FIZIKA
Sugárzunk az elégedettségtől! (Atomfizika)
Dr. Seres István
Atomfizika
FIZIKA
• Atomfizika
• atommagfizika
2
Atomfizika
FIZIKA
Atommodellek 440 IE
Democritus, Leucippus, Epicurus
1803
John Dalton
1897
J.J. Thomson
1911
Ernest Rutherford
1922
Niels Bohr
3
Atomfizika
Atommodellek J.J. Thomson (1897)
FIZIKA
elektronok Pozitív massza (puding)
Pozitív ion
mazsolás puding modell 4
Atomfizika
Atommodellek
FIZIKA
Rutherford kísérlet: atommag felfedezése
5
Atomfizika
Atommodellek
Rutherford kísérlet: atommag felfedezése
FIZIKA
+
+ + Naprendszer modell 6
Atomfizika
Atommodellek Probléma a Rutherford modellel
FIZIKA
A 20. század elején felfedezték, hogy az anyag
által kibocsátott illetve elnyelt fény nem folytonos spektrumú, hanem csak bizonyos frekvenciákat tartalmaz. A gyorsuló töltés sugároz (röntgen sugárzás)
7
Atomfizika
Atommodellek
Ze e v k 2 m r r FIZIKA
2
Rutherford
h mvr n 2
Bohr
A két egyenletből r és v kiszámolható: 2 2 h 2kZe 2 r ( n ) n v( n ) 2 2 m 4 kZe nh 8
Atomfizika
Atommodellek Az elektron energiája:
FIZIKA
1 Ze e 2 E(n ) mv k 2 r (n )
E0 E (n ) 2 , ahol n 9
1 m 4 2 k 2 Z 2 e 4 E0 2 h2
Atomfizika
Atommodellek E0 Az elektron energiája: E ( n ) 2
n
FIZIKA
Energiaszintek (n – főkvantumszám) 0 E3=E0/9 E2=E0/4
E1=E0 10
Atomfizika
Fénykibocsátás
Fénykibocsátás
FIZIKA
Elektron gerjesztés
+ n=1 n=2
n=3 11
Atomfizika
Planck-féle kvantumfeltétel:
FIZIKA
(Foton energiája)
e = hf Planck állandó (6.63 x 10-34 J s)
frekvencia (Hz)
12
Atomfizika
fénykibocsátás:
FIZIKA
Energiaszintek közötti különbség megegyezik a kibocsátott energiával: 1 1 E E 0 2 2 hf m n
Innét a kibocsátott frekvencia: E0 1 1 f 2 2 h n m 13
Atomfizika
fénykibocsátás:
FIZIKA
Rés Prizma
Atomi fényforrás
Film 14
Atomfizika
Fénykibocsátás, vonalas színkép
FIZIKA
Hélium
Oxigén
Xenon
15
Atomfizika
Színkép elemzés (spektroszkópia)
FIZIKA
Anyagösszetétel vizsgálat Távoli csillagok távolodási sebessége (Doppler effektus)
Nap spektruma 16
Atomfizika
FIZIKA
Fotoeffektus Elektromágneses hullámmal (fénnyel) megvilágított fémlemezből elektronok lépnek ki => Einstein
Foton hf energiával
fémlemez e
17
Atomfizika
Fotoeffektus
FIZIKA
Einstein egyenlet:
1 2 hf Wki mv 2
18
Atomfizika
Feladat fotoeffektusra:
FIZIKA
Mekkora sebességgel lépnek ki az elektronok 5·1014 Hz frekvenciájú megvilágítás hatására egy cézium lemezből? (Wki = 1,96 eV)
1 2 hf Wki mv 2
Megoldás:
Wki = 1,96 eV = 1,96·1,6·10-19 J = 3,14·10-19 J 34
6,6 10 5 10 3,14 10 14
19
1 31 2 9,110 v 2
v = 187 500 m/s 19
Atomfizika
A fény kettős természete:
FIZIKA
Fény: Hullám – fényelhajlás Részecske – fotoeffektus Rendelkezik-e a fény olyan tulajdonságokkal, mint a részecskék, pl. lendület?
20
Atomfizika
A fény kettős természete: Planck fotonra
hf = E = mc2
Einstein
FIZIKA
A kettő kifejezéséből:
Foton lendülete = mc = hf/c = h/l Fénynyomás !
21
Atomfizika
Az anyag kettős természete:
Hullám (pl. fény):
FIZIKA
Lendület = mc = hf/c = h/l De Broglie szerint ugyanez részecskékre:
h l mv Gyakorlati alkalmazás: Neutron diffrakció
22
Atomfizika
FIZIKA
Atommag fizika
23
Atomfizika
Atommag fizika Hélium atommag (a részecske): 2 proton + 2 neutron FIZIKA
Tömeg-deffektus:
m ma (2 mp 2 mn ) 0 ma = 6,6447·10-27 kg, mp = 1,6727·10-27 kg, mn = 1,6749·10-27 kg, 24
Atomfizika
Atommag kötési energiája tömegdeffektus:
FIZIKA
m ma (2 mp 2 mn ) = -5·10-29 kg Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia elv: Kötési energia: e = mc2 = -5·10-29·(3·108)2 e = 4,5·10-12 J = 2,8·107 eV = 28 MeV· (1 eV = 1,6·10-19 J) A látszólag eltűnő tömeg energiává alakul! 25
Atomfizika
Atommag kötési energiája
FIZIKA
e ~ 4,5·10-12 J Mennyi energia lenne kinyerhető 1 vödör vízből ha magreakcióval belőle a hidrogént héliummá alakítanánk? M(H2O) = 18 g/mol = 2 g/mol H + 16 g/mol O. A víz tömegének 2/18-ad része, vagyis 1/9-ed része hidrogén. 26
Atomfizika
Atommag kötési energiája A víz tömegének 2/18-ad része, vagyis 1/9-ed része hidrogén. FIZIKA
1 vödör vízben > 1 kg hidrogén 1 kg H = 1000 mol proton
500 mol p+ + 500 mol n 250 mol He
27
Atomfizika
Atommag kötési energiája 250 mol He kötési energiája:
FIZIKA
E = N·e = 250·6·1023·4,5·10-12 = 6,75·1014 J.
1 kg koksz égéshője: 30 MJ/kg = 3·107 J/kg. 1 vödör víz hidrogénjének fúziós energiája kb. 2,25·107 kg = 22 500 tonna koksz elégetésének megfelelő energiát termel. 28
Atomfizika
Atommag fizika Atommag kötési energia: X AZ
e m c m X ( Z m p (A Z) m n ) c FIZIKA
2
e Fajlagos kötési energia: A
29
2
Atomfizika
e A
fúzió
Fajlagos kötési energia (MeV)
FIZIKA
Atommag fizika
bomlás, hasadás
Tömegszám (A) 30
Atomfizika
Radioaktív bomlás
FIZIKA
dN ~N dt
Radioaktív bomlástörvény
N
N( t ) N 0 2
N0 N0/2
t T
T – felezési idő
N0/4 T
2T 31
Atomfizika
Radioaktív bomlástörvény
FIZIKA
•Radioaktív kormeghatározás (C14) •Élőlények anyagcseréjének vizsgálata
32
Atomfizika
Radioaktív bomlástörvény Feladat: Mennyi idő alatt bomlik el 10 mg radioaktív jód 30%-a? (T = 12,6 óra)
FIZIKA
Megoldás:
A jódnak 70 %-a marad meg, ha 30%-a elbomlik. N(t)= 0,7·N0 !!!
33
Atomfizika
Radioaktív bomlástörvény Feladat megoldás: N(t)= 0,7·N0
FIZIKA
N( t ) 0,7 N 0 N 0 2
0,7 2
t 12, 6
t T
/:N0 /ln
12t,6 t ln 0,7 ln 2 ln 2 12,6
ln 0,7 t 12,6 ln 2
t = 6,5 nap 34
Atomfizika
Maghasadás, atomerőmű
FIZIKA
láncreakció
Paksi atomerőmű honlapja 35
Atomfizika
Maghasadás, atomerőmű
FIZIKA
Szabályozott láncreakció
Paksi atomerőmű honlapja 36
Atomfizika
FIZIKA
Maghasadás, atomerőmű
Paksi atomerőmű honlapja 37
Atomfizika
FIZIKA
Radioaktív sugárzás detektálása Ködkamra (paksi atomerőmű látogatóközpont) Filmdoziméter (pl. egészségügyi dolgozók) Geiger Müller számláló (kísérlet) 38
