KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA

Samankaltaiset tiedostot
ja KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA

SISÄLTÖ MITÄ FYSIIKKA ON KLASSILLINEN FYSIIKKA

766326A Atomifysiikka 1 - Syksy 2013

Aineaaltodynamiikkaa

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Aineen aaltoluonne. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 4. Mikro- ja nanotekniikan laitos

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

Johdantoa. 0.1 Mustan kappaleen säteily. Musta kappale (black body): Kvanttimekaniikka. Wienin siirtymälaki jakautuman maksimille on

Kvanttimekaniikka: Luento 2. Mar$kainen Jani- Petri

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

780392A/782631S Fysikaalinen kemia II, 5 op / 4 op

Todennäköisyys ja epämääräisyysperiaate

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

Fysikaalinen kemia 2 (KEMA225, 4 op) syksy 2011

Bohr Einstein -väittelyt. Petteri Mäntymäki Timo Kärkkäinen

Fysikaalinen kemia 2 (KEMA225, 4 op) syksy 2016

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

S Fysiikka III (EST) (6 op) 1. välikoe

Luento 6. Mustan kappaleen säteily

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

3. MATERIALISTISTEN HIUKKASTEN AALTOLUONNE

Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa

Ch7 Kvanttimekaniikan alkeita. Tässä luvussa esitellään NMR:n kannalta keskeiset kvanttimekaniikan tulokset.

Hiukkasfysiikan luento Pentti Korpi. Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura

Fysiikkaa runoilijoille Osa 4: kvanttimekaniikka

S Fysiikka III (Est, 6,0 op) Viikko 11

Kvanttimekaniikkaa yhdessä ulottuvuudessa

Kvanttimekaniikka. Tapio Hansson

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

2. Fotonit, elektronit ja atomit

Kvarkeista kvanttipainovoimaan ja takaisin

Shrödingerin yhtälön johto

Aine ja maailmankaikkeus. Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos

Fysiikan perusteet. SI-järjestelmä. Antti Haarto

Fysiikan maailmankuva 2015

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Atomimallit. Tapio Hansson

Täydellinen klassinen fysiikka 1900

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Kvanttimekaniikan perusteet

KVANTTIMEKANIIKKA I Johdatus alkuaineiden jaksolliseen järjestelmään A/S

FYSIIKKA. Tapio Rantala Fysiikka Tampereen teknillinen yliopisto Kissanmaa

Kvanttifysiikka k-2006

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

Hiukkasfysiikkaa teoreetikon näkökulmasta

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

Tilat ja observaabelit

LIITE 11A: VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ

Korrespondenssiperiaate. Tapio Hansson Oulun Yliopisto, Fysiikan laitos Ohjaaja: Mikko Saarela

Atomien rakenteesta. Tapio Hansson

Hiukkasfysiikka. Katri Huitu Alkeishiukkasfysiikan ja astrofysiikan osasto, Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto

Kirkko ja tieteellinen maailmankuva. Arkkipiispa Tapio Luoma

Vuorovaikutuksien mittamallit

OPETUSSUUNNITELMALOMAKE

Korkeammat derivaatat

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Kvanttisointi Aiheet:

Korkeammat derivaatat

Aineen ja valon vuorovaikutukset

Kokeellisen tiedonhankinnan menetelmät

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

Luento 8. Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli. Sähkönjohtavuus Druden malli

ATOMIFYSIIKAN LUKIO-OPETUKSESTA JA JALOKAASUJEN TUTKIMISESTA ELEKTRONISPEKTROSKOPIAA KÄYTTÄEN

Fysikaalinen maailmankuva 2015

Kosmologia: Miten maailmankaikkeudesta tuli tällainen? Tapio Hansson

Fysiikkaa runoilijoille Osa 5: kvanttikenttäteoria

perushiukkasista Perushiukkasia ovat nykykäsityksen mukaan kvarkit ja leptonit alkeishiukkasiksi

Kuva 1: Yksinkertainen siniaalto. Amplitudi kertoo heilahduksen laajuuden ja aallonpituus

Aatofunktiot ja epätarkkuus

Mustan kappaleen säteily

Fysikaalinen kemia II kaavakokoelma, osa 1

Mahtuuko kaikkeus liitutaululle?

Luento5 8. Atomifysiikka

Atomi- ja ydinfysiikka -verkkokurssin toteuttaminen

Matematikka ja maailmankuva Matemaattis-luonnontieteellisten alojen akateemiset MAL Tapio Markkanen

Kvanttimekaniikan tulkinta

Kvanttimekaniikan perusteet

FY1 Fysiikka luonnontieteenä

Kvanttimekaniikka kolmessa ulottuvuudessa Case vetyatomi

Vapaat tilat. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 6. Mikro- ja nanotekniikan laitos

Fysiikkaa runoilijoille Osa 7: kohti kaiken teoriaa

3.6 Feynman s formulation of quantum mechanics

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

Elektroni on keskeinen toimija sähkömagnetiikassa ja fysiikassa yleisestikin.

Korkeammat derivaatat

Suhteellisuusteoriasta, laskuista ja yksiköistä kvantti- ja hiukkasfysiikassa. Tapio Hansson

8. Klassinen ideaalikaasu

Fysiikan Nobel 2008: Uusia tosiasioita aineen perimmäisistä rakenneosasista

AINEAALTODYNAMIIKKA...105

Aineen olemuksesta. Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto

Sidotut tilat. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 5. Mikro- ja nanotekniikan laitos

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

S Fysiikka IV (SE, 3,0 ov) S Fysiikka IV (Sf, 4,0 ov )

(1) (2) Normalisointiehdoksi saadaan nytkin yhtälö (2). Ratkaisemalla (2)+(3) saamme

Atomimallit. Tapio Hansson

Transkriptio:

KVANTTITEORIA 1 MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA Fysiikka KVANTTITEORIA Metso Tampere 13.11.2005

MODERNI FYSIIKKA 2 Uusi käsitteistö: pituus, aika, massa,...?? + uusia käsitteitä ymmärtäminen havaintojen ennustaminen atomiteoria suhteellisuusteoria kvanttiteoria aineen koostumus suurissa mittakaavoissa pienissä mittakaavoissa

KVANTTITEORIAN SYNTY 3 Syynä uudet kokeelliset havainnot: mustan kappaleen säteily kiinteiden aineiden ominaislämpö atomien viivaspektrit Compton sironta valosähköinen ilmiö

Valosähköinen ilmiö 4 Tulkinta: Havaintoja: valon intensiteetti - ei vaikuta elektronien liike-energiaan - vaikuttaa elektronien määrään valon väri määrää elektronien enerian Havainnollistus! valo on hiukkasia fotoneja, kvantteja eli energiapaketteja fotonin energia on hν, missä h on Planckin vakio ja fotonin värähtelytaajuus ν = c/λ, kun c ja λ ovat valon nopeus ja aallonpituus

Aineaaltohypoteesi 5 de Broglie: aineaaltohypoteesi: λ = h / p Schrödinger: aineaaltohypoteesi + klassinen mekaniikka vetyatomin aaltoyhtälö Heisenberg: matriisimekaniikka

AALTO HIUKKAS-DUALISMI 6 Kvanttimekaniikan postulaatit 1. Tilan kuvaaminen aaltofunktiolla Ψ 2. Operaattorit ja niiden kommutaatiosäännöt 3. Ominaisarvot ja odotusarvot 4. Aaltofunktion todennäköisyystulkinta 5. Aaltoyhtälö Aaltoyhtälö => aaltofunktio KAUSAALISUUS! Tn. tulkinta ja mittaaminen => STATISTISUUS! (EI-DERMINISTISYYS)

Ehrenfestin teoreema 7 Mekaniikan suureita vastaavat odotusarvot noudattavat klassista mekaniikkaa klassinen mekaniikka on suuren mittakaavan rajatapaus kvanttimekaniikasta (vrt. suht.teoria) d dt Ω = h i [H, Ω ] [H, p x ] = h i dv dx d dt p x = i h [H, p x ] = dv dx, d dt p x = F. m d dt x = p x. F = ma Kvanttimekaniikka h 0 Klassinen mekaniikka

Fotoneiden heijastuminen 8 Lasipinnasta... ja -pinnoista 100% 4% 0% 8% 0% 16% 96% 16 8 0 YKSITELLEN!

Optiikka 9 Fotonien eteneminen: Kaikki mahdolliset etenemisreitit ja välipysäkit (eli polut) on otettava huomioon! Yhteisvaikutus: Fysikaalinen ja geometrinen optiikka

Kahden raon koe 10 Elektroneille aineaalloille (ja fotoneille) λ = h / p (Myös Michelsonin interferometri) Kvanttihiukkasten ei-lokaalisuus!... vai piilomuuttujat

Fotonit ja elektronit yhdessä 11 Fotonien ja elektronien kvanttiteoria, KVANTTIELEKTRODYNAMIIKKA (QED), selittää kaiken TARKASTI gravitaatiota ja hiukkasfysiikkaa lukuunottamatta: Aineiden (esineiden,...) kaikki ominaisuudet määräytyvät sen elektroneista! => Elektronien seuraelämä fotonien avulla (eli elektronirakenne) on kaiken takana! Fotoneilla on taipumus samanlaiseen tilaan => stimuloitu emissio Elektroneilla taas päin vastoin => Paulin kieltosääntö

EPÄTARKKUUSPERIAATE 12 Ns. komplementääristen suureparien arvojen hajonnat noudattavat epätarkkuusrelaatiota, esim. x p h / 2 x [A, B] = i C A B <C> / 2 A = {<A 2 > <A> 2 } 1/2 p... JA MITTAAMINEN antaa suureen arvoksi jonkin satunnaisen tuloksen aaltofunktion määräämästä todennäköisyysjakautumasta x p

TUNNELOITUMINEN 13 Aaltofunktio tunkeutuu alueelle, johon energia ei riitä tai läpi. Esimerkkejä: radioaktiivinen hajoaminen tunnelointimikroskopia Si(111) ja GaAs(110)

ELEKTRONIRAKENNE 14 Elektronien Schrödingerin aaltoyhtälöstä: Tinadioksidipintaa ja porfyriini fullereenikompleksi Typpeä galliumarsenidissa ja GaAs-pintaa ja sen STM-kuvien mallinnusta Fysiikka KVANTTITEORIA 13.11.2005

Vetyatomi 15 Elektroni protonin kentässä p + e 1 2 2 1 r ψ(r) = E ψ(r)

UUSI MAAILMANKUVA 16 Aalto hiukkas-dualismi ja todennäköisyystulkinta: Statistisuus / epätarkkuus / ei-determinismi Bellin epäyhtälöt ja Aspectin kokeet: Ei-lokaalisuus eli kaukovaikutukset (piilomuuttujateoriat eivät toimi), mutta dekoherenssi pelastaa monelta ongelmalta Siis: Todellisuus ei ole klassillisen fysiikan keinoin selitettävissä!