E e = hf -W. Kvantové vysvětlení fotoelektrického jevu. Fotoelektrický jev vysvětlil Einstein pomocí Planckovy kvantové

Podobné dokumenty
[KVANTOVÁ FYZIKA] K katoda. A anoda. M mřížka

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE II

FYZIKA MIKROSVĚTA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Fyzika mikrosvěta - 3. ročník

HISTORIE ATOMU. M g r. ROBERT P ECKO TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

Jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů -> nukleony

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE III

Inovace výuky prostřednictvím šablon pro SŠ

FYZIKA 4. ROČNÍK. Kvantová fyzika. Fotoelektrický jev (FJ)

Atomové jádro Elektronový obal elektron (e) záporně proton (p) kladně neutron (n) elektroneutrální

Vybrané podivnosti kvantové mechaniky

Na základě toho vysvětlil Eisnstein vnější fotoefekt, kterým byla platnost tohoto vztahu povrzena.

ATOMOVÉ JÁDRO A JEHO STRUKTURA. Aleš Lacina Přírodovědecká fakulta MU, Brno

VYPOUŠTĚNÍ KVANTOVÉHO DŽINA

OPTIKA Fotoelektrický jev TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

R10 F Y Z I K A M I K R O S V Ě T A. R10.1 Fotovoltaika

Struktura elektronového obalu

MAKROSVĚT ~ FYZIKA MAKROSVĚTA (KLASICKÁ) FYZIKA

DUM označení: VY_32_INOVACE_... Jméno autora výukového materiálu: Ing. Jitka Machková Škola: Základní škola a mateřská škola Josefa Kubálka Všenory

Počátky kvantové mechaniky. Petr Beneš ÚTEF

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

16. Franck Hertzův experiment

Dualismus vln a částic

ELEKTRONOVÝ OBAL ATOMU. kladně nabitá hmota. elektron

Atomová fyzika - literatura

2. ATOM. Dualismus částic: - elektron se chová jako hmotná částice, ale také jako vlnění

r(t) =0 t = a3 0 4cre

Struktura atomu. Beránek Pavel, 1KŠPA

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

atom Lomonosov Lavoisier Dalton Proutova modely atomů Thomsonův kladným elektronů vysílají elektromagnetické záření nedostatky: počet původ

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

Atom a molekula - maturitní otázka z chemie

Ing. Stanislav Jakoubek

Číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/ Název DUM: Model atomu Číslo DUM: III/2/FY/2/2/2 Vzdělávací předmět: Fyzika Tematická oblast: Elektrické a

Praktikum III - Optika

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

Za hranice současné fyziky

Od kvantové mechaniky k chemii

Theory Česky (Czech Republic)

Elektronový obal atomu

ÈÁST VII - K V A N T O V Á F Y Z I K A

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Úloha 1: Vypočtěte hustotu uhlíku (diamant), křemíku, germania a α-sn (šedý cín) z mřížkové konstanty a hmotnosti jednoho atomu.

Elektřina: Elektrostatika: Elektrostatika: Elektrostatika: Analogie elektřiny s mechanikou: Elektrostatika: Souvislost a analogie s mechanikou.

VAROVÁNÍ Přemýšlení o kvantové mechanice způsobuje nespavost

Mezony π, mezony K, mezony η, η, bosony 1

Fyzika pro chemiky II

Elektřina. Elektrostatika: Elektrostatika: Elektrostatika: Analogie elektřiny s mechanikou: Elektrostatika: Souvislost a analogie s mechanikou.

Kam kráčí současná fyzika

ATOM. Autor: Mgr. Stanislava Bubíková. Datum (období) tvorby: Ročník: osmý

školní vzdělávací program ŠKOLNÍ VZDĚLÁVACÍ PROGRAM DR. J. PEKAŘE V MLADÉ BOLESLAVI RVP G 8-leté gymnázium Fyzika II. Gymnázium Dr.

2. Atomové jádro a jeho stabilita

Domácí úlohy ke kolokviu z předmětu Panorama fyziky II Tomáš Krajča, , Jaro 2008

Čím je teplota látky větší (vyšší frekvence kmitů), tím kratší je vlnová délka záření.

Maturitní témata profilová část

Lukáš Feřt SPŠ dopravní, Plzeň, Karlovarská 99,

Průlomové experimenty a modely atomové a kvantové fyziky. Seminární práce k předmětu F7050 Kvantová elektronika

Okruhy k maturitní zkoušce z fyziky

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Princip metody Transport částic Monte Carlo v praxi. Metoda Monte Carlo. pro transport částic. Václav Hanus. Koncepce informatické fyziky, FJFI ČVUT

DALTONOVA TEORIE ( 1803 )

8.STAVBA ATOMU ELEKTRONOVÝ OBAL

Detekce nabitých částic Jak se ztrácí energie průchodem částice hmotou?

Historie zapsaná v atomech

2. Elektrotechnické materiály

Měření absorbce záření gama

8.1 Elektronový obal atomu

Zeemanův jev. Pavel Motal 1 SOŠ a SOU Kuřim, s. r. o. Miroslav Michlíček 2 Gymnázium Vyškov

Zeemanův jev. 1 Úvod (1)

c) vysvětlení jednotlivých veličin ve vztahu pro okamžitou výchylku, jejich jednotky

Charakteristiky optického záření

Náboj a hmotnost elektronu

Urychlení KZ. Obecné principy, Fermiho urychlení, druhý řád, první řád, spektrum

Balmerova série vodíku

Stavba atomu historie pohledu na stavbu atomu struktura atomu, izotopy struktura elektronového obalu atom vodíkového typu

Balmerova série vodíku

Fyzika IV. Pojem prvku. alchymie. Paracelsus (16.st) Elektronová struktura atomů

Stavba atomu. protony p + nukleony neutrony n 0. elektrony e -

ZÁKLADNÍ POJMY KVANTOVÉ FYZIKY, FOTOELEKTRICKÝ JEV. E = h f, f je frekvence záření, h je Planckova

Krystalografie a strukturní analýza

Elektromagnetické vlnění, vlny a částice

Světlo x elmag. záření. základní principy

Stručný úvod do spektroskopie

Relativistická dynamika

1. Ze zadané hustoty krystalu fluoridu lithného určete vzdálenost d hlavních atomových rovin.

Základy spektroskopie a její využití v astronomii

Příklady Kosmické záření

- studium jevů pozorovaných při průchodu světla prostředím: - absorpce - rozptyl (difúze) - rozklad světla

Náboj a hmotnost elektronu

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Fyzika II, FMMI. 1. Elektrostatické pole

CERN základní informace předtím, než vyrazíme. Jaroslav Reichl, SPŠST Panská

Rozměr a složení atomových jader

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

Alexander Kupčo. kupco/qcd/ telefon:

Balmerova série, určení mřížkové a Rydbergovy konstanty

Fotoelektrický jev je uvolňování elektronů z látky vlivem dopadu světelného záření.

Látkové množství. 6, atomů C. Přípravný kurz Chemie 07. n = N. Doporučená literatura. Látkové množství n. Avogadrova konstanta N A

ZÁŘENÍ V ASTROFYZICE

Studium fotoelektrického jevu

Transkript:

Kvantové vysvětlení fotoelektrického jevu Fotoelektrický jev vysvětlil Einstein pomocí Planckovy kvantové hypotézy Fotoelektrický jev : Světlo vyráží z povrchu kovů elektrony. Jedno kvantum světla může vyrazit právě jeden elektron. Část energie kvanta se spotřebuje na překonání přitažlivé síly, jež váže elektron v materiálu (a ta je závislá na daném kovu), zbytek elektron dostane ve formě kinetické energie Albert Einstein 1879-1955 Jak Planck, tak Einstein za tyto objevy obdrželi Nobelovu cenu. E e = hf -W 1

2 hc mv φ φ λ = + 2 = + ev stop Speciální případ: bez kinetické energie (V o = 0). o E min hc = = λ min φ 2

Comptonův jev Světlo dopadá na volné elektrony. Světlo pokračuje v šíření pod jiným úhlem a s větší vlnovou délkou. Arthur Holly Compton (1892 1962) Jev, který podpořil korpuskulární teorii světla, pozoroval A.Compton. Nobelova cena (1927) Elektrony vyletují z místa srážky. Dle klasické teorie se vlna sice může ohýbat na překážkách a předávat svou energii hmotným objektům (za snížení amplitudy), ale nemůže při tom změnit svou vlnovou délku! Důsledky Comptonova experimentu: fotony se chovají jako částice s hybností p = hf/c 3

Uspořádání pokusu X-ray úhlová měření rozptýlené X-ray 4

Schema pro výpočty E 2 2 hc = λ λ 2 2 E 1 = hc λ 1 5

6

Fotony rtg záření se rozptylují na volných elektronech. Tento rozptyl nelze vysvětlit klasickou elektrodynamikou / γ p / p pe Zákon zachování hybnosti p = p + = γ p / α β el pγ γ Zákon zachování energie hf = hf + / E ke 7

Výpočet Comptonův jev (rozptyl) Zákony zachování hybnosti: po umocnění a sečtení: stejnou veličinu vypočítáme ze zákona zachování energie: z relativistického vztahu pro hmotnost určíme rychlost elektronu :

Pokračování odvození porovnání pravých stran podtržených rovnic: Tzv. Comptonova vlnová délka elektronu

Scattering Angle h = = 1 cos 2 1 mc ( ) λ λ λ θ Critical λ c = 0.0024 nm for e - Limiting Values No scattering: θ = 0º cos0º = 1 λ = 0 Bounce Back: θ = 180º cos180º = 1 λ = 2λ c λ (2) λ (1) = h mc h (1 cos θ ), mc 0.00234 nm 10

11

Problem.. If a 0.511-MeV photon from a positron-electron annihilation scatters at θ = 180 from a free electron, then find the wavelength and energy of the Compton scattered photon. ( ) ( o ) 3 λ2 λ1 = λc 1 cos θ = (0.00243 nm) 1 cos180 = 4.86 10 nm hc 1240 ev nm λ1 = = = 2.43 10 E 6 0.511 10 ev 1 3 nm λ 3 3 3 2 = λ 1 + λ = nm + nm = 7.29 10 2.43 10 4.86 10 nm hc 1240 ev nm 5 E2 = = = 1.70 10 ev or 0.17 MeV λ 3 7.29 10 nm 2 12

13

Kroky k objevení stavby atomu opakování Základní experimenty: Objev elektrolýzy (M. Faraday 1833) hmotnost vyloučené látky na elektrodě je přímo úměrná přenesenému náboji a nepřímo úměrná mocnosti vylučované látky Objev elektronu a změření jeho specifického náboje e/m (J. J. Thomson 1897) elektrický proud se přenáší v kvantech Přesné měření elektrického náboje e (R. Millikan 1909) 14

Katodové záření - proud elektronů vycházející z katody katodové trubice. Zkoumání katodového záření a experimenty s katodovou trubicí sehrály významnou úlohu při objevu elektronu a také rentgenového záření, které vzniká při interakci katodového záření s hmotou. Katodová trubice je připojena ke zdroji VN, záření při dopadu na zadní stěnu trubice způsobuje fluorescenci. Lze je odstínit kovem a vychýlit mag.polem http://www.crtsite.com/page3.html 15

Teorii o nedělitelných atomech však v roce 1897 vyvrátil J. J. Thomson, který při studiu katodového záření objevil elektron - tedy první subatomární částici. Na základě tohoto objevu subčástice elektronu vytvořil tzv. Thomsonův model atomu (též pudinkový model), který předpokládal, že atom je tvořen rovnoměrně rozloženou kladně nabitou hmotou, ve které jsou (jako rozinky v pudinku) rozptýleny záporně nabité elektrony. 16

Elektrony mohly být v atomu umístěny různě a vytvářet tak různé struktury. Elektrony se v oblaku kladného náboje mohly volně pohybovat, což značí, že se nejedná o statický, ale dynamický model atomu. Předpokládalo se, že elektrony se pohybují po určitých orbitech, přičemž jsou stabilizovány přitažlivým působením oblaku kladného elektrického náboje a odpudivým působením ostatních elektronů v atomu. Thomson se (neúspěšně) pokusil spojit jednotlivé orbity se spektrálními čarami různých prvků. 17

Rutherfordův experiment byl experiment provedený v roce 1911 na univerzitě v Manchesteru. Experiment provedli Hans Geiger a Ernest Marsden pod vedením Ernesta Rutherforda. Při experimentu byly různé kovy bombardovány alfa částicemi, přičemž se měřila odchylka směru pohybu alfa částic po srážce vzhledem ke směru před srážkou. Tento experiment vedl k zamítnutí Thomsonova modelu atomu a jeho nahrazení modelem planetárním. 18

Rutherfordův rozptyl α-částic na atomových jádrech 19

20

Pojem: Účinný průřez reakce obecně http://cs.wikipedia.org/wiki/%c3%9a%c4%8dinn%c3%bd_pr%c5%af%c5%99ez 21

http://cs.wikipedia.org/wiki/rutherford%c5%afv_model_atomu 22

http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/rutherford/index.html + 2e θ důležit é + Ze 23

Objev atomového jádra (Rutherford, Geiger, Marsden ) rozptylem α-částic na tenké Au folii Mezi kladně nabitou α-částicí a kladně nabitým atomovým jádrem s Z protony působí odpudivá elektrostatická síla. Při rozptylu se zachovává mechanická energie a celková hybnost soustavy Tok rozptýlených částic závisí na úhlu rozptylu φ jako I( φ) = φ const. Z.[sin( )] 2 Velikost jádra lze odhadnout z minimální vzdálenosti mezi α-částicí a jádrem, kterou částice dosáhne při φ = π, vyjde řádově 10-15 m. 4 V době objevu nebylo jasné: (i) co drží protony v jádře a překonává odpudivé elektrostatické síly mezi protony (ii) proč je hmotnost atomu větší než hmotnost Z protonů (iii) proč se elektrony pohybují po stabilních drahách kolem jádra a nevyzařují při tomto pohybu elektromagnetické vlnění Problém (i) byl vyřešen mnohem později objevem silné interakce. Problém (ii) byl vyřešen objevem neutronu (J. Chadwick 1921). Problém (iii) byl vyřešen v rámci Bohrova modelu atomu (N. Bohr 1913). 24

25

Závěry: Atom se skládá z malého, kladně nabitého jádra, ve kterém je soustředěna téměř veškerá hmotnost atomu, zabírá však minimální zlomek jeho celkového objemu. http://video.google.com/videoplay?docid=8626511815835030759 26

Objevy elektronu a atomového jádra hrály důležitou roli při vytvoření prvních modelů atomu, další důležitou roli sehrál objev elementární částice objev protonu (1919). Objev protonu Rutherford sledoval ve Wilsonově mlžné komoře stopy alfa částic. Částice narážely na jádra atomu dusíku. Z místa srážky vycházely dvě stopy. Zjištil, že jedna stopa patří ionizovanému atomu kyslíku (resp. jádru kyslíku), druhá pak lehké částici, která je totožná s jádrem vodíku. Tato částice byla pojmenována proton. Došlo vlastně k přeměně atomového jádra, která byla vyvolána srážkou, došlo k jaderné reakci. 27

Objev neutronu Podobně jako v případě objevu protonu byly použity částice alfa, které tentokráte ostřelovaly jádra Be. Ve Wilsonově mlžné komoře byla po srážce pozorována jediná stopa, která náležela jádru uhlíku (C). Chadwick provedl rozbor stop částic z hlediska zákonů zachování energie a hybnosti a dospěl k závěru, že kromě kyslíku musí vznikat ještě jedna částice, která nenese žádný elektrický náboj (proto nelze zachytit její stopu v mlžné komoře). Částice byla pojmenována neutron. * Jako volná částice je neutron nestabilní a má střední dobu života (896±10) s. 28

resume Chadwick (1932) hmotnost 1,836 m e 1,839 m e klidová energie 938,272 MeV 939,565 MeV střední doba života spin elektrický náboj > 10 32 let 896 s 1/2 1/2 + e 0 g-faktor + 5,58-3,82 29

Planetární model atomu V návaznosti na Rutherfordův pokus byl atom popisován pomocí planetárního modelu. Jádro zde fungovalo jako slunce, kolem nějž po kruhových orbitách létaly elektrony. Jejich přitažlivost ovšem nebyla dána gravitační interakcí, nýbrž elektromagnetickou. Dle klasické elektrodynamiky nabitá částice, která se pohybuje se zrychlením, vyzařuje elektromagnetické vlny a ztrácí tak energii. Klasická fyzika tedy předpovídala, že elektrony musí velmi rychle ztratit pohybovou energii a spadnout na jádro (v čase cca 10-7 s). Tento paradox nebylo možno vysvětlit bez pomocí kvantové teorie. 30

http://cwx.prenhall.com/petrucci/medialib/media_portfolio/02.html http://phet.colorado.edu/new/simulations/sims.php?sim=rutherford_scattering 31

Zpět ke kvantové fyzice http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=49&l=&c3= 32

Počátky kvantové mechaniky Co je tedy světlo? Vlna, nebo částice? Obojí najednou! E = h f = h f p = = c h c λ h 33 λ

Počátky kvantové mechaniky Youngův pokus zobrazuje typickou vlnovou vlastnost světla. Jaký bude výsledek, budemeli jej provádět s částicemi? 34

Rozptyl na dvojštěrbině s elektrony Co od pokusu očekává zdravý selský rozum? To samé, co od ocelových kuliček : Ocelová kulička Proletí právě jednou štěrbinou. Značme si, kam kuličky dopadly. Dopadne na jedno místo na stínítku. Kulička může při průchodu štěrbinou změnit směr. 35

Rozptyl na dvojštěrbině s elektrony Svazek dopadajících elektronů 36 http://phet.colorado.edu/new/simulations/sims.php?sim=davissongermer_electron_diffraction

Rozptyl na dvojštěrbině s elektrony Proč se elektrony nechovají stejně jako ocelové kuličky? Elektrony vysílané po jednom http://www.youtube.com/watch?v=dfpeprq7ogc 37

Počátky kvantové mechaniky Z čeho se skládá hmota? Z částic, nebo vlnění? Vévoda Louis Victor Pierre Raymond de Broglie (1892-1987) Ve vesmíru jsou k nalezení mnohé symetrie. Dá se říct, že ze symetrií vycházejí základní zákony přírody. Vlnu lze popsat jako částici Částici lze popsat jako vlnu 38

Částicově-vlnový dualizmus Dle de Broglieho hypotézy lze částicím připsat vlnové vlastnosti a přiřadit vlnovou délku. E hf p = = = c c h λ Rovinné vlny odpovídající dopadajícím elektronům. I jediná částice se chová jako rovinná vlna. λ = h p Vévoda Louis Victor Pierre Raymond de Broglie (1892-1987) 39

http://www.youtube.com/view_play_list?p=0191606751b22a12 http://video.google.com/videoplay?docid=8626511815835030759 Použití Lepší rozlišovací schopnost v mikrosvětě, elektronové mikroskopy 40

Příště: RTG, Moseley Bohrův model Sommerfeldův model Spektra a podobné lahůdky 41