POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE III

Transkript

1 POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE III FOTOELEKTRICKÝ JEV

2 OBJEV ATOMOVÉHO JÁDRA 1911 Rutherford některé radioaktivní prvky vyzařují částice α, jde o kladné částice s nábojem 2e a hmotností 4 vodíkových jader částice použijeme k prozkoumání kladného pudinku (tvoří většinu objemu a hmotnosti atomu) ostřeloval částicemi α velmi tenkou zlatou fólii a registroval, jak se mění jejich dráha po průchodu zlatem

3 VÝSLEDKY POKUSU částice se vychylovaly daleko více než předpokládal pudinkový model, některé se odrážely zpět jediné vysvětlení : veškerý náboj a téměř veškerá hmotnost atomu jsou soustředěny v malé oblasti = jádro atomu přesnější analýza ukázala: jádro má řádově m (cca stotisícina atomu) kdyby měl atom průměr 100 m, tak jádro by mělo 1mm

4 PLANETÁRNÍ MODEL ATOMU hmotnost a kladný náboj v malém jádře (Slunce) okolo obíhají záporné elektrony (planety) elektrony na oběžné dráze udržuje elektrická síla Proč nemůže být model správný?

5 BOHRŮV MODEL ATOMU 1913: N. Bohr částečně vysvětluje stabilitu atomu a spektrální čáry vodíku Elektrony i jádro jsou klasické částice. Platí tři pravidla: 1. atom je stabilní soustava složená z kladného jádra a elektronového obalu, ve kterém elektrony obíhají okolo jádra 2. atom se může nacházet pouze v určitých (stacionárních) stavech s danou hodnotou energie. V takovém stavu atom nevydává ani nepřijímá energii a nemění se ani rozložení elektronů v obalu 3. při přechodu ze stavu s energií E n do stavu s nižší energií E m se vyzáří foton o frekvenci, která splňuje podmínku hf nm = E n E m. Naopak při pohlcení fotonu o frekvenci f nm atom přejde ze stavu s energií E m do stavu s vyšší energií E n.

6 FRANCKŮV-HERTZŮV POKUS Na obrázku je nakresleno schéma Franck-Hertzova pokusu. Jakým způsobem se budou v baňce (pokud v ní bude vakuum) pohybovat elektrony uvolněné z katody? Jaký je význam jednotlivých napětí? Co by muselo platit, aby se všechny elektrony uvolněné z katody dostaly k anodě?

7 FRANCKŮV-HERTZŮV POKUS elektron uvolněný z katody je urychlován napětím U 1 k mřížce pokud přes mřížku projde je napětím U 2 bržděn (musí napětí U 2 překonat, aby se dostal k anodě) U ž - napětí žhavícího obvodu, rozhoduje o počtu elektronů, které se uvolní z katody U 1 - napětí mezi katodou a mřížkou, urychluje elektrony, dodává jim energii U 2 - napětí mezi mřížkou a katodou, zpomaluje elektrony, zmenšuje jejich energii nejpomalejší jsou elektrony, které mají při opuštění katody nulovou energii, pokud mají dorazit k anodě, musí platit U 1 > U 2.

8 FRANCKŮV-HERTZŮV POKUS měření energie elektronů uvolněných z katody ve skutečném pokusu uvnitř baňky odpařené páry rtuti pokus zkoumal srážky uvolněných elektronů s atomy rtuti

9 PROČ BYL POKUS UDĚLANÝ TAKTO? Necháme srazit pingpongový míček: a) s druhým pingpongovým míčkem, b) s kuličkou o daleko větší hmotnosti. Najdi rozdíl v průběhu srážek od těžké kuličky se pingpongový míček odrazil téměř stejnou rychlostí. těžší kulička se po srážce pohybuje méně => více pohybové energie zůstane míčku

10 CO SE DĚJE S ATOMEM RTUTI? Jakým způsobem může elektron předat atomu rtuti při srážce energii? Jak se taková skutečnost projeví? může atom rtuti rozpohybovat (rtuť je těžší => velmi malý efekt) může dodat energii některému z elektronů, které obíhají jádro rtuťového atomu elektron přejde na vyšší dráhu a po určité době energii vyzáří ve formě EM záření elektron musí mít energii, která odpovídá možnému přechodu.

11 CO SE DĚJE S ATOMEM RTUTI Proč nebyly ve Franc-Hertzově pokusu použity místo atomů rtuti atomy vodíku?

12 PRŮBĚH ANODOVÉHO PROUDU U 1 = 0 V, U 2 mohou překonat jen elektrony, které vyletí s dostatečnou energií nastavíme napětí U 2 tak, aby byl tento proud v podstatě nulový S rostoucím napětím U 1 získávají elektrony větší energii => více elektronů překoná napětí U 2 a dojde k anodě. atomy rtuti elektrony nebrzdí (elektrony se odrážejí se stejnou rychlostí) srážky anodový proud neovlivňují jakmile napětí U 1 vzroste natolik, aby elektrony získali dostatek energie na excitaci atomů => začnou elektrony energii při srážkách ztrácet nebudou mít dostatek energie pro překonání napětí U 2 anodový proud se sníží ke stejnému efektu dojde, když napětí U 1 vzroste natolik, aby energii dodalo elektronům dvakrát.

13 JAK SE PROJEVÍ ENERGIE ATOMU RTUTI? atom rtuti přijme energii od elektronu => přejde některý z jeho elektronů z hladiny E m na vyšší hladinu E n časem přejde zpátky na nižší hladinu a energii vyzáří ve formě fotonu rtuť by měla zářit na vlnové délce dané vztahem E = hf

14 VÝZNAM EXPERIMENTU experimentální potvrzení kvantování energie v atomech kvantuje se i energie předávaná mechanickými srážkami