Loading presentation...

Present Remotely

Send the link below via email or IM

Copy

Present to your audience

Start remote presentation

  • Invited audience members will follow you as you navigate and present
  • People invited to a presentation do not need a Prezi account
  • This link expires 10 minutes after you close the presentation
  • A maximum of 30 users can follow your presentation
  • Learn more about this feature in our knowledge base article

Do you really want to delete this prezi?

Neither you, nor the coeditors you shared it with will be able to recover it again.

DeleteCancel

Make your likes visible on Facebook?

Connect your Facebook account to Prezi and let your likes appear on your timeline.
You can change this under Settings & Account at any time.

No, thanks

Granice stosowalności fizyki klasycznej i kwantowej

No description
by

Patryk Lubiejewski

on 4 January 2013

Comments (0)

Please log in to add your comment.

Report abuse

Transcript of Granice stosowalności fizyki klasycznej i kwantowej

Fizyka klasyczna i kwantowa Mechanika Ciepło i termodynamika Prawo zachowania ladunku elektrycznego Prawo Pascala Pierwsze prawo Keplera Zasada zachowania pedu Prawo powszechnej grawitacji Pierwsza zasada dynamiki Newtona Pierwsza zasada termodynamiki Pierwsze prawo Maxwella Prawo Ohma Elektryczność i magnetyzm Zmiana energii wewnętrznej ciała ΔU równa jest sumie prac wszystkich sił zewnętrznych W, wykonanych nad ciałem oraz energii dostarczonej do ciała w postaci ciepła Q. Prawo fizyki głoszące proporcjonalność natężenia prądu płynącego przez przewodnik do napięcia panującego między końcami przewodnika. Strumień pola elektrycznego przez zamkniętą powierzchnię jest równy całkowitemu ładunkowi elektrycznemu zawartemu wewnątrz tej powierzchni podzielonemu przez ε0 Jeżeli na ciało nie działa żadna siła lub siły działające się równoważą (siła wypadkowa ma wartość zero) to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Jeśli na układ nie działają siły zewnętrzne, to całkowity pęd układu punktów jest zachowany (stały w czasie). Siła oddziaływania grawitacyjnego między dwoma ciałami jest wprost proporcjonalna do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Każda planeta Układu Słonecznego porusza się wokół Słońca po elipsie, w której w jednym z ognisk jest Słońce. Całkowity ładunek elektryczny układu odosobnionego, czyli suma ładunków ujemnych i dodatnich, nie może ulegać zmianie. Jeżeli na płyn (ciecz lub gaz) w zbiorniku zamkniętym wywierane jest ciśnienie zewnętrzne, to (pomijając ciśnienie hydrostatyczne) ciśnienie wewnątrz zbiornika jest wszędzie jednakowe i równe ciśnieniu zewnętrznemu. Druga zasada dynamiki Newtona Jeśli siły działające na ciało nie równoważą się (czyli siła wypadkowa jest różna od zera), to ciało porusza się z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do siły wypadkowej, a współczynnikiem proporcjonalności jest odwrotność masy ciała. Trzecia zasada dynamiki Newtona Oddziaływania ciał są zawsze wzajemne. Siły wzajemnego oddziaływania dwóch ciał mają takie same wartości, taki sam kierunek, przeciwne zwroty i różne punkty przyłożenia (każda działa na inne ciało). Zasada zachowania energii W układzie izolowanym suma wszystkich rodzajów energii układu jest stała (nie zmienia się w czasie). W konsekwencji, energia w układzie izolowanym nie może być ani utworzona, ani zniszczona, może jedynie zmienić się forma energii. Zasada zachowania energii mechanicznej W dowolnym ruchu przebiegającym bez tarcia (i innych strat energii) energia mechaniczna układu izolowanego jest stała. Emechaniczna = const Drugie prawo Keplera W równych odstępach czasu, promień wodzący planety poprowadzony od Słońca zakreśla równe pola. Trzecie prawo Keplera Stosunek kwadratu okresu obiegu planety wokół Słońca do sześcianu wielkiej półosi jej orbity (czyli średniej odległości od Słońca) jest stały dla wszystkich planet w Układzie Słonecznym. Zasada zachowania momentu pedu Dla dowolnego izolowanego układu punktów materialnych całkowita suma ich momentów pędu jest stała Druga zasada termodynamiki Nie jest możliwy proces, którego skutkiem byłoby przenoszenie ciepła z ciała o niższej temperaturze do ciała o wyższej temperaturze. Prawo Archimedesa Na każde ciało zanurzone całkowicie lub częściowo w cieczy działa siła wyporu skierowana do góry, równa co do wartości ciężarowi wypartej cieczy. Prawo Coulomba Siła wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych ładunków elektrycznych jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Prawo Gaussa Strumień natężenia pola elektrycznego, przenikający przez dowolną powierzchnię zamkniętą w jednorodnym środowisku o bezwzględnej przenikalności dielektrycznej ε, jest równy stosunkowi całkowitego ładunku znajdującego się wewnątrz tej powierzchni do wartości tejże przenikalności. Pierwsze prawo Kirchhoffa Suma natężeń prądów wpływających do węzła obwodu elektrycznego jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła. Drugie prawo Kirchhoffa W każdym zamkniętym elemencie obwodu elektrycznego suma napięć jest równa sumie sił elektromotorycznych źródeł w tym obwodzie. Prawo Ampere'a Krążenie pola magnetycznego po linii zamkniętej jest równe natężeniu prądów przepływających przez powierzchnię ograniczoną przez krzywą pomnożonemu przez przenikalność magnetyczną próżni. Prawo Faradaya W zamkniętym obwodzie znajdującym się w zmiennym polu magnetycznym, pojawia się siła elektromotoryczna indukcji równa prędkości zmian strumienia indukcji pola magnetycznego przechodzącego przez powierzchnię rozpiętą na tym obwodzie. Drugie prawo Maxwella Strumień indukcji pola magnetycznego przez każdą zamkniętą powierzchnię jest równy zeru. Trzecie prawo Maxwella Zmienny strumień pola magnetycznego przez daną powierzchnię powoduje powstanie pola elektrycznego, którego krążenie po obwodzie danej powierzchni wyraża się przez zmianę strumienia indukcji magnetycznej. Czwarte prawo Maxwella Krążenie indukcji magnetycznej po obwodzie powierzchni jest równe sumie natężeń prądów I przepływających przez tę powierzchnię, pomnożonych przez przenikalność magnetyczną próżni, oraz szybkości zmian strumienia. Optyka Prawo odbicia Promień padający, promień odbity i prostopadła do powierzchni odbijającej poprowadzona w punkcie padania leżą w jednej płaszczyźnie. Kąt odbicia jest równy kątowi załamania. Fizyka nuklearna Wiadomosci ogolne Fizyka jądrowa (nuklearna) – dział fizyki zajmujący się badaniem budowy i przemian jądra atomowego. Zajmuje się badaniami doświadczalnymi, teoretycznymi oraz zastosowaniem techniki jądrowej.
Najbardziej powszechnie znane zastosowania fizyki jądrowej to energetyka i broń jądrowa, jednak w wyniku prowadzonych badań powstały inne zastosowania tej dziedziny. Przykłady: medycyna – obrazowanie rezonansu magnetycznego, inżynieria materiałowa – implantowanie jonowe czy archeologia - datowanie na podstawie zawartości atomów radioaktywnych izotopów węgla. Fizyka nuklearna wspolczesnie Ciężkie jądro może składać się z setek nukleonów, co oznacza, że z pewnym przybliżeniem może być ono traktowane zgodnie z zasadami mechaniki klasycznej, zamiast mechaniki kwantowej. W rezultacie powstał Model kroplowy, w którym energia jądra powstaje częściowo z napięcia powierzchniowego a częściowo w wyniku odpychania się protonów. Model kroplowy umożliwia odwzorowania wielu cech jąder atomowych, wliczając to ogólny trend energii wiązania z uwzględnieniem liczby masowej oraz zjawiska rozszczepienia jądra atomowego.
Efekty mechaniki kwantowej mogą być natomiast opisane przy użyciu modelu powłokowego. Jądra posiadające pewną liczbę neutronów i protonów (liczbę magiczną – 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) są zawsze stabilne, ponieważ ich powłoki są wypełnione.
Zaproponowano również inne, bardziej skomplikowane modele jądra, takie jak model oddziałujących bozonów, w którym pary neutronów i protonów oddziałują ze sobą jako bozony, analogicznie do par Coopera elektronów.
Większość bieżących badań w ramach fizyki jądrowej skupia się na zachowaniu jąder w ekstremalnych warunkach, takich jak bardzo wysoki spin lub energia wzbudzenia. Jądra nie występujące w warunkach naturalnych mogą powstać w wyniku sztucznie wywołanej fuzji lub w strumieniu jonów z akceleratora. Strumienie o bardzo wysokiej energii mogą być użyte do stworzenia jąder w bardzo wysokich temperaturach, i są pewne przesłanki, że w wyniku eksperymentów doszło do przemiany fazowej z normalnej materii do nowego stanu – plazmy kwarkowo-gluonowej Aktualne zagadnienia z fizyki nuklearnej Radioaktywność
Reakcja termojądrowa
Rozszczepienie jądra atomowego
Produkcja pierwiastków ciężkich Teoria względności Teoria wzglednosci (Alberta Einsteina) sklada sie z dwóch teorii fizycznych: •Szczególnej teorii względności, odnoszącej się do układów inercjalnych, czyli poruszających się wobec siebie ze stałą prędkością,
•ogólnej teorii względności, czyli teorii grawitacji, będącej rozszerzeniem szczególnej teorii względności o opis zjawisk w układach nieinercjalnych (np. przyspieszanych lub oddziałujących grawitacyjnie). Fizyka cząstek elementarnych Fizyka cząstek elementarnych, fizyka wielkich energii – dział fizyki, którego celem jest badanie cząstek atomowych oraz oddziaływań zachodzących między nimi.
Fizycy zaobserwowali kilkaset cząstek elementarnych (subatomowych). Dzielą się one na kilka grup.
Cząstki elementarne dzielą się na cząstki "prawdziwie" elementarne, uważane za niepodzielne i dlatego uznawane za podstawowe składniki materii, oraz hadrony (mezony i bariony np.: proton i neutron), które są cząstkami złożonymi, zbudowanymi z 2 (dokładnie z kwarku i antykwarku) lub 3 kwarków. Jedynymi trwałymi cząstkami są protony i neutrony (neutron jest trwały w jądrze atomowym, poza nim rozpada się z okresem połowicznego rozpadu ok. 13 min).
Cząstki elementarne nie oddziałujące silnie a jedynie słabo lub elektromagnetyczne i będące fermionami nazywamy leptonami (np. elektron, mion, taon, neutrina).
Cząstkami elementarnymi są również bozony pośredniczące w oddziaływaniach: fotony (elektrodynamika kwantowa), bozony W, bozony Z (oddziaływania słabe) czy glony (oddziaływanie silne).
Pojęcie "cząstki elementarne" jest uwarunkowane historycznie. Zostało wprowadzone na początku XX wieku jako określenie podstawowych cząstek, które nie są już podzielne. Do cząstek elementarnych zaliczano wówczas: proton, neutron, elektron i foton. Obecnie za niepodzielne (bez struktury wewnętrznej) uważa się kwarki, leptony i bozony przenoszące oddziaływania.
Choć później znaleziono wiele innych cząstek i stwierdzono, że wiele z nich składa się ze znacznie prostszych, pozostawiono użycie tego określenia do wszystkich subatomowych cząstek. Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest dla dwóch danych ośrodków wielkością stałą, równą stosunkowi szybkości światła w tych ośrodkach i zwaną względnym współczynnikiem załamania światła ośrodka drugiego względem pierwszego: Prawo zalamania FIZYKA KLASYCZNA FIZYKA KWANTOWA Zalozenia fizyki kwantowej Dotad sadzono, ze materia sklada sie z niepodzielnych czastek, ktore nazywano: atomami. Okazalo sie, ze to byl blad. Badania dotyczace radioaktywnosci udowodnily ponad wszelka watpliwosc, ze atom JEST PODZIELNY! A na poziomie „subatomowym" swiat zachowuje sie calkowicie inaczej, niz swiat, ktory zdolni jestesmy postrzegac i ktory „uporzadkowal" Izaak Newton. Glówne tezy fizyki kwantowej Przelomem staly sie prace Wernera Heisenberg oraz Nielsa Bohra. Naukowcy ci udowodnili, ze na poziomie „subatomowej" czasteczki wcale nie zachowuja sie w sposob uporzadkowany i tak, jak to my sobie wyobrazalismy, czyli na zasadzie „mini-systemow slonecznych; ze sloncem w srodku i planetami krazacymi dookola". Wrecz odwrotnie! Okazalo sie, ze na tym poziomie, czasteczki sa nieuporzadkowane, chaotyczne, „rozbiegane we wszystkich kierunkach". Dopiero, gdy zaczniemy te „subczasteczki" obserwowac, zajmowac sie nimi, tworza one porzadane rzeczy! I pojawiaja sie dokladnie tam, gdzie mamy nadzieje je znalezc! Naukowcy zaobserwowali, ze „subczasteczki" tak naprawde nie sa stabilne i trwale na poziomie „subatomow". Tworza POTENCJAL, z ktorego moze byc dopiero „uformowane" jedno z dowolnych wcielen - krzeslo, reka, drzewo, powietrze, mysz, planeta, kamien, zapach, gwiazdy, oko - slowem: WSZYSTKO! Cialo doskonale czarne oraz teoria Planca W 1900 M. Planck zaproponował wyjaśnienie widma promieniowania ciała doskonale czarnego. Ciało doskonale czarne to takie ciało, które idealnie pochłania i idealnie
emituje promieniowanie elektromagnetyczne. Planc założył, że emisja fal elektromagnetycznych odbywa się porcjami (kwantami) o energii
E=hν
Stała planca wyznacza granice stosowalności fizyki klasycznej. Jeżeli iloraz Energii i prędkości jest zbliżony do stałej planca wtedy na cząsteczke działaja prawa fizyki kwantowej. Wyjasśnienie efektu fotoelektrycznego przez Alberta Einsteina Korzystając z analogicznego założenia dotyczącego absorpcji promieniowania A. Einstein wyjaśnił (1904) efekt fotoelektryczny.
Einstein przyjął dwa założenia:
– wiązka światła składa się z małych pakietów energii fotonów (kwantów promieniowania elektromagnetycznego) o energii – fotony mogą być emitowane lub pochłaniane tylko w całości, (transfer energii jest procesem
“wszystko albo nic”): Model atomu N Bohr’a N Bohr stworzył nowy ,,planetarny” model atomu. Zawierający postulat skwantowania momentu pędu elektronów w atomie. Elektron krąży po orbitach kołowych wokół jądra atomowego. Rolę siły dośrodkowej spełnia siła oddziaływania elektrycznego. Stabilne orbity to te, dla
których moment pędu elektronu jest całkowitą wielokrotnością h/2. Zasada nieoznaczonosści Heisenberga Zasada nieoznaczoności Heisenberga mówi, że nie jest możliwy jednoczesny dokładny pomiar położenia cząstki i jej pędu, co zapisujemy: gdzie Δx i Δp oznaczają odpowiednio nieokreśloność położenia i pędu. Jeśli iloczyn tych dwóch nieokreśloności jest stały, to znaczy, że im dokładniej jest określony pęd cząstki (prędkość), tym mniej dokładnie wiemy, jakie wtedy było jej położenie i odwrotnie.

Wynika z tego, że mikrocząstka nigdy nie będzie w stanie, w którym miałaby jednocześnie dokładnie określone położenie i pęd.
Podobna nieokreśloność dotyczy energii E i czasu t: Im dokładniej zmierzymy energię cząstki, tym mniej dokładnie wiemy, w jakim czasie cząstka tę energię miała. Mikrocząstka nigdy nie będzie w stanie, w którym jej energię można byłoby wyznaczyć w dowolnie krótkim czasie. Zasada Heisenberga wyznacza granicę, po przekroczeniu której nie jest możliwe stosowanie pojęć fizyki klasycznej. Przykład:
Aby obserwować ruch tak małej cząstki, jaką jest proton, trzeba go oświetlić światłem o odpowiednio małej długości fali. Ponieważ krótkie fale mają dużą częstotliwość, to fotony tego światła mają dużą energię i zderzając się z protonem tak bardzo zaburzają jego ruch, że nie możemy określić jego położenia. Zakładając, że prędkość protonu wyznaczono z dokładnością Δv=5*10−2 m/s,możemy wyznaczyć minimalną niepewność pomiaru położenia protonu z zasady Heisenberga: Obliczona nieokreśloność położenia protonu jest około 600 milionów razy większa od rozmiaru samego protonu. W tej sytuacji mówienie o torze protonu jest pozbawione sensu i dlatego w tym przypadku nie możemy stosować pojęć fizyki klasycznej. Fale materii - hipoteza de Broglie’a Rozumowanie de Broglie’a: Swiatło ma dwoistą naturę, w jednych sytuacjach zachowuje się jak fala, w innych jak cząstka. Jeżeli natura jest symetryczna, dwoistość ta powinna dotyczyć także materii. Elektrony i protony, o których
zwykle myślimy jak o cząstkach, mogą w pewnych sytuacjach zachowywać się jak fale. Obiektom, o których zwykle myślimy jak o cząstkach, można przypisać długość fali zgodnie ze wzorem:
Full transcript