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Vorlesung Atomphysik II SS 2007
Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Tel: 069 798 47003
Webpage zur Vorlesung: http://rds1.atom.uni-frankfurt.de/web/lectures/vorlesung/doerner/
Inhalt
1. Atome als Quantenmechnische Teilchen 1.1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien,
Quantenradierer 1.2. Doppelspaltversuche mit Teilchen: 1.2.1. Elektronen 1.2.2. Atome, Moleküle 1.3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische
Emission 1.4. Beispiel H2 1.5. Quantenkryptographie 1.6. Lichtgitter 1.7. Atomspiegel 2. Wechselwirkung mit Atomen 2.1. Photon-Atom Wechselwirkung 2.1.1. Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2.1.2. Winkel- und Energieverteilungen 2.1.3. Doppelanregung, Interferenzeffekte 2.1.4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und
Winkelverteilungen 2.1.5. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse 2.2. Atome in starken Laserfeldern 2.2.1. Multiphotonenionisation 2.2.2. Tunnelionisation 2.2.3. Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische,
hochenergetische Elektronen, Doppelionisation 2.2.4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien 2.3. Ion-Atom Stöße 2.3.1. Elektronentransfer 2.3.2. Ionisation
Physical Review Letters:American Physical Society, weekly, all of physicshttp://prl.aps.org/
Physical Review A http://prl.aps.org/
Journal of Physics Bhttp://www.iop.org/EJ/journal/JPhysBInstitut of Physics (englisch)
1. Atome als Quantenmechanische Teilchen
1.1. Wiederholung:
Welle Teilchen DualismusDoppelspalt
Feynman Lectures:"We choose to examine a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way, and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality, it contains the only mystery."
Helligkeitschwankungen
http://www.quantum-physics.polytechnique.fr/en/index.html
Einzelphotonen-detektor
Reduziere Intensitätauf einzelne Photonen/sec
Verbindung Teilchen-Welle:
Ebene Welle: Elektrische Feldstärke cos(/2 t) Intensität E2
Photonen: Photonendichte = Intensität/ (c h )
Wahrscheinlichkeit für ein Photon zu finden
Quadrat der Amplitude
•Welle: Superposition zweier kohärenter Kugelwellen
•Teilchen: Jedes Photon auf dem Schirm hat einen Ort/Zeit (“Klick im Detektor”)
Lösung:Statistische Interpretation der Quantenmechanik:Quadrat der Wellenfunktion gibt die Wahrscheinlichkeit
1919-1921Professor in Frankfurt
“Again an idea of Einstein’s gave me the lead. He had tried to make the duality of particles -light quanta or photons - and waves comprehensible by interpreting the square of the optical wave amplitudes as probability density for the occurrence of photons.
This concept could at once be carried over to the -function:2 ought to represent the probability density for electrons (or other particles).”
Max Born, Nobel Lecture
Deutung des Doppelspaltes I:
Wo ist das Teilchen?
WellenfunktionKugelwellen
Darstellung einer Ebenen Welle im Ort
(x) = eikx =i sin(x) + cos(x)
Realteil
Imaginärteil-> |(x)|2 = const. = 1
Graphik aus: Bern Thaller Visual Quantum Mechanicshttp://www.kfunigraz.ac.at/imawww/vqm/index.html
Alternative Darstellung:Farbkodierung der komplexen Zahlen
|(x)|2 = const. = 1
03_01c.mov03_01b.mov03_01a.mov
Visual Quantum MechanicsBernd ThallerSpringer, New York 2000
Web Page:
http://www.kfunigraz.ac.at/imawww/vqm/index.html
Aufbau eines Wellenpaketes
(x) = eikx
d.h. die Phasengeschwindigkeit ist Energieabhängig -> Dispersion
03_02b.mov
Realteil Real und Imaginaer
Gauss Wellenpaket
03_03a.mov03_03b.mov
Ruhendes Teilchen Bewegung
Doppelspalt:
Gausssche WellenpaketGaussverteilung im Ort Impuls
Impuls px
Ort
x
x px ħ
Höhe: Wahrscheinlichkeit ein Teilchen dort zu finden
ORT: dargestellt
Impuls: nicht zu sehen
Doppelspalt:
Impuls px
Ort
x
x px ħ
ORT: dargestellt
Impuls: in der Wellenlänge
Amplitude:Farbsättigung
http://www.kfunigraz.ac.at/imawww/vqm/german/wellen3.html
QM-Doppelspalt-mit-phase.mov
Deutung des Doppelspaltes I:
Wo ist das Teilchen?
Anfang:Teilchen lokalisiert
Ende:DelokalisiertKeine Antwort auf “Which Way”
Intensität E2
Wahrscheinlichkeitsverteilung der Photonen
Fragen:•Wenn nur 1 Teilchen unterwegs ist, was interferiert da?•Zurückverfolgen der Photonen: durch welchen Schlitz?•Wie kommen die Photonen in den Schatten?•Impulserhaltung: wo kommt der Tranversalimpuls her?
Deutung des Doppelspaltes II:
Wenn man ein Photon in der Mitte registriertWo kam der Impuls her?
Kann man dann den Impuls des Spaltes messen um den Weg des Photons zu erschließens?
Lange Debatte zwischen Bohr und Einstein
Bahnen von Teilchen sind eine klassiche Vorstellung
Klassisch: Impuls und Ort jederzeit genau bestimmt
QM: Heisenbergsche Unschärferelation x px ħ