Kvantefysikk Flashcards
Hva er bølger og bølgeegenskaper?
Bølger er transport av energi.
Bølger har ingen klar utstrekning, og de kolliderer ikke. Bølger overlagrer og uslukker.
Typiske bølgeegenskaper er bølgelengde, amplitude og frekvens. En bølge er spredd utover i rommet.
Hvordan observerer vi bølgeegenskaper?
Diffraksjon : når en bølge passerer en åpning som er omtrent på størrelse med bølgelengden, blir bølgen avbøyd
Hvis Bølgen passerer to slike åpninger, to spalteåpninger, får vi et interferensmønster. Dette er et mønster av utslokking og overlagring (som er bølgeegenskaper, en bølge har ikke en tydlig posisjon på samme måte som en partikkel, så den kan være på samme sted til samme tid)
Interferensmønsteret er altså et mønster som består av områder hvor amplituden er høy, og andre områder hvor bølgen forsvinner helt.
Hva er partikkelegenskaper?
Typiske partikkelegenskaper er bevegelsesmengde, masse og posisjon.
En partikkel vil eksempelvis kunne inngå i et støt, og vi sier gjerne at vi kan bruke støt som partikkelbevis, nettopp fordi en partikkel har en bestemt posisjon, så den vil ikke kunne være på samme sted til samme tid, slik en bølge kan, og vil derfor støte vekk fra en annen partikkel, dersom de støter mot hverandre.
En partikkel har altså en bestemt posisjon.
Hvordan observerer vi partikkelegenskaper?
To partikler kan ikke være på samme sted til samme tid. Da kolliderer de med hverandre i et støt. <i tillegg er det lett å si hvor partikkelen er, partikkelen har en bestemt posisjon.
Man kan se for seg klinkekuler som blir skutt mot en dobbeltspalte, da vil kulene enten gå rett gjennom en av åpningene, eller bli stoppet, og dermed ikke gå gjennom åpningene, og treffe skjermen bak.
Vi sier at vi kan bruke støt som partikkelbevis; nettopp fordi de vil inngå i et støt dersom to partikler møtes. Dersom det ikke er noen ytre krefter som påvirker, er den totale bevegelsesmengden bevart.
Vi sier at en gjenstand som kan inngå i et støt, har bevegelsesmengde. Gjenstanden er derfor en partikkel.
Hva er diffraksjon og interferensmønster?
Diffraksjonsmønster: når en bølge passerer en åpning som er omtrent på størrelse med bølgelengden, blir bølgen avbøyd
Hvis Bølgen passerer to slike åpninger, to spalteåpninger, får vi et interferensmønster. Dette er et mønster av utslokking og overlagring (som er bølgeegenskaper, en bølge har ikke en tydlig posisjon på samme måte som en partikkel, så den kan være på samme sted til samme tid)
Interferensmønsteret er altså et mønster som består av områder hvor amplituden er høy, og andre områder hvor bølgen forsvinner helt.
Hva viste Thomas Young i 1802? og hvordan viste han dette?
I 1802 viste fysikeren Thomas Young at lys har bølgeegenskaper. Han viste dette ved å sende lys gjennom en dobbeltspalte. Han kunne ikke se lysbølgene, men mønsteret han så på veggen bak dobbeltspalten, var et interferensmønster.
(merk: resultater fra eksperimenter som ble utført på slutten av 1800-tallet tydet imidlertid at noe var galt med vår forståelse av lys, lys oppførte seg ikke alltid som bølger.)
Hva er bølgefunksjonen? Og hva kan den kvadrerte av absoluttverdien til bølgefunksjonen fortelle oss?
I schrödingerligningen finner vi symbolet 𝚿 (psi). Det er en funksjon som vi kaller bølgefunksjonen.
Bølgefunksjonen beskriver matematisk de fysiske egenskapene til partikkelen, eksempelvis; energien, posisjonen og bevegelsesmengden til et elektron.
Bølgefunksjonen, vanligvis representert som den greske bokstaven Ψ (psi), er en matematisk beskrivelse som representerer tilstanden til et kvantemekanisk system, for eksempel et atom eller et elektron. Den inneholder all informasjon om systemets egenskaper, som posisjon, energi og bevegelsesmønster.
Når du kvadrerer absoluttverdien av bølgefunksjonen, Ψ², får du sannsynlighetsfordelingen. Med andre ord gir Ψ² sannsynligheten for å finne partikkelen i et bestemt område eller tilstand. Jo høyere verdien av Ψ² er ved et bestemt sted, desto større er sannsynligheten for å finne partikkelen der.
Så, i hovedsak, Ψ² forteller oss hvor sannsynlig det er å finne en partikkel i en bestemt tilstand eller posisjon innenfor det kvantemekaniske systemet.
Hva er fotoelektrisk effekt?
Fotoelektrisk effekt er et fenomen som oppstår når lys treffer en overflate og frigjør elektroner fra den.
Når lys, eller elektromagnetisk stråling, treffer en overflate, består det av små partikler, fotoner.
Disse fotonene har energi som avhenger av lysets frekvens.
Når et foton treffer overflaten til et materiale kan det overføre sin energi til et elektron i materialet.
Hvis energien til fotonet er tilstrekkelig høy, altså “riktig” frekvens, kan den elektriske energien overføres til elektronet skik at det emmiterer fra overflaten, og blir frigjort.
Om et foton alene ikke har nok energi til å rive løs et elektron, vil det ikke hjelpe å skru opp lysstyrken (øke ant fotoner). Det er ene og alene fotonets frekvens som avgjør om elektroner frigjøres eller ikke.
Hva er Comptonspredning?
Et foton med bølgelengden 𝜆 kolliderer med et elektron som ligger i ro. Fotonet blir da avbøyd en vinkel 𝜽, samtidig med at bølgelengden øker.
Endringen i bølgelengde er gitt ved:
𝛥𝜆 = h/(m_e c) * (1-cos 𝜽)
Forklar Comptonforsøket
Arthur Compton utførte et forsøk som viste at fotonet har bevegelsesmengde.
Han oppdaget nemlig at fotoner kan kollidere med elektroner.
I en kollisjon er den samlede bevegelsesmengden bevart, og dermed bekreftet forsøket at fotoner har bevegelsesmengde.
I kollisjonen blir fotonet avbøyd en vinkel, og bølgelengden øker.
de Broglie - eksperimentet
Louis Victor de Broglie syntes det var merkelig at det bare var fotoner som skulle vise både partikkel- og bølgeegenskaper samtidig. Hvis bølger kan beskrives som partikler, så må vel partikler også kunne beskrives som bølger?
I 1927 ble det utført et eksperiment der elektroner ble sent inn mot en nikkelkrystall. I de øverste lagene av krystallen ble elektronene reflektert for å så treffe en detektor. Der dukket det opp et interferensmønster!
Et interferensmønster tyder på at vi har med et bølgefenomen å gjøre. Når elektroner passerer gjennom krystallen, virker områdene mellom atomene i krystallen som spalteåpninger. Resultatet styrket ideen om at partikler har bølgeegenskaper. Gjennombruddet til de Broglie førte til at han fikk nobelprisen i fysikk allerede i 1929.
Bølge-partikkel-dualitet
Et foton har bølgelengde, men også bevegelsesmengde.
Materie har bevegelsesmengde men også bølgelengde.
Sammenhengen mellom bølgelengden 𝜆 og bevegelsesmengden p, er gitt ved
𝜆 = h/p
Utrykket er det samme, både for partikler og for bølger.
bølgelengden til en partikkel kaller vi gjerne partikkelens de Broglie- bølgelengde.
Hva skiller kvanteobjekter fra klassiske objekter?
Dualitet:
Kvanteobjekter kan vise bølge-partikkel-dualitet, noe som betyr at de kan oppføre seg som både bølger og partikler avhengig av hvordan de blir observert.
Klassiske objekter følger derimot fysiske lover, og oppfører seg enten som bølge eller som partikkel.
Sannsynlighetsnatur:
I kvanteverdenen er egenskapene posisjon, fart og energi beskrevet ved sannsynlighetsfordelinger, ikke nøyaktige verdier slik som i klassisk fysikk.
Dette skyldes prinsippet om uskarphetsrelasjonen i kvantefysikk, som begrenser hvor nøyaktig vi kan måle slike egenskaper samtidig.
Sammenfiltring:
Kvanteobjekter kan være sammenfiltrede, som betyr at tilstanden til et objekt umiddelbart påvirker tilstanden til et annet objekt, uavhengig av avstanden mellom dem. Dette fenomenet er også kjent som ikke-lokalitet, og er en av de mest forbløffende aspektene ved kvantefysikken. Denne typen fenomen finner vi ikke i klassisk fysikk, da klassiske objekter ikke oppviser denne typen forbindelse.
Superposisjon og interferens:
Kvanteobjekter kan være i superposisjontilstander, der de eksisterer i flere tilstander samtidig. Superposisjon er et grunnleggende prinsipp innenfor kvantemekanikk som sier at et kvantepartikkel kan være i flere tilstander samtidig. Dette betyr at partikkelen ikke nødvendigvis er begrenset til en enkelt tilstand eller posisjon, men den kan være i en “superposisjon” av flere tilstander samtidig.
Tenk på det på denne måten: Hvis du kaster en mynt, kan den være enten på hodet eller på kronen når den lander. Men før du ser på mynten, er den i en superposisjon av både hodet og kronen. Det er først når du observerer mynten at den “kollapser” til enten hodet eller kronen.
På samme måte kan en kvantepartikkel være i en superposisjon av forskjellige energitilstander, posisjoner eller andre egenskaper.
(kan være greit å nevne Schrödingers barn eller katteeksperiment her)
Kvantisering av egenskaper: I
I kvantefysikk er visse egenskaper kvantiserte. Det betyr at de bare kan ha bestemte diskrete verdier, i steden for å kunne anta kontinuerlige verdier som i klassisk fysikk.
Hvordan kan vi bruke støt som partikkelbevis?
Partikler har tydelige posisjoner. Når to partikler møtes, vil de inngå i et støt. I et støt uten ytre krefter er den totale bevegelsesmengden bevart. Vi sier at en gjenstand som kan inngå i et støt, har bevegelsesmengde. Gjenstanden er derfor en partikkel.
Hva betyr det at en størrelse er kvantisert?
At en størrelse er “kvantisert”, betyr at den er delt opp i bestemte biter, eller kvanter, som utgjør de minste byggesteinene av størrelsen.
Kvantisert er det motsatte av kontinuerlig. Kontinuerlige størrelser har ingen minste byggestein.
Vi sender lys mot en flate av et bestemt metall. Hvilken fysisk størrelse for lyset bestemmer om det blir slått løs elektroner fra metallet?
Hvis vi kan sende inn lys mot et metall og få slått løs elektroner, så har vi fotoelektrisk effekt. For å få fotoelektrisk effekt, må den energien som fotonene kommer inn med være større enn løsrivningsarbeidet i metallet. E > W.
Den energien som fotonene kommer inn med, den har vi gitt som Plancks konstant ganget med frekvensen. E= hf
Dermed er det frekvensen til lyset som avgjør hvorvidt vi får løsrevet elektroner fra metallet.
Vi sender lys mot en flate av et bestemt metall. Hvilken fysisk størrelse for lyset bestemmer om hvor stor kinetisk energi de løsrevne elektronene får?
Hvis vi tenker tilbake på at vi har en viss energi som kommer med fotonene inn, som gjør et løsrivningsarbeid, så må vi få noe igjen. Så vi har at den kinetiske energien er den energien som blir igjen når fotonene har kommet inn og avgitt en del energi til løsrivningsarbeidet.
E_k = E - W
Så differansen mellom den innkommende energien i fotonene og løsrivingsarbeidet er den kinetiske energien. Og hvor mye energi som er igjen til å bli kinetisk energi er avhengig av energien fotonene hadde i utgangspunktet. E = hf, altså Plancks konstant ganget med frekvensen. Dermed er det også i dette tilfellet frekvensen til lyset som avgjør. Så ut i fra frekvensen til lyset, får vi en bestemt kinetisk energi på elektronene som blir løsrevet.
Vi sender lys mot en flate av et bestemt metall. Hvilken fysisk størrelse for lyset bestemmer om hvor mange elektroner som blir slått løs fra metallflaten hvert sekund?
Et foton slår løs ett elektron, det er litt dette som ligger i partikkelegenskapene til lyset. Det spiller ingen rolle hvor mye energi et foton har, det ene fotonet kan uansett bare slå løs ett elektron. Antallet fotoner henger sammen med lysets intensitet. Så den egenskapen som avgjør hvor mange elektroner vi får slått løs er lysintensiteten.
