1

Andrzej Wojtowicz

pokój 331

konsultacje wtorek 12.00 –

14.00

www.fizyka.umk.pl/~andywojt

2

LITERATURA i materiały pomocnicze

 H.E. Enge, M.R. Wehr, J.A. Richards,

Wstęp do fizyki atomowej,

PWN, Warszawa 1983



H. Haken, H.C. Wolf,

Atomy i kwanty, PWN, Warszawa 2002



Richard P. Feynman,

Feynmana wykłady z fizyki. T. III

 D. Halliday, R. Resnick, J. Walker

Podstawy fizyki, t. 5, rozdz. 39, 40, 41



Andrzej Wojtowicz:

www.fizyka.umk.pl/~andywojt

3

PODSTAWY MECHANIKI

KWANTOWEJ

Richard P. Feynman,

Feynmana wykłady z fizyki

T. I rozdz. 37 i 38

T. III rozdz. 3 i 7

4

PLAN WYKŁADU

 Atomowa struktura materii

 Elektryczność, a atomowa struktura

materii

 Korpuskularny charakter

promieniowania elektromagnetycznego

 Falowy charakter cząstek

materialnych

 Proste modele atomu

 Atom wodoru w mechanice kwantowej

 Atom wodoru i jony wodoropodobne;

atomy wieloelektronowe; układ

okresowy; widma atomów metali

alkalicznych

 Momenty magnetyczne i poprawki

energetyczne do struktury energetycznej

atomu wodoru

5

PLAN WYKŁADU

 Struktura subtelna w atomie

wodoru; oddziaływanie spin – orbita,

struktura nadsubtelna

 Funkcje falowe elektronu w atomie

wodoru z uwzględnieniem spinu,

składanie momentów pędu

 Zasada Pauliego; atom helu

 Rozszczepienie subtelne,

oddziaływanie spin-orbita, sprzężenie

L – S

 Sprzężenie j – j, reguły wyboru,

zjawisko Zeemana. Promieniowanie X

a energetyczna struktura atomów

 Cząsteczki; wiązania chemiczne

6

Atomowa struktura materii

Elektryczność, a atomowa struktura

materii

7

Atomowa struktura materii

Demokryt i Szkoła Epikurejska (atomy)

atomos (niepodzielny)

Arystoteles i Stoicy (ciągłość przestrzeni

i materii, cztery elementy: gorąco, zimno,

suchość i wilgoć)

Rozwój alchemii i chemii (2 połowa XVIII

wieku)

8

Atomowa struktura materii; wkład

chemików:

Joseph Priestley:

podgrzewając HgO, tlenek rtęci, otrzymał

tlen,

odkrył także amoniak, tlenek węgla,

chlorowodór, kwas siarkowy, tlenek siarki,

tlenek azotu, wodę sodową

Antoine Lavoisier; pierwiastki chemiczne

„ostatnie stadium osiągalne przez

analizę”,

zachowanie materii (tlen i wodór, woda)

DALTON PLAYHOUSE

http://web.visionlearning.com/dalton_playhouse/ad

_loader.html

9

1799, J.L. Proust, prawo stałych

stosunków:

„stosunek ciężarów

pierwiastków w określonym związku

chemicznym jest wielkością stałą,

niezależną od warunków w jakich ten

związek otrzymano”

John Dalton, prawo stosunków

wielokrotnych:

„jeśli dwa pierwiastki chemiczne A i B

łączą się ze sobą na dwa lub więcej

sposobów tworząc związki C i D, to

przy utrzymywanej stałej masie

pierwiastka A, masy pierwiastka B w

różnych związkach pozostają do siebie

w stosunku prostych liczb

całkowitych”

10

Gay-Lussac:

„jeśli gaz A łączy się z gazem B

tworząc gaz C, bez zmiany

temperatury i ciśnienia, wówczas

stosunki objętości gazów A, B i C

pozostają do siebie w stosunku

prostych liczb całkowitych”

2 objętości wodoru + 1 objętość tlenu

= 2 objętości pary wodnej

1 objętość azotu + 3 objętości wodoru

= dwie objętości amoniaku

11

Avogadro, 1811

(problem małych cząsteczek,

kontrowersja pomiędzy Daltonem i

Gay-Lussac’iem)

Avogadro postulował istnienie atomów

i cząsteczek, stanowiących

najmniejszą ilość danego ciała,

występującą w przyrodzie,

zaproponował także prawo Avogadry:

„w tej samej temperaturze i pod tym

samym ciśnieniem jednakowe

objętości wszystkich gazów zawierają

tę samą liczbę cząsteczek”

Azot, tlen, wodór składają się z

dwuatomowych cząsteczek.

Cząsteczka wody musi się składać z

dwóch atomów wodoru i jednego tlenu

12

Wczesne argumenty fizyczne:

Ruchy Browna, kinetyczna teoria

gazów, prawa elektrolizy Faradaya

NOWOCZESNA FIZYKA ATOMOWA

Dzięki rozwojowi nowych technik nie

ma już dyskusji o istnieniu atomów.

Poznajemy subtelne szczegóły budowy

atomów i dziwne nieintuicyjne prawa

rządzące ich zachowaniem

(mechanika kwantowa).

13

RURA WYŁADOWCZA

(jedno z ważniejszych osiągnięć

technicznych XX wieku)

lampy oscyloskopowe

lampy elektronowe (termoemisja)

kineskopy TV

monitory, itd.

świetlówki, “neony”

spektrografy masowe

lampy rtg

fotokomórki i fotopowielacze

(efekt fotoelektryczny)

http://tubedevices.com/alek/pwl/pwl.htm

14

Copyright © 1972 by Addison-Wesley Publishing Company, Inc, Introduction to Atomic
Physics by Harald A. Enge.
© Copyright for the Polish edition by Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa
1983

15

Copyright © 1972 by Addison-Wesley Publishing Company, Inc, Introduction to Atomic
Physics by Harald A. Enge.
© Copyright for the Polish edition by Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa
1983

16

Copyright © 1972 by Addison-Wesley Publishing Company, Inc, Introduction to Atomic
Physics by Harald A. Enge.
© Copyright for the Polish edition by Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa
1983

17

Copyright © 1972 by Addison-Wesley Publishing Company, Inc, Introduction to Atomic
Physics by Harald A. Enge.
© Copyright for the Polish edition by Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa
1983

18

RUCH CZĄSTEK

NAŁADOWANYCH

W POLACH ELEKTRYCZNYM I

MAGNETYCZNYM

ELEKTRONY i

SPEKTROSKOPIA MAS

Enge, Wehr i Richards, str. 40-

47, 51-57

Haken, Wolf, str. 48-55

19

Copyright © 1972 by Addison-Wesley Publishing Company, Inc, Introduction to Atomic
Physics by Harald A. Enge.
© Copyright for the Polish edition by Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa
1983

20

2

2

2

2

1

2

1

2

y

2

2

2

1

1

2

1

E

mv

qELD

mv

2

qEL

y

y

v

D

v

L

m

qE

t

at

t

v

y

v

L

m

2

qE

2

at

y

y

y

y













































































 



D

2

L

mv

qEL

y

2

E

21

Copyright © 1972 by Addison-Wesley Publishing Company, Inc, Introduction to Atomic
Physics by Harald A. Enge.
© Copyright for the Polish edition by Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa
1983

22

2

2

2

4

3

2

1

2

y

4

2

2

1

3

4

3

B

mv

qvBLD

mv

2

qvBL

y

y

v

D

v

L

m

qvB

t

at

t

v

y

v

L

m

2

qvB

2

at

y

y

y

y













































































 



D

2

L

mv

qBL

y

B

23











 



D

2

L

mv

qEL

y

2

E











 



D

2

L

mv

qBL

y

B

B

E

y

y

y





filtr energetyczny filtr

pędowy

Pole magnetyczne (albo

elektryczne) dobieramy tak, by y

= 0;

B

E

v 

Wartość q/m dla promieni katodowych jest

dobrze określona (ostra wyraźna plamka)

Mamy wówczas:

24

Znając napięcie przyspieszające U

mamy:

2

mv

qU

2



co daje:

U

2

v

m

q

2



i dalej:

U

2

1

B

E

m

q

2

2



kg

C

10

76

.

1

m

q

11

e

e





U

B

m

q

2

E

2

2





wykreślając w funkcji U przy

stałym B (napięcie odchylające

dobieramy tak, by pole E równoważyło

pole B dla danego v)

z nachylenia prostej

otrzymamy:

czyli:

2

E