background image

 

 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

• Każde ciało stałe, ciecz lub gaz, emituje 

promieniowanie termiczne w postaci fal 
elektromagnetycznych, a także absorbuje je z 
otoczenia. Promieniowanie ma widmo ciągłe.

• DEF: 

Ciało doskonale czarne absorbuje całe 

promieniowanie termiczne, które nań pada.

• Przykładem CDC jest przedmiot pokryty sadzą 

lub czernią bizmutową.

background image

 

 

• Rozkład widmowy promieniowania CDC 

charakteryzuje funkcja R

T

(v) zwana zdolnością 

emisyjną ciała (def: wielkość R

T

(v)dv jest 

równa energii promieniowania o 
częstotliwości leżącej w przedziale od v do v + 
dv, wysyłanego w ciągu jednostki czasu przez 
jednostkę powierzchni ciała mającego 
temperaturę bezwzględną T)

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

background image

 

 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

• Częstotliwość 

odpowiadająca 

maksimum zdolności 

emisyjnej wzrasta 

liniowo ze wzrostem 

temperatury.

• Całkowita moc 

wyemitowana przez 

powierzchnię 

jednostkową (pole 

pod krzywą) 

gwałtownie rośnie z 

temperaturą.

background image

 

 

Całkowita zdolność emisyjna R

jest całką ze 

zdolności emisyjnej R

T

(v) po wszystkich 

częstotliwościach v. Jest ona równa całkowitej 
energii wyemitowanej w ciągu jednostki czasu z 
jednostki powierzchni ciała doskonale czarnego o 
temperaturze T.

 Ilościowo ujmuje ten fakt empiryczne prawo 

Stefana:

R

T

 = σT

4

,

 

gdzie σ = 5,67 * 10

-8

 W/(m

2

 * K

4

) jest stałą Stefana-

Boltzmana.

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

background image

 

 

• Prawo przesunięć Wiena.

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

Analizując widmo promieniowania CDC 

widzimy, że wraz ze wzrostem temperatury T 

widmo promieniowania ulega przesunięciu w 

stronę wyższych częstotliwości. Fakt ten 

wyraża tzw. prawo przesunięć Wiena:
v

max

 ~ T czyli 

max

*T=const.

gdzie v

max 

jest częstotliwością

  

a 

max 

długością 

fali dla której R

T

(v) ma w danej temperaturze 

T wartość maksymalną (wraz ze wzrostem T 

częstotliwość v

max

 ulega przesunięciu w 

kierunku wyższych częstotliwości). 

background image

 

 

• Model ciała doskonale czarnego.

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

Nieprzezroczyste ciało 

zawierające wnękę z bardzo 

małym otworem wejściowym, 

którego ścianki ogrzane są w 

jednorodny sposób do 

temperatury T.
Promieniowanie padające na 

otwór z zewnątrz jest po 

wielokrotnych odbiciach od 

wewnętrznych ścian wnęki 

całkowicie pochłaniane. 

Wewnętrzne ściany wnęki także 

emitują promieniowanie, część 

jego wychodzi na zewnątrz. Otwór 

pochłania i emituje 

promieniowanie jak ciało 

doskonale czarne

background image

 

 

• Prawo Rayleigh’a – Jeans’a

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

Pod koniec XIX w. Rayleigh i Jeans obliczają energie 

promieniowania we wnęce. Stosują klasyczną teorię 

pola elektromagnetycznego do pokazania, że 

promieniowanie wewnątrz wnęki ma charakter fal 

stojących (węzły na ścianach wnęki). Zgodnie z fizyką 

klasyczną, energia każdej fali może przyjmować 

dowolną wartość od zera do nieskończoności, przy 

czym energia jest proporcjonalna do kwadratu 

amplitudy. Następnie Rayleigh i Jeans obliczyli wartość 

średniej energii w oparciu o prawo ekwipartycji energii i 

w oparciu o nią znaleźli widmową zdolność emisyjną: 
R

T

(v) = ( 8πv

2

 / c

3

 )* kT,

gdzie c jest prędkością światła w próżni, a k stałą 

Boltzmanna, k = 1,38 * 10 

–23

 J/K.

background image

 

 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

Rayleigh’a – 
Jeans’a 
„katastrofa w 
nadfiolecie”

background image

 

 

• Teoria Wiena:

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

T

c

e

c

2

1

5

1

background image

 

 

• Założenia Plancka – oscylator 

kwantowy.

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

Planck szukał przyczyny rozbieżności doświadczenia z prawem 

R-J. Postanawia naruszyć prawo ekwipartycji energii, na 

którym opierał się jego dowód. Przyjmuje, że atomy ścian 

zachowują się jak oscylatory harmoniczne, które emitują (i 

absorbują) energię do wnęki, z których każdy ma 

charakterystyczną częstotliwość drgań. Dalej przyjmuje, że:
I. Oscylator nie może mieć dowolnej energii, lecz tylko energie 

dane wzorem:
E = nhv
gdzie v oznacza częstość oscylatora, h stałą (Plancka), 

n pewną liczbę całkowitą (zwaną obecnie liczbą kwantową). Z 

powyższego wzoru wynika, że energia jest skwantowana i 

może przyjmować tylko ściśle określone wartości. Tu jest 

zasadnicza różnica, bo teoria klasyczna zakłada dowolną, 

ciągłą wartość energii od zera do nieskończoności.

background image

 

 

II. Oscylatory nie wypromieniowywują (ani pobierają) 

energii w sposób ciągły, lecz porcjami, czyli kwantami, 

podczas przejścia z jednego stanu w drugi. Wtedy to:

ΔE = Δnhv = hv

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

Na podstawie swoich hipotez Planck otrzymał 
następującą funkcję rozkładu

R

T

(v) = ( 8π

2

 / c

3

 ) * (hv / (e

hv/kT

  - 1)) ,

Doświadczalna wartość stałej Plancka, 

h = 6,62 * 10

-34

 J*s.

background image

 

 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

background image

 

 

Kwantyzacja  energii  może  wydawać  się  dość  absurdalnym 

założeniem  i  niezgodnym  z  naszym  doświadczeniem.  Jak  ta 

hipoteza stosuje się do znanych  nam oscylatorów, np. sprężyna 

o masie m = 1 kg i stałej sprężystości k = 20 N/m wykonująca 

drgania o amplitudzie 1 cm. 

Częstotliwość drgań własnych:

Wartość energii całkowitej:
 
Jeżeli  energia  jest  skwantowana  to  jej  zmiany  dokonują  się 

skokowo  przy  czym  hv.  Względna  zmiana  energii  wynosi 

więc:

E/E = 4.7·10

-31

Żaden przyrząd pomiarowy nie jest wstanie zauważyć tak 

minimalnych zmian energii.

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

Hz

m

k

v

71

.

0

2

1

J

kA

E

3

2

10

1

2

1

background image

 

 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

background image

 

 

Wyniki badań nad widmami zdolności emisji 

promieniowania podczerwonego znalazły 

sporo zastosowania:

• kamer działające na podczerwień 

(szpiegowskie)

• różna aparatura techniczna (np. profilowanie 

opon i ich bieżników tak by temperatury 

powstałe na skutek tarcia im nie szkodziły)

• mierzenie temperatur - pirometry
• ogrzewanie - promienniki.

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

background image

 

 

Promieniowanie emitowane przez gorące ciało można 

wykorzystać do wyznaczenia jego temperatury. Mierzy się 
ich zdolność emisyjną dla wybranego zakresu długości fal. Z 
prawa Plancka wynika, że dla dwu ciał o temperaturach T

1

 i 

T

2

 stosunek natężeń promieniowania o długości fali 

 wynosi:

 

Jeżeli T

1

 przyjmiemy jako standardową temperaturę odniesienia 

to możemy wyznaczyć T

2

 wyznaczając doświadczalnie I

1

/I

2

Do tego służy 

pirometr.

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

1

1

2

1

2

1

kT

hc

kT

hc

e

e

I

I

background image

 

 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

A

źródło

promieniowania

włókno pirometru

mikroskop

Pirometr – budowa

background image

 

 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Ciała Doskonale 

Czarnego (CDC)

Współczesny 
pirometr 
cyfrowy

background image

 

 

1895 -

 

Wilhelm Roentgen badał własności 

promieni katodowych: 

Rura katodowa czynna -> leżący w pobliżu

rury ekran pokryty platynocyjankiem baru 

świecił. 

Rura owinięta w czarnym papierem -> 

ekran  świecił.

Klisza fotograficzna w czarnym papierze 

umieszczona obok rury katodowej -> 

uległa  naświetleniu. 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Roentgena

background image

 

 

anoda:
Cu, Mo, W, 
Ni

próżnia

katoda

wysokie U
ponad 1.5kV

przyśpieszane 
elektrony

promienie X

Fizyka współczesna

Promieniowanie Roentgena

background image

 

 

Promieniowanie X (Roentgena) jest to 

strumień kwantów promieniowania 
elektromagnetycznego, powstający w 
wyniku hamowania strumienia 
elektronów na anodzie (antykatodzie. 
Promieniowanie to rozchodzi się w 
postaci fali elektromagnetycznej, której 
długość zawiera się w granicach od 10 
do 0,001 nm.

 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Roentgena

background image

 

 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Roentgena

background image

 

 

Promieniowanie rentgenowskie 

powstaje na dwóch drogach:

• jako 

promieniowanie hamowania

 

w polu kulombowskim jąder atomów 

materiału anody - elektron jest 

wyhamowany i odbity przez atom, 

emitując przy tym energię w postaci 

promieniowania rentgenowskiego,

Fizyka współczesna

Promieniowanie Roentgena

background image

 

 

• jako 

promieniowanie 

charakterystyczne

 (oddziaływanie z 

elektronami wewnętrznych powłok 

atomów materiału anody) - elektron 

wybija z wewnętrznej orbity atomu 

jeden z jego elektronów. Wówczas 

promieniowanie rentgenowskie 

powstaje wskutek przejścia elektronu z 

orbity zewnętrznej na miejsce 

wybitego wcześniej elektronu. 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Roentgena

background image

 

 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Roentgena

background image

 

 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Roentgena

emisja

(Ĺ)

0.4 0.5

0.6

K

K

Mo

intensywnoś
ć

atom 
kw.

widmo

fluorescenc
ja 
rentgenow
ska

szybkie elektrony 
hamowane są na 
anodzie 

promieniowanie 
charakterystyczne

promieniowanie 
hamowania

background image

 

 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Roentgena

ROZPROSZENIE PROMIENI RENTGENA NA 

SIECI KRYSTALICZNEJ

wiązka 
padająca

d

hk

l

x

wiązka 
rozproszona

elektrony 
wokół jądra

wiązka 
padająca

background image

 

 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Roentgena

prawo Bragga

n = 2 d

hkl 

sin 

Intensity (%)

 

2

40

50

60

70

80

90

100

110

120

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

o

 (1.540562 Ĺ)
20°,60°]

B = 2.0 Ĺ˛

2

2,2,0

2,2,2

4,0,0

4,2,0

4,2,2

4,4,2

lampa Cu, =1.54562Ĺ

2

background image

 

 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Roentgena

background image

 

 

Diagnostyka - prześwietlanie kości, płuc czy 

zębów.
Rentgenoterapia - okresowe naświetlanie 

promieniami X pozwala na zniszczenie chorej 

tkanki. Wykorzystano w leczeniu schorzeń 

skóry, a w szczególności do leczenia 

nowotworów. Źródłem promieniowania są 

izotopy promieniotwórcze stosowane w formie 

tzw. bomb naświetleniowych - dużych próbek, 

które emitując z zewnątrz promieniowanie 

zabijają komórki rakowe. 

Tomograf komputerowy – służy do naświetlania 

chorych tkanek.

Fizyka współczesna

Promieniowanie Roentgena

background image

 

 

Fizyka współczesna

Promieniowanie Roentgena

background image

 

 

Fizyka współczesna

Model Bohra atomu wodoru

background image

 

 

Fizyka współczesna

Model Bohra atomu wodoru

background image

 

 

Fizyka współczesna

Model Bohra atomu wodoru

background image

 

 

Fizyka współczesna

Model Bohra atomu wodoru

background image

 

 

Fizyka współczesna

Model Bohra atomu wodoru

background image

 

 

Fizyka współczesna

Model Bohra atomu wodoru

Widmo 
helu

Widmo 
azotu

background image

 

 

1917  –  teoretyczne  podstawy  maserów  i  laserów 

opisane  przez  Alberta  Einsteina  –  opis  zjawiska 

emisji spontanicznej i wymuszonej promieniowania 

elektromagnetycznego.

1952 - Charles H. Townes zademonstrował możliwość 

wyprodukowania  i  utrzymania  większej  liczby 

atomów  w  stanach  wzbudzonych  niż  w  stanach 

podstawowych.  Urządzeniem  produkującym  i 

utrzymującym był maser amoniakalny. 

1960  –  odkrycie  przez  T.H.  Maimana  lasera 

rubinowego

 w Malibu, Kalifornia.

Fizyka współczesna

Lasery

background image

 

 

Laser 

– 

jest 

to 

skrót 

od 

angielskiego sformułowania 

L

ight 

A

mplification 

by 

S

timulated 

E

mission of 

R

adiation co oznacza 

po  polsku  wzmocnienie  światła 
przez 

wymuszoną 

emisję 

promieniowania

.

Fizyka współczesna

Lasery

background image

 

 

Fizyka współczesna

Lasery

• 

Do  substancji  czynnej, 

którą  może  być  ciecz,  gaz 

lub  ciało  stałe,  znajdującej 

się  w  stanie  podstawowym 

E

0

  dostarczana  jest  energia 

w  postaci  promieniowania 

(proces 

ten 

nazywamy 

pompowaniem).
•Poprzez  absorpcję  fotonów 

elektrony  zwiększają  swoją 

energię.  Znajdują  się  na 

poziomie energetycznym E

1

.

background image

 

 

Fizyka współczesna

Lasery

Kiedy 

liczba 

elektronów  w  stanie 
wzbudzonym 

(o 

większej energii) jest 
większa  od  liczby 
elektronów  w  stanie 
podstawowym  mamy 
do 

czynienia 

inwersją obsadzeń.

background image

 

 

Fizyka współczesna

Lasery

Czas 

życia 

elektronów  w  stanie 

E

1

  jest  krótki  (około 

10

-9

  s),  wobec  tego 

następuje 

bezpromieniste 

przejście  do  stanu 

energetycznego 

E

2

 

(na  którym  długość 

życia elektronów jest 

rzędu mikro- a nawet 

milisekund) 

nazywanego  stanem 

metastabilnym.

background image

 

 

Fizyka współczesna

Lasery

Emisja 

wymuszona 

(indukowana) 

zachodzi  jeżeli  atom 

znajduje  się  w  stanie 

wzbudzonym, 

pod 

wpływem  padającego 

na  niego  fotonu  o 

odpowiedniej, 

rezonansowej  energii 

przechodzi  na  niższy 

poziom  energetyczny 

emitując  swój  własny 

foton. 

Emitowany 

foton  jest  spójny  z 

fotonem 

wymuszającym.

background image

 

 

Fizyka współczesna

Lasery

Laser  rubinowy  – 
substancją 

czynną 

jest kryształ korundu 
Al

2

O

3

  +  chrom  lub 

pręt 

rubinowy, 

pompowany 
optycznie 

przez 

lampę 

błyskową 

(laser 

impulsowy), 

emituje 

światło 

czerwone, 

rzadko 

stosowany.

background image

 

 

Fizyka współczesna

Lasery

Laser 

gazowy 

– 

substancją czynną są 
różne  gazy  np.  hel  i 
neon, 

krypton, 

ksenon  lub  argon, 
pompowane 

są 

elektrycznie 
(wyładowania 
elektryczne), 
stosowany 

badaniach 

do 

pompowania  lasera 
barwnikowego.

background image

 

 

Fizyka współczesna

Lasery

Laser barwnikowy – substancją czynną 

jest  tzw.  barwnik  organiczny  np. 

rodamina,  pompowanie  za  pomocą 

laserów  argonowych,  kryptonowych 

lub  ksenonowych,  charakteryzuje  się 

przestrajaną  w  szerokim  zakresie 

długością  emitowanej  fali  świetlnej, 

poprzez  strojenie  długości  rezonatora 

optycznego.

background image

 

 

Fizyka współczesna

Lasery

Laser 

półprzewodnikowy 

– 

ośrodkiem 

czynnym  jest  półprzewodnik,  pompowanie 
jest 

wykonane 

przez 

wstrzykiwanie 

ładunków  przez  złącze,  jego  zaletami  jest 
niska  cena  produkcji,  małe  rozmiary  co  za 
tym  idzie  mały  pobór  mocy,  wysoka 
wytrzymałość mechaniczna, zastosowanie:
-  o  małej  mocy  –  wskaźniki  laserowe, 
drukarki, 

nagrywarki 

CD/DVD, 

telekomunikacja
-  o  dużej  mocy  –  w  przemyśle  do  cięcia  i 
spawania

background image

 

 

Fizyka współczesna

Lasery

Laser 

wykorzystujemy  do 

odczytywania danych 

lub  do  ich  zapisu.  W 

CD-Romach 

mamy 

lasery  jedynie  do 

odczytu. 

nagrywarkach 

występują 

lasery 

odczytująco-

zapisujące. 

background image

 

 

Fizyka współczesna

Lasery

Technologia  Blu-ray  - 

nowy 

format 

zapisu 

magnetycznego, 

który 

pozwala  zapisać  25  GB 

informacji. 

przeciwieństwie 

do 

dzisiejszych  nagrywarek 

laser  nie  jest  czerwony, 

lecz 

niebieski. 

Podstawową 

różnicą 

pomiędzy  tymi  laserami 

jest 

długość 

fali 

czerwony 

ma 

650 

nanometrów, 

niebieski 

405. 

Pozwala 

na 

dokładniejsze 

zapisywanie danych.   

background image

 

 

Fizyka współczesna

Lasery

LiDAR czyli Light Detection and 

LiDAR czyli Light Detection and 

Ranging

Ranging

Laser 

impulsowy 

wysyła 

krótkie  w  czasie  ‘’paczki’’ 

światła, które są rozpraszane 

wzdłuż  drogi,  również  do 

tyłu.  To  rozproszone  światło 

jest  przechwytywane  przez 

teleskop.  Pomiar  czasu  od 

wysłania 

wiązki 

przechwycenia 

jej 

przez 

teleskop 

pozwala 

na 

określenie  gdzie  znajduje  się 

element 

rozpraszający 

przestrzeni. 

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

Fale materii – Hipoteza de Broglie’a

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

Fale materii – Hipoteza de Broglie’a

Korpuskularno-falowe charakter metrii

Tak samo jak z fotonem stowarzyszona jest pewna fala która 
rządzi jego ruchem tak i cząstce materialnej przypisana jest 
pewna fala materii.

Energia dowolnego obiektu fizycznego jest związana z 
częstotliwością  ν  pewnej fali stowarzyszonej

E = hν

Pęd obiektu związany jest z długością tej fali 

p = h/λ

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

• Określa prawa ruchu falowego 

opisującego zachowanie się cząstek 
w dowolnym układzie 
mikroskopowym

• Stanowi uogólnienie hipotezy de 

Broglie’a

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

Własności kwantowego równania falowego:

1.

Równanie musi być zgodne z postulatami de Broglie’a i Einsteina 

i

2.

Równanie musi być zgodne ze związkiem

 

3.

Równanie musi być liniowe względem Ψ(x,t).

4.

Energia potencjalna V  jest funkcja x oraz t. W przypadeku 

szczególnym, w którym V(x,t)=V

0

  tym samym 

Mamy wówczas do czynienia z cząstka swobodna o stałych 

λ i v 

możemy przypuszczać ze w tym przypadku rozwiązanie ma postać 

sinusoidalnej fali bierzącej

 

 

h

E

p

h

V

m

p

E

2

2

const

p

dx

t

x

dV

F

,

0

)

,

(

)

sin(

)

(

2

sin

)

,

(

t

kx

vt

x

t

x

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

Rozwiązanie:

Zgadujemy rozwiązanie w następującej postaci

Jest to równanie Schrödingera 

)

,

(

2

2

2

t

x

V

m

k

)

sin(

)

cos(

)

,

(

t

kx

t

kx

t

x

)

,

(

)

,

(

)

,

(

)

,

(

2

2

2

t

x

dt

d

i

t

x

t

x

V

t

x

dx

d

m

)

,

(

)

,

(

)

,

(

)

,

(

2

2

t

x

dt

d

t

x

t

x

V

t

x

dx

d

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

• Jedynym rozwiązaniem równania 

Schrodingera jest zespolona funkcja falowa 

– znaczy to że funkcja falowa nie ma 

żadnego fizycznego znaczenia!

• Podstawowy związek pomiędzy własnościami 

funkcji falowej Ψ(x,t) a zachowaniem związanej z 
nią cząstki wyraża się za pośrednictwem gęstości 
prawdopodobieństwa

 

P(x,t) = Ψ*(x,t) Ψ(x,t)

 

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

• Jeżeli w chwili t dokonamy pomiaru 

mającego na celu ustalenie położenia 
cząstki opisywanej funkcji falowej 

Ψ(x,t)

 

to prawdopodobieństwo 

P(x,t)dx

 tego że wynik pomiaru 

wykaże położenie cząstki w przedziale 
pomiędzy x a x+dx wynosi

 

Ψ*(x,t) 

Ψ(x,t) 

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

• Dzięki funkcji P(x,t) możemy wyznaczać wartości 

średnie szukanych wielkości.

 



dx

t

x

xP

x

)

,

(



dx

t

x

x

t

x

x

)

,

(

)

,

(

*

dx

t

x

p

t

x

p

)

,

(

)

,

(

*



x

i

p

 

gdzie

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

E

e

x

t

x

t

i

,

)

(

)

,

(

)

(

)

(

)

(

)

(

2

2

2

x

E

x

x

V

dx

x

d

m

iKx

iKx

Be

Ae

x

)

(

• Równanie Schrödingera niezależne od 

czasu

– Jeśli Energia potencjalna nie zależy od czasu 

to

• ψ(x) 

która określa

 

zależność przestrzenna 

Ψ(x,t)

 

jest rozwiązaniem

 

równania 

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

• Przy zmieniającym się potencjale tak wolno że 

praktycznie o stałej wartości na obszarze rzędu 

długości fali de Broglie’a cząstki. Z równań 

Schrödingera wiążącego zmianę prędkości paczki 

falowej ze zmianą potencjału. 

 

m

x

V

dx

d

dt

x

d

dt

d

)

(

m

x

F

m

dt

x

d

)

(

dx

dV(x)

2

2

• Zasada Dynamiki Newtona są szczególnym przypadkiem równań 

Schrödingera

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

0

),

(

)

(

2

2

2

x

x

E

dx

x

d

m

0

),

(

)

(

)

(

2

0

2

2

2

x

x

E

x

V

dx

x

d

m

x

ik

x

ik

Be

Ae

x

1

1

)

(

1

*

*

A

A

B

B

R

Dla x<0 pierwszy człon wiąże się z padaniem 
cząstki na próg potencjału , a drugi z odbiciem od 
niego. Prawdopodobieństwo tego że cząstka 
zostanie odbita zależy od współczynnika odbicia R

 

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

x

k

De

D

2

2

*

*

Jednak dla x>0 gęstość 
prawdopodobieństwa wynosi

Zjawisko wnikania w obszar klasycznie wzbroniony

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

0

,

)

(

1

1

x

Be

Ae

x

x

ik

x

ik

0

,

)

(

2

2

x

De

Ce

x

x

ik

x

ik

2

2

1

2

1

*

*





k

k

k

k

A

A

B

B

R

R>0 czyli istnieje prawdopodobieństwo 
tego że cząstka zostanie odbita, 
Niezależnie od którego kierunku 
nadjedzie.  

2

2

1

2

1

4

1

k

k

k

k

R

T

T jest współczynnikiem 
przejścia

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

r

Ze

r

V

0

2

4

2

)

(



a

E

V

m

a

k

e

e

T

0

2

2

2

2

2

Historycznie  pierwsze zastosowanie kwantowej teorii 
przenikania przez barierę wiąże się z wyjaśnieniem długo 
istniejącego paradoksu dotyczącego emisji cząstki 

α 

w procesie 

promieniotwórczego rozpadu jąder

- Potencjał 
kulombowski

Energia cząstki 

α

 emitowana w 

czasie rozpadu radioaktywnego 
wynosi 4,2 MeV

W roku 1928 obliczono współczynnik przejścia T 

ogólniej

dr

E

r

V

m

r

r

e

T

'''

'

2

)

(

2

2

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

a

x

Ge

Fe

x

x

k

x

k

0

,

)

(

2

2

0

,

)

(

1

1

x

Be

Ae

x

x

ik

x

ik

0

,

,

)

(

1

1

D

a

x

De

Ce

x

x

ik

x

ik

Dla E<V

0

 w obszarze x>0 funkcja 

falowa jest czystą falą bieżącą 
wiec gęstość P(x,t) jest stała. 
Natomiast dla x<0 jest prawie falą 
stojącą ,amplituda fali odbitej jest 
mniejsza od padającej. Dla 0<x<a 
jest w zasadzie falą stojącą o 
wykładniczo malejącej amplitudzie 
    

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

1

,

1

16

1

4

sinh

1

*

*

2

2

0

0

1

0

0

2

2

2











a

k

e

V

E

V

E

T

V

E

V

E

a

k

A

A

C

C

T

a

k

Z powyższego wzoru wynika , że cząstka o masie m i energii 
całkowitej E padając na barierę o wysokości V

0

>E i 

skończonej szerokości a, ma pewne prawdopodobieństwo T 
przeniknięcia przez barierę i pojawienia się po jej drogiej 
stronie. 

background image

 

 

Fizyka współczesna

Równanie Schrödingera

Dla E>V

0

 funkcja własna jest funkcją oscylującą we 

wszystkich trzech obszarach, ale w obszarze bariery 
ma ona większą długość fali.

1

0

0

3

2

1

4

sin

1





V

E

V

E

a

k

T

Dla

 k

3

a = π , 2π ,3π,… 

Jest to warunek 

na to że szerokość bariery a jest 
całkowitą lub połówkową wielokrotnością 
długością fali de Broglie’a

 λ

3

=2π/k

3

 

cząstki w tym obszarze.

Wówczas współczynnik przejścia jest równy 1 jest to 
wynikiem interferencji między odbiciem w x=0 a x=a.

(Efekt Ramsauera)

background image

 

 

Fizyka współczesna

Scaningowy mikroskop tunelowy

Idea tunelowania, wykorzystana w skaningowym mikroskopie tunelowym, narodziła się w latach 
dwudziestych naszego stulecia wraz z rozwojem mechaniki kwantowej

W 1958 roku japoński fizyk pracujący w Stanach Zjednoczonych, Leo Esaki, zaobserwował je w 
silnie domieszkowanym złączu półprzewodnikowym typu p-n.Efekt ten wykorzystany został w 
działaniu diody tunelowej, pozwalającej w tym czasie konstruować oscylatory i wiele innych 
szeroko stosowanych układów elektronicznych.

Dwa lata później amerykański fizyk norweskiego pochodzenia, Ivar Giaever, zademonstrował 
tunelowanie elektronów między dwoma paskami metalicznymi rozdzielonymi cienką przekładką 
izolatora. Jako barierę tunelową wykorzystał w tym eksperymencie warstewkę tlenku aluminium 
o grubości około 2 nm.  Doświadcznie to potwierdziło teorie nadprzewodnictwa

W 1965 roku ten sam eksperymentator zaobserwował efekt Josephsona polegający na 
tunelowaniu par elektronów między dwoma nadprzewodzącymi elektrodami 

Wreszcie nadszedł 1979 rok. W połowie stycznia Gerd Binnig i Heinrich Rohrer przedstawili 
pierwszy patent odsłaniający tajemnicę skaningowego mikroskopu tunelowego. 

W 1982 roku opublikowano pierwsze wyniki pomiarów pokazujących ułożenie atomów na 
powierzchni CaIrSn4, Au i Si(111). 

background image

 

 

Fizyka współczesna

Scaningowy mikroskop tunelowy

Zasada działania:

Bariera potencjału dla elektronów

Heinrich Rohrer i Gerd Binnig
The Nobel Prize in Physics, 1986
  

background image

 

 

Fizyka współczesna

Scaningowy mikroskop tunelowy

W czasie pracy igła mikroskopu znajduje się 0,5-1 nm od powierzchni badanej 

próbki. 

Jej precyzyjny ruch we 

wszystkich trzech kierunkach 

umożliwiają piezoelementy PX, 

PY, PZ (materiały ceramiczne 

zmieniające swe rozmiary pod 

wpływem pola elektrycznego), 

do których jest przymocowana.

background image

 

 

Fizyka współczesna

Scaningowy mikroskop tunelowy

background image

 

 

Fizyka współczesna

Scaningowy mikroskop tunelowy

Sercem przyrządu jest igła

background image

 

 

Fizyka współczesna

Scaningowy mikroskop tunelowy

1 – uchwyt ostrza
2 – układ do próbek i układ przesuwu
3 – amortyzator tłumiący drgania

background image

 

 

Fizyka współczesna

Scaningowy mikroskop tunelowy

Rekonstrukcja powierzchni krzemu 
o orientacji (111). 
Rozmiar analizowanego obszaru 
wynosi 30 x 21 nm

2

. Żółte kółka są 

obrazami atomów krzemu 
ulokowanych w najwyższej 
warstwie. Każda komórka 
elementarna o kształcie rombu 
zawiera 12 takich atomów 

background image

 

 

Fizyka współczesna

Scaningowy mikroskop tunelowy

Powierzchnia kryształu 
NaCl. Amplituda rzeźby 
powierzchni ma około 
0,1nm.

background image

 

 

Fizyka współczesna

Scaningowy mikroskop tunelowy

Mistrzowskie zdolności manipulacji pojedynczymi atomami pokazał 
amerykański fizyk Don Eigler. Jego dwa spektakularne 
eksperymenty, przeprowadzono w układzie ultrawysokiej próżni w 
temperaturze 4 K. Wykorzystano w nich oddziaływania 
występujące pomiędzy atomami igły mikroskopu i próbki (siły 
elektrostatyczne i van der Waalsa). 

Atomy ksenonu zostały osadzone w sposób przypadkowy przez 
naparowanie na powierzchni niklu. Następnie skanowanie igły 
zatrzymywano w chwili, gdy znajdowała się ona dokładnie nad 
atomem ksenonu. Następnie siły oddziaływania powiększano, 
zmniejszając dystans dzielący atom i igłę. W trzecim kroku 
przesuwano igłę równolegle do powierzchni podłoża niklowego, a 
atom ksenonu "wędrował" po niej w ślad za igłą. Gdy przesuwany 
obiekt osiągał żądaną pozycję, igłę ostrożnie oddalano. 

Igła jako głowica czytająca i zapisująca

background image

 

 

Fizyka współczesna

Scaningowy mikroskop tunelowy

Efektem 18-godzinnego doświadczenia był znak firmowy 
laboratorium, w którym eksperyment został wykonany. Napis IBM 
składał się z 35 atomów. Rozmiar liter wynosił 5 nm! 

background image

 

 

Fizyka współczesna

Scaningowy mikroskop tunelowy

48 atomów żelaza na miedzi , fale w środku 
pochodzą od interferencji falowej elektronów

background image

 

 

Fizyka współczesna

Scaningowy mikroskop tunelowy

The original STM image 
of a logic three-input 
sorter. A sorter is a small 
part of the CPU in a 
computer. 

background image

 

 

Fizyka współczesna

Scaningowy mikroskop tunelowy

A stadium shaped 
corral made by iron 
atoms on a copper 
surface. 

background image

 

 

Fizyka współczesna

Scaningowy mikroskop tunelowy

Najmniejszy człowiek świata 
Postać zbudowana z 
cząsteczek tlenku węgla 
osadzonych na powierzchni 
platyny 

background image

 

 

W przygotowaniu tego wykładu 
korzystałem z prezentacji 
wykonanych przez studentów IV roku 
GiG oraz II roku Informatyki 
Stosowanej WFiIS w ramach 
prowadzonych przeze mnie zajęć 
seminaryjnych z „Fizyki 
Współczesnej”.

Wiesław Marek Woch.


Document Outline