Tiivistelmät kvanttifysiikan monisteen lukuihin 4-7

Samankaltaiset tiedostot
Atomin kvanttimekaaninen malli

Monen elektronin atomit

Atomin kvanttimekaaninen malli

Energian säilymislain perusteella elektronin rekyylienergia on fotnien energioiden erotus: (1)

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

Molekyylit. Atomien välisten sidosten muodostuminen

e n 4πε S Fysiikka III (Est) 2 VK

Kvanttifysiikan perusteet 2017

ρ = qψ ψ ja pallokoordinaatiston differentiaalielementti * 2 3 * l lm 1 ml

Atomin kvanttimekaaninen malli. Millikanin koe. Solvay konferenssit Atomin rakenneosien löytyminen

, m s ) täytetään alimmasta energiatilasta alkaen. Alkuaineet joiden uloimmalla elektronikuorella on samat kvanttiluvut n,

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

dx = d dψ dx ) + eikx (ik du u + 2ike e ikx u i ike ikx u + e udx

Monen elektronin atomit

1. (a) (2p.) Systeemin infinitesimaalista siirtoa matkan ɛ verran esittää operaattori

Kvanttimekaniikka I tentti : 4 tehtävää, 4 tuntia

Aineaaltodynamiikkaa

J 2 = J 2 x + J 2 y + J 2 z.

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

TENTISSÄ KÄYTETTÄVÄ KAAVAKOKOELMA KURSSILLE Tilastollinen laadunvalvonta

Word Taulukko-ominaisuus

Monen elektronin atomit

Fysikaalinen kemia II kaavakokoelma, osa 1

1. Oletetaan, että protonin ja elektronin välinen vetovoima on verrannollinen suureeseen r eikä etäisyyden neliön käänteisarvoon

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Oppikirja (kertauksen vuoksi)

= vakio = λ. V (x) V (0) = V (l) = 0.

u = 2 u (9.1) x + 2 u

Talousmatematiikan perusteet, L2 Kertaus Aiheet

MO-teoria ja symmetria

Molekyylit. Helsinki University of Technology, Laboratory of Computational Engineering, Micro- and Nanosciences Laboratory. Atomien väliset sidokset

:n perustilaan energiasta. e) Elektronien ja ytimien välinen vuorovaikutusenergia H 2

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Luku 13: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi

LUKU 3. Ulkoinen derivaatta. dx i 1. dx i 2. ω i1,i 2,...,i k

2m 2 r + V (r) ψ n (r) = ɛ n ψ n (r)

6.2.3 Spektrikertymäfunktio

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

1. Osoita, että annetut funktiot ovat seuraavien differentiaaliyhtälöiden ratkaisufunktioita:

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

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

Aineaaltodynamiikka. Aikariippuva Schrödingerin yhtälö. Stationääriset tilat. Ei-stationääriset tilat

LUKU 10. Yhdensuuntaissiirto

4πε. on molekyylin ionisaatioenergia eli energia, joka vaaditaan elektronin siirtämiseen K:lta Cl:lle. (a) Potentiaalin attraktiivinen osa on 2

S Fysiikka III (Est) 2 VK

Talousmatematiikan perusteet, L2 Kertaus Aiheet

Tilavuusintegroin. f(x,y,z)dxdydz. = f(x,y,z)dx dy

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

M Pv + q = 0, M = EIκ = EIv, (EIv ) + Pv = q. v(x) = Asin kx + B cos kx + Cx + D + v p. P kr = π2 EI L n

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

Pro gradu -tutkielma Meteorologia SUOMESSA ESIINTYVIEN LÄMPÖTILAN ÄÄRIARVOJEN MALLINTAMINEN YKSIDIMENSIOISILLA ILMAKEHÄMALLEILLA. Karoliina Ljungberg

S , Fysiikka IV (ES) Tentti

j = I A = 108 A m 2. (1) u kg m m 3, (2) v =

XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

Molekyylit. Helsinki University of Technology, Laboratory of Computational Engineering. Atomien väliset sidokset

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 11: ti klo 13:00-15:30

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka (5op), kevät 2016

Luku 10: Molekyylien rakenne. Valenssisidosteoria Kaksiatomiset ja moniatomiset molekyylit Molekyyliorbitaaliteoria H

Projektin arvon aleneminen

Luento Atomin rakenne

Kaksiatominen ideaalikaasu

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

Korkeammat derivaatat

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

Klassisen fysiikan ja kvanttimekaniikan yhteys

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

S Fysiikka III (Est) Tentti

Tilavuusintegroin3. Tilavuusintegroin3

Epälineaaristen yhtälöiden ratkaisumenetelmät

Korkeammat derivaatat

8. Klassinen ideaalikaasu

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

S Fysiikka III (Est), 2 VK Malliratkaisut (Arvosteluperusteita täydennetään vielä)

Valon sironta - ilmiöt ja mallinnus. Jouni Mäkitalo Fysiikan seminaari 2014

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

MS-A0503 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

Differentiaaliyhtälöt, Syksy 2015 Harjoitus 2, Ratkaisut Ratkaise separoituvat differentiaaliyhtälöt. a) y = y

Ch10 Spin-1/2 systeemi. Spin-1/2 kvanttimekaniikkaa

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

S Fysiikka III (EST), Tentti

76132S Sähkömagneettinen säteily 1

Gaussin lause eli divergenssilause 1

(0 desimaalia, 2 merkitsevää numeroa).

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

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

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

d Todista: dx xn = nx n 1 kaikilla x R, n N Derivaatta Derivaatta ja differentiaali

(b) Tunnista a-kohdassa saadusta riippuvuudesta virtausmekaniikassa yleisesti käytössä olevat dimensiottomat parametrit.

4. Selitä sanoin ja kuvin miten n- ja p-tyypin puolijohteiden välinen liitos toimii tasasuuntaajana?

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 11: Taso- ja tilavuusintegraalien sovellutuksia

3. Teoriaharjoitukset

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

9 Maxwellin yhtälöt. 9.5 Aaltoyhtälö ja kenttien lähteet Aaltoyhtälö tyhjössä Potentiaaliesitys Viivästyneet potentiaalit

Ratayhtälö ja Keplerin lait

Transkriptio:

Tiivistmät kvanttifysiikan monistn ukuihin 4-7 Luku IV: Yhtnvto /6 Ruthrfordin sironta Zz Zz Lyhin kohtaustäisyys : D 4πε E 4πε Mv 0 Kin 0 zz 4 θ Ruthrfordin sirontavaikutusaa : σd () θ sin 4πε 0 Mv 0 4π Kokonaissirontavaikutusaa : σ0 σ (, ) 0 d θ φ dω Makroskooppinn vaikutusaa : Σ ρσ0 ; ρ atomin km tiavuusyksikössä ( ) Suihkun vaimnminn: ρσ x 0 0 0 I I I Σ x

Luku IV: Yhtnvto /6 Bohrin atomimai Saittujn ratojn sätt : ε0 n hε0 0 Bohrin säd: 0 mz Z πm nh r a a 5,97 0 π n,,3,... m Enrgiatasot Rydbrgin vakio 4 4 R hcz m ;,,3,.. 3 0 ε0 mz En n R 8ε h n n 8 h c Fotomissiospktri: Luku IV: Yhtnvto 3/6 RhcZ RhcZ n n n n hf E E RhcZ Kumaiikmäärän kvantittuminn Kumaiikmäärän ˆ z - komponntin L sinθ + sinθ θ θ kvantittuminn sin θ φ ˆ ˆ L LYm ( + ) Y z i m φ missä 0,,,3,.. LY ˆ m Y z m m Y m on paoharmoninn funktio L m m 0, ±, ±,..., ± z

Luku IV: Yhtnvto 4/6 Kskisknttäiikkn kumaiikmäärätiat ja niidn dgnraatiot. Sivukvanttiuku 0 3 4 5 Symboi s p d f g h Dgnraatio, g + 3 5 7 9 () () P r R r r ytimstä asktun täisyydn yksikköä kohdn. n ktronin siintymistodnnäköisyys Vktorimuodossa M L; M L m µ m z m m m missä Bohrin magntoni µ B m L L z B Luku IV: Yhtnvto 5/6 Normaai Zmanin fkti:enrgia magnttikntässä EBL ML B L B m Vaitaan B & z - aksi EBL L B LzB µ BBm, m m missä m. +,...,, Ektronin spin Kaksi suuntaa ms s, + s, yhdn väin s s / Yksinkrtaisin mahdoisuus : ˆ 3 S χm s( s+ ) χ ; / s m χ s 4 m s s Sˆ χ m χ ; m ± / z m s m s s s 3

Luku IV: Yhtnvto 6/6 Ektronin magnttisn momntin ja spinin suhd M g S S m missä gyromagnttinn suhd g,004. Kokonaiskumaiikmäärä J L+ S ( ) ( ) J j j+, Jz m, m± j, ± j,... j ± / Spin-rata vuorovaikutus m ESL ams ML as L L S j ( j ) ( ) s( s ) + + + a E SL j( j+ ) ( + ) s( s+ ) S Luku V: Krtausta /5 Himin ktronin Schrödingrin yhtäö E p 4πε r 4πε r + 4πε r r 0 0 0. ( ) ψ( r, r) E pψ( r, r) Eψ( r, r) + + m ja sn aimman krtauvun ratkaisu: ( r, r ) ( r ) ( r ) Ψ φ φ s s Z Ea Eb Es 3,6 V 54,4 V, 4

Luku V: Krtausta /5 Kskimääräisn kntän mai ja varjostusfkti "Varjosttut" -ktroninrgiat: ( ) E Z S E., H Varjosttun ktronin Schrödingrin yhtäö: ( ) ( Z S) i ψ r i ψ r i Eψ r i m πε 0ri ( ) ( ) ( ) 4 Hiumin sparoituva kskimääräisn kntän yhtäö varjosttuia potntiaaia: ( Z S) ( ) ( Z S) + ψ ( r, r ) Eψ ( r, r ) m 4πε 0r 4πε 0r Luku V: Krtausta 3/5 Kskimääräisn kntän SCF mntmä: Monn ktronin aatofunktio on yhdn ktronin SCF orbitaain tuo ( r r r ) ( r ) ( r ) ( r ) ψ,,..., N φa φ φx N b Yhdn ktronin orbitaait ratkaistaan itratiivisa mntmää askmaa nsin varjostusfkti. Itraatiota jatktaan kunns orbitaai i nää muutu. Koska atomissa ktronin näkmä kskimääräinn knttä on paosymmtrinn voidaan ktronin rataosaan iittää samat kvanttiuvut nm,, kuin vtyatomissa. 5

Luku V: Krtausta 4/5 Frmionin aatofunktio vaihtaa mrkkinsä kun kahdn hiukkastn paikka ja spinkoordinaatit vaihdtaan ksknään Avaruusosa Spinosa φa( r) φb( r) φa( r) φb( r) χ+ () χ+ ( ) χ+ () χ () + χ+ () χ () χ () χ ( ) tai φa φb φa φb χ+ χ χ+ χ ( r ) ( r ) + ( r ) ( r ) () ( ) ( ) () Spinsummattu todnnäköisyystihys i saa muuttua vaihdttassa ktronit. (spinsummattu spinkomponnttiihin iittyvin todn. tihyksin summa) Luku V: Krtausta 5/5 Pauin kitosääntö: Samaa spinorbitaaia i saa oa kahta ktronia Satrin dtrminantti: ( rσ, r σ,.. r σ ) Ψ abc... N N N! () ( ) () () ( ) () () φ ( ) φa φa φa 3... φ φ φ 3... b b b φc c.................. Tuottaa automaattissti oikan vaihtosymmtrian. Uoimpin ktronin hyvät kvanttiuvut ovat nm,,, m sisäkuorin hyvät kvanttiuvut n,, jm, j. Rakntumispriaat: s Atomin järjstysuvun kasvassa spinorbitaait täyttään nrgiajärjstyksssä aimmasta akan. 6

Luku VI: Krtausta /4 Tärkimmät sidokst: Kovanttinn, ioni, mtai, van dr Waas, vty. Sidostn muodostumispriaat. Vapaidn atomin nrgia on suurmpi kuin stabiiissa mokyyissä ovin atomin nrgia. Ionisidos ionisaationrgia, ktroniaffinittti, dissosiaationrgia. Bornin ja Oppnhimrin approksimaatio Kovanttinn sidos: LCAO mntmä, symmtrist ja antisymmtrist tiat, parittti, hyvät kvanttiuvut -atomisissa mokyyissä. LCAO-main sovtaminn vty-ioniin. Luku VI: Krtausta /4 Diatomia aksiaaisymmtrinn potntiaai - hyvät kvanttiuvut kaksiatomisissa mokyyissä nm m. Orbitaaimrkinnät : 0 ± ± ±3... m λ : 0 3... Symboi: σ π δ φ... ψ ψ 3 4 s ( s px py pz) ( s px py ( s px py ( s px py pz) + + + ψ + sp 3 hypridisaatio mtaanissa ψ + + 7

Luku VI: Krtausta 3/4 Rotaationrgiat: Er ( + ) Bhc( + ); 0,,,.. I Transitionrgiat: Erot ( + ) Erot ( ) ( + ) I I µ r 0 ; µ M M /( M + M ) (diatomi) Sähködipoisiirtymän vaintasäännöt: ± Värähtynrgiat: n ( ) E n+ ω 0 d E p Voimavakio: k dr r r0 Kumataajuus: ω 0 k / µ ; µ M M /( M + M ) (diatomi) Luku VI: Krtausta 4/4 Värähtyn sähködipoisiirtymän vaintasääntö: ± n Fotonin nrgia yhdisttyssä ktroni-rotaatio-värähty siirtymässä: E Ei E f E + Ev + Er Frankin ja Gordonin priaat: Ektronisn transition suuri nopus pakottaa ytimin iikkn soputumaan yhtäkkissti uutn potntiaainrgiaan ja sn ominaistioihin. Kassinn oskiaattori vittää suurimman osan ajastaan käännpistissä. Jos ktronin aku- ja opputiaan iittyvät ytimn värähtyn käännpistt ovat kohdakkain transition todnnäköisyys kasvaa. 8

Luku VII: Tiivistmä /5 Kitidn pruskäsittt,akiskoppi, akishiavktorit, Bravaisin hia, kuutioist hiat: yksinkrtainn (SC), tahkokskinn FCC, koppikskinn (BCC), timanttihia, sinkkiväkhia. Ionikitidn kohsionrgia: n α R0 R0 E p 4πε 0R0 R n R Hiavärähtyt monoatominn ktju: Liikyhtäö M n d ξ dt ( ) ( ) ( ) β ξ ξ β ξ ξ β ξ + ξ ξ n+ n n n n+ n n Disprsioraatio: ω β M sin Akustinn raja: Luku VII: Tiivistmä /5 ka ω β Mka vastaa kassisn utraäänn tnmistä kitssä. Kaksiatominn ktju disprsioraatiot: 4sin ka ω β + ± β + M A M B M A M B M AM B / 9

Pitkäaatorajat: Luku VII: Tiivistmä 3/5 Akustinn haara: β k a ω M A + M B Optinn haara: ω 0 β + M A M B Optist fononit tärkä vaon vaimnmismkanismi. (Fotonia on suuri nrgia iikmäärään nähdn). Vapaaktronimain ktronitihys: 3 ( m ) 3 0 8π n E f ( E) de h 3 h 3n π T Frminrgia: ε F Kmiainn potntiaai µ ( T ) ε F 8m π Θ F Luku VII: Tiivistmä 4/5 Bochin tormaa priodisssa potntiaaissa iikkuva ktroni: ψ () x ikx u () x missä u ( x a) u ( x) k Ks myös Bochin torman todistus. k + on hiapriodinn funktio Briouinin vyöhykkt - ktronin takaisinhijastus kun k Enrgia-aukot. Efktiivinn massa m* d E dk Hiaiikmäärä pav k + p u, av k. π. a 0

Luku VII: Tiivistmä 5/5 Tiukkasidosaapproksimaatio (LCAO-mntmä äärttömä kit) n ikna ( ) ψ φ x na Totuttaa Bochin torman! Enrgian odotusarvo ja pitkäaatoraja k 0 (nrgiavyön runa) ˆ E E ka E a k E ψ ψdx missä E0 E α β vyön runan nrgia ja * ψ Hψdx p av α β cos * at 0 + β 0 + * at m Efktiivinn massa m * β a