SlideShare una empresa de Scribd logo
1 de 113
Kwantumfysica
Dirk Van Dyck.
Universiteit Antwerpen
Elcker-ik 31/03/2015
Richard Feynman (1965)
Ik kan gerust stellen dat niemand
eigenlijk kwantummechanika
begrijpt.
Lezing vandaag
Kwantumfysica zonder formules ?
Kwantumfysica
-Geschiedenis
-Wat is kwantumfysica ?
-Toepassingen van de kwantumfysica
-Kunnen we kwantumfysica begrijpen?
Situatie rond 1900
nieuwe ontdekkingen
• 1895 X-stralen (Röntgen)
• 1896 Radioactiviteit (Becquerel, Curie,
Rutherford).
• 1897 Ontdekking elektron (Thompson)
Situatie rond 1900
Wetenschappelijke problemen
• Atoomtheorie (bestaan atomen echt ?) :
Einstein (1905) Brownse beweging.
• Lichtsnelheid constant (Michelson- Morley):
Einstein (1905) Relativiteitstheorie.
• Soortelijke warmte (experiment < theorie):
Einstein (1906).
Situatie rond 1900
Wetenschappelijke problemen
Start van de kwantumfysica
• Stralingswetten (UV catastrofe):
Planck(1900) kwantummechanica
• Foto-elektrisch effect (Hertz):
Einstein (1905)
• Structuur van het atoom:
Rutherford (1909), Bohr (1913)
Eerste Nobelprijzen fysica
• 1901 Röntgen
• 1902 Lorentz, Zeeman.
• 1903 Becquerel, P&M Curie
1904 Rayleigh
• 1906 J.J Thompson.
• 1908 Michelson
• 1908 Rutherford (radioactiviteit, niet atoommodel)
• 1918 Planck (kwantummechanica)
• 1921 Einstein (foto- elektrisch effect).
Solvay conferenties ( 7 conseils de
physique tussen 1911 en 1933)
•Ernest Solvay: autodidact , rijke ondernemer
•Op initiatief van Nernst (>< Arhennius)
•Einstein kritisch (“heksensabbat”). Overtuigd
door Lorentz.
•Nagenoeg geen Engelsen (Solvay te “links”).
Solvay conferentie 1911 (Brussel Hotel Metropole)
Solvay conferentie 1927: kwantummechanica
Begin van de kwantummechanica
• Planck (1900) : Sleutelt aan de theorie van de zwarte
straler. Energie kan slechts in pakketjes bestaan.
Maar hij gelooft eerder in wiskundig trukje
• Einstein (1905) toont aan dat de straling ook echt
gekwantiseerd is en verklaart het foto-elektrisch
effect als een botsing tussen foton en elektron
• Bohr: verbetert het atoommodel van Rutherford met
de kwantisatie van de straling (energie niveaus)
Zwarte straler: ultraviolet
catastrofe
Begin van de kwantummechanica
• Planck (1900) : Sleutelt aan de theorie van de zwarte
straler. Energie kan slechts in pakketjes bestaan.
Maar hij gelooft eerder in wiskundig trukje
• Einstein (1905) toont aan dat de straling ook echt
gekwantiseerd is en verklaart het foto-elektrisch
effect als een botsing tussen foton en elektron
• Bohr: verbetert het atoommodel van Rutherford met
de kwantisatie van de straling (energie niveaus)
Elektromagnetische golven
Voorspeld door Maxwell (1873)
Eerste experiment Hertz (1887)
Toepassingen Marconi (1889)
Foto-Elektrisch effect (Hertz 1887)
Vonken ontstaan gemakkelijker als het metaal
belicht wordt met UV licht
Foto-elektrisch effect
Werkt met blauw licht maar niet met rood.
Begin van de kwantummechanica
• Planck (1900) : Sleutelt aan de theorie van de zwarte
straler. Energie kan slechts in pakketjes bestaan.
Maar hij gelooft eerder in wiskundig trukje
• Einstein (1905) toont aan dat de straling ook echt
gekwantiseerd is en verklaart het foto-elektrisch
effect als een botsing tussen foton en elektron
• Bohr: verbetert het atoommodel van Rutherford met
de kwantisatie van de straling (energie niveaus)
Atoommodel van Bohr-Rutherford
Energieniveaus van het elektron gekwantiseerd
Uitgezonden licht gekwantiseerd (spectroscopie)
Begin van de kwantummechanica
• Planck (1900) : Sleutelt aan de theorie van de zwarte
straler. Energie kan slechts in pakketjes bestaan.
Maar hij gelooft eerder in wiskundig trukje
• Einstein (1905) toont aan dat de straling ook echt
gekwantiseerd is en verklaart het foto-elektrisch
effect als een botsing tussen foton en elektron
• Bohr: verbetert het atoommodel van Rutherford met
de kwantisatie van de straling (energie niveaus)
Kwantumfysica
-Geschiedenis
-Wat is kwantumfysica ?
-Toepassingen van de kwantumfysica
-Kunnen we kwantumfysica begrijpen?
Richard Feynman (1959) : “There's Plenty
of Room at the Bottom”. An Invitation to
enter a New Field of Physics
“Wanneer we die zeer kleine wereld
betreden dan merken we plots dat de
atomen zich niet meer gedragen volgens
de klassieke wetmatigheden van onze
dagelijks wereld. Ze volgen de wetten van
de kwantumechanika. En nieuwe wetten
geven ook mogelijkheden om nieuwe
dingen te maken.
Het geheim van de kwantumfysica
• Op microscopische schaal zijn er alleen
golven. Dus golfmechanica
• Zolang we niet interageren gedraagt elk
deeltje zich als een golf.
• Hoe lichter het deeltje hoe groter de
golflengte (formule van De Broglie (1924)).
• Dus alleen van de lichtste deeltjes
(elektronen, fotonen) kunnen we het
golfkarakter goed waarnemen.
sJh ••= −34
106,6met (constante
van Planck)
deeltjeseigenschapgolfeigenschap
vm
h
•
=brogliede
λ
Formule van De Broglie (1924)
h is uiterst klein
Golfkarakter manifesteert zich pas als m zeer klein is
Eigenschappen van golven
Interferentie van golven
In fase: versterking
In tegenfase: uitdoving
Demonstratie proeven
Water: interferentie
Laser : diffractie
……
golfmodel van Huyghens !
constructieve interferentie: in fase !
destructieve interferentie: in tegenfase !
Smalle spleet : grote hoek
Brede spleet: kleine hoek
Breedte spleet x breedte hoek = constant
Onzekerheidsrelatie van Heisenberg
Diffractie aan een rooster
Golven lopen heen en weer. Als de heengaande golf samenvalt
met de terugkerende golf ontstaat constructieve interferentie
1
2
L
λ
= ×
2
2
L
λ
= ×
3
2
L
λ
= ×
4
2
L
λ
= ×
5
2
L
λ
= ×
6
2
L
λ
= ×
1 1 v
v T en T v of f
f f
λ λ
λ
= × = ⇒ = × =
Er zijn enkel staande golven mogelijk waarbij
2
met = een geheel,positief getal
L
n
n
λ
×
=
met = een geheel,positief getal
2
v
f n n
L
= ×
×
Staande golven
Demonstratie proeven
Veer: staande golven in 1D
Trilplaat: staande golven in 2D
Video: Staande golven op brug
Deeltjesgolven
(Materiegolven)
Het opsluiten van deeltjesgolven leidt tot staande golven
dus kwantisatie van de energie
Dus kwantisatie is een gevolg van het golfkarakter
1
2
L
λ
= ×
2
2
L
λ
= ×
3
2
L
λ
= ×
4
2
L
λ
= ×
5
2
L
λ
= ×
6
2
L
λ
= ×
Er zijn enkel staande golven mogelijk waarbij
2
met = een geheel,positief getal
L
n
n
λ
×
=
Opsluiten van een deeltje (elektron)
Onzekerheidsrelaties van
Heisenberg (cfr diffractie aan spleet)
π4
h
px ≥∆•∆
hierin is h de constante van Planck
constante≥∆•∆ vx
Men kan nooit tegelijk plaats en snelheid van een
deeltje bepalen
Kunnen we een elektron opsluiten ?
• Waterstof atoom
• Elektron wordt aangetrokken door proton
• Elektron cirkelt rond proton
• Centripetale kracht Kc = mv2
/r
• Elektrostatische kracht Ke = α.e2
/r2
• Evenwicht Kc = Ke
Kunnen we een elektron opsluiten ?
• Elektron “opgesloten” in potentiaalput van proton
• De Broglie relatie h/λ = m.v
• Staande golf past de cirkelomtrek 2.π.r = n.λ
• Samen levert dit r = R = h2
/((2.π)2
.α.m.e2
• R is de Bohrstraal = 0.05 nm.
• Diameter atoom is van de orde van 0.1 nm.
• Energie is gekwantiseerd E = EB/n2
• Kwantisatie is een gevolg van golfkarakter
Atoommodel van Bohr-Rutherford
Energieniveaus van het elektron gekwantiseerd
Uitgezonden licht gekwantiseerd (spectroscopie)
46
Hoe klein is een atoom?
47
eGalaxies - Telescopes Nanocrystals - Microscopes
Stefan Hinderberger, NCEM
1022
Sterren in het universum. 1022
Atomen in een gram aluminium
Golf of Deeltje ?
Microscopische wereld
• Alleen golfkarakter (zolang we niet interageren)
• Golffunctie heeft amplitude en fase (2D)
• Complexe notatie
• Golfvergelijking (Schrödinger vergelijking)
• Golfeigenschappen
• Interferentie, staande golven
Golf of Deeltje ?
Macroscopische wereld
• Hoe zwaarder deeltje hoe kleiner golflengte
• Zwaar deeltje : destructieve interferentie
• Fase-informatie niet meer waarneembaar
• Het deeltje wordt “reëel” (1D)
Golf of Deeltje ?
Waarneming van een deeltje
• Interactie met de macro wereld.
• Door destructieve interferentie verdwijnt de
fase informatie (niet meer meetbaar).
• Colllaps van de golffunctie
• Alleen nog amplitude (intensiteit),geen fase.
• Van 2D naar 1D
• Intensiteit = probabiliteit
• Kopenhagen interpretatie (Bohr).
Detectie van een deeltje
Intensiteit = waarschijnlijkheid
waarschijnlijkheden:intensiteiten:
De kwantummechanica beschrijft niet de beweging van elk
individueel elektron, maar wel de waarschijnlijkheid om dat
elektron ergens te detecteren.
Wat golft er ??
kans of waarschijnlijkheid om
een elektron daar aan te treffen !
Waarschijnlijkheidsgolven: - niet reëel waarneembaar
- verklaren goed de waargenomen verschijnselen
Elektronen zijn golven.
Intensiteit = waarschijnlijkheid
Physics World (Poll 2002) : The most
beautiful experiment in physics.
Merli,Missiroli,Pozzi (Bologna1976)
Video
Mister quantum
Solvay conferentie 1927: kwantummechanica
Solvay conferentie 1927
• Levendig debat Einstein-Bohr
• Bohr: Kopenhageninterpretatie (statistisch).
• Einstein: “God würfelt nicht”
Solvay conferentie 1927: vervolg
• Einstein Podolski Rosen (EPR) paradox (1935)
• Verborgen variabelen
• Bell ongelijkheden : Kwantumfysica is statistisch
• Spooky action on a distance (kwantum verstrengeling,
-teleportatie, -encriptie,-computing.. )
• Experimenten Aspect , Clauser, Zeilinger…
Kwantumfysica
-Geschiedenis
-Wat is kwantumfysica ?
-Toepassingen van de kwantumfysica
-Kunnen we kwantumfysica begrijpen?
59
kwantum eigenschappen van
deeltjes
• Golfkarakter
• Foto-elektrisch effect (fotocel,LED,Laser)
• Opsluiting (confinement) : kwantisatie
• Kwantumchemie: atomen aan oppervlak
hebben andere eigenschappen
• …
De elektronenmicroscoop
Microscoop: scheidend vermogen beperkt
tot de golflengte (licht = micrometer).
Elektronen kunnen ook worden gebruikt
voor mikroscopie
Hoe sneller het elektron, hoe korter de
golflengte
300.000 Volt  2 picometer
Kan men atomen zien?
62
STEM / HRTEM :
Scanning coils
preparaat
gefocuseerde bundel
HAADF
detector
Beeldfilter
In staat om elk atoom af te beelden
Spectroscopische informatie van één
atoomkolom (energie resolutie ~ 50 meV)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
390 400 410 420 430 440
On core
Off core
Counts(arb.unit)
Energy Loss (eV)
Beeld lokaal energiespectrum
dislocatie kern in GaN [0001]
0.2 nm
ref. N. Browning, C. Kisielowski
Atomen zien en meten
Elektronenmicroscopie
63
Nieuwe nanostructuren
Opbouw atoom per atoom
Structuur met collectief golfkarakter
64
kwantum eigenschappen van
deeltjes
• Golfkarakter
• Foto-elektrisch effect (fotocel,LED,Laser)
• Opsluiting (confinement) : kwantisatie
• Kwantumchemie: atomen aan oppervlak
hebben andere eigenschappen
• …
65
Foto-elektrisch effect (LED)
Nobelprijs fysica 2014
Werking van de LED : foto-elektrisch effect
Kwantum laser: staande golven
69
kwantum eigenschappen van
deeltjes
• Golfkarakter
• Foto-elektrisch effect (fotocel,LED,Laser)
• Opsluiting (confinement) : kwantisatie
• Kwantumchemie: atomen aan oppervlak
hebben andere eigenschappen
• …
70
Kwantumstippen hebben een unieke
elektronische struktuur
Energylevels
Absorption
Radiationless
decay
Fluorescence
Valence
Band
Band gap
Small
Molecules
Qdots Semiconductors
Conduction
Band
71
Quantum dots change color with size because additional
energy is required to “confine” the semiconductor
excitation to a smaller volume.
Optische eigenschappen van
kwantumstippen
(kleur afhankelijk van het volume)
73
Kwantumstip: spectrale
barcode
Wavelength (nm)
Wavelength ( nm )
Conventionalbarcodes-linethicknessandspacinggivecode
Qdotspectralcodes-emissioncolorsdeterminecode. Can'barcode'cells,beads,…
74
Gebruik van kwantumstippen
• Biolabels voor : flow cytometrie
microarray analyse (gene chips)
fluorescentie microscopie (cel analyse)
• Fotovoltaïsche cellen
• Omzetten van blauw LED licht in wit
• Kleurscherm voor TV
75
Core Nanocrystal
Inorganic Shell
Capping Group
Organic coating
Functionality
Crosslinker and
Biomolecule
Kwantumstip bio-probe
76
Labelling met
kwantumstippen
http://www.azonano.com/details.asp?ArticleID=2428
A p-n junction is formed by placing p-type and n-type semiconductors next to one another.
The p-type, with one less electron, attracts the surplus electron from the n-type to stabilize
itself. Thus the electricity is displaced and generates a flow of electrons, otherwise known as
electricity. When sunlight hits the semiconductor, an electron springs up and is attracted
toward the n-type semiconductor. This causes more negatives in the n-type semiconductors
and more positives in the p-type, thus generating a higher flow of electricity. This is the
photovoltaic effect.
Kwantum stippen voor fotovoltaïsche cel
Witte LED met kwantumstippen
Warm-witte LED met gebruik van kwantum dots
Samsung SUHD TV Quantum Dot technology from Nanosys(feb 2015)
81
kwantum eigenschappen van
deeltjes
• Golfkarakter
• Foto-elektrisch effect (fotocel,LED,Laser)
• Opsluiting (confinement) : kwantisatie
• Kwantumchemie: atomen aan oppervlak
hebben andere eigenschappen
• …
Nano eigenschappen
I: Oppervlakte/Volume ratio
http://www.youtube.com/watch?v=2NySRur62gg
83
Nanodeeltjes als katalysatoren
Zeer grote verhouding oppervlakte/volume
Katalytische activiteit van goud nanoclusters
Meest actieve grootte : 3-3.5 nm
Science, 281 (1998) 1647
Nieuwe trend : hybride materialen
Nanodeeltjes in poreuze materialen
katalytische activiteit en selectiviteit
EMAT voorbeeld: nanodeeltjes (Au, Ru,
Pd, Cu) in metaal organisch framework
met extreem hoge katalytische activiteit
Natuurlijke fotosynthese Artificiele fotosynthese
Efficient to sustain live Efficient to sustain fuel?
Substrate
Energie problematiek : HELIOS project (VS)
•Earth abundant materials
•Low cost (coal)
Kwantumfysica
-Geschiedenis
-Wat is kwantumfysica ?
-Toepassingen van de kwantumfysica
-Kunnen we kwantumfysica begrijpen?
Wat is begrijpen?
•
waarnemingen
hypothese(n) voorspelling
door logisch redeneren
binnen een model
het experiment bevestigt
de voorspelling wel !
het experiment bevestigt de voorspelling niet
Begrijpen we de mechanica?
• Het wiskundig model (wetten van Newton) laat toe elk
mogelijk experiment uit de mechanica correct te
voorspellen.
• Dan kunnen we toch stellen dat men de mechanica
begrijpt (cfr de Turing test voor computer intelligentie).
• Maar het model bevat grootheden die niet zelf
observeerbaar zijn (bvb kracht, tijd..)
• Maar door eigen ervaring als bewegend object zijn we
daarmee vertrouwd.
De grot van Plato
• Volgens Plato (500 BC) was de gehele materiële
kosmos doordrongen van wiskundige
verhoudingen en kon de natuurkunde worden
uitgedrukt in wiskundige vergelijkingen, maar is
onze dagelijkse wereld chaotisch.
• De metafoor van de grot beschrijft de relatie van
de menselijke kennis tot de realiteit.
De grot van Plato
Kwantumfysica en de grot van Plato
• Kwantumwereld (golfwereld) ligt buiten de grot
• Beschreven met amplitude en fase (complexe getallen)
• De reële wereld is de achterkant van de grot
• Meting geeft alleen deeltjes
• Waarschijnlijkheid = intensiteit (amplitude)2
• Dus projectie van 2D naar 1D
• We kunnen elke projectie berekenen en voorspellen
• Dus begrijpen we de kwantumfysica
Dank u
Evolutie: niveaus van (zelf) organisatie
(moleculair darwinisme)
complexiteit
tijd
Atomen >moleculen > koolstofketens > nucleotiden(4) > aminozuren(20) > DNA > genen >
proteïnen (50000, 3D) > organellen > cellen > meercelligen > planten >dieren > mens > mensheid
Filogenetische stamboom van cytochroom: aantal nucleotiden. ( R. Knippers).
fhE •=foton
h is de constante van Planck
sJh ••= −34
106,6
vm
h
•
=brogliede
λ
Golf-deeltje dualiteit
Relatie van De Broglie
vm
h
•
=brogliede
λ
Begrijpen we negatieve getallen
in een positieve wereld?
• Rekenkundig probleem
• x + a = b x = ?
• x + a + (-a) = b + (-a) symmetrisch element
• (x + a) + (-a) = x + (a + (-a)) associatief
• x + 0 = b + (-a) neutraal element
• x = c inwendig
• (-a) is negatief en niet direct aanwezig in de positieve wereld, dus abstract
• Maar wiskundige structuur (groep) geeft een methode waarmee elk
rekenkundig probleem kan worden opgelost (zelfs in de positieve wereld)
• Dus het compacte model primeert op het gebruik van abstracte
begrippen.
Electrostatica: positieve en negatieve
ladingen. Neutraliseert op grote afstand
Domineert de microwereld van de atomen
(kernen niet bespreken)
gravitatie: alleen positieve massa’s
Maar veel zwakker dan elektrostatica
Dus alleen belangrijk bij zeer grote
massa’s (sterren, planeten).
Domineert de macrowereld
Microwereld-Macrowereld
Opbouw (biochemie) microwereld
Maar ervaringswereld makrowereld
Antropisch principe
Om bewust te zijn van onze situatie moeten
we voldoende hersenen hebben
Dat bepaalt onze afmeting en tijdsschaal
Waar situeert zich de mens ?
Begin van de
kwantum(golf)mechanica
• De Broglie : golf-deeltje dualiteit (1924)
• Examencommissie kan doctoraat niet beoordelen
• Promotor Langevin vraagt advies aan Einstein
Einstein: “De Broglie heeft het grote mysterie
ontraadseld”
• Experimenten elektronen diffractie (Davisson,
Germer, Thomson, Elzasser)
• Schrödinger vergelijking
• Born, Heisenberg, Jordan,Pauli…
104
De wet van Moore
105
Eén-elektron transistor
106
De ultieme limieten van Nano
Hoever staan we?
• Het atoom: bouwsteen (alfabet) van de materie
• Opbouw van onderuit atoom per atoom
• Het electron als kleinste schakeleenheid
• Eigenschappen begrijpen en voorspellen
• Toegepaste kwantumtheorie
107
Recente en toekomstige
ontwikkelingen
Zelfreinigend
Bacteriedodend
Kwantumcomputer
Kwantum cryptografie
Fotosynthese
Bewustzijn (?)
…
Ingredienten
Deeltjes: proton, electron……
Krachten: elektrostatica, gravitatie…
Wetten : mechanica ,elektromagnetisme…
Golfkarakter van deeltje (De Broglie).
Hoe is de natuur opgebouwd?
Dualiteit golf-deeltje (licht)
fhE •=foton
sJh ••= −34
106,6met (constante
van Planck)
deeltjeseigenschap golfeigenschap
On zeker heid srelat ies van Heisenb er g
Me nk an nooit tege lijk pl aats e ni mpuls (of ene rgi e e nti jds tip) van e en de eltj e bepalen
4
h
x p
π
∆ × ∆ ≥ constantex v∆ × ∆ ≥
p m vγ= × ×
4
h
E t
π
∆ × ∆ ≥
Begrijpen we de mechanica?
• -Alle experimenten zijn samengevat in de vergelijkingen
van Newton (of Langrange-Hamilton).
• -Dit is de meest compacte voorstelling van de
waarnemingen (Occam principe).
• -Wij kunnen alleen de plaats van objecten observeren
• -Alle afgeleide begrippen (kracht, tijd..) zijn nodig om de
voorstelling compacter te maken
• -De wiskunde (infinitesimaalanalyse) geeft de meest
compacte taal
• -Dus is de wiskunde inherent (universeel) aanwezig (?)

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

Een nieuwe kijk op de zwaartekracht
Een nieuwe kijk op de zwaartekrachtEen nieuwe kijk op de zwaartekracht
Een nieuwe kijk op de zwaartekrachtMarcel Vonk
 
Oerknal - Lecture 2
Oerknal - Lecture 2Oerknal - Lecture 2
Oerknal - Lecture 2Marcel Vonk
 
Van de oerknal naar het leven - college 0
Van de oerknal naar het leven - college 0Van de oerknal naar het leven - college 0
Van de oerknal naar het leven - college 0Marcel Vonk
 
151227 doemscenario's
151227   doemscenario's151227   doemscenario's
151227 doemscenario'sMarcel Vonk
 
Donkere Materie, Donkere Energie en Entropische Zwaartekracht
Donkere Materie, Donkere Energie en Entropische ZwaartekrachtDonkere Materie, Donkere Energie en Entropische Zwaartekracht
Donkere Materie, Donkere Energie en Entropische ZwaartekrachtMarcel Vonk
 
Van Heisenberg naar Entropische Zwaartekracht
Van Heisenberg naar Entropische ZwaartekrachtVan Heisenberg naar Entropische Zwaartekracht
Van Heisenberg naar Entropische ZwaartekrachtMarcel Vonk
 
130516 snaartheorie
130516   snaartheorie130516   snaartheorie
130516 snaartheorieMarcel Vonk
 
Op zoek naar een quantumbeschrijving van de zwaartekracht
Op zoek naar een quantumbeschrijving van de zwaartekrachtOp zoek naar een quantumbeschrijving van de zwaartekracht
Op zoek naar een quantumbeschrijving van de zwaartekrachtMarcel Vonk
 
130117 heisenberg
130117 heisenberg130117 heisenberg
130117 heisenbergMarcel Vonk
 
131030 hoorcollege 4
131030 hoorcollege 4131030 hoorcollege 4
131030 hoorcollege 4Marcel Vonk
 
130918 hoorcollege 1
130918 hoorcollege 1130918 hoorcollege 1
130918 hoorcollege 1Marcel Vonk
 
Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 1
Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 1Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 1
Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 1Marcel Vonk
 
Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 2
Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 2Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 2
Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 2Marcel Vonk
 
Oerknal - Lecture 6
Oerknal - Lecture 6Oerknal - Lecture 6
Oerknal - Lecture 6Marcel Vonk
 

La actualidad más candente (20)

Higgs en het mysterie van de ontbrekende antimaterie
Higgs en het mysterie van de ontbrekende antimaterieHiggs en het mysterie van de ontbrekende antimaterie
Higgs en het mysterie van de ontbrekende antimaterie
 
Een nieuwe kijk op de zwaartekracht
Een nieuwe kijk op de zwaartekrachtEen nieuwe kijk op de zwaartekracht
Een nieuwe kijk op de zwaartekracht
 
26 ioniserende stralingen
26 ioniserende stralingen26 ioniserende stralingen
26 ioniserende stralingen
 
24 radioactiviteit
24 radioactiviteit24 radioactiviteit
24 radioactiviteit
 
Oerknal - Lecture 2
Oerknal - Lecture 2Oerknal - Lecture 2
Oerknal - Lecture 2
 
21a stralendgezond
21a stralendgezond21a stralendgezond
21a stralendgezond
 
Lezing Quantummechanica voor beginners 2014-04-30
Lezing Quantummechanica voor beginners 2014-04-30Lezing Quantummechanica voor beginners 2014-04-30
Lezing Quantummechanica voor beginners 2014-04-30
 
Van de oerknal naar het leven - college 0
Van de oerknal naar het leven - college 0Van de oerknal naar het leven - college 0
Van de oerknal naar het leven - college 0
 
22 kernfysica1
22 kernfysica122 kernfysica1
22 kernfysica1
 
151227 doemscenario's
151227   doemscenario's151227   doemscenario's
151227 doemscenario's
 
Donkere Materie, Donkere Energie en Entropische Zwaartekracht
Donkere Materie, Donkere Energie en Entropische ZwaartekrachtDonkere Materie, Donkere Energie en Entropische Zwaartekracht
Donkere Materie, Donkere Energie en Entropische Zwaartekracht
 
Van Heisenberg naar Entropische Zwaartekracht
Van Heisenberg naar Entropische ZwaartekrachtVan Heisenberg naar Entropische Zwaartekracht
Van Heisenberg naar Entropische Zwaartekracht
 
130516 snaartheorie
130516   snaartheorie130516   snaartheorie
130516 snaartheorie
 
Op zoek naar een quantumbeschrijving van de zwaartekracht
Op zoek naar een quantumbeschrijving van de zwaartekrachtOp zoek naar een quantumbeschrijving van de zwaartekracht
Op zoek naar een quantumbeschrijving van de zwaartekracht
 
130117 heisenberg
130117 heisenberg130117 heisenberg
130117 heisenberg
 
131030 hoorcollege 4
131030 hoorcollege 4131030 hoorcollege 4
131030 hoorcollege 4
 
130918 hoorcollege 1
130918 hoorcollege 1130918 hoorcollege 1
130918 hoorcollege 1
 
Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 1
Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 1Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 1
Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 1
 
Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 2
Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 2Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 2
Relativiteitstheorie 2014, hoorcollege 2
 
Oerknal - Lecture 6
Oerknal - Lecture 6Oerknal - Lecture 6
Oerknal - Lecture 6
 

Similar a Kwantumfysica / prof. dr. em. D. Van Dyck, electron microscopy for material science, UA

141007 quantumfysica
141007   quantumfysica141007   quantumfysica
141007 quantumfysicaMarcel Vonk
 
130423 quantumfysica en elemtaire deeltjes
130423   quantumfysica en elemtaire deeltjes130423   quantumfysica en elemtaire deeltjes
130423 quantumfysica en elemtaire deeltjesMarcel Vonk
 
College 5: Relativiteit
College 5: RelativiteitCollege 5: Relativiteit
College 5: RelativiteitVeenMagazines
 
College 4: Quantummechanica
College 4: QuantummechanicaCollege 4: Quantummechanica
College 4: QuantummechanicaVeenMagazines
 
Nanochemie - kwantumchemie deel 1
Nanochemie - kwantumchemie deel 1Nanochemie - kwantumchemie deel 1
Nanochemie - kwantumchemie deel 1Tom Mortier
 
College 3: Electromagnetisme
College 3: ElectromagnetismeCollege 3: Electromagnetisme
College 3: ElectromagnetismeVeenMagazines
 
140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?
140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?
140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?Marcel Vonk
 
Levensloop van Sterren - werkgroep op Woudschoten Natuurkunde 2009
Levensloop van Sterren - werkgroep op Woudschoten Natuurkunde 2009Levensloop van Sterren - werkgroep op Woudschoten Natuurkunde 2009
Levensloop van Sterren - werkgroep op Woudschoten Natuurkunde 2009Junior College Utrecht
 
121210 quantumfysica
121210   quantumfysica121210   quantumfysica
121210 quantumfysicaMarcel Vonk
 
130308 zwarte gaten
130308   zwarte gaten130308   zwarte gaten
130308 zwarte gatenMarcel Vonk
 
131127 van heisenberg naar quantumzwaartekracht
131127   van heisenberg naar quantumzwaartekracht131127   van heisenberg naar quantumzwaartekracht
131127 van heisenberg naar quantumzwaartekrachtMarcel Vonk
 
121117 firewalls
121117   firewalls121117   firewalls
121117 firewallsMarcel Vonk
 
Bessensap2014_Walter van Suijlekom
Bessensap2014_Walter van SuijlekomBessensap2014_Walter van Suijlekom
Bessensap2014_Walter van SuijlekomNWOBessensap
 

Similar a Kwantumfysica / prof. dr. em. D. Van Dyck, electron microscopy for material science, UA (20)

10 oerknal
10 oerknal10 oerknal
10 oerknal
 
10 1-oerknal
10 1-oerknal10 1-oerknal
10 1-oerknal
 
141007 quantumfysica
141007   quantumfysica141007   quantumfysica
141007 quantumfysica
 
130423 quantumfysica en elemtaire deeltjes
130423   quantumfysica en elemtaire deeltjes130423   quantumfysica en elemtaire deeltjes
130423 quantumfysica en elemtaire deeltjes
 
College 5: Relativiteit
College 5: RelativiteitCollege 5: Relativiteit
College 5: Relativiteit
 
College 4: Quantummechanica
College 4: QuantummechanicaCollege 4: Quantummechanica
College 4: Quantummechanica
 
Nanochemie - kwantumchemie deel 1
Nanochemie - kwantumchemie deel 1Nanochemie - kwantumchemie deel 1
Nanochemie - kwantumchemie deel 1
 
6-veranderende-zon
6-veranderende-zon6-veranderende-zon
6-veranderende-zon
 
College 3: Electromagnetisme
College 3: ElectromagnetismeCollege 3: Electromagnetisme
College 3: Electromagnetisme
 
Het raadsel van de eerste sterren...
Het raadsel van de eerste sterren...Het raadsel van de eerste sterren...
Het raadsel van de eerste sterren...
 
8 krab
8 krab8 krab
8 krab
 
Atoommodel
AtoommodelAtoommodel
Atoommodel
 
Mysteries in ons heelal
Mysteries in ons heelalMysteries in ons heelal
Mysteries in ons heelal
 
140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?
140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?
140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?
 
Levensloop van Sterren - werkgroep op Woudschoten Natuurkunde 2009
Levensloop van Sterren - werkgroep op Woudschoten Natuurkunde 2009Levensloop van Sterren - werkgroep op Woudschoten Natuurkunde 2009
Levensloop van Sterren - werkgroep op Woudschoten Natuurkunde 2009
 
121210 quantumfysica
121210   quantumfysica121210   quantumfysica
121210 quantumfysica
 
130308 zwarte gaten
130308   zwarte gaten130308   zwarte gaten
130308 zwarte gaten
 
131127 van heisenberg naar quantumzwaartekracht
131127   van heisenberg naar quantumzwaartekracht131127   van heisenberg naar quantumzwaartekracht
131127 van heisenberg naar quantumzwaartekracht
 
121117 firewalls
121117   firewalls121117   firewalls
121117 firewalls
 
Bessensap2014_Walter van Suijlekom
Bessensap2014_Walter van SuijlekomBessensap2014_Walter van Suijlekom
Bessensap2014_Walter van Suijlekom
 

Más de Elcker-Ik Centrum Lezingen - Cursussen - Ontmoetingen (7)

Terrorisme en radicalisering
Terrorisme en radicalisering Terrorisme en radicalisering
Terrorisme en radicalisering
 
Kant - de categorische imperatief / fundering voor de metafysica der zeden
Kant - de categorische imperatief / fundering voor de metafysica der zedenKant - de categorische imperatief / fundering voor de metafysica der zeden
Kant - de categorische imperatief / fundering voor de metafysica der zeden
 
Rutger Saafranski: Het kwaad, het drama van de vrijheid
Rutger Saafranski: Het kwaad, het drama van de vrijheidRutger Saafranski: Het kwaad, het drama van de vrijheid
Rutger Saafranski: Het kwaad, het drama van de vrijheid
 
Jicht 11 Februari 2015
Jicht 11 Februari 2015Jicht 11 Februari 2015
Jicht 11 Februari 2015
 
De euthanasiewet 11 jaar later
De euthanasiewet 11 jaar laterDe euthanasiewet 11 jaar later
De euthanasiewet 11 jaar later
 
Kolakowskispreekbeurtelcker ic
Kolakowskispreekbeurtelcker icKolakowskispreekbeurtelcker ic
Kolakowskispreekbeurtelcker ic
 
Lezing: Nano Technologie Prof. Emeritus. Dirk Van Dyck 21 oktober 2014
Lezing: Nano Technologie Prof. Emeritus. Dirk Van Dyck 21 oktober 2014Lezing: Nano Technologie Prof. Emeritus. Dirk Van Dyck 21 oktober 2014
Lezing: Nano Technologie Prof. Emeritus. Dirk Van Dyck 21 oktober 2014
 

Kwantumfysica / prof. dr. em. D. Van Dyck, electron microscopy for material science, UA

  • 1. Kwantumfysica Dirk Van Dyck. Universiteit Antwerpen Elcker-ik 31/03/2015
  • 2. Richard Feynman (1965) Ik kan gerust stellen dat niemand eigenlijk kwantummechanika begrijpt. Lezing vandaag Kwantumfysica zonder formules ?
  • 3. Kwantumfysica -Geschiedenis -Wat is kwantumfysica ? -Toepassingen van de kwantumfysica -Kunnen we kwantumfysica begrijpen?
  • 4. Situatie rond 1900 nieuwe ontdekkingen • 1895 X-stralen (Röntgen) • 1896 Radioactiviteit (Becquerel, Curie, Rutherford). • 1897 Ontdekking elektron (Thompson)
  • 5. Situatie rond 1900 Wetenschappelijke problemen • Atoomtheorie (bestaan atomen echt ?) : Einstein (1905) Brownse beweging. • Lichtsnelheid constant (Michelson- Morley): Einstein (1905) Relativiteitstheorie. • Soortelijke warmte (experiment < theorie): Einstein (1906).
  • 6. Situatie rond 1900 Wetenschappelijke problemen Start van de kwantumfysica • Stralingswetten (UV catastrofe): Planck(1900) kwantummechanica • Foto-elektrisch effect (Hertz): Einstein (1905) • Structuur van het atoom: Rutherford (1909), Bohr (1913)
  • 7. Eerste Nobelprijzen fysica • 1901 Röntgen • 1902 Lorentz, Zeeman. • 1903 Becquerel, P&M Curie 1904 Rayleigh • 1906 J.J Thompson. • 1908 Michelson • 1908 Rutherford (radioactiviteit, niet atoommodel) • 1918 Planck (kwantummechanica) • 1921 Einstein (foto- elektrisch effect).
  • 8. Solvay conferenties ( 7 conseils de physique tussen 1911 en 1933) •Ernest Solvay: autodidact , rijke ondernemer •Op initiatief van Nernst (>< Arhennius) •Einstein kritisch (“heksensabbat”). Overtuigd door Lorentz. •Nagenoeg geen Engelsen (Solvay te “links”).
  • 9. Solvay conferentie 1911 (Brussel Hotel Metropole)
  • 10. Solvay conferentie 1927: kwantummechanica
  • 11. Begin van de kwantummechanica • Planck (1900) : Sleutelt aan de theorie van de zwarte straler. Energie kan slechts in pakketjes bestaan. Maar hij gelooft eerder in wiskundig trukje • Einstein (1905) toont aan dat de straling ook echt gekwantiseerd is en verklaart het foto-elektrisch effect als een botsing tussen foton en elektron • Bohr: verbetert het atoommodel van Rutherford met de kwantisatie van de straling (energie niveaus)
  • 13. Begin van de kwantummechanica • Planck (1900) : Sleutelt aan de theorie van de zwarte straler. Energie kan slechts in pakketjes bestaan. Maar hij gelooft eerder in wiskundig trukje • Einstein (1905) toont aan dat de straling ook echt gekwantiseerd is en verklaart het foto-elektrisch effect als een botsing tussen foton en elektron • Bohr: verbetert het atoommodel van Rutherford met de kwantisatie van de straling (energie niveaus)
  • 14. Elektromagnetische golven Voorspeld door Maxwell (1873) Eerste experiment Hertz (1887) Toepassingen Marconi (1889)
  • 15. Foto-Elektrisch effect (Hertz 1887) Vonken ontstaan gemakkelijker als het metaal belicht wordt met UV licht
  • 16. Foto-elektrisch effect Werkt met blauw licht maar niet met rood.
  • 17. Begin van de kwantummechanica • Planck (1900) : Sleutelt aan de theorie van de zwarte straler. Energie kan slechts in pakketjes bestaan. Maar hij gelooft eerder in wiskundig trukje • Einstein (1905) toont aan dat de straling ook echt gekwantiseerd is en verklaart het foto-elektrisch effect als een botsing tussen foton en elektron • Bohr: verbetert het atoommodel van Rutherford met de kwantisatie van de straling (energie niveaus)
  • 18. Atoommodel van Bohr-Rutherford Energieniveaus van het elektron gekwantiseerd Uitgezonden licht gekwantiseerd (spectroscopie)
  • 19. Begin van de kwantummechanica • Planck (1900) : Sleutelt aan de theorie van de zwarte straler. Energie kan slechts in pakketjes bestaan. Maar hij gelooft eerder in wiskundig trukje • Einstein (1905) toont aan dat de straling ook echt gekwantiseerd is en verklaart het foto-elektrisch effect als een botsing tussen foton en elektron • Bohr: verbetert het atoommodel van Rutherford met de kwantisatie van de straling (energie niveaus)
  • 20. Kwantumfysica -Geschiedenis -Wat is kwantumfysica ? -Toepassingen van de kwantumfysica -Kunnen we kwantumfysica begrijpen?
  • 21. Richard Feynman (1959) : “There's Plenty of Room at the Bottom”. An Invitation to enter a New Field of Physics “Wanneer we die zeer kleine wereld betreden dan merken we plots dat de atomen zich niet meer gedragen volgens de klassieke wetmatigheden van onze dagelijks wereld. Ze volgen de wetten van de kwantumechanika. En nieuwe wetten geven ook mogelijkheden om nieuwe dingen te maken.
  • 22. Het geheim van de kwantumfysica • Op microscopische schaal zijn er alleen golven. Dus golfmechanica • Zolang we niet interageren gedraagt elk deeltje zich als een golf. • Hoe lichter het deeltje hoe groter de golflengte (formule van De Broglie (1924)). • Dus alleen van de lichtste deeltjes (elektronen, fotonen) kunnen we het golfkarakter goed waarnemen.
  • 23. sJh ••= −34 106,6met (constante van Planck) deeltjeseigenschapgolfeigenschap vm h • =brogliede λ Formule van De Broglie (1924) h is uiterst klein Golfkarakter manifesteert zich pas als m zeer klein is
  • 25.
  • 26.
  • 27.
  • 28. Interferentie van golven In fase: versterking In tegenfase: uitdoving
  • 30. …… golfmodel van Huyghens ! constructieve interferentie: in fase ! destructieve interferentie: in tegenfase !
  • 31.
  • 32.
  • 33.
  • 34.
  • 35.
  • 36. Smalle spleet : grote hoek Brede spleet: kleine hoek Breedte spleet x breedte hoek = constant Onzekerheidsrelatie van Heisenberg
  • 38. Golven lopen heen en weer. Als de heengaande golf samenvalt met de terugkerende golf ontstaat constructieve interferentie 1 2 L λ = × 2 2 L λ = × 3 2 L λ = × 4 2 L λ = × 5 2 L λ = × 6 2 L λ = × 1 1 v v T en T v of f f f λ λ λ = × = ⇒ = × = Er zijn enkel staande golven mogelijk waarbij 2 met = een geheel,positief getal L n n λ × = met = een geheel,positief getal 2 v f n n L = × × Staande golven
  • 39. Demonstratie proeven Veer: staande golven in 1D Trilplaat: staande golven in 2D Video: Staande golven op brug
  • 41. Het opsluiten van deeltjesgolven leidt tot staande golven dus kwantisatie van de energie Dus kwantisatie is een gevolg van het golfkarakter 1 2 L λ = × 2 2 L λ = × 3 2 L λ = × 4 2 L λ = × 5 2 L λ = × 6 2 L λ = × Er zijn enkel staande golven mogelijk waarbij 2 met = een geheel,positief getal L n n λ × = Opsluiten van een deeltje (elektron)
  • 42. Onzekerheidsrelaties van Heisenberg (cfr diffractie aan spleet) π4 h px ≥∆•∆ hierin is h de constante van Planck constante≥∆•∆ vx Men kan nooit tegelijk plaats en snelheid van een deeltje bepalen
  • 43. Kunnen we een elektron opsluiten ? • Waterstof atoom • Elektron wordt aangetrokken door proton • Elektron cirkelt rond proton • Centripetale kracht Kc = mv2 /r • Elektrostatische kracht Ke = α.e2 /r2 • Evenwicht Kc = Ke
  • 44. Kunnen we een elektron opsluiten ? • Elektron “opgesloten” in potentiaalput van proton • De Broglie relatie h/λ = m.v • Staande golf past de cirkelomtrek 2.π.r = n.λ • Samen levert dit r = R = h2 /((2.π)2 .α.m.e2 • R is de Bohrstraal = 0.05 nm. • Diameter atoom is van de orde van 0.1 nm. • Energie is gekwantiseerd E = EB/n2 • Kwantisatie is een gevolg van golfkarakter
  • 45. Atoommodel van Bohr-Rutherford Energieniveaus van het elektron gekwantiseerd Uitgezonden licht gekwantiseerd (spectroscopie)
  • 46. 46 Hoe klein is een atoom?
  • 47. 47 eGalaxies - Telescopes Nanocrystals - Microscopes Stefan Hinderberger, NCEM 1022 Sterren in het universum. 1022 Atomen in een gram aluminium
  • 48. Golf of Deeltje ? Microscopische wereld • Alleen golfkarakter (zolang we niet interageren) • Golffunctie heeft amplitude en fase (2D) • Complexe notatie • Golfvergelijking (Schrödinger vergelijking) • Golfeigenschappen • Interferentie, staande golven
  • 49. Golf of Deeltje ? Macroscopische wereld • Hoe zwaarder deeltje hoe kleiner golflengte • Zwaar deeltje : destructieve interferentie • Fase-informatie niet meer waarneembaar • Het deeltje wordt “reëel” (1D)
  • 50. Golf of Deeltje ? Waarneming van een deeltje • Interactie met de macro wereld. • Door destructieve interferentie verdwijnt de fase informatie (niet meer meetbaar). • Colllaps van de golffunctie • Alleen nog amplitude (intensiteit),geen fase. • Van 2D naar 1D • Intensiteit = probabiliteit • Kopenhagen interpretatie (Bohr).
  • 51. Detectie van een deeltje
  • 52. Intensiteit = waarschijnlijkheid waarschijnlijkheden:intensiteiten: De kwantummechanica beschrijft niet de beweging van elk individueel elektron, maar wel de waarschijnlijkheid om dat elektron ergens te detecteren. Wat golft er ?? kans of waarschijnlijkheid om een elektron daar aan te treffen ! Waarschijnlijkheidsgolven: - niet reëel waarneembaar - verklaren goed de waargenomen verschijnselen
  • 53. Elektronen zijn golven. Intensiteit = waarschijnlijkheid Physics World (Poll 2002) : The most beautiful experiment in physics. Merli,Missiroli,Pozzi (Bologna1976)
  • 55. Solvay conferentie 1927: kwantummechanica
  • 56. Solvay conferentie 1927 • Levendig debat Einstein-Bohr • Bohr: Kopenhageninterpretatie (statistisch). • Einstein: “God würfelt nicht”
  • 57. Solvay conferentie 1927: vervolg • Einstein Podolski Rosen (EPR) paradox (1935) • Verborgen variabelen • Bell ongelijkheden : Kwantumfysica is statistisch • Spooky action on a distance (kwantum verstrengeling, -teleportatie, -encriptie,-computing.. ) • Experimenten Aspect , Clauser, Zeilinger…
  • 58. Kwantumfysica -Geschiedenis -Wat is kwantumfysica ? -Toepassingen van de kwantumfysica -Kunnen we kwantumfysica begrijpen?
  • 59. 59 kwantum eigenschappen van deeltjes • Golfkarakter • Foto-elektrisch effect (fotocel,LED,Laser) • Opsluiting (confinement) : kwantisatie • Kwantumchemie: atomen aan oppervlak hebben andere eigenschappen • …
  • 60. De elektronenmicroscoop Microscoop: scheidend vermogen beperkt tot de golflengte (licht = micrometer). Elektronen kunnen ook worden gebruikt voor mikroscopie Hoe sneller het elektron, hoe korter de golflengte 300.000 Volt  2 picometer Kan men atomen zien?
  • 61.
  • 62. 62 STEM / HRTEM : Scanning coils preparaat gefocuseerde bundel HAADF detector Beeldfilter In staat om elk atoom af te beelden Spectroscopische informatie van één atoomkolom (energie resolutie ~ 50 meV) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 390 400 410 420 430 440 On core Off core Counts(arb.unit) Energy Loss (eV) Beeld lokaal energiespectrum dislocatie kern in GaN [0001] 0.2 nm ref. N. Browning, C. Kisielowski Atomen zien en meten Elektronenmicroscopie
  • 63. 63 Nieuwe nanostructuren Opbouw atoom per atoom Structuur met collectief golfkarakter
  • 64. 64 kwantum eigenschappen van deeltjes • Golfkarakter • Foto-elektrisch effect (fotocel,LED,Laser) • Opsluiting (confinement) : kwantisatie • Kwantumchemie: atomen aan oppervlak hebben andere eigenschappen • …
  • 66. Werking van de LED : foto-elektrisch effect
  • 68.
  • 69. 69 kwantum eigenschappen van deeltjes • Golfkarakter • Foto-elektrisch effect (fotocel,LED,Laser) • Opsluiting (confinement) : kwantisatie • Kwantumchemie: atomen aan oppervlak hebben andere eigenschappen • …
  • 70. 70 Kwantumstippen hebben een unieke elektronische struktuur Energylevels Absorption Radiationless decay Fluorescence Valence Band Band gap Small Molecules Qdots Semiconductors Conduction Band
  • 71. 71 Quantum dots change color with size because additional energy is required to “confine” the semiconductor excitation to a smaller volume. Optische eigenschappen van kwantumstippen (kleur afhankelijk van het volume)
  • 72.
  • 73. 73 Kwantumstip: spectrale barcode Wavelength (nm) Wavelength ( nm ) Conventionalbarcodes-linethicknessandspacinggivecode Qdotspectralcodes-emissioncolorsdeterminecode. Can'barcode'cells,beads,…
  • 74. 74 Gebruik van kwantumstippen • Biolabels voor : flow cytometrie microarray analyse (gene chips) fluorescentie microscopie (cel analyse) • Fotovoltaïsche cellen • Omzetten van blauw LED licht in wit • Kleurscherm voor TV
  • 75. 75 Core Nanocrystal Inorganic Shell Capping Group Organic coating Functionality Crosslinker and Biomolecule Kwantumstip bio-probe
  • 77. http://www.azonano.com/details.asp?ArticleID=2428 A p-n junction is formed by placing p-type and n-type semiconductors next to one another. The p-type, with one less electron, attracts the surplus electron from the n-type to stabilize itself. Thus the electricity is displaced and generates a flow of electrons, otherwise known as electricity. When sunlight hits the semiconductor, an electron springs up and is attracted toward the n-type semiconductor. This causes more negatives in the n-type semiconductors and more positives in the p-type, thus generating a higher flow of electricity. This is the photovoltaic effect. Kwantum stippen voor fotovoltaïsche cel
  • 78. Witte LED met kwantumstippen
  • 79. Warm-witte LED met gebruik van kwantum dots
  • 80. Samsung SUHD TV Quantum Dot technology from Nanosys(feb 2015)
  • 81. 81 kwantum eigenschappen van deeltjes • Golfkarakter • Foto-elektrisch effect (fotocel,LED,Laser) • Opsluiting (confinement) : kwantisatie • Kwantumchemie: atomen aan oppervlak hebben andere eigenschappen • …
  • 82. Nano eigenschappen I: Oppervlakte/Volume ratio http://www.youtube.com/watch?v=2NySRur62gg
  • 83. 83 Nanodeeltjes als katalysatoren Zeer grote verhouding oppervlakte/volume
  • 84. Katalytische activiteit van goud nanoclusters Meest actieve grootte : 3-3.5 nm Science, 281 (1998) 1647
  • 85. Nieuwe trend : hybride materialen Nanodeeltjes in poreuze materialen katalytische activiteit en selectiviteit EMAT voorbeeld: nanodeeltjes (Au, Ru, Pd, Cu) in metaal organisch framework met extreem hoge katalytische activiteit
  • 86. Natuurlijke fotosynthese Artificiele fotosynthese Efficient to sustain live Efficient to sustain fuel? Substrate Energie problematiek : HELIOS project (VS) •Earth abundant materials •Low cost (coal)
  • 87. Kwantumfysica -Geschiedenis -Wat is kwantumfysica ? -Toepassingen van de kwantumfysica -Kunnen we kwantumfysica begrijpen?
  • 89. waarnemingen hypothese(n) voorspelling door logisch redeneren binnen een model het experiment bevestigt de voorspelling wel ! het experiment bevestigt de voorspelling niet
  • 90. Begrijpen we de mechanica? • Het wiskundig model (wetten van Newton) laat toe elk mogelijk experiment uit de mechanica correct te voorspellen. • Dan kunnen we toch stellen dat men de mechanica begrijpt (cfr de Turing test voor computer intelligentie). • Maar het model bevat grootheden die niet zelf observeerbaar zijn (bvb kracht, tijd..) • Maar door eigen ervaring als bewegend object zijn we daarmee vertrouwd.
  • 91. De grot van Plato • Volgens Plato (500 BC) was de gehele materiële kosmos doordrongen van wiskundige verhoudingen en kon de natuurkunde worden uitgedrukt in wiskundige vergelijkingen, maar is onze dagelijkse wereld chaotisch. • De metafoor van de grot beschrijft de relatie van de menselijke kennis tot de realiteit.
  • 92. De grot van Plato
  • 93. Kwantumfysica en de grot van Plato • Kwantumwereld (golfwereld) ligt buiten de grot • Beschreven met amplitude en fase (complexe getallen) • De reële wereld is de achterkant van de grot • Meting geeft alleen deeltjes • Waarschijnlijkheid = intensiteit (amplitude)2 • Dus projectie van 2D naar 1D • We kunnen elke projectie berekenen en voorspellen • Dus begrijpen we de kwantumfysica
  • 95. Evolutie: niveaus van (zelf) organisatie (moleculair darwinisme) complexiteit tijd Atomen >moleculen > koolstofketens > nucleotiden(4) > aminozuren(20) > DNA > genen > proteïnen (50000, 3D) > organellen > cellen > meercelligen > planten >dieren > mens > mensheid
  • 96. Filogenetische stamboom van cytochroom: aantal nucleotiden. ( R. Knippers).
  • 97. fhE •=foton h is de constante van Planck sJh ••= −34 106,6
  • 100. Begrijpen we negatieve getallen in een positieve wereld? • Rekenkundig probleem • x + a = b x = ? • x + a + (-a) = b + (-a) symmetrisch element • (x + a) + (-a) = x + (a + (-a)) associatief • x + 0 = b + (-a) neutraal element • x = c inwendig • (-a) is negatief en niet direct aanwezig in de positieve wereld, dus abstract • Maar wiskundige structuur (groep) geeft een methode waarmee elk rekenkundig probleem kan worden opgelost (zelfs in de positieve wereld) • Dus het compacte model primeert op het gebruik van abstracte begrippen.
  • 101. Electrostatica: positieve en negatieve ladingen. Neutraliseert op grote afstand Domineert de microwereld van de atomen (kernen niet bespreken) gravitatie: alleen positieve massa’s Maar veel zwakker dan elektrostatica Dus alleen belangrijk bij zeer grote massa’s (sterren, planeten). Domineert de macrowereld Microwereld-Macrowereld
  • 102. Opbouw (biochemie) microwereld Maar ervaringswereld makrowereld Antropisch principe Om bewust te zijn van onze situatie moeten we voldoende hersenen hebben Dat bepaalt onze afmeting en tijdsschaal Waar situeert zich de mens ?
  • 103. Begin van de kwantum(golf)mechanica • De Broglie : golf-deeltje dualiteit (1924) • Examencommissie kan doctoraat niet beoordelen • Promotor Langevin vraagt advies aan Einstein Einstein: “De Broglie heeft het grote mysterie ontraadseld” • Experimenten elektronen diffractie (Davisson, Germer, Thomson, Elzasser) • Schrödinger vergelijking • Born, Heisenberg, Jordan,Pauli…
  • 104. 104 De wet van Moore
  • 106. 106 De ultieme limieten van Nano Hoever staan we? • Het atoom: bouwsteen (alfabet) van de materie • Opbouw van onderuit atoom per atoom • Het electron als kleinste schakeleenheid • Eigenschappen begrijpen en voorspellen • Toegepaste kwantumtheorie
  • 108.
  • 109.
  • 110. Ingredienten Deeltjes: proton, electron…… Krachten: elektrostatica, gravitatie… Wetten : mechanica ,elektromagnetisme… Golfkarakter van deeltje (De Broglie). Hoe is de natuur opgebouwd?
  • 111. Dualiteit golf-deeltje (licht) fhE •=foton sJh ••= −34 106,6met (constante van Planck) deeltjeseigenschap golfeigenschap
  • 112. On zeker heid srelat ies van Heisenb er g Me nk an nooit tege lijk pl aats e ni mpuls (of ene rgi e e nti jds tip) van e en de eltj e bepalen 4 h x p π ∆ × ∆ ≥ constantex v∆ × ∆ ≥ p m vγ= × × 4 h E t π ∆ × ∆ ≥
  • 113. Begrijpen we de mechanica? • -Alle experimenten zijn samengevat in de vergelijkingen van Newton (of Langrange-Hamilton). • -Dit is de meest compacte voorstelling van de waarnemingen (Occam principe). • -Wij kunnen alleen de plaats van objecten observeren • -Alle afgeleide begrippen (kracht, tijd..) zijn nodig om de voorstelling compacter te maken • -De wiskunde (infinitesimaalanalyse) geeft de meest compacte taal • -Dus is de wiskunde inherent (universeel) aanwezig (?)

Notas del editor

  1. Wat is een competentie? Een competentie is een geïntegreerde basiscluster van kennis, vaardigheden en attitudes. Daar waar in traditioneel onderwijs hoofdzakelijk de reproductie van kennis benadrukt werd, zijn ook vaardigheden en attitudes van belang in competentiegericht onderwijs.
  2. Wat is een competentie? Een competentie is een geïntegreerde basiscluster van kennis, vaardigheden en attitudes. Daar waar in traditioneel onderwijs hoofdzakelijk de reproductie van kennis benadrukt werd, zijn ook vaardigheden en attitudes van belang in competentiegericht onderwijs.
  3. Wat is een competentie? Een competentie is een geïntegreerde basiscluster van kennis, vaardigheden en attitudes. Daar waar in traditioneel onderwijs hoofdzakelijk de reproductie van kennis benadrukt werd, zijn ook vaardigheden en attitudes van belang in competentiegericht onderwijs.
  4. Presentation is a collaboration among scientists at five institutions.
  5. Wat is een competentie? Een competentie is een geïntegreerde basiscluster van kennis, vaardigheden en attitudes. Daar waar in traditioneel onderwijs hoofdzakelijk de reproductie van kennis benadrukt werd, zijn ook vaardigheden en attitudes van belang in competentiegericht onderwijs.