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

Hasonló dokumentumok
A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

A hőmérsékleti sugárzás

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

A hőmérsékleti sugárzás

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

AZ ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁS KETTŐS TERMÉSZETE

ATOMMODELLEK, SZÍNKÉP, KVANTUMSZÁMOK. Kalocsai Angéla, Kozma Enikő

Szilárd testek sugárzása

Az elektromágneses hullámok

Elektromágneses hullámegyenlet

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

FIZIKA. Sugárzunk az elégedettségtől! (Atomfizika) Dr. Seres István

Modern fizika vegyes tesztek

KVANTUMMECHANIKA. a11.b-nek

A fény korpuszkuláris jellegét tükröző fizikai jelenségek

Bevezetés az atomfizikába

1. Az üregsugárzás törvényei

Kifejtendő kérdések június 13. Gyakorló feladatok

Név... intenzitás abszorbancia moláris extinkciós. A Wien-féle eltolódási törvény szerint az abszolút fekete test maximális emisszióképességéhez

Abszorpciós spektrometria összefoglaló

A lézer alapjairól (az iskolában)

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

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

Fizika 2 - Gyakorló feladatok

A modern fizika születése

A kvantumelmélet kísérletes háttere

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz


Jelöljük meg a kérdésnek megfelelő válaszokat! 1, Hullámokról általában: alapösszefüggések a harmonikus hullámra. A Doppler-effektus

A fény mint elektromágneses hullám és mint fényrészecske

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

Abszorpciós fotometria

Elektromágneses hullámok

Bevezetés a biofizikába. Elektromágneses hullámok, a fény kettős természete. Anyaghullámok. Hőmérsékleti sugárzás.

Abszorpció, emlékeztetõ

Modern Fizika Laboratórium Fizika és Matematika BSc 8. Alkáli spektrumok

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

Thomson-modell (puding-modell)

2, = 5221 K (7.2)

ATOMFIZIKA. óravázlatok

Abszorpciós fotometria

A kvantummechanika filozófiai problémái

Atomfizika tesztek. 2. Az elektrolízis jelenségére vonatkozóan melyik összefüggés helytelen?

Mit értünk a termikus neutronok fogalma alatt? Becsüljük meg a sebességüket 27 o C hőmérsékleten!

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

2. ZH IV I.

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

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

ω mennyiségek nem túl gyorsan változnak

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

ELEKTRONIKAI ALKATRÉSZEK

XX. századi forradalom a fizikában

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 5. mérés: Elektronspin rezonancia március 18.

Fermi Dirac statisztika elemei

Hőmérsékleti sugárzás és színképelemzés

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Boyle kísérlete. Boyle 1781-ben ónt hevített és azt tapasztalta, hogy annak tömege. Robert Boyle angol fizikus, kémikus

Hőmérsékleti sugárzás és színképelemzés

KOVÁCS ENDRe, PARIpÁS BÉLA, FIZIkA II.

Dr. JUVANCZ ZOLTÁN Óbudai Egyetem Dr. FENYVESI ÉVA CycloLab Kft

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

Atomfizika. FIB1208 (gyakorlat) Meghirdetés féléve 4 Kreditpont 3+2 Összóraszám (elmélet+gyakorlat) 3+2

A modern fizika születése

Az atom felépítése, fénykibocsátás (tankönyv 90.o o.)

Stern Gerlach kísérlet. Készítette: Kiss Éva

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Röntgensugárzás. Röntgensugárzás

Kvantumos információ megosztásának és feldolgozásának fizikai alapjai

Színképelemzés. Romsics Imre április 11.

Műszeres analitika. Abrankó László. Molekulaspektroszkópia. Kémiai élelmiszervizsgálati módszerek csoportosítása

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

A kvantummechanika filozófiai problémái

Modern Fizika Labor. 12. Infravörös spektroszkópia. Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 04. A mérés száma és címe: Értékelés:

A kvantummechanika filozófiai problémái

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

Szilárdtestek sávelmélete. Sávelmélet a szabadelektron-modell alapján

1. Bevezetés az atomfizikába

A légköri sugárzás. Sugárzási törvények, légköri veszteségek, energiaháztartás

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

Mézerek és lézerek. Berta Miklós SZE, Fizika és Kémia Tsz november 19.

Atomfizika I. Az anyagszerkezetről alkotott kép változása Ókori görög filozófusok régi kérdése: Miből vannak a testek? Meddig osztható az anyag?

Szentjánosbogár, trópusi halak, sarki fény Mi a közös a természet fénytüneményeiben?

Fizika II. segédlet táv és levelező

Forró gázok spektruma emissziós sp. Abszorpciós spektrum: fényelnyelés

A sugárzás kvantumos természete. A hőmérsékleti sugárzás

Az atom felépítése, fénykibocsátás (tankönyv 68.o.- 86.o.)

Geometriai és hullámoptika. Utolsó módosítás: május 10..

Folyadékszcintillációs spektroszkópia jegyz könyv

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

1. tétel A Az elektromágneses színkép tartományai.

Magfizika tesztek. 1. Melyik részecske nem tartozik a nukleonok közé? a) elektron b) proton c) neutron d) egyik sem

1. A KLASSZIKUS FIZIKA ÉRVÉNYESSÉGÉNEK

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 12. mérés: Infravörös spektroszkópia május 6.

A fizika története (GEFIT555-B, GEFIT555B, 2+0, 2 kredit) 2018/2019. tanév, 1. félév Dr. Paripás Béla. 7. Előadás ( )

Modern fizika laboratórium

Biofizika. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? A biológiában és orvostudományban alkalmazott fizikai módszerek tárgyalása

Átírás:

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe 4. (a) Kvantummechanika Utolsó módosítás: 2015. november 15.

1 Előzmények Az atomok színképe (1) A fehér fény komponensekre bontható: http://en.wikipedia.org/wiki/spectrum http://en.wikipedia.org/wiki/prism_(optics)

2 Előzmények Az atomok színképe (2) Az atomok színképe nem folytonos. A hidrogén látható tartománybeli emissziós spektruma (Balmer-sorozat) A látható sorozat mellett több nem-látható (ultraibolya és infravörös) sorozat is van. Mi lehet a rendszer a sorozatokban?

3 Előzmények Az atomok színképe (3) Lyman-sorozat: n=2,3,4, Balmer-sorozat: n=3,4,5, Paschen-sorozat: n=4,5,6, Brackett-sorozat: n=5,6,7, Pfund-sorozat: n=6,7,8,

4 Előzmények Az atomok színképe (4) A nitrogén emissziós színképe: A vas emissziós színképe:

5 Előzmények Az atomok színképe (5)

6 Előzmények Franck-Hertz-kísérlet (1) A Franck-Hertz-kísérlet vázlatos elrendezése:

7 Előzmények Franck-Hertz-kísérlet (2)

8 Előzmények Hőmérsékleti sugárzás (1) A testek a hőmérsékletüktől függő spektrummal elektromágneses hullámokat emittálnak:

9 Előzmények Hőmérsékleti sugárzás (2) A modell: egy kocka alakú abszolút fekete test falú üregben elektromágneses tér alakul ki, amely a fallal termikus egyensúlyban van. Az üregbe zárt elektromágneses tér esetén már láttuk, hogy nem alakulhat ki tetszőleges frekvenciájú állóhullám, hanem Az összefüggést kielégítő számhármasok mint koordináták egy nyolcad-gömb által magában foglalt térrész csúcsaiban elhelyezkedő pontok. E pontok száma közelítően:

10 Előzmények Hőmérsékleti sugárzás (3) A két független polarizációjú hullám miatt: A frekvenciák közé eső hullámok száma: Figyelembe véve, hogy az egy oszcillátorra jutó átlagos energia kt, (ekvipartíció-tétele) így a frekvenciához tartozó energiasűrűség (Rayleigh-Jeans): A frekvenciára történő integrálás végtelen energiát eredményez!

11 Előzmények Hőmérsékleti sugárzás (4) Planck: az ekvipartíció-tétele levezetésénél az oszcillátorok energiája nem folytonos, hanem egy bizonyos energiakvantum egészszámú többszöröse: E feltevés mellett az oszcillátor átlagos energiája a Maxwell- Boltzmann-statisztika értelmében:

12 Előzmények Hőmérsékleti sugárzás (5) Így a frekvencia szerinti eloszlásra az energiasűrűség: Feltételezve, hogy Az energiasűrűség:

13 Előzmények Hőmérsékleti sugárzás (6) A hőmérsékleti sugárzás (kék vonal: T=300K, lilavonal: T= 400K, szürke vonal: T=500K, zöld vonal: 600K)

14 Előzmények Fényelektromos hatás (fotoeffektus) (1) A fény hatásra a fém felültéből elektronok lépnek ki. Kérdés: Ha a fény hullám, akkor hogy tud egy elektronra koncentrálódni? A fény kvantumokból, fotonokból áll. Akkor most a fény hullám vagy részecske tulajdonságú, vagy ez is, az is?

15 Előzmények Fényelektromos hatás (fotoeffektus) (2) A foton energiája, a kilépő elektron kinetikus energiája és az ún. kilépési munka közötti kapcsolat: azaz foton energiája meg kell haladja a kilépési munkát. Következtetés: A frekvencia növelésével a kilépő elektronok mozgási energiája nő, míg a kilépő elektronok száma a fotonok számával, azaz a fény intenzitásával arányos.

16 Előzmények Fényelektromos hatás (fotoeffektus) (3) Így a fenti állítás értelmében egy magányos atom esetén, ha nem elengendő a foton energiája az ionizációhoz, akkor egyáltalán nincs kilépés. Ugyanakkor Maria Göppert-Mayer (1929) elméleti jóslata szerint egy atom két vagy akár több foton egyidejű elnyelésére is képes, így a szükséges ionizációs energia elérhető! Ennek vizsgálatára csak a lézerek megjelenése után (1960) nyílt lehetőség. A sok-fotonos folyamatok esetén a kilépő elektronok mozgási energiája: Megjegyzés: az elektromágneses hullám anyag kölcsönhatásában a fotoeffektus a kisenergiás folyamatok közé tartozik. A fény részecske (foton) voltát erősíti.

17 Előzmények Compton-szórás (1) Nagyfrekvenciájú elektromágneses sugárzás (pl. röntgen-sugárzás) anyag kölcsönhatása, amely a foton részecske jellegét erősíti. Mivel az elektronok atombeli kötési energiája a beérkező sugárzásáéhoz képest elhanyagolható, így a foton szabad elektronon történő szórásaként írjuk le a folyamatot. v

18 Előzmények Compton-szórás (2) A szórási folyamatot leíró energia és impulzus (nem-relativisztikus és relativisztikus) egyenletek. Energia megmaradás: Impulzus megmaradás: Itt m az elektron nyugalmi tömege, p az impulzusa.

19 Előzmények Compton-szórás (3) A szóródás során létrejövő hullámhosszváltozás (mindkét közelítés ugyanazt a végeredményt adja!): Innen a Compton-hullámhossz: Ez éppen annak a fotonnak a hullámhossza, amely energiája megegyezik az elektron nyugalmi energiájával.

20 Előzmények Bohr-modell (1) 1. Az atombeli elektronok csak meghatározott sugarú körpályákon tartózkodhatnak, amelyekre érvényes: azaz az elektron impulzusának zárt görbe menti integrálja a Planckállandó egész számú többszöröse. Ez az általános definíció éppen a körpálya miatt leegyszerűsödik az alakra. Ez az impulzusmomentum kvantálásának felel meg.

21 Előzmények Bohr-modell (2) 2. Az előző feltételekkel kiválasztott pályán az elektron nem sugároz. Sugárzás akkor jön létre, ha az elektron az egyik ilyen pályáról egy másik pályára ugrik át. 3. A kibocsátott sugárzás energiáját e két pálya energiája közötti különbség adja:

22 Előzmények Bohr-modell (3) A hidrogén-atom lehetséges energiaszintjei: Az n (kezdeti) és l (végső) szintek közötti átmenet (legerjesztődés, l < n) során kisugárzott fény frekvenciája:

23 Előzmények Bohr-modell (4) A spektroszkópiában szokásosabb hullámszámra áttérve: Az együttható egy paraméterben összefoglalva (Rydberg-állandó):

24 Részecske hullám kettősség (1)

25 Részecske hullám kettősség (2)

26 Részecske hullám kettősség (3)

27 Részecske hullám kettősség (4) Polikristályos alumíniumfóliával készített röntgen- és elektron elhajlási kép röntgen elektron

28 Részecske hullám kettősség (5)

29 Részecskék de Broglie hullámhossza (1) A fotonra energiájára érvényes: A fotonra impulzusa: Innen: vagyis De Broglie: a p=mv impulzusú részecskére ez ugyanúgy alkalmazható anyaghullám!

30 Részecskék de Broglie hullámhossza (2) Másrészt a hidrogénbeli önmagában záródó stacionárius hullámra: Itt k=n Átrendezve éppen a Bohr-féle kvantumfeltételt kapjuk!

31 Állóhullámok húr (1) Az a hosszúságú húron a fél-hullámhosszak n egész számú többszöröse lehet, k a csomópontok száma: A hullámhossz: Az energia:

32 Állóhullámok húr (2) A legkisebb energiájú állapot a csomópont-mentes k=0 állapot. Csak meghatározott energiaadagokat képes felvenni és leadni, eközben megváltozik a csomópontok száma. Pl. a k=1-ről a k=2-re történő átmenethez szükséges energia:

33 Állóhullámok sík (3) Az a és b oldalú téglalapon kialakuló anyaghullámokra: Az energia: Az alapállapot:

34 Állóhullámok sík (4)

35 Állóhullámok sík (5)

36 Állóhullámok sík (6) Két egycsomós (első gerjesztett) állapot létezik: Szimmetrikus esetben: Ha azonban a és b egymástól kissé különböznek (szimmetriasérülés), akkor e két gerjesztett állapot közötti átmenetet a delokalizált elektronok 0,28aJ energia (klorofill, vörös foton) elnyelésével meg tudják tenni. ( színek, szerves molekulák)

37 Kérdések Hogyan készülnek a színképek? Mit olvashatunk ki a színképekből? Mire világít rá a Franck-Hertz kísérlet? Mi a hőmérsékleti sugárzás? Mi az ekvipartíció tétele? Milyen lehet az oszcillátorok energiája? Miként módosul az egy oszcillátorra jutó átlagos energia? Milyen spektrumot eredményez a Rayleigh-Jeans törvény? Milyen spektrumot eredményez a Planck-féle sugárzási törvény? Mi a fényelektromos hatás? Mit mutat meg? Mi Compton-szórás? Mi a Bohr-modell? Mit magyaráz meg? Mi a részecske-hullám kettősség? Mi a de Broglie-féle hullám? Mekkora az egy húron, téglalap alakú síkon kialakuló állóhullámok felvehető energiaértékei? (folyt. köv.) (A ilyen színnel írt kérdések a mélyebben érdeklődők részére vannak. )