Fysikaliska krumsprång i spexet eller Kemister och matematik!



Relevanta dokument
1-1 Hur lyder den tidsberoende Schrödingerekvationen för en partikel som rör sig längs x-axeln? Definiera ingående storheter!

Föreläsning 1: Introduktion, Mikro och makrotillstånd, Multiplicitet, Entropi

Kvantmekanik - Gillis Carlsson

En trafikmodell. Leif Arkeryd. Göteborgs Universitet. 0 x 1 x 2 x 3 x 4. Fig.1

If you think you understand quantum theory, you don t understand quantum theory. Quantum mechanics makes absolutely no sense.

F3: Schrödingers ekvationer

Kvantmekanik. Kvantmekaniken: De naturlagar som styr förlopp i den mikroskopiska världen (och i den makroskopiska!) Kvantmekanik.

Anders Logg. Människor och matematik läsebok för nyfikna 95

Kommentarer till tunneleffekten och övningsuppgift 3:5

Dataprojekt. Nanovetenskapliga tankeverktyg. January 18, 2008

En ideal op-förstärkare har oändlig inimedans, noll utimpedans och oändlig förstärkning.

Kvantfysik - introduktion

1. 20 identiska bollar skall delas ut till fem flickor och fem pojkar. På hur många olika sätt kan detta ske om

1. INLEDNING 2. TEORI. Arbete A4 Ab initio

1.13. Den tidsoberoende Schrödinger ekvationen

Måndag 29 september: Resonansfenomen (Janusz)

Partiklars rörelser i elektromagnetiska fält

Föreläsning 6: Introduktion av listor

Uppsala Universitet Institutionen för fotokemi och molekylärvetenskap EG FH Konjugerade molekyler

R AKNE OVNING VECKA 1 David Heintz, 31 oktober 2002

12 Elektromagnetisk strålning

FAFA Föreläsning 7, läsvecka 3 13 november 2017

Kvantmekanik. Kapitel Natalie Segercrantz

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

1.5 Våg partikeldualism

Begrepp :: Determinanten

Numerisk lösning till den tidsberoende Schrödingerekvationen.

Dagens tema. Fasplan(-rum), fasporträtt, stabilitet (forts.) (ZC sid 340-1, ZC10.2) Om högre ordnings system (Tillägg)

s 1 och s 2 är icke kvantmekaniska partiklar? e. (1p) Vad blir sannolikheterna i uppgifterna b, c och d om vinkeln = /2?

Självkoll: Ser du att de två uttrycken är ekvivalenta?

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Mät spänning med en multimeter

9.3. Egenvärdesproblem

ELLÄRA. Denna power point är gjord för att du ska få en inblick i elektricitet. Vad är spänning, ström? Var kommer det ifrån? Varför lyser lampan?

ANDREAS REJBRAND Matematik Numeriska serier. Andreas Rejbrand, april /29

Frågorna 1 till 6 ska svaras med sant eller falskt och ger vardera 1

REGLERTEKNIK KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120 Kortfattade lösningsförslag till tentamen , kl

Fysik TFYA86. Föreläsning 10/11

Tenta Elektrisk mätteknik och vågfysik (FFY616)

1.13. Den rektangulära potentialbrunnen

Senaste revideringen av kapitlet gjordes , efter att ett fel upptäckts.

OBS! Svaren på förståelsedelen skall ges direkt på tesen som skall lämnas in.

Fysiska institutionen april 1983 Hans Linusson, Carl-Axel Sjöblom, Örjan Skeppstedt januari 1993 FY 2400 april 1998 Distanskurs LEKTION 25.

Diskret matematik: Övningstentamen 4

Tillåtna hjälpmedel: Physics Handbook, Beta, kalkylator i fickformat, samt en egenhändigt skriven A4-sida med valfritt innehåll.

FÖRELÄSNING 1 ANALYS MN1 DISTANS HT06

Jonisering. Hur fungerar jonisering? Vad är en jon?

Torsdag 30 oktober. Brownsk rörelse, svartkroppsstrålning (Arne, Janusz)

Andra föreläsningen kapitel 7. Patrik Lundström

I princip gäller det att mäta ström-spänningssambandet, vilket tillsammans med kännedom om provets geometriska dimensioner ger sambandet.

Facit till Några extra uppgifter inför tentan Matematik Baskurs. x 2 x

Fysik TFYA68. Föreläsning 11/14

Grafer. 1 Grafer. Grunder i matematik och logik (2015) 1.1 Oriktade grafer. Marco Kuhlmann

Svaren på förståelsedelen skall ges direkt på tesen som ska lämnas in

a), c), e) och g) är olikheter. Av dem har c) och g) sanningsvärdet 1.

TENTAMEN I KVANTFYSIK del 1 (5A1324 och 5A1450) samt KVANTMEKANIK (5A1320) med SVAR och LÖSNINGSANVISNINGAR Tisdagen den 5 juni 2007

LABORATION ENELEKTRONSPEKTRA

BANDGAP Inledning

NFYA02: Svar och lösningar till tentamen Del A Till dessa uppgifter behöver endast svar anges.

Just nu pågår flera satsningar för att förbättra svenska elevers måluppfyllelse

SF1624 Algebra och geometri Tentamen Onsdagen 29 oktober, 2014

Heterogen miljö en omgivning som varierar i tid eller rum - kan bidra till att mellanartskonkurrensen inte hinner få full effekt.

Kvantbrunnar -Kvantiserade energier och tillstånd

Tentamen i Matematisk statistik Kurskod S0001M

Uppgift 2 Betrakta vädret under en följd av dagar som en Markovkedja med de enda möjliga tillstånden. 0 = solig dag och 1 = regnig dag

Uppvärmning, avsvalning och fasövergångar

varandra. Vi börjar med att behandla en linjes ekvation med hjälp av figur 7 och dess bildtext.

Kurvlängd och geometri på en sfärisk yta

1.7. Tolkning av våg partikeldualiteten

ÖVNINGSUPPGIFTER KAPITEL 9

Småsaker ska man inte bry sig om, eller vad tycker du? av: Sofie Nilsson 1

Totalt finns det alltså 20 individer i denna population. Hälften, dvs 50%, av dem är svarta.

Observera att uppgifterna inte är ordnade efter svårighetsgrad!

9-1 Koordinatsystem och funktioner. Namn:

4-7 Pythagoras sats. Inledning. Namn:..

Kvantbrunnar Kvantiserade energier och tillstånd

1 Cirkulation och vorticitet

Lektionsanteckningar 2: Matematikrepetition, tabeller och diagram

Utveckling mot vågbeskrivning av elektroner. En orientering

1.7. Tolkning av våg partikeldualiteten

1.1 Mätning av permittiviteten i vakuum med en skivkondensator

Sidor i boken , , 3, 5, 7, 11,13,17 19, 23. Ett andragradspolynom Ett tiogradspolynom Ett tredjegradspolynom

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Fysik TFYA86. Föreläsning 11/11

Laboration i Maskinelement

Laboration i Fourieroptik

K3 Om andra ordningens predikatlogik

Kapitel 4. Materievågor

6.2 Partikelns kinetik - Tillämpningar Ledningar

INDUKTION OCH DEDUKTION

PLANCKS KONSTANT.

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin Föreläsning 7 Kvantfysik, Atom-, Molekyl- och Fasta Tillståndets Fysik

Repetitionsuppgifter i Matematik inför Basår. Matematiska institutionen Linköpings universitet 2014

Kvantkemi. - M. W. Hanna, Quantum Mechanics in Chemistry, Benjamin, Menlo Park, CA, 1969.

Var försiktig med elektricitet, laserstrålar, kemikalier osv. Ytterkläder får av säkerhetsskäl inte förvaras vid laborationsuppställningarna.

atomkärna Atomkärna är en del av en atom, som finns mitt inne i atomen. Det är i atomkärnan som protonerna finns.

Kapitel IV. Partikeltalet som termodynamisk variabel & faser

Termodynamik Av grekiska θηρµǫ = värme och δυναµiς = kraft

Tentamen Fysikaliska principer

Fysikaliska modeller

Transkript:

Fysikaliska krumsprång i spexet eller Kemister och matematik! Mats Linder 10 maj 2009 Ingen sammanfattning. Sammanfattning För den hugade har vi knåpat ihop en liten snabbguide till den fysik och kvantmekanik som figurerar i spexet, så att man lättare hänger med, alternativt kan skratta lite i efterhand... Och, förstås, för att det är så förbaskat roligt med matte! 1 Plancks konstant Plancks konstant, h, är en fysikalisk konstant som kan sägas koppla samman den atomära energiskalan med den makroskopiska vi vant oss vid genom SI-systemet. Det är idag välkänt att energin i en foton är lika med ɛ = hν, men på Plancks tid var detta påstående något revolutionerande. För att nå fram till detta uttryck var Planck nämligen tvungen att postulera att energin hos ljus var kvantiserad. Då man på den tiden såg ljus som en vågrörelse (eftersom det beter sig som mekanisk våg som helst i de flesta experiment), var det oerhört att plötsligt se på ljus som beståend av ett antal diskreta element fotoner. Värdet på Plancks konstant är h = 6.626 10 34 J s 1. Detta extremt låga tal speglar att 1 joule är en extremt stor energienhet på atomär nivå. Det är många gånger bekvämare att jobba med Plancks reducerade konstant, h = h/2π. Strecket på h:et ska inte alls peka ner i graven. 2 Heisenbergs osäkerhetsprincip x p x h 2 Heisenbergs osäkerhetsprincip talar om för oss att produkten av osäkerheterna i en mätning av positionen (x) och rörelsemängden (p x ) i ett system som beskrivs av vågfunktionen ψ, alltid måste vara större än eller lika med h/2. Ju säkrare man kan bestämma den ena storheten (säg x, alltså mindre x), desto större blir osäkerheten i den andra variabeln (större p x ). Detta beror på att storheterna position och rörelsemängd inte kommuterar i kvantmekaniken. Enligt 1

Köpenhamnstolkningen, som Heisenberg själv bidrog stort till, kan aldrig två storheter som inte kommuterar mätas samtidigt och precist. Heisenbergs osäkerhetsprincip är alltså generaliserbar och kan gälla fler par av storheter än position och rörelsemängd. Det kan dock poängteras att eftersom osäkerhetsrelationen innehåller h är det bara kvantmekaniska system den gör sig påmind. 3 Sc hrödingerekvationen och den endimensionella lådan Den uppmärksamme åskådaren noterade kanske att det faktiskt var fel på Schrödingerekvationen i föreställningen, vilket Werner Heisenberg avslöjar. Det är alltså massan som saknas, och det korrekta uttrycket för den tidsberoende Schrödingerekvationen är som följer: i h Ψ t = h2 2m 2 Ψ + V (r)ψ. (1) Ψ = Ψ(r, t) är vågfunktionen, 2 den så kallade Laplaceoperatorn som beskriver rörelseenergi och V (r) är en extern potential där uttrycket beror av det aktuella systemet. Genom så kallad variabelseparation kan man separera tidsberoendet från rumsberoendet och anlända till den tidsoberoende Schrödingerekvationen, Ĥψ = Eψ, (2) vilket känns igen som ett egenvärdesproblem. Operatorn Ĥ kallas energioperatorn eller Hamiltonoperatorn av tradition. Ĥ = h2 2m 2 + V (r) = ˆT + ˆV. (3) ψ är den nu tidsoberoende vågfunktionen och E är energin för det system som beskrivs av ψ. Genom att lösa ekvation 2 får man fram alla n egenfunktioner ψ n med tillhörande egenvärden E n. Det är detta resultat som leder till den berömda slutsatsen att även energin för materia (elektroner, protoner, osv), måste vara kvantifierad i diskreta nivåer. Beloppet på ψ 2 som funktion av rumsvariabeln kan lite löst sägas beskriva var partikeln uppehåller sig. Ju högre belopp i en punkt, desto större sannolikhet att hitta partikeln i (och kring) den punkten. Det matematiska utseendet på Schrödingerekvationen varierar starkt beroende på system. Faktum är att den inte går att lösa exakt utom i några få specialfall, som till exempel väteatomen och den endimensionella lådan. Det sistnämnda är ett rent tankeexperiment (nej, det går inte att bli förpassad till en sådan), men det fungerar väldigt bra för att illustrera en rad kvantmekaniska fenomen. Med detta något paradoxala begrepp menar man att man har en partikel, t.ex. en elektron, som rör sig längs en x-axel. I det enklaste fallet är partikeln instängt mellan två punkter, säg a och a. Med instängd menar man att den potentiella energin som måste övervinnas för att passera dessa punkter är oändlig. Inuti lådan är potentialen noll. Nu får Schrödingerekvationen ett kraftigt förenklat utseende, nämligen h 2 2m d 2 ψ + Eψ = 0, x < a, (4) dx2 ψ(x) = 0, x > a. (5) Detta är en andra ordningens differentialekvation, vars lösningar är välkända. ψ = A cos kx + B sin kx, (6) 2

Figur 1: (a) Relativa energinivåer för de första lösningarna på vågfunktionen i den endimensionella lådan. Ett urval av egentillstånd för vågfunktionen (här; u(x) istället för ψ(x)) samt (c) kvadraten av densamma. där k = (2mE/ h 2 ) 1/2. Eftersom ψ = 0 utanför a och a måste också ψ(a) = 0 (ψ måste vara kontinuerlig). Vågfunktionen är alltså en sinusvåg (härav namnet) som är bunden mellan a och a. En intressant sak som händer för energinivåer högre än den första är då att det finns en eller flera noder i lådan, dvs punkter där funktionsvärdet är noll (se figur 1). Detta innebär i princip att en elektron på denna energinivå kan uppehålla sig till höger och vänster om, men inte på noden! Den tar sig uppenbarligen emellan noderna men aldrig igenom. Detta är ett typiskt kvantmekaniskt fenomen, som kan sätta griller i huvudet på de flesta. Men sådan är kvantmekaniken! 4 Om tunneleffekten Kvantmekanisk tunnling är ett fenomen som kan uppstå när ett objekt är bundet av en ändlig potential, t.ex. en endimensionell låda med väggar med höjden V 0 istället för oändligheten. Inuti 3

lådan är Schrödingerekvationen identisk med det förra fallet (ekvation 4) och den allmänna lösningen ser likadan ut. Dock är randvillkoren annorlunda. För x > a modifieras Schrödingerekvationen till vars allmänna lösning är h 2 d 2 ψ 2m dx 2 (V 0 E)ψ = 0, x > a, (7) ψ(x) = Ce κx, x < a (8) ψ(x) = De κx, x > a. (9) Här är κ = [2m(V 0 E)/ h 2 ] 1/2. Alla lösningar måste vara kontinuerliga funktioner, vilket gör att man iterativt får beräkna värdet på konstanterna och därmed energinivåerna. Det intressanta är att även för bundna tillstånd (E < V 0 ) så är ψ skild från noll i regioner där x > a (figur 4). Vad innebär det då? Jo, att det finns en liten men existerande sannolikhet att partikeln befinner sig utanför lådan även om den inte har energi nog att övervinna energibarriären! Detta är ett enkelt exempel på det fenomen som kallas kvantmekanisk tunnling, eller tunneleffekten. Man kan notera att sannolikheten att partikeln är utanför lådan går upp när dess energi närmar sig V 0, vilket känns logiskt. I verkliga system har också barriären en ändlig bredd, vilken starkt påverkar sannolikheten att tunnla. Man ska ha klart för sig att tunnefekten inte på något sätt är ett vardagligt fenomen. Tvärtom. Att en hel människa skulle kunna tunnla är helt absurt. Bara ett pucko skulle komma på något sådant... 5 Referens Figurerna och en del av argumenten är hämtade ur Rae, A. I. M., Quantum Mechanics, 4 th ed., IOP Publishing, London, 2002. 4

Figur 2: (a) De 4 första energinivåerna i en endimensionelll låda med barriären V 0 = 25 h 2 /2ma 2. Dessa är de enda bundna tillstånden. (b) Vågfunktionen (här u(x)) och (c) den kvadrerade vågfunktionen för dessa. 5