KVANTTIFYSIIKKA

1. KVANTTIFYSIIKKA todellisuus ei arkikokemuksen tavoitettavissa 1900-luvun fysiikan kaksi merkittävintä saavutusta: kvanttifysiikka ja suhteellisuusteoria kvanttifysiikka kvanttimekaniikka (1920-luku)

2. MILLAISTA ON AINEEN PIENIMPIEN OSASTEN LIIKE? liike lyhyissä aika- ja etäisyysskaaloissa KVANTTIFYSIIKKA - tarkin ja kattavin tieteellinen teoria - kaikki on pohjimmiltaan kvanttifysiikkaa Max Planck 1900: säteily syntyy energiapaketteina = kvantteina fotoni h-viiva = h/2 h h Planckin vakio

3. Aineessa on sähköisiä varauksia J.J. Thomson 1897: elektroni E. Rutherford 1909 kultalehdykkä alfa-hiukkanen = heliumydin Aineessa on raskaita hiukkasia 15000 km/s kulta-atomi 8000 x alfa-hiukkasta painavampi

4. yksinkertaisin kysymys: millainen on vetyatomi? kun kysytään yksinkertaisia kysymyksiä, saadaan niihin täsmällisiä vastauksia … … ja seurauksena myös vastauksia syvällisiin, monimutkaisiin kysymyksiin vetyatomi  kvanttifysiikka  todellisuuden luonne • Kopernikaaninen systeemi: Marsin rata • suhteellisuusteoria: Maxwellin yhtälöt • -kvanttimekaniikka: vetyatomi vertaa:

5. Maxwellin yhtälöt: liikkuva sähkövaraus säteilee ja menettää näin energiaa  rata epästabiili ”planeettamalli” Niels Bohr 1911 ad hoc selitys: vain tietyt radat sallittuja kvanttiehto: nopeus x etäisyys = kokonaisluku

6. Energia2 valon kvantti fotoni Energia = Energia2 - Energia1 Energia1 energiatasot kvantittuneet = diskreetit fotonin energia  aallonpituus spektri

7. … äärettömiin saakka . . energiatasot n=3 n=2 alin = ”perustila” n=1 pääkvanttiluku

8. vetyatomin spektri koostuu viivoista: 1900-luvun alussa tunnettiin ns. Balmerin sarja  Bohrin malli ennusti aallonpituudet planeettamallista kvanttimekaniikkaan 1920-1925: Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli kvanttien mekaniikka: miten kvantit liikkuvat Schrödingerin yhtälö 1925 kuvaa aaltoliikettä

9. elektroni liikkuu kuten aalto … esim. kaksoisrakokoe interferenssi: aallot voivat joko sammuttaa tai vahvis- taa toisiaan … mutta ei kuten tavallinen aalto Schrödingerin yhtälön ratkaisu  - aaltofunktio on todennäköisyysaalto - kuvaa hiukkasen abstraktia tilaa

10. todennäköisyys = aaltofunktion neliö muoto riippuu kvanttiluvuista kts. demo, toinen demo elektronin etäisyys ytimestä mittauksessa elektroni löytyy tietyllä todennäköisyydellä tietyltä etäisyydellä

11. ’epämääräinen tila’ esim: hiukkanen voi olla yhtä aikaa ’sininen’ ja ’punainen’ 70% 30% mittaustulos on tietyllä toden- köisyydellä ’sininen’ tai ’punainen’

12. Wolfgang Pauli: elektroni on pieni magneetti SPIN eräs elektronin kvanttiluvuista Paulin kieltosääntö: kaksi elektronia ei voi olla täsmälleen samassa tilassa kemia

13. spin puhtaasti kvanttifysikaalinen ominaisuus kvantittunut: spin ’ylöspäin’ tai ’alaspäin’ mutta: on myös epämääräinen spin-tila:  = spin↑ + spin↓ mittauksessa ↑ tai ↓toteutuu tietyllä todennäköisyydellä

14. Stern-Gerlach-koe

15. Heisenbergin epätarkkuusperiaate h hiukkasen paikkaa ja nopeutta energiaa ja aikaa jne ei voida mitata yhtä aikaa mielivaltaisen tarkasti seurausta aaltoluonteesta (ei siitä että esim. elektronia häiritään mittauksessa)

16. energian epätarkkuus paikan epätarkkuus nopeus tunnetaan  paikka epätarkka paikka tunnetaan  nopeus epätarkka h nopeuden epätarkkuus ajan epätarkkuus

17. kvanttimekaniikan peruspostulaatit • elektroni voi olla epämääräisessä tilassa • mittauksessa kaikista mahdollisuuksista toteutuu yksi (aaltofunktiosta luettavalla todennäköisyydellä) • kaikkea ei voi mitata yhtä aikaa mielivaltaisen tarkasti  ’aaltofunktion romahdus’ kaikki etäisyydet mahdollisia

18. kvanttimekaniikan tulkintaongelmissa täten 2 osiota: 1. kysymys epämääräisistä tiloista 2. mikä on mittaus? palataan asiaan …

19. kvanttifysiikka on  ei-deterministinen samasta alkutilasta ei seuraa aina sama lopputila aito todennäköisyysluonne  kausaalinen syy edeltää aina seurausta Dirac 1928: suppeampi suhteellisuusteoria + kvantti- mekaniikka: Schrödingerin yhtälö  Diracin yhtälö Feynman, Schwinger, Tomonaga 1948: kvanttielektro- dynamiikka QED: Maxwellin yhtälöt + Diracin yhtälö

20. virtuaaliset hiukkaset elektronia ympäröi virtuaalisten fotonien pilvi  pieni mutta mitattava efekti

21. Heisenbergin epätarkkuusperiaate: energiaa voi lainata tyhjiöstä syntyy jatkuvasti virtuaalisia hiukkasia

22. kvanttifysiikka on koko tieteen historian paras ja ylivoimaisesti tarkin teoria! Esim: Energia n = 2 suht.teoria spin ydin virtuaaliset

23. vetyatomi selitetty viimeistä piirtoa myöten … … eikä pelkästään vain vetyatomi satoja ilmiöitä, kaksi parametria: massa ja varaus Esim. voima jolla elektroni kytkee magneettikenttään: kokeet: 1159.6521869 ± 0.0000041 teoria: 1159.6521535 ± 0.0000290 Helsinki – New York –etäisyys hiuskarvan tarkkuudella