Difração de elétrons por uma fenda

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1 Difração de elétrons por uma fenda Uma introdução à formulação de Feynman da mecânica quântica A C Tort 1 1 Departmento de Física Teórica Instituto Física Universidade Federal do Rio de Janeiro 29 de Março de 2012

2 Roteiro A formulação de Feynman da MQ O propagador da partícula livre Difração de fenda única

3 A Formulação de Feynman da MQ A ação clássica: onde S = tb t a L(x, ẋ, t) dt L(x, ẋ, t) = m 2 ẋ 2 V(x, t) é a lagrangiana do sistema clássico.

4 A equação de movimento clássica segue da condição: δ S = 0 que leva à: d dt ( ) L L ẋ x = 0

5 Exemplo: O.H.S. L(x, ẋ, t) = m 2 ẋ 2 κ 2 x 2 Segue que: L ẋ = mẋ L x = κx d dt (m ẋ) + κx = 0 m ẍ + κx = 0

6 Sabendo a solução da equação de movimento podemos calcular a ação clássica. Para a partícula livre ẋ = constante, logo: S = tb t a m 2 ẋ 2 dt = m tb 2 ẋ 2 t a dt = m 2 ẋ 2 (t b t a ) Como: segue que: ẋ = x b x a t b t a S = m 2 (x b x a ) 2 t b t a

7 Richard Feynman, seguindo uma sugestão de P. A. M. Dirac ( ), propôe uma formulação integral para a MQ: Figura: R. Feynman ( ). A formulação de integral de caminho!

8 A formulação de Feynman: A amplitude quanto-mecânica de propagação de (x a, t a ) até (x b, t b ): onde K (b, a) = todos os caminhos de a até b φ[x (t)] ( ) i φ[x (t)] = C exp S [x (t)]

9 O propagador da partícula livre t b t j+1 t j ǫ t a x a x j x j+1 x b

10 K(b, a) lim ε 0.. exp im 2i ε N ( ) 2 xj x j 1 dx 1..dx N 1 Para transformar " "em "=", multiplicar a expressão acima por: ( 2πi ε m ) N/2 j=1 para trabalhar com a medida de integração correta.

11 Usando o resultado: + exp [ a(x 1 x) 2 + b(x 2 x) 2] [ ] π ab dx = a + b exp a + b (x 2 x 1 ) 2 é possível efetuar todas as integrais!!! O resultado final é o propagador da partícula livre: [ ] ] m 1/2 [im(x K (b, a) = exp b x a ) 2 2πi (t b t a ) 2 (t b t a )

12 Difração de fenda única ψ (x, T + τ) = +b b K (x 0 + x, T + τ; x 0 + y, T) K (x 0 + y, T;0, 0) dy

13 Da origem (x a = 0, t a = 0) até um ponto da fenda (x b = x 0 + y, t b = T ): K(x 0 + y, T;0, 0) = [ ( m ) 1/2 im exp 2πi T 2 ] 2 (x 0 + y 0) (T 0) De um ponto da fenda (x a = x 0 + y, t a = T ) até um ponto no anteparo (x b = x 0 + x, t b = T + τ): K(x 0 + y, T;0, 0) = [ ( m ) 1/2 im exp 2πi τ 2 ] 2 (x 0 + x x 0 y) (T + τ T) Para uma fenda retangular é muito difícil efetuar o cálculo!!

14 A fenda gaussiana: G(y) = exp ( y 2 ) 2b 2 ψ (x, t) = + (em t = T + τ). K (x 0 + x, T + τ; x 0 + y, T) G(y)K (x 0 + y, T;0, 0)dy

15 A integral que deve ser calculada é: ψ(x) = m 2πi τt + exp { [ ] } im (x y) 2 + (x 0 + y) 2 y 2 2 τ T 2b 2 dy Para efetuar a integral usamos o resultado: + exp ( ) ) π Au 2 + Bu du = ( A exp B2 4A

16 O resultado é: (m 2/ ) 2 2 τ 2 (x v 0 τ) 2 ψ(x, T + τ) = F(τ, T)exp (iφ) exp (m/ ) ( i τ + i ) T 1 b 2 onde: m 1 F (τ, T) = 2πi T + τ + i b 2 m τt φ = m ( ) x 2 2 τ + v 0 2 T

17 A densidade de probabilidade no anteparo é dada por: [ ] P(x) = ψψ = m b 1 2π T x exp (x v 0τ) 2 ( x) 2 com: ( x) 2 = b 2( 1 + τ T ) τ 2 b 2 m 2 = b τ 2 b 2 m 2 O primeiro termo nos dá a dispersão clássica, e o segundo a correção quântica.

18 Interpretação física do primeiro termo:

19 ( b 1 = b 1 + τ ) T

20 A interpretação física do segundo termo: princípio da incerteza b m δv 0, δv 0 bm ( x) 2 = b (δv 0 τ) 2 A probabilidade de que a partícula passe pela fenda é: P(qualquer x) = + P(x) dx Contas feitas obtemos: P(qualquer x) = m 2π T b π

21 Fenda retangular: difração de Fraunhofer. L = distância fenda-anteparo; λ = comp. de onda do elétron: N F = 2b L b = 0.01 (número de Fresnel) λ Figura: Resultado para fenda retangular: difração de Fraunhofer.

22 Fenda retangular: difração de Fresnel. N F = 2b L b λ = 0.5 Figura: Resultado para fenda retangular: difração de Fresnel.

23 Fenda retangular: difração de Fresnel. N F = 2b L b λ = 100 Figura: Resultado para fenda retangular: difração de Fresnel.

24 Bibliografia: R. P. Feynman & A. R. Hibbs: Quantum Mechanics and Path Integrals (McGraw-Hill: New York) D. H. Kobe: The Ahranov-Bohn Efffect Revisited Ann. Phys (1979). M. Beau: Feynman Path Integral approach to electron diffraction for one nad two slits: analytical results arxiv; v2 [quant-ph] 18 Dec 2011.