Transcript Τι είναι Κλασική και τί Σύγχρονη Φυσική.

ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΦΥΣΙΚΗ
Ενότητα 1: Γενικά - Εισαγωγή
Όνομα Καθηγητή: Χριστόφορος Κροντηράς
Τμήμα Φυσικής
Άδειες χρήσης


Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες
χρήσης Creative Commons.
Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε
άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης
αναφέρεται ρητώς.
2
ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ



Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια
του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.
Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο
Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του
εκπαιδευτικού υλικού.
Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού
Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και
συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό
Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.
3
ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΦΥΣΙΚΗ
Διδάσκων Καθηγητής: Χρ. Κροντηράς
Πηγή: Wikipedia
«Εκείνοι που δεν συγκλονίζονται από
Niels Bohr
την κβαντική θεωρία, σίγουρα δεν
(documentary,
την έχουν κατανοήσει»
Nobel Prize)
4
Περιεχόμενα του
μαθήματος
5
Περιεχόμενα (ύλη) του μαθήματος

Τι είναι Κλασική και τί Σύγχρονη Φυσική.
 Προβλήματα που έκαναν
Κβαντικής Θεωρίας.
αναγκαία
την
εισαγωγή
της
 Περιγραφή της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος -Φωτόνια.
 Φαινόμενα αλληλεπίδρασης ύλης-ακτινοβολίας
 Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο,
 Φαινόμενο Compton,
 Δίδυμη Γένεση
 Εξαΰλωση
 Ατομικά φάσματα- το φάσμα του ατόμου του
Υδρογόνου - Ατομικό πρότυπο του Bohr.
6
Περιεχόμενα (ύλη) του μαθήματος
Η γάτα…του Schrödinger
Πηγή: Wikipedia
 Κβαντικές ιδιότητες υλικών σωμάτων: Δυϊσμός σωματίουκύματος, υλικά κύματα, Αρχή της Αβεβαιότητος.
 Προέλευση και ερμηνεία των υλικών κυμάτων - Κυματική
εξίσωση - Εξίσωση του Schrödinger - Κβαντικές
καταστάσεις, κβαντικοί αριθμοί.
 Διερεύνηση της εξίσωσης του Schrödinger : Φυσικοί και
μαθηματικοί περιορισμοί των λύσεων (οριακές συνθήκες) Εφαρμογές σε απλά μονοδιάστατα παραδείγματα.
 Η εξίσωση Schrödinger σε δύο και τρεις διαστάσεις.
7
Επιδιωκόμενα μαθησιακά
αποτελέσματα
8
Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα
Στο τέλος του μαθήματος ο φοιτητής:
 Θα είναι εξοικειωμένος με εκείνα τα θεμελιώδη φυσικά
φαινόμενα τα οποία αδυνατεί να εξηγήσει η κλασική φυσική.
Αυτά είναι η ακτινοβολία μέλανος σώματος, το
φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το φαινόμενο Compton, το
φαινόμενο της δίδυμης γένεσης, η εξαΰλωση και τα ατομικά
φάσματα εκπομπής και απορρόφησης.
 Θα γνωρίζει τις περίφημες υποθέσεις του Planck όπου με
βάση την υπόθεση του κβάντου ενέργειας, οδηγηθήκαμε στην
κβαντική τους εξήγηση.
 Θα γνωρίζει το πρόβλημα της ατομικής σταθερότητας και την
απόλυτη αδυναμία της κλασικής φυσικής να το εξηγήσει.
9
Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα
 Θα διατυπώνει με σαφήνεια τις υποθέσεις της θεωρίας Bohr.
 Θα μπορεί να υπολογίζει τις ακτίνες των επιτρεπόμενων
τροχιών των ηλεκτρονίων στο άτομο.
 Θα μπορεί να υπολογίζει τις επιτρεπτές ενέργειες των
ηλεκτρονίων.
 Θα κατανοεί την έννοια της κβάντωσης των ακτίνων των
τροχιών και της ενέργειας.
 Θα κατανοεί την σταθερότητα των ατόμων σε κρούσεις.
 Θα μπορεί να διατυπώνει την αρχή του κυματοσωματιδιακού
δυϊσμού.
10
Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα
 Θα μπορεί να παράγει θεμελιώδη φυσικά συμπεράσματα όπως
την κβάντωση της ενέργειας.
 Θα γνωρίζει την εξίσωση Schrödinger σε μία διάσταση.
 Θα κατανοεί τη στατιστική ερμηνεία της κυματοσυνάρτησης
και τη σύνδεσή της με πιθανότητες.
 Θα γνωρίζει τους βασικούς τελεστές και θα μπορεί να
υπολογίζει μέσες τιμές φυσικών μεγεθών και τις αβεβαιότητές
τους.
 Θα μπορεί να περιγράψει τη συμπεριφορά ενός ελεύθερου
κβαντικού σωματίου.
11
Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα
 Θα μπορεί να λύνει την εξίσωση Schrödinger σε απλά
προβλήματα όπως στη περίπτωση σωματίου σε απειρόβαθο
φρέαρ δυναμικού.
Θα κατανοεί την ύπαρξη της ενέργειας μηδενικού σημείου.
 Θα μπορεί να αντιμετωπίζει κβαντομηχανικά το πρόβλημα του
αρμονικού ταλαντωτή.
 Θα έχει κατανοήσει την αρχή της αβεβαιότητας του
Heisenberg καθώς και την αβεβαιότητα χρόνου-ενέργειας.
 Θα γνωρίζει την έννοια του φαινομένου σήραγγας και
θα μπορεί να το χρησιμοποιήσει για να ερμηνεύσει την
ακτινοβολία α των πυρήνων καθώς και την πυρηνική σύντηξη
στα άστρα.
12
Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα
 Θα μπορεί να διατυπώνει την εξίσωση Schrödinger σε δύο
και τρεις διαστάσεις.
 Θα γνωρίζει την Λαπλασιανή.
 Θα έχει κατανοήσει την έννοια του εκφυλισμού των
ενεργειακών καταστάσεων καθώς και πως αυτός αίρεται.
13
Τι είναι Κλασική και τι
Σύγχρονη Φυσική
Πηγή: Wikipedia
Solvay Physics Conference 1927 - video
From back to front and from left to right :
Auguste Piccard, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Édouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger, Jules-Émile Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph Howard Fowler, Léon Brillouin,
Peter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Dirac, Arthur Compton, Louis de Broglie, Max Born, Niels Bohr,
Irving Langmuir, Max Planck, Marie Skłodowska Curie, Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, Charles-Eugène Guye, Charles Thomson Rees Wilson, Owen Willans Richardson
14
Τι είναι Κλασική και τι Σύγχρονη Φυσική
Στα τέλη του 19ου αιώνα η Φυσική της εποχής αυτής
εθεωρείτο
πλήρως
τεκμηριωμένη
και
ακλόνητη.
Πρόκειται για την:
ΚΛΑΣΣΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ
Στηρίζεται σε τέσσερις πυλώνες




Κλασική Μηχανική
Στατιστική Μηχανική
Θερμοδυναμική
Ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell
15
Τι είναι Κλασική και τι Σύγχρονη Φυσική
Όμως στα τέλη του 19ου αιώνα και στις αρχές του 20ου
διατυπώθηκαν δύο «ΕΠΑΝΑΣΤΑΣΕΙΣ» στη Φυσική
που ανέτρεψαν τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε και
περιγράφουμε τον φυσικό κόσμο:
ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ
ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΚΒΑΝΤΑ
16
Τι είναι Κλασική και τι Σύγχρονη Φυσική
ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ
Οι αλλαγές που εισάγει η Ειδική Θεωρία της
Σχετικότητας γίνονται αντιληπτές στις πολύ μεγάλες
ταχύτητες αυτές που προσεγγίζουν την ταχύτητα
διάδοσης του φωτός c=300.000 Km/s.
Οι συνέπειες της Γενικής Θεωρίας της
Σχετικότητας γίνονται αντιληπτές στα
πολύ μεγάλα βαρυτικά πεδία.
Α. Einstein
Einstein explains the
photoelectric effect (video)
Πηγή: Wikimedia
17
Τι είναι Κλασική και τι Σύγχρονη Φυσική
ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΚΒΑΝΤΑ
Οι αλλαγές που εισάγει η Θεωρία των Κβάντα εστιάζονται
σε σωμάτια πολύ μικρών διαστάσεων –Κβαντικά Σωμάτιατης τάξης των 10-10 m και μικρότερα.
Η Θεωρία των Κβάντα άλλαξε ριζικά τον
τρόπο που αντιλαμβανόμαστε και
περιγράφουμε την φύση.
Μax Planck
Max Planck - αυτοπαρουσίαση
στην ταινία Πορτρέτο (1942)
Πηγή: Wikimedia
18
Τι είναι Κλασική και τι Σύγχρονη Φυσική
ΚΛΑΣΙΚΗ
ΣΥΓΧΡΟΝΗ
Κλασική Μηχανική
Στατιστική Μηχανική
Θερμοδυναμική
Ηλεκτρ/γνητική Θεωρία
Κβαντική Θεωρία
Παλαιά κβαντική
Σχετικότητα
Κβαντομηχανική
Ειδική
Γενική
Κβαντική θεωρία Πεδίων
Κβαντική Βαρύτητα
19
Προβλήματα που έκαναν αναγκαία την
εισαγωγή της κβαντικής θεωρίας

ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΜΕΛΑΝΟΣ ΣΩΜΑΤΟΣ

ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ

ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ COMPTON

ΔΙΔΥΜΗ ΓΕΝΕΣΗ

ΕΞΑΫΛΩΣΗ

ΑΤΟΜΙΚΑ ΦΑΣΜΑΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ-ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ
20
ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ
Σημείωμα χρήσης έργων τρίτων
Το υλικό της παρουσίασης προέρχεται από τις προσωπικές σημειώσεις και το
υλικό παρουσιάσεων του μαθήματος όπως δημιουργήθηκαν από τον
Καθηγητή κ. Χριστόφορο Κροντηρά.
Οι εικόνες και οι φωτογραφίες των μεγάλων Φυσικών που δημιούργησαν την
σύγχρονη θεώρηση της Φύσης, είναι διάσπαρτες σε όλο το δίκτυο και την
βιβλιογραφία και αποτελούν κοινό κτήμα της ανθρωπότητας εκτός αν
αναγράφεται διαφορετικά στις αντίστοιχες παραπομπές. Οι ιστότοποι
προέλευσης όσων αναφέρονται ήταν ενεργοί κατά την 21η Ιουνίου 2015
οπότε και καταχωρήθηκαν οι παραπομπές.
Σημείωμα αναφοράς
Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Χριστόφορος Κροντηράς.
«Σύγχρονη Φυσική. Ενότητα 1». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 2015.
Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:
https://eclass.upatras.gr/courses /PHY1961/
Σημείωμα αδειοδότησης
Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη
Εμπορική Χρήση, Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα
αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα
οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων».
[1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση:
•που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα
του έργου και αδειοδόχο
•που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο
•που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ.
διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο
Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για
εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.
24
Διατήρηση σημειωμάτων
Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να
συμπεριλαμβάνει:
 το Σημείωμα Αναφοράς
 το Σημείωμα Αδειοδότησης
 τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων
 το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφ’ όσον υπάρχει).
Τέλος Ενότητας