Ενότητα 1: Γενικά - Εισαγωγή Όνομα Καθηγητή: Χριστόφορος Κροντηράς Τμήμα Φυσικής

 Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons.  Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

 Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.  Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού.  Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΦΥΣΙΚΗ Διδάσκων Καθηγητής: Χρ. Κροντηράς Niels Bohr (documentary, Nobel Prize)documentary Nobel Prize «Εκείνοι που δεν συγκλονίζονται από την κβαντική θεωρία, σίγουρα δεν την έχουν κατανοήσει» Πηγή: WikipediaWikipedia

5 Περιεχόμενα του μαθήματος

6 Περιεχόμενα (ύλη) του μαθήματος  Τι είναι Κλασική και τί Σύγχρονη Φυσική.  Προβλήματα που έκαναν αναγκαία την εισαγωγή της Κβαντικής Θεωρίας.  Περιγραφή της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος -Φωτόνια.  Φαινόμενα αλληλεπίδρασης ύλης-ακτινοβολίας Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, Φαινόμενο Compton, Δίδυμη Γένεση Εξαΰλωση Ατομικά φάσματα- το φάσμα του ατόμου του Υδρογόνου - Ατομικό πρότυπο του Bohr.

7  Κβαντικές ιδιότητες υλικών σωμάτων: Δυϊσμός σωματίου- κύματος, υλικά κύματα, Αρχή της Αβεβαιότητος.  Προέλευση και ερμηνεία των υλικών κυμάτων - Κυματική εξίσωση - Εξίσωση του Schrödinger - Κβαντικές καταστάσεις, κβαντικοί αριθμοί.  Διερεύνηση της εξίσωσης του Schrödinger : Φυσικοί και μαθηματικοί περιορισμοί των λύσεων (οριακές συνθήκες) - Εφαρμογές σε απλά μονοδιάστατα παραδείγματα.  Η εξίσωση Schrödinger σε δύο και τρεις διαστάσεις. Η γάτα…του Schrödinger Περιεχόμενα (ύλη) του μαθήματος Πηγή: WikipediaWikipedia

8 Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα

9 Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα Στο τέλος του μαθήματος ο φοιτητής:  Θα είναι εξοικειωμένος με εκείνα τα θεμελιώδη φυσικά φαινόμενα τα οποία αδυνατεί να εξηγήσει η κλασική φυσική. Αυτά είναι η ακτινοβολία μέλανος σώματος, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το φαινόμενο Compton, το φαινόμενο της δίδυμης γένεσης, η εξαΰλωση και τα ατομικά φάσματα εκπομπής και απορρόφησης.  Θα γνωρίζει τις περίφημες υποθέσεις του Planck όπου με βάση την υπόθεση του κβάντου ενέργειας, οδηγηθήκαμε στην κβαντική τους εξήγηση.  Θα γνωρίζει το πρόβλημα της ατομικής σταθερότητας και την απόλυτη αδυναμία της κλασικής φυσικής να το εξηγήσει.

10 Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα  Θα διατυπώνει με σαφήνεια τις υποθέσεις της θεωρίας Bohr.  Θα μπορεί να υπολογίζει τις ακτίνες των επιτρεπόμενων τροχιών των ηλεκτρονίων στο άτομο.  Θα μπορεί να υπολογίζει τις επιτρεπτές ενέργειες των ηλεκτρονίων.  Θα κατανοεί την έννοια της κβάντωσης των ακτίνων των τροχιών και της ενέργειας.  Θα κατανοεί την σταθερότητα των ατόμων σε κρούσεις.  Θα μπορεί να διατυπώνει την αρχή του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού.

11 Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα  Θα μπορεί να παράγει θεμελιώδη φυσικά συμπεράσματα όπως την κβάντωση της ενέργειας.  Θα γνωρίζει την εξίσωση Schrödinger σε μία διάσταση.  Θα κατανοεί τη στατιστική ερμηνεία της κυματοσυνάρτησης και τη σύνδεσή της με πιθανότητες.  Θα γνωρίζει τους βασικούς τελεστές και θα μπορεί να υπολογίζει μέσες τιμές φυσικών μεγεθών και τις αβεβαιότητές τους.  Θα μπορεί να περιγράψει τη συμπεριφορά ενός ελεύθερου κβαντικού σωματίου.

12 Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα  Θα μπορεί να λύνει την εξίσωση Schrödinger σε απλά προβλήματα όπως στη περίπτωση σωματίου σε απειρόβαθο φρέαρ δυναμικού.  Θα κατανοεί την ύπαρξη της ενέργειας μηδενικού σημείου.  Θα μπορεί να αντιμετωπίζει κβαντομηχανικά το πρόβλημα του αρμονικού ταλαντωτή.  Θα έχει κατανοήσει την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg καθώς και την αβεβαιότητα χρόνου-ενέργειας.  Θα γνωρίζει την έννοια του φαινομένου σήραγγας και θα μπορεί να το χρησιμοποιήσει για να ερμηνεύσει την ακτινοβολία α των πυρήνων καθώς και την πυρηνική σύντηξη στα άστρα.

13 Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα  Θα μπορεί να διατυπώνει την εξίσωση Schrödinger σε δύο και τρεις διαστάσεις.  Θα γνωρίζει την Λαπλασιανή.  Θα έχει κατανοήσει την έννοια του εκφυλισμού των ενεργειακών καταστάσεων καθώς και πως αυτός αίρεται.

14 Τι είναι Κλασική και τι Σύγχρονη Φυσική From back to front and from left to right : Auguste PiccardAuguste Piccard, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Édouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger, Jules-Émile Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph Howard Fowler, Léon Brillouin,Émile HenriotPaul EhrenfestÉdouard HerzenThéophile de DonderErwin SchrödingerJules-Émile VerschaffeltWolfgang PauliWerner HeisenbergRalph Howard FowlerLéon Brillouin Peter DebyePeter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Dirac, Arthur Compton, Louis de Broglie, Max Born, Niels Bohr,Martin KnudsenWilliam Lawrence BraggHendrik Anthony KramersPaul DiracArthur ComptonLouis de BroglieMax BornNiels Bohr Irving LangmuirIrving Langmuir, Max Planck, Marie Skłodowska Curie, Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, Charles-Eugène Guye, Charles Thomson Rees Wilson, Owen Willans RichardsonMax PlanckMarie Skłodowska CurieHendrik LorentzAlbert EinsteinPaul LangevinCharles-Eugène GuyeCharles Thomson Rees WilsonOwen Willans Richardson Solvay Physics Conference video Πηγή: WikipediaWikipedia

Στα τέλη του 19 ου αιώνα η Φυσική της εποχής αυτής εθεωρείτο πλήρως τεκμηριωμένη και ακλόνητη. Πρόκειται για την: 15 ΚΛΑΣΣΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ Στηρίζεται σε τέσσερις πυλώνες  Κλασική Μηχανική  Στατιστική Μηχανική  Θερμοδυναμική  Ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell Τι είναι Κλασική και τι Σύγχρονη Φυσική

Όμως στα τέλη του 19 ου αιώνα και στις αρχές του 20 ου διατυπώθηκαν δύο «ΕΠΑΝΑΣΤΑΣΕΙΣ» στη Φυσική που ανέτρεψαν τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε και περιγράφουμε τον φυσικό κόσμο: 16 ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΚΒΑΝΤΑ Τι είναι Κλασική και τι Σύγχρονη Φυσική

Οι αλλαγές που εισάγει η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας γίνονται αντιληπτές στις πολύ μεγάλες ταχύτητες αυτές που προσεγγίζουν την ταχύτητα διάδοσης του φωτός c= Km/s. 17 ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ Οι συνέπειες της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας γίνονται αντιληπτές στα πολύ μεγάλα βαρυτικά πεδία. Α. Einstein Τι είναι Κλασική και τι Σύγχρονη Φυσική Einstein explains the photoelectric effect (video) Πηγή: WikimediaWikimedia

Οι αλλαγές που εισάγει η Θεωρία των Κβάντα εστιάζονται σε σωμάτια πολύ μικρών διαστάσεων –Κβαντικά Σωμάτια- της τάξης των m και μικρότερα. 18 ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΚΒΑΝΤΑ Μax Planck Η Θεωρία των Κβάντα άλλαξε ριζικά τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε και περιγράφουμε την φύση. Τι είναι Κλασική και τι Σύγχρονη Φυσική Max Planck - αυτοπαρουσίαση στην ταινία Πορτρέτο (1942) Πηγή: WikimediaWikimedia

19 ΣΥΓΧΡΟΝΗΚΛΑΣΙΚΗ Ειδική Γενική Κβαντική Βαρύτητα Κβαντική θεωρία Πεδίων Κβαντομηχανική Παλαιά κβαντική Κβαντική Θεωρία Σχετικότητα Κλασική Μηχανική Στατιστική Μηχανική Θερμοδυναμική Ηλεκτρ/γνητική Θεωρία Τι είναι Κλασική και τι Σύγχρονη Φυσική

ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΜΕΛΑΝΟΣ ΣΩΜΑΤΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΜΕΛΑΝΟΣ ΣΩΜΑΤΟΣ ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ COMPTON ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ COMPTON ΔΙΔΥΜΗ ΓΕΝΕΣΗ ΔΙΔΥΜΗ ΓΕΝΕΣΗ ΕΞΑΫΛΩΣΗ ΕΞΑΫΛΩΣΗ ΑΤΟΜΙΚΑ ΦΑΣΜΑΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ-ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΑΤΟΜΙΚΑ ΦΑΣΜΑΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ-ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 20 Προβλήματα που έκαναν αναγκαία την εισαγωγή της κβαντικής θεωρίας

Ε ΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ Π ΡΟΣΟΧΗ Σ ΑΣ

Το υλικό της παρουσίασης προέρχεται από τις προσωπικές σημειώσεις και το υλικό παρουσιάσεων του μαθήματος όπως δημιουργήθηκαν από τον Καθηγητή κ. Χριστόφορο Κροντηρά. Οι εικόνες και οι φωτογραφίες των μεγάλων Φυσικών που δημιούργησαν την σύγχρονη θεώρηση της Φύσης, είναι διάσπαρτες σε όλο το δίκτυο και την βιβλιογραφία και αποτελούν κοινό κτήμα της ανθρωπότητας εκτός αν αναγράφεται διαφορετικά στις αντίστοιχες παραπομπές. Οι ιστότοποι προέλευσης όσων αναφέρονται ήταν ενεργοί κατά την 21η Ιουνίου 2015 οπότε και καταχωρήθηκαν οι παραπομπές.

Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Χριστόφορος Κροντηράς. «Σύγχρονη Φυσική. Ενότητα 1». Έκδοση: 1.0. Πάτρα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: /PHY1961/ /PHY1961/

24 Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση, Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφ’ όσον υπάρχει). Τέλος Ενότητας