Ανασκόπηση Κβαντικής Μηχανικής

Transcript

1 Ανασκόπηση Κβαντικής Μηχανικής I. Τα 3 χρόνια που άλλαξαν τη Φυσική II. Αξιώματα Κβαντικής Μηχανικής III. Η χρονικώς ανεξάρτητη εξίσωση του Scödg IV. Αρχή αβεβαιότητας V. Συμβολισμός Dac ba-kt VI. Παραδείγματα λύσης εξίσωσης του Scödg διάστατο φρεάτιο δυναμικού - περιστροφή σε και 3 διαστάσεις - το άτομο του υδρογόνου VII. Πολυ-ηλεκτρονικά άτομα Aufbau απαγορευτική αρχή Pau VIII. Ατομική φασματοσκοπία φασμ. όροι κανόνες επιλογής IX. Θεωρία διαταραχών X. Πιθανότητες μεταπτώσεων

2 Τα 3 χρόνια που άλλαξαν τη Φυσική * Υπόθεση Pack 9: Κβάντωση της ενέργειας του φωτός Nob Φυσικής 98 ν - Ακτινοβολία μέλανος σώματος είναι η σταθερά του Pack Js st 95: Nob Φυσικής 9 Δυαδική φύση του φωτός. ΦΩΣ : η/μ κύμα σωματίδιο φωτόνιο ν p - Ερμηνεία φωτοηλεκτρικού φαινομένου - Θερμοχωρητικότητα στερεών κβάντωση ενέργειας ύλης λ G. Gaow T 3 yas tat sook Pyscs Dov d. Σ. Τραχανάς Κβαντομηχανική Ι ΠΕΚ

3 Τα 3 χρόνια που άλλαξαν τη Φυσική Rutfod : Πλανητικό μοντέλο ατόμου Κίνηση ηλεκτρονίων σε καθορισμένες τροχιές γύρω από τον πυρήνα. Ns Bo 93-6: Οι ενεργειακές καταστάσεις των ατόμων είναι κβαντισμένες Κβάντωση της στροφορμής του ηλεκτρονίου Nob Φυσικής 4 9 μ 8 ε o - Ερμηνεία φάσματος εκπομπής υδρογόνου ν ttp://obp.og/ob_ps/sts/a/ 3

4 Τα 3 χρόνια που άλλαξαν τη Φυσική Lous d Bog 94: Η ύλη έχει δυαδική μορφή δηλ συμπεριφέρεται ως κύμα με μήκος κύματος λ και ως σωματίδιο με μάζα Nob Φυσικής και ταχύτητα u. Οι δύο μορφές συνδέονται με την 99 σχέση: λ p u είναι η σταθερά του Pack Js. Scödg 96 : Περιγραφή συστήματος σωματιδίων με βάση την κυματική εξίσωση Nob Φυσικής ΚΥΜΑΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ 933 W. Hsbg 96 : KBANTOMHXANIKH Nob Φυσικής 93 H y t y t 4

5 Αξιώματα της Κβαντικής Μηχανικής. ΣυνάρτησηκαταστάσεωςήΚυματοσυνάρτηση Όλη η πληροφορία σχετικά με την κατάσταση ενός φυσικού συστήματος περιγράφεται πλήρως από την κυματοσυνάρτηση : t Η t είναι η πεπερασμένη και συνεχής Η t είναι μονότιμη. Τελεστές Σε κάθε μετρήσιμη/παρατηρήσιμη φυσική ιδιότητα Α αντιστοιχεί ένας τελεστής Â ο οποίος ικανοποιεί μια εξίσωση ιδιοτιμής : Â α : ιδιοσυνάρτηση α : ιδιοτιμή 5

6 Αξιώματα της Κβαντικής Μηχανικής 3. Μέσοςόροςφυσ. ιδιότητας Αναμενόμενη τιμή τελεστή Η μέση τιμή παρατηρήσιμης ιδιότητας συστήματος το οποίο περιγράφεται από δεδομένη κυματοσυνάρτηση ισούται με την αναμενόμενη τιμή του αντίστοιχου τελεστή. Ω * Ω d * Ω d 4. Αξίωμα του Bo 97 Εάν t είναι η κυματοσυνάρτηση που περιγράφει κάποιο σωματίδιο / κύμα τότε *ttd είναι η πιθανότητα ότι την χρονική στιγμή t σωματίδιο βρίσκεται μεταξύ της θέσεως και d. 5. Χρονική εξέλιξη κυματοσυνάρτησης Η χρονική εξέλιξη της κυματοσυνάρτηση ενός συστήματος περιγράφεται από την εξίσωση του Scödg : Ω Ω t H V 6

7 Έστω σωματίδιο που περιγράφεται από την κυματοσυνάρτηση : Η πιθανότητα το σωματίδιο να βρίσκεται στη θέση d είναι γενικά : Στις θέσεις και : Παράδειγμα / / P P P π * a Η πιθανότητα το σωματίδιο να βρίσκεται σε όλο το χώρο είναι : Ρ π.67p / * / P d d π Κανονικοποίηση κυματοσυνάρτησης 7

8 Κατανομή πιθανότητας της συνάρτησης Gauss P P P * a π.67p / D.C. Has M. D. Btoucc Syty ad Spctoscopy Dov 978 8

9 Παράδειγμα Έστω σωματίδιο που περιγράφεται από την κυματοσυνάρτηση : / / π Να υπολογιστούν:. η μέση τιμή της θέσης του. η μέση τιμή του τετραγώνου της θέσης του π π / / d d... π π / / d d... 9

10 Ω Ω Μέσος όρος ή αναμενόμενη τιμή ενός τελεστή Ε Η Ε Η Η ή * * λύσεις με ή d d V Η χρονικώς χρονικώς ανεξάρτητη ανεξάρτητη εξίσωση εξίσωση του του Sc Scödg dg Μεταθέτης: [ΑΒ]ΑΒ ΒΑ t t t p p p δ δ ] [ δ δ δ δ ] [ δ δ Αρχή Αρχή του του Hbg Hbg δ ] [ δ δ Α Α A B A B A

11 Η χρονικώς ανεξάρτητη εξίσωση του Scödg Η Ε Λύση της εξίσωσης : - Κυματοσυνάρτηση y ιδιοσυνάρτηση - Ενέργεια Ε ιδιοτιμές - Κάθε φυσική ιδιότητα Α που περιγράφεται από αντίστοιχο τελεστή Â * A d < A > * d Ĥ : Χαμιλτωνιανή του συστήματος Hato Κλασσική Μηχανική : Η Κ.Ε. Δ.Ε. Κβαντική Μηχανική : Ĥ [ p ] V [ p ] V

12 Η χρονικώς ανεξάρτητη εξίσωση του Scödg Η Ε Λύση της εξίσωσης : - Κυματοσυνάρτηση y ιδιοσυνάρτηση - Ενέργεια Ε ιδιοτιμές - Κάθε φυσική ιδιότητα Α που περιγράφεται από αντίστοιχο τελεστή Â. Άπειρες ιδιοσυναρτήσεις με αντίστοιχες ιδιοτιμές Ε. j και j τότε οι και j ονομάζονται εκφυλισμένες 3. c : αποτελεί επίσης λύση της εξίσωσης 4. a b j : αποτελούν λύση της εξίσωσης όταν και j : εκφυλισμένες 5. Οι μη εκφυλισμένς ιδιοσυναρτήσεις είναι ορθογώνιες * j d * j d

13 Διασπορά μέτρησης - Αρχή της αβεβαιότητας Μέσοςόροςφυσ. ιδιότητας Αναμενόμενη τιμή τελεστή Η μέση τιμή παρατηρήσιμης ιδιότητας Α συστήματος το οποίο περιγράφεται από δεδομένη κυματοσυνάρτηση ισούται με την αναμενόμενη τιμή του αντίστοιχου τελεστή. A * A d * d Διασπορά τυπική απόκλιση της μέσης τιμής σ A δa Α Α 3

14 4 Αρχή Αρχή της της αβεβαιότητας αβεβαιότητας W. Hsbg Δεν είναι δυνατή η ταυτόχρονη μέτρηση δύο φυσικών ποσοτήτων χωρίς πεπερασμένη αβεβαιότητα. t t t p p p δ δ ] [ δ δ δ δ ] [ δ δ

15 Συμβολισμός Dac ή Ba-Kt backt Συμβολίζουμε το ολοκλήρωμα του γινομένου δύο καταστατικών συναρτήσεων και Φ ως εξής : Φ < : ba-vcto * Φ d Φ> : kt-vcto Έστω α : μιγαδικός αριθμός και * Φ d < Ισχύουν οι κανόνες :. aφ a Φ. a Φ a * Φ 3. Φ * Φ 4. Φ Φ 5. Φ Φ Φ Φ Φ Φ Φ Φ 5

16 Συμβολισμός Dac ή Ba-Kt backt Η Ε V Η χρονικώς ανεξάρτητη εξίσωση του Scödg Ε Η Αναμενόμενη τιμή τελεστή Κανονικοποίση j Ορθογωνικότητα j j δ j δ δ j j για για j j Συνθήκη ορθοκανονικότητας δ j : δέλτα Kock 6

17 Εφαρμογές. Σωματίδιο σε μονoδιάστατο φρεάτιο δυναμικού D V <<L V < >L d d 6 4 L 8L L π s L 3... Ενέργεια X Παρατηρήσεις. Πιθανότητα θέσης του σωματιδίου για 3. Επίδραση εύρους φρέατος L στις ενεργειακές στάθμες * V s L 7 π L

18 Εφαρμογές. Σωματίδιο σε μονoδιάστατο φρεάτιο δυναμικού D Αρχή της αβεβαιότητας. Να υπολογιστούν : <> < > <p > <p > δδp Τι παρατηρείτε για τον τελεστή p?. Έστω : 4 Να υπολογιστεί η αναμενόμενη τιμή της ενέργειας <Ε> Τι παρατηρείτε? 3. Γενίκευση για : Σc 4. Να δείξετε οτι οι ιδιοσυναρτήσεις και j είναι ορθογώνιες για j 8

19 9 Εφαρμογές Εφαρμογές. Σωματίδιο σε τρισδιάστατο φρεάτιο 3D y y y L L L y y y y y y Εάν οι το φρεάτιο είναι κυβικό τότε έχουμε εκφυλισμένα με την ίδια ενέργεια ενεργειακά επίπεδα π.χ. Ε 3 Ε 3 Ε 3 Συμμετρία φρεατίου και εκφυλισμός Προβλήματα. Στην περίπτωση φρεατίου D με διαστάσεις y y5 και y4 να προσδιοριστεί η ενέργεια που αντιστοιχεί στις χαμηλότερες καταστάσεις και να παρασταθεί διγραμματικά. Μελέτη φασμάτων απορρόφησης και χρώματος γραμμικών ακόρεστων υδρογονανθράκων της οικογένειας του καροτένιου ως συνάρτηση του αριθμού των ατόμων άνθρακα y y y

20 3. Σωματίδιο σε δακτύλιο Περιστροφή D d Φ ϕ dϕ Φ ϕ Φ φ π φ και I ± ±... Κβάντωση ενέργειας περιστροφής Φ φ Φ φ π Συνοριακή συνθήκη Ι είναι η Ροπή Αδράνειας RΦφ Φ φ Φ * φ π 4

21 4. Σωματίδιο Σωματίδιο σε σε επιφάνεια επιφάνεια σφαίρας σφαίρας Περιστροφή Περιστροφή 3D 3D s s s θ θ θ θ φ θ Λ Λ y y y y y Για τη λύση : θφθθφφ d : Τελεστής Lapac Λ : Lgda

22 4. Σωματίδιο σε επιφάνεια σφαίρας Περιστροφή 3D Y Θ Φ θ ϕ Θ θ Φ ϕ! θ P cosθ! ϕ ϕ ± ±... ± π Υ : Σφαιρικές αρμονικές Θ : Πολυώνυμα Lgd Y Y Y Y Y

23 4. Σωματίδιο σε επιφάνεια σφαίρας Περιστροφή 3D Y Θ Φ θ ϕ Θ θ Φ ϕ! θ P cosθ! ϕ ϕ ± ±... ± π Υ : Σφαιρικές αρμονικές Θ : Πολυώνυμα Lgd... Κβάντωση ενέργειας περιστροφής I L... L ± ±... Κβάντωση στροφορμής LLcosθ 3

24 5. Το άτομο του Υδρογόνου κίνηση σωματιδίου σε κεντρικό δυναμικό Σύστημα σωματιδίων Πυρήνας ατόμου πρωτόνιο φορτίο Ηλεκτρόνιο φορτίο - Χαμιλτωνιανή Κινητική ενέργεια πυρήνα Κινητική ενέργεια ηλεκτρονίου Ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση Couob H T T N V -N Η p p N N V N V N Z 4πε o N 4

25 5 5. Το Το άτομο άτομο του του Υδρογόνου Υδρογόνου Z: Ατομικός Αριθμός : 6 9 C ε : 8854 C /J μ: ανηγμένη μάζα {πρωτονίου } V V M V c p p μ μ p o Z V 4 μ πε ξίσωση του Scödg για την εσωτερική δομή του ατόμου y και y p κέντρο μάζας και y εσ [ ] !! / Z a a Z L a Z R Y R o o < ε π μ πε μ πε ρ ρ ρ ϕ θ ϕ θ ρ

26 5. Το Το άτομο άτομο του του Υδρογόνου Υδρογόνου V V M V c p p μ μ ξίσωση του Scödg για την εσωτερική δομή του ατόμου ε γ ε γ ε γ ε γ μ πε μ Λ Λ Λ Y Y R R RY RY Y R Y R Z o y θφ θφ RYθφ διαχωρισμός μεταβλητών επί /RY p p o M Z V 4 μ πε Z: Ατομικός Αριθμός : 6 9 C ε : 8854 C /J μ: ανηγμένη μάζα {πρωτονίου } y και y p κέντρο μάζας και y εσ

27 5. Το άτομο του Υδρογόνου R R Y γ Λ Y ε R Λ Y γ ε R Y Λ Y C Y R γ ε C R γ d R R εr d επί Γωνιακή συνιστώσα Σφαιρικές αρμονικές C Ακτινική συνιστώσα ξίσωση του Scödg με δυναμικό Z V 4πε o μ 7

28 8 5. Το Το άτομο άτομο του του Υδρογόνου Υδρογόνου Z: Ατομικός Αριθμός : 6 9 C ε : 8854 C /J μ: ανηγμένη μάζα {πρωτονίου } V p p [ ] !! / R Z a a Z L a Z R Y R H o o o < ε π μ πε μ πε ρ ρ ρ ϕ θ ϕ θ ρ Ακτίνα Bo 5.9Ǻ R H : Σταθερά Rydbg 3.6 V ή c -

29 5. Το άτομο του Υδρογόνου Z R a Z ρ a a o o 4πε μ θ ϕ 3 4 4μZ 3π ε o R p V Καλοί Κβαντικοί Αριθμοί: : Κύριος Κβαντικός Αριθμός : Τροχιακή Στροφορμή : Στροφορμή ως προς τον άξονα s : Sp p Y 4πε [! ] θ ϕ! 3 Z: Ατομικός Αριθμός : 6 9 C ε : 8854 C /J μ: ανηγμένη μάζα {πρωτονίου } R H ρ L ρ ρ / 3... < 4π R s s p Αρχή του Pau: Σε ένα άτομο δύο ηλεκτρόνια δεν μπορούν να ταυτίζουν και τους 4 καλούς 9 κβαντικούς αριθμούς.

30 5. Το άτομο του Υδρογόνου Κβαντικοί αριθμοί κύριος Ενέργεια τροχιακού Μέγεθος τροχιακού τροχιακός - Στροφορμή Σχήμα τροχιακού μαγνητικός ± ±... ± Προσανατολισμός τροχιακού s μαγνητικός sp / Προσανατολισμός sp 3

31 5. Το άτομο του Υδρογόνου s ατομικά τροχιακά / s / s s p 3 / s s p 3s 3p 3d / s s p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f s /πα ο3 / -/α ο Πιθανότητα να ευρίσκεται το στο χώρο: ddθdφ : d : s * s /πα ο3 -/α ο Pd με P 4π /πα ο3 -/α ο ΓιατοάτομοΗναυπολογισθείημέσηακτίνατωντροχιακώνs και s Να υπολογισθεί η ακτίνα στην οποία η ακτινική πιθανότητα παρουσιάζει μέγιστο για τα στοιχεία Η H L B B C N O F N Να θεωρήσετε υδρογονοειδή κυματοσυνάρτηση του s 3

32 y R ttp://wt.goup.sf.ac/obto 3

33 y R ttp://wt.goup.sf.ac/obto 33

34 5. Το άτομο του Υδρογόνου. Φάσμα απορρόφησης-εκπομπής Κανόνες επιλογής ηλεκτρονιακών μεταπτώσεων στο άτομο του Η Διάγραμμα Gota για το H Δ ακέραιος Δ αρχή διατήρησης στροφορμής Lya Ba Pasc 3 34

35 5. Το άτομο του Υδρογόνου LIBS Itsty Couts Φάσμα εκπομπής παραγόμενο κατά την ακτινοβόληση H O με λέιζερ fs υπό συνθήκες φωτοαποδόμησης as abato Las-ducd bakdow spctoscopy NH OH Hδ 4.7 Hγ Hβ N O 65.8 N O N 8.3 O N W avgt Hα

36 36 Ατομική Ατομική Φασματοσκοπία Φασματοσκοπία Φασματοσκοπικοί Όροι: S L J όπου Για δύο ηλεκτρόνια η συνολική στροφορμή και το συνολικό sp προσδιορίζεται από διανυσματικό άθροισμα δηλ s s s s s s s s S L H συνολική στροφορμή ως προς τον άξονα προσδιορίζεται από το αλγεβρικό άθροισμα δηλ. L Π.χ. Για sp: J S L J S L S S s s L Οι όροι που προκύπτουν είναι: 3 P P S L S L S L S L J...

37 s p s s M L M S Γράφουμε όλους τους δυνατούς συνδυασμού των ζευγών s Υπολογίζουμε τα αθροίσματα Μ L M S Προσδιορίζουμε αριθμό των ισοδύναμων ζευγών Μ L M S και σχηματίζουμε πίνακα Από τις μέγιστες τιμές των Μ L M S προσδιορίζουμε σχηματίζουμε τον μέγιστο φασματοσκοπικό όρο εδώ είναι 3 P και αφαιρούμε τα ζεύγη που αντιστοιχούν στο όρο αυτό από τον πίνακα. L \ s 37

38 L \ s Αφαιρούμε τις 3 P καταστάσεις 3 L \ s L \ s Αφαιρούμε τις P καταστάσεις Οι τιμές του J υπολογίζονται από την σχέση J L S L S L S... L S Δηλ. έχουμε 3 P και P Για κλειστά τροχιακά πλήρως συμπληρωμένα π.χ. s p 6 d ο φασματοσκοπικός όρος που αντιστοιχεί είναι το S 38

39 - s s L S ud 5-5 u u u d u u u d d u d d d u d d ud 5-5 u u u d d d d u ud p L\S Αφαιρούμε τις D καταστάσεις Για G καταστάσεις και Ν ηλεκτρόνια ο αριθμός των συνδυασμών είναι # G! N! G N! G!3 G!! Π.χ. Για το p G6 και Ν δηλ #5 L\S Αφαιρούμε τις S καταστάσεις L\S Αφαιρούμε τις 3 P καταστάσεις 3 L\S Οι φασματοσκοπικοί όροι είναι S D 3 P Ενώ με την σύντομη μέθοδο θα είχαμε L και S δηλ. S D 3 P P 3 S 3 D 39

40 Κανόνες Επιλογής Το φωτόνια είναι Bosos και έχουν Sp s p s ± Για γραμμικά πολωμένο φως s Για κυκλικά πολωμένο φως s ± Επομένως η αρχή διατήρησης της στροφορμής επιβάλει ότι για τις μεταπτώσεις που επιτρέπονται κατά την απορρόφηση ή εκπομπή ενός φωτονίου ισχύει 3s{ S / } s{ S / } Δ ± Δ ± ΔJ ± 3p{ P 3/ } 3p{ P / } s{ S / } p{ P 3/ } p{ P / } 3d{ D 5/ } d{ D 3/ } Μονάδες c ν c ~ ν λ Ενέργεια V J... ~ - ν κυματάριθμοι c V 8655 c 4 V λ 4

41 Χρονικώς ανεξάρτητη θεωρία Διαταραχών Όταν οι διαταραχές Η Η...στην Hatoa το συστήματος Η είναι σχετικά μικρές τότε οι νέα μορφή της Hatoa είναι H H H H... Η μεταβολή στην ενέργεια και κυματοσυνάρτηση του συστήματος για πρώτης τάξης διαταραχή δίνονται από την σχέση k H H k ~ k ν Όπου οι k είναι ιδιοσυναρτήσεις του μηδιαταραγμένου συστήματος k H k k k Ε Δε /ΔΕ Η μεταβολή στην ενέργεια του συστήματος για δευτέρας τάξης διαταραχή δίνεται από την σχέση H H k k k k H ΔΕ Ε Δε /ΔΕ Παρατηρούμε ότι η μέση ενέργεια του συστήματος δεν μεταβάλλεται 4

42 Εκφυλισμένα Ενεργειακά Επίπεδα Για εκφυλισμένα επίπεδα η ενέργεια του συστήματος δίδεται από την λύση της εξίσωσης dt k H k Για ορθοκανονικές βάσεις H... k δ k Ε Ε Ε Ε Ε 3 ε Ε Ε ε H H H H Ε 3 ε Παρατηρούμε ότι η μέση ενέργεια του συστήματος δεν μεταβάλλεται 4

43 Το φαινόμενο Stak Εφαρμόζεται ένα ομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο με διεύθυνση κατά μήκος του άξονα την οποία θεωρούμε ως διατάραξη πρώτης τάξης δηλ. H μ Ε Στην περίπτωση των ατομικών τροχιακών s και p που απουσία του πεδίου είναι εκφυλισμένα εφαρμόζοντας το ηλεκτρικό πεδίο έχουμε μ p ε 3a H s H p 3a ε p ε p ε ± 3α s H H s s ε p p s p ε p s s s ε p s Και οι κυματοσυναρτήσεις είναι: 3a ε 3a 3a 3a ε 3a 3a 3a p 3a s 3a p 3a s p s p s p s 3a 3a p s 43

44 Χρονικώς εξαρτημένη θεωρία Διαταραχών a f t H t aψ t f H t / t ω f ω t dt f Π.χ. Εάν Η th kt και ησταθεράk είναι πολύ μικρή δηλ. οχρόνοςτης διατάραξης είναι πολύ μεγάλος αργή διαταραχή H t ω f H f ω t a f t όταν t >> ω f ω k t Παρατηρούμε ότι το αποτέλεσμα είναι το ίδιο με αυτό της πρώτης τάξης χρονικώς ανεξάρτητης διαταραχής. 44

45 Π.χ. Εάν Η th cosωt P f t V ω f f a ω f H f t ω f ω ω f f H V f s ω ω f t Όταν ω f τότε λέμε ότι έχουμε συντονισμό και παρατηρούμε ότι η πιθανότητα της μετάπτωσης είναι P f t V t f Ρυθμός Μετάπτωσης W f dp f dt t V f t 45

46 f ρν f είναι πυκνότητα καταστάσεων κοντάστηντελικήμέση ενέργεια της ζώνης Για μεταπτώσεις σε ζώνη ενεργειών bad ισχύει ο Χρυσός Κανών του F dpf t W f πv f ρ Ν dt f Παρατηρούμε ότι ο Ρυθμός είναι Χρονικώς ανεξάρτητος! Ο ρυθμός είναι ανάλογος της πυκνότητας των καταστάσεων! Πιθανότητες Μεταπτώσεων st Εξαναγκασμένη Απορρόφηση Εξαναγκασμένη Εκπομπή Αυθόρμητη Εκπομπή f W f f B f ρ W B ρ W f A f B f B f B f ρ A f B f ρ f 46