Makrovilág ↔ mikrovilág A mikrovilág: atom, atommag, elektron, foton Atomfizika Smeller László
Makrovilág ↔ mikrovilág
• A nagyon kis objektumok nem ugyanúgy viselkednek? • Görögök: a-tom • XX. századi fizika: kvantumelmélet • Mennyire kicsi ez a mikro-világ?
Méretek
m 100• méter ember 10-3• milliméter szabad szemmel látható távolság 10-6• mikrométer sejt méret (pl. emberi vvt) ∅ 7µm -9 10 • nanométer fehérje 10-10 – Angström atom átmérője, kémiai kötéstávolság H atom ∅ ≈ 1 Angström (Å)
10-12• pikométer röntgensugárzás hullámhossza 10-15• femtométer atommag
„..in dieser Wissenschaft schon fast alles erforscht sei, und es gelte, nur noch einige unbedeutende Lücken zu schließen“ Ebben a tudományban már mindent felfedeztek, és már csak néhány jelentéktelen lyukat kell befoltozni. Philipp von Jolly Max Plancknak 1878-ban
Hőmérsékleti sugárzás • Elektromágneses sugárzás • Minden anyag kibocsátja ha T>0K • A hőmozgás energiájának rovására történik • Példák:
Lord Kelvin: Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light
A hőmérsékleti sugárzás spektruma
Fény
Összes kisugárzott energia: (Stefan-Boltzmann tv.) Egységnyi felület által egységnyi hullámhossztartományban kisugárzott teljesítmény
E=AtσT4 Wien-féle eltolódási tv.
λmaxT = const
Planck (1900) a sugárzás kis adagokban emittálódik Foton: fény kvantum (adag)
A sugárzás energiája folytonosan vagy kis adagokban érkezik? hullám vagy részecske?
Fényelektromos hatás gyenge fény
e fémlap
erős (nagy intenzitású) fény
e
kevés fény-részecske (foton)
fémlap
e- e- e- e- e- ee fémlap
A fényelektromos hatás magyarázata a fény részecsketermészete alapján
fémlap
eeeeee
sok foton
e
fémlap
fémlap nagyobb hullámhossz kis energiájú fotonok
• A fényrészecske (foton) energiája függ a fény színétől, azaz a hullámhosszától, ill. a frekvenciájától: c Efoton=hf Efoton = h λ fotonenergia
Planck állandó
frekvencia
h = 6,63·10-34 Js
A fotoelektromos hatás kvantitatív magyarázata a fotonok segítségével hf < Wki
hf < Wki e
hf=Wki+1/2mev2
fémlap
fémlap kisebb hullámhossz nagy energiájú fotonok
Fény kettős természete • Hullám: – interferencia, – elhajlás
ld. (fénytan
• Részecske: – hőmérsékleti sugárzás – fényelektromos hatás (Einstein 1905)
• Hullám vagy részecske?
Hullám vagy részecske? • Analógia a fény kettős természetéhez:
!
λ
• Hullám vagy részecske? és
λ
10-12
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
Nem csak a fénynek, hanem az összes elektromágneses sugárzásnak is kettős természete van!
1
Szokatlan?
102
104 m
λ
10-12
400
10-10
10-8
500
10-6
10-4
10-2
1
600
102
104 m
700
nm
Az atom rövid története • „a-tom” = oszthatatlan • J. Thomson (1897) elektron felfedezése: az atomnak vannak részei: – elektron(ok) + „egyéb” • Thomson atommodell: mazsolás puding • Rutherford kísérlet: atommag • Naprendszer modell (Rutherford)
• Bohr féle atommodell • Kvantummechanikai atommodell
Atommodellek
Az atom alkotóelemei • Elektronok (negatív elektromos töltésű könnyű részecskék) • Atommag (pozitív töltésű) – protonok (pozitív töltésű) – neutronok (semleges)
A Bohr-féle atommodell (H-atom)
• Bohr féle kvantumfeltétel: mrv = n
• Coulomb erő = centripetális erő
e2 v2 k 2 = mel r r
A Bohr-féle atommodell h 2π
ke 2 r= mv 2 r r
ke 2 r= mel v 2
F F F
n2h2 ~ n2 r= 4π 2 ke 2
F
főkvantumszám
Bohr féle atommodell Nem csak a sugár, hanem az energia is csak bizonyos értékeket vehet fel:
n=1 n=2
En = Ekin ,n + E pot ,n
n=3
Ekin ,n
Az elektronpályák energiája Ekin ,n
1 2 1 k 2 e 4 4π 2 = mv = 2 2 n2h2
k 2 e 4 4π 2 E pot ,n = − n2h2 1 k 2 e 4 4π 2 1 ~− 2 En = Ekin ,n + E pot ,n = − 2 2 n 2 nh
0
1 2 1 k 2 e 4 4π 2 = mv = 2 2 n2h2
n=∞
n=3 n=2
n=1
Elektronátmenetek a Bohr féle atommodellben
E szabad elektron 0
E
n=∞
az energia bármilyen értéket felvehet n=1
n=3 n=2
kötött elektron
n=2
kvantált* energia n=1
*kvantált= csak meghatározott értékeket vehet fel
H-atom
n=3
Ha az elektron az n-ik pályáról az m-ik pályára „ugrik”, az atom egy hf=En-Em energiájú fotont bocsát ki.
Kvantummechanika, avagy mi igaz a Bohr-féle atommodellből?
A hidrgogénatom spektrális átmenetei
kvantummechanika nincs pálya, csak megtalálási valószínűség (elektronfelhő)
Bohr kör alakú pálya
kvantált ergiaszintek elektron átugrása az egyik pályáról a másikra
☺
kvantált energiaszintek az elektron az átlapoló energiafelhők esetén átmehet a másik pályára
foton elnyelés/kibocsátás☺ foton elnyelés/kibocsátás
E szabad elektron 0
n=∞
az energia bármilyen értéket felvehet
n=3 n=2
kötött elektron kvantált* energia
n=1
*kvantált= csak meghatározott értékeket vehet fel
Metzler Physik (Schroedel Schulbuchverlag)
H-atom > többi atom >>molekulák
Elektronátmenetek E
0
Elektronátmenetek E
E
0
n=∞
n=∞
n=3
n=3
n=2
n=2
hf=∆E
∆E
energia n=1
Ekin
kilépési munka (A)
E energia
0
hf
hf=A+Ekin
n=∞
n=3
n=3
n=2
n=2
∆E n=1
n=1
0
n=∞
n=1
hő, vagy sugárzás
