Transcript Axiom14
2. A KVANTUMMECHANIKA AXIÓMÁI 1 Erwin Schrödinger: Quantisierung als Eigenwertproblem (1926) 2 1. axióma Alapmennyiségek. 3 A fizikai mennyiségek: • Természeti állandók (fénysebesség vákuumban, elektron töltése, elektron tömege ) •• Alapmennyiségek (távolság, idő, tömeg, töltés, hőmérséklet, fényerősség) ••• Leszármaztatott mennyiségek 4 A klasszikus mechanika alapmennyiségei: Távolság (d) vagy 3 dimenziós térben 3 távolság (x,y,z) r x i yj zk helyvektor Idő (t) Tömeg (m) A többi mennyiséget ezekből származtatjuk le! 5 A kvantummechanika alapmennyiségei: Távolság (d) / Helyvektor r x, y, z Idő (t) Tömeg (m) Töltés (q) Impulzus ( p ) 6 Távolság (d) / Helyvektor Az x,y,z helykoordináták és az r x, y, z helyvektor jelentése ugyanaz, mint a klasszikus fizikában. 7 Idő (t) Az idő jelentése ugyanaz, mint a klasszikus fizikában. 8 Tömeg (m) Az elemi részecskék (elektron, proton, neutron) tömege természeti állandó (me, mp, mn), a többieké ezek összege. Pl.: m(23Na mag) = 11mp + 12mn A tömeg a kvantummechanikában konstans! (Nem függ a többi fizikai mennyiségtől!) 9 Töltés (q) A mikrorendszerek mozgásában alapvető szerepe van a töltésnek. Ezért a kvantummechanika mennyiségei között szerepel a töltés. Az elemi részecskék töltése is természeti állandó, az elektroné -e, a protoné +e, a neutroné 0. A többi részecskéé ezek összegeként adódik. A töltés is konstans a kvantummechanikában! 10 Impulzus ( p ) A kvantummechanikában az impulzus is alapmennyiség. Az impulzus, és a vele összefüggésben álló rendszerek kvantáltak. Az impulzus különleges definíciója az eszköz ahhoz, hogy a kvantált fizikai mennyiségeket megfogalmazzuk. 11 Az impulzus a klasszikus mechanikában p mv Vektor! p px i p y j pz k másik neve: lendület 12 Az impulzus a kvantummechanikában Az impulzus 3 komponensének operátorok felelnek meg: 13 Az impulzus a kvantummechanikában Az impulzus 3 komponensének operátorok felelnek meg: ˆ ; pˆ x i ; p y i y x . pˆ z i z 14 Az impulzus a kvantummechanikában Az impulzus 3 komponensének operátorok felelnek meg: ˆ ; pˆ x i ; p y i y x h 2π 34 h 6,62610 Js . pˆ z i z (Planck-állandó) 15 Tömör formában: pˆ i , ahol nabla vektor i j k x y z 16 A többi kvantummechanikai mennyiséget úgy állítjuk elő, hogy a klasszikus mechanikában használatos kifejezésekbe behelyettesítjük a fenti módon értelmezett alapmennyiségeket. 17 Példa: Energia, Hamilton-függvény Klasszikus mechanika: H TV T: kinetikus E V: pot. E 18 Előkészület a kvantummechanikára: T összefügg az impulzussal! 2 mv mv p T 2 2m 2m 2 2 2 V csak a helykoordináták függvénye, ezek a mennyiségek nem változnak a kvantummechanikában. V = V(x,y,z) 19 Kvantummechanika: ˆ Tˆ V(x, y, z) H 2 ˆ ˆT p 2m Az 1.axióma szerint: pˆ i (1)i 2 2 22 2 pˆ ((1)i) (1) 1 2 2 2 2 (1)(1) 2 20 2 skalárszorzat 2 i j k i j k y z x y z x 2 2 2 2 2 2 y z x 21 A Hamilton-operátor (egy részecskére) 2 ˆ H V(x, y,z) 2m 2 22 Példa Impulzusmomentum Klasszikus mechanika L r p Kvantummechanika L rˆ pˆ ir 23 2. axióma Sajátérték-egyenlet 24 Az 1. axióma szerint a kvantált fizikai mennyiségekhez operátorokat rendelünk. Ilyenek: impulzus (alapmennyiség) kinetikus energia Tˆ teljes mechanikai energia impulzus momentum Lˆ pˆ ˆ H Hogyan kapjuk meg ezen mennyiségek lehetséges értékeit? 25 2. axióma ˆ Egy kvantált mennyiségnek, amelynek az operátora O a lehetséges értékeit az operátor ˆ ()() C () O sajátérték-egyenletéből számított C = C0, C1, C2 ... sajátértékek adják meg. Megjegyzés: Az egyenletet megoldva megkapjuk az egyes sajátértékekhez tartozó () = 0(), 1(), 2()... 26 sajátfüggvényeket is Példa Energia: A Hamilton-operátor sajátértékei A sajátérték-egyenlet a Schrödinger-egyenlet: ˆ E , H ahol ˆ T ˆ V ˆ H kin. E. pot. E. 27 Megjegyzés: a kvantumkémiai irodalomban minden helykoordinátáktól függő fizikai mennyiséget operátorként tüntetnek fel. Olyanokat is, amelyek nem kapcsolódnak az impulzushoz, és így nem is kvantáltak. Pl.: Potenciális energia Dipólusmomentum ˆ V V ˆ 28 Az m tömegű részecske Schrödinger-egyenlete 2 2 ( V( x, y, z)) E 2m 29 3. axióma Állapotfüggvények 30 3. axióma Az N számú részecskéből álló rendszer állapotát a (x1 ,y1, z1 x N , y N , z N , t) állapotfüggvény jellemzi. 31 (x1 ,y1, z1 x N , y N , z N , t) , t 32 x1,y1,z1 1. részecske helykoordinátái … … xN,yN,zN N. részecske helykoordinátái t idő 33 , t , t dx1dy1dz1 dxN dyN dzN annak a valószínűsége, hogy a t időpontban az első részecske koordinátái x1 és x1+dx1 y1 és y1+dy1 z1 és z1+dz1 közé essenek, … az N. részecske koordinátái xN és xN+dxN yN és yN+dyN z1 és zN+dzN közé essenek. 34 megjegyzés: , t , t dx1dy1dz1 dxN dyN dzN röviden , t , t d 35 Az állapotfüggvény alkalmazása: A részecskék eloszlását számítjuk ki belőle, egy adott térrészre integrálva: , t 2 d 36 A 3. axióma tagadást is tartalmaz: Nem lehet pontosan megadni, hogy a kvantummechanikai rendszer részecskéi egy adott pillanatban hol tartózkodnak, csak valószínűségeket lehet megadni! A klasszikus mechanikában a részecskék pályája számítható! 37 4. axióma Időbeli folyamatok 38 4. axióma „Időtől függő Schrödinger-egyenlet” , t ˆ i H , t , t t Összekapcsolja az időben változó rendszer állapotfüggvényét és Hamilton-operátorát 39 , t ˆ i H , t , t t Az időben állandó (stacionárius) rendszerre ebből az egyenletből levezethető, hogy állapotfüggvénye megegyezik a Hamilton-operátor sajátfüggvényével! 40 5. axióma Várható érték 41 Vannak olyan kvantált mennyiségek, amelyek sajátfüggvényei megegyeznek a Hamilton-operátoréval, azaz 0, 1, 2,… állapotfüggvényekkel, és vannak, amelyeké nem egyezik meg. 42 Ha közösek a sajátfüggvények, akkor a rendszer 0, 1, 2,… állapotfüggvényekkel jellemzett állapotaiban az energia rendre E0, E1, E2,… és a másik kvantált mennyiség értéke rendre C0, C1, C2,…. 43 Ezek az az E-val egyidejűleg mérhető mennyiségek! 44 Ha nem közösek az állapotfüggvények, (az E-val egyidejűleg nem mérhető mennyiségek), akkor a másik kvantált mennyiség értéke az egyes állapotokban bizonytalan, de várható értéke megadható. 45 5. axióma Az E-val egyidejűleg nem mérhető mennyiség várható értéke az n-ik állapotban: q ˆ Ψ τ dτ Ψ τ Q n n Ψn a Hamilton operátor sajátfgv.-e az n-ik állapotban. 46 6. axióma Pauli elv (l. többelektronos atomok) 47 Nobel-díjak a kvantummechanika elméletéért • • • • • 1929: L. W. De Broglie, 1892-1987 1932: W. Heisenberg, 1901-1976 1933: E. Schrödinger, 1887-1961 1933: P. A. M. Dirac, 1902-1984 1945: W. Pauli, 1900-1958 48