FYZIKA pracovní sešit pro ekonomické lyceum. 1 Jiří Hlaváček, OA a VOŠ Příbram, 2015 FYZIKA MIKROSVĚTA Kvantové vlastnosti světla (str. 241 257) Fotoelektrický jev je uvolňování elektronů z látky vlivem dopadu světelného záření. Rozeznáváme vnější fotoelektrický jev, který se pozoruje u alkalických kovů a elektrony při něm opouštějí kov (jsou potom vně kovu) a vnitřní fotoelektrický jev, který pozorujeme u polovodičů, při němž elektrony zůstávají uvnitř polovodiče, pouze se uvolňují z vazeb a stávají se volně pohyblivými. Jestliže se uvolněné elektrony budou nacházet v elektrickém poli, vytvoří elektrický proud. Vnější fotoelektrický jev byl znám již koncem 19. století a významně přispěl k objevu, že světlo je vyzařováno zdrojem ve formě kvant (světelných částic fotonů). Závěry pokusů ke studiu fotoelektrického jevu mohly být následující: (konkrétněji str. 241) při osvětlení látky červeným světlem i sebevětší intenzity se elektrony neuvolnily (žádný elektrický proud netekl) při osvětlení látky slabým zeleným světlem se již elektrony uvolnily (slabý elektrický proud) při osvětlení látky silným zeleným světlem se uvolnily elektrony ve větší míře (tekl silnější elektrický proud) Tyto výsledky byly překvapující. Nebylo možno je uspokojivě vysvětlit pomocí vlnových vlastností světla. K vysvětlení je třeba použít Planckovu kvantovou hypotézu: Světlo není vysíláno zdrojem spojitě, ale po jednotlivých kouskách, záblescích, odborně kvantech, nebo fotonech. Energie vyslaného kvanta je přímo úměrná frekvenci E = h.f, kde h je tzv. Planckova konstanta s přibližnou hodnotou h = 6,6. 10-34 J.s Max Planck (plank, 1858 1947) významný německý fyzik. K uvolnění elektronu z látky může dojít po vzájemném působení fotonu světla a elektronu. Foton červeného světla nemá dostatečnou energii, aby z látky uvolnil elektron. Foton zeleného světla má větší energii, dostatečnou k uvolnění elektronu z látky. Proto v prvním případě nevzniknou volné elektrony a nedojde ke vzniku elektrického proudu, ale v druhém případě vzniknou volné elektrony a proud vytvoří. Matematickou rovnici, která tyto myšlenky vyjadřuje, zapsal A. Einstein a dostal za vysvětlení 1 2 fotoelektrického jevu v roce 1905 Nobelovu cenu: h f Wv m v 2 Na levé straně je energie fotonu, na pravé je výstupní práce (tj. energie pro uvolnění elektronu) a kinetická energie tohoto elektronu. Albert Einstein (ajnštajn,1879 1955) slavný německý fyzik Dnes se uvolňují světlem elektrony především v polovodičových materiálech, které jsou součástmi dálkových ovladačů elektronických přístrojů (už infračervené záření!), zabezpečovacích zařízení, různých čidel na světlo, přístrojů pro noční vidění aj. str. 244 cv.3 (3/176)
FYZIKA pracovní sešit pro ekonomické lyceum. 2 Jiří Hlaváček, OA a VOŠ Příbram, 2015 Víme, že podle výzkumů učiněných na počátku 20. století, má každý atom látky kladně nabité jádro a záporně nabitý elektronový obal. ELEKTRONOVÝ OBAL ATOMU V elektronovém obalu jsou záporně nabité elektrony, každý z nich nese nejmenší elementární elektrický náboj. Jestliže atom přijme energii, mohou elektrony obsadit v elektronovém obalu vyšší energetické hladiny. Víme také, že dodáním energie můžeme elektrony z obalu atomu uvolnit. Pak jsou schopny volného pohybu a mohou vytvořit elektrický proud. Teorie vyzařování světla Vyzařování infračerveného záření, světla, ultrafialového záření a částečně rentgenového záření vysvětlujeme přechody elektronů v atomech látky z vyšších energetických hladin na nižší hladiny: Na vyšší energetické hladiny (energetické hladiny jsou atomu určeny kvantovými čísly) se elektrony dostanou, přijme-li atom energii, tj. je-li látka zahřátá, ozářena zářením apod. Elektrony pak samovolně přecházejí na nižší energetické hladiny a vyzáří přitom foton elektromagnetického záření. Dokladem správnosti této představy je skutečnost, že zahřátý plyn (nejlépe je to vidět na nejjednodušších plynech, např. na vodíku) vyzařuje jen světla určitých barev jeho spektrum je čárové. Můžeme provést pokusy s rozkladem vysílaného světla při elektrickém výboji ve výbojových trubicích naplněných různými plyny. Opět získáme čárová spektra, každá čára přitom odpovídá přechodu elektronů mezi energetickými hladinami v atomech plynu. Každá látka se skládá z obrovského počtu atomů (1 mol má řádově 10 23 atomů), každý atom má více elektronů a energetických hladin. Jednotlivé elektrony vysílají fotony světla nezávisle na sobě, nespojitě, ale celkově máme dojem spojitě vysílaného záření.
FYZIKA pracovní sešit pro ekonomické lyceum. 3 Jiří Hlaváček, OA a VOŠ Příbram, 2015 Laser (lejzr; Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Výše uvedená teorie má dnes významné využití při konstrukci laseru. Bez této teorie by nebyl laser zkonstruován. Kromě samovolného přechodu elektronů na nižší energetické hladiny existuje ještě tzv. stimulovaná emise. Podaří-li se udržet elektrony ve větším počtu na vyšší energetické hladině, lze je donutit k přeskoku na nižší hladinu pomocí fotonu takové frekvence, kterou budou pak samy vyzařovat; na tomto principu jsou založeny lasery: 1 foton červeného světla 2 nižší en. hladina 3 vyšší en. hladina 4 velké množství fotonů červeného světla napumpovaný laser spuštěný laser Při spuštění laseru dojde k vyzáření velkého množství kvant v krátké době a je možno dosáhnout i vysokých výkonů. To umožňuje obrábět tvrdé materiály a uplatnit laser v lékařství jako skalpel. Dále se uplatňuje malá rozbíhavost paprsku a možnost přesného nasměrování při snímání záznamu z kompaktní desky, u laserových zaměřovačů aj. Určitá přesná frekvence vysílaného světla (světlo je jednobarevné monochromatické) dává možnost světelný signál modulovat a využít k přenosu informací. JÁDRO ATOMU Jádra atomu se skládají z protonů (Q = 1,602.10-19 C, m = 1,673.10-27 kg) a neutronů (Q = 0 C, m = 1,675.10-27 kg ). Dohromady jim říkáme nukleony a jejich počet v jádře vyznačujeme u značky prvku vlevo nahoře nukleonovým číslem. Počet protonů se vyznačuje vlevo dole protonovým číslem. Mezi nukleony působí velké jaderné síly, které drží jádro pohromadě. Cvičení: Kolik protonů a neutronů mají atomy,,,,? Co znamenají,,? Látka, jejíž všechny atomy mají stejné protonové i nukleonové číslo se nazývá nuklid. Nuklidy s různými nukleonovými čísly nazýváme izotopy (mají stejný počet protonů, ale různý počet neutronů), jestliže mají stejná protonová čísla. Prvek je látka, jejíž všechny atomy mají stejné protonové číslo (obvykle je prvek směsí svých izotopů). Jádra atomů patří k nejstabilnějším objektům v přírodě, přesto se někdy mohou měnit buď samovolně, nebo vnějším zásahem.
FYZIKA pracovní sešit pro ekonomické lyceum. 4 Jiří Hlaváček, OA a VOŠ Příbram, 2015 Přirozená radioaktivita V roce 1896 zjistil francouzský fyzik Henri Becquerel (bekerel, 1852 1908) zvláštní neviditelné záření vycházející z uranových solí, které bylo nazváno přirozenou radioaktivitou. Průzkum tohoto záření v elektrickém a magnetickém poli odhalil jeho tři složky α, β, γ. Záření α a β doprovází rozpad jádra atomu a jeho přeměnu na jiné jádro. Záření α je proud kladně nabitých částic jader helia. Záření má malou pronikavost, zadrží ho oděv, hliníková folie tloušťky 0,02 mm, několik centimetrů vzduchu apod. Má ionizační účinky, chemické účinky, způsobuje světélkování některých látek. Záření β je proud velmi rychlých elektronů. Je pronikavější, projde hliníkovou deskou tloušťky několika milimetrů. Jinak má podobné účinky jako α. Záření γ je velmi pronikavé elektromagnetické záření. Roku 1898 objevili Marie Sklodowská Curieová a Pierre Curie ( kiríová a kirí ) další radioaktivní prvky. Jaderné reakce Štěpení jader V roce 1938 se podařilo německým fyzikům rozštěpit jádra proběhne nejčastěji podle rovnic: pomocí neutronů. Štěpení + + + několik + energie + + + několik + energie Protože při reakci vznikají stále nové neutrony, mohou rozštěpit další jádra uranu; je-li uranu dostatečné množství, proběhne reakce jako řetězová a uvolní se velké množství energie v krátké době. V takovém případě dojde k výbuchu a to je také myšlenka jaderné pumy. Reakci však můžeme také řídit, pak se v jaderném reaktoru uvolňuje energie postupně. Reaktor pak může být hlavní součástí jaderné elektrárny, kde se vznikající teplo využívá k výrobě elektrické energie. Velkou potíží je dlouhodobá radioaktivita některých produktů štěpení. U jaderných elektráren vzniká tedy problém s uskladňovaním vyhořelého jaderného paliva. Vyhořelé palivo představuje hrozbu pro životní prostření, zvláště pak pro spodní vody. Slučování jader termojaderná reakce Jadernou energii lze uvolnit také např. při sloučení jader vodíku,, na jádra helia. K tomu je třeba vysokých tlaků a teploty několika milionů stupňů proto se reakce nazývá termojaderná. Taková reakce probíhá běžně na Slunci a hvězdách, na Zemi byla uskutečněna ve velkém jen při výbuchu vodíkové pumy. Nadějí pro řešení energetických problémů lidstva je řízená termojaderná reakce, na které se usilovně pracuje.
FYZIKA pracovní sešit pro ekonomické lyceum. 5 Jiří Hlaváček, OA a VOŠ Příbram, 2015 Ionizující záření a životní prostředí Ionizující záření může být elektromagnetické (zvláště rentgenové nebo γ) nebo částicové, vzniklé radioaktivním rozpadem, případně pomocí urychlovačů částic. Ionizující záření mají dnes široká uplatnění v průmyslu (vyhledávání vad materiálu, měření tloušťky materiálu, kontrola čistoty surovin, výroba kompozitních materiálů apod.), v zemědělství (v šlechtitelství, při likvidaci škodlivého hmyzu, k omezení hnilobných procesů apod.), ve zdravotnictví (k diagnostice chorob, metodami nukleární medicíny, k ozařování zhoubných nádorů apod.), v archeologii (k ochraně, studiu a datování historických památek). Ionizujících záření je možno využít i k likvidaci škodlivých odpadních látek vznikajících při výrobě a tím k zlepšování poškozovaného životního prostředí. Na druhé straně je třeba se před zářením chránit. Při větší dávce záření může dojít k poškození orgánů citlivých na záření (oči, krvetvorná tkáň, pohlavní orgány apod.). Záření α a β pohlcují dobře i tenké vrstvy různých materiálů, záření γ těžké kovy (Pb, W, U), neutronové záření lehké prvky (k ochraně se používá vodíku a jeho sloučenin). VESMÍR SLUNCE A SLUNEČNÍ SOUSTAVA Slunce základní charakteristika Sluneční soustava: Slunce, 8 velkých planet, malé planetky, komety, prach HVĚZDY A JEJICH VÝVOJ Hvězdy. Vývoj hvězd: bílí trpaslíci neutronové hvězdy, supernovy černé díry