FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Transkrypt

1 FIZYKA 2 wykład 10 Janusz Andrzejewski

2 Janusz Andrzejewski 2

3 Janusz Andrzejewski 3

4 Janusz Andrzejewski 4

5 Polaryzacja światła 1808Odkrycie polaryzacji światła przy odbiciu Etienne Louis Malus( ) 1810 Polaryzacja chromatyczna 1811 Polaryzacja kołowa François Dominique Arago( ) 1815 kąt Brewstera David Brewster ( ) Janusz Andrzejewski 5

6 Światło fala poprzeczna W celu wyjaśnienia polaryzacji światła Fresnel i Young, niezależnie od siebie i równocześnie (1817), zaproponowali, że światło to fale poprzeczne, a nie podłużne, jak to uważano powszechnie od czasów Hooke ai Hyugensa. Teoria falowa światła w jej współczesnej postaci jest zatem słusznie nazywana teorią Fresnela-Younga. Janusz Andrzejewski 6

7 Cztery podstawowe postulaty Thomasa Younga (1801): 1. Cały wszechświat jest wypełniony światłonośnym eterem o bardzo małej gęstości i dużej sprężystości 2. Światło wysyłane przez ciało wywołuje w eterze drgania 3. Wrażenie różnych barw wynika z różnej częstości drgań wywołanych przez światło na siatkówce 4. Wszystkie ciała materialne przyciągają eter, wskutek czego gromadzi się wewnątrz nich i w małej odległości od nich i ma tam większą gęstość, ale niezmienioną sprężystość. Janusz Andrzejewski 7

8 Zasada zachowania energii w sformułowaniu Mayera Przykład: Z niczego siła powstać nie może... Ciepło, elektryczność i magnetyzm, są w podobnym względzie siebie stosunku, jak equivalentychemiczne, węgla, zynkui kwasorodu. Przez pewną massęelektryczności wyrabiamy odpowiednią ilość ciepła albo siły magnetycznéj, które są równoważne; tę siłę elektryczną nabywamy powinowactwem chemiczném, którego używając w jédnéjpostaci, wydobywamy ciepło, w innéj elektryczność lub magnetyzm... Justus Liebig, Chemische Briefe(1844); Liebig tłum. polskie, Listy o chemii, Warszawa 1845 Przy wszystkich procesach fizycznych i chemicznych dana siła pozostaje wielkością stałą Ruch organiczny w związku z wymianą substancji (1845) Janusz Andrzejewski 8

9 Pozytywizm W połowie XIX stulecia twórca pozytywizmu Auguste Comte ( ) podawał skład chemiczny gwiazdy jako przykład wiedzy niedostępnej, której człowiek nigdy nie posiądzie....nigdy w żaden sposób nie będziemy mogli zbadać składu chemicznego gwiazd... wiedza pozytywna, jaką możemy mieć o nich, jest ograniczona tylko do ich właściwości geometrycznych i mechanicznych. Cours de philosophie positive( ) Janusz Andrzejewski 9

10 Josef Fraunhofer ( ) W 1814 roku odkrył ciemne linie w widmie słońca a następnie skatalogował 574 linii Janusz Andrzejewski 10

11 Fizyka około 1900 Ogółem w 1900 roku było około 1083 fizyków. Austro-Węgry: 33 Austriaków, 8 Węgrów, 6 Polaków, 4 Czechów; W pozostałych krajach (Brazylia, Chile, Grecja, Peru, Turcja, Urugwaj ) około 15 Janusz Andrzejewski 11

12 Znani fizycy w 1900 roku Niemcy: Max Abraham, Paul Drude, Wilhelm Hallwachs, Johann Wilhelm HittorfFriedrich Kohlrausch, Philip Lenard, Otto Lummer, Walther Nernst, Max Planck, Ernst Prinsgheim, Carl Pulfrich, Wilhelm Conrad Röntgen, Heinrich Rubens, Emil Warburg, Wilhelm Wien Wielka Brytania: William Crookes, James Dewar, Joseph Larmor, OliverLodge, JohnPoynting, GeorgeStokes, William Strutt(Lord Rayleigh), John Joseph Thomson, William Thomson(Lord Kelvin) Francja: Emil Amagat, Henri Becquerel, Marcel Brillouin, Marie Alfred Cornu, Pierre Curie, Maria Skłodowska-Curie, Gabriel Lippmann, EleuthereMascart, Jean Perrin, Henri Poincaré Stany Zjednoczone: Josiah Gibbs, Samuel Langley, Albert Michelson, Henry Rowland, Robert Wood Holandia: Heike Kamerlingh-Onnes, Hendrik Lorentz, Johannes Van der Waals, Pieter Zeeman Austro-Węgry: Ludwig Boltzmann, Roland Eötvös, Ernst Lecher, Karol Olszewski Rosja: Boris Golicyn, Piotr Lebiediew, Nikołaj Umow Szwecja: Johannes Rydberg Janusz Andrzejewski 12

13 Fizyka około 1900 roku Kiedy rozpoczynałem studia fizyczne i u mego czcigodnego nauczyciela Philippa von Jolly ego zasięgałem opinii na temat warunków i perspektyw moich studiów, przedstawił mi on fizykę jako naukę wysoko rozwiniętą, prawie całkowicie dojrzałą, która po ukoronowaniu jej osiągnięć przez odkrycie zasady zachowania energii miała już wkrótce przyjąć ostateczną postać. Wprawdzie w tym czy innym zakątku pozostaje jeszcze do zbadania i usunięcia jakiś pyłek czy pęcherzyk, ale jeśli chodzi o system jako całość, to jest on dość zabezpieczony, a fizyka teoretyczna wyraźnie zbliża się do osiągnięcia takiej doskonałości, jaka od stuleci jest właściwa geometrii. Max Planck, odczyt w Monachium (1926) (tłum. Ryszard i Samuel Kernerowie) Janusz Andrzejewski 13

14 Fizyka około 1900 roku Pieter Zeeman, słynny fizyk holenderski, laureat Nagrody Nobla 1902 r., w wieku dojrzałym lubił opowiadać, że kiedy był młodym człowiekiem, to ostrzegano go, żeby nie studiował fizyki. Fizyka nie jest już dziedziną obiecującą mówiono mu; jest ona skończona i nie ma tam miejsca na cokolwiek istotnie nowego. Musiało to być około roku Hendrik Casimir Haphazard Reality Janusz Andrzejewski 14

15 Fizyka około 1900 roku Wszystkie najważniejsze fundamentalne prawa i fakty w fizyce zostały już odkryte i tak dobrze ustalone, iż jest znikome prawdopodobieństwo, że zostaną one uzupełnione w wyniku nowych odkryć Przyszłych nowych prawd w fizyce trzeba będzie szukać na szóstym miejscu po przecinku. Albert A. Michelson(1894 Janusz Andrzejewski 15

16 Promieniowanie termiczne Promieniowaniem termicznym (zwane tez cieplnym lub temperaturowym) nazywamy promieniowanie wysyłane przez ciała ogrzane do pewnej temperatury. Promieniowanie termiczne jest wynikiem przyśpieszeń (drgań) jakich doznają ładunki elektryczne atomów i cząstek. Zatem promieniowanie to powstaje kosztem ich ruchu cieplnego. Zdolność emisyjna ciała e(ν,t) definiujemy tak, że e(ν,t)dn jest energią promieniowania wysyłanego w jednostce czasu z jednostki powierzchni o temperaturze T, w postaci fal elektromagnetycznych o częstościach zawartych w przedziale od νdo ν+ dν. Ciało doskonale czarne całkowicie absorbuje promieniowanie termiczne. Przykłady: sadza, ciało z bardzo małym otworem wejściowym. Zdolność absorpcyjna, a, określa jaki ułamek energii padającej na powierzchnię zostanie pochłonięty. Zdolnością odbicia, r, określa jaki ułamek energii padającej zostanie odbity. Janusz Andrzejewski 16

17 Prawo Kirchoffa W ogólności, współczynnik absorpcji a i odbicia rzależy od częstości fali EM oraz od temperatury T powierzchni, ale zachodzi związek: a( ν, T ) + r( ν, T ) = 1 Ciało doskonale szare a i rnie zależą od częstotliwości ν. Ciało doskonale czarne a=1, r=0 Prawo Gustava Kirchoffa(1859): Stosunek zdolności emisyjnej do zdolności absorpcyjnej jest dla wszystkich powierzchni jednakowy e( ν, T ) = ε ( ν, T ) a( ν, T ) Funkcja ε(ν,t) jest pewną funkcją uniwersalną. Jej sens fizyczny jest jasny, gdy przyjąć a(ν,t) = 1. Wówczas ε(ν,t) = e(ν,t), tzn., że funkcja ε(ν,t) jest zdolnością emisyjną ciała doskonale czarnego. Janusz Andrzejewski 17

18 Prawa dla promieniowania ciała doskonale czarnego Prawo Stefana-Boltzmanna opisuje całkowitą moc wypromieniowywaną na jednostkę powierzchni przez ciało doskonale czarne w danej temperaturze T : E = ε = ( ν, T ) dν σt 4 Stała Stefana-Boltzmanna σ = 5.67*10 8 Wm 2 K 4. {1879 Josef Stefan z eksperymentu, Ludwig Boltzmann teoria} λ MAX T b = = b (51) 10 b stała Wiena m K Prawo przesunięć Wiena(1893) Funkcja ε(ν,t) ma maksimum, które zależy od temperatury. Między ν max a T zachodzi zależność ν MAX = const T Janusz Andrzejewski 18

19 ε(ν,t) Prawo przesunięr b λ = MAX T Wiena Janusz Andrzejewski 19

20 ε(ν,t) Janusz Andrzejewski 20

21 Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na wyrzucaniu elektronów z powierzchni ciała stałego pod wpływem padającego promieniowania Heinrich Hertz - odkrycie zjawiska 1888 Wilhelm Hallwachs oświetlona płytka metalowa ładuje się dodatnio 1888 Aleksandr Stoletow światło powyżej 285nm nie daje efektu; konstrukcja pierwszej fotokomórki Philipp Lenard energia fotoelektronów nie zależy od natężenia padającego światła Janusz Andrzejewski 21

22 Zjawisko fotoelektryczne E k max = eu h Przy silniejszym oświetleniu (krzywa a) otrzymujemy większy prąd nasycenia ale takie samo napięcie hamowania jak dla układu oświetlonego słabiej (krzywa b). Widać więc, że maksymalna energia kinetyczna elektronów E kmax nie zależy od natężenia światła. Zmienia się tylko prąd nasycenia, a to oznacza, że wiązka światła o większym natężeniu wybija więcej elektronów ale nie szybszych. Janusz Andrzejewski 22

23 Efekt fotoelektryczny Istnieje progowa częstotliwość światła ν 0, poniżej której elektrony są niewybijane Energia emitowanych elektronów rośnie liniowo ze wzrostem częstotliwości Z falowej teorii wynika: elektron nie opuści metalu dopóki amplituda fali E o nie przekroczy określonej wartości krytycznej energia emitowanych elektronów wzrasta proporcjonalnie do E o 2 (natężenia światła) liczba emitowanych elektronów powinna zmniejszyć się ze wzrostem częstotliwość światła Wyniki eksperymentalne: progowego natężenia nie zaobserwowano energia elektronów okazała się niezależna od wielkości E o zauważono zależność energii elektronów od częstotliwości Janusz Andrzejewski 23

24 Promienie katodowe naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali i opisali fakt, iż iskra wytworzona za pomocą maszyny elektrostatycznej przeskakuje dalej w powietrzu rozrzedzonym niż w powietrzu znajdującym się pod normalnym ciśnieniem Heinrich Geissler wynalazł nowy rodzaj pompy próżniowej, w której tłokiem był słup rtęci Johann Wilhelm Hittorf( ) stwierdził, iż promienie katodowe (nieznajdujące się w polu magnetycznym) rozchodzą się po liniach prostych oraz mogą rzucać cień 1871 Cromwell Varley promienie te mają naturę korpuskularną 1876 Eugene Goldstein nazwa promienie katodowe 1879 William Crookes czwarty stan materii Rurki Geisslera Janusz Andrzejewski 24

25 Promienie X 8 listopada 1895 roku niemiecki naukowiec Wilhelm Röntgenrozpoczął obserwacje promieni katodowych podczas eksperymentów z lampami próżniowymi. 28 grudnia 1895 roku opublikował on wyniki swoich badań w czasopiśmie WürzburgskiegoTowarzystwa Fizyczno-Medycznego. Było to pierwsze publiczne ogłoszenie istnienia promieni rentgenowskich, dla których Röntgenzaproponował nazwę promieni X, obowiązującą do chwili obecnej w większości krajów (m.in. w krajach anglosaskich). Potem wielu naukowców zaczęło je określać jako promienie rentgena (nazwa obowiązująca m.in. w Polsce i w Niemczech). Za odkrycie promieni X Röntgenotrzymał pierwszą nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1901 roku. Janusz Andrzejewski 25

26 Promieniotwórczość HenriBecquerel, 2 III 1896 r. Szczególnie podkreślam następujący fakt, który wydaje mi się niezwykle ważny i niezgodny ze zjawiskami, których można by oczekiwać: te same kryształy umieszczone tak samo w stosunku do kliszy fotograficznej, tak samo osłonięte, lecz trzymane w ciemności i chronione przed wzbudzeniem przez padające światło, nadal dają taki sam efekt fotograficzny. Opowiem teraz, jak zdarzyło mi się dokonać tego spostrzeżenia. Niektóre z poprzednich doświadczeń były gotowe w środę 26 lutego i czwartek 27 lutego, ale ponieważ w dniach tych słońce świeciło tylko przelotnie, schowałem całe przygotowane urządzenie do ciemnej szuflady z uchwytami i solą uranylowąna miejscu. Słońce nie ukazało się jeszcze przez parę następnych dni -wobec czego 1 marca wywołałem klisze spodziewając się zobaczyć tylko bardzo słabe obrazy. Okazało się, że przeciwnie, obrazy te są bardzo intensywne. Pomyślałem od razu, że działanie to może się odbywać w zupełnej ciemności. Janusz Andrzejewski 26

27 Promieniotwórczość Dwie rudy uranu, blenda smolista (tlenek uranu) i chalkolit(fosfat miedzi i uranu) są znacznie bardziej aktywne niż sam uran. Jest to fakt zdumiewający i nasuwa przypuszczenie, że minerały te mogą zawierać pierwiastek znacznie bardziej aktywny od uranu. [...] W celu wyjaśnienia spontanicznego promieniowania uranu i toru można sobie wyobrażać, że cała przestrzeń jest bezustannie przeszywana przez promienie podobne do promieni Röntgena, lecz dużo bardziej przenikliwe, które mogą być pochłaniane tylko przez niektóre pierwiastki o dużym ciężarze atomowym, jak uran i tor. Maria Skłodowska-Curie, 12 IV 1898 r. Janusz Andrzejewski 27

28 Odkrycie polonu (18 VII 1898 r.) Zupełnie niedawno pan i pani Curie ogłosili odkrycie, które, jeśli zostanie potwierdzone, na pewno pomoże w badaniu tego niejasnego działu fizyki. Zwrócili oni uwagę na nowy składnik minerału uranu, blendy smolistej, który w porównaniu z uranem posiada 400 razy większą zdolność emitowania jakiejś formy energii, zdolnej do działania na płytę fotograficzną i wyzwalania elektryczności przez czynienie powietrza przewodnikiem. Wydaje się też, że aktywność promienista nowego ciała, któremu odkrywcy nadali nazwę Polonium, nie wymaga ani wzbudzania przez światło ani przez elektryczność; podobnie jak uran czerpie ono swą energię z jakiegoś stale odnawiającego się, niewyczerpanego źródła, którego przedtem się nie domyślano [...] William Crookes, wrzesień 1898 r. Janusz Andrzejewski 28

29 ...We wczesnych miesiącach 1898 roku promieniotwórczość to było martwe pole -istniała, ale nikt nie wiedział co z nią zrobić. Trzeba było nie tylko odkrycia aktywności toru, najpierw przez Gerharda C. Schmidta, a potem przez Marię Curie, lecz głównie późniejszych odkryć polonu i radu przez małżonków Curie, aby powróciło zainteresowanie tą dziedziną. Wtedy bowiem stało się oczywiste, że jest to zjawisko atomowe o wielkim znaczeniu. LawrenceBadash(1965) Janusz Andrzejewski 29

30 Promieniowanie α, β Z eksperymentów wynika, że promieniowanie uranu jest złożone i że są w nim co najmniej dwa odrębne rodzaje promieniowania -jeden, który ulega łatwemu pochłanianiu, który nazwiemy promieniowaniem α, i drugi, promieniowanie bardziej przenikliwe, które nazwiemy promieniowaniem β... Możliwe, że odkryte przez Curie bardzo silne promieniowanie blendy smolistej jest wywołane częściowo raczej bardzo złożoną strukturą tego materiału niż tym, że próbka zawiera nową, silnie promieniującą substancję. Ernest Rutherford, Phil. Mag. 47, 109, styczeń 1899 r. Janusz Andrzejewski 30

31 Podsumowanie?? Moje uporczywe wysiłki, podejmowane w ciągu minionych pięćdziesięciu pięciu lat w celu rozwijania nauki mogę określi jednym słowem, i słowo to brzmi: niepowodzenie. Na temat sił elektrycznych i magnetycznych lub na temat związku między eterem, elektrycznością i materią ważką, albo na temat powinowactwa chemicznego nie wiem obecnie więcej od tego, co wiedziałem i wykładałem moim studentom filozofii naturalnej pięćdziesiąt lat temu, gdy jako profesor miałem dla nich pierwszy wykład. Lord Kelvin's Jubilee, Nature 54, (1896) Janusz Andrzejewski 31