background image

Slajd 1 
 

Fizyka kwantowa

dotyczy świata mikroskopowego 

wiele wielkości jest skwantowanych

tzn. występuje w całkowitych 

wielokrotnościach pewnych minimalnych 

porcji zwanych kwantami

 

Slajd 2 
 

Foton, kwant światła

Zjawiska świadczące o kwantowej naturze 

światła:
zjawisko fotoelektryczne – energia 

kwantów - równanie Einsteina
efekt Comptona - pęd fotonów
widma emisyjne atomów
prawidłowy opis promieniowania 

termicznego z postulatem kwantyzacji 

energii świetlnej - prawo Plancka

 

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

Slajd 3 
 

Zjawisko fotoelektryczne

Wiązka światła wybija elektrony z powierzchni metalu
z falowej teorii wynika:

elektron nie opuści metalu dopóki amplituda fali E

o

nie 

przekroczy określonej wartości krytycznej
energia emitowanych elektronów wzrasta proporcjonalnie

do E

o

2

liczba emitowanych elektronów powinna zmniejszyć się ze 

wzrostem częstotliwość światła 

wyniki eksperymentalne:

progowego natężenia nie zaobserwowano
energia elektronów okazała się niezależna od wielkości E

o

zauważono zależność energii elektronów od częstotliwości 

 

background image

Slajd 4 
 

Teoria Einsteina

światło o częstości 

ν

stanowi zbiór pakietów 

energii zwanych fotonami lub kwantami z 

których każdy posiada energię h

ν

to uniwersalna stała Plancka = 6.626×10

–34

Js

kwanty światła (fotony) zachowują się podobnie 

do cząstek materialnych (przy zderzeniu foton 

może być pochłonięty, a cała jego energia 

przekazana jest elektronowi). 
maksymalna energia kinetyczna elektronu 

opuszczającego metal o pracy wyjścia W

o

wynosi

o

W

h

K

ν

=

max

 

„

„

„

„

Slajd 5 
 

Doświadczenia 

fotoelektryczne

j

A

U

j

U

U

h

I

o

2I

o

liczba emitowanych elektronów 

(prąd j) rośnie ze wzrostem 

natężenia światła I

o

maksymalna energia elektronów 

K

max

=U

h

nie zależy od natężenia 

światła I

o

, rośnie ze wzrostem 

częstotliwości ν

o

W

h

K

ν

=

max

o

o

W

h

=

ν

max

K

ν

o

ν

częstość progowa

ce

z

d

0

K

T

materiał

tarczy:

 

Slajd 6 
 

Pęd fotonu

Foton, oprócz energii E=h

νposiada również pęd p

Zgodnie z teorią relatywistyczną wszystkie cząstki 

które posiadają energię muszą posiadać pęd, 

nawet jeśli nie mają masy spoczynkowej

λ

ν

h

c

h

c

E

p

=

=

=

pc

=

( )

(

)

2

2

2

2

c

m

pc

E

o

+

=

0

=

o

m

Kierunek pędu fotonu jest zgodny z kierunkiem 

rozchodzenia się fali elektromagnetycznej

Foton nie ma ładunku elektrycznego ani momentu 

magnetycznego, ale może oddziaływać z innymi cząstkami

 

background image

Slajd 7 
 

Efekt Comptona

Rozpraszanie fotonów na swobodnych elektronach:

wiązka promieniowania rentgenowskiego o długości fali 

λ

rozpraszana przez grafitową tarczę zmieniała swą długość w 

zależności od kąta rozpraszania 

θ (położenia detektora). 

W klasycznym podejściu częstość, a więc i długość wiązki 

rozproszonej powinna być taka sama jak padającej.

θ

detektor

szczeliny

kolimujące

λ

'

λ

tarcza 

grafitowa

wiązka

rozproszona

promieniowanie

rentgenowskie

 

Slajd 8 
 

Zderzenie fotonu 

z elektronem

e

E

c

p

mc

pc

'

' +

=

+

2

(

)

(

)

2

2

c

E

mc

p

p

e

/

'

'

=

+

e

p

p

p

'

' r

r

r

=

2

2

2

2

e

p

p

p

p

p

'

'

'

=

+

r

r

2

2

2

2

2

2

2

2

2

e

e

p

c

E

pp

mc

p

pmc

pp

c

m

'

'

cos

'

'

'

=

θ

+

+

(

)

2

2

2

2

2

2

c

m

pmc

p

mc

p

p

c

m

=

+

θ

+

cos

'

(

)

θ

+

=

cos

'

1

1

mc

p

p

p

(

)

θ

=

λ

λ

cos

'

1

mc

h

z prawa zachowania energii i pędu przed i po zderzeniu (m – masa spoczynkowa)

2

2

2

4

2

2

c

p

E

c

m

E

e

o

=

=

'

λ

ν

h

c

h

p

=

=

e

p

p

p

'

' r

r

r

+

=

energia spoczynkowa i całkowita elektronu

pc

=

pr

'

pr

e

p'

r

θ

przed zderzeniem

po

e

e

 

Slajd 9 
 

Wyniki doświadczenia 

Comptona

przesunięcie comptonowskie 

∆λ=λ’-λ zwiększa się wraz ze 

wzrostem kąta rozpraszania
obecność wiązki o nie 

zmienionej długości fali 

wynika z rozproszenia na 

elektronach związanych
im większa masa cząstki tym 

mniejsze przesunięcie ∆λ

efekt Comptona potwierdza 

korpuskularny charakter 

światła – fotony obdarzone 

energią i pędem

λ

λ’

I

o

długość fali

ϕ=90°

λ

λ’

I

o

długość fali

ϕ=135°

(

)

θ

=

λ

λ

cos

'

1

mc

h

 

„

„

„

„

background image

Slajd 10 
 

Widma emisyjne atomów

pochodzenie dyskretnych linii 

spektralnych można wyjaśnić w 

oparciu o dwa założenia:

pojęcie fotonu 
istnienie poziomów energetycznych 

atomu

 

„

„

„

„

„

„

„

„

Slajd 11 
 

Model Bohra

elektrony poruszają się w atomach nie 

promieniując energii, po takich orbitach 

kołowych, że moment pędu elektronu jest równy 

całkowitej wielokrotności stałej

przejścia elektronu z orbity o energii E

n

na 

orbitę, gdzie energia wynosi E

m

, towarzyszy 

emisja lub absorpcja fotonu o częstości 

określonej wzorem

h

n

mvr =

ν

=

h

E

E

m

n

n = 1, 2, 3..

h

1913r. – 13 lat przed sformułowaniem
równania Schrodingera

 

Slajd 12 
 

Widmo atomu wodoru

wzbudzenie atomu – przejście elektronu na 

wyższy poziom energetyczny
po czasie 10

-8

s samorzutny powrót do stanu o 

niższej energii i emisja fotonu o długości λ

jonizacja atomu – przejście elektronu na 

najwyższy poziom energetyczny o zerowej 

energii (elektron swobodny)

(energia jonizacji = E

0

)

=

=

ν

=

λ

2

2

1

1

1

n

m

R

hc

E

E

c

m

n

– stała Rydberga

c

me

R

o

3

2

3

4

64

h

ε

π

=

E

1

E

2

E

3

E

jonizacja

wzbudzenie

 

background image

Slajd 13 
 

Serie widmowe

seria Lymana z n na 1 
seria Balmera z n na 2
seria Paschena z n na 3
seria Bracketta z n na 4
seria Pfunda z n na 5

„

„

„

„

„

 

„

„

„

„

„

„

„

Slajd 14 
 

Promieniowanie termiczne

model ciała doskonale czarnego
prawa promieniowania termicznego

prawo Kirchhoffa
prawo Stefana-Boltzmanna
prawo przesunięć Wiena

prawo Rayleigha-Jeansa - klasyczne
prawo Plancka - kwantowe

Jak teoria fotonów wyjaśnia ciągłe widmo 

promieniowania emitowanego przez gorące, 

nieprzezroczyste ciała?

 

Slajd 15 
 

Podstawowe definicje

Promieniowaniem termicznym

(zwanym też cieplnym lub 

temperaturowym) nazywamy promieniowanie wysyłane przez 

ciała ogrzane do pewnej temperatury - jest wynikiem drgań 

ładunków elektrycznych

Zdolność emisyjna

ciała e(

ν,T)dν definiujemy jako energią 

promieniowania wysyłanego w jednostce czasu z jednostki 

powierzchni o temperaturze T, w postaci fal elektromagne-

tycznych o częstościach zawartych w przedziale od 

ν do ν + dν.

Zdolność absorpcyjna

, a, określa jaki 

ułamek energii padającej na 

powierzchnię zostanie pochłonięty.

Zdolność odbicia

, r, określa jaki ułamek 

energii padającej zostanie odbity.

(

) (

)

1

=

ν

+

ν

T

r

T

a

,

,

 

background image

Slajd 16 
 

Ciało doskonale czarne

Promień

świetlny

Powierzchnia

o dużej zdolności

absorpcyjnej

Ciało doskonale czarne

(c.d.cz.) całkowicie 

absorbuje promieniowanie termiczne.

a =1  i r =0

Stosunek zdolności emisyjnej do 

zdolności absorpcyjnej jest dla 

wszystkich powierzchni jednakowy i 

równy zdolności emisyjnej c.d.cz.

Prawo Kirchhoffa

:

(

)

(

)

(

)

T

T

a

T

e

,

,

,

ν

ε

=

ν

ν

Ponieważ zawsze a

≤1, więc i e(ν,T) ≤ ε(ν,T), tzn. 

zdolność emisyjna każdej powierzchni nie jest większa 

od zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego.

 

Slajd 17 
 

Prawa promieniowania 

c.d.cz.

ν

max

1

ν

max

2

Prawo Stefana-Boltzmanna

4

T

E

σ

=

T

=

ν

max

Prawo przesunięć Wiena 

(

)

kT

c

T

2

2

2

πν

=

ν

ε ,

Prawo Rayleigha-Jeansa 

Stała Stefana-Boltzmanna 

σ = 5.67×10

–8

Wm

–2

K

–4

Stała Wiena

b = 5.877×10

10

s

–1

K

–1

katastrofa 

nadfioletowa

 

Slajd 18 
 

Prawo Plancka

Hipoteza Plancka: elektryczny oscylator harmoniczny 

stanowiący model elementarnego źródła promieniowania, w 

procesie emisji promieniowania może tracić energię tylko 

porcjami, czyli kwantami 

∆E, o wartości proporcjonalnej do 

częstości 

ν jego drgań własnych.

ν

=

h

E

gdzie stała Plancka h = 6.626

×10

–34

Js

zdolność emisyjna c.d.cz. jest funkcją częstości i temperatury

(

)

(

)

1

1

2

2

3

ν

ν

π

=

ν

ε

kT

h

c

h

T

/

exp

,

i pozostaje w bardzo dobrej zgodności z doświadczeniem

 

background image

Slajd 19 
 

Wnioski

Postulat Plancka

(energia nie może być 

wypromieniowana w sposób ciągły), doprowadził 

do teoretycznego wyjaśnienia promieniowania 

ciała doskonale czarnego.
Z prawa Plancka wynika prawo Stefana-

Boltzmanna i prawo przesunięć Wiena.
Porcje energii promienistej emitowanej przez 

ciało wynoszące  h

ν

zostały nazwane kwantami 

lub fotonami. 
Hipoteza Plancka

dała początek fizyce 

kwantowej, a stała występuje obecnie w wielu 

równaniach fizyki atomowej, jądrowej i ciała 

stałego.

(

)

ν

ν

ε

d

T

E

=

0

,

(

)

0

=

ν

ν

ε

T

,

 

„

„

„

„

„

„

„

Slajd 20 
 

Jak światło może być 

jednocześnie falą i cząstką

opisy światła: falowy i korpuskularny 

są uzupełniające się
potrzeba obu tych opisów do 

pełnego modelu świata, ale do 

określenia konkretnego zjawiska 

wystarczy tylko jeden z tych modeli
dlatego mówimy o dualizmie 

korpuskularno-falowym światła

 

Slajd 21 
 

Falowa natura cząstek

Promień świetlny jest falą, 

ale energię i pęd przekazuje 

materii w postaci fotonów. 

Dlaczego innych cząstek np. 

elektronów nie traktować jako 

fal materii ?

 

background image

Slajd 22 
 

Hipoteza de Broglie’a

W 1924 r. Louis de Broglie przypisał elektronom o pędzie p 

długość fali 

λ

– długość fali de Broglie’a  

p

h

=

λ

Słuszność hipotezy de Broglie’a została potwierdzona w 1927 r. 

przez Davissona i Germera, którzy wykazali, że wiązka 

elektronów ulega dyfrakcji tworząc typowy obraz interferencyjny

Promieniowanie i materia wykazują dwoistą falowo-korpuskularną 

naturę – nazywamy to dualizmem korpuskularno-falowym

m

s

m

kg

s

J

p

h

27

6

34

10

6

6

1

10

1

0

10

63

6

=

=

=

,

,

,

λ

dla pyłku unoszonego 

przez wiatr

 

Slajd 23 
 

Dyfrakcja elektronów

mK

h

p

h

2

=

=

λ

Dla elektronów o K=1000eV  

λ=4×10

–11

m

θ

= sin

d

p

h

Znając kąt 

θ przy którym 

obserwuje się pierwsze 

maksimum można określić 

stałą Plancka 

D = d sinθ

D =λ

θ

=

sin

pd

h

Doświadczenie Davissona - Germera 

(dyfrakcja elektronów) 

 

Slajd 24 
 

Fale prawdopodobieństwa

r

1

r

2

A

B

P

1

P

2

Rozkład

klasyczny

Rozkład

obserwowany

Rozkład elektronów na ekranie powinien być 

sumą rozkładów dla każdej szczeliny 

oddzielnie - obserwujemy obraz 

interferencyjny dla dwóch szczelin

Do wyjaśnienia tego paradoksu musimy 

stworzyć nowy formalizm matematyczny:

fale materii traktować jako fale 

prawdopodobieństwa wytwarzającą na ekranie 

obraz „prążków prawdopodobieństwa”

 

background image

Slajd 25 
 

Funkcja falowa

Formalizm matematyczny za pomocą którego usuwa się te 

paradoksy, przypisuje każdej cząstce materialnej funkcję 

falową 

Ψ (x,y,z,t) będącą funkcją współrzędnych i czasu

Znajdując rozkład natężenia w obrazie dyfrakcyjnym 

można określić prawdopodobieństwo, że elektron padnie w 

określonym miejscu ekranu

Kwadrat amplitudy funkcji falowej jest proporcjonalny do 

gęstości prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w 

danym elemencie obszaru

 

„

„

„

„

„

„

„

„

Slajd 26 
 

Właściwości funkcji falowej

Prawdopodobieństwo znalezienia się elektronu 

w objętości 

dV=dxdydz wynosi

gdzie

warunek unormowania 

funkcji falowej 

zasada superpozycji 

Ψ = Ψ

1

Ψ

2

funkcja falowa powinna być ograniczona |

Ψ|<∞

funkcja falowa 

Ψ nie stanowi bezpośrednio obserwowanej 

wielkości. Fale klasyczne i fale odpowiadające cząstkom 

podlegają równaniom matematycznym tego samego typu. 

Lecz w przypadku klasycznym amplituda fali jest 

bezpośrednio obserwowana, a dla funkcji falowej 

Ψ– nie.

1

2

=

Ψ

dV

V

dxdydz

PdV

2

Ψ

=

Ψ

Ψ

=

Ψ

2

 

Slajd 27 
 

Postać funkcji falowej

o

o

o

k

h

h

p

π

λ

π

π

2

2

2

=

=

o

o

h

p

λ

=

o

o

k

p

h

=

π

2

o

o

h

=

h

Funkcja falowa cząstki o pędzie p

o

poruszającej się wzdłuż osi x, 

odpowiada równaniu fali o długości λ

i wektorze falowym k

o

(

)

t

x

k

A

o

ω

=

Ψ

cos

Rzeczywista postać funkcji falowej jest niewłaściwa bo istniałyby 

punkty, gdzie nie można cząstki zaobserwować. Lepsza zespolona

(

)

t

x

o

k

i

Ae

ω

=

Ψ

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

A

Ae

Ae

t

x

k

i

t

x

k

i

o

o

=

=

Ψ

Ψ

=

Ψ

ω

ω

(

)

t

x

k

A

o

ω

=

Ψ

2

2

2

cos

Pokazaliśmy, że jeżeli pęd cząstki posiada określoną wartość, to

cząstkę można znaleźć z jednakowym prawdopodobieństwem w 

dowolnym punkcie przestrzeni. Inaczej mówiąc,

Z hipotezy de Broglie’a:

 

 

jeżeli pęd cząstki 

jest dokładnie znany, to nic nie wiemy o jej miejscu położenia.

background image

Slajd 28 
 

Równanie Schrodingera

( )

[

]

Ψ

=

Ψ

x

U

E

m

dx

d

2

2

2

2

h

stacjonarne, jednowymiarowe 

równanie Schrödingera

W sytuacjach stacjonarnych, gdy potencjał nie zmienia się w czasie, 

zmienne przestrzenne i czas można rozseparować i zapisać funkcję 

falową w postaci:

(

)

(

)

t

i

e

z

y

x

t

z

y

x

ω

Ψ

=

Ψ

,

,

,

,

,

Postać przestrzennej funkcji falowej, dla przypadku jednowymia-

rowego, wyznaczamy z równania Schrödingera:

gdzie: m – masa cząstki, E – całkowita energia mechaniczna cząstki, 

U(x) – energia potencjalna w danym obszarze

równania Newtona – fale dźwiękowe i fale w strunach

równania Maxwella – fale świetlne

równanie Schrödingera – fale materii (funkcja falowa)

 

Slajd 29 
 

Równanie Schrodingera dla 

cząstki swobodnej

( )

[

]

Ψ

=

Ψ

x

U

E

m

dx

d

2

2

2

2

h

Ψ

=

Ψ

E

m

dx

d

2

2

2

2

h

E

m

k

2

2

h

=

( )

0

=

x

U

Ψ

=

Ψ

2

2

2

k

dx

d

( )

ikx

ikx

Be

Ae

x

+

=

Ψ

oznaczając

którego rozwiązaniem jest 

przyjmując B=0 (cząstka porusza się w kierunku dodatnich x) 

(

)

( )

(

)

t

kx

i

t

i

Ae

e

x

t

x

ω

ω

=

Ψ

=

Ψ ,

funkcją falową cząstki swobodnej jest fala płaska o długości λ

określonej zależnością de Broglie’a 

p

h

p

k

=

=

=

h

π

π

λ

2

2

m

p

E

2

2

=

tylko 

kinetyczna

h

h

h

p

m

p

m

E

m

k

=

=

=

2

2

2

2

2

2

 

Slajd 30 
 

Paczki falowe materii

Dla cząstki znajdującej się w t=0 w 

określonym obszarze przestrzeni 

kwadrat modułu funkcji falowej 

przyjmuje postać funkcji Gaussa

( )

(

)

x

ik

x

A

x

o

x

exp

exp

,





σ

=

Ψ

2

2

4

0





σ

=

Ψ

2

2

2

2

2

x

x

exp

Ψ

2

Tak zlokalizowana 

funkcja nazywana 

jest paczką falową

 

background image

Slajd 31 
 

Superpozycja fal 

monochromatycznych

(

)

( )

( )

=





=

Ψ

dk

ikx

k

B

x

ik

x

o

x

exp

exp

exp

2

2

4

σ

Paczka falowa powstaje w wyniku superpozycji fal o różnych 

długościach, którym odpowiadają różne wartości pędu

współczynniki Fouriera

Amplitudy tych fal B(k), zwane 

współczynnikami Fouriera, 

posiadają również postać funkcji 

Gaussa wokół wartości k

o

Pomiędzy funkcją falową 

Ψ(x),

a współczynnikami Fouriera B(k) 

istnieje ścisły związek

k

B(k)

k

o

 

Slajd 32 
 

∆k

niemożliwe jest jednoczesne dokładne określenie wartości 
współrzędnej i pędu cząstki

Zasada nieoznaczoności

x

p

x

=

h

k

x

=

1

h

x

p

x

B(k)

k

k

o

Re (Ψ)

x

B(k)

k

k

o

Re (Ψ)

x

k

p

x

=

h

∆k

∆x

∆x

gdy 

∆ p

x

=0, 

to 

∆ x = ∞

cząstka 
swobodna

 

czym szerszy zakres k odpowiadający większemu rozrzutowi 

∆p

x

,  tym 

paczka falowa jest przestrzennie węższa (mniejsze 

∆x)

Slajd 33 
 

Zasada nieoznaczoności w pociągu

2

λ

=

l

t

n

t

l

v

λ

=

=

λ

n

=

n

v

t

t

l

v

2

2

=

=

=

λ

2

2

λ

n

l

x

=

=

4

λ

v

v

x

=

4

λ

p

p

x

=

chcemy zmierzyć prędkość pociągu wiedząc, że każdy wagon ma długość λ

minęło nas n wagonów w ciągu czasu t 

pokonana przez pociąg droga wynosi

średnia prędkość 

pociągu wynosi

im większy przedział czasu tym pomiar prędkości dokładniejszy, ale maleje 

dokładność położenia pociągu w chwili pomiaru

w mechanice kwantowej pociąg to paczka falowa o długości fali λ

rozciągająca się na obszar  

l = n

λ

p

h

=

λ

h

=

4

h

p

x

λ

 

background image

Slajd 34 
 

Znaczenie zasady 

nieoznaczoności Heisenberga

∆t=1/∆ω

∆x=1/∆k

szerokość 

paczki 

falowej

k

p

h

=

h

=

p

x

ω

h

=

E

h

=

t

E

Działanie S można określić z dokładnością stałej Plancka 
Zasada nieoznaczoności określa granice możliwości naszych 

pomiarów.

Jest jednym z fundamentalnych twierdzeń mechaniki kwantowej:
• wyjaśnia dyfrakcję na szczelinie
• energie  cząstek są zawsze większe od zera
• elektron nie spada na jądro atomowe

h

h

=

S

 

Slajd 35 
 

Prędkość grupowa paczki

dk

d

v

g

ω

=

E

=

ω

h

p

=

h

( )

m

k

2

2

h

h =

ω

m

p

E

2

2

=

m

k

dk

d

h

=

ω

v

m

p

m

k

dk

d

v

g

=

=

=

=

h

ω

v

v

g

=

klasycznie

relatywistycznie

2

2

2

2

c

p

E

E

o

+

=

dp

pc

dE

E

2

2

2

=

v

mc

mv

c

E

p

c

dp

dE

dk

d

v

g

=

=

=

=

=

2

2

2

ω

 

Paczka falowa przemieszcza się z prędkością równą 
prędkości cząstki

- szerokość paczki falowej rośnie proporcjonalnie do t

Slajd 36 
 

Rozpływanie się paczki falowej

t

x

m

x

o

h

( )

t

v

x

g

=

Udowodnimy, że pojedynczej paczce falowej właściwy 

jest rozrzut wartości prędkości grupowej 

v

g

, który 

powinien prowadzić do zwiększenia szerokości 

x

p

dp

dv

v

g

g

=





o

g

x

m

v

h

1

”Rozpływania się” paczki falowej można uniknąć 

umieszczając cząstkę w studni potencjału

swobodny elektron zlokalizowany w chwili początkowej w 

obszarze 

∆ x

o

= 10

–10

m (typowy rozmiar atomu) po upływie 

sekundy będziemy mieć 

= 1100 km

 

background image

Slajd 37 
 

Mechanika kwantowa

dział mechaniki zajmujący się 

ruchem mikrocząstek, których 

stan opisany jest funkcją falową 

będącą rozwiązaniem równania 

Schrodingera

 

Slajd 38 
 

Równanie Schrodingera dla 

nieskończonej jamy potencjału

( )

[

]

Ψ

=

Ψ

x

U

E

m

dx

d

2

2

2

2

h

E

m

k

2

2

h

=

( )

0

=

x

U

Ψ

=

Ψ

2

2

2

k

dx

d

( )

ikx

ikx

Be

Ae

x

+

=

Ψ

( )

( )

0

0

=

Ψ

=

Ψ

L

0

=

B

A

0

=

+

ikL

ikL

Be

Ae

(

)

0

=

ikL

ikL

e

e

A

( )

0

=

kL

sin

π

n

kL

2

2

2

2

2mL

n

E

n

h

π

=

( )

=

Ψ

L

x

n

C

x

n

π

sin

0

L

U=0

U=∞

warunki brzegowe

E

1

E

2

E

3

U=∞

n=1,2,3...

Ai

C

2

=

 

„

„

„

„

„

„

wartości energii E

n

nazywamy wartościami własnymi

odpowiadające im funkcje falowe Ψ

n

– funkcjami 

własnymi

Slajd 39 
 

Wnioski

energia jest skwantowana, występują dyskretne wartości 

(poziomy) energii (n – liczba kwantowa)
cząstka nie może posiadać energii zerowej – wynika z 

zasady nieoznaczoności

stałą C wyznaczamy z warunku unormowania

dla obiektów klasycznych poszczególne poziomy są tak 

bliskie, że nierozróżnialne

L

=

L

h

0

2

2

>

=

m

p

E

h

p

x

1

0

0

2

2

=

=

Ψ

Ψ

dx

x

L

n

C

dx

L

L

π

sin

*

2

0

2

L

dx

x

L

n

L

=

π

sin

1

2

2

=

L

C

L

C

2

=

( )

=

Ψ

x

L

n

L

x

n

π

sin

2

 

background image

Slajd 40 
 

Elektron w skończonej 

studni potencjału

studnia potencjału o głębokości U

o

( )

[

]

Ψ

=

Ψ

x

U

E

m

dx

d

2

2

2

2

h

równanie 

Schrodingera 

rozwiązujemy dla 

trzech obszarów

wyniki zbliżone jak dla nieskończonej studni, lecz:
•fale materii wnikają w ściany studni
•energie dla każdego stanu są mniejsze niż w ∞
•elektron o energii większej od U

0

nie jest 

zlokalizowany, jego energia nie jest skwantowana

 

Slajd 41 
 

Bariera 

potencjału

( )

=

0

>

x

 

dla

   

0

<

x

 

dla

     

o

U

x

U

0

0

2

1

2

2

1

2

=

Ψ

+

Ψ

E

m

dx

d

h

( )

x

ik

x

ik

e

B

e

A

x

1

1

1

1

1

+

=

Ψ

E

m

k

2

1

2

h

=

(

)

0

2

2

2

2

2

2

=

Ψ

+

Ψ

o

U

E

m

dx

d

h

( )

x

ik

x

ik

e

B

e

A

x

2

2

2

2

2

+

=

Ψ

(

)

o

U

E

m

k

=

2

2

2

h

2

1

1

A

B

A

=

+

0

2

0

1

=

=

 Ψ

=

 Ψ

x

x

dx

d

dx

d

E>U

o

( )

( )

0

0

2

1

Ψ

=

Ψ

(

)

2

2

1

1

1

A

k

B

A

k

=

ruch cząstek w obszarze w którym bariera potencjału zmienia się skokowo 

1

2

U(x)

U=0

U=U

0

U

0

x

0

1

2

z warunków 

brzegowych 

dla x = 0

2

1

2

1

1

1

k

k

k

k

A

B

+

=

2

1

1

1

2

2

k

k

k

A

A

+

=

B

2

= 0, bo nie 

ma fali odbitej

 

Slajd 42 
 

Współczynnik transmisji T 

i odbicia R

x

ik

x

ik

e

k

k

k

k

A

e

A

1

2

1

2

1

1

1

1

1

+

+

=

Ψ

x

ik

e

k

k

k

A

2

2

1

1

1

2

2

+

=

Ψ

2

1

1

2

2

2

A

v

A

v

T

=

m

k

m

p

v

1

1

1

h

=

=

m

k

m

p

v

2

2

2

h

=

=

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

2

1

2

1

2

2

1

1

1

2

1

4

4

2

E

U

E

E

U

E

k

k

k

k

k

k

k

k

k

T

o

o

+

=

+

=





+

=

współczynnik transmisji to gęstość 

strumienia cząstek 

przechodzących do padających,
odbicia to odbitych do padających

1

=

T

R

podejście falowe – fala świetlna odbija się od granicy dwóch ośrodków

klasycznie – niemożliwe, cząstka nie odbije się lecąc nad siatką 

 

background image

Slajd 43 
 

(

)

0

2

2

2

2

2

2

=

Ψ

Ψ

E

U

m

dx

d

o

h

( )

x

x

e

B

e

A

x

χ

χ

+

=

Ψ

2

2

2

(

)

E

U

m

o

=

χ

2

2

h

Z warunku ograniczoności 

Ψ

2

wynika A

= 0

1

1

1

1

A

i

k

i

k

B

χ

+

χ

=

1

1

1

2

2

A

i

k

k

B

χ

+

=

1

1

1

1

1

=

=

*

*

A

A

B

B

R

fala wchodząca do obszaru drugiego jest wykładniczo tłumiona i 

gęstość prawdopodobieństwa jest proporcjonalna do 

exp(–2

χ x)

Dla E<U

w 2

tj. dla x>0

całkowite odbicie

 

Slajd 44 
 

Bariera potencjału o 

skończonej szerokości

1

2

U(x)

U=0

U=U

0

U

0

x

0

3

U=0

L

( )

=

L

>

x

  

          

dla

    

L

<

x

<

0

     

dla

  

0

<

x

  

          

dla

    

0

0

o

U

x

U

0

2

2

2

2

=

Ψ

+

Ψ

E

m

dx

d

h

(

)

0

2

2

2

2

=

Ψ

Ψ

E

U

m

dx

d

o

h

ikx

ikx

e

B

e

A

+

=

Ψ

1

1

1

x

x

e

B

e

A

χ

χ

+

=

Ψ

2

2

2

ikx

e

A

3

3

=

Ψ

E

m

k

2

2

h

=

(

)

E

U

m

o

=

χ

2

2

h

=

=

1

1

3

3

1

1

3

3

1

3

A

A

A

A

A

A

A

A

v

v

T

L

e

T

χ

2

Dla obszarów 1 i 3

Współczynnik transmisji bariery jest równy w przybliżeniu

ze względu na wykładniczą postać wartość T jest bardzo czuła na trzy zmienne: 

masę cząstki m, szerokość bariery L i różnicę energii U

o

-E

Dla obszaru 2

(

)

E

U

m

L

o

e

T

2

2

h

 

Slajd 45 
 

Schemat obliczeń

E

m

k

2

2

h

=

(

)

E

U

m

o

=

χ

2

2

h

2

2

1

1

B

A

B

A

+

=

+

(

)

(

)

2

2

1

1

B

A

B

A

ik

χ

=

ikl

l

l

e

A

e

B

e

A

3

2

2

=

+

χ

χ

(

)

ikl

l

l

e

ikA

e

B

e

A

3

2

2

=

χ

χ

χ

(

)

(

)

l

l

ikl

e

i

k

e

i

k

ke

i

A

A

χ

χ

χ

χ

+

χ

=

2

2

1

3

4

=

=

1

1

3

3

1

1

3

3

1

3

A

A

A

A

A

A

A

A

v

v

T

(

) (

)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

16

2

16

χ

+

+

χ

+

χ

=

χ

χ

k

e

e

k

k

T

l

l

(

)

l

e

k

k

T

χ

χ

+

χ

=

2

2

2

2

2

2

16

0

2

0

1

dx

d

dx

d

Ψ

=

Ψ

( )

( )

0

0

2

1

Ψ

=

Ψ

( )

( )

l

l

3

2

Ψ

=

Ψ

l

l

dx

d

dx

d

3

2

Ψ

=

Ψ

 

background image

Slajd 46 
 

Efekt tunelowy - przenikanie 

cząstki przez barierę potencjału

E

A

1

B

1

A

3

U >E

o

0            l

Ψ(x)

x

prawdopodobieństwo 

przejścia przez barierę 

potencjału zależy od L i U

o

szybko maleje ze 

wzrostem jej szerokości i 

wysokości
wg. mechaniki klasycznej 

przenikanie przez barierę 

jest niemożliwe
energia cząstki, w 

odróżnieniu od jamy 

potencjału nie jest 

skwantowana

(

)

E

U

m

L

o

e

T

2

2

h

 

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

Slajd 47 
 

Przykłady efektu 

tunelowego

Dioda tunelowa (efekt tunelowy w złączu 

p-n) Nagroda Nobla 1973r

Esaki - tunelowanie w półprzewodnikach 

np. diody tunelowe
Giaever - tunelowanie w nadprzewodnikach
Josephson – złącze Josephsona, szybki 

przełącznik kwantowy

Skaningowy Mikroskop Tunelowy

Binning i Rohrer Nagroda Nobla 1986r

 

Slajd 48 
 

Diody 

tunelowe

 

background image

Slajd 49 
 

Oscylator harmoniczny

Oscylator jako model 

procesu okresowego

chaniczny

ektromagnetyczny

ający dipol

wiele układów fizycznych można traktować jak oscylatory harmoniczne

 

„

me

„

el

„

drg

„

kwantowy

E

Slajd 50 
 

Oscylator klasyczny

Cząstka wykonująca ruch pod 

wpływem siły quasisprężystej

x

k

F

r

r

=

x

k

F

r

r

=

x=0

x

k – stała sprężystości

x

k

F

=

)

t

cos(

x

x

kl

o

ϕ

+

ω

=

Energia potencjalna i całkowita

klasycznie energia E może przyjmować dowolne 

wartości, w tym również wartość zerową

( )

2

2

2

2

2

x

m

kx

x

U

kl

ω

=

=

m

k

kl

=

ω

x

U

0

x

o

-x

o

2

2

o

kx

=

 

Slajd 51 
 

Oscylator kwantowy

Ψ

ω

=

Ψ

2

2

2

2

2

2

1

2

x

m

E

m

dx

d

kl

h

Rozwiązanie kwantowo-mechaniczne 

otrzymujemy z równania Schrodingera przyjmując

Równanie to ma rozwiązanie jeżeli:

m

k

kl

=

ω

kl

n

n

E

ω

 −

=

h

2

1

gdzie n=1, 2, 3 ...

( )

2

2

2

x

m

x

U

kl

ω

=

E

1

E

2

E

3

E

4

E

5

E

6

Przykład funkcji falowej dla n=2

Funkcja falowa wnika w 

obszar poza amplitudą 

drgań, co klasycznie jest 

niemożliwe

( )

2

x

Ψ

x

o

-x

o

0

x

klasycznie

 

background image

Slajd 52 
 

Właściwości oscylatora 

kwantowego

Energia oscylatora kwantowego jest skwantowana

Oscylator kwantowy nie może mieć energii równej zero –

każde ciało posiada pewną energię wewnętrzną, nie można 

osiągnąć temperatury 0 K
Przy przejściach między sąsiednimi poziomami oscylator 

kwantowy emituje kwanty energii (fotony) o częstotliwości 

zgodnej z częstotliwością oscylatora klasycznego

Reguły wyboru zezwalają na przejścia jedynie między 

sąsiednimi poziomami   

∆n=±1 

Otrzymane wyniki są zgodne z postulatami Plancka dla 

promieniowania ciała doskonale czarnego

kl

n

n

E

ω

 −

=

h

2

1

kl

E

E

ω

=

h

1

2

 

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

Slajd 53 
 

Atom wodoru

teoria klasyczna 

a kwantowa
równanie 

Schrodingera
liczby kwantowe

 

Slajd 54 
 

Budowa atomu wodoru

atom wodoru składa się z pojedynczego elektronu 

(-e) związanego z jądrem – protonem (+e) 

przyciągającą siła elektrostatyczną
rozmiary jądra – 10

-14

m

rozmiary atomu rzędu 10

-10

m

masa protonu = 1836 masy elektronu swobodnego
klasycznie energia elektronu przyjmuje dowolne 

wartości – w rzeczywistości jest skwantowana
przy ruchu po orbicie elektron powinien tracić 

energię przez promieniowanie i poruszając się po 

spirali spaść na jądro – w rzeczywistości energia 

się nie zmienia

eksperyment Rutherforda

rok 1911

 

background image

Slajd 55 
 

Sprzeczności z prawami 

fizyki klasycznej

niezrozumiały postulat o dyskretnych 

wartościach momentu pędu elektronu
brak emisji energii promieniowania przy 

ruchu elektronu po orbicie
nie opadanie elektronów na jądro atomu
trudności przy opisie atomów 

wieloeletronowych

 

„

„

„

„

„

„

„

Slajd 56 
 

Równanie Schrodingera dla 

atomu wodoru

atom wodoru jest swego rodzaju studnią potencjału 

(naturalną pułapką) dla elektronu
energia potencjalna oddziaływania elektron-jądro 

jest postaci

potencjał ma symetrię sferyczną

więc musimy wprowadzić 

sferyczny układ współrzędnych

( )

r

e

r

U

o

πε

=

4

2

ϑ

=

ϕ

ϑ

=

ϕ

ϑ

=

cos

sin

sin

cos

sin

r

z

r

y

r

x

4

2

0

2

4

r[Å]

-10

-30

U[eV]

stan 
podstawowy

r[Å]

 

Slajd 57 
 

(

)

Ψ

=

Ψ

+

Ψ

+

Ψ

U

E

m

z

y

x

2

2

2

2

2

2

2

2

h

Ψ



πε

+

=

∂ϕ

Ψ

ϑ

+

∂ϑ

Ψ

ϑ

∂ϑ

ϑ

+

Ψ

r

e

E

m

r

r

r

r

r

o

4

2

1

1

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

h

sin

sin

sin

0

4

2

1

2

2

2

2

=

Ψ



πε

+

+

Ψ

r

e

E

m

dr

d

r

dr

d

r

o

h

(

)

ϕ

ϑ

Ψ

,

,

r

(

)

( ) ( ) ( )

ϕ

Φ

ϑ

Θ

=

ϕ

ϑ

Ψ

r

R

,

,

podstawiając tą funkcję do równania Schrodingera otrzymujemy 
trzy równania z których każde opisuje zachowanie się funkcji falowej 
w zależności od r, 

ϑ, ϕ - równanie radialne, biegunowe i azymutalne

Rozpatrzmy najprostszy przypadek, gdy 

Ψ jest tylko funkcją r

tzn. żaden kierunek w przestrzeni nie jest wyróżniony – stan s

( )

o

r

r

o

e

r

/

Ψ

=

Ψ

Funkcja spełniająca to równanie to:

Równanie Schrodingera dla 
przypadku trójwymiarowego i 
we współrzędnych sferycznych

 

background image

Slajd 58 
 

Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w 
elemencie objętości 

dr

r

dV

2

4

π

=

( )

dr

e

r

dr

r

r

dV

P

o

o

r

r

2

2

2

2

2

4

4

Ψ

π

=

π

Ψ

=

/

Fizyczna 

interpretacja

wyrażenia na r

o

i E są identyczne jak w modelu Bohra

kwantyzacja wynikiem rozwiązania równania Schrodingera, 

a nie postulatem jak u Bohra
r

o

to nie promień orbity, lecz odległość od jądra przy której 

prawdopodobieństwo znalezienia się elektronu jest 

największe
przyjęcie klasycznej orbity traci sens
dla rozpatrywanego stanu s moment pędu jest równy zeru

w ogólności moment pędu nie jest równy       lecz 

osiąga maksimum dla r = r

o

h

n

(

)

h

1

+

=

l

l

L

 

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

Slajd 59 
 

Dokładne rozwiązanie 

równania Schrodingera

rozwiązaniem równania biegunowego jest funkcja postaci

m

l

=0,±1,± 2..,±l

( )

ϕ

Φ

=

ϕ

Φ

l

im

o

e

rozwiązanie równania radialnego istnieje jeśli energia elektronu
przyjmuje ściśle określone wielkości

2

2

2

2

4

1

32

n

me

n

E

o

ε

π

=

h

( )

r

R

l

n,

n – całkowita liczba dodatnia

rozwiązaniem równania azymutalnego  są tzw. wielomiany Legendre’a

( )

(

)

( )

ϑ

=

=

ϑ

=

ϑ

Θ

cos

;

.

cos

0

1

0

0

P

P

np

P

l

m

l

l – całkowita liczba dodatnia

 

Slajd 60 
 

Orbitalny moment pędu 

elektronu

z rozwiązania równania kątowego wynika, że 

wartość orbitalnego momentu pędu elektronu 

w atomie jest skwantowana

liczba całkowita to orbitalna liczba kwantowa
rzut momentu pędu na wyróżniony kierunek (z) 

jest również skwantowany

liczba m

l

to magnetyczna liczba kwantowa

wektora nie można w żaden sposób zmierzyć, 

możemy jedynie zmierzyć składową tego 

wektora wzdłuż danej osi np. określonej przez 

pole magnetyczne

(

)

h

1

+

=

l

l

L

= 0, 1, 2

h

l

z

m

=

l

m

l

m

l

=0,±1,± 2..,±l

 

background image

Slajd 61 
 

elektron porusza się po orbicie kołowej

droga przebyta przez elektron

więc jego funkcja falowa jest postaci

z jednoznaczności funkcji falowej

otrzymujemy warunek kwantyzacji L

z

długość orbity równa całkowitej wielokrotności λ,

fale nie wygaszają się – orbita dozwolona

= 6

h

Falowa interpretacja kwantyzacji 

momentu pędu elektronu

k

r

L

z

 

r

p

 

h

=

=

ϕ

 

r

=

( )

ϕ

ϕ

ikr

o

iks

o

e

e

Ψ

=

Ψ

=

Ψ

( )

(

)

π

+

ϕ

Ψ

=

ϕ

Ψ

2

)

(

π

+

ϕ

ϕ

Ψ

=

Ψ

2

ikr

o

ikr

o

e

e

1

2

=

π

ikr

e

l

m

kr =

h

l

z

m

=

rp

rr

r

L

z

(

)

h

1

+

=

l

l

L

l

m

l

m

l

=0,±1,± 2..,±l

r

m

l

π

λ

2

=

z

 

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

Slajd 62 
 

Liczby kwantowe

główna liczba kwantowa 

= 1, 2, 3,...

określa możliwe wartości energii
orbitalna (poboczna) liczba kwantowa  = 0, 1, 2,....n-1
określa momentu pędu (kształt powłoki)
magnetyczna liczba kwantowa 

m

l

= -l, -l+1,..,-1, 0, 1,....,l-1,l

określa składowe momentu pędu
dla danej wartości liczba możliwych m

l

, czyli liczba 

niezależnych rozwiązań równania Schrodingera 
odpowiadająca jednej wartości energii wynosi

(

)

2

1

0

1

2

n

l

n

l

=

+

=

stan jest n

2

-krotnie zwyrodniały

 

Slajd 63 
 

Orbital atomowy

orbital atomowy to funkcja falowa 

Ψ opisująca 

stan elektronu w atomie zależna od trzech liczb 

kwantowych: n, l, m
|

Ψ|

2

dV – określa prawdopodobieństwo 

znalezienia się elektronu w elemencie objętości 

dV
obszar w którym występuje duże 

prawdopodobieństwo znalezienia się elektronu 

nazywa się chmurą elektronową
każdy orbital atomowy jest związany z pewną

symetrią obszaru, w którym znajduje się

elektron

 

background image

Slajd 64 
 

Pełna funkcja falowa

±1

1

2

2p

0

1

2

2p

0

0

2

2s

0

0

1

1s

funkcje falowe

m

l

l

n

stan

o

r

r

o

e

r

/

/





π

=

Ψ

2

3

100

1

1

o

r

r

o

o

e

r

r

r

2

2

3

200

2

1

2

4

1

/

/









π

=

Ψ

ϑ





π

=

Ψ

cos

/

/

o

r

r

o

o

e

r

r

r

2

2

3

210

1

2

4

1

ϕ

ϑ

π

i

r

r

o

o

e

e

r

r

r

o

±





=

Ψ

sin

/

/

2

2

3

211

1

8

1

( )

( )

( )

ϕ

ϑ

l

l

l

m

lm

nl

nlm

r

R

Φ

Θ

=

Ψ

orbitale: s, p, d, f, g, ....

l =  0, 1, 2, 3, 4,....

 

Slajd 65 
 

Normowanie funkcji falowej

o

r

r

Ae

=

Ψ

100

1

2

2

2

100

=

=

Ψ

dV

e

A

dV

o

r

/

ϕ

ϑ

ϑ

=

d

 

d

 

dr

 

r

dV

sin

2

1

2

0

0

0

2

2

2

=

ϕ

ϑ

ϑ

π

π

d

d

dr

e

r

A

o

r

r

sin

/

( )

3

0

2

2

2

2

o

r

r

r

dr

e

r

o

=

/

(

)

1

4

2

2

3

2

=

π

o

r

A

2

3

1

1

/





π

=

o

r

A

o

r

r

o

e

r

/

/





π

=

Ψ

2

3

100

1

1

Stałe współczynniki wyznaczamy z warunku unormowania

element objętości we współrzędnych sferycznych 

( )

dr

r

p

dr

r

R

dV

P

nl

=

=

2

2

4

π

( )

2

2

4

r

R

r

p

nl

π

=

gęstość prawdopodobieństwa

dla stanu 1s:

dla stanu 1s:

( )

o

r

r

o

e

r

r

r

p

2

3

2

4

=

 

Slajd 66 
 

Pułapki elektronowe

2

2

2

2

2mL

n

E

n

h

π

=

0

L

E

1

E

2

E

3

studnia
potencjału

stan podstawowy

2

2

2

2

4

1

32

n

me

n

E

o

ε

π

=

h

atom wodoru

E

o

kl

n

n

E

ω

 −

=

h

2

1

oscylator harmoniczny

E

1

E

2

E

3

E

4

E

5

E

6