψ ψ t = j h ˆ H ψ = ˆ H ψ * ψ * t = j h ˆ H ψ * amivel tehát: do dt [( ) ˆ ( )] = j ˆ h H ψ * O ψ ψ * O ˆ H ˆ ψ dv = = j h d dt [ ψ * ( H ˆ O ˆ O ˆ H ˆ )ψ ] O ˆ = j H h ˆ O ˆ O ˆ H ˆ dv

Ezzel: d dt x ˆ = j H h ˆ x ˆ x ˆ H ˆ = j 2mh ˆ p x2 ˆ x x ˆ ˆ p x 2 Ugyanakkor belátható, hogy 2 h j p ˆ x = ˆ ( p ˆ x x ˆ x ˆ ˆ ) + p ˆ x x ˆ x ˆ ˆ p x p x ( ) ˆ p x p x = = p ˆ x p ˆ x x ˆ p ˆ x x ˆ p ˆ x + p ˆ x x ˆ p ˆ x x ˆ p ˆ x p ˆ x = p ˆ x2 x ˆ x ˆ ˆ p x 2 így d x ˆ dt = 1 m ˆ p x Hasonlóan d 2 x ˆ dt 2 De mivel = 1 m ˆ p x t = j H mh ˆ p ˆ x p ˆ x H ˆ = j mh Vˆ p x ˆ p x V j ( mh Vˆ p x p ˆ x V )ψ = 1 m V ψ x Vψ x = 1 V m x ψ végül is: m d 2 x ˆ dt 2 = ψ V x ψ ψ ψ V ψ ψ V Ha ψ tartományán V gyengén változik, V = F konst., és x ψ * Fψ dv F. Ekkor a Newton egyenlet teljesül: m d 2 x ˆ dt 2 = F