VYPOUŠTĚNÍ KVANTOVÉHO DŽINA

Podobné dokumenty
Kvantová fyzika. Pavel Cejnar mff.cuni.cz. Jiří Dolejší mff.cuni.cz

Kvantová fyzika. Pavel Cejnar mff.cuni.cz. Jiří Dolejší mff.cuni.cz

Vybrané podivnosti kvantové mechaniky

Historie zapsaná v atomech

Atomové jádro Elektronový obal elektron (e) záporně proton (p) kladně neutron (n) elektroneutrální

ELEKTRONOVÝ OBAL ATOMU. kladně nabitá hmota. elektron

Pavel Cejnar. mff.cuni.cz. Ústav částicové a jaderné fyziky Matematicko-fyzikální fakulta University Karlovy v Praze

Kvantové provázání. Pavel Cejnar ÚČJF MFF UK Praha

[KVANTOVÁ FYZIKA] K katoda. A anoda. M mřížka

Elektronový obal atomu

2. Elektrotechnické materiály

Einsteina s Bohrem. Dialog. Pavel Cejnar. Ústav částicové a jaderné fyziky Matematicko-fyzikální fakulta UK

HISTORIE ATOMU. M g r. ROBERT P ECKO TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

Úvod do moderní fyziky. lekce 2 částicové vlastnosti vln a vlnové vlastnosti částic, základy kvantové mechaniky

Jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů -> nukleony

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE II

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

Od kvantové mechaniky k chemii

Obsah PŘEDMLUVA...9 ÚVOD TEORETICKÁ MECHANIKA...15

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Vlny. částice? nebo. Pavel Cejnar ÚČJF MFF UK FJDP 2018/19. Objevování kvantového světa

E e = hf -W. Kvantové vysvětlení fotoelektrického jevu. Fotoelektrický jev vysvětlil Einstein pomocí Planckovy kvantové

FYZIKA 4. ROČNÍK. Kvantová fyzika. Fotoelektrický jev (FJ)

VAROVÁNÍ Přemýšlení o kvantové mechanice způsobuje nespavost

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE III

Pozitron teoretická předpověď

R10 F Y Z I K A M I K R O S V Ě T A. R10.1 Fotovoltaika

Elektronový obal atomu

ATOM. Autor: Mgr. Stanislava Bubíková. Datum (období) tvorby: Ročník: osmý

Stavba atomu. protony p + nukleony neutrony n 0. elektrony e -

Úvod do laserové techniky

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

8.STAVBA ATOMU ELEKTRONOVÝ OBAL

Inovace výuky prostřednictvím šablon pro SŠ

Relativistická dynamika

FYZIKA MIKROSVĚTA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Fyzika mikrosvěta - 3. ročník

Vlny nebo částice? Přednáška 1, Pavel Cejnar. Principy kvantové fyziky. Ústav částicové a jaderné fyziky MFF UK

Za hranice současné fyziky

Počátky kvantové mechaniky. Petr Beneš ÚTEF

MAKROSVĚT ~ FYZIKA MAKROSVĚTA (KLASICKÁ) FYZIKA

Paradoxy kvantové mechaniky

STŘEDOČESKÝ KRAJ ANTIHMOTA

Základy spektroskopie a její využití v astronomii

školní vzdělávací program ŠKOLNÍ VZDĚLÁVACÍ PROGRAM DR. J. PEKAŘE V MLADÉ BOLESLAVI RVP G 8-leté gymnázium Fyzika II. Gymnázium Dr.

ATOM VÝVOJ PŘEDSTAV O SLOŽENÍ A STRUKTUŘE ATOMU

Látkové množství. 6, atomů C. Přípravný kurz Chemie 07. n = N. Doporučená literatura. Látkové množství n. Avogadrova konstanta N A

Kam kráčí současná fyzika

Jaroslav Reichl. Střední průmyslová škola sdělovací techniky Panská 3 Praha 1 Jaroslav Reichl, 2017

Kvantová mechanika I & II

Výfučtení: Návštěva do mikrosvěta atomů a elektronů

Číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/ Název DUM: Model atomu Číslo DUM: III/2/FY/2/2/2 Vzdělávací předmět: Fyzika Tematická oblast: Elektrické a

c) vysvětlení jednotlivých veličin ve vztahu pro okamžitou výchylku, jejich jednotky

Balmerova série vodíku

Stručný úvod do spektroskopie

Atom a molekula - maturitní otázka z chemie

PLANCK EINSTEIN BOHR de BROGLIE

Struktura atomu. Beránek Pavel, 1KŠPA

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

Okruhy k maturitní zkoušce z fyziky

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

Struktura elektronového obalu

DUM označení: VY_32_INOVACE_... Jméno autora výukového materiálu: Ing. Jitka Machková Škola: Základní škola a mateřská škola Josefa Kubálka Všenory

Jméno autora: Mgr. Ladislav Kažimír Datum vytvoření: Číslo DUMu: VY_32_INOVACE_06_Ch_OB Ročník: I. Vzdělávací oblast: Přírodovědné

Werner Heisenberg: Fyzika a filosofie. Tibor Fördös. /Nanotechnologie/

B) výchovné a vzdělávací strategie jsou totožné se strategiemi vyučovacího předmětu Fyzika.

ATOMOVÉ JÁDRO A JEHO STRUKTURA. Aleš Lacina Přírodovědecká fakulta MU, Brno

Do nekonečné potenciálové díry umístíme dva elektrony. Napiš jejich vlnové funkce, pokud se soustava nachází ve stavu s minimální energií.

Fyzika opakovací seminář tematické celky:

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Fyzik potkává filmaře

Elektronový obal atomu

Praktikum III - Optika

16. Franck Hertzův experiment

Elektronový obal atomu

ATOM KVANTOVÁ OHRÁDKA (HRADBA)

Utajené vynálezy Nemrtvá kočka

dvojí povaha světla Střední škola informatiky, elektrotechniky a řemesel Rožnov pod Radhoštěm Název školy Předmět/modul (ŠVP) Vytvořeno listopad 2012

OPTIKA Fotoelektrický jev TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Příklad 1: Komutační relace [d/dx, x] Příklad 2: Operátor B = i d/dx

1. 2 Z Á K L A D Y K V A N T O V É T E O R I E

Fyzika IV. Pojem prvku. alchymie. Paracelsus (16.st) Elektronová struktura atomů

I a II. Kvantová mechanika. JSF094 Akademický rok

VÍTEJTE V MIKROSVĚTĚ

Energie, její formy a měření

Příklady Kosmické záření

atom Lomonosov Lavoisier Dalton Proutova modely atomů Thomsonův kladným elektronů vysílají elektromagnetické záření nedostatky: počet původ

Ing. Stanislav Jakoubek

Maturitní otázky z fyziky Vyučující: Třída: Školní rok:

Moravské gymnázium Brno s.r.o. RNDr. Miroslav Štefan

Předmět: Technická fyzika III.- Jaderná fyzika. Název semestrální práce: OBECNÁ A SPECIÁLNÍ TEORIE RELATIVITY. Obor:MVT Ročník:II.

ZÁKLADNÍ POJMY KVANTOVÉ FYZIKY, FOTOELEKTRICKÝ JEV. E = h f, f je frekvence záření, h je Planckova

Gymnázium, Havířov - Město, Komenského 2 MATURITNÍ OTÁZKY Z FYZIKY Školní rok: 2012/2013

ÈÁST VII - K V A N T O V Á F Y Z I K A

Úvod do moderní fyziky

Studium fotoelektrického jevu

6.2.8 Vlnová funkce. ψ nemá (zatím?) žádný fyzikální smysl, fyzikální smysl má funkce. Předpoklady:

Stavba atomu historie pohledu na stavbu atomu struktura atomu, izotopy struktura elektronového obalu atom vodíkového typu

Transkript:

VYPOUŠTĚNÍ KVANTOVÉHO DŽINA ÚSPĚŠNÉ OMYLY V HISTORII KVANTOVÉ FYZIKY Pavel Cejnar Ústav částicové a jaderné fyziky MFF UK Praha Prosinec 2009

1) STARÁ KVANTOVÁ TEORIE

Světlo jsou částice! (1900-1905) 19. století: Světlo bylo pokládáno za vlny elektromagnetického pole. To se ale ukázalo být v rozporu s některými jevy (spektrum záření zahřátých těles, fotoelektrický jev) => Návrat ke korpuskulární představě: fotony. Max Planck (1858-1947) Albert Einstein (1879-1955) h = 6.626 10-34 J s E p = = hc hn = l E h = c l

Atom má jádro! (1911) Pudinkový model atomu kladný náboj = pudink elektrony = hrozinky Alfa částice by se při průchodu atomem rozptylovaly jen nepatrně Geiger-Marsdenův pokus (1909) Alfa částice se rozptylují i o velké úhly => Kladný náboj atomu je soustředěn do velmi malého jádra Ernest Rutherford (1871-1937)

Rutherfordův model atomu (1911) Elektrony obíhají kolem atomového jádra podobně jako planety kolem Slunce? Ernest Rutherford (1871-1937)

Rutherfordův model atomu (1911) Elektrony obíhají kolem atomového jádra podobně jako planety kolem Slunce? Problém: Částice s elektrickým nábojem při nerovnoměrném pohybu vyzařují el.mg. záření a ztrácejí tak energii. Elektron pokoušející se obíhat kolem jádra by do něj velmi brzy spadl!??? Ernest Rutherford (1871-1937)

Bohrův model atomu (1913) Bohrovy postuláty: Elektron může obíhat jádro atomu jen po některých vybraných dráhách Elektron může přijímat/vydávat energii jen po kvantech (fotonech), a to při přeskocích mezi povolenými dráhami: energie pohlceného/vyzářeného fotonu E=hν je rovna rozdílu energií obou drah atom vodíku Niels Bohr (1885-1962)

Stará kvantová teorie (1913-1920 ) Pokus o vybudování teorie mikrosvěta zkombinováním klasické fyziky s Bohr- Sommerfeldovými kvantovacími podmínkami (výběr kvantově povolených klasických drah částic). Příklad: harmonický oscilátor Harmonický pohyb s kruhovou frekvencí Obraz trajektorií ve fázovém prostoru: elipsy p=mv w = k m F= kx V=½kx 2 E b = 2mE x x plocha S a = 2E / k ( Kvantovací podmínka: = n + 1 )h S 2 E = 2 p 2m + kx 2 2 x a 2 2 + p b 2 2 = 1 S = pab E = n ( + 1 ) hw 2 h/2π 0,1,2,3,

Současná kvantová teorie (1924-1927 ) Pokus o vybudování teorie mikrosvěta zkombinováním klasické fyziky s Bohr- Sommerfeldovými kvantovacími podmínkami (výběr kvantově povolených klasických drah částic). Neúspěch teorie nebyla dostatečně bláznivá! Současná kvantová teorie: Louis De Broglie (1924), Werner Heisenberg (1925), Erwin Schrödinger (1926), Max Born (1927), John Von Neumann (1927) Erwin Schrödinger (1887-1961) Vlny, ne částice!

Současná kvantová teorie (1924-1927 ) Pokus o vybudování teorie mikrosvěta zkombinováním klasické fyziky s Bohr- Sommerfeldovými kvantovacími podmínkami (výběr kvantově povolených klasických drah částic). Neúspěch teorie nebyla dostatečně bláznivá! Současná kvantová teorie: Louis De Broglie (1924), Werner Heisenberg (1925), Erwin Schrödinger (1926), Max Born (1927), John Von Neumann (1927) Vlny i částice!!! Solvayská konference 1927

Stará kvantová teorie: posmrtný život (1970 - současnost) Korespondence klasické a kvantové mechaniky zůstává velmi zajímavou (dosud nedokončenou) oblastí fyziky. Až v 70. létech vyšla najevo silná provázanost klasických periodických trajektorií a kvantových stavů. Hustota kvantových stavů: energetické spektrum kvantových stavů je plně určeno vlastnostmi klasických periodických orbit. Kvantové jizvy: pozůstatky po periodických trajektoriích patrné ve tvaru vlnových funkcích vysoce excitovaných stavů.

2) DIRACOVO MOŘE

Diracova teorie elektronu (1928) Relativistický vztah mezi energií a hybností částice 2 2 2 4 2 2 E = mc E = m0c + p c 2 4 2 2 m0 m = E = m0c + p c v ( ) 2 1- c V klasické relativistické mechanice se bere v úvahu jen znaménko + V kvantové mechanice hraje roli také znaménko Paul A.M. Dirac (1902-1984) E 2 m 0 c klidová + klasická kinetická energie 2 2 p E = m0c + 2m 0 E = m + relativistická energie 2 4 2 2 0c p c p m c = v - 2 2 0 c v

Diracova teorie elektronu (1928) Jak chápat záporné energie elektronu?? Proč nedochází ke kolapsu hmoty ( pádu do E )??? Řešení: Všechny záporné energetické stavy jsou již obsazené ( Diracovo moře ). Pauliho vylučovací princip zakazuje přechody do těchto stavů. Pokud ale dojde k vyzvednutí elektronu ze záporného do kladného energetického stavu, vznikne v moři zaplněných stavů díra, která se bude chovat jako elektron s kladným nábojem - pozitron. Paul A.M. Dirac (1902-1984)

Diracova teorie elektronu (1928) Existence pozitronu experimentálně potvrzena v roce 1932: studium kosmického záření pomocí mlžné komory v magnetickém poli B r Carl Anderson (1905-1991) Pb směr pohybu e +

Diracova teorie elektronu (1928) Představa Diracova moře není udržitelná předpokládá například nekonečnou hustotu hmoty Světelný kužel Werner Heisenberg (1901-1976) Princip neurčitosti Dx Dp h 2 nicméně antičástice jsou nutným důsledkem propojení kvantové mechaniky s teorií relativity!

Diracova teorie elektronu (1928) Nadsvětelná částice může být v jiné soustavě viděna jako pohybující se dozadu v čase. Místo takovéto částice zavedeme antičástici pohybující se dopředu v čase s opačným nábojem. Werner Heisenberg (1901-1976) Pozorovatel I Pozorovatel II

Současná teorie antičástic (1932 současnost) Antičástice jsou běžnými účastníky fyzikálních procesů, stejně jako částice. Dají se vytvořit v laboratoři, ale předpokládá se, že antihmota ve vesmíru zanikla po Velkém třesku v anihilaci s hmotou, které bylo o něco víc. Richard Feynman (1918-1988) elektron-pozitronová anihilace rozpad neutronu

Současná teorie antičástic (1932 )

3) SKRYTÉ PARAMETRY

Dvouštěrbinový experiment A Fig. 1 Fig. 2 elektrony B Fig. 3 Fig. 4 A A B B

Dvouštěrbinový experiment elektronový mikroskop 10 100 elektrony 50 kev 3000 20000 A Tonomura et al., Am.J.Phys. 57 (1989) 117 70000

Dvouštěrbinový experiment Vlny, ne částice! Interferenční chování kvantových částic se vysvětluje jejich vlnovou povahou. Schrödinger zavedl vlnovou funkci Y( r r, t )

Dvouštěrbinový experiment Kvantové vlny si však musí uchovat také částicové vlastnosti. Vlna prochází oběma štěrbinami, ale částice je vždy registrována v jednom místě! Interpretace vlnové 2 funkce: určuje hustotu pravděpodobnosti nalezení částice v místě. Y( r, t) r r

1) Nevěřím, že Bůh hraje v kostky. Neraďte Bohu, co má dělat! 2) Fyzika zkoumá skutečné jevy v přírodě. Žádný jev není jevem, dokud není zaznamenaným jevem! 3) Kvantová mechanika obsahuje skrytý předpoklad okamžitého působení na dálku. Ale toto působení nemá charakter přenosu informace.

Paradox EPR (Einstein, Podolsky, Rosen) Uvažujme dvojici kvantových částic vylétajících do různých směrů, jejichž kvantový stav je popsán vlnovou funkcí Y = Y fl kvantově provázaný stav ( ) ( ) + Y fl Tj. buď ( ), nebo ( ) Ψ neurčuje vlastnosti každé z obou částic jednoznačně. Teprve měření na jedné z částic určí vlastnosti druhé částice.

Paradox EPR (Einstein, Podolsky, Rosen) Kvantová mechanika je jen provizorní, neúplná teorie. Její pravděpodobnostní charakter vyplývá z existence dosud skrytých parametrů částic. V úplné teorii bude vše jasné, stejně jako je jasné, jaké ponožky má pan Bertlmann. Teprve o cca 50 let později se ukázalo, že teorie, o které Einstein snil (tj. lokální teorie se skrytými parametry dávající stejné výsledky jako kvantová mechanika) neexistuje! John Bell (1928-1990)

Paradox EPR: reinkarnace Dnešní fyzikové o správnosti kvantové mechaniky již vesměs nepochybují, spíše se pokoušejí vzájemné provázanosti kvantových objektů prakticky využít Kvantová teleportace Kvantové počítání Přenos vlnové funkce z jednoho kvantového objektu (např. fotonu) na jiný Využití kvantových korelací pro urychlení některých typů výpočtů (např. faktorizace)

Budoucnost patří provázanosti!