29. Kvantová fyzika
29. Kvantová fyzika
- sa zakladá na Planckových a Einsteinových teóriach a
hovorí, že všetky procesy sa dejú po maličkých krokoch => všetky fyzikálne veličiny narastajú o malé hodnoty, ktoré nazývamé
kvantá
- začala sa rozvíjať v 20 storočí
- využitie poznatkov – vedomosti o materiáloch –
polovodičoch => tranzistory
- interakcia žiarenia a hmoty => lasery
- rádiové vlnenie
a jadro => magnetická rezonancia
- rádioaktivita a správanie sa jadier => jadrová energia
-
vlnové vlastnosti častíc => elektronový mikroskop
- GPS
- žiarenie absolútneho
čierneho telesa – teleso, ktoré dokonale pohlcuje všetko dopadajúce žiarenie
- žiarenie tohto telesa nevedela klasická
fyzika vysvetliť, vysvetlil ho až Planck v roku 1900 – predpokladal, že steny čierneho telesa môžu prijať a zároveň vysielať žiarenie s
frekvenciou len po určitých dávkach energie = kvantách energie
E = h . f
- h –
Planckova konštanta = 6,26 . 10 -34 J . s
- sám Planck tomuto predpokladu neveril, až kým naň v roku 1905 nenadviazal
Einstein, ktorý vysvetlil fotoelektrický jav => nobelová cena za fyziku
- fotoelektrický jav
– záporne nabitá platňa sa pri dopade elektromagnetického žiarenia vybíja, kladne nabitá sa nevybíja => dopadajúce žiarenie
dodá elektrónom energiu a tým ich uvoľňuje z kovu
- uvoľňovanie elektrónov závisí od frekvencie dopadajúceho žiarenia –
elektróny sa uvoľňujú až od určitej hraničnej frekvencie f 0
- tento jav klasická fyzika nevedela
vysvetliť, vysvetlil ho až Einstein na základe Planckovej teórie
- vysvetlenie : dopadajúce žiarenie je súbor
svetelných kvánt s energiou E = h . f => fotóny
- fotón odovzdá energiu elektrónu časť z nej sa spotrebuje na
uvoľnenie elektrónu z atómu => výstupná práca W V a zvyšná časť sa spotrebuje na kinetickú energiu E k
E k = W V + ½ m e . v 2
1) ak je frekvencia
dopadajúceho žiarenia menšia ako f 0 , potom energia žiarenia je menšia ako výstupná práca =>
fotoelektrický jav nenastane
2) ak dopadajúce žiarenie s hraničnou frekvenciou f 0 energia žiarenia sa
rovná práve výstupnej práci => nastáva vnútorný fotoelektrický jav ( elektróny sa uvoľnia z atómov, ale nie z
látky)
3) ak je frekvencia väčšia ako f 0 energia žiarenia zostáva aj na kinetickú energiu elektrónov =>
nastáva vonkajší fotoelektrický jav, elektróny sa uvoľnia nielen z atómov, ale aj z látky
- žiarenie s hraničnou
frekvenciou f 0 má vlnovú dĺžku λ 0 = c / f 0
- vnútorný
fotoelektrický jav – žiarenie dopadá na polovodič a uvolní elektróny z atómov
- v polovodičoch vznikajú páry –
voľný elektrón – diera
- vonkajší fotoelektrický jav – žiarenie dopadá na
katódu, z ktorej uvoľňuje elektróny => obvodom prechádza elektrický prúd
- využitie : otváracie dvere, fotosenzor,
slnečné batérie na družiciach, televízne kamery a kopírky
- zhrnutie : 1) elektróny sú uvoľňované ihneď po dopade
žiarenia
2) fotoelektrický jav vyvolá len žiarenie s frekvenciou väčšou ako f 0
3) energia uvolnených
elektrónov závisí od frekvencie dopadajúceho žiarenia
4) množstvo uvolnených elektrónov závisí od intenzity dopadajúceho
žiarenia
- fotóny – častice elektromagnetického žiarenia, ktoré existujú len pri rýchlosti svetla
- majú energiu E = h . f
- Comptonov jav – ďalší jav dokazujúci, že elektromagnetické vlnenie sa skladá z
fotónov
- na tenkú doštičku z grafitu dopadá úzky zväzok RTG žiarenia a po prechode touto doštičkou sa mení smer jeho
šírenia
najskôr sa tento jav pokladal za ohyb vlnenia, tým sa ale nevysvetlila zmena vlnovej dĺžky, Compton využil
Planckovu teóriu na vysvetlenie tohto javu : dopadajúce žiarenie sa skladá z fotónov s E = h . f , tieto interagujú s elektrónmi v doštičke,
odovzdajú im časť svojej energie => zmenší sa ich frekvencia => zväčší sa vlnová dĺžka
E < E 0
=> h . f < h . f 0 => λ > λ 0
- žiarenie je fyzikálny jav, ktorý má za určitých
podmienok vlnové vlastnosti (dôkazom je interferencia) a za určitých podmienok vlastnosti častíc( dôkazom je fotoelektrický alebo Comptonov
jav) => dualizmus
- rovnako aj elektróny urýchlené na rýchlosť svetla sa tiež správajú ako vlny => tiež majú
dualizmus ak takýto elektrón dopadá na dvojštrbinu na tienidle pozorujeme interferenciu
- objav atómového
jadra – atóm – zaviedli starogrécky filozofi
- najmenšia stavebná častica látok
Dalton – chemicky ďalej nedeliteľná častica
Thompson – objavil elektrón => atóm sa skladá z
kladného náboja, ktorý je rozmiestnený v celom V => pudingový model
- Rutherford – objavil
atómové jadro, α časticami ostreľoval tenkú zlatú fóliu očakával, že α častice sa od pôvodného smeru odchýlia len málo
elektróny sú oproti α časticiam oveľa menšie => pôsobenie elektrónov na α častice je zanedbateľné - v skutočnosti zistil,
že odchýlky α častíc od pôvodného smeru sú veľmi veľké (aj väčšie ako 90 °)
- planetárny model – objav
atómového jadra na základe, ktorého sa fyzika rozdelila na 2 časti : 1) kvantovú – elektrický obal
2) jadrovú – atómové jadro
- Bohr – doplnil planetárny model o dve pravidlá :
1) atóm sa môže nachádzať len v určitých kvantových stavoch, z ktorých každý má presne určenú hodnotu energie
- najnižšia hladina, v ktorej sa môže atóm nachádzať sa nazýva základný stav, hladiny s vyššou energiou – excitované
(vzbudené)
- energetické stavy majú záporné hodnoty E lebo na pritiahnutie atómu z nekonečna sa E spotrebúva v ∞ je E =
0
2) pri prechode atómu zo stavu s vyššou E n do stavu s nižšou E m vysiela atóm žiarenie s frekvenciou f
n m : E = E n – E m = h . ( f n m )
- tento postulát vyjadruje zákon
zachovania energie frekvencii f n m zodpovedá vlnová dĺžka
λ n m = c / R n m =>
čiarový charakter spektra
- ak chceme naopak dostať atóm do vyššieho energetického stavu musíme mu energiu dodať vo forme
fotónu s frekvenciou f n m
- prechod medzi energetickými stavmi sa deje skokom
- interakcia žiarenia a
atómu :
- 1) atóm je v základom stave, dopadá naň fotón, žiarenie s frekvenciou f , atóm pohltí fotón, fotón
zanikne a atóm sa dostáva do excitného stavu - absorbcia
E 1 – E 0 = h .
f
- 2) atóm je vo vzbudenom stave, kde môže existovať len krátky čas, preto po chvíli padá do základného stavu pričom
vyžiari fotón s frekvenciou f – spontánna emisia
E 1 – E 0 = h .
f
- rôzne vyžiarené fotóny nie sú koherentné
- 3) atóm je v excitovanom stave, dopadne naňho fotón s
frekvenciou f, ktorá ho zhodí do základného stavu, pričom sa vyžiari energia vo forme ďalšieho fotónu, ktorý je presnou kópiou toho prvého
( oba fotóny sú koherentné) – stimulovaná emisia
využívajú ju lasery - laser –
Light amplificacion by stimulated emission of radiation
- zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia
-
zariadenie, ktoré uvoľňuje nahromadenú energiu ako energiu svetelného lúča monofrekvenčného žiarenia
- kryštál rubínu plus
prímesy chrómu
- pri dopade fotónov s vhodnou energiou prechádzajú atómy chrómu zo základnej hladiny na excitované energie odkiaľ po
chvíli padajú na tzv. Metastabilnú hladinu energie, kde môžu zostať 1000 krát dlhšie ako na excitovaných
hladinách a pri dopade jedného fotónu dochádza k stimulovanej emisii => znásobí sa počet fotónov => zosilní sa počet fotónov =>
zosilní sa svetlo
Zones.sk – Zóny pre každého študenta