QUANTUM SPIN-OFF - Experiment UNIVERSITEIT ANTWERPEN

Seotud dokumendid
Microsoft PowerPoint - Difraktsioon

Microsoft Word - X Kvantomadused ja tehnoloogia.docx

Katholieke Hogeschool Limburg

Keemia koolieksami näidistöö

(Microsoft Word - FMP p\365hivara1.doc)

Matemaatiline analüüs IV 1 3. Mitme muutuja funktsioonide diferentseerimine 1. Mitme muutuja funktsiooni osatuletised Üleminekul ühe muutuja funktsioo

Sissejuhatus mehhatroonikasse MHK0120

Praks 1

efo03v2pkl.dvi

IMO 2000 Eesti võistkonna valikvõistlus Tartus, aprillil a. Ülesannete lahendused Esimene päev 1. Olgu vaadeldavad arvud a 1, a 2, a 3,

(10. kl. I kursus, Teisendamine, kiirusega, kesk.kiirusega \374lesanded)

Praks 1

vv05lah.dvi

Matemaatilised meetodid loodusteadustes. I Kontrolltöö I järeltöö I variant 1. On antud neli vektorit: a = (2; 1; 0), b = ( 2; 1; 2), c = (1; 0; 2), d

lvk04lah.dvi

VL1_praks6_2010k

Eesti koolinoorte 66. füüsikaolümpiaad 06. aprill a. Vabariiklik voor. Gümnaasiumi ülesannete lahendused 1. (AUTOD) (6 p.) Kuna autod jäävad sei

Keemia ainekava 8. klassile Õppe - ja kasvatuseesmärgid 1) tunneb huvi keemia ja teiste loodusteaduste vastu ning mõistab keemia rolli inimühiskonna a

Microsoft Word - A-mf-7_Pidev_vorr.doc

Polünoomi juured Juure definitsioon ja Bézout teoreem Vaadelgem polünoomi kus K on mingi korpus. f = a 0 x n + a 1 x n a n 1 x

6 tsooniga keskus WFHC MASTER RF 868MHz & 4 või 6 tsooniga alaseade SLAVE RF KASUTUSJUHEND 6 tsooniga WFHC RF keskus & 4 või 6 tsooniga alaseade SLAVE

efo09v2pke.dvi

efo03v2kkl.dvi

6. KLASSI MATEMAATIKA E-TASEMETÖÖ ERISTUSKIRI Alus: haridus- ja teadusministri määrus nr 54, vastu võetud 15. detsembril E-TASEMETÖÖ EESMÄRK Tas

Euroopa Liidu Nõukogu Brüssel, 24. september 2015 (OR. en) 12353/15 ADD 2 ENV 586 ENT 199 MI 583 SAATEMÄRKUSED Saatja: Kättesaamise kuupäev: Saaja: Eu

Füüsika

A.Kitzbergi nimeline Gümnaasium Ainevaldkond Loodusained Ainevaldkonna õppeaine füüsika kursused on järgmised: 1) Sissejuhatus füüsikasse. Kulgliikumi

Vana talumaja väärtustest taastaja pilgu läbi

Matemaatiline analüüs III 1 4. Diferentseeruvad funktsioonid 1. Diferentseeruvus antud punktis. Olgu funktsiooni f : D R määramispiirkond D R selles p

6

Slide 1

raamat5_2013.pdf

Praks 1

Remote Desktop Redirected Printer Doc

Treeningvõistlus Balti tee 2014 võistkonnale Tartus, 4. novembril 2014 Vastused ja lahendused 1. Vastus: 15, 18, 45 ja kõik 0-ga lõppevad arvud. Olgu

Word Pro - digiTUNDkaug.lwp

Projekt Kõik võib olla muusika

6

Antennide vastastikune takistus

Microsoft Word - FÜÜSIKA GÜMNAASIUM docx

Microsoft Word - Difraktsioon2a_eesti_aa

Microsoft PowerPoint - Meisterdused metsa teemal

Tala dimensioonimine vildakpaindel

Matemaatika ainekava 8.klass 4 tundi nädalas, kokku 140 tundi Kuu Õpitulemus Õppesisu Algebra (65 t.) Geomeetria (60 t.) Ajavaru kordamiseks (15 õppet

Microsoft Word - Karu 15 TERMO nr 527.doc

Lisa I_Müra modelleerimine

8.klass 4 tundi nädalas, kokku 140 tundi Hulkliikmed ( 45 tundi) Õppesisu Hulkliige. Hulkliikmete liitmine ja lahutamine ning korrutamine ja jagamine

VRB 2, VRB 3

VL1_praks2_2009s

FJT p6hivara 2019

EESTI STANDARD EVS-EN ISO 3381:2007 See dokument on EVS-i poolt loodud eelvaade RAUDTEEALASED RAKENDUSED Akustika Raudteeveeremi sisemüra mõõtmine (IS

10 kl, IX osa Newtoni seadused 2018

(Microsoft Word - T\366\366leht m\365isaprogramm 4-6 kl tr\374kkimiseks.doc)

KEEMIA AINEKAVA põhikooli 8.klassile 1. Õpieesmärgid. 8. klassis keemiaõpetusega taotletakse, et õpilane: 1. tunneb huvi keemia ja teiste loodusteadus

Theory - LIGO-GW150914

Microsoft Word - 56ylesanded1415_lõppvoor

Microsoft PowerPoint - Rutherfordi tagasihajumise spektroskoopia (RBS)

MLF7011 Plasmafüüsika alused

M (12)+lisa Mario Narbekov, Dmitri Tiško, Ingrid Leemet Liiklus- ja raudteemüra mõõtmised Vaksali 3 ja 11, Hurda 38, Tammsa

Eesti koolinoorte LIII matemaatikaolümpiaad 28. jaanuar 2006 Piirkonnavoor Hindamisjuhised Lp hindaja! 1. Juhime Teie tähelepanu sellele, et alljärgne

Sügis 2018 Kõrgema matemaatika 2. kontrolltöö tagasiside Üle 20 punkti kogus tervelt viis üliõpilast: Robert Johannes Sarap, Enely Ernits, August Luur

Ülesanne #5: Käik objektile Kooli ümberkujundamist vajava koha analüüs. Ülesanne #5 juhatab sisse teise poole ülesandeid, mille käigus loovad õpilased

PowerPoint Presentation

Kasutusjuhend Dragon Winch vintsile DWM, DWH, DWT seeria Sisukord Üldised ohutusnõuded... 3 Vintsimise ohutusnõuded... 3 Kasulik teada... 4 Vintsimise

PowerPoint Presentation

VRG 2, VRG 3

Microsoft PowerPoint - Loodusteaduslik uurimismeetod.ppt

Tehniline andmeleht Sadulventiilid (PN 16) VRG 2 2-tee ventiil, väliskeermega VRG 3 3-tee ventiil, väliskeermega Kirjeldus Ventiilid on kasutatavad ko

Tants on loodud 1985.aasta tantsupeoks Muusika Lepo Sumra Koreograafia Helju Mikkel koostöös Lille- Astra Arraste ja "Sõlesepad" tantsurühma meestega.

Microsoft Word - Kurtna koolitöötajate rahulolu 2012

Microsoft PowerPoint - loeng2.pptx

Väljaandja: Vabariigi Valitsus Akti liik: määrus Teksti liik: terviktekst Redaktsiooni jõustumise kp: Redaktsiooni kehtivuse lõpp:

Õppekava arendus

lcs05-l3.dvi

Tartu Observatoorium Loengukursus Tartu Ülikoolis Versioon 1.1 TÄHTEDE FÜÜSIKA Iosa Tõnu Viik Tõravere 2009

HCB_hinnakiri2017_kodukale

Microsoft Word - VG loodus

KUUM! OTSI POEST ja heade hindadega! 2 49 DRESSIPLUUS tüdrukutele, värvilise kirjaga, suurused: cm DRESSIPLUUS poistele, kirja ja pealetrükiga

Õppeprogramm „vesi-hoiame ja austame seda, mis meil on“

Microsoft PowerPoint - Konjunktuur nr 3 (194) pressile marje .ppt

(Microsoft Word - Matsalu Veev\344rk AS aktsion\344ride leping \(Lisa D\) Valemid )

Neurovõrgud. Praktikum aprill a. 1 Stohhastilised võrgud Selles praktikumis vaatleme põhilisi stohhastilisi võrke ning nende rakendust k

Excel Valemite koostamine (HARJUTUS 3) Selles peatükis vaatame millistest osadest koosnevad valemid ning kuidas panna need Excelis kirja nii, et

Tallinna Õismäe Gümnaasiumi põhikooli ainekava

EUROOPA KOMISJON Brüssel, XXX [ ](2013) XXX draft KOMISJONI DIREKTIIV / /EL, XXX, millega muudetakse Euroopa Parlamendi ja nõukogu direktiivi 2000/25/

Microsoft PowerPoint - Mis on EstWin.pptx

Fyysika 8(kodune).indd

TERASTORUD JA ELLIPSIKUJULISED TERASTORUD HelCor PipeArch

12. Marek Kolk, Kõrgem matemaatika, Tartu Ülikool, Algfunktsioon ja määramata integraal Sisukord 12 Algfunktsioon ja määramata integraal 1

Loovtööd ja nende korraldus Lääne-Virumaal Roela koolis

ITI Loogika arvutiteaduses

Microsoft PowerPoint - Loeng2www.ppt [Compatibility Mode]

EVANGEELIUMI JAGAMINE MIKS JA KUIDAS RÄÄKIDA JEESUSEST TEISTELE? Kas Sa oled kunagi kellelegi rääkinud Jumalast/Jeesusest? Inimestele Jeesuse

PIKSELOITS Täpsustused 15.oktoobri 2018 seisuga Tants on loodud 1985.aasta tantsupeoks Muusika Lepo Sumra Koreograafia Helju Mikkel koostöös Lille- As

Andmed arvuti mälus Bitid ja baidid

Tuuleenergeetika võimalikkusest Eestis

Microsoft Word - 1-1_toojuhend.doc

Septik

HCB_hinnakiri2018_kodukale

Väljavõte:

1 Kvantfüüsika Tillukeste asjade füüsika, millel on hiiglaslikud rakendusvõimalused 3. osa: PRAKTILISED TEGEVUSED Elektronide difraktsioon Projekti Quantum Spin-Off rahastab Euroopa Liit programmi LLP Comenius raames (540059-LLP-1-2013-1-BE-COMENIUS-CMP). Renaat Frans, Laura Tamassia Kontakt:renaat.frans@khlim.be See teave kajastab ainult teksti autori seisukohti ning Euroopa Komisjon ei ole vastutav selle informatsiooni kasutamise eest

2 ELEKTRONIDE LAINEPIKKUS UURIMISKÜSIMUS: Kontrolli, kas elektroni prognoositud lainepikkus lähtuvalt de Broglie' hüpoteesist vastab difraktsioonimustrist mõõdetud väärtusele! 1. OSA: SISSEJUHATUS. Osakese lainepikkus? Elektromagnetlainete osakeselised omadused Albert Einstein ja Max Planck avastasid 20. sajandi algusaastatel, et valgusel mis klassikalise teooria kohaselt on elektromagnetlaine on ka teatud osakeselised omadused. Valgus, mida võis täie kindlusega kirjeldada kui elektromagnetlainet, tundus kohale jõudvat osakese kaupa! Neid valgusosakesi hakati nimetama footoniteks (analoogia sõnaga elektron ). Tavaliselt me ei märka seda, kuid foto tekib tegelikult footon footoni haaval. Piltidelt näed, kuidas moodustub foto: lisandub üha rohkem footoneid. Seda saab reguleerida säriaja muutmisega. Kõige nõrgema säritusega foto sisaldab umbes 3000 footonit, kõige rohkem säritatud foto 30 000 000 footonit. Aine laineline olemus 1924. aastal murdis Louis de Broglie pead, et kas ainel võiksid olla ka lainelised omadused. Oli ju teada, et valgus on laine, millel paistsid olevat ka osakeselised omadused. Ta arvas, et seega võivad ka mateerial olla lisaks lainelised omadused. Seega ta kaalus võimalust, et selline fundamentaalne osakese-laine dualism iseloomustab igat füüsikalist süsteemi. See idee looduse sümmeetria kohta osutus tõeseks ning viis uue, väga väikeste kehade mehaanika tekkeni lainemehaanikani ehk kvantmehaanikani. Pärast de Broglie'd arendasid teooriat edasi näiteks Werner Heisenberg ja Erwin Schrödinger. Tänapäeval kasutame seda teooriat (või isegi veel rohkem edasi arendatud teooriat nimega kvantväljateooria), et seletada aine selliseid omadusi nagu värvus, stabiilsus, keemilised sidemed jne. Kvantmehaanika on praegu üks füüsika fundamentaalseid teooriaid ning uued arengud tuginevad de Broglie' hüpoteesile. Oma kuulsa valemiga oli ta esimene, kes sidus osakeselised omadused laineliste omadustega:

3 p = h λ (1) Võrrand suhestas osakeselised omadused võrrandi vasakul poolel (impulss) laineliste omadustega võrrandi paremal poolel (lainepikkus). See suhe sõltub ühtest looduse põhikonstandist Plancki konstandist (h). Plancki konstant on väga väike: h = 6,6260693 10 34 Js Võrrandi vasakul poolel on p, mis tähistab impulssi, osakeste üht omadust. Liikuval osakesel on impulss, mis on võrdne tema massi ja kiiruse korrutisega: p = mv Impulss on tuntud mõiste ka Newtoni mehaanikast. Impulsi muutus on võrdne kehale mõjuva jõuga 1. De Broglie' hüpoteesi paremal poolel murru nimetajas on impulsiga osakese lainepikkus. Suure impulsiga osakesel on (lühike/pikk) lainepikkus. De Broglie' hüpotees prognoosib osakeste elektronide, kuid näiteks ka pallide lainepikkust. 1. Arvuta sellise palli lainepikkus, mille mass on 0,100 kg ning liikumiskiirus 10,0 m/s. Miks ei märka me sellise palli lainepikkust? (Vastus: 6,63 x 10-34 m) 2. Arvuta 821 m/s liikuva elektroni lainepikkus. Elektroni mass on 9,11 x 10-31 kg (Vastus: 897 ) Ainelainete olemasolu katseline tõestamine De Broglie' osakese-laine teooriat on alates 1920ndatest aastatest palju kordi katsete käigus tõestatud. Neist katselistest tõestustest kõige kuulsam on nn kahe pilu katse elektronidega, mille tegi esimest korda Clauss Jönsson aastal 1959. Jönsson suutis näidata elektronide interferentsi pärast 2 pilu läbimist see oli ümberlükkamatu tõestus elektronide laineliste omaduste kohta. Originaalfoto elektronide interferentsist kahe pilu katses elektronidega (Clauss Jönsson, Tübingeni ülikool) 1 Kui sul on sellest keeruline aru saada, mõtle, kas lihtsam on muuta veoauto või mänguauto impulssi. Isegi kui mõlemad liiguvad sama kiirusega, on veoauto impulsi muutmiseks vaja palju suuremat jõudu, sest selle mass on palju suurem.

4 Elektronide difraktsioon grafiidi kristallil Davisson ja Germer olid juba katse teel näidanud elektronide difraktsiooni, tulistades elektronid kristallile. Oma laineliste omaduste tõttu difrakteeruvad elektronid läbi kristalli molekulaarse struktuuri pilude liikudes. Samasuguse katse teeme ka meie. Tulistame elektronid läbi grafiidi kristallile. Pilude tõttu kristalli molekulaarstruktuuris tekib difraktsioon. Elektronid kiirguvad kuumast traadist ning neid kiirendatakse pinge elektriväljaga. Magnetläätse abil fokuseeritakse elektronid kiireks, mille difraktsioonimuster on näha ekraanil teisel pool kristalli. Difraktsioonimustrist mõõdetud elektronlained Kui elektronid käituvad ka laintena, siis kristalli läbimine peab tekitama difraktsioonimustri miinimumide ja maksimumidega. Ja me tõepoolest näemegi difraktsioonimustri miinimume ja maksimume, mis on mingis mõttes jäädvustus erinevatest vahemaadest kristalli struktuuris. Difraktsioonimuster, mis tekib pärast elektronide läbiminekut grafiidi kristallist, näitab elektronide saabumist kontsentrilistes ringides see on nii nende laineliste omaduste tõttu! Joonis. Vaadeldav difraktsioonimuster, mis tekkis pärast elektronide läbiminekut grafiidi kristallist Grafiidi kristall koosneb paljudest kihtidest. Kui vaatame vaid ühte kihti, näeme, et molekulide vahel on augud. Need augud käituvad difraktsioonivõrena. Elektronlained läbivad kristalli sarnaselt sellele, kuidas valguslained läbivad difraktsioonivõre. Huygensi printsiibi kohaselt on lainefrondi iga punkt omakorda uue, igas suunas leviva laine allikas. Kuid kõigi nende Huygensi lainete levimisteekonnad on erinevad. Teatud nurkade puhul võib käiguvahe Δs muutuda piisavalt suureks, et lained satuvad vastandfaasi. Sellistel juhtudel toimub lainete vastastikune kustutamine. Sellistes kohtades elektrone näha ei ole. Teiste nurkade puhul võib toimuda elektronlainete konstruktiivne superpositsioon. Nendes kohtades esineb difraktsioonimustri maksimum ja on näha palju elektrone. Kuna grafiidi kristall koosneb paljudest kihtidest, mis võivad üksteise suhtes pöörelda, on tulemuseks selline olukord nagu pildil b: kristall käitub nagu temas oleksid ümmargused augud. Ka difraktsioonimuster on omakorda ringiline, sest käiguvahe muutub igas suunas ümber keskse kiire samamoodi.

5 Tegelikult on grafiidi kristallil ilus kuusnurkne struktuur, milles on näha 2 erinevat vahemaad. Kuna kihid üksteise suhtes pöörlevad, siis tekib molekulidest 2 ringikujulist avaust, mille mõõtmed on järgmised: d 1 = 2,13. 10-10 m d 1 = 1,23. 10-10 m Mõlemad vahemaad põhjustavad käiguvahed, mis on vaadeldavad difraktsioonimustris maksimumide D 1 ja D 2 vahelise kaugusena. Joon. Difraktsioonirõngad (maksimumid), mis tekivad, kui elektronkiir suunatakse grafiidi kristallile Elektronide lainepikkuse määramine difraktsiooni maksimumide diameetri D mõõtmise kaudu Geomeetria abil näeme, et teekondade erinevus võrdub 2d sin. Kui teekondade erinevus on võrdne (saabuvate elektronide) lainepikkuste koguarvuga, toimub konstruktiivne interferents: konstruktiivne interferents, kui n. λ = 2d. sinθ (2) Väikeste nurkade puhul saab võrrandi esitada lihtsustatud kujul: n: positiivne täisarv d: vahemaa kristallvõres λ: elektronide lainepikkus konstruktiivne interferents, kui λ = d D 2L (3) kus D on difraktsiooni maksimumi mõõdetud diameeter, L on kristalli ja ekraani vaheline kaugus, meie seadistuses L = 133 mm. Kuna võrrandi (3) parema poole andmed on teada (d on teada, L on teada, D mõõdetakse), saame katse teel määrata elektroni lainepikkuse λ.

6 1. Prognoositav elektroni lainepikkus de Broglie' hüpoteesi põhjal Määrame elektroni teoreetilise lainepikkuse de Broglie' hüpoteesi põhjal (nii et seda saab pärast mõõdetud väärtusega võrrelda). De Broglie' hüpotees: λ = h p (4) De Broglie' hüpotees prognoosib, et lainepikkus sõltub impulsist, mille elektronile anname. Kuid kui suure impulsi elektronid saavad? Teame, et impulsi saame arvutada valemi järgi Kuid mis on meie katses elektronide kiirus? p = mv (5) Elektronidele annab kiirenduse elektriväli. Pinge U läbimisel elektriväljas saab elektron energia E E = U. q kus q on elektroni laeng q=e. Nõnda saab elektron katses kiirenduse ja lõpliku kiiruse ning seega ka lõpliku kineetilise energia ½ mv 2. E = U. e = 1 2 mv2 Sellest järeldub, et 2.e.U v = m (6) Seostades selle elektroni impulsiga (5), saame järgmise võrrandi: De Broglie' lainepikkus on järelikult p = mv = 2. m. e. U (7) m: elektroni mass = 9,11. 10-31 kg e: elektroni laeng = 1,6022. 10-19 C λ = h p = h 2.m.e.U (8) Selle võrrandiga saame rakendatud pinge põhjal prognoosida elektroni lainepikkuse.

7 2. OSA: KATSE Kontrolli, kas elektroni prognoositud lainepikkus lähtuvalt de Broglie' hüpoteesist vastab difraktsioonimustrist mõõdetud väärtusele! 1. Elektroni lainepikkus mõõdetuna difraktsioonimustrist Katses mõõdetakse rõngaste diameetreid D 1 ja D 2 erinevate pingete U korral (vt joon. 4). Näiteks kui U= 2,0 kv; 2,5 kv jne. λ katses = d D 2L Grafiidilehe ja ekraani vaheline kaugus L = 133 mm. Vahemaad kristallvõres d 1 ja d 2 on d 1 = 2,13. 10-10 m ja d 2 = 1,23.10-10 m U kv D1 cm λ D1 D2 cm λ D2

8 2. Prognoositav elektroni lainepikkus de Broglie hüpoteesi põhjal Nüüd võrdleme difraktsioonimustrist mõõdetud elektronide lainepikkusi λ D1 ja λ D2 de Broglie valemi abil saadud lainepikkustega. m: elektroni mass, me= 9,11. 10-31 kg e: elektroni laeng, e= 1,6022. 10-19 C h: Plancki konstant, h = 6,63 10-34 J. s λ de Broglie prognoos: = h p = h 2. m. e. U U kv λ de Broglie λ D1 λ D2 Kas de Broglie' hüpotees elektronide lainelise loomuse kohta on katseliselt tõestatud? Kas difraktsioonimustrist mõõdetud lainepikkused on piisavas vastavuses teoreetilise prognoosiga? Jah/Ei