F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr 2008 - 2009 Přednášející Bedřich Velický ÚTFA velicky@karlov.mff.cuni.cz Přednášející Bedřich Velický ÚTFA velicky@karlov.mff.cuni.cz Rozvrh St 13:00--13:50 F3 cvičení St 14:00--15:50 F3 přednáška I. Měřítka kvantového světa KOTLÁŘSKÁ 18. ÚNORA 2009 Úvodem • Dnes: čekám, až trochu postoupí hlavní přednášky • Odvolám se na znalosti středoškolské a z předchozí části Kursu • Cíl … orientace v nepřehledné oblasti atomárních soustav • Fundamentální konstanty a zavedení přirozených jednotek • Rozměrové a jiné kvalitativní úvahy • Zamyšlení nad Bičákovým diagramem velikostí a hmotností objektů Klasický a kvantový svět vs. mikrosvět a makrosvět Klasický a kvantový svět Kvantové zákony ovládají titěrné mikroobjekty, jako jsou atomy a molekuly. V každodenním životě však kvantové efekty zpravidla nepozorujeme. Kde je rozhraní obou světů a jak je můžeme rozpoznat a charakterisovat? Klasický a kvantový svět Kvantové zákony ovládají titěrné mikroobjekty, jako jsou atomy a molekuly. V každodenním životě však kvantové efekty zpravidla nepozorujeme. Kde je rozhraní obou světů a jak je můžeme rozpoznat a charakterisovat? Moje stará formulace Nový pokus Makrosvět i mikrosvět patří z definice do světa fyziky. První se týká předmětů a dějů, se kterými se můžeme setkat v každodenním životě, často je proto tendence ztotožnit jej s přirozeným světem. Druhý svět tvoří titěrné mikroobjekty, jako jsou atomy a molekuly. Nový pokus Makrosvět i mikrosvět patří z definice do světa fyziky. První se týká předmětů a dějů, se kterými se můžeme setkat v každodenním životě, často je proto tendence ztotožnit jej s přirozeným světem. Druhý svět tvoří titěrné mikroobjekty, jako jsou atomy a molekuly. Nový pokus Makrosvět i mikrosvět patří z definice do světa fyziky. První se týká předmětů a dějů, se kterými se můžeme setkat v každodenním životě, často je proto tendence ztotožnit jej s přirozeným světem. Druhý svět tvoří titěrné mikroobjekty, jako jsou atomy a molekuly. Nový pokus Makrosvět i mikrosvět patří z definice do světa fyziky. První se týká předmětů a dějů, se kterými se můžeme setkat v každodenním životě, často je proto tendence ztotožnit jej s přirozeným světem. Druhý svět tvoří titěrné mikroobjekty, jako jsou atomy a molekuly. Nový pokus Makrosvět i mikrosvět patří z definice do světa fyziky. První se týká předmětů a dějů, se kterými se můžeme setkat v každodenním životě, často je proto tendence ztotožnit jej s přirozeným světem. Druhý svět tvoří titěrné mikroobjekty, jako jsou atomy a molekuly. Umíme však rozmezí těchto různých světů přesně rozpoznat a charakterisovat? Fyzikální svět Fyzikální svět Fyzikální svět Fyzikální svět Fyzikální svět Fyzikální svět Fyzikální svět Fyzikální svět Logaritmická škála velikosti objektů Logaritmická škála velikosti objektů Logaritmická škála velikosti objektů Logaritmická škála velikosti objektů Logaritmická škála velikosti objektů Logaritmická škála velikosti objektů Logaritmická škála velikosti objektů Logaritmická škála velikosti objektů Vidět atomy Vidět atomy Vidět atomy Představa klasické fysiky o hierarchii měřítek Obraz "moderní " fysiky je jiný Obraz "moderní " fysiky je jiný Souběh dvou stupnic Klasický a kvantový svět Klasický a kvantový svět Klasický a kvantový svět Kvantování energie v atomu (helia) Klasický a kvantový svět Difrakce rychlých elektronů na hliníkové folii Difrakce rychlých elektronů na hliníkové folii Rozmazané rozmezí klasického a kvantového světa To jest: makroskopické se nekryje s klasickým, mikroskopické se nekryje s kvantovým Klasický a kvantový svět Kvantové tečky Rozmazané rozmezí klasického a kvantového světa V MOSFETECH i při dnešním stupni miniaturisace (ULSI) se elektrony řídí (semi)klasickými zákony pohybu Technologie 65 nm firmy Intel Technologie 65 nm firmy Intel Technologie 65 nm firmy Intel Technologie 65 nm firmy Intel Kvantové objekty a úkazy v makrosopickém světě Ještě výrazněji: makroskopické se nekryje s klasickým, mikroskopické se nekryje s kvantovým Klasický a kvantový svět Bose-Einsteinova kondensace atomů v pastech Bose-Einsteinova kondensace atomů v pastech Bose-Einsteinova kondensace atomů v pastech Bose-Einsteinova kondensace atomů v pastech Klasický a kvantový svět Kvantová teleportace fotonů Planckova konstanta Samotná velikost objektů není tedy rozhodující pro jejich kvantové chování. Obecné kriterium je spíše, jak důležitá je pro daný problém Planckova konstanta. Planckova konstanta Planckova konstanta Planckova konstanta Planckova konstanta Planckova konstanta Planckova konstanta Planckova konstanta 2. Planckova konstanta jako převodní koeficient 2. Planckova konstanta jako převodní koeficient Odbočka: děsivé hodnoty a šikovné jednotky Odbočka: děsivé hodnoty a šikovné jednotky 3. Planckova konstanta jako hraniční hodnota 3. Planckova konstanta jako hraniční hodnota Velikost atomů Jaké jsou empirické údaje o velikosti atomů Jaké jsou teoretické důvody pro tyto údaje Opakování o atomech Odhad ionizační energie atomu z relace neurčitosti Odhad ionizační energie atomu z relace neurčitosti Semiklasický popis atomu vodíku podle Bohra Bohrova teorie vodíku^ Bohrova teorie vodíku^ Bohrova teorie vodíku^ Bohrova teorie vodíku^ Bohrova teorie vodíku^ Přirozené jednotky Rozměrové úvahy a zavedení přirozených jednotek jsou založeny na víře (dobře již osvědčené), že rozměrová úvaha vede k výsledku, který se od přesného liší jen numerickým faktorem v řádu jednotek Tři klíčové teorie (pro atomární systémy) Tři klíčové teorie (pro atomární systémy) Tři klíčové teorie (pro atomární systémy) Tři klíčové teorie (pro atomární systémy) Další universální konstanty^ Přirozené jednotky ve fysice^ Atomové přirozené jednotky Jsou nejvhodnější pro atomární soustavy ... relativní jednotky, kde jeden elektron, jeden proton, jeden atom vodíku slouží jako etalon Atomové přirozené jednotky^ Atomové přirozené jednotky^ Atomové přirozené jednotky^ Atomové přirozené jednotky^ Planckovy přirozené jednotky Byly první a zdály se hodně divné, ale ... Planckovy "přirozené" jednotky^ Hlubší pohled na Planckovu volbu: (chG ) schéma Hlubší pohled na Planckovu volbu: (chG ) schéma Bičákův diagram Zveřejněný již před mnoha lety ve Žlutém časopisu (Čs. čas. fys.) mírně zastaralý, ale stále inspirující. My se podíváme z hledisek důležitých pro atomistiku Dvojlogaritmické měřítko Dvojlogaritmické měřítko The end