Hullám vagy részecske? Kvantumfizika.

Az előadások a következő témára: "Hullám vagy részecske? Kvantumfizika."— Előadás másolata:

1 Hullám vagy részecske? Kvantumfizika

2 Hullám:

3 1. Az elektromos tér forrásos, azaz elektromos töltés jelenlétében erővonalak indulnak a pozitív töltésekről, melyek a negatív töltéseken végződnek. (Gauss-törvény) 2. A mágneses indukció változása elektromos teret indukál, melynek iránya ellenkező mint az őt létrehozó változás. (A Lenz-törvény és Faraday indukciós törvényének egyesítése) 3. A mágneses tér forrásmentes, azaz a mágneses tér erővonalai önmagukba záródnak. (Gauss mágneses törvénye), 4. Az elektromos áram, illetve a folytonossági egyenlet kielégítéséből adódó eltolási áram mágneses teret hoz létre. (Ampère-törvény)

4 Hullám: Interferencia

5 Az interferencia csíkjait rögzíteni lehet egy foto papíron, vagy közvetlenül rávetíthetjük egy digitális kamera CCD detektorára, amelyben egy síklapon elhelyezkedő pixelek sorai és oszlopai érzékelik a sötét és világos tartományokat. Az így felvett interferenciaképen a csíkok helye és intenzitása nagy pontossággal megegyezik azzal, ami a hullámegyenletekből számolható. Nagy meglepetés éri azonban a fotóst, ha az expozíciós időt változtatva alaposan megnézi, hogyan alakul ki ez a fénykép. A kivilágosodás azonban nem folyamatos, hanem az ernyő különböző részein véletlenül felvillanó képpontokból épül fel! A fénysugár részecskék sorozatának látszik, s ahova sok részecske csapódik be, ott lesz fényes a felvétel.

6 A fény részecskékhez hasonló viselkedését legjobban a fényelektromos jelenség szemlélteti: ha egy elektromosan feltöltött fémlemezt megfelelő színű fénnyel megvilágítunk, akkor a lemez gyorsan elveszíti töltését. Animáció A hangsúly a fény színén van. A nátrium fémet például akármilyen erős vörös fénnyel világítjuk meg, a fény nem képes belőle elektronokat kilökni. Ugyanakkor a kék fény már kis intenzitás mellett is hatásos. A vörös fény nem tud annyi energiát közölni az elektronokkal, hogy azok kilépjenek a fémből, míg a kék fény a kilépési munkánál többet is közöl, s az elektronok nagy sebességgel távoznak a felületről . A kísérletek ráadásul azt mutatják, hogy a kilökött elektronok energiája kizárólag a fény színétől függ, s a fémre jellemző kilépési munka levonása után egyszerűen arányos a fény frekvenciájával. Ugyanolyan színű fénnyel történő erősebb megvilágítás esetén a kilépő elektronoknak a száma növekszik, nem pedig az energiájuk.

7 a fény részecskékből áll, s e részecskék energiája.
A jelenség értelmezést Albert Einstein adta meg: a fény részecskékből áll, s e részecskék energiája. Erősebb megvilágítás esetén a fényrészecskék, az ún. fotonok száma növekszik, s több elektront képesek kilökni. Mivel azonban a fotonok energiája csak a fény színétől függ, a kilökött elektronok energiája nem változik a fény erősségével. Ez szögesen ellentmond a hullám-elképzelésnek, hiszen ott azt várnánk, hogy a nagyobb intenzitású fény több energiát tud átadni, függetlenül a fény színétől. Kevéssé ismert, hogy Einstein nem a relativitáselméletért, hanem a fényelektromos effektus értelmezésért kapott Nobel-díjat. E Nobel-díjas jelenség alkalmazásával olyan hétköznapi események során találkozunk, mint például amikor egy automata ajtó kinyílik előttünk, vagy a tévéhíradó videokamerával felvett képeit nézzük.

8 Ennek a képnek a puszta létezése azt jelzi, hogy a "hullám vagy részecske?" kérdést nem lehet megválaszolni, egyszerűen azért, mert a kérdés rossz. De mit jelent az, hogy egy kérdés rossz? film

9 Nézzünk erre egy példát
Nézzünk erre egy példát. Egy körnek megvannak a jellegzetes tulajdonságai, például mindenütt egyformán görbül, nincsenek sarkai stb. Ugyanígy egy négyzet markáns vonása a négy egyforma hosszú, egyenes oldal vagy a négy darab sarok. Az ábrára nézve mindenki el tudja dönteni, hogy melyik a kör, s melyik a négyzet, s az az eldöntendő kérdés, hogy "kört vagy négyzetet látunk?", egy értelmes kérdés.

10 Igen: kör  négyzet Igaz ez ?
A henger palástja "egyenletesen görbül", az alaplap és a palást pedig "sarkos": a henger egyidejűleg rendelkezik a kétféle tulajdonsággal, jóllehet nem sokkal ezelőtt - amikor síkban gondolkoztunk - ezt a két tulajdonságot még egymást kizárónak hittük. Itt is látunk egy kört meg egy négyzetet, de ez most ugyanannak a hengernek a kétféle síkmetszete. A kérdés, hogy a henger "kör vagy négyzet?" nyilvánvalóan értelmetlen, annak ellenére, hogy vannak olyan szituációk, amikor a henger körnek látszik, s van olyan nézete, ami négyzet alakú Hasonlóan, a "részecske vagy hullám?" kérdésre a válasz csak egyféle lehet: "részecske és hullám".

11 "foton-hipotézis” A fény diszkrét, E=hν nagyságú energiamennyiségekből, un. fénykvantumokból vagy fotonokból áll, amelyek egyenes vonalban fénysebességgel mozognak mint kis részecskék. Kísérletezzünk!

12 Einstein : Impulzus (lendület):

13 Teljesítmény= 680 W/m2 => másodpercenként az energia 680 J
Egy foton energiája: E=hν c=λν => ν=c/λ c=3*108 ; λ=730nm=730*10-9 m

14

15 Összefoglalás

16 Tükrök: Síktükör Kép tulajdonságai: Látszólagos Ugyanakkora Egyenes állású

17 Tükrök: Síktükör Kép tulajdonságai: Látszólagos Ugyanakkora Egyenes állású

18 Kép tulajdonságai: Látszólagos Kicsinyített Egyenes állású

19 Homorú tükör

20 T – a tárgy mérete, mindig pozitív
t – a tárgytávolság, mindig pozitív K – a kép mérete, ha a kép egyenes állású (=látszólagos), negatív előjelű k – a képtávolság, ha a kép egyenes állású (=látszólagos), negatív előjelű

21 Snellius-Descartes- törvény
Fénytörés x α x Snellius-Descartes- törvény β

22 Planparalel lemez: A planparalel lemez a fénysugarat csak eltolja, ugyanis kettős törés után a beeső sugár irányával párhuzamosan halad tovább a fénysugár.

23 általánosabb esetben a fény kétszeri megtöréssel halad át a prizmán.

24 az optikai középpontba esők irányváltoztatás nélkül haladnak tovább
gyűjtőlencse esetén az optikai tengellyel párhuzamosan érkező sugarak a fókuszon keresztül, a fókuszon át érkezők a tengellyel párhuzamosan az optikai középpontba esők irányváltoztatás nélkül haladnak tovább a kétszeres fókuszon át érkező sugarak a másik oldalon található kétszeres fókuszon át haladnak tovább

25 szórólencse esetén az optikai tengellyel pár­huzamosan érkező sugarakat úgy töri meg, mintha azok a fókuszpontból indultak volna ki, azon beeső sugarak pedig, melyeknek meghosszabbítása a szemközti fókuszpontot metszi, törés után párhuzamosan haladnak az optikai tengellyel. Az optikai középpontba eső sugarak iránya nem változik. azon sugarak, melyeknek meghosszabbítása a túloldali kétszeres fókuszon áthalad, törés után úgy haladnak tovább, mintha a beeső sugár oldalán lévő kétszeres fókuszból indultak volna ki

26 Képszerkesztések: Gyűjtőlencse esetén:  A tárgy a kétszeres fókuszon kívül helyezkedik el a kép valódi, fordított állású kicsinyített (pl. fényképezőgép, videokamera)  A tárgy a kétszeres fókuszban helyezkedik el a kép valódi, fordított állású a tárggyal megegyező méretű  A tárgy a kétszeres és egyszeres fókusz között helyezkedik el a kép valódi, fordított állású nagyított (pl. vetítőgép)  A tárgy a fókuszpontban helyezkedik el nincs kép, a visszavert sugarak párhuzamosak  A tárgy a fókuszponton belül helyezkedik el a kép virtuális, egyenes állású nagyított (pl. egyszerű nagyító)

27 Szóró lencse esetén  A tárgy helyétől függetlenül: a kép virtuális, egyenes állású kicsinyített

28

29 Hullámoptika Az interferencia hullámok találkozásánál megfigyelhető jelenség. Speciális esetei, ha két azonos frekvenciájú és hullámhosszú hullám megfelelő útkülönbséggel találkozik: (maximálisan erősítik egymást, ha az útkülönbség, maximálisan gyengítik (kioltják), ha

30 lézerfény elhajlása optikai rácson
d X α 0. 1. 2. rendű maximum 2.

31 Polarizálni csak transzverzális hullámokat lehet, így a polarizáció alkalmas annak meghatározására, hogy egy hullám transzverzális-e. Egy kezdetben több rezgési síkkal rendelkező hullámot polarizátor segítségével lineárisan polárossá (egy rezgési síkkal rendelkezővé) tehetünk, melyet aztán még egy, az elsőtől eltérő síkra beállított polarizátorral analizálhatunk. Ha ez a jelenség lejátszódik, a vizsgált hullám transzverzális.

32 Kvantumfizika