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MECCANICA QUANTISTICA

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MECCANICA QUANTISTICA. 1 o POSTULATO. Una particella è descritta mediante una funzione d’onda  (posizione, tempo). Se abbiamo la funzione d’onda di un sistema, possiamo ottenere tutto ciò che è possibile conoscere di quel sistema. Esempi:

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Presentation Transcript
slide3

1o POSTULATO

Una particella è descritta mediante una funzione d’onda  (posizione, tempo)

Se abbiamo la funzione d’onda di un sistema, possiamo ottenere tutto ciò che è possibile conoscere di quel sistema.

Esempi:

Per una singola particella che si muove in una dimensione:

Per una singola particella che si muove in tre dimensioni:

Per due particelle che si muovono in tre dimensioni:

slide4
(x,y,z,t) è soluzione dell’equazione di SCHRÖDINGER

non è un’onda fisica.

èun’entità matematica astratta che contiene le informazioni sullo stato del sistema.

slide5

Newton Schrödinger

Soluzione:

x=x(t)(x)

p=p(t)

slide6

Particella libera in moto lungo l’asse xMeccanica Classica

Sia una particella di massa m che si muove in assenza di potenziale. La sua posizione è data da x. L’espressione dell’energia totale, cioè dell’energia cinetica in funzione del momento lineare:

V = 0

slide8

Ψ(x) = eikx è una soluzione

ma anche Ψ(x) = e-ikx è soluzione.

La soluzione generale è Ψ(x) = A eikx + B e-ikx

slide9

Qualunque valore di k è accettabile

Qualunque valore di E è accettabile

Energia NON quantizzata

Energia è solo Ecin

p = ± k ħ

slide10

Ψ(x) = eikx = cos kx + i sin kx

cos kx : onda di lunghezza d’onda λ = 2π/k  k=2π/ λ

p = k ħ = 2π/λ ħ = 2π/λ h/2π = h/λ

λ = h/p ipotesi di de Broglie

Per una particella libera l’equazione di

Schrödinger implica la relazione di de Broglie.

PLAUSIBILITA’ dell’equazione di Schrödinger

E’ comunque un POSTULATO

slide12

  • HA UNA INTERPRETAZIONE
  • HA DEI VINCOLI
  • CONTIENE TUTTE LE INFORMAZIONI DINAMICHE SUL SISTEMA
interpretazione della funzione d onda
INTERPRETAZIONE DELLA FUNZIONE D’ONDA

1

  • Secondo la teoria ondulatoria della luce, il quadrato dell’ampiezza di un’onda elettromagnetica è proporzionale all’intensità della luce
    • Poiché la luce si comporta come una particella (fotone), l’intensità deve essere una misura della probabilità di trovare un fotone in un volume dello spazio
  • Se applichiamo questa idea alle particelle, il valore di ||2 in un punto è proporzionale alla probabilità di trovare la particella in quel punto
  • La quantità fisicamente significativaè ||2

INTERPRETAZIONE DI BORN DELLA 

interpretazione di born della
INTERPRETAZIONE DI BORN DELLA 

Se la funzione d’onda ha valore (x) nel punto x, la probabilità di trovare una particella tra x e x+dx è proporzionale a |(x)|2dx

Max Born

slide15

densità di probabilità

Probabilità

sempre positiva e reale

Interpretazione della funzione d’onda in 1-D

Ψ(x)  ampiezza di probabilità: positiva, negativa, complessa

Probabilità

slide16

Funzione d’onda

Densità di probabilità

Ψ(x)

positiva

e negativa

|Ψ(x)|2 = Ψ(x)Ψ(x)*

 sempre positiva e reale

Ψ

Ψ = Ψr + i Ψi

Ψ* = Ψr - i Ψi

|Ψ|2 = Ψr2 + Ψi2

slide17

Probabilità

Densità di probabilità =

probabilità per unità di volume

Elemento di volume

Interpretazione della funzione d’onda in 3-D

Se la funzione d’onda di una particella vale Ψ(x,y,z) nel punto (x,y,z), allora la probabilità di trovare particella tra x e x+dx, y e y+dy, z e z+dz, cioè nel volume infinitesimo d = dx dy dz è proporzionale a |(x,y,z)|2d

P(x,y,z)=Ψ(x,y,z)Ψ(x,y,z)*dx dy dz

slide18

Voi siete probabilmente qui

Meccanica classica : deterministica

Meccanica quantistica: probabilistica

slide20

Re(Ψ)

Tutte le energie

sono permesse

posizione x

slide21

NORMALIZZAZIONE

Proprietà matematica dell’equazione di Schrödinger

Se Ψ è una soluzione

alloraN Ψè pure una soluzione

Prova:

interpretazione di born e normalizzazione della
Interpretazione di Born e normalizzazione della 
  • Deve valere la condizione:

La probabilità che la particella sia da qualche parte deve essere 1

  • Se la  soddisfa questa condizione viene detta normalizzata.
  • Se la  non soddisfa questa condizione, viene moltiplicata per un fattore costante N per normalizzarla
slide23

  • HA UNA INTERPRETAZIONE
  • HA DEI VINCOLI
  • CONTIENE TUTTE LE INFORMAZIONI DINAMICHE SUL SISTEMA
slide24

X

||2

L’interpretazione di Born introduce dei vincoli sulla 

In corrispondenza al punto X ci sia una variazione di potenziale.

V

X

Se la  avesse una discontinuità in X, la probabilità di trovare la particella in X avrebbe due diversi valori se tendiamo ad X da differenti direzioni

La  deve essere continua in tutto lo spazio, inclusi i punti in cui si ha variazione del potenziale

slide25

Ψ non è continua

dΨ/dx e d2Ψ/dx2 non sono definite

L’eq. di Schrödinger non è definita

slide26

dΨ/dx non è continua

Quindi d2Ψ/dx2 non è definita

L’eq. di Schrödinger non è definita

vincoli sulla forma della legati all interpretazione di bohr
VINCOLI SULLA FORMA DELLA  LEGATIALL’INTERPRETAZIONE DI BOHR

2

  • deve essere continua
  • La derivata seconda della  deve essere definita
  •  deve essere a valore singolo
  •  deve essere ovunque finita; altrimenti non potrebbe essere normalizzata
l interpretazione di born e i vincoli sulla
L’INTERPRETAZIONE DI BORN E I VINCOLI SULLA 

I vincoli impediscono di trovare soluzioni accettabili dell’equazione di Schrödinger per valori arbitrari dell’Energia

Una particella può avere solo certi valori dell’Energia, altrimenti la  sarebbe fisicamente inaccettabile

ENERGIA QUANTIZZATA

slide31

  • HA UNA INTERPRETAZIONE
  • HA DEI VINCOLI
  • CONTIENE TUTTE LE INFORMAZIONI DINAMICHE SUL SISTEMA
slide32

COME OTTENIAMO

ALTRE INFORMAZIONI

(OLTRE ALLA POSIZIONE)

DALLA Ψ

?

slide33
Le proprietà misurabili di un sistema fisico sono dette “osservabili”
  • Un’osservabile può essere una proprietà statica: massa, durezza, colore, …
  • Un’osservabile può essere una variabile dinamica: posizione, momento lineare, … che caratterizza i cambiamenti di stato di un sistema
slide34

2o POSTULATO

Ad ogni osservabile della meccanica classica corrisponde un operatore in meccanica quantistica

Definizione generale di operatore

Un operatore è una regola che trasforma una funzione in un’altra funzione

slide35

La nuova funzione g(x) può essere diversa dalla funzione originale f(x).

  • Se la nuova funzione è un multiplo della funzione originale:
  • Â f(x) = λ f(x)
  • f(x) è detta essere un’autofunzione dell’operatore  con associato autovaloreλ

Operatore d/dx

sin(kx) non è un’autofunzione

ekx è un’autofunzione e l’autovalore associato è k

slide36

OSSERVABILE OPERATORE

POSIZIONEx

MOMENTOpx

ECINETICA

EPOTENZIALEV(x)

ETOTALEE=T+V

x

V(x)

come si ottengono le informazioni oltre la posizione dalla
COME SI OTTENGONO LE INFORMAZIONI (OLTRE LA POSIZIONE) DALLA  ?

3

3o POSTULATO

In ogni osservazione dell’osservabile associata all’operatore Ω, i soli valori che si possono misurare sono gli autovalori ωi che soddisfano all’equazione agli autovalori

slide38

Autovalori ed autofunzioni

(operatore)(funzione) = (costante)(stessa funzione)

(operatore)(autofunzione) = (autovalore)(autofunzione)

slide39

OPERATORE HAMILTONIANO

Se l’operatore è l’operatore Hamiltoniano, l’equazione agli autovalori è l’equazione di Schrödinger

Risolvere l’equazione di Schrödingervuol dire trovare gli autovalori e le autofunzioni dell’operatore Hamiltoniano per il sistema

slide40

OPERATORE MOMENTO LINEARE

La componente px del momento lineare della particella

è data da:

V=0 particella libera.

1) Autofunzione Ψ+(x)=eikx

Autovalore px = kħ

Particella si muove per x crescenti

2) Autofunzione Ψ-(x)=e-ikx

Autovalore px = -kħ

Particella si muove per x decrescenti

slide41

sin(2x)

sin(x)

ORTOGONALITA’ DELLE FUNZIONI DI STATI DIVERSI

sin(x) e sin(2x) sono autofunzioni di d2/dx2 con autovalori -1 e -4

slide42

OPERATORE ENERGIA CINETICA

E

CURVATURA DELLA 

ALTA CURVATURA

ALTA ENERGIA CINETICA

BASSA CURVATURA

BASSA ENERGIA CINETICA

In matematica la derivata seconda di una funzione è una misura della sua curvatura

slide43

REGIONE CON

ALTO CONTRIBUTO A T

REGIONE CON

BASSO CONTRIBUTO

A T

POSIZIONE x

slide44

ENERGIA CINETICA T

ENERGIA

principio di sovrapposizione
PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE

1 FENDITURA

A

DESCRIZIONE

B

2 fenditure
2 FENDITURE

A

B

A

B

DESCRIZIONE CLASSICA

PAB = PA + PB

DESCRIZIONE QUANTISTICA

AB = A + B

PAB = |A + B|2 =

|A|2 + |B|2 + A* B+B* A

PA PBinterferenza

slide47

Importante :

in nessun modopossiamo predire dove un elettrone colpirà lo schermo.

Possiamo solo predireprobabilità.

slide48

PARTICELLA LIBERA

  • MOTOPER x CRESCENTI+ = exp(ikx)
  • DECRESCENTI- = exp(-ikx)

Una misura del momento lineare della particella dà

+kħ se=+ = exp(ikx)oppure

-kħ se=-= exp(-ikx).

    • Inizialmente non conosciamo se la particella si muove per x crescenti o decrescenti. Poiché entrambe le direzioni sono ugualmente probabili, non possiamo predire in che direzione la particella si muove.

La funzione che la descrive non è quindi un’autofunzione.

Una funzione d’onda arbitraria può essere espressa come combinazione lineare delle autofunzioni.

 = c+ + + c- -

slide49

Una misura del momento lineare della particella dà o +kħ o –kħ, ma non sappiamo quale.

  • Possiamo soltanto predire che la probabilità che dia +kħ è |c+|2
  • Non conosciamo in che stato è il sistema finché non lo osserviamo
  • Immediatamente dopo la misura, la funzione d’onda è una delle autofunzioni dell’operatore. La misura cambia la funzione d’onda Ψdel sistema nell’autofunzione Ψ+ (o Ψ-) dell’operatore momento lineare con autovalore+kħ (o -kħ)
  • Ψ+
  • ΨmisuraΨ-

COLLASSO DELLA FUNZIONE D’ONDA

slide50

Un sistema quantistico è descritto da una sovrapposizione di stati

Solo dopo la misura il sistema assume uno stato definito.

Gatto di Schrödinger

SHUT UP AND CALCULATE

R. Feynman

4 o postulato
4o POSTULATO

Se il sistema è descritto da un’autofunzione Ψ che non è un’autofunzione dell’operatore Ω, il valore medio o valore atteso dell’osservabile è dato da

Il valore atteso è la media pesata di un gran numero di osservazioni della proprietà eseguite su un insieme di sistemi preparati in modo identico.

slide52

Se uno fa un gran numero di misure di Ω su un insieme di sistemi preparati in modo identico, ottiene un insieme di valori ω1, ω2, …, ωN.

La media di Ω è data dalla regola:

Il 4o postulato della meccanica quantistica afferma che l’integrale e la sommatoria danno lo stesso valore, che è il valore atteso.

slide53

Se  è un’autofunzione di Ω

Ogni osservazione diΩ da come risultato ωi

<Ω> = ωi

slide55

Quando Ω è misurato su un singolo membro di un insieme, il risultato è uno degli autovalori di Ω, ma non può essere predetto in anticipo.

L’autovalore ωi sarà ottenuto in una singola misura con probabilità ci2.

Per singole misure ci sono specifici valori di Ω che sono possibili, ω1, ω2, …, ωN, ma su un insieme il valore atteso di < Ω > può essere un valore continuo.

slide56

POSTULATI

Postulato 1: una particella è descritta mediante una funzione d’onda  (r,t)

Postulato 2: ad ogni osservabile della meccanica classica corrisponde un operatore in meccanica quantistica

Postulato 3:

Postulato 4:

slide57

`

P

.

A

.

M

.

D

i

r

a

c

(

1

9

2

9

)

"

T

h

e

u

n

d

e

r

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g

p

h

y

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p

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k

n

o

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,

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p

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d

t

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l

v

e

.

"

slide58

-e

F

+Ze

ATOMO e FISICA CLASSICA

Un elettrone in moto attorno al nucleo

Moto circolare : l’elettrone accelera

Cariche accelerate emettono radiazione

L’elettroneperde energia

Cade sul nucleo in circa 10-9 secondi

Variando il moto la frequenza emessa varia con continuità

Il modello planetario non conduce ad atomi stabili

slide59

ATOMO e MECCANICA QUANTISTICA

Alla particella è associata un’onda

(a) Solo onde di lunghezza d’onda  opportuna possono generare onde stazionarie (chiudendosi su se stesse danno interferenza positiva)

(b) Altrimenti le onde danno interferenza negativa e si annullano

= h/mv

solo certi valori di energia esistono

slide60

Supponiamo di conoscere esattamente

il momento della particella

Ψ(x) = Aeikx

la particella si muove verso destra con momento px = +kħ.

Quale è la posizione della particella?

Ψ* Ψ = A2 e-ikx eikx = A2

C’è una ugual probabilità di trovare la particella in qualunque punto dell’asse x

CONCLUSIONE:

Conosciamo il momento della particella esattamente

Ma non sappiamo NULLA sulla sua posizione

slide61

Supponiamo di conoscere esattamente

la posizione della particella

Posizione

della particella

slide62

Per ottenere una  localizzata occorre fare una combinazione lineare di funzioni sin(kx) o cos(kx) (oppure eikx e e-ikx) con diversi k

  • Ogni funzione eikx corrisponde ad un diverso momento lineare
  • Più localizziamo la particella meno conosciamo il suo momento

CONCLUSIONE:

Conosciamo la posizione della particella esattamente

Ma non sappiamo NULLA del suo momento

slide63

Microscopio

Fotone

Microscopio

Elettrone

Fotone

Elettrone

PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE DI HEISENBERG

Illuminiamo l’elettrone e riveliamo la luce riflessa con un microscopio

L’incertezza minima sulla posizione è determinata dalla lunghezza d’onda della luce

Per determinare la posizione accuratamente, è necessario usare luce di lunghezza d’onda corta

slide64

E = hν =hc/λ, un fotone con lunghezza d’onda corta ha energia grande

  • Quindi tramette un ‘impulso’ grande all’elettrone
  • Ma per determinare il suo momento accuratamente, l’elettrone deve ricevere un ‘impulso’ debole
  • Questo vuol dire usare luce di lunghezza d’onda lunga
  • Luce di lunghezza d’onda corta:

misura accurata della posizione, ma non del momento

  • Luce di lunghezza d’onda lunga:
  • misura accurata del momento, ma non della posizione
slide65

Misura della posizione di un elettrone

L’azione di misurare influenza l’elettrone, viene trasmesso un impulso e viene disturbata la posizione ed il momento della particella.

Essenza del principio di indeterminazione.

slide67

L’esperimento assume che, mentre prima dell’osservazione abbiamo valori ben definiti, è l’atto di misurare che introduce l’incertezza disturbando la posizione e il momento della particella.

Oggigiorno l’opinione prevalente è che l’incertezza quantistica (la mancanza di determinismo) sia intrinseca alla teoria.

ruolo dell osservatore in meccanica quantistica
Ruolo dell’Osservatore in Meccanica Quantistica
  • L’osservatore non è obiettivo e passivo
  • L’atto di osservare cambia il sistema fisico irrevocabilmente
  • Questo è noto come realtà soggettiva
principio di indeterminazione di heisenberg
PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE DI HEISENBERG

posizione momento

Indeterminazione

nel momento

Indeterminazione

nella posizione

  • E’ impossibile specificare SIMULTANEAMENTE sia la posizione che il momento di una particella
  • L’ interpretazione quantitativa del principio di indeterminazione è:

Se x oppure px tendono a zero, l’altra osservabile deve tendere ad infinito.

slide70

Non possiamo determinare esattamente e simultaneamente variabili ‘coniugate’ come posizione e momento.

Tuttavia

Una precisione arbitraria èpossibile in linea di principio per la posizione in una direzione e il momento in un’altra

slide71

Implicazioni

  • E’ impossibile conoscere simultaneamente ed esattamente sia la posizione che il momento,
  • cioè Δx=0 e Δp=0
  • Queste incertezze sono inerenti nel mondo fisico e non hanno nulla a che fare con l’abilità dell’osservatore
  • Poiché h è così piccolo, queste incertezze non sono osservabili nelle normali situazioni di ogni giorno
slide72

Il tempo e l’energia

Se un sistema permane in uno stato per un tempo t, l’energia di questo sistema non può essere determinata più accuratamente di un erroreE.

Questa indeterminazione è di importanza fondamentale in spettroscopia

slide73

n = 3

n = 2

n = 1

Intensità

Frequenza

Le transizioni fra i livelli energetici degli atomi non sono linee perfettamente sottili in frequenza.

Un elettrone in n = 3 decade spontaneamente ad un livello inferiore dopo una vita media

½ ~ 10-8 s

Esiste una corrispondente ‘dispersione’

nelle frequenza emesse.

Larghezza naturale della linea

ad