Luonnonfilosofian seura4.3.20141 Luonnonfilosofian seura The Finnish Society for Natural Philosophy 1988 – 2013 Kvantin luonteesta Tuomo Suntola Physics.

Esitys aiheesta: "Luonnonfilosofian seura4.3.20141 Luonnonfilosofian seura The Finnish Society for Natural Philosophy 1988 – 2013 Kvantin luonteesta Tuomo Suntola Physics."— Esityksen transkriptio:

1 Luonnonfilosofian seura4.3.20141 Luonnonfilosofian seura The Finnish Society for Natural Philosophy 1988 – 2013 Kvantin luonteesta Tuomo Suntola Physics Foundations Society

2 Robert Boyle (1627-1691) ”Ei voi olla vähempiä periaatteita kuin mekaanisen filosofian kaksi suurta, aine ja liike.” P ~ 1/V http://www2.math.umd.edu/~lvrmr//History/EarlyTheories.html 1600170018001900 Joseph Gay-Lussac (1778-1850) Amedeo Avogadro (1776–1856) John Dalton (1766–1844) Daniel Bernoulli (1700–1782) Antoine Lavoisier (1743–1794) Rudolf Clausius (1822–1888) Francis Bacon (1561–1626) ”Kerrassaan mitään ei voida tietää ” Isaac Newton (1643–1727) Michael Faraday (1791–1867) James Maxwell (1822–1888) Ludwig Boltzmann (1844-1906) René Descartes (1596–1650) ”Kausaalinen päättely” Kineettisen kaasuteorian tausta ja kehitys Gottfried Leibniz (1646–1716) ”Energiaa yhtä paljon syyssä ja seurauksessa”

3 1800185019001950 Jatkuvasta aineesta atomeihin ja kvantteihin 1896-1900 Wien’s and Rayleigh’s säteilylait 1905 Albert Einstein Valosähköisen ilmiön kvanttitulkinta 1834 Michael Faraday Varaus/mooli vakio elektrolyysissä 1805 John Dalton: Atomipainot 1870-90 Ludwig Bolzmann: Ekvipartitio- periaate 1865-73 James Maxwell Maxwellin yhtälöt Maxwellin jakautuma “from mole to atom” RT  kT 1901 J.J. Thomson elektronit atomin osana 1900 Max Planck’s Säteily- laki Säteilykvantti E = hf 1913 Niels Bohr Atomi-malli 1924 Louis de Broglie dB- aallon- pituus Max Born Werner Heisenberg Erwin Schrödinger Paul Dirac 1923 Arthur Compton Compton- aallonpituus 1811 Amedeo Avogadro: Molekyylien määrä moolissa. 1874 George Stoney 1-ioni kantaa yksikkövarauksen 1865 J. J. Loschmidt Avogadron vakion numeroarvo 1856 Wilhelm Weber Valon nopeus sähkövakioista 1887-1905 Heinrich Hertz, Philip Lenard, Valosähköinen ilmiö Satyendra Nath Bose 1926 Bose-Einstein jakautuma Daniel Bernoulli (1700–1782) Hydrodynamics Paine verrannollinen kaasumole- kyylien kineettiseen energiaan

4 Mustan kappaleen säteily LFS 25th Anniversary Symposium11.11.20134 Kaikki kappaleet lähettävät sähkömagneettista säteilyä aallonpituuksilla, jotka ovat tunnusomaisia kappaleen lämpötilalle. Kvantti-käsitteen varhainen muotoutuminen liittyi läheisesti mustan kappaleen säteilyn aallonpituusjakautumaan.

5 Atomeista ja ideaalikaasusta mustan kappaleen säteilyyn LFS 25th Anniversary Symposium11.11.20135 Lord Rayleigh (1900): Jokainen seisovan aallon jakso sisältää energian kT Wilhelm Wien (1896): Säteilyn taajuus suljetussa tilassa on verrannollinen seinämien emittoivien atomien kineettiseen energiaan, 10 11 10 12 10 13 10 14 10 15 10 16 f [Hz] 10  4 10  6 10  8 10  10 10  12 Tehotiheys [ W/Hz/m 2 ] Havaittu säteily Bose-Einstein jakautuma (1926) Max Planck (1901)

6 Kaksi lähestymistapaa mustan kappaleen säteilyyn LFS 25th Anniversary Symposium11.11.20136 Max Planck (1901) Max Planck: Säteily emittoituu aaltopaketteina, joiden energia on verrannollinen taajuuteen yhtälön E = hf mukaisesti - tiheysjakautumaa sovelletaan aaltopaketteihin  Kvantti on säteilyn ominaisuus Wilhelm Wien: Ekvipartitioperiaatetta sovelletaan emittoivien molekyylien energiajakautumaan  Maxwell-Boltzmann jakautuma  Säteilyspektri määräytyy emittereistä Lord Rayleigh: Ekvipartitioperiaatetta sovelletaan harmoonisten taajuuksien seisoviin aaltoihin mustan kappaleen (jokainen aalto sisältää keskimäärin energian kT )  Säteilyspektri on säteilyn ominaoisuus

7 Mikä on minimiannos säteilyä? LFS 25th Anniversary Symposium11.11.20137 B  r E E  z0z0 “Radioinsinööri voi tuskin ajatella pienempää annosta sähkömagneettista säteilyä kuin säteilyannos, jonka tuottaa yhden elektronin yksi värähdysjakso dipolissa.“ Wilhelm Wien, Nobel luento 1911, loppuyhteenveto: … Planckin teoriaa ei vielä ole saatettu täsmälliseen muotoon. Tieteessä, pelastava idea tulee usein täysin toisenlaisesta suunnasta, tutkimukset avian toisenlaisella alalla tuovat usein odottamatonta valoa ratkaisemattomien ongelmien pimeisiin kohtiin … Maxwellin yhtälöt: Dipolin säteilemä tehotiheys:

8 Mikä on minimiannos säteilyä? LFS 25th Anniversary Symposium11.11.20138 B  r E E  z0z0 “Radioinsinööri voi tuskin ajatella pienempää annosta sähkömagneettista säteilyä kuin säteilyannos, jonka tuottaa yhden elektronin yksi värähdysjakso dipolissa.“

9 Mikä on minimiannos säteilyä? B  r E E  Geometriatekijä Vakio per unit charge LFS 25th Anniversary Symposium11.11.20139 h Energy/cycle z0z0 “Radioinsinööri voi tuskin ajatella pienempää annosta sähkömagneettista säteilyä kuin säteilyannos, jonka tuottaa yhden elektronin yksi värähdysjakso dipolissa.“

10 Mikä on minimiannos säteilyä? B  r E E  “Radioinsinööri voi tuskin ajatella pienempää annosta sähkömagneettista säteilyä kuin säteilyannos, jonka tuottaa yhden elektronin yksi värähdysjakso dipolissa.“ LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201310 h Geometriatekijä Vakio Energia/jakso Yksi alkeis- varaus z0z0 Miten pistelähde voi toimia yhden aallonpituuden dipolina ? Pistelähde etenee yhden jakson aikana yhden aallonpituuden neljännessä ulottuvuudessa Dipoli 4. ulottuvuudessa on kohtisuorassa kaikkiin avaruussuuntiin nähden

11 Pelkistetty Planckin vakio LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201311 h Säteilyjakson aallonpituus- ekvivalentti “Pelkistetty” Planckin vakio Hienorakannevakio osoittautuu puhtaaksi numero- tai geometriatekijäksi ilman yhteyttä muihin luonnonvakioihin Massaobjektin aallonpituusekvivalentti = Compton-aallonpituus,

12 LFS 25-year Anniversary Seminar 11-12.11.2013 - Tuomo Suntola, The Essence of Quantum Massan aaltoluonne Sähkömagneettinen säteily Säteilyjakson massaekvivalentti Massaobjekti levossa Massaobjektin aallonpituus-ekvivalentti (=Compton-aallonpituus) Im Re Im Re Massa-objektin kuvaaminen resonaattorina

13 Kvantin olemus LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201313 Radioinsinöörin kvantti on johdettu Maxwellin yhtälöistä: kvantti on yhden alkeis- varauksen yhteen säteilyjaksoon emittoima energia. Radioinsinöörin kvantti on lokalisoitunut, jos se on emittoitu suuntaavasta lähteestä – ja ei-lokalisoitunut aaltorintama, kun se on emittoitu ei-suuntaavasta lähteestä. Radioinsinöörin kvanttia kuvaa “intrinsiikkinen Planckin vakio” h 0, joka aallonpituuden kanssa määrittelee säteilyjakson massaekvivalentin Max Planckin kvantti pääteltiin postuloituna suureena mustan kappaleen säteilystä. Max Planckin kvantti on lokalisoitunut ja säteilyn itseisominaisuus. Max Planckin kvanttia kuvaa “vaikutuskvantti” h Selittääkö antennitarkastelu mustan kappaleen säteilyn aallonpituusjakautuman?

14 Emissio mustan kappaleen pinnasta LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201314 Antennin säteilypinta-ala “potentiaalinen” emissiviteetti puoliavaruuteen Antenni- tiheys Yksikköenergia /antenni Aktivaatio- jakautuma Wien: Lähde on “pinta-alarajoittunut” Lähde on “aktivaation rajoittama” Rayleigh-Jeans: Kyllä, antennitarkastelu selittää mustan kappaleen säteilyn energia/aallonpituusspektrin - erittäin havainnollisella tavalla.

15 Kvantin vastaanotto LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201315 Antenni on aallonpituusselektiivinen ja edellyttää kynnysenergian ylitystä. Säteilykvantti absorboituu, jos säteilyn energia/jakso antennin sieppauspinnalla on hf tai suurempi.

16 Kvantti emissio/absorption –prosessin ominaisuutena LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201316 Kvantti emissio/absorption –prosessin ominaisuutena selittää - yhtä hyvin kuin lokalisoitunut kvantti - kokeet, kuten valosähköinen ilmiö ja Compton-sironta, Joita on käytetty todisteena lokalisoituneelle kvantille.

17 Kvantin olemuksesta, eräitä seurauksia LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201317 1. Kvantti säteilyn ominaisuutena 2. Kvantti emissio/absorption-prosessin ominaisuutena Planckin vakioh [ kg m 2 /s] on postuloitu vaikutuskvantti h 0 [kg m] säteilyjakson massaekvivalentin – se on johdettu Maxwellin yhtälöistä Aineen/säteilyn energia Säteilyn energia E=hf Aineen lepoenergia E=mc 2 Yhteinen, Massan olemus - Partikkelin ominaisuus - Energian ilmenemismuoto Energian ilmentämisen substanssi de Broglie -aalto Koska c on piilotekijänä h:ssa de Broglie -aalto lukittuu valon nopeuteen Kuljettaa liikemäärää objektin nopeudella (de Broglien intuitiivinen ajatus) Atomin elektronien energiatilatDiskreettejä kvanttitilojaJatkuvaluonteisia tiloja Avaruuden laajenemisen vaikutus Laajenevassa avaruudessa etenevä säteily menettää energiaansa (= yksi pimeän energian tarpeeseen vaikuttava tekijä) Säteilyjakso säilyttää energiansa; energiatiheys pienenee aallonpituuden kasvaessa.

18 Im Aineen kokonaisenergia Re Aineen lepoenergia Im Re Pelkistetty Planckin vakio ja energian yhtenäinen ilmasu LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201318 Säteilyn yksikköjakso Im Re Coulombin energia Im Re Kiihdytys Coulombin kentässä siirtää massan … neljännen ulottuvuuden dynaaminen tulkinta … Compton-aallonpituus

19 Im Re Liikemäärän ja energia käsittely kompleksisuureina LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201319 Aineen kokonaisenergia Im Re Coulombin energia Im Re “Relativistinen” massan kasvu ei ole seuraus nopeudesta vaan lisämassa, joka on tarvittu liikkeen aikaansaamiseen. Karakteristiset taajuudet: Liikkeessä oleva atomikello käy hitaammin ! Kiihdytys Coulombin kentässä siirtää massan

20 Liikemäärä ja energia kompleksisuureina LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201320 Pelkistetyn Planckin vakion käyttö sekä liikemäärän ja energian ilmaisu kompleksifunktioina ilmaisee suhteellisuuden seurauksena energiatilasta eikä muuntuneesta ajasta ja etäisyydestä …. Suhteellisuus kuvaa kokonaisenergian säilymistä avaruudesta …

21 Kvantin olemuksesta, eräitä seurauksia LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201321 1. Kvantti säteilyn ominaisuutena 2. Kvantti emissio/absorption-prosessin ominaisuutena Planckin vakioh [ kg m 2 /s] on postuloitu vaikutuskvantti h 0 [kg m] säteilyjakson massaekvivalentin – se on johdettu Maxwellin yhtälöistä Aineen/säteilyn energia Säteilyn energia E=hf Aineen lepoenergia E=mc 2 Yhteinen, Massan olemus - Partikkelin ominaisuus - Energian ilmenemismuoto Energian ilmentämisen substanssi de Broglie -aalto Koska c on piilotekijänä h:ssa de Broglie -aalto lukittuu valon nopeuteen Kuljettaa liikemäärää objektin nopeudella (de Broglien intuitiivinen ajatus) Atomin elektronien energiatilatDiskreettejä kvanttitilojaJatkuvaluonteisia tiloja Avaruuden laajenemisen vaikutus Laajenevassa avaruudessa etenevä säteily menettää energiaansa (= yksi pimeän energian tarpeeseen vaikuttava tekijä) Säteilyjakso säilyttää energiansa; energiatiheys pienenee aallonpituuden kasvaessa.

22 Compton-aallonpituudesta de Broglie-aallonpituuteen LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201322 Re Im Havainnon synnyttää objektin luovuttama kineettinen energia! Nettoaalto/liikemäärä havaitaan lepokehyksessä Compton “resonaattori” Etuaallon liikemäärä kasvaa Havainnot lepokehyksessä Taka-aallon liikemäärä pienenee Doppler-ilmiö:

23 Pelkistetty Planckin vakio ja energia ilmaiseminen LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201323 Kun valon nopeus irroittetaan Planckin vakiosta, voidaan de Broglie –liikemäärä ilmaista maassa-aaltona, joka liikkuu liikkuvan objektin nopeudella … “netto Doppler-aaltona”, joka syntyy liikkuvasta Compton-resonaattorista.

24 Kvantin olemuksesta, eräitä seurauksia LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201324 1. Kvantti säteilyn ominaisuutena 2. Kvantti emissio/absorption-prosessin ominaisuutena Planckin vakioh [ kg m 2 /s] on postuloitu vaikutuskvantti h 0 [kg m] säteilyjakson massaekvivalentin – se on johdettu Maxwellin yhtälöistä Aineen/säteilyn energia Säteilyn energia E=hf Aineen lepoenergia E=mc 2 Yhteinen, Massan olemus - Partikkelin ominaisuus - Energian ilmenemismuoto Energian ilmentämisen substanssi de Broglie -aalto Koska c on piilotekijänä h:ssa de Broglie -aalto lukittuu valon nopeuteen Kuljettaa liikemäärää objektin nopeudella (de Broglien intuitiivinen ajatus) Atomin elektronien energiatilatDiskreettejä kvanttitiloja Jatkuvaluonteisia tiloja (joiden minimikohta vastaa kvanttitilaa) Avaruuden laajenemisen vaikutus Laajenevassa avaruudessa etenevä säteily menettää energiaansa (= yksi pimeän energian tarpeeseen vaikuttava tekijä) Säteilyjakso säilyttää energiansa; energiatiheys pienenee aallonpituuden kasvaessa.

25 Elektronin resonanssitilat vetyatomissa LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201325 Re Im φ Radius at minimaEnergy at minima 0 2 4 6 8 10 12 14 16 024 6 8 1012 14 16 r/r 0 E Z,n [eV] 13.6 [eV] n=1 n=2 n=3 Vetyatomin pääkvanttilukuun liittyvät energiatilat ilmenevät jatkuvaluonteisten energiatilojen minimeinä - eivät diskreetteinä kvanttitiloina

26 LFS 25th Anniversary Symposium11.11.201326 Kiitos tarkkaivaisuudestanne! Luonnonfilosofian seura The Finnish Society for Natural Philosophy 1988 – 2013