Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 30

Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1 Andrzej Łukasik Zakład Ontologii i Teorii Poznania PowerPoint PPT Presentation


  • 85 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1 Andrzej Łukasik Zakład Ontologii i Teorii Poznania Instytut Filozofii UMCS http://bacon.umcs.lublin.pl/~lukasik. www.filozofia.umcs.lublin.pl. Fizyka klasyczna a fizyka kwantowa. Klasyczny obraz świata: „Natura non facit saltus ”

Download Presentation

Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1 Andrzej Łukasik Zakład Ontologii i Teorii Poznania

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1 andrzej ukasik zak ad ontologii i teorii poznania

Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1

Andrzej Łukasik

Zakład Ontologii i Teorii Poznania

Instytut Filozofii UMCS

http://bacon.umcs.lublin.pl/~lukasik

www.filozofia.umcs.lublin.pl


Fizyka klasyczna a fizyka kwantowa

Fizyka klasyczna a fizyka kwantowa

  • Klasyczny obraz świata: „Natura non facitsaltus”

  • „Dwa główne aspekty odróżniają, w sposób najbardziej uderzający, mechanikę kwantową od teorii klasycznych. Są to: charakter kwantowy i dualizm korpuskularno-falowy” (S. Szpikowski, Podstawy mechaniki kwantowej, s. 20).


Kwantowy charakter zjawisk

Kwantowy charakter zjawisk

„W rzeczywistości cała fizyka jest fizyką kwantową — prawa fizyki kwantowej są najogólniejszymi znanymi nam prawami przyrody. […] fizyka klasyczna dotyczy tych aspektów przyrody, które nie wiążą się bezpośrednio z zagadnieniem podstawowych składników materii” (Eyvind H. Wichmann, Fizyka kwantowa, s. 17).


Kwantowomechaniczna rewolucja

Kwantowomechaniczna rewolucja

  • Lata 1900-1925: teoria kwantów – przełomowe koncepcje 1900 – hipoteza Maxa Plancka (kwant działania)1905 – hipoteza Alberta Einsteina (fotony)1913 – model Nielsa Bohra (atomu wodoru)1924 – hipoteza Louisa de Broglie (fale materii)

  • Lata 1925-1927 – powstanie mechaniki kwantowej


Promieniowanie cia a doskonale czarnego

Promieniowanie ciała doskonale czarnego

  • Niepowodzenie interpretacji widma ciała doskonale czarnego przy użyciu pojęć i praw fizyki klasycznej


Kwanty energii

Kwanty energii

  • Max Planck (1858-1947)prawo promieniowania ciała doskonale czarnego 14 grudnia 1900 – narodziny teorii kwantówh – elementarny kwant działania


Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1 andrzej ukasik zak ad ontologii i teorii poznania

  • Energia jest emitowana i absorbowana w sposób dyskretny

  • Energia kwantu jest proporcjonalna do częstości

  • „Hipoteza Plancka wprowadzająca kwanty energii nie jest kontynuacją uprzedniej myśli fizycznej. Oznacza przełom zupełny. Jego głębię i konieczność wykazały wyraźniej następne dziesięciolecia. Idea kwantów była kluczem do zrozumienia niedostępnych nam uprzednio zjawisk atomowych” (Max von Laue, Historia fizyki, s. 201-202).


Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1 andrzej ukasik zak ad ontologii i teorii poznania

  • „Starałem się przeto włączyć w jakiś sposób pojęcie kwantu działania h do teorii klasycznej. Jednakże wielkość ta okazała się krnąbrna i oporna na wszelkie próby zmierzające w tym kierunku. […] Moje bezskuteczne próby włączenia w jakiś sposób pojęcia kwantu działania do teorii klasycznej trwały wiele lat i kosztowały mnie wiele trudu. Niektórzy moi koledzy dopatrywali się w tym swoistego elementu tragizmu. Mam odmienny pogląd na to, dla mnie bowiem korzyść, jaką uzyskałem dzięki gruntownemu wyjaśnieniu sobie sprawy, była tym cenniejsza. Wiedziałem teraz dobrze, że kwant działania odgrywa w fizyce o wiele większą rolę, niż początkowo skłonny byłem przypuścić; dzięki temu zrozumiałem konieczność wprowadzenia do fizyki atomowej całkowicie nowych metod ujmowania problemów i przeprowadzania obliczeń” (M. Planck, Jedność fizycznego obrazu świata, s. 243-244).

  • h = 6,62419 x 10-34 J selementarny kwant działania


Zjawisko fotoelektryczne zewn trzne

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne

  • Zjawisko wybijania elektronów z powierzchni metalu pod wpływem padającego światła

  • 1887 Hertz: światło ultrafioletowe, przechodząc między elektrodami cewki indukcyjnej, której używał w swoich eksperymentach, ułatwia wyładowanie iskrowe, tak jakby między elektrodami pojawiały się dodatkowe nośniki elektryczności

  • 1888 Wilhelm Hallwachs: przyczyną wzrostu natężenia wyładowania iskrowego w doświadczeniu Hertza jest występowanie naładowanych cząstek, które później zostały zidentyfikowane jako elektrony; ciała naładowane elektrycznie tracą ładunek pod wpływem oświetlania.


Empiryczne prawa rz dz ce zjawiskiem fotoelektrycznym 1902 lenard

Empiryczne prawa rządzące zjawiskiem fotoelektrycznym (1902 Lenard)

1) liczba emitowanych z powierzchni fotokatody elektronów jest proporcjonalna do natężenia padającego promieniowania elektromagnetycznego

2) maksymalna energia kinetyczna elektronów jest wprost proporcjonalna do częstości promieniowania, nie zależy natomiast od jego natężenia

3) istnieje graniczna częstość, poniżej której efekt nie zachodzi, tzn. promieniowanie o częstości niższej niż charakterystyczna dla danego metalu częstość graniczna nie powoduje emisji elektronów

Rezultatów tych nie można wyjaśnić na podstawie elektrodynamiki klasycznej


Albert einstein 1879 1955 teoria zjawiska fotoelektrycznego 1905

Albert Einstein (1879-1955)teoria zjawiska fotoelektrycznego (1905)

  • światło jest strumieniem cząstek (fotonów), których energia jest proporcjonalna do częstości fali świetlnej:

    E = h,

  • pęd fotonów p związany jest z długością fali świetlnej λ wzorem:

    p = h/λ = h/c

  • c = 3 x 108 m/s – prędkość światła w próżni

  • W zjawisku fotoelektrycznym pojedynczy foton absorbowany jest przez elektron:

    h = A + mv2/2

    A – praca wyjścia elektronu z metalu


Niels bohr 1855 1962 model atomu wodoru 1913

Niels Bohr (1855-1962)model atomu wodoru (1913)

  • planetarny model atomu Rutherforda

    +

  • niezgodne z fizyką klasyczną postulaty kwantowe


Postulaty kwantowe bohra

Postulaty kwantowe Bohra

1. mvr = nh/2h– stała Plancka

orbity są skwantowane - ich promienie mogą przybierać jedynie ściśle określone, dyskretne wartości

2. Elektron na dozwolonej, czyli stacjonarnej orbicie nie promieniuje energii

3. h = En – Em


Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1 andrzej ukasik zak ad ontologii i teorii poznania

„Każde z tych założeń — warunek kwantyzacji, brak promieniowania podczas pobytu na jednej ze skwantowanych orbit i promieniowanie w trakcie przeskoku między orbitami, było sprzeczne ze znaną wówczas klasyczną teorią. Jednakże rzeczą konieczną było założenie w jakiś sposób stabilności atomu. Promieniowanie w trakcie przeskoku wydawało się być zgodne z tym, co zostało już stwierdzone przez Einsteina i Plancka. Warunek kwantowania także nie różnił się zbytnio od pierwotnego warunku Plancka” (L. N. Cooper, Istota i struktura fizyki, s. 528).


Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1 andrzej ukasik zak ad ontologii i teorii poznania

Siła dośrodkowa = siła Coulomba

mv2/r = e2/(40r2)

  • z pierwszego postulatu Bohra mvr = nh/(2), prędkość elektronu na danej orbicie: v = nh/(2rm)


Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1 andrzej ukasik zak ad ontologii i teorii poznania

  • Promień n-tej orbity Bohrowskiej, n = 1, 2,… główna liczba kwantowa; (r0 = 0,5292 10–10m)

  • Energia na n-tej orbicie:

  • Częstość linii widmowych


Louis victor de broglie 1892 1987 hipoteza fal materii 1924 recherches sur la th orie des quanta

Louis Victor de Broglie (1892–1987)hipoteza fal materii (1924)Recherches sur la théorie des Quanta

  • J. J. Thomson o pracy de Broglie:„Idee autora były oczywiście niedorzeczne, ale zostały przedstawione z taką elegancją i błyskotliwością, że dopuściłem pracę do obrony”

  • Dualizm korpuskularno-falowy


Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1 andrzej ukasik zak ad ontologii i teorii poznania

  • 1927 doświadczenia Clintona Davissona (1881–1958) i Lestera Germera (1896–1971) potwierdziły hipotezę de Broglie’a: elektrony, podobnie jak fale elektromagnetyczne, ulegają dyfrakcji i interferencji, a więc zjawiskom typowym dla fal


Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1 andrzej ukasik zak ad ontologii i teorii poznania

  • Powiązanie fal materii de Broglie z orbitami stacjonarnymi Bohra

  • Jeżeli elektrony zinterpretujemy jako fale stojące, to w atomie długość „orbity stacjonarnej” musi być całkowitą wielokrotnością długości fali  elektronu, (w przeciwnym wypadku fale w wyniku interferencji destruktywnej uległyby wygaszeniu).

    n = 2R, R – promień dozwolonej orbity w modelu Bohra

     = h/p

    nh/p = 2R

    pR = nh/2

    p = mv

    mvR = nh/2 (warunek kwantowy Bohra)


Dualizm korpuskularno falowy

Dualizm korpuskularno-falowy

  • Hipoteza falowa światła (elektrodynamika klasyczna – Maxwell, 1864)

    • Dyfrakcja

    • Interferencja

    • Polaryzacja

  • Hipoteza korpuskularna światła (Einstein, 1905)

    • Zjawisko fotoelektryczne

    • Promieniowanie ciała doskonale czarnego

    • Widma liniowe

  • Hipoteza fal materii (de Broglie, 1924)


Eksperyment z dwiema szczelinami

Eksperyment z dwiema szczelinami

  • „[…] nikt nie rozumie mechaniki kwantowej”.(Richard P. Feynman, Charakter praw fizycznych, s. 137)

  • „Ten jeden eksperyment zawiera w sobie wszystkie tajemnice mechaniki kwantowej. Jego analiza pozwoli nam na zapoznanie się ze wszystkimi osobliwościami i paradoksami natury. Każdy inny problem z dziedziny teorii kwantów można zawsze wyjaśnić, wracając do tego doświadczenia”.(Richard P. Feynman, Charakter praw fizycznych, s. 138).


Przej cie klasycznych cz stek przez uk ad dw ch szczelin brak interferencji

Przejście klasycznych cząstek przez układ dwóch szczelin (brak interferencji)

  • N1 – liczba cząstek przechodzących przez szczelinę 1

  • N2 – liczba cząstek przechodzących przez szczelinę 2

  • N12 – prawdopodobieństwo = średnia liczba cząstek trafiających w dane miejsce ekranu, gdy otwarte są szczeliny 1 i 2

  • N12 = N1 + N2 (brak interferencji)

  • Źródło grafiki: http://www.blacklightpower.com/theory/DoubleSlit.shtml


Przej cie klasycznych fal przez uk ad dw ch szczelin interferencja

Przejście klasycznych fal przez układ dwóch szczelin (interferencja)

  • H1 – amplituda fali przechodzącej przez szczelinę 1

  • H2 – amplituda fali przechodzącej przez szczelinę 2

  • H12 – amplituda fali (obydwie szczeliny otwarte)

  • H12 = H1 + H2

  • Natężenie fali: I12= (H12)2 = (H1 + H2)2 (interferencja), I1= (H1)2I2= (H2)2


Przej cie elektron w lub foton w przez uk ad dw ch szczelin

Przejście elektronów (lub fotonów) przez układ dwóch szczelin

  • Interferencja elektronów (fotonów)


Przej cie elektron w lub foton w przez uk ad dw ch szczelin1

Przejście elektronów (lub fotonów) przez układ dwóch szczelin

  • Rezultaty eksperymentu:

    • Elektrony trafiają w detektor pojedynczo

    • Detektor rejestruje zawsze taką samą, dyskretną wartość (cały elektron lub nic)

    • Nigdy dwa detektory nie rejestrują jednego elektronu

  • Ale!

  • N12 ≠ N1 + N2

  • N12= (a1 + a2)2 – prawdopodobieństwo trafienia elektronu (fotonu) w dany punkt ekranu (interferencja! – jak w przypadku fal)

  • a – amplituda prawdopodobieństwa


Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1 andrzej ukasik zak ad ontologii i teorii poznania

  • „Podsumowując, można powiedzieć, że elektrony docierają do detektorów w całości, tak jak pociski, ale prawdopodobieństwo rejestracji elektronów jest określone takim wzorem jak natężenie fali. W tym sensie elektron zachowuje się jednocześnie jak cząstka i jak fala”.(R. P. Feynman, Charakter…, s. 147)


Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1 andrzej ukasik zak ad ontologii i teorii poznania

  • Określenie, przez którą szczelinę przechodzi elektron brak interferencji


Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej 1 andrzej ukasik zak ad ontologii i teorii poznania

  • Elektrony rejestrowane są jako niepodzielne cząstki

  • Twierdzenie „elektron przechodzi albo przez szczelinę 1 albo przez szczelinę 2” jest FAŁSZYWE!

  • „jest rzeczą niemożliwą tak ustawić światła, aby stwierdzić, przez którą szczelinę przeleciał elektron, nie zaburzając go na tyle, że znika obraz interferencyjny” (Feynman, Charakter, s. 151)


  • Login