Bővített tematika az ATOMFIZIKA tárgyhoz /Dr. Szatmári Sándor/ egyetemi tanár
Tájékoztató a tantárgy programjáról. Tanulmányi- és vizsgakötelezettségek, illetve követelmények. Az atomfizika tantárgyának kapcsolódása a FIZIKA alapszak alapozó-, illetve törzstárgyaihoz. Az anyag atomos szerkezete Az atomfogalom kialakulása, az anyag atomos szerkezete, az atomok létezésének bizonyítékairól. Az atomok tömege. A relatív atomtömeg és a relatív molekulatömeg. Az 1 mol, az Avogadro-féle állandó. A moláris tömeg és a moláris térfogat. Az NA Avogadro-állandó meghatározásának néhány módszere; a „leülepedési” vagy szedimentációs egyensúly alapján, a Brown-féle mozgás alapján, radioaktivitás alapján, elektrolizis alapján. Következtetés az atomok nagyságára; az Avogadro-állandó segítségével, az ún. „saját térfogatból”, ütközési keresztmetszetből, a közepes szabad úthosszból, a röntgensugaraknak kristályokon történő diffrakciója alapján. Eljárások, eszközök az egyes atomok, molekulák „láthatóvá”, „lefényképezhető” tételére. Az elektromosság „atomos szerkezete”; elektronok és ionok Az elemi töltés; az elektron, az elektrolízis és az elektromosság atomos szerkezete, a katódsugarak és az elektron, az elemi töltés meghatározása a Millikan-féle „olajcsepp”-kísérletből, az elektron töltésének meghatározása az elektronemisszió zajából. Az elektron fajlagos töltése; elektron mozgása elektromos és mágneses terekben, az elektron fajlagos töltésének kísérleti meghatározása, (Thomson-módszer, Buschmódszer, Kirchner-módszer). Az elektron tömege; az elektron tömegének meghatározása a fajlagos töltéséből, az elektron tömegének függése a sebességtől, a tömeg és az energia közötti kapcsolat. Az ionok fajlagos töltésének és tömegének meghatározása; csősugarak, J.J. Thomsonféle parabola módszer, Aston-féle tömegspektrográf (sebességfókuszálás), Dempsterféle tömegspektrográf (irányfókuszálás), Bainbridge-féle tömegspektrográf, Mattauch−Herzog-féle kettősen fókuszáló tömegspektrográf. 1
Izotópok; az elemek izotóp összetétele; az izotópok szétválasztása, illetve dúsítása (elektromágneses vagy tömegspektrométeres módszerrel, diffúziós és termodiffúziós módszerrel, elektrolízissel). Az atom szerkezete; az első atommodellek A Thomson-féle atommodell. Elektronok áthaladása vékony fémlemezeken és gázokon. Az α-részecskék szóródása; az α-részecskék szóródása vékony fémlemezeken. A Rutherford-féle szóródási formula levezetése: a ϑ-szóródási szög és a b-ütközési paraméter kapcsolata, a D-vastagságú vékony fólián áthaladó α-részecskék szóródása, a Rutherford-féle formula. A Rutherford-féle szórási formula kísérleti igazolása; a szórási törvényben megadott függvénykapcsolat helyességének kísérleti igazolása, a Ze magtöltés, illetve a Z magtöltésszám meghatározása, további kísérleti eredmények: az atommag. A Rutherford-féle atommodell. A sugárzás kvantumos természete; a fotonok A hőmérsékleti sugárzás; kvalitatív tapasztalatok, sugárzási egyensúly üregben, a sugárzás intenzitása. Elektromágneses hullámok az üregben. Kirchhoff-törvénye. Az abszolút fekete test. A Planck-féle sugárzási törvény; a Planck-féle sugárzási formula, a fekete sugárzás „résztörvényeinek” levezetése a Planck-féle sugárzási törvényből, a Planck-féle formula Einsteintől való levezetése, nem fekete testek sugárzása, a sugárzási törvények alkalmazása magas hőmérsékletek mérésére. A fényelektromos hatás (fotoeffektus); kísérleti eredmények, a fénykvantum (foton) hipotézis, az Einstein-egyenlet kísérleti igazolása. Megjegyzések a fotoeffektusról. A röntgensugárzás; a röntgensugarak előállítása és néhány tulajdonságuk, a röntgensugárzás összetétele, a fékezési röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusa, a Planck-féle állandó meghatározása, a fény korpuszkuláris természetét igazoló további kísérletek. A fénynyomás; a fénynyomás hullámelméleti értelmezése, a fénynyomás fotonelméleti értelmezése, a fénynyomás nagysága. A fény kettős természete; a fény hullám- és fotonelmélete, a fény hullám- és fotonelméletének összeegyeztetésére irányuló próbálkozások. A Bohr- és a Bohr−Sommerfeld-féle atommodell
2
A Bohr-féle atommodell; a Bohr-féle posztulátumok, a Bohr-féle posztulátumok igazolása Franck és Hertz elektronütközési kísérleteivel. A hidrogénatom optikai spektruma; az optikai spektrumokról általában, a hidrogénatom spektrumának fő kísérleti törvényszerűségei. A hidrogénatom Bohr-féle elmélete; a hidrogénatom elemi elmélete a Bohr-modell szerint, a hidrogénatom színképének értelmezése a Bohr-elmélettel, a hidrogénszerű ionok spektruma, a mag mozgásának tekintetbevétele a Bohr-modellben. A Bohr−Sommerfeld-féle hidrogénatom modell; a Bohr-modell Sommerfeldtől származó továbbfejlesztése, az energiaelfajulás feloldása a relativisztikus tömegváltozás révén. A Bohr−Sommerfeld-féle elmélet korlátai; a Bohr−Sommerfeld-féle elmélet jelentősége és hiányosságai, a Bohr-féle korrespondencia elv, a Rydberg-atomok. Anyaghullámok; a részecskék kettős természete De Broglie-hipotézise: „részecske-hullám” kettősség, a de Broglie-hullámok, a de Broglie-hullámok néhány tulajdonsága. Az anyaghullámok kísérleti bizonyítékai; a de Broglie hullámok hullámhossza, elektronsugarak diffrakciója, atom- és molekulanyalábok diffrakciója, neutronok diffrakciója. Hullámcsomag és részecske; a részecske mint hullámcsomag, a de Broglie-hullámok valószínűségi jelentése. Hullámcsoport (hullámcsomag) keletkezése és tulajdonságai; síkhullámok szuperpozíciója, a hullámcsoport (hullámcsomag), fázissebesség és csoportsebesség. A Heisenberg-féle határozatlansági relációk; a részecske-hullám dualizmusból következő határozatlansági összefüggések, példák a határozatlansági relációkra, a határozatlansági relációk néhány következménye. Az atom hullámmechanikai modellje A Schrödinger-egyenlet; az időtől függő Schrödinger-egyenlet, az állapotfüggvény fizikai jelentése, az időtől független Schrödinger-egyenlet. Egyszerű rendszerek Schrödinger-egyenletének sajátértékei; szabad részecske, a síkbeli rotátor, a lineáris harmonikus oszcillátor, részecske végtelenül mély potenciálgödörben, részecske áthaladása potenciálfalon (alagútjelenség), elektron véges mélységű potenciálgödörben (téremisszió).
3
A fizikai mennyiségek mint operátorok A hidrogénatom hullámmechanikai modellje; részecske mozgása centrális erőtérben, a hidrogénatom, a térbeli rotátor. Atomszínképek és értelmezésük A alkálifém-atomok spektrumai; kísérleti eredmények, a spektrum modellszerű értelmezése, a vegyérték elektron-modell. Spektrumok multiplicitása és az elektronspin; az alkálispektrumok dublett szerkezete: kísérleti tapasztalatok, a pályamozgás impulzus- és mágneses momentuma, az elektron spinje és saját mágneses momentuma, a giromágneses hányados mérése: az Einstein−de Haas-féle kísérlet, az iránykvantálás kísérleti igazolása: Stern−Gerlachféle kísérlet, a finomszerkezet és a spin-pálya kölcsönhatás. A finomszerkezeti formula; a spin-pálya kölcsönhatásból és a relativisztikus kinetikai energiából származó korrekció, a hidrogénatom finomszerkezete és a Lamb-féle vonaleltolódás, az alkáli-spektromok dublett szerkezetének értelmezése finomszerkezeti képlettel. Többelektronos atomok A héliumatom spektruma; kísérleti eredmények, atom két elektronnal. A termek rendszerezése a vektor modell alapján; az LS-csatolás (Russel−Saundersféle vagy normális csatolás), a jj-csatolás, a bonyolultabb spektrumok néhány törvényszerűsége. Az atom mágneses momentuma; a Lande′-féle g-faktor, az atom vektormodellje. A Zeeman-effektus; kísérleti eredmények, a normális Zeeman-effektus klasszikus elektronelméleti értelmezése, a Zeeman-effektus (modellszerű) kvantumelméleti értelmezése, elektron paramágneses rezonancia (ESR). A röntgenspektrumok; kísérleti eredmények, Moseley-törvénye, a röntgenspektrumok keletkezése, az abszorpciós röntgenspektrum. Az elemek periódusos rendszere; a periódusos rendszer és az elektronok héjszerkezete, a Pauli-elv, a periódusos rendszer felépítése és értelmezése, az atomok alapállapotai. Az atomok gerjesztett állapotai; az atomok gerjesztése ütközéssel, a gerjesztett állapotok élettartama, az atomok ionizálása, hőmérsékleti gerjesztés és ionizálás, atomok gerjesztése fényelnyelés útján.
4
A színképvonalak hiperfinom szerkezete; az atommag spinje és mágneses momentuma, az atommagok spinjének és mágneses momentumának mérése. Az atomok és az elektromágneses-tér kölcsönhatása Az atomok sugárzása; az atomok dipólusmomentuma és a sugárzás, az Einstein-féle átmeneti valószínűségek, kiválasztási szabályok, a spektrumvonalak intenzitása és polarizációja, a színképvonalak kiszélesedése. A lézer; a lézer működési elve, populáció inverzió létrehozása, energia pumpálás, néhány lézertípus, a lézerfény tulajdonságai és alkalmazásai, nemlineáris optika. Molekulaszerkezet Kötési mechanizmusok; ionos (heteropoláros) kötések, kovalens (homeopoláros) kötések, a hidrogén kötés, a van der Waals-kötések. A molekula energianívói és molekulaspektrumok; a molekula energianívói, a spektrumok értelmezése. A Raman-effektus. A molekulaszerkezet meghatározására való főbb jelenségcsoportok.
5
A tárgy neve Meghirdető tanszék(csoport) Felelős oktató: Kredit Heti óraszám típus Számonkérés Teljesíthetőség feltétele Párhuzamosan feltétel Előfeltétel Helyettesítő tárgyak Periódus Javasolt félév Kötelező vagy kötelezően választható
[A TANANYAG CÍME] SZTE [Kar Tanszék(csoport)] [Most a tananyag szerzőjének neve] [Kredit] [Heti óraszám] [Előadás, Gyakorlat, labor. gyak, szeminárium] [Kollokvium, gyakorlati jegy, szigorlat, beszámoló] [Nem kötelező kitölteni, csak ha tudjuk] [A tárggyal együtt teljesítendő másik tárgy neve (pl. gyakorlat)] [Előfeltétel tárgyak neve, max. 3] [Nem kötelező kitölteni, csak ha tudjuk] [őszi v. tavaszi félév, évente, 2 évente] [Mintatanterv szerint (ahol kötelező)] [Alapszak(ok) neve]
ATOMFIZIKA SZTE, TTK, FIZIKUS TSz.Cs. Dr. Szatmári Sándor 2 2 előadás kollokvium − − − − tavaszi félév − Fizika
AJÁNLOTT IRODALOM
Spolszkij, E.V.: Atomfizika I-II. Akadémiai Kiadó, Budapest, 1958 Kiss D. – HorváthÁ. – Kiss Á.: Kísérleti atomfizika ELTE Eötvös Kiadó, Budapest, 1998 Budó Á.: Kísérleti Fizika I-III. Tankönyvkiadó, Budapest, 1979 Hevesi I. - Szatmári S.: Bevezetés az atomfizikába JATEPress, Szeged, 2002 Hevesi I.: Elektromosságtan Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1998
6
