I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í

Transkript

1 ATOMOVÁ FYZIKA I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í 1. Kvantování nrgi lktroagntického zářní opakování téa Elktroagntické zářní Planck (1900): Enrgi lktroagntického zářní ůž být vyzářna nbo pohlcna jn jako násobk určitého njnšího nožství nrgi = kvantu nrgi E E q = h.f h = 6,65.10 J. s Planckova konstanta q. Katodové zářní Konc 19. stoltí pokusy s sklněnou trubicí s vyčrpaný vzduch případně náplní z jiných plynů, uvnitř lktrody připojné na zdroj napětí pozorování různých jvů vli populární C A a) A...anoda (+) C...katoda (-) a) přío žhavná b) npřío žhavná b) žhavící vlákno katodové zářní (= svazk rychlých lktronů) 1. šíří s z katody příočař. způsobuj fluorscnci vhodných látk 3. lktrony ají E k 4. ohou být vychýlny - lktrický pol - agntický pol 5. při dopadu na vhodný atriál ohou vytvořit rntgnové zářní 1. Proč nbylo katodové zářní přío nazváno proud lktronů?. V ktré z trubic potč větší proud? (přdpokládjt stjné U)? 3. Popišt vlastnosti katodového zářní. Ktré z nich dokazují, ž s njdná o lktroagntické zářní? ATOMOVÁ FYZIKA

2 3. Elktron a) objvní Josph John Thoson 1897 ( ) vdoucí Cavndishovy laboratoř v Cabridg; pohřbn v Wstinstrské opatství přdpokládal, ž katodové zářní nůž být lktroagntické vlnění, protož 1. á rychlost v vakuu (vzduchu) jn 1/10 c. ůž být vychýlno v lktrické a agntické poli výsldk bylo: zcla stjné pro libovolný zdroj, určno z lktrolýzy onovalntních iontů = 1, C = 9, kg b) pohyb lktronu V ELEKTRICKÉM POLI 1. rychlost W U = Q W = U = W v o = 0 na katodě (-) 1 W = Ek = v 1 W = v 1 U = v v = U 1 v o - - ATOMOVÁ FYZIKA

3 . výchylka parabola V MAGNETICKÉM POLI F = B Q v sinα F na pohybující s náboj B agntická indukc Q a v náboj a rychlost částic α - zi v a B když Q = o α = 90 v B vlikost: F = Bv sěr: F v F B ; Flingovo pravidlo lvé ruky F c a c v r v Br = F = Bv = Bv = ( = const. ) 4. Elktron itovaný z žhavé katody v vakuované trubici j urychln napětí 1000 V. Vypočítjt a) rychlost, ktré dosáhn; b) určt jho trajktorii v agntické poli o indukci B = 1 T, vlétnli kolo na sěr indukčních čar a) b) v v = U Bv = r 7-1 v v = 1,9.10. s r = = 0 1, B ATOMOVÁ FYZIKA

4 5. Určt intnzitu lktrického pol, ktré by při orintaci siločar kolo na indukční čáry agntického pol z přdchozího příkladu vyrušilo jho účinky. Přdpokládjt vzdálnost zi dskai tvořícíi lktrické pol c a spočítjt napětí zi nii. F F E = = F = E... lktrické E = Bv q F = Bv... agntické U E = U = Ed = 360 V d E = Bv = 1, V Popišt a vysvětlt chování lktronu v lktrické a agntické poli (různé sěry vzhld k pohybu lktronů). c) Millikanův pokus dřívější Thosonův xprint ěřil tnto xprint násobk lntárního náboj lz určit uspořádání: nabité dsky v gravitační poli kapky olj stříknuté zi ně pokud kapka v klidu F g = F g = EQ U g = k d určitý násobk 4. Modly atou a) Thosonův "pudingový" odl Vysvětlt souvislost zi pokusy s katodový zářní a títo odl atou: Proč vdl Ruthrfordův xprint k vzniku nového odlu atou? ATOMOVÁ FYZIKA

5 b) Ruthrfordův odl JÁDRO + lktrony kol dopadajícíα částic alé + spousta ísta kol odchýlné paprsky tnká Au fóli Tnto odl však nodpovídá zákonů klasické fyziky, protož: 1) Elktrony obíhající kol jádra by ěly ít "zrychlní" = a d vyzařovat lktroagntickou vlnu ztráct nrgii přibližovat s k jádru, COŽ SE NEDĚJE ) Nlz poocí něj zdůvodnit čárové spktru ČÁROVÉ SPEKTRUM horká tělsa (slunc, žárovka) X horké plyny a páry kovů vyzařují noho λ ~ T vyzařují jn něktré λ SPOJITÉ SPEKTRUM ČÁROVÉ SPEKTRUM E E λ ČÁROVÉ SPEKTRUM λ Eisní - itované by horkýi plyny Absorpční čáry chybějí z bílého světla, ktré prošlo plyn Josph Balr zkoual H spktru v viditlné oblasti zjistil, ž f 1 1 = R n = 3,4,... n čáry Rydbrgova frkvnc R = 3,9.10 Hz ATOMOVÁ FYZIKA

6 c) Bohrův odl Nils BOHR (Dán, 1913) postuláty a) Elktrony s kol jádra pohybují jn v určitých dovolných dráhách orbitalch ; když jsou v těchto dráhách, nvyzařují zářní a ají konkrétní hodnotu nrgi odpovídající příslušnéu orbitalu, nrgtickou hladinu b) Elktrony ohou přjít z hladiny o vyšší nrgii (E ) na hladinu o nižší nrgii E 1 ; rozdíl nrgií těchto hladin MŮŽE být vyzářn jako kvantu lktroagntického zářní o frkvnci f 1 E = h = 6,65.10 J s Planckova konstanta E1 hf1-34. Pokud stjné nožství nrgi lktron pohltí, ůž přjít saozřjě z E 1 do E. MODEL ATOMU VODÍKU Vznik odlu podpořily i další xprinty a objvy čárová spktra v UV & IČ, všchny čáry splňují rovnici 1 1 f = R n, n, = 1,,3,4,... n pro = 1 pro = pro = 3 LYMANOVA séri v UV BALMEROVA séri v VIDITELNÉ oblasti! PASCHENOVA séri v IČ Použijt další zdroj a nakrslt nrgtické hladiny a příslušné séri čar: j - li frkvnc kvanta spojna s nrgtickýi hladinai E n E = hf n 1 = hr 1 n ATOMOVÁ FYZIKA

7 E E E 1 1 = hr hr = = 13,6 V. = -1, J = IONIZAČNÍ ENERGIE ~ pokud dodá - na hladině E 1 uvolní s z atou. Excitovaný stav - j na vyšších nrgtických hladinách, z ktrých ůž: skočit na nižší nrgtickou hladinu absorbovat kvantu nrgi přjít na vyšší nrgtickou hladinu dodá-li víc nrgi opustit ato = ionizac (pozitivní nrgii ají VOLNÉ lktrony) 7. Vysvětlt souvislost zi kvant nrgi, ktré lktron přij/vyzáří a nrgtickýi hladinai, popišt na odlu atou vodíku. d) Schrödingrův odl založn na kvantování nrgi lktronů PRAVDĚPODOBNOSTI výskytu - v určité prostoru v okolí jádra zavádí kvantová čísla n - hlavní nrgi vlikost orbitalu 1,,3,... l vdljší tvar orbitalu s, p, d, f,... - agntické pozic (orintac) orbitalu v prostoru s - spin + 1 x, y, z Pauliho vylučovací princip: lktrony v atou s usí lišit alspoň v jdno kvantové čísl n n různých stavů (lktronů) 8. Kolik kvantových čísl zavdl Schrödingr a co přdstavují? PRAVDĚPODOBNOST PŘÍTOMNOSTI ELEKTRONŮ V URČITÝCH ORBITALECH V různých zdrojích vyhldjt tvary orbitalů hustotu pravděpodobnosti přítonosti lktronů v okolí jádra ATOMOVÁ FYZIKA

8 5. Tplná is V KOVECH a něktrých SLOUČENINÁCH (lktronový plyn), kd s ohou povrchové lktrony uvolnit, když dodá dostatk nrgi VÝSTUPNÍ PRÁCE ELEKTRONU - W v = nrgi, ktrou usí kovu/sloučnině dodat, aby s uvolnil JEDEN lktron W = QU 1J = 1C.1V = 6,5.10 1V. = 1, Fotolktrický jv J 18. V [ W ] = V v... lktronvolt jdnotka nrgi/prác na ikroskopické úrovni xprintálně zhruba od r. 1897, vysvětlní + rovnic Einstin 1905 Noblova cna dopadající lag. zářní lktrony uvolněné z povrchu Zn rtg zářní, UV Na - rtg zářní, UV, viditlné kroě oranžové a črvné Cs - rtg zářní, UV, viditlné, IČ kov/sloučnina a) výsldky xprintů 1. Počt itovaných fotolktronů za jdnotku času zálží na intnzitě dopadajícího zářní (počtu kvant objvno později). Rychlost fotolktronů s pohybuj od nuly do v ax, ta zálží na frkvnci dopadajícího zářní a nzálží na intnzitě 3. Určitý kov á zní frkvnci při nižší frkvnci ndojd k fotoisi ani pro vysoké intnzity c (někdy s udává zní vlnová délka dopadajícího zářní λ = f ) b) Einstinova rovnic pro vnější fotolktrický jv 1 hf W v V + ax nrgi výstupní prác njvětší ožná pohybová kvanta pro DANÝ kov nrgi fotolktronu dopadajícího zářní nrgi kvanta = E nutná k uvolnění lktronu + njvětší ožná E lktronu ATOMOVÁ FYZIKA

9 NEBO 1 hf = WV + v + E konv když s část nrgi přění na jiné druhy a proto lktron ná njvyšší rychlost také hf = W pro zní frkvnci V 9. Vysvětlt výsldky xprintů poocí Einstinovy rovnic. 10. Vysvětlt rozdíl zi prvníi dvěa rovnici. 11. Vysvětlt třtí rovnici. VYUŽITÍ FOTOELEKTRICKÉHO JEVU FOTOBUŇKA pracuj na principu vnějšího fotolktrického jvu uvolněné lktrony s pohybují v vakuu v sklněné baňc - R fotobuňky klsá např. zvuková stopa na prvních zvukových filch Označt záporný a kladný pól fotobuňky na obrázku. Najdět a nakrslt obvody využívající tuto součástku. FOTOREZISTOR pracuj na principu vnitřního fotolktrického jvu = v polovodičích s dodanou nrgií lktrony uvolní z vazb, al nvystoupí z atriálu, vytvoří páry lktron díra a R s sníží Najdět a popišt využití fotorzistoru. značka 1. Vysvětlt rozdíl zi vnější a vnitřní fotolktrický jv a jjich využití ATOMOVÁ FYZIKA

10 7. Částicově - vlnový dualizus a) částicový charaktr vlnění Elktroagntické zářní s chová jako vlnění (odraz, lo, ohyb, polarizac, intrfrnc, ), al kvantu tohoto zářní = FOTON s ůž chovat také jako částic!!! Tyto vlastnosti vykazují přdvší fotony s vlkou nrgií = vlkou f = alou λ E = hf... foton h = Planckova konstanta DŮKAZ: 1. Kvantování nrgi lktroagntického zářní: E = hf... njnší saostatné kvantu nrgi o frkvnci f. Fotolktrický jv: zachování nrgi nrgi fotonu s částčně přění na nrgii fotolktronu 3. Coptonův jv dopadající foton + klidový lktron odražný foton + pohybující s lktron hf hf hf jako srážka dvou částic zachování hybnosti problé hybnost fotonu E E hf p = v = c = c = = = c c c h λ b) vlnové vlastnosti částic h hybnost fotonu: p = λ vlnová délka fotonu d Brogliova vlnová délka: λ h B = p d Brogli zavdl vlnovou délku hotných objktů (hlavně částic lktronů), takž j ůž považovat i za vlnění 13. Spočítjt d Brogliovu vlnovou délku pro Dr. Pohaněla jdoucího v své autě do Prostějova rychlostí 96 k h -1. Jaké lktroagntické zářní á podobnou vlnovou délku? Co z toho vyvozuj? ATOMOVÁ FYZIKA

11 1. Rntgnové zářní pohybující s lktrony (částic) ohou vyrazit kvanta lktroagntického zářní, intnzita počt dopadajících lktronů (proud), vlnová délka rychlost lktronů, pohybová nrgi, napětí. Ohyb částic - objvn Davisson+ Grr (USA), G.P.Thoson (GB) lktrony v dopadající svazku s ohýbají inforac o struktuř (srovnj s rntgnovou krystalografií) zdroj lktronů dtktor lktronů dopadající paprsk rozptýlný svazk 3. Elktronový ikroskop princip ohybu částic zdroj lktronů vakuu agntická zaostřovací čočka objkt agntický objktiv agntická čočka projkční obraz 14. Proč usí být v ikroskopu vakuu? 15. J d Brogliova vlnová délka lktronů větší nbo nší nž světla? Proč? 16. V různých zdrojích vyhldjt princip lktronového ikroskopu, vysvětlt ho ATOMOVÁ FYZIKA

12 8. Stiulovaná is a lasry a) saovolná stiulovaná is saovolná is nahodilý jv, i fotony onochroatického světla ají různou FÁZI stiulovaná is E E 1 nrgi dodaná invrzní populac lktrony z E skočí na 1+3 KOHERENTNÍ zvnčí ( črpání ) víc - na vyšší hladině E 1 a jsou VE FÁZI fotony -světlo, l. proud čkají na s stiul. foton, ktrý vychází STIMULAČNÍ foton NEZMĚNĚN 17. Jaká j frkvnc stiulačního fotonu? 18. Jak ho do látky dostan? b) lasry (od 1960) light aplification by stiulatd ission of radiation světlo j: kohrntní, onochroatické, intnzívní, nní rozbíhavé vš zálží na DRUHU lasru! druhy: RUBÍNOVÝ - první, optické črpání - ěřní vzdálností, svařování, řzání CO - kol 100 W výstup - chirurgi H-N - vysoc kohrntní svazk, intrfrotri POLOVODIČOVÝ - alý, nízké výkony, álo kohrntní, přnos inforací, lasrové ukazovátka, vypalování DVD ATOMOVÁ FYZIKA