qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqw ertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwer Atomfizika böngészés tyuiopasdfghjklzxcvbnmqwerty Egyszerű kérdések és válaszok uiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiop asdfghjklzxcvbnmqwertyuiopas dfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdf ghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfgh jklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjkl zxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzx cvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcv bnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbn mqwertyuiopasdfghjklzxcvbnm qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqw 2012.
Kiss László
Atomfizika böngészés 1. Mi a Brown mozgás? A Brown mozgás az apró elemi részecskék mozgását írja le. Ez a mozgás három összetevőből áll: transzlációs, rotációs és vibrációs mozgásból. A Brown mozgásban résztvevő részecskék mozgása hőmérsékletfüggő és 0K hőmérsékleten mind a három mozgásforma megszűnik. A Brown mozgás bizonyítja az energia egyenletes eloszlásának (az ekvipartíciónak) az elvét. A Brown mozgásban (pontosabban minden ilyen típusú mozgásban) a levegő molekuláinak átlagos kinetikus energiája egyenlő a nagy részecskék (a levegő molekuláihoz képest lényegesen nagyobb részecskék) átlagos kinetikus energiájával:
2. Mi az emisszió képesség és mi a mértékegysége? Az emisszió képesség megmutatja, hogy egy test egységnyi felülete milyen teljesítménnyel sugároz adott térszögbe. [ ]
(
)
3. Mi az abszorpció képesség és mi a mértékegysége? Az abszorpció képesség megmutatja, hogy egy anyag a ráeső elektromágneses sugárzás hányadrészét nyeli el. Az abszorpció mértéke függ az elektromágneses sugárzás hullámhosszától és az abszorbeáló közeg anyagi minőségétől. [ ] ( ) 4. Mi a reflexióképesség és mi a mértékegysége? A reflexióképesség megmutatja, hogy egy anyag a ráeső elektromágneses sugárzás hányadrészét veri vissza. A reflexió mértéke függ az elektromágneses sugárzás hullámhosszától és az reflektáló közeg anyagi minőségétől. [ ] ( ) 5. Mi a transzmisszióképesség és mi a mértékegysége? A transzmisszióképesség megmutatja, hogy egy anyag a ráeső elektromágneses sugárzás hányadrészét engedi át. A transzmisszió mértéke függ az elektromágneses sugárzás hullámhosszától és a közeg anyagi minőségétől. [ ] ( ) 6. Mondja ki Kirchhoff hőmérsékleti sugárzókra vonatkozó törvényét! Egy adott hőmérsékletű test esetében az időegység alatt kibocsájtott és elnyelt energia aránya, az hányados csak T és λ függvénye, de független az anyagi minőségtől. 7. Mi az abszolút fekete test? Az abszolút fekete test minden ráeső sugárzást elnyel. Semmit nem ver vissza és semmit nem ereszt át. Jellemző tulajdonsága, hogy adott hőmérsékleten több hő- és fényenergiát sugároz ki, mint bármely másik test. A fekete test jól közelíthető egy piciny nyílású belül kormozott falú üreggel (dobozzal). 8. Mondja ki Wien I. törvényét! A tapasztalat szerint a maximális sugárzási intenzitáshoz tartozó λmax hullámhossz és a T ( ) Adott hőmérséklehőmérséklet szorzata állandó. ten a sugárzás intenzitásának egyetlen maximuma van! A λmax nem a maximális hullámhosz1
szat jelenti, hanem a maximális sugárzási intenzitáshoz tartozó hullámhosszat. Ezt a törvényt egyébként a Wien féle eltolódási törvénynek is nevezik, amely szerint: A hőmérséklet növekedésével a görbe maximuma a rövidebb hullámhosszak felé tolódik el. Egy kb. 5500K hőmérsékletű test fehéren izzik, mivel a látható tartományba eső hullámhosszakon nagyjából egyenletesen sugároz. Az ennél alacsonyabb hőmérsékletű, pl. 4000Kes testeket vörösnek látjuk, mivel a sugárzási intenzitás aránya a vörös javára változik a kék rovására. Ezzel szemben egy magasabb, mondjuk 7000K-s test kék színű. Így állapítható meg a távoli csillagok hőmérséklete. A kozmikus háttérsugárzást megmérték, és a mért intenzitás eloszlásából tudjuk, hogy az Univerzum hőmérséklete 2,7K. 9. Mondja ki Wien II. törvényét! Egy test által maximálisan emittált energia a test abszolút hőmérsékletének az 5-ik hatványával arányos.
(
.
).
10. Mondja ki a Stefan-Boltzmann törvényt! A fekete test egységnyi felületéről időegység alatt kisugárzott összes energia egyenesen arányos az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával. . (
)
11. Hogyan számolhatjuk ki egy foton energiáját? ( ). ( ) 12. Mi a feketehőmérséklet? Egy adott test fekete hőmérsékletén, annak a fekete testnek a hőmérsékletét értjük, amely egy kiválasztott hullámhosszon ugyan úgy sugároz, mint az adott test. (Ez a kiválasztott hullámhossz a λ=650nm, a vörös színe). Bármely fekete test fekete hőmérséklete megegyezik a normális hőmérsékletével, azaz amit egy hőmérővel mérhetünk. (Az adott test fekete hőmérsékletét szokás nevezni effektív, vagy sugárzási hőmérsékletnek is). 13. Mi a színhőmérséklet? Egy adott test színhőmérsékletén annak az abszolút fekete testnek a hőmérsékletét értjük, amely szabad szemmel nézve ugyanolyan színűnek látszik, mint a test. A színhőmérsékletnek semmi köze a valódi hőmérséklethez, holott ezt is K-ben mérjük. A színhőmérséklet a fényérzetnek a kvantitatív kifejezésére szolgál. 14. Milyen fényforrásokat ismer és milyen ezeknek a színképe? Alapvetően két fajta van, az egyik a folytonos színképet kibocsájtó, míg a másik a vonalas színképet kibocsájtó fényforrás. Ez mondható úgy is, hogy vannak hőmérsékleti sugárzók és szelektív sugárzók. Gyertya, petróleumlámpa: folytonos színkép Izzólámpa: folytonos színkép, mint a fekete test Halogén lámpa: színképe hasonló az izzólámpáéhoz Fénycső: vonalas színkép 2
Kompakt fénycső: vonalas színkép LED: vonalas színkép Lézer: monokromatikus vonalas színkép 15. Írja fel az Einstein-féle fényelektromos egyenletet! Az egyenlet baloldalán a foton energiája, míg a jobboldalon a kilépő elektron kilépési munkája, plusz az elektron mozgási energiája van. Ha az elektron kilép az anyagból, akkor a kilépést kiváltó fotonnak legfeljebb energiája marad. különben nincs foto-effektus. Tovább vezetve:
Az
Einstein féle fényelektromos egyenlet azt mondja, hogy a fény az anyag elektronjaival történő kölcsönhatásban nem klasszikusan leírható folytonos hullámként, hanem h*ν energiájú részecskék, un. fotonok összességeként viselkedik. Tehát egy ν frekvenciájú fény csak h*ν adagokban képes energiát átadni. 16. Hogyan számolható ki egy adott fémre vonatkozó határhullámhossz?
17. Mennyi egy foton impulzusa?
18. Mennyi egy foton tömege?
19. Jellemezze röviden a Rutherford-féle atommodellt! Rutherford az atomot, mint naprendszert mutatta be. A naprendszerben a gravitációs erő hat és az erőtörvény
( ). Az atomban a centripetális erőt a Coulomb erő biztosítja, és ez is
( ). Z: rendszám , ahol k: Boltzmann állandó Az atom tömege a központi pozitív magban koncentrálódik, körülötte körpályán keringenek az elektronok egyenletes körmozgást végezve. A körpályán keringő elektron azonban, mint gyorsuló töltés elektromágneses sugárzást bocsát ki, így energiaveszteség következik be és az elektronnak egy spirális pályán a magba kellene zuhannia. Ez ellentmond az atomok stabilitásának. A Rutherford-féle atommodell tehát mechanikusan stabil, de elektrodinamikai szempontból instabil. Az elektrodinamikai instabilitásból az is következne, hogy az elektron a csökkenő sugarú pályákon egyre nagyobb szögsebességgel keringve folytonosan változó frekvenciájú elektromágneses hullámokat bocsátana ki, így a kisugárzott hullámok spektruma folytonos lenne, ami ellentmondás a vonalas színkép tapasztalatának.
3
20. Hogyan számolható ki egy részecske de Broglie-hullámhossza? √
√
21. Mik a Bohr-modell alapfeltevései? I. Az atomban az elektronok csak meghatározott pályákon keringhetnek, és ezekhez diszkrét energiaértékek tartoznak. Eközben az elektron energiát nem sugároz. II. A megengedett elektronpályákra érvényes: , ahol n=1,2,3... Eszerint az elektron csak olyan pályákon keringhet, amelynél az elektron perdülte h/2π egész számú többszöröseit veheti fel. III. Két elektronpálya közötti elektronátmenet foton kisugárzásával, ill. elnyelésével jár. A kibocsájtott vagy elnyelt sugárzás frekvenciáját, a két állandósult állapot, energiakülönbsége szabja meg úgy, hogy ez a Bohr féle frekvencia feltétel. 22. Írja fel a Balmer formulát! Bohr szerint: (
. Balmer pedig a frekvenciát adta meg, miszerint
), ahol R=3,289*1015Hz (Rydberg állandó), n=3,4,…
23. Milyen kvantumszámai vannak egy atomban levő elektronnak és milyen értékeket vehetnek fel? Fő-kvantumszám (n): n=1-től akármeddig. K,L,M,N,O,P... héj. Mellék kvantumszám (l): Értékei: l=0,1,2.....n-1, és az s,p,d,f betűket is használják. Mágneses kvantumszám (m): Értékei: m= -l…….+l egészek Spin kvantumszám (s): Értéke mindig: 24. Mondja ki a Pauli-elvet! Az atomban nincs két olyan elektron, amelynek mind a négy kvantumszáma megegyezik. Általánosan: bármely fizikai rendszerben a rendszer valamely adott kvantumszámokkal jellemzett állapotában nem lehet egynél több elektron. 25. Írja fel a hullámfüggvény bármelyik alakját! (
)
(
)
(
)
26. Mi a hullámcsomag? A hullámcsomag végtelen sok (de lehet kettő is), egymástól kismértékben különböző frekvenciájú síkhullám szuperpozíciója. A hullámcsomagot alkotó hullámok amplitúdói a frekvenciatérben folytonos görbével írhatók le. A hullámcsomag nem szabályos szinusz hullám, nincs meghatározott hullámhossza. A hullámhosszt a hullámcsomag kialakításában résztvevő hullámok darabszáma szabja meg. Minél több az összetevő annál nagyobb a hullám4
hossz. A hullámcsomagok duzzadó helyek és nulla átmenetek egymásutánisága. Ezen alapul az amplitúdó moduláció (AM). Ez a középhullámú rádiósugárzás.
27. Mi a diszperzió? A diszperzió jelensége az, amikor a hullámcsomagot alkotó harmonikus hullámok fázissebessége egymástól eltér. A diszperzió esetén a hullámcsomagot alkotó harmonikus hullámok a haladás közben egymáshoz képest eltolódnak. Emiatt az összegük és a hullámcsomagot meghatározó burkológörbe alakja is megváltozik. A hullámcsomag sebességét ilyenkor a burkológörbe maximumának a sebességével vg adjuk meg. A másik diszperzió, amikor az anyag „n” törésmutatója a „λ” hullámhossz függvénye. Ha ha
akkor normális diszperzió,
akkor anomális diszperzióról beszélünk.
28. Hol helyezkednek el a periódusos rendszerben az alkálifémek? Az alkáli fémek (6db) az első csoportban helyezkednek el. Tagjai: lítium (Li), nátrium (Na), kálium (K), rubídium (Rb), cézium (Cs), francium (Fr). Megjegyzendő, hogy a H ennek a csoportnak az első tagja, de az nem alkálifém. Az alkálifémek külső elektronhéján egy gyengén kötött elektron van, így ezek nagyon reakcióképesek. 29. Hol helyezkednek el a periódusos rendszerben az alkáliföldfémek? Az alkáli földfémek (6db) a második csoportban helyezkednek el. Tagjai: berillium (Br), magnézium (Mg), kalcium (Ca), stroncium (Sr), bárium (Ba), rádium (Ra). Az alkáliföldfémek külső elektronhéján két vegyértékelektron van. A gyengén kötött külső elektronok miatt általában nagyon reakcióképesek. 30. Hol helyezkednek el a periódusos rendszerben a halogénelemek? A halogén elemek a periódusos rendszer hetes csoportjában találhatók. Tagjai: fluor (F), klór (Cl), bróm (Br), jód (I), asztácium (At). 31. Hol helyezkednek el a periódusos rendszerben a nemesgázok? A nemesgázok a periódusos rendszer 0-ik főcsoportját alkotják. Tagjai: hélium (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn). A nemesgázok elektronkonfigurációját zárt héjak jellemzik. Kémiailag stabilak. Megkülönböztetésük fizikai módszerekkel történik, mert kémiailag nagyon hasonlóak.
5
32. Hol helyezkednek el a periódusos rendszerben a fémek? A fémek a periódusos rendszer I. II. IV. V. VI. VII. VIII. mellékcsoportját alkotják. 33. Hol helyezkednek el a periódusos rendszerben a lantanoidák? A lantanoidák a periódusos rendszer III. mellékcsoportjának azt az alcsoportját képezik, amelybe a bárium után következő 15 elem tartozik. Tagjai: cérium (Ce), prazeodímium (Pr), neodímium (Nd), ….stb. 34. Hol helyezkednek el a periódusos rendszerben az aktinoidák? Az aktinoidák a periódusos rendszer III. mellékcsoportjának azt az alcsoportját képezik, amelybe a rádium után következő 15 elem tartozik. Tagjai: aktínium (Ac), tórium (Th), protaktínium (Pa), urán (U), ….stb. A csoport valamennyi tagja radioaktív. 35. Hogyan keletkezik a folytonos röntgensugárzás? A röntgensugárzás elektromágneses sugárzás. A röntgensugarakat úgy keltik, hogy fémfelületeket elektronokkal bombáznak, ennek következtében az elektronok lelassulnak és a fémből röntgensugarak lépnek ki. A folytonos röntgensugárzást fékezési sugárzásnak is hívjuk, mert ez az anódba csapódó elektronok lefékeződése miatt keletkezik. A katódból az anód felé mozgó elektronnak elektromos és mágneses tere is van, amely a sebesség csökkenésével hirtelen megváltozik. Ez az „elektromágneses zavar” a környező térben elektromágneses hullámok alakjában tovaterjed és éppen ez a fékezési sugárzás. A keletkező folytonos sugárzás hullámhossza a gyorsító feszültséggel fordítottan arányos, minél nagyobb Ugy, annál kisebb hullámhosszúságú sugarak lépnek ki a röntgencsőből. 36. Hogyan keletkezik a karakterisztikus röntgensugárzás? A folytonos sugárzás mellett fellépnek az anód anyagára jellemző diszkrét hullámhosszak is. A katódból érkező nagyenergiájú részecskék egy része abszorbeálódik az anód anyagában és annak atomjaiból elektronokat lök ki. Ezek a kilökött elektronok jelennek meg a karakterisztikus színképben. A becsapódó elektronok olyan nagy energiával rendelkeznek, hogy képesek a legerősebben kötött, az atommaghoz legközelebbi pályákon lévő elektronokat is kilökni. Ezek az úgynevezett K (1s) pályán lévő elektronok. Ha az anódba csapódó elektron kilök egy K-elektront, tehát a K-héjon egy betöltetlen energiaszint marad, akkor kevesebb, mint 1*10-9 szekundum alatt az L vagy M héjról egy elektron betölti az üres helyet. Miközben a mozgó elektron egy magasabb energiaszintről egy alacsonyabb energiaszintre esik, energiát sugároz. Ez a sugárzás az anyagra jellemző, ezért nevezik karakterisztikusnak.
6
37. Hogyan számolható ki egy elem Kα vonalának frekvenciája? (
)
(
), k=1,2,…, n=k+1, k+2,… ∞ 6
P
5
O
Az „M” héjról kilökött elektron
N
4
M
3
Mα Mβ Mγ
Az „L” héjról kilökött elektron
L
Lα Lβ Lγ A „K” héjról kilökött elektron
2
A magasabb potenciálon lévő héjakról „lehulló" elektronok, amik a karakterisztikus sugárzást szolgáltatják K
Kα Kβ Kγ
n=1
Egyetlen elektron kiütése pl. a „K” héjról egy egész lavinát indíthat el. Attól függően, hogy az átmenet végállapota mely héjon van, K, L, M, N, … sugárzásról, s ezen belül a kezdeti állapotot tekintve α, β, γ, … komponensekről beszélünk.
R: Rydberg állandó Z: az atom rendszáma 38. Hogyan nyelődik el a röntgensugárzás? A röntgensugaraknak az anyagokon való áthatolásakor a beérkező primer sugárzás gyengülése részben a valódi abszorpcióra, részben a szórásra vezethető vissza. Az elnyelt sugárzás energiájának egy része arra fordítódik, hogy az anyag atomjaiból elektronokat vált ki, vagyis ez a valódi abszorpció, ionizációra vezet. Az energia másik részének árán viszont szekunder röntgensugárzás keletkezik, amelynek egy része a szórt sugárzás, ami ugyanolyan összetételű és hullámhosszú, mint a primer sugárzás, másik része pedig az anyag atomjaira jellemző, néhány diszkrét hullámhosszból álló karakterisztikus sugárzás. 39. Milyen gerjesztései vannak egy molekulának? elektronikus, vibrációs, rotációs 40. Mi a lézer működésének atomfizikai feltétele? A lézer jelentése: fényerősítés a sugárzás kényszerített emissziója útján. A működés feltétele a populáció inverzió és az indukált emisszió. A LASER működés szempontjából lényeges atomfizikai folyamat a stimulált (indukált) foton emisszió. Ha a gerjesztett állapotban lévő atomhoz egy olyan foton érkezik, amelynek frekvenciája megfelel a gerjesztett és az alacsonyabb nívók energiakülönbségének, (azaz a frekvencia feltétel teljesül) akkor bekövetkezhet az indukált foton emisszió, amikor-is az atom visszatér az alacsonyabb energiaszintű állapotába, s a gerjesztett állapot többletenergiáját egy kibocsátott foton viszi el. Ekkor tehát két foton hagyja el a küzdőteret, az eredeti beérkező foton, s az emittált újabb foton. A gerjesztett foton a kiváltó fotonnak a klónja, így aztán nem is különböztethető meg, hogy me7
lyik az eredeti. A gyakorlatban 3, v. 4 szintű lézert alkalmaznak. A Boltzman féle eloszlás szerint a pályák betöltöttsége alap állapotban, Ha elérjük azt, hogy „a” abszorpció révén , akkor megvalósítottuk a populáció inverziót. Tehát első lépcsőben energia bevitellel a γ szintre juttatunk sok elektront, hogy teljesüljön. A γ szintről az elektronok spontán emisszióval „s” visszakerülnek a β szintre, majd innen indukált emisszióval az α szintre. ( ) () Tehát a működés: ( ) Az abszorpció során, energiájú fotont kell elnyeletni az anyaggal. Második lépésként minden külső beavatkozás nélkül az ( )
átmenet következik be spontán módon. Ez a spontán emisszió. A harmadik folyamat az indukált emisszió, amelynek során a sugárzási térben nyüzsgő fotonok mintegy kikényszerítik, hogy egy atom egy újabb energiájú és már a meglévőkkel azonos fázisú foton kibocsátásával visszakerüljön az alacsonyabb energiájú állapotba. A folyamat rövid idő alatt megy végbe és a populáció inverzió leépülésével jár együtt. Ezért szükséges a gerjesztés, az optikai pumpálás. A lézerek impulzusüzemben működnek. Gerjesztésük történhet fénnyel, elektromos árammal és villamos térrel. Fénnyel gerjesztik: a rubin-, a festék-, és a folyadék-lézert. Elektromos árammal gerjesztik: a félvezető lézert. Villamos térrel gerjesztik: a gázlézert. Az aktív közeg a rezonátor cső, amelyben a hullámok a két tökéletesen párhuzamos és egyik oldalon megnyitott tükrök között oda-vissza „utaznak” és gerjednek. Ez a folyamat az optikai rezonancia. A rezonátorcső hossztengelyével párhuzamosan lép ki a monokromatikus és koherens fénynyaláb.
8
