F4055 Experimentální východiska a základní představy kvantové mechaniky

Přírodovědecká fakulta
jaro 2022
Rozsah
2/0/0. 3 kr. Ukončení: k.
Vyučující
doc. RNDr. Aleš Lacina, CSc. (přednášející)
Garance
doc. RNDr. Aleš Lacina, CSc.
Ústav teoretické fyziky a astrofyziky – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Dodavatelské pracoviště: Ústav teoretické fyziky a astrofyziky – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Předpoklady
Znalost mechaniky, elektřiny a magnetismu na úrovni základního kurzu těchto disciplin (F1030 resp. F14040; F2050, resp. F2070)
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je otevřen studentům libovolného oboru.
Cíle předmětu
Předmět navazující na základní kurz klasické fyziky
* studuje objekty nedostupné přímé smyslové zkušenosti, což často vede k tomu, že se jejich vlastnosti a chování neshodují s intuitivním očekáváním,
* se zabývá jevy, při jejichž popisu selhaly předchozí - klasické - fyzikální představy, což vedlo k vymezení hranic platnosti dříve probíraných fyzikálních disciplin.
Cíle předmětu: poskytnout
* základní poznatky o vlastnostech mikroobjektů a jejich soustav,
* adekvátní představu o způsobu překonání krize, do níž se fyzika dostala na přelomu 19. a 20. století,
* studentům co nejlepší přípravu na zvládnutí nezvyklých idejí kvantové mechaniky.
Důraz je kladen na fyzikálně-historické souvislosti a - s ohledem na studenty učitelství - na možnosti elementarizace výkladu této obtížné problematiky.
Výstupy z učení
Na konci tohoto kurzu by student měl být schopen:
* porozumět experimentům, jež jsou klíčové pro vybudování fyzikálního popisu mikrosvěta a vysvětlit je,
* porozumět základním pojmům a představám kvantové mechaniky a vysvětlit je.
Osnova
  • 1.Fyzikální svět a jeho popis (realita, abstrakce, model; představy o struktuře látek a jejich vývoj; makroskopické a mikroskopické teorie a jejich ověřování; objekty makrosvěta - částice a vlny).
  • 2. Elektromagnetické záření - částice ? vlny ? fotony (historický vývoj názorů na podstatu světla; rovnovážné tepelné záření, kvantová hypotéza; fotoelektrický jev; Comptonův jev; fotony).
  • 3. Stavba atomu (historický vývoj názorů na atom; objev přirozené radioaktivity, objev elektronu; první modely atomu; rozptylové experimenty, objev atomového jádra).
  • 4. Stará kvantová teorie (planetární model atomu, problém jeho stability; Bohrův model atomu vodíkového typu, Bohrův-Sommerfeldův model atomu; Mendělejevova periodická soustava prvků).
  • 5. Atomová spektra (emisní a absorpční optické spektrum atomu; emisní a absorpční rentgenové spektrum atomu; spektrální analýza; interakce záření s periodickými strukturami).
  • 6. Dualismus vlna-částice a jeho fyzikální interpretace (de Broglieova hypotéza, Davissonovy-Germerovy a Thomsonovy experimenty; Youngův dvojštěrbinový experiment s klasickými částicemi, vlnami a mikroobjekty).
  • 7. Základy vlnové /kvantové/ mechaniky (vlnová funkce a vektor stavu, princip superpozice a jeho fyzikální obsah, Heisenbergova relace neurčitosti pro polohu a hybnost, měření v mikrosvětě; Schrödingerova rovnice a její řešení pro případ stacionárních polí, skokové potenciály, jednoduchý kvantověmechanický popis některých reálných situací; vztah mezi klasickou a kvantovou mechanikou).
Literatura
  • BEISER, Arthur. Úvod do moderní fyziky. Translated by Josef Čada. Vyd. 2. Praha: Academia, 1978, 628 s. info
  • ZAJAC, Rudolf, Ján PIŠÚT a Juraj ŠEBESTA. Historické pramene súčasnej fyziky, Zv. 2. Bratislava: Univerzita Komenského, 1997. info
  • HAJKO, Vladimír a kol. Fyzika v experimentoch. Bratislava: Veda, 1988. 427 s.
  • TRIGG, George L. Rešajuščije eksperimenty v sovremennoj fizike. Edited by I. S. Aleksejev, Translated by A. V. Davydov - G. V. Daniljan. Moskva: Mir, 1974, 159 s. info
  • PIŠÚT, Ján, Ladislav GOMOLČÁK a Vladimír ČERNÝ. Úvod do kvantovej mechaniky. 2. vyd. Bratislava: Alfa, 1983, 551 s. info
  • PIŠÚT, Ján a Rudolf ZAJAC. O atómoch a kvantovaní. 2. dopl. vyd. Bratislava: Alfa, 1988, 319 s. info
  • POLKINGHORNE, J. C. Kvantový svět. Vyd. 1. Praha: Aurora, 2000, 159 s. ISBN 8072990179. info
  • DANIN, Daniil Semenovič. Pravdepodobnostný svet. Bratislava: Alfa, 1986. info
Výukové metody
přednáška s možností diskuse
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2020, jaro 2021, jaro 2023, jaro 2024.