Fachbereich SciTec Theoretische Physik WS 2015/2016 Prof. Dr. Bernd Ploss Peter Haupt Johannes Capraro 27. Januar 2016 Inhaltsverzeichnis 1 Mathematische Hilfsmittel aus der Vektoranalysis 1.1 Skalarfelder, Vektorfelder und deren Veranschaulichung . . . . . . . . 1.1.1 Skalarfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Vektorfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Integralbildung auf Feldern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Linienintegral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Zirkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 Flächenintegral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4 Volumenintegral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Verknüpfung von Feldern über Integralbildung . . . . . . . . . . . . . ~ r) . 1.3.1 Verküpfung eines Skalarfeldes Φ(~r) mit einem Vektorfeld A(~ ~ ~ 1.3.2 Verknüpfung zweier Vektorfelder A(~r) und B(~r) . . . . . . . . ~ r) . . . . . 1.3.3 Verknüpfung von Skalarfeld f (~r) mit Vektorfeld B(~ 1.4 Zylinder- und Kugelkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Zylinderkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Kugelkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Die Maxwell-Gleichungen im Vakuum für Ladungen und Ströme 3 Elektrostatik 3.1 Das elektrische Potential für vorgegebene Ladungsverteilungen 3.2 Beispiele zur Lösung der Laplace- und Poissongleichung . . . . 3.3 Die Dirac’sche Deltafunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ~ an Begrenzungen -etwas Potentialtheorie- . 3.4 Verhalten von Φ, E 3.5 Das Feld zweier Punktladungen, Multipole . . . . . . . . . . . . 3.6 Multipolentwicklung für eine beliebige Ladungsverteilung . . . 3.7 Feld einer Metallkugel in einem angelegtem homogenen Feld . . 3.8 Energie einer Ladungsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 6 6 6 7 7 7 8 8 9 9 9 10 11 11 12 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 16 17 19 20 23 26 27 28 4 Das von stationären Strömen erzeugte magnetische Feld 31 ~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.1 Vektorpotential (A) 4.2 Beispiele für das Vektorpotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 5 Zeitlich veränderliche elektromagnetische Felder 36 6 Quanten 39 6.1 Einordnung der Quantenmechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 6.2 Beispiele für Quanteneffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 7 Dualismus Welle-Teilchen 42 7.1 Doppelspalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 7.2 Spektralzerlegung und Fouriertransformation . . . . . . . . . . . . . . . 42 8 Materiewellen und Schrödingergleichung 8.1 Realisierung des Konzeptes der Materiewellen 8.2 Teilchen als Wellenpakete . . . . . . . . . . . 8.3 Heisenbergsche Unschärferelation . . . . . . . 8.4 Zustand, Größe, Wert einer Größe . . . . . . 8.5 Zeitunabhängige Schrödingergleichung . . . . 8.6 Stufenpotential . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 45 46 46 46 49 49 Einführung Grundbegriffe und Maxwell-Gleichungen Teilchen: Elektron, Positron magn. Moment µ ∓e 1, 00115966 µB me mn µB Neutron (n) 0 −1, 91315 Proton (n) e 2, 79278 me mp µB ±e 1, 00116 me mµ µB Müonen (µ± ) Pionen (π ± , π 0 ) µB = Ladung q ±e, 0 0 e} J = 9, 27403 · 10−24 2 me T Feldkonstanten: ε0 = 2 1 7A · 10 4πc2 N µ0 = 4π · 10−7 N A2 Coulomb-Gesetz: 1 q1 q2 F~12 = · 2 · ~e12 4 π ε0 r12 • in dieser Form Fernwirkungsgesetz • keine Aussage über zeitliche Abhängigkeiten (Verzögerung etc.) 4 • Federsystem als Beispiel für Nahwirkungsgesetz • zeitliche Abhängigkeit bei Dehnung bzw. Stauchung vorhanden ~ r1 , t) + ~v1 × B(~ ~ r1 , t)] F~1 (t) = q1 [E(~ ~ bzw. B ~ abhängig vom gewählten Bezugssystem • E Bewegungsgleichung: d m1 ~v1 q F~1 (~r1 , t) = dt v2 1 − c21 Überlagerungsprinzip: ~ r1 ) = E ~ 2 (~r1 ) + E ~ 3 (~r1 ) + . . . E(~ ~ r1 ) = B ~ 2 (~r1 ) + B ~ 3 (~r1 ) + . . . B(~ Maxwell-Gleichungen im Vakuum: 1 ρ(~r, t) ε0 ~ ~ = − ∂B rot E ∂t ~ = div E ~ =0 div B ~ ~ = ε0 µ0 ∂ E + µ0~j(~r, t) rot B ∂t 5 1 Mathematische Hilfsmittel aus der Vektoranalysis 1.1 Skalarfelder, Vektorfelder und deren Veranschaulichung 1.1.1 Skalarfelder • jeder Raumpunkt wird auf eine Zahl abΦ(x,y,z) gebildet R3 −−−−−−→ R • wenn Φ(x, y) = const →Linien • wenn Φ(x, y, z) = const →Flächen • beliebig viele zur Visualisierung möglich 1.1.2 Vektorfelder • jeder Raumpunkt wird auf einen Vektor abgebildet Φ(x,y,z) R3 −−−−−−→ R3 • Visualisierung durch Darstellung einzelner Vektoren bezogen auf ein Raumelement • τ könnte Zeit spezifizieren • c könnte Nummer“der ” Feldlinie angeben • beliebig viele Feldlinien im Raum denkbar und durch Feldliniengleichnung beschreibbar ~r = ~r(τ, c) τ1 ≤ τ ≤ τ2 ∂ ~ r(τ, c)) ~r(τ, c) = E(~ ∂τ ~ • Einschränkung: E 6= 0 6 • Dichte bzw. Anzahl der Feldlinien pro Volumenelement als Maß für Feldstärke • bei Darstellung senken- bzw. quellenfreier Felder Anfang bzw. Ende einer Feldlinie möglich (bedingt durch ganze Anzahlen der Feldlinien) 1.2 Integralbildung auf Feldern 1.2.1 Linienintegral ˆτ2 ˆ ~ r(τ )) · ~r˙ dτ E(~ ~ r) d~s = E(~ γ= L τ1 Bsp.: y ~ = Kurve L : −x Vektorfeld: E 2 2 x +y −z ˆ1 ˆ 1 y ~ −x · 2 dτ E(~r) d~s = 2 2 3 x + y − z 0 L 1 ~r = τ 2 3 ˆ1 (2τ − 2τ + 3τ 2 + 12τ 2 − 9τ ) dτ = 0 ˆ1 (15τ 2 − 9τ ) dτ = = 0 1 15 3 9 2 τ − τ = 0, 5 3 2 0 1.2.2 Zirkulation ˛ ~ r) d~s Γ = E(~ L • unabhängig von Anfangspunkt • abhängig vom Durchlaufsinn 7 0≤τ ≤1 1.2.3 Flächenintegral ˆv2 ˆu2 ¨ ~ r(u, v)) · E(~ ~ dA ~= E Φ= ∂~r ∂~r × ∂u ∂v dudv v1 u1 • von der Spitze des Vektors d~a aus gesehen wird die Randkurve im mathematisch positiven Sinn durchlaufen • bei geschlossener Fläche (Volumenbereich) Orientierung von d~a nach außen Bsp.: y 1 0 0 x≥0 ~ = x Vektorfeld: E Ebene E : 0 ; 1 ; 0 y ≥ 0 z 0 0 1 z≥0 1 −1 −1 1−s−t s E : ~r = 0 + s 1 + t 0 = 0 0 1 t 1 1−s 1 1−s ˆ ˆ ˆ ˆ 1−s−t 1 · 1 dsdt = s (1 − s − t + s + t) dsdt = 0, 5 t 1 0 0 0 0 1.2.4 Volumenintegral ˚ ˆx2 yˆ (x,y) 2 (x) z2ˆ Φ(~r) dV = Φ(~r(x, y, z)) dzdydx x1 ˆx2 = yˆ 2 (x) dx x1 z2ˆ(x,y) dy y1 (x) ˚ y1 (x) z1 (x,y) dz Φ(~r(x, y, z)) z1 (x,y) ˚ Φ(~r) dV = ∂x ∂(x, y, z) ∂u ∂x ∂(u, v, w) = ∂v ∂x ∂w ∂~r ∂~r ∂~r · × dudvdw Φ(~r(u, v, w)) ∂u ∂v ∂w | {z } ∂(x,y,z) | ∂(u,v,w) | ∂y ∂z Funktional- bzw. ∂u ∂u ∂y ∂z Jacobi-Determinante, ∂v ∂v ∂y ∂z kartesischer Fall ∂w ∂w 8 1.3 Verknüpfung von Feldern über Integralbildung ~ r) 1.3.1 Verküpfung eines Skalarfeldes Φ(~r) mit einem Vektorfeld A(~ ~ r) = grad Φ(~r) A(~ Für jeden Weg L von ~r1 nach ~r2 gilt: ˆ ~ r) d~s Φ(~r2 ) − Φ(~r1 ) = A(~ Bedingung: L Φx ~ r) = grad Φ(~r) = Φy = ∇Φ ~ A(~ Φz Eigenschaften: ~ eindeutig • Φ bestimmt A ~ bestimmt • umgekehrt ist Φ bis auf Konstante durch A • notwendige und hinreichende Bedingung: ˛ ~ r) d~s A(~ für jede geschlossene Kurve L = 0 L ~ r) enthält keine geschlossenen Feldlinien • A(~ ~ r) und B(~ ~ r) 1.3.2 Verknüpfung zweier Vektorfelder A(~ ~ r) = rot A(~ ~ r) B(~ Bedingung: ~ r) = curl A(~ ~ r) engl.: B(~ Für alle Flächen F, die von geschlossener Kurve L berandet werden gilt: ¨ ˛ ~ r) d~s = A(~ L ~ r) dF~ B(~ Stokescher Satz F (L) P (~r) Ry − Qz ~ r) = rot A ~=∇ ~ × Q(~r) = Pz − Rx B(~ R(~r) Qx − Py Eigenschaften: 9 ~ bestimmt B ~ eindeutig, umgekehrt nicht • A ~ = grad Φ → B ~ = rot A ~ = rot grad Φ = 0 • falls A ! ~ r) dF~ = 0 • B(~ ~ r) 1.3.3 Verknüpfung von Skalarfeld f (~r) mit Vektorfeld B(~ ~ r) f (~r) = div B(~ Bedingung: Für jedes Volumen V gilt: " ˚ ~ ~ B(~r) dA = f (~r) dV F V(F ) P (~r) ~ r) = ∇ ~ · Q(~r) = (Px + Qy + Rz ) f (~r) = div B(~ R(~r) Eigenschaften: ~ bestimmt f eindeutig • B ~ als Rotation darstellbar B ~ = rot A ~ • falls B ~ = div rot A ~=0 ,→ f = div B Voraussetzung: keine Singularitäten a) Punktladung eines Coulombfeldes bei ~r = ~0 ~ r) ∼ 1 ~er E(~ r2 ~ = 0 für ~r 6= ~0 div E geschlossene Kugelfläche um ~r = ~0 mit Radius R " " ~ dF~ = E 1 ~ 1 dF = 2 4πR2 = 4π R2 R " " ~ dF~ − E F (RA ) ~ dF~ = 0 E F (RI ) 10 b) Potentialwirbel ~v = ω ~ × ~r Γ0 mit ω ~ (ρ) = ~ez 2πρ2 wobei ρ = p x2 + y 2 x ~r = y z −y Γ0 Γ0 x = ~eϕ ~v = 2 2πρ 2πρ 0 ˛ ˛ Γ0 ~v d~s = dϕ = Γ0 (unabhängig vom Radius R des Weges) 2π ~v (~r) hat geschlossene Feldlinien ~ ,→ ~v (~r) = rot A ~ = − Γ0 ln A 2π ρ ρ0 ~ez für ρ > 0: ~v (~r) besitzt Potential 1.4 Zylinder- und Kugelkoordinaten 1.4.1 Zylinderkoordinaten ρ ~r = ϕ z kartesisch → zylindrisch zylindrisch → kartesisch p 2 x + y 2 ρ y ϕ = arctan x z z x ρ cos ϕ y = ρ sin ϕ z z ∂~r = cos ϕ ~ex + sin ϕ ~ey ∂ρ 1 ∂~r ~eϕ = = − sin ϕ ~ex + cos ϕ ~ey ρ ∂ϕ ~ez = ~ez ~eρ = 11 d~s = dρ ~eρ + ρ dϕ ~eϕ + dz ~ez ∂(x, y, z) ∂(ρ, ϕ, z) = ρ → dV = ρ dρdϕdz ∂ 1 ∂ ∂ + ~eϕ + ~ez ∂ρ ρ ∂ϕ ∂z 1 ∂f ∂f ∂f ~eρ + ~eϕ + ~ez grad f = ∇f = ∂ρ ρ ∂ϕ ∂z ~ =∇·B ~ = 1 ∂ (ρBρ ) + 1 ∂Bϕ + ∂Bz div B ρ ∂ρ ρ ∂ϕ ∂z ~ =∇×B ~ = 1 ∂Bz − ∂Bϕ ~eρ + ∂Bρ − ∂Bz ~eϕ + 1 ∂ (ρBϕ ) − ∂Bρ ~ez rot B ρ ∂ϕ ∂z ∂z ∂ρ ρ ∂ρ ∂ϕ 2 2 ∂ 1 ∂ ∂ 1 ∂ + 2 ∆ = ∇2 = ρ + 2 ρ ∂ρ ∂ρ ρ ∂ϕ2 ∂z 1 ∂ ∂f 1 ∂2f ∂2f ∆f = + ρ + 2 ρ ∂ρ ∂ρ ρ ∂ϕ2 ∂z 2 ∇ = ~eρ 1.4.2 Kugelkoordinaten r ~r = ϑ ϕ kartesisch → kugelig kugelig → kartesisch p x2 + y 2 + z 2 ! r z ϑ = arccos p 2 + y2 + z2 x ϕ y arctan x x r sin ϑ cos ϕ y = r sin ϑ sin ϕ z r cos ϑ 12 ∂~r = sin ϑ cos ϕ ~ex + sin ϑ sin ϕ ~ey + cos ϑ ~ez ∂r 1 ∂~r = cos ϑ cos ϕ ~ex + cos ϑ sin ϕ ~ey − sin ϑ ~ez ~eϑ = r ∂ϑ 1 ∂~r ~eϕ = = − sin ϕ ~ex + cos ϕ ~ey r sin ϑ ∂ϕ ~er = d~s = dr ~er + r dϑ ~eϑ + r sin ϑ dϕ ~eϕ ∂(x, y, z) 2 2 ∂(r, ϑ, ϕ) = r sin ϑ → dV = r sin ϑ drdϑdϕ ∂ 1 ∂ 1 ∂ + ~eϑ + ~eϕ ∂r r ∂ϑ r sin θ ∂ϕ ∂f 1 ∂f 1 ∂f grad f = ∇f = ~er + ~eϑ + ~eϕ ∂r r ∂ϑ r sin θ ∂ϕ ∂ 1 ∂ ~ =∇·B ~ = 1 ∂ (r2 Br ) + 1 div B (sin ϑBϑ ) + Bϕ 2 r ∂r r sin ϑ ∂ϑ r sin θ ∂ϕ ~ =∇×B ~ rot B ∂Bϑ ∂ 1 ∂ ∂Br ∂ 1 1 ∂Br 1 (Bϕ sin ϑ) − − (rBϕ ) ~eϑ + (rBϑ ) − ~er + ~eϕ = r sin ϑ ∂ϑ ∂ϕ r sin ϑ ∂ϕ ∂r r ∂r ∂ϑ ∂ ∂2 1 ∂ ∂ 1 ∂ 1 ∆ = ∇2 = 2 r2 + 2 sin ϑ + 2 2 r ∂r ∂r r sin ϑ ∂ϑ ∂ϑ r sin ϑ ∂ϕ2 2 2 ∂ 2 ∂ 1 ∂ 1 cos ϑ ∂ 1 ∂2 = 2+ + 2 2+ 2 + 2 2 ∂r r ∂r r ∂ϑ r sin ϑ ∂ϑ r sin ϑ ∂ϕ2 ∂ 1 ∂ 1 ∂f 1 ∂2f 2 ∂f ∆f = 2 r + 2 sin ϑ + 2 2 r ∂r ∂r r sin ϑ ∂ϑ ∂ϑ r sin ϑ ∂ϕ2 ∇ = ~er 13 2 Die Maxwell-Gleichungen im Vakuum für Ladungen und Ströme a) Gaußsches Gesetz " ˚ ~ dF~ = 1 E ρ(~r, t) dV ε0 F V m ~ = 1 ρ(~r, t) div E ε0 b) Induktionsgesetz ˛ ¨ d ~ ~ dF~ E d~s = − B dt L F m ~ ~ = − ∂B rot E ∂t c) Ampere’sches Gesetz ¨ ¨ ˛ d ~ ~ ~ ~j dF~ E dF + µ0 B d~s = ε0 µ0 dt F F L m ~ ~ = ε0 µ0 ∂ E + µ0~j rot B ∂t d) " ~ dF~ = 0 B F m ~ =0 div B 14 jetzt div auf (c): ~ = µ0 div ~j + ε0 µ0 ∂ div E ~ div rot B | {z } ∂t | {z } ρ 0 (a) 0 ∂ div ~j + ρ = 0 ∂t ˚ ↓ dQ d = dt dt dV ˚ ˚ V " ~j dF~ div ~j dV = − ρ dV = − V F ,→ Gesetz der Ladungserhaltung somit in Maxwell-Gleichungen enthalten 15 3 Elektrostatik 3.1 Das elektrische Potential für vorgegebene Ladungsverteilungen d ρ ~ = ~0 dt ~j = ~0 ~ = ~0 B Voraussetzung: ~ = ρ div E ε0 → ~ = ~0 rot E ~ als Gradient eines Potentials darstellbar: E ~ = −grad Φ ,→ E ~ = −div grad Φ = ρ Poisson-Gleichung: div E ε0 ⇔ ∆Φ = − • Punktladung q bei ~r = ~0 Φ= 1 q 4πε0 r ~ = E 1 q ~er 4πε0 r2 • Punktladungsverteilung Φ= N 1 X qn 4πε0 n=1 |~r − ~rn | ~ = E N 1 X qn ~r − ~rn 4πε0 n=1 |~r − ~rn |2 |~r − ~rn | • kontinuierliche Ladungsverteilung ˚ 1 ρ(~r0 ) Φ= dV 0 4πε0 |~r − ~r0 | V • Flächenladungsverteilung ¨ 1 σ(~r0 ) Φ= |dF 0 | 4πε0 |~r − ~r0 | F • Linienladungsverteilung ˆ 1 λ(~r0 ) Φ= |ds0 | 4πε0 |~r − ~r0 | L 16 ρ ε0 3.2 Beispiele zur Lösung der Laplace- und Poissongleichung a) homogen geladene Platte in x-z-Ebene Φ(x, y, z) = Φ(y) σ = const für y 6= 0 : → ∆Φ = Φyy = 0 Φ = ay + b y>0: Φ+ = ay + b y<0: Φ− = ay + b spiegelsymmetrisches Problem → a = −a b = b ~ E(y) = −a sgn y ~ey betrachten Flächenstück auf Platte, da σ = const kann dF → ∆F ; jetzt Anwendung des Gaußschen Gesetzes: " ~ dF~ = −a∆F − a∆F = −2a∆F E 1 ε0 F ˚ ρ dV = 1 σ∆F ε0 V σ 2ε0 b unbestimmt ,→ a = − Bsp. Plattenkondensator σ für zwei Platten mit +σ bzw. −σ ε0 Felder überlagern (Superpositionsprinzip) E = b) homogen geladene Kugel mit Radius R Gesamtladung: 4 Q = ρ πR3 3 Potential: Φ(~r) = Φ(| ~r |) 1 ∂ ∆Φ(r) = 2 r ∂r 17 r 2 ∂Φ ∂r = ρ − ε ,r ≤ R ,r > R 0 0 r ≤ R: 1 ∂ ρ 2 ∂Φ r =− 2 r ∂r ∂r ε0 ´ 3 dr ρ r ∂Φ =− + C1 −−−→ r2 ∂r ε0 3 ´ dr ρ 2 C1 + C2 −−−→ Φ = − r − 6ε0 r → → ∂ ρ 2 ∂Φ r = − r2 ∂r ∂r ε0 ∂Φ ρ r 1 =− + C1 2 ∂r ε0 3 r r > R: → ´ 1 ∂ 2 ∂Φ r =0 r2 ∂r ∂r ∂Φ D1 = 2 ∂r r ∂Φ = D1 ∂r ´ dr D1 −−−→ Φ = − + D2 r dr −−−→ r2 Konstantenbestimmung: wählen Φ = 0 für r → ∞ → Φ = D2 = 0 für r = 0 muß Φ endlich sein, da keine Punktladung ! → C1 = 0 3 1 r 2 − 2 2 R für r = R muß Φ stetig sein → − ρ 2 D1 R + C2 = − 6ε0 R ~ stetig sein für r = R muß E → → ρ D1 R=− 2 3ε0 R 1 ρ 2 C2 = R 2 ε0 → D1 = −ρ 3 −Q R = 3ε0 4πε0 r ≤ R: Φ=− 1 ρ ρ 2 1 ρ 2 r + R = 6ε0 2 ε0 2 ε0 − r > R: Φ= Q 4πε0 r 18 r2 + R2 3 = 1 Q 4πε0 R 3.3 Die Dirac’sche Deltafunktion betrachten Punktladung q bei ~r = ~0 → ρ(~r) = q δ(~r) 6 0 ˚ 0 ,| r |= δ(~r) = δ(~r) dV = 1 ∞ ,| r | = 0 R3 δ(~r) = δ(x) δ(y) δ(z) formal 1 r ∆ bei r = 0 differenzierbar 1 = −4πδ(~r) r betrachten ˚ V " 1 r bei Radius R ˚ 1 1 ∆ dV = div grad dV = r r V 1 1 grad dF = − 2 4πR2 = −4π r R F jetzt bei Radius → 0 ˚ ˚ ˚ 1 ∆ dV = −4πδ(~r) dV = −4π δ(~r) dV r V V V | {z } 1 Eigenschaften der Deltafunktion: 19 a) δik = 1 fi = , für i = k 0 , sonst ∞ X δik fk k=−∞ ˆ∞ ˆ∞ 0 0 0 δ(x − x0 )f (x) dx δ(x − x )f (x ) dx = f (x) = −∞ −∞ b) δ(~r) = δ(x) δ(y) δ(z) c) ˆ∞ 0 f (y)δ 0 (x − y) dy = f 0 (x) δ (x) : −∞ ~ an Begrenzungen -etwas Potentialtheorie3.4 Verhalten von Φ, E 1 Φ(~r) = 4πε0 ˚ ρ(~r0 ) dV 0 | ~r − ~r0 | V Problem: oft ρ nicht vorgegeben, sondern z.B: • Φ auf Begrenzungen ~ • Normalkomponente von E Bsp. Kondensator, im Inneren ladungsfrei Potentialtheorie: Durch Vorgabe von Φ oder der Normalableitung von Φ auf der Oberfläche eines Volumens, ist Φ im gesamten Volumen eindeutig definiert. Wenn Ladung im Volumen vorhanden ist, dann ist das Gesamtpotential gleich der Summe der Einzelpotentiale: ˚ 1 ρ(~r0 ) Φ =Φ̃ + dV 0 | ~r − ~r0 | ↑ 4πε0 V ∆Φ = 0 20 ~ oder Φ: Einfluß von Begrenzungen auf E ~ 2n − E ~ 1n = σ E ε0 a) Beweis: " ~ dF~ = 1 E ε0 ˚ ρ dV = Q ε0 V F ~ 2n ∆F~ − E ~ 1n ∆F~ = σ ∆F~ E ε0 ↑ nur Normalkomponente, da ~ 2t · ∆F~ = 0 E ~ im Inneren von Metall: b) E ~ = ~0 E ,→ Oberfläche eines Metalls ist Äquipotentialfläche Beweis: ~ ~j = σ · E ↑ elektr. Leitfähigkeit ~ t im Inneren ~0 → E ~ t außen auch ~0 ,→ E ,→ Feldlinien treffen senkrecht auf Metalloberfläche c) Ladungen sitzen auf der Oberfläche eines Metalls ρ ~ div | {zE} = ε0 ~ ~ 0 für E= 0 d) hohler Metallkörper, im Inneren ladungsfrei: ~ = ~0 im Inneren E 21 Beweis: ˛ ˛ ~ d~s = 0 E 1 2 ~ d~s = 0 E ↓ da keine Potentialdifferenz auf Oberfläche Feldfrei Potentialtheorie: ∆Φ = 0 ? −−−−→ Φ(~r) a) Methode der Spiegelladung Metallplatte darf eingelegt werden, ohne dass sich das Feld ändert Trick −−−→ rotationssym. um z-Achse b) Versuch durch Superposition von Lösungen Φn (~r) X Φ= cn Φn (~r) : ∆Φ = 0 n Bsp. Ladung in Metallkugel ∆Φ = 0 C +D r Q2 = 4πR2 2 σ2 Φ= Q1 = 4πR1 2 σ1 0 < r ≤ R1 : Q C1 + D1 C1 = r 4πε0 Q 1 1 Φ1 = − + Φ0 4πε0 r R1 Φ1 (R1) = Φ0 = Φ1 = ~1 = E 22 Q 1 ~er 4πε0 r2 C1 + D1 R1 R1 < r < R2 : Φ2 = Φ0 r ≥ R2 : Φ3 = C3 + D3 r Φ3 = (Φ0 − D3 ) ! C3 = R2 (Φ0 − D3 ) Φ3 (R2 ) = Φ0 R2 + D3 r E3 = (Φ0 − D3 ) R2 ~er r2 Q2 = 4πε0 R2 Φ0 Metallkugel geerdet: Φ0 = 0 Q2 = 0 Φ3 = 0 für r > R2 E3 = 0 Metallkugel isoliert: Q1 + Q2 = 0 Q Φ0 = 4πε0 R2 Q2 = −Q1 = Q Q Φ3 = 4πε0 r 3.5 Das Feld zweier Punktladungen, Multipole q1 = ±q2 p r = x2 + y 2 + z 2 1 q1 q2 Φ= + 4πε0 r1 r2 p p x2 + y 2 + (z − d)2 = r2 + d2 − 2zd p p r2 = x2 + y 2 + (z + d)2 = r2 + d2 + 2zd r1 = jetzt Φ für r d: r r1,2 = p r2 + d2 ∓ 2zd = r 1+ d2 d ∓ 2 cos ϑ r2 r ..................... | {z } 1 23 r→∞ D3 = 0 betrachten: √ 1 1 3 15 = 1 − x + x2 − x3 . . . 2 8 48 1+x setzen: ξ = cos ϑ d r η= r 1 =p r1 1 ................. − 2ξη + η 2 | {z } x 3 2 15 3 1 =1− −2ξη + η 2 + −2ξη + η 2 − −2ξη + η 2 . . . 2 8 48 ∞ X 1 3 2 2 n = η Pn (ξ) = |{z} 1 + ξ η + − + ξ η + ... |{z} 2 2 n=0 P0 {z } | P1 P2 P0 = 1 P1 = ξ P2 = 3 2 1 ξ − 2 2 P3 = 5 3 3 ξ − ξ 2 2 Pn - Legendre - Polynome Eigenschaften: Pn (1) = 1 Pn (ξ) = 1 2n n! n dn ξ2 − 1 n dξ Pn (−ξ) = (−1)n P (ξ) betrachten q1 = q; q2 = ±q: Φ= n ∞ n −d 1 q X d Pn ± Pn 4πε0 r n=0 r r jetzt q2 = −q: Φ= ∞ 2n−1 1 2q X d P2n−1 4πε0 r n=1 r jetzt q2 = +q: ∞ 2n 1 2q X d Φ= P2n 4πε0 r n=0 r 24 allgemein: 1 Qn Pn 4πε0 rn+1 ∞ X Φ= Φn Φ= - Potential eines Multipols - gesamtes Potential n=0 1 4πε0 1 Φ1 = 4πε0 1 Φ2 = 4πε0 Q0 r Q1 cos ϑ r2 Q2 3 1 2 cos ϑ − r3 2 2 Φ0 = - Monopol - Dipol - Quadrupol Φ3 = ... - Oktopol Φn = ... - 2n − pol Dipolanordnung: (∗) (∗) z.B. CO2 Oktopolanordnung: Quadrupolanordnungen: 1 Φ= 4πε0 Q1 = 2qd = p~ 2qd2 2qd3 P + P3 + . . . 2 r3 r5 25 3.6 Multipolentwicklung für eine beliebige Ladungsverteilung Φ= 1 4πε0 ˚ ρ(~r0 ) dV 0 | ~r − ~r0 | V p p ~r2 + ~r02 − 2 ~r ~r0 = r2 + r02 − 2 ~r ~r0 s 0 0 2 ~r ~r r −2 =r 1+ r r r ( " ) 0 # 2 1 1 3 1 r0 ~r ~r 2 1− + [. . .] . . . = −2 | ~r − ~r0 | r 2 r r r 8 | ~r − ~r0 | = 1 = r ( " # ) 2 ~r0 1 r0 3 (~er · ~r0 )2 1 + ~er + − ... + r 2 r 2 r2 ˚ ˚ ˚ 1 1 1 1 2 ρ(~r0 )dV 0 + 2 ρ(~r0 )(~er · ~r0 )dV 0 + 3 ρ(~r0 ) 3(~er · ~r0 )2 − r02 dV 0 . . . Φ= 4πε0 r r 2r V V |V {z } Q0 =Q(0) Φ= 3 P Q0 1 + 4πε0 r i=1 (1) xi Qi r3 + 3 1 2 r5 3 X (2) Qik xi xk + . . . i=1 k=1 wenn: x1 ~r = x2 x3 dann: und 0 x1 ~r0 = x02 x03 ˚ (1) Qi ρ(~r0 )x0i dV 0 = V ˚ (2) Qik = 1 02 2 2 x1 + x02 + x03 δik dV 0 ρ(~r0 ) x0i x0k − 3 V Eigenschaften des Quadrupolmomentes: 26 • Tensor 2. Stufe (2) (2) • symmetrisch Qik = Qki • Spur Q(2) = 0 • Q(2) hat 5 unabhängige Elemente Für jeden Tensor 2. Stufe existiert ein besonders angepasstes Koordinatensystem. Eines in den der Tensor nur noch Diagonalelemente enthält. Dieses kann durch entsprechende Rotationen (3 Freiheitsgrade) erzeugt werden: 000 x x y → y 000 z z 000 ,→ Q11 Q12 Q13 Q12 Q22 Q23 Q13 Q23 0 − Q11 − Q22 → Q11 0 0 0 Q22 0 0 0 0 − Q11 − Q22 3.7 Feld einer Metallkugel in einem angelegtem homogenen Feld Ohne Metallkugel: ~ r) = E0~ez E(~ Φ(~r) = −E0 z Kugel mit Radius R0 und Mittelpunkt ~r = ~0 • Kugelpotential wird sich einstellen Φ(r ≤ R0 ) = 0 • E-Feld wird verbogen, Feldlinien treffen senkrecht auf Kugel • Kugel ungeladen Q = 0 • Monopolmoment nicht vorhanden 27 Wählen Dipolansatz, da Ladungsschwerpunkte auf Kugeloberfläche verschoben werden: 0 1 p~ · ~r 0 p ~ = Φ1 = 4πε0 r3 pz pz z 1 p~ · ~r = −E0 z + Φ = −E0 z + 4πε0 r3 4πε0 r3 pz 1 KK −−→ Φ = −E0 r cos ϑ + cos ϑ 4πε0 r2 pz 1 = −E0 r + cos ϑ 4πε0 r2 Randbedingung Φ = 0 für r = R0 pz 1 ! Φ(R0 ) = −E0 R0 + cos ϑ = 0 4πε0 R0 2 | {z } ! ,→ pz = 4πε0 E0 R0 =0 3 Erzeugung eines präzisen Dipolfeldes, da Randbedingung exakt erfüllt 3.8 Energie einer Ladungsverteilung ˆ F~ d~r W = q1 bei ~r1 = ~0 dann q2 nach ~r2 L ˆ ~ 1 (~r0 ) d~r0 q2 E 2 2 W = L L : ∞ → ~r2 ˆ W =− L q2 grad Φ1 (~r20 ) d~r20 = −q2 [Φ1 (∞) − Φ1 (~r2 )] = q2 Φ1 (~r2 ) ↑ Φ1 (∞) = 0 28 Ladung von ∞ nach erforderliche Arbeit 1 ~r1 2 ~r2 3 ~r3 .. . .. . 1 q1 q2 4πε0 | ~r1 − ~r2 | 1 q1 q2 W3 = q3 + q3 4πε0 | ~r1 − ~r3 | | ~r2 − ~r3 | .. . N ~rN WN = 0 W2 = −1 1 NP qn qN 4πε0 n=1 | ~rn − ~rN | gesamte Arbeit: W = N X Wm = m=1 N m−1 X X m=1 n=1 qm qn 1 4πε0 | ~rm − ~rn | N N 1 X X 1 qm qn W = 2 m=1 n=1 4πε0 | ~rm − ~rn | m6=n Potential von Punktladungen, die momentan betrachtete aber ausgenommen: Φ̃(~rm ) = N X n=1 m6=n 1 qn 4πε0 | ~rm − ~rn | → W = jetzt kontinuierliche Ladungsverteilung: ˚ 1 ρ(~r0 ) Φ̃(~rm ) = dV 0 = Φ(~r) 4πε0 | ~r − ~r0 | N X 1 qm Φ̃(~rm ) 2 m=1 1 W = 2 ˚ (~ r 6=~ r0 ) 1 W = − ε0 2 ~ = −ε0 ∆Φ(~r) ρ(~r) = ε0 div E 2 ~ ~ − E Φ(~r) ∆Φ(~r) = div (Φgrad Φ) − (grad Φ)2 = −div (ΦE) ˚ ˚ 2 ε0 ~ ~ dV + ε0 ,→ W = div (ΦE) E dV 2 2 betrachten Kugel mit Radius R: ˚ " ~ ~ dF~ div (ΦE) dV = ΦE VK FK 29 Φ(~r) ρ(~r) dV ˚ Φ(~r) ∆Φ(~r) dV wenn R Ausdehnung der Ladungsverteilung: Φ∼ ,→ W = ε0 2 2 1 ~ E ∼ 2 r 1 r ˚ 2 ~ E dV Gesamtenergie R3 w= ,→ ε0 ~ 2 E 2 ˚ lokale Energiedichte w dV ≥ 0 W = R3 30 4 Das von stationären Strömen erzeugte magnetische Feld ~ 4.1 Vektorpotential (A) • " ~ = 0; div B ~ F~ = 0 Bd ~ ~ = µ0~j + µ0 0 ∂ E ; rot B ∂t ~ ∂E statisch: =0 ∂t ¨ ˛ ~ r = µ0 ~jdF~ = µ0 I Bd~ ~ = µ0~j; ⇒ rot B • I=Strom • j=Stromdichte • Einfache Fälle: ˛ ˆ ~ Bd~r = Bt (~r) |d~r| = µ0 I L L – Wahl von L so, dass Integrant konstant – t=Tangentialkomponente • Beispiel: unendlich langer, dünner, stromdurchflossener Draht B(~r) = B(ρ, ϕ) = Bρ e~ϕ ˛ ~ r = Bϕ 2πρ = µ0 I Bd~ B(ρ, ϕ) = µ0 I e~ϕ 2πρ ~ = 0; B ~ = rot A ~ A) div B ~ = µ0~j; rot rot A ~ = µ0~j B) rot B ~ = grad (div A) ~ − ∆A ~ rot rot A rot grad Φ = 0; (Φ = beliebiges Skalarfeld) ~ 0 := A ~ + grad Φ A ~ 0 = rot A ~ rot A 31 • Coulombeichung: div grad Φ = ∆Φ = 0 ~ = −rot rot A ~ = −µ0~j ⇒ ∆A ∆Ax = −µ0 jx ; (∆Φ = − 1 (Φ(~r) = 4π0 ∆Ay = −µ0 jy ; ˚ ρ ) 0 ρ(~r0 ) dV 0 ) |~r − ~r0 | ∆Az = −µ0 jz ˚ µ0 jx (~r0 ) Ax (~r) = dV 0 (analog zu x und y) 4π |~r − ~r0 | ˚ j(~r0 ) ~ r) = µ0 dV 0 A(~ 4π |~r − ~r0 | • Bei langen Drähten: ˆ Id~r0 ~ r) = µ0 A(~ 4π |~r − ~r0 | L ˚ µ0 j(~r0 ) 0 ~ ~ B = rot A = rot )dV 4π |~r − ~r0 | • x-Komponente: rot j(~r0 ) |~r − ~r0 | jz (~r0 ) ∂ jy (~r0 ) − |~r − ~r0 | ∂z |~r − ~r0 | x ∂ 1 1 0 ∂ = jz (~r0 ) − j (~ r ) y ∂y |~r − ~r0 | ∂z |~r − ~r0 | − 1 ∂ 1 ∂ = (y − y 0 )2 + (z − z 0 )2 + (x − x0 )2 2 0 ∂y |~r − ~r | ∂y jz (~r0 )(~r0 − ~r)y − jy (~r0 )(~r0 − ~r)z = 3 |~r − ~r0 | (~r0 − ~r) × ~j(~r0 ) = 3 |~r − ~r0 | ∂ = ∂y x • Biot-Savart’sches Gesetz: ˚ (~r0 − ~r) × ~j(~r0 ) 0 ~ = µ0 B dV 3 4π |~r0 − ~r| 32 • Spezialfall: dünner Leiter ˆ (~r0 − ~r) × Id~r0 ~ → µ0 B 3 4π |~r0 − ~r| L 4.2 Beispiele für das Vektorpotential a) homogenes B-Feld in z-Richtung ~ = (0; 0; B) B ~ = (0, xB; 0) I) A ~ = (−yB; 0; 0) II) A ~=0 div A ~ = (−y B ; x B ; 0) III) A 2 2 b) langer, stromdurchflossener Draht – z-Achse längs des Drahtes 1 ∂ ∂ 1 ∂2 ∂2 ρ + 2 + )Aρ (ρ, ϕ, z) = 0 ρ ∂ρ ∂ρ ρ ∂ϕ2 ∂z 2 1 ∂ ∂ 1 ∂2 ∂2 II) ∆Aϕ (ρ, ϕ, z) = ( ρ + 2 + )Aϕ (ρ, ϕ, z) = 0 ρ ∂ρ ∂ρ ρ ∂ϕ2 ∂z 2 1 ∂ ∂ 1 ∂2 ∂2 III) ∆Az (ρ, ϕ, z) = ( ρ + 2 + )Az (ρ, ϕ, z) = 0 ρ ∂ρ ∂ρ ρ ∂ϕ2 ∂z 2 I) ∆Aρ (ρ, ϕ, z) = ( ⇒ I, II, III gültig für ρ = 0 ~ kann keine z-Komponente haben; B ~ = rot A; ~ Az 6= 0 – B ~ ist rotationssymmetrisch um die z-Achse – B ~=0 – div A – Ansatz: 33 ~ = (0; 0; Az ) A 1 ∂ ∂Az ρ = 0; Az = α ln ρ + β ρ ∂ρ ∂ρ ~ = rot A ~ = −α 1 ~eϕ B ρ ˛ α ~ r = − 2πρ = µ0 I ⇒ α = − µ0 I Bd~ ρ 2π L ~ = µ0 I 1 ~eϕ ~ = − µ0 I ln ρ~ez ; B A 2π 2π ρ c) stromdurchflossene rechteckige Schleife ~ = −µ0~j ∆A ∆Ax = −µ0~jx – Dipolmoment: (elektrostatisch) px = pz = 0 py = −bQ+ + bQ− = −2bQ+ = −2a2bλ+ – Dipolmoment der x-Komponente des Vektorpotentials: mx,y = −2a2bI (magnetisches Drehmoment) 34 ∆Ay = −µ0 jy px = aQ+ − aQ− = 2a2bλ+ – Dipolmoment der y-Komponente des Vektorpotentials: my,x = 2a2bI ∆Az = −µ0 jz = 0 – Wähle Az = 0, sonst konstant und linear abhängig – Dipolnäherung: µ0 −4abIy 4π r3 µ0 4abIx Ay = 4π r3 Az = 0 ~ × ~r ~ = µ0 m ⇒ A ; m ~ = 4abI~ez 4π r3 ~ = rot A ~ B ∂Az ∂Ay µ0 3mz zx ⇒ Bx = − = ∂y ∂z 4π r5 ∂Ax ∂Az µ0 3mz zy ⇒ By = − = 5 ∂z ∂x 4π r 3z 2 ∂Ax µ0 ∂Ay 1 − = mz − 3 + 5 ⇒ Bz = ∂x ∂y 4π r r ~ · ~r)~r − r2 m ~ ~ = µ0 3(m B 5 4π r Ax = 35 5 Zeitlich veränderliche elektromagnetische Felder • Beschränkung auf Raumbereiche mit ρ(~r) = 0; ~j(~r) = 0 ~ =0 div E ~ =0 div B ~ ~ = − ∂B rot E ∂t ~ ~ = 0 µ0 ∂ E rot B ∂t 2~ ~ + grad div E ~ = −∆E ~ ~ = − ∂ rot B ~ = −0 µ0 ∂ E = −∆E ⇒ rot rot E ∂t ∂t2 2~ 2~ ~ = 0 µ0 ∂ E = 1 ∂ E ; c = √ 1 ⇒ ∆E ∂t2 c2 ∂t2 0 µ0 2~ ~ = 1 ∂ B ⇒ ∆B 2 c ∂t2 ∂ 2 Ψ(z, t) 1 ∂ 2 Ψ(z, t) 1 ∂ 2 Ψ(z, t) =⇒ = c2 ∂t2 ∂z 2 c2 ∂t2 • allgemeine Lösung: ∆Ψ(z, t) = Ψ(z, t) = f + (z − ct) + f − (z + ct); f (u) = f (z ∓ ct) • Spezialfall: monochromatische, ebene Welle, die sich in positiver z-Richtung ausbreitet: n o Ψ(z, t) = f + (z − ct) = cos(kz − ωt) = Re ei(kz−ωt) 2π ω = = k (Wellenzahl) λ c • dreidimensionale, ebene harmonische Welle, die sich in Richtung des Wellenzahlvektors ~k ausbreitet: n o ~ Ψ(r, t) = cos(~k~r − ωt) = Re ei(k~r−ωt) • Ebene harmonische Welle, die sich in z-Richtung ausbreitet: ~ r, t) = E(z ~ − ct) E(~ ~ r, t) = B(z ~ − ct) B(~ ~ = ∂Ex + ∂Ey + ∂Ez = ∂Ez (z − ct) = 0 div E ∂x ∂y ∂z ∂z 0 ⇒ Ez (~r, t) = const. = Ez ~ =0 div B ⇒ Bz (~r, t) = const. = Bz0 36 • In Ausbreitungsrichtung besitzt weder das E-Feld noch das B-Feld eine zeitlich variierende Komponente ~ ~ = − ∂B rot E ∂t ∂Ez ∂Ey ∂Bx − =− ∂y ∂z ∂t ∂Ey ∂Bx = ∂z ∂t ⇒ ∂Ex ∂Ez ∂By − =− ∂z ∂x ∂t ∂Ey ∂Ex ∂Bz − =− ∂x ∂y ∂t ∂Ex ∂By =− ∂z ∂t ∂Ey ∂Ex − = 0 (uninteressant) ∂x ∂y ⇒ ⇒ ~ ~ = 1 ∂E rot B 2 c ∂t ∂By 1 ∂Ex =− 2 ∂z c ∂t ∂Bx 1 ∂Ey = 2 ∂z c ∂t 0 = 0 (uninteressant) ∂Ey ∂z ∂Ex ∂z ∂By ∂z ∂Bx ∂z ∂Bx ∂t ∂By =− ∂t 1 ∂Ex =− 2 c ∂t 1 ∂Ey = 2 c ∂t = ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ∂Ey (u) ∂u ∂Ex (u) ∂u ∂By (u) ∂u ∂Bx (u) ∂u ∂Bx ∂u ∂By =c ∂u 1 ∂Ex = c ∂u 1 ∂Ey =− c ∂u = −c u = z − ct (überflüssig) (überflüssig) ∂Ey ∂Bx = −c ∂u ∂u ∂By ∂Ex =c ∂u ∂u kEy (u) = −cBx (u) + const. (const. = Ey0 ) kEx (u) = cBy (u) + const. (const. = Ex0 ) 37 ~ • z.B.: Ekx-Achse ⇒ Ey = 0 = Ez ; Bx = 0 = Bz ; Ex (z − ct) = cBy (z − ct) ~ B) ~ • ⇒ Elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen (E⊥ • ebene, monochromatische Wellen, die sich in z-Richtung ausbreiten: 0 = Ex = Ez = Bz = By o n Ey (~r, t) = E0 cos(kz − ωt) = E0 Re ei(kz−ωt) 1 Bx (~r, t) = − E0 cos(kz − ωt) c 1 ~ = µ0 H ~ (im Vakuum) c= √ ; B 0 µ0 • Energiedichte: 1 1 0 E 2 + µ0 H 2 2 2 1 1 µ0 H 2 = E2 B2 = µ0 µ0 c2 = 0 E 2 w(~r, t) = ⇒ µ0 H 2 = 0 E 2 1 1 ⇒ w(~r, t) = 0 E 2 + µ0 H 2 = 0 E 2 2 2 1 w(~r, t) = 0 E02 cos2 (kz − ωt) = 0 E02 [cos(0) + cos(2(kz − ωt))] 2 1 • zeitlicher Mittelwert: < w(~r, t) >= 0 E 2 2 ~ • Energiestromdichte: S 2 ~=E ~ ×H ~ = E0 cos2 (kz − ωt)~ez S cµ0 1 c 0 µ0 = cw(~r, t)~ez ; = 2 =c = 0 c cµ0 c µ0 µ0 1 1 ~ S = w(~r, t)~ez c2 c p2 – klassisches Teilchen: Ekin = 2m – relativistisches Teilchen: p E = (m0 c2 )2 + (cp)2 ; • Impulsdichte: p~(~r, t) = für m0 → 0 : E → cp 38 6 Quanten 6.1 Einordnung der Quantenmechanik • c → Relativitätstheorie • Energie in Portionen“ → Quantenmechanik ” h • Planck-Konstante: h, beziehungsweise ~ = 2π (~ω = hν) klassische Mechanik ~ → 0; c → ∞ Quantenmechanik klassische Elektrodynamik relativistische Mechanik ~ → 0; c 6= ∞ ~ 6= 0; c → ∞ relativistische Quantenmechanik Quantenfeldtheorie ~ 6= 0; c 6= ∞ 6.2 Beispiele für Quanteneffekte 1. Strahlung schwarzer Körper 2. der photoelektrische Effekt 3. Compton Effekt 4. Emissionsspektrum von Atomen 1. Strahlung schwarzer Körper • Spektrales Emissionsvermögen: Es (ω, T ) (von Einheitsfläche abgestrahlte Energie in Frequenzintervall [ω, ω + dω]) • klassische Theorie: Es (ω, T ) = tastrophe! ω2 4πc2 kT 39 J (k = 1.38 · 10−23 K ), Ultraviolettka- • Planck: Strahlungsenergie bei einer bestimmten Frequenz ω kann nur in Paketen (Quanten) ausgetauscht werden: E = n~ω; ~ = 1.054 · 10−34 Js 1 ~ω 3 ~ω 4πc2 e kT −1 ~ω =1+ + ··· kT ~ω ≈1+ (einsetzen → klassische Beziehung) kT Es (~, ω) = ~ω e kT ~ω e kT 2. der photoelektrische Effekt • 1887, Hertz (Karlsruhe) 1) Für ω < ω0 : I = 0; ω0 (kathodenmetall) 2) Gegenspannung U für die I = 0 wird: – Us = ~(ω−ω0 ) e – I > 0 für eUs < Ekin 3) Licht mit bestimmten ω; I ∝ Intensität des Lichtes • E = ~ω p~ = ~~k p |~ p| c = E 2 − (mc2 )2 → relativistische Energie-Impulsbeziehung ⇒ für m → 0 : E = ~ω = |~ p| c ~ ⇒ |~ p| = ω = ~ ~k c ω ~ ⇒ = k c 3. Compton Effekt 40 • Streuung von Licht an Elektronen • ωs (gestreutes Licht) < ω (einfallendes Licht) 4. Emissionsspektrum von Atomen • scharfe Linie im Emissionsspektrum • Wasserstoff: 1 λ = const.; ( n12 − 1 1 ); n22 n1 , n2 ∈ N; n1 < n2 • Bohrsches Atommodell: – nur Elektronenbahnen mit Drehimpuls n~; n ∈ N0 – Kreisbahnen: mvr = n~; v = Bahngeschwindigkeit – auf diesen Bahnen Bewegung strahlungsfrei – Elektron kann von Bahn der Energie E auf Bahn mit Energie E 0 wechseln (E − E 0 = ~ω) – Kreisbahnen im Coulomb-Zentralfeld mv 2 1 1 1 1 ze2 + = 0; Iω 2 = r2 mω 2 = mv 2 4π0 r2 r 2 2 2 2 ze 1 ⇒ v2 = mr 4π0 ⇒ mvr = n~ − n2 ~2 4π0 ze2 m 1 ze2 1 ⇒ E = mv 2 − 2 r 4π0 2 1 ze 1 ze2 1 1 ze2 1 E= m − =− 2 r m4π0 r 4π0 2 r 4π0 2 2 4 2 1 ze ze m 1 1 1z e m E=− =− 2 4π0 n2 ~2 4π0 2 n2 ~2 (4π0 )2 1 (ze2 )2 m 1 E(n = 1) = − 2 ~2 (4π0 )2 1 (ze2 )2 m 1 1 1 ⇒ ∆E = − − 2 ~2 n21 n22 (4π0 )2 ⇒r= 41 7 Dualismus Welle-Teilchen 7.1 Doppelspalt 2 2 2 • Interferenz: I (Intensität) ∝ |Φ| 6= |Φ1 | + |Φ2 | ; (Φ = Φ1 + Φ2 ) • kleine Lichtintensitäten (immer nur ein Photon im Experiment) – für kurze Belichtungszeiten: ein lokaler Fleck auf dem Schirm (Teilchenspalt) – für lange Belichtungszeiten: Interferenzmuster (Wellenspalt) 7.2 Spektralzerlegung und Fouriertransformation ~ r, t) = E0~ep ei(~k~r−ωt) ; ~ep : Einheitsvektor der linearen Polarisation • E(~ • ~e2p = 1; ~ep~k = 0 • Energiestromdichte: I = I0 cos2 Θ • Einzelnes Photon: – Photon passiert den Analysator, oder – Photon wird absorbiert – ⇒ Durchgangswahrscheinlichkeit: cos2 Θ • Interpretation: 42 – eine Messung ergibt nur bestimmte Resultate (Durchgang oder Absorption): Eigenwerte – zu den Messresultaten gehören zwei Eigenvektoren ~ep = ~ex und ~ep = ~ey – ein beliebiger Vektor ~ep = ~ex cos Θ + ~ey sin Θ – Quadrat der Koeffizienten gibt die Wahrscheinlichkeit für Durchgang (cos2 Θ) oder Absorption (sin2 Θ) – Polarisationsrichtung nach Messung: ~ex • Fouriertransformation 1 f (x, t = 0) = 2π ˆ∞ F (k)eikx dk −∞ wenn f (x, t = 0) gegeben: ˆ∞ 0 0 f (x, t = 0)e−ik x dx F (k ) = −∞ ˆ∞ 0 1 F (k)eikx dk e−ik x dx = 2π −∞ −∞ ∞ ∞ ˆ ˆ 0 1 = F (k)ei(k−k )x dx dk 2π −∞ −∞ ∞ ˆ∞ ˆ 0 1 F (k) = ei(k−k )x dx dk 2π −∞ −∞ {z } | ˆ∞ =2πδ(k−k0 ) ˆ∞ F (k 0 ) = F (k)δ(k − k 0 )dk −∞ • f (x) ◦—–• F (k) – Ausdehnung im Ortsraum: ∆x = 43 2π a – Breite der Verteilung: ∆k = 2a – ∆x∆k = 2π a 2a = 4π 44 8 Materiewellen und Schrödingergleichung • 1923 de Broglie: Hypothese der Materiewelle • 1927 Darvisson, Germer: Interferenz von Elektronenstrahlen 8.1 Realisierung des Konzeptes der Materiewellen 1. Das Teilchen wird durch Wellenfunktion Ψ(~r, t) beschrieben 2 2. |Ψ(~r, t)| wird als Wahrscheinlichkeitsdichte interpretiert 2 • ρ(~r, t) = |Ψ(~r, t)| ; ρ(~r, t)dxdydz → Wahrscheinlichkeit, dass Teilchen in Volumen dxdydz um den Ort ~r zu Zeitpunkt t zu finden ´∞ ´∞ ´∞ • ρ(~r, t)dxdydz = 1 −∞ −∞ −∞ 3. Messung einer beliebigen Größe; es soll Spektralzerlegung“ gelten ” • Eigenfunktion Ψn (~r) mit Eigenwert an • wenn Ψ(~r, t0 ) = Ψn (~r) dann liefert Messung den Eigenwert an P • Ψ(~r, t0 ) = cn Ψn (~r) (Spektralzerlegung) n 2 → Messung liefert bestimmten Wert aj mit Wahrscheinlichkeit |cj | • Nach der Messung: Wenn Messergebnis aj dann Wellenfunktion nach Messung: Ψj (~r) (Reduktion der Wellenfunktion) 4. • Zeitliche Entwicklung des Systems wird durch Schrödingergleichung beschrieben ~ Ψ(~r, t) = Ψ0 ei(k~r−ωt) ; p~2 = E = ~ω; p~ = ~~k 2m ∂ Ψ(~r, t) = −iωΨ(~r, t) ∂t ∂ p~2 ~2~k 2 → i~ Ψ(~r, t) = ~ωΨ(~r, t) = Ψ(~r, t) = Ψ(~r, t) ∂t 2m 2m ∂ ~2 → i~ Ψ(~r, t) = − ∆Ψ(~r, t) ∂t 2m ⇒ Schrödingergleichung für ein freies Teilchen 45 • Verallgemeinerung: Teilchen in Potential V (~r) p~2 + V (~r) = ~ω 2m ∂ ~2 → i~ Ψ(~r, t) = − ∆ + V (~r) Ψ(~r, t) ∂t 2m {z } | → E= Ĥ: Hamilton-Operator ∂ → i~ Ψ(~r, t) = ĤΨ(~r, t) ∂t 8.2 Teilchen als Wellenpakete ~ • Ebene Welle: Ψ(~r, t) = Ψ0 ei(k~r−ωt) ; ω = • Superpositionsprinzip: Φ(~r, t) = ´ ~k2 2m ; ~ ~k = p ~ ~ ~ dk f (~k)ei(k~r−ωt) (2π) 3 • Phasen- und Gruppengeschwindigkeit: ~vp = ω(~k) 2 k2 = ~~k 2m |k| p~ = 2m ∂ ∂ ∂ ~ ~~k ~vg = ( ; ; )ω(~k) = ∇~k ω(~k) = (kx , ky , kz ) = ∂kx ∂ky ∂kz m m p~ = m 8.3 Heisenbergsche Unschärferelation • Ebene Welle: keinerlei räumliche Lokalisierung aber sehr starke Lokalisierung des Impulses (~ p = ~~k) • ∆k∆x > 1 • ∆p∆x > ~≥ ~ 2 8.4 Zustand, Größe, Wert einer Größe • Physikalische Größe G“ (Observable) drückt quantitative Beziehung zwischen ” verschiedenen physikalischen Systemen aus → Beispiel: Energie, Impuls, Drehimpuls • Naturvorgänge sind Übergänge zwischen Zuständen → stetig ablaufende Vorgänge (unendliche Folge inkrementaler Schritte): Prozesse 46 • Zustände: im allgemeinen nicht direkt beobachtbar • der einer Observablen G“ zugeordnete Messwert W (G, Z) =< G > ist eine Zahl; ” (Z=Zustand) • in einem Zustand hat jede Observable einen festen Wert • Prozessgröße: nicht dem Zustand zugeordnet, sondern einem Prozess als Ganzem (Beispiel: Wärme, Arbeit) • Rolle der Zeit: – Observablen haben in jedem Zustand einen bestimmten Wert – Umgekehrt: das System befindet sich zu jedem Zeitpunkt in einem Zustand – Zeit dient der Anordnung von Zuständen • Messung physikalischer Größen: – Einzelmessung: Ablesen eines Zahlenwerts von einem Messinstrument für die Größe G“ ” – Eigenwert von G“: mögliche Zahlenwerte bei einer Einzelmessung (an einem ” bestimmten System) – Spektrum von G“: Menge aller Einzelwerte ” – Messung: Wiederholung von Einzelmessungen an einem Ensemble (von gleichen und im gleichen Zustand befindlichen) Systemen) – nur eine Einzelmessung pro System • Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion w(G, Z) • Observable und deren Werte – ~r-Wahrscheinlichkeitsdichte: w(~r, t) = |Ψ(~r, t)| – Funktion G(~r): 2 ´ ∗ Wert G(~r): W (G, Ψ) = w(~r, t)G(~r)d~r ´ von = Ψ∗ (~r, t)G(~r)Ψ(~r, t)d~r (W=Mittelwert) ´ 2 ∗ |Ψ(~r, t)| d~r = 1 47 – Erhaltung der Wahrscheinlichkeit: ∗ ∂ w(~r, t) + div ~jw (~r, t) = 0 (~jw =Wahrscheinlichkeitsstromdichte) ∂t – Impulsabhängige Größen (zum Beispiel: p~ selbst): ~ ~k = −i∇ ~ p~ = ~~k; i~k = ∇; ˆ ~ W (~ p, Ψ) = Ψ∗ (~r, t)(−i~∇)Ψ(~ r, t)d~r G(~ p, ~r, . . . ) = Funktion des Impulses ˆ ~ ~r)Ψ(~r, t)d~r W (G(~ p, ~r), Ψ) = Ψ∗ (~r, t)Ĝ(~ p = −i~∇, ~ p ~=−i~∇ (G(~ p, ~r) −−−−−→ Ĝ(~ p, ~r)) Größe Ort Impuls – Drehimpuls Energie klassische Mechanik ~r p~ ~ = ~r × p~ L p~2 H= + V (~r) 2m | {z } |{z} Wellenmechanik ~r = ~rˆ = (x̂, ŷ, ẑ) ~ = (p̂x , p̂y , p̂z ) p~ˆ = −i~∇ ~ˆ = ~rˆ × p~ˆ = −i~(~r × ∇) L G(~ p, ~r, t) ~ ~r, t) Ĝ(p~ˆ, ~rˆ, t) = Ĝ(−i~∇, Ekin beliebige Größe 2~ 2 ∇ Ĥ = − ~2m + V (~r) Epot • Reihenfolge von Operatoren im allgemeinem nicht vertauschbar h i • ÂB̂ − B̂  = Â, B̂ h i • Â, B̂ = Kommutator • ÂB̂ = kurze Schreibweise für: ´ Ψ∗ ÂB̂Ψd~r [x̂, ŷ] = x̂ŷ − ŷx̂ = xy − yx = 0 ∂ ∂ ∂ ∂ [p̂x , p̂y ] = p̂x p̂y − p̂y p̂x = −i~ (−i~ ) − (−i~) (−i~) =0 ∂x ∂y ∂y ∂x ∂ ∂ [x̂, p̂y ] = x̂p̂y − p̂y x̂ = x(−i~ ) − (−i~ )x = 0 ∂y ∂y ∂ ∂ ∂ ∂ [x̂, p̂x ] = x̂p̂x − p̂x x̂ = x(−i~ ) − (−i~ )x = −i~x + i~(1 + x ) ∂x ∂x ∂x ∂x = i~ 48 8.5 Zeitunabhängige Schrödingergleichung • Beschreibung stationärer Zustände – Werte aller Observablen zeitlich konstant – Wahrscheinlichkeitsdichte ρ(~r, t) = ρ(~r) = |Ψ(~r, t)| 2 – nur Phase von Ψ(~r, t) zeitabhängig – Ψn (~r, t) = Ψn (~r)e−iωn t = Ψn (~r)e−i En ~ t • Schrödingergleichung: ∂ ~2 ∆ + V (~r) Ψn (~r, t) = i~ Ψn (~r, t) − 2m ∂t ~2 ∂ − ∆ + V (~r) Ψn (~r)e−iωn t = i~ Ψn (~r)e−iωn t 2m ∂t = i~Ψn (~r)(−iωn )eiωn t = En Ψn (~r)e−iωn t ~2 − ∆ + V (~r) Ψn (~r) = En Ψn (~r) 2m ĤΨn (~r) = En Ψn (~r) 8.6 Stufenpotential • V (x) = V0 Θ(x − x0 ) 2 − ~ ∂2 Ψ = [E − V0 Θ(x − x0 )] Ψ 2m |∂x{z2 } Ψ00 49 Integration der Schrödingergleichung xˆ0 +ε ~2 − 2m Ψ00 (x)dx = − ~2 [Ψ0 (x0 + ε) − Ψ0 (x0 − ε)] 2m x0 −ε xˆ0 +ε [E − V0 Θ(x − x0 )] Ψ(x)dx = x0 −ε xˆ0 +ε xˆ0 +ε Ψ(x)dx − =E x0 −ε V0 Θ(x − x0 )Ψ(x)dx x0 −ε Quadratintegrabilität: |Ψ(x)| < K, K ∈ reelle Zahlen x +ε ˆ0 ε→0 Ψ(x)dx ≤ |E| K2ε → 0 0 ≤ E x0 −ε x +ε x +ε ˆ0 ˆ0 ε→0 0 ≤ V0 Θ(x − x0 )Ψ(x)dx = V0 Ψ(x)dx < |V0 | Kε → 0 für V0 endlich x0 −ε 0 x0 0 ε→0 Ψ (x0 + ε) − Ψ (x0 − ε) → 0 ⇒ Ψ0 (x0 ) ist stetig ⇒ Ψ(x0 ) ist stetig und differenzierbar (aus weiterer Integration) • stationäre ebene Welle, die in positiver x-Richtung läuft, konstantes Potential V0 Ψ(x) = Ψ0 eikx ~2 ∂ 2 − + V 0 Ψ(x) = EΨ(x) 2m ∂x2 ~2 ~2 ∂ 2 2 ikx ikx + V (ik) + V Ψ e = − = EΨ0 eikx − 0 0 Ψ0 e 0 2m ∂x2 2m 1p ~2 2 k = E − V0 ; k = 2m(E − Vo ); E − V0 = Ekin 2m ~ E > V0 : k ist reell E < V0 : k ist rein imaginär 1p 2m(V0 − E) k = iχ; χ = ~ • allgemein Ψ(x) = Ψ0+ eikx + Ψ0− e−ikx (1-dimensional: V0 konstant) 50 • Annahme – Teilchen läuft von links kommend auf Potentialstufe zu; Wahl von x0 = 0 • Ansatz 1√ −x 2mE x < 0 : Ψ− (x) = e|ik{z− x} + |Re−ik ; k = − {z } ~ einfallend x > 0 : Ψ+ (x) = reflektiert 1p T e ; k = 2m(E − V0 ) + | {z } ~ ik+ x transmittiert Ψ(x) = Ψ− (x)Θ(−x) + Ψ+ (x)Θ(x) ( 0 für x < 0, Θ(x) = 1 für x ≥ 0 Ψ0− (x) = ik− eik− x − ik− Re−ik− x Ψ0+ (x) = ik+ T eik+ x • Stetigkeitsbedingungen Ψ− (0) = Ψ+ (0); 1 + R = T Ψ0− (0) = Ψ0+ (0); k− (1 − R) = k+ T k− (1 − R) = k+ T = k+ (1 + R) k− − k− R = k+ + k+ R k− − k+ = k− R + k+ R k− − k+ R= k− + k+ 2k− T =1+R= k− + k+ • Reflexionswahrscheinlichkeit k− − k+ 2 2 PR = |R| = k− + k+ • Transmissionswahrscheinlichkeit P T = 1 − PR 51 −iχ+ 2 a) E < V0 : k+ = iχ+ ; PR = kk− = 1; PT = 0 − +iχ+ Ψ+ (x) = T ei(iχ+ )x = T e−χ+ x b) E > V0 : k− , k+ : reell; PR > 0 für V0 6= 0 k− − k+ 2 k− + k+ 2 k− − k+ 2 = − PT = 1 − PR = 1 − k− + k+ k− + k+ k− + k+ 2k− 2 k+ 4k− k+ 2 k+ = = 2 k− + k+ k− = T k− |k− + k+ | Tunneleffekt • für χ2a >> 1; Vereinfachung: B = 0 √ 2a • T = e−χ2a = e− ~ 2m(V0 −E) √ 4a 2 • PT = |T | = e− ~ 2m(V0 −E) • optisches Analogon: 52