OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

OPTIKA

Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok

Dr. Seres István

OPTIKA – mechatronika szak.

Fénykibocsátás mechanizmusa, fényforrás típusok

Történeti áttekintés Ernest Rutherford (1911)  Rutherford alfa részecskéket tanulmányozott 1898-tól (ő fedezte fel

őket). 1909-ben egy kísérlet során nagyon meglepő kísérleti eredményeket kapott, amit meg kellett magyaráznia

Ernest Rutherford

Seres István

2

http://fft.szie.hu



A Rutherford kísérlet

Seres István

3

http://fft.szie.hu



Rutherford következtetése  Kisméretű, pozitív töltésű atommag  negatív töltésű elektronok relatíve nagy

térfogatban eloszolva Naprendszer modell: az elektronok úgy keringenek az atommag körül, mint a bolygók a Nap körül.

Seres István

4

http://fft.szie.hu



A Rutherford kísérlet Probléma a Rutherford modellel….  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)

Hélium

Oxigén

Seres István

Xenon 5

http://fft.szie.hu



Bohr modell Niels Bohr (1922)  Rutherford felfedezte az atommagot, és

Niels Bohr

igazolta, hogy negatív töltésű elektronok keringenek körülötte.  Bohr ezt azzal egészítette ki, hogy az elektronok csak bizonyos pályákon keringhetnek. Igazolta, hogy a külső pályákon több elektron lehet mind a belsőkön, és hogy a külső pályák határozzák meg a kémiai tulajdonságokat.  1922-ben Nobel díjat kapott az atom struktúrájának meghatározásában végzett munkájáért.

Seres István

6

http://fft.szie.hu



Bohr modell

Ze e k 2 r

2

v Rutherford m r

h mvr n Bohr 2 A két egyenletből r és v kiszámolható:

v( n )

Seres István

2 kZe nh

2

r (n )

7

h2 2 n m4 2 kZe 2 http://fft.szie.hu



Bohr modell

r (n )

h

2

2

2

2

n

2 kZe 1 v( n ) h n

2

m4 kZe A két értékből az energia kiszámolható: E(n )

1 Ze e 2 mv k 2 r (n ) 2

E(n ) Seres István

2

2 4

1 m4 k Z e 1 2 2 2 h n 8

2

2

2

kZe m4 Ze 1 2 2 h n http://fft.szie.hu



Bohr modell Tehát az elektron energiája az atomban: 2 2

E(n )

2 4

1 m4 k Z e 1 2 2 2 h n

E0 –ra az alábbi jelölést bevezetve:

E0

1 m4 2 k 2 Z2e 4 2 2 h

Seres István

E(n )

9

E0 2 n

http://fft.szie.hu



Bohr modell Energiaszintek

E0 2 n

E(n ) H atomra (Z=1): 2 2

2 4

E0

1 m4 k Z e 2 2 h

E0

2.18 10

18

H atom

J 13.6 eV 07m07an1.mov

Seres István

10

http://fft.szie.hu



Bohr modell

Mennyi energiát kell egy elektronnal közölni, hogy az E1 energiaszintről az E3 energiaszintre ugorhasson?

E

Ef

Seres István

Ei

1 E1 2 nf

1 n i2

11

1 13 .6 2 3

1 12

12 .1 eV

http://fft.szie.hu



Bohr modell Mikor bocsát ki elektromágneses hullámot (pl. fényt) az atom? Ha az elektronja gerjesztett állapotból visszatér alapállapotba. Gerjesztési módok: •Termikus gerjesztés (izzószál) •Ütközési gerjesztés (fénycső, kompakt fénycső)

Seres István

12

http://fft.szie.hu

Folytonos színkép Fehér fény



Vörös Rés Prizma

Fényforrás

Seres István

Ibolya

Ernyő

13

http://fft.szie.hu

Vonalas színkép Atom által kibocsátott spektrum (pl. izzó gáz)



Rés Prizma

Atomi fényforrás

Seres István

Ernyő

14

http://fft.szie.hu



Planck Planck-féle kvantumfeltétel:

Egy foton energiája

= hf Planck állandó

Frekvencia

(6.63 x 10-34 J s)

Seres István

(s-1)

15

http://fft.szie.hu



Bohr modell és Planck feltétel együtt Energiaszintek közötti különbség megegyezik a kibocsátott energiával:

1 E E0 2 n

1 2 m

hf

Innét a kibocsátott frekvencia:

Seres István

f

E0 1 1 2 2 h n m 16

http://fft.szie.hu



Bohr modell

A Hidrogén spektruma

434.0 nm

410.1 nm Seres István

486.1 nm

656.3 nm 17

http://fft.szie.hu

Hidrogén spektruma a Bohr modell alapján A látható fény tartományába eső színképvonalakat Balmer sorozatnak nevezzük. 6 5 4

3

Energia



2

1 Ultraibolya Lyman

Seres István

Látható Balmer 18

Infravörös Paschen

n

http://fft.szie.hu



Hidrogén spektruma a Bohr modell alapján

Seres István

19

http://fft.szie.hu



Emissziós színképek Hélium

Oxigén

Xenon

Seres István

20

http://fft.szie.hu



Xenon emissziós színképe

Seres István

21

http://fft.szie.hu



Színkép elemzés

Seres István

Folytonos színkép

Emissziós színkép (hidrogén gáz)

Abszorpciós színkép (hidrogén gáz)

22

http://fft.szie.hu



Színkép elemzés

Seres István

A Nap színképe

23

http://fft.szie.hu


Fénykibocsátás mechanizmusa, fényforrás típusok Színkép elemzés

Seres István

A Nap színképe

24

http://fft.szie.hu



Elmélet: abszolút fekete test

Definíció: minden ráeső sugárzást elnyel. modellje: üreg

Seres István

25

http://fft.szie.hu



Elmélet: Planck-féle sugárzási törvény

T hőmérsékletű testegységnyi felületéről időegység alatt kisugárzott energia :

J ,T

Seres István

2hc 2

1

5

e

hc kT

1

26

http://fft.szie.hu



Elmélet: Planck-féle sugárzási törvény C2 T

Ha e 1 , akkor a törvény az alábbi alakot veszi fel:

J ,T d

C1

5

e

C2 T

d

/Az eltérés < 1%, ha T < 3000 m∙K/

Seres István

27

http://fft.szie.hu



Elmélet: Planck-féle sugárzási törvény

J ,T d

C1

5

e

C2 T

d

Hol van (mekkora esetén) a függvény maximuma? /Ahol a deriváltja nulla/

Seres István

d(J , T ) d

5

d (C1

e

d

28

C2 T

)

0

http://fft.szie.hu



Elmélet: Wien-féle eltolódási törvény Hol van (mekkora esetén) a függvény maximuma? /Ahol a deriváltja nulla/ d(J , T ) d

e

)

d

C1

T Seres István

5

d(C1

C2 T

C

6

e

C2 T

C1

5

6

e

C2 5 T

2,898 10 29

C2 T

5

e

C2 T

C2 2 T

0

0

3

mK http://fft.szie.hu



Elmélet: Wien-féle eltolódási törvény T 5C 2 2,8978 10 3 mK

•Melegített vas színe változik •Kék színű csillagok melegebbek Seres István

30

http://fft.szie.hu



Elmélet: Stefan Boltzmann törvény Kibocsátott összteljesítmény: függvény görbe alatti terület (parciális integrálás)

P

Seres István

4

A T , ahol

5,67 10 31

8

W 2 4 mK http://fft.szie.hu

Fényforrások Természetes fény Nap spektruma: (T ~ 5800 K) max

T 2,898 10 3 mK

Besugárzási intenzitás (W/m2 m)



A légkörön kívül

A felszínen

Hullámhossz ( m)

max

5∙10-7 m = 500 nm

Seres István

32

http://fft.szie.hu



Fényforrások Izzószálas égő

Fekete test sugárzása: Wien-féle eltolódási törvény max

T 2,898 10 3 mK http://www.egglescliffe.org.uk/physics/astronomy/blackbody/Image21b.gif

Seres István

33

http://fft.szie.hu



Fényforrások Fénycső, kompakt fénycső Ütközési gerjesztés a nagy feszültégre gyorsított gázionok segítségével beépített transzformátor Fénycső: 50 Hz villog!!! Kompakt fénycső 30 000 Hz egyenletes fény Fénycsövek színe fényporozás nélkül

Neon Seres István

Hélium

Xenon 34

Kripton

Argon

http://fft.szie.hu



Fényforrások

LED pn átmenet nyitóirányú kapcsolása A rekombinálódó elektronok a felesleges energiájukat fotonok formájában adják le. http://www.hazi-mozi.hu/cikkshow.php?aid=3&cid=678

Seres István

35

http://fft.szie.hu



Fényforrások

LED

LED lámpák színskála lefedettsége.

http://www.hazi-mozi.hu/cikkshow.php?aid=3&cid=678

Seres István

36

http://fft.szie.hu



Fényforrások Lézer

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Seres István

37

http://fft.szie.hu



Fényforrások Lézer Spontán és indukált emisszió Normál populáció, Inverz populáció tükörrezonátor http://www.mozaik.info.hu/mozaweb/feny/FY_lezer.htm

Seres István

38

http://fft.szie.hu



Fényforrások He-Ne Lézer Normál populáció, Inverz populáció

Seres István

tükörrezonátor

39

http://fft.szie.hu



Fényforrások félvezető lézer

Seres István

40

http://fft.szie.hu



Fényforrások Lézerfény tulajdonságai •Monokromatikus (1 színképvonal) •Koherens •párhuzamos nyaláb •Nagy energiasűrűség

Seres István

41

http://fft.szie.hu



Lézerfény hatásai •Hőhatás, ionizáció, fluoreszcencia, fotokémiai reakciók elsősorban a hőhatás elvén működnek: Például a CO2 lézer: vízben szinte tökéletesen elnyelődő 10.6 m –es infravörös a kék vagy zöld színű argonlézer csak a pigmentált részen nyelődik el. a szem részein minden károsító hatás nélkül keresztülhalad, ugyanakkor az erősen pigmentált retina

elnyeli. Seres István

42

http://fft.szie.hu



Holográfia

Seres István

43

http://fft.szie.hu

OPTIKA – mechatronika szak. Seres István


Folytatás a következő héten!

44

http://fft.szie.hu

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Recommend Documents