Kwantummechanica - Deeltje in een doos

Kwantummechanica
Deeltje in een doos
1 / 32
volgende
Slide 1: Tekstslide
NatuurkundeMiddelbare schoolhavo, vwoLeerjaar 5,6

In deze les zitten 32 slides, met tekstslides.

time-iconLesduur is: 45 min

Onderdelen in deze les

Kwantummechanica
Deeltje in een doos

Slide 1 - Tekstslide

Hoofdstuk Kwantummechanica
Kwantummechanica - Deeltje in een doos

Kwantummechanica - Deeltjesverschijnselen
Kwantummechanica - Golfverschijnselen


Kwantummechanica - Het atoommodel
Kwantummechanica - Onzekerheid
Kwantummechanica - Tunneling


Slide 2 - Tekstslide

Leerdoelen
Aan het eind van de les kun je...

... 

Slide 3 - Tekstslide

Beschouw een deeltje in een doos (afgesloten ruimte)






















Het simpelste kwantumsysteem

Slide 4 - Tekstslide

Beschouw een deeltje in een doos (afgesloten ruimte)




Als de doos groot is ten opzichte van de kansgolf van het deeltjes, dan zal de kansgolf zich als een deeltje gedragen. De kansgolf zal dan heen en weer botsen in het doosje alsof het een deeltje is


















Het simpelste kwantumsysteem

Slide 5 - Tekstslide

Als de doos echter klein is ten opzichte van de kansgolf, dan beginnen we golfverschijnselen te merken. 




















Het simpelste kwantumsysteem

Slide 6 - Tekstslide

Als de doos echter klein is ten opzichte van de kansgolf, dan beginnen we golfverschijnselen te merken. 

Golf reflecteert tegen de wanden                                                    




















Het simpelste kwantumsysteem

Slide 7 - Tekstslide

Als de doos echter klein is ten opzichte van de kansgolf, dan beginnen we golfverschijnselen te merken. 

Golf reflecteert tegen de wanden → interfereert met zichzelf 




















Het simpelste kwantumsysteem

Slide 8 - Tekstslide

Als de doos echter klein is ten opzichte van de kansgolf, dan beginnen we golfverschijnselen te merken. 

Golf reflecteert tegen de wanden → interfereert met zichzelf 
→ staande golf met knopen en buiken



















Het simpelste kwantumsysteem

Slide 9 - Tekstslide

Als de doos echter klein is ten opzichte van de kansgolf, dan beginnen we golfverschijnselen te merken. 

Golf reflecteert tegen de wanden → interfereert met zichzelf 
→ staande golf met knopen en buiken


















Het simpelste kwantumsysteem
L=21λn

Slide 10 - Tekstslide

Als de doos echter klein is ten opzichte van de kansgolf, dan beginnen we golfverschijnselen te merken. 

Golf reflecteert tegen de wanden → interfereert met zichzelf 
→ staande golf met knopen en buiken




Met natuurlijk:
n = 1 voor de grondtoestand
n = 2 of hoger de aangeslagen toestanden














Het simpelste kwantumsysteem
L=21λn

Slide 11 - Tekstslide

Hieronder een aantal toestanden van een deeltje in de doos 











Hoe groter de amplitude van de kansgolf, hoe meer kans dat je het deeltje daar zal aantreffen
Het simpelste kwantumsysteem

Slide 12 - Tekstslide

Om de energie van een kwantumdeeltje in een doos af te leiden, wordt gebruik gemaakt van de volgende formules:
De energie van het simpelste kwantumsysteem
L=21λn
λ=ph=mvh

Slide 13 - Tekstslide

Om de energie van een kwantumdeeltje in een doos af te leiden, wordt gebruik gemaakt van de volgende formules:
{
De energie van het simpelste kwantumsysteem
L=21λn
λ=ph=mvh

Slide 14 - Tekstslide

Om de energie van een kwantumdeeltje in een doos af te leiden, wordt gebruik gemaakt van de volgende formules:
{
De energie van het simpelste kwantumsysteem
L=21λn
λ=ph=mvh
L=21mvhn

Slide 15 - Tekstslide

Om de energie van een kwantumdeeltje in een doos af te leiden, wordt gebruik gemaakt van de volgende formules:
{
De energie van het simpelste kwantumsysteem
L=21λn
λ=ph=mvh
L=21mvhn
L=2mvhn

Slide 16 - Tekstslide

Om de energie van een kwantumdeeltje in een doos af te leiden, wordt gebruik gemaakt van de volgende formules:
{
De energie van het simpelste kwantumsysteem
L=21λn
λ=ph=mvh
L=21mvhn
L=2mvhn
v=2mLhn

Slide 17 - Tekstslide

Om de energie van een kwantumdeeltje in een doos af te leiden, wordt gebruik gemaakt van de volgende formules:
{
De energie van het simpelste kwantumsysteem
L=21λn
λ=ph=mvh
L=21mvhn
L=2mvhn
v=2mLhn
}

Slide 18 - Tekstslide

Om de energie van een kwantumdeeltje in een doos af te leiden, wordt gebruik gemaakt van de volgende formules:
{
De energie van het simpelste kwantumsysteem
L=21λn
λ=ph=mvh
L=21mvhn
L=2mvhn
v=2mLhn
Ekin=21mv2
}

Slide 19 - Tekstslide

Om de energie van een kwantumdeeltje in een doos af te leiden, wordt gebruik gemaakt van de volgende formules:
{
De energie van het simpelste kwantumsysteem
L=21λn
λ=ph=mvh
L=21mvhn
L=2mvhn
v=2mLhn
Ekin=21mv2
Ekin=21m(2mLhn)2
}

Slide 20 - Tekstslide

Om de energie van een kwantumdeeltje in een doos af te leiden, wordt gebruik gemaakt van de volgende formules:
{
De energie van het simpelste kwantumsysteem
L=21λn
λ=ph=mvh
L=21mvhn
L=2mvhn
v=2mLhn
Ekin=21mv2
Ekin=21m(2mLhn)2
Ekin=21m22m2L2h2n2
}

Slide 21 - Tekstslide

Om de energie van een kwantumdeeltje in een doos af te leiden, wordt gebruik gemaakt van de volgende formules:
{
De energie van het simpelste kwantumsysteem
L=21λn
λ=ph=mvh
L=21mvhn
L=2mvhn
v=2mLhn
Ekin=21mv2
Ekin=21m(2mLhn)2
Ekin=21m22m2L2h2n2
En=8mL2h2n2
}

Slide 22 - Tekstslide

Om de energie van een kwantumdeeltje in een doos af te leiden, wordt gebruik gemaakt van de volgende formules:
{
De energie van het simpelste kwantumsysteem
L=21λn
λ=ph=mvh
L=21mvhn
L=2mvhn
v=2mLhn
Ekin=21mv2
Ekin=21m(2mLhn)2
Ekin=21m22m2L2h2n2
En=8mL2h2n2
}

Slide 23 - Tekstslide






Het elektron in het doosje kan niet zomaar elke kinetische energie en dus niet elke snelheid kan aannemen
Alleen de waarden die overeenkomen met de staande golven zijn mogelijk. 
De energie is gekwantiseerd (heeft een vaste hoeveelheid).
Zelfs in grondtoestand heeft het deeltje nog energie → nulpuntsenergie























Consequenties
En=8mL2h2n2

Slide 24 - Tekstslide

Antwoord:








q = e, het elementair ladingsquantum
In deze opdracht gaan we afleiden op welke afstanden de schillen zich bevinden in het waterstofatoom.

a. Voor het elektron in zijn baan om het proton in het waterstofatoom geldt:




Opdracht 3a van WS
Felek=Fmpz
r2fq1q2=rmv2
rfq1q2=mv2
rfe2=mv2
rfe2=mv2

Slide 25 - Tekstslide

Antwoord:
Er past telkens een heel aantal golven in een schil. De omtrek van de schil is gelijk aan de
omtrek van een cirkel. Er geldt dus:


Als we dit combineren met                               , dan vinden we:


Als we dit omschrijven, dan vinden we:




b. Niels Bohr stelde het elektron in waterstof voor als een golf die rond het proton draaide (zie de onderstaande afbeelding).








Hij leidde hiermee af dat de snelheid van het elektron in de nde schil gelijk is aan:



Er geldt hier dat ℏ gelijk is aan                  .
Leid deze formule af.




Opdracht 3b van WS
2πr=nλ
vn=mrn
=2πh
λ=ph=mvh
(λ=)  mvh=n2πr
hn=2πrmv
v=2πmrhn
v=2πhmrn=mrn

Slide 26 - Tekstslide

Antwoord:
Van vraag a hebben we:



Als we dit combineren met                     , dan vinden we:










                                           voor n = 1:









c. Laat nu zien dat:

                                        

 waarin:


                                               










Opdracht 3c van WS
rn=n2r12
r1=fme22
rfe2=mv2
vn=mrn
rfe2=m(mrn)2
rfe2=m2r2mn22
fe2=mrn22
r=fme2n22
r1=fme22
fe2mr=n22

Slide 27 - Tekstslide

Antwoord:




Met                           vinden we:






Met                        vinden we dan:














d. We gaan nu naar de energie van het elektron in het waterstofatoom kijken. Er geldt:

                                        

De eerste term is de bekende kinetische energie van het elektron en de tweede term de elektrische energie van het elektron.
Laat hiermee zien dat:


                                               










Opdracht 3d van WS
Etot=21mv2rfe2
En=n21(2r1fe2)
Etot=21mv2rfe2
rfe2=mv2
Etot=21rfe2rfe2=21rfe2
Etot=2rfe2
rn=n2r12
En=n21(2r1fe2)
Etot=2n2r12fe2

Slide 28 - Tekstslide

Antwoord:



Met r1 als a0 voor de Bohrradius (BINAS T7)












In elektronvolt (eV)















e. Reken de constante tussen haakjes uit en laat hiermee zien dat deze formule geschreven kan worden als de formule uit de paragraaf:
                                        



Met En in eV.



                                               










Opdracht 3e van WS
En=n213,60
En=n21(2r1fe2)
En=n21(25,291772109210118,98755109(1,60211019)2)
En=n22,17941018
En=n21(1,602110192,17941018)
En=n213,60

Slide 29 - Tekstslide

Maken opgaven 1 t/m 7 van WS



Opgaven

Slide 30 - Tekstslide

Opgaven
Opgave 1
Copernicus kwam als eerste met bewijs voor het heliocentrische model.
a. Wat is het heliocentrische model?
b. Welk bewijs vond hij? Gebruik in je antwoord in ieder geval het woord retrograde beweging.

Opgave 2
Galileo vond tevens een bewijs dat het geocentrische model verwierp. Welk bewijs vond hij en waarom verwierp dit het geocentrische model?

Opgave 3
Toen men nog geloofde dat de aarde niet om zijn eigen as draait, moest men aannemen dat de sterren elke 24 uur een rondje om de aarde maakten. Leg uit waarom men dit dacht.
Opgave 4
De maan draait in iets meer dan 27 dagen in een baan om de aarde.
a. Leg uit wanneer zons- en maansverduisteringen plaatsvinden tijdens deze beweging.
b. Leg uit waarom niet elke 27 dagen een zons- of maansverduistering plaatsvindt.
c. Leg uit of er in de middag een volle maan zichtbaar kan zijn.

Slide 31 - Tekstslide

Opgaven
Opgave 1
Copernicus kwam als eerste met bewijs voor het heliocentrische model.
a. Wat is het heliocentrische model?
b. Welk bewijs vond hij? Gebruik in je antwoord in ieder geval het woord retrograde beweging.

Opgave 2
Galileo vond tevens een bewijs dat het geocentrische model verwierp. Welk bewijs vond hij en waarom verwierp dit het geocentrische model?

Opgave 3
Toen men nog geloofde dat de aarde niet om zijn eigen as draait, moest men aannemen dat de sterren elke 24 uur een rondje om de aarde maakten. Leg uit waarom men dit dacht.
Opgave 4
De maan draait in iets meer dan 27 dagen in een baan om de aarde.
a. Leg uit wanneer zons- en maansverduisteringen plaatsvinden tijdens deze beweging.
b. Leg uit waarom niet elke 27 dagen een zons- of maansverduistering plaatsvindt.
c. Leg uit of er in de middag een volle maan zichtbaar kan zijn.

Slide 32 - Tekstslide