FIZYKA ATOMOWA (c.d.)

Transkrypt

1 FIZYKA ATOMOWA (c.d.) Układ okresowy pierwiastków Zasady obsadzania poziomów Konfiguracje elektronowe Energia jonizacji Promieniowanie rentgenowskie Widmo ciągłe i charakterystyczne Prawo Moseleya Przejścia atomowe. Lasery.

2 UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW W układzie okresowym pierwiastki są uporządkowane według rosnącej liczby atomowej Z (czyli rosnącej liczby elektronów). Elektrony w atomie dążą do zajęcia jak najniższych poziomów energetycznych, z uwzględnieniem zakazu Pauliego. Elektrony o tej samej wartości głównej liczby kwantowej n tworzą powłokę. [2(2l+1)] K (n=1) L (n=2) M (n=3) Dana powłoka dzieli się na podpowłoki, utworzone z elektronów odpowiadających różnym wartościom orbitalnej liczby kwantowej l. Elektrony wypełniają powłoki i podpowłoki zaczynając od tych najniżej położonych (o najniższej energii).

3 Energia Energia ZASADY OBSADZANIA POZIOMÓW 1 elektron 2 elektrony stan podstawowy 5p i 6s o niższej energii niż 4f 5s o niższej energii niż 4d 4s o niższej energii niż 3d

4 KONFIGURACJE ELEKTRONOWE Ilość możliwych do obsadzenia stanów dla danej powłoki określa wartość głównej liczby kwantowej n. K 2 [2n 2 ] 2 [2(2l+1)] L 8 M 18 N 32 O 50 P 72 Q Max. liczba elektronów w podpowłoce o danej wartości l jest równa wartości lb. kwantowej m pomnożonej przez ilość ustawień spinu.

5 UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW

6 UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW Własności chemiczne pierwiastków są ściśle związane z konfiguracją elektronów.

7 Energia jonizacji [ kj/mol ] Energia jonizacji [ev] ENERGIA JONIZACJI Uzyskane na podstawie spektroskopii atomowej energie jonizacji (energia potrzebna do oderwania elektronu z atomu) wskazują na istnienie daleko posuniętej korelacji pomiędzy pomierzonymi przy pomocy zderzeń atomowych potencjałami jonizacyjnymi a położeniem pierwiastka w tablicy Mendelejewa (wewnątrz atomu musi istnieć perfekcyjny porządek, ład i harmonia). Liczba atomowa Z

8 Energia jonizacji [ kj/mol ] ENERGIA JONIZACJI Z rozkładu elektronów walencyjnych w atomach widać między innymi, na czym polega tworzenie okresów w układzie okresowym pierwiastków, gdzie w tym układzie jest właściwe miejsce wodoru i dlaczego takie a nie inne miejsce zajmują w nim metale przejściowe, lantanowce, czy aktynowce. grupy główne 1-2 (blok s) grupy główne (blok p) pierwiastki przejściowe (blok d) lantanowce (blok f) Liczba atomowa Z

9 PROMIENIOWANIE RENTGENOWSKIE Promienie Röntgena (lub inaczej promienie X) - promieniowanie elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości (małej długości fali) powstające w wyniku przejść elektronowych na najbardziej wewnętrzne orbity atomowe (podczas wyhamowywania elektronów o dużej prędkości). Długość fali promieni rentgenowskich (RTG) jest rzędu [m], w związku z czym mają one dużą zdolność przenikania ciał, jonizują ośrodki przez które przechodzą i nie są odchylane w polu magnetycznym.

10 PROMIENIOWANIE RENTGENOWSKIE Do rejestracji promieniowania rentgenowskiego używa się klisz fotograficznych, komór jonizacyjnych i liczników Geigera-Müllera. Natężenie wiązki promieni rentgenowskich maleje wykładniczo wraz ze wzrostem grubości absorbenta. I I 0 e x I 0 - natężenie wiązki padającej μ - współczynnik absorpcji (w. osłabienia) x - grubość warstwy Absorpcja promieni rentgenowskich zależy od rodzaju ciała absorbującego (pierwiastki ciężkie pochłaniają promienie RTG silniej niż pierwiastki lekkie). Taka własność promieni RTG umożliwia ich zastosowanie do diagnostyki medycznej, defektoskopii rentgenowskiej, itp. Należy jednak pamiętać, że długotrwałe działanie promieni rentgenowskich na organizm ludzki zwłaszcza o dużym natężeniu jest szkodliwe.

11 WIDMO CIĄGŁE I CHARAKTERYSYCZNE Złożony charakter widma promieniowania rentgenowskiego jest rezultatem nakładania się dwóch efektów: emisji promieniowania hamowania elektronów na anodzie lampy widmo hamowania (widmo ciągłe), które rozciąga się od pewnej granicznej długości fali (λ gr ) do dowolnie dużych długości fal. emisji promieniowania charakterystycznego fotonów o dyskretnych energiach widmo charakterystyczne (widmo liniowe) przyjmujące formę ostrych, wąskich linii występujących na tle widma hamowania. widmo ciągłe widmo charakterystyczne λ gr widmo hamowania wolframu (wraz ze wzrostem napięcia przyspieszającego elektrony λ gr przesuwa się w stronę fal krótkich) widmo charakterystyczne (linie serii K) na tle widma ciągłego molibdenu

12 WIDMO CIĄGŁE I CHARAKTERYSYCZNE Istnienie krótkofalowej granicy widma (λ gr ), wynika z zasady zachowania energii: E f hν max gr E k e eu λ Kształt widma hamowania i wartość λ gr nie zależą od materiału anody. Widmo charakterystyczne jest widmem liniowym (przejścia elektronów odbywają się między poziomami energetycznymi o ściśle określonej energii) i zależy od materiału anody. gr c ν gr hc eu

13 Opisując teoretycznie widmo charakterystyczne można posłużyć wzorem na długości linii widma optycznego wodoru: R H - stała Rydberga Z - liczba atomowa W przypadku promieniowania rentgenowskiego należy jednak uwzględnić fakt, że na dany elektron oddziałuje nie tylko jądro (o ładunku +Ze), ale i też osłabiające pole elektryczne jądra inne elektrony (ekranowanie jądra): PRAWO MOSELEYA 1 λ ν R H Z 2 c n 2 2 n1 n 12, n niższy i wyższy stan (poziom) energetyczny elektronu Z - a 2 n2 n1 RHc 2, gdzie a jest stałą ekranowania PRAWO MOSELEYA Pierwiastek kwadratowy z częstotliwości danej linii rentgenowskiego widma charakterystycznego jest liniowo zależny od liczby atomowej.

14 PRZEJŚCIA ATOMOWE Konsekwencją oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią jest pochłaniane lub emitowanie energii przez atomy lub cząsteczki materii w pewnych dyskretnych i skończonych porcjach (kwantach energii). Kwant energii promieniowania elektromagnetycznego może być przez atom (cząstkę) pochłonięty lub wypromieniowany w procesie absorpcji lub emisji, co zawsze prowadzi do zmiany ich energii. Zgodnie z postulatami Bohra i Plancka oraz złożeniami Einsteina w zjawisku absorpcji i emisji można wyróżnić trzy procesy: hν hν E 2 E E 2 E hν E 2 2hν E E 1 ABSORPCJA wzbudzanie cząstki przez pochłonięty kwant energii (foton) przy spełnionym warunku Bohra: ΔE 1,2 = hν = E 2 - E 1 E 1 EMISJA SPONTANICZNA zachodząca samorzutnie (bez wpływu czynników zewn.) emisja fotonów przez wzbudzone atomy E 1 EMISJA WYMUSZONA emisja zgodnych w fazie (spójnych) fotonów przez wzbudzony atom w skutek zderzenia z fotonem o ν rez

15 RÓWNOWAGA TERMICZNA Jeżeli ciało (zbiór jednakowych atomów) ma stałą temperaturę, to ustala się równowaga dynamiczna zachodzących jednocześnie trzech procesów (absorpcji promieniowania, emisji spontanicznej i wymuszonej). Równowaga ta polega na tym, że liczba fotonów absorbowanych w jednostce czasu jest równa liczbie fotonów emitowanych w jednostce czasu. Średnia liczba atomów w stanie wzbudzonym pozostaje również stała w czasie i podlega rozkładowi Boltzmanna: N 2 N 1 e E2 E kt 1 gdzie: N 1 - liczba w stanie podstawowym o energii E 1, N 2 - liczba w wzbudzonym o energii E 2, T - temperatura ciała, k - stała Boltzmanna. Z rozkładu Boltzmanna wynika, że obsadzenie poziomów N 2 << N 1 i w takiej sytuacji padające na układ promieniowanie jest silnie absorbowane, a emisja wymuszona odgrywa niewielką rolę.

16 LASERY Kluczową sprawą w działaniu lasera jest to, aby przez jakiś czas (chociaż bardzo krótki) liczba atomów w stanie wzbudzonym była większa niż w stanie podstawowym (czyli odwrotnie niż normalnie N 1 << N 2 ). Równowagę termiczną między liczbą atomów N 1 i N 2 można zakłócić w dwojaki sposób: przez rozdzielenie atomów wzbudzonych od atomów niewzbudzonych, przez wykorzystanie tzw. metastabilnych stanów atomów (stanów wzbudzonych o stosunkowo długim czasie życia). W obu tych przypadkach dla uzyskania przewagi liczby atomów w stanie wzbudzonym należy doprowadzić energię z zewnątrz. Padające na taki układ światło będąc słabo absorbowanym (mała ilość atomów w stanie E 1 ) indukuje jednocześnie przejścia ze stanu E 2 do E 1 (zapoczątkowana emisja wymuszona wzmaga natężenie światła co z kolei wywołuje dalszą emisję wymuszoną). stan metastabilny energia wyjściowa energia wejściowa

17 zwierciadło LASERY Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania ) - urządzenie wytwarzające spójną (koherentną) i monochromatyczną wiązkę światła (wiązka fotonów o tej samej częstotliwości, fazie i kierunku drgań) o wąskim przedziale długości i niezwykle silnym natężeniu. Podstawą działania laserów (akcji laserowej lub wzmocnienia kwantowego) są procesy kwantowe, zwane inwersją obsadzenia i pompowaniem optycznym : inwersja obsadzenia - przy wzbudzaniu atomów silnym błyskiem świetlnym krótkotrwała sytuacja, podczas której więcej elektronów znajduje się na poziomach wzbudzonych niż na poziomie podstawowym; pompowanie optyczne - wytworzenie inwersji obsadzenia drogą absorpcji światła. emisja spontaniczna fotonów o różnych kierunkach spójne światło lasera emisja wymuszona fotonów energia wejściowa zwierciadło półprzepuszczalne

18 TYPY I ZASTOSOWANIE LASERÓW Najpopularniejsze typy laserów : lasery krystaliczne o działaniu impulsowym (np. rubinowy Al 2 O 3 z domieszką chromu ); lasery gazowe (atomowe (He-Ne), jonowe (Ar) i molekularne (CO 2 )); lasery szklane (materiałem laserowym są tu szkła optyczne aktywowane np. Nd 3+, Yb 3+, Er 3+, Mo 3+ i in.); lasery cieczowe (materiałem aktywnym jest wodny lub alkoholowy roztwór niektórych barwników organicznych); lasery półprzewodnikowe i impulsowe z parami metali (np.: Cd, Ge, As, Se, Sn, Te, Pb, Mg, Ca, Cu czy Zn). Zastosowania laserów: medycyna (w chirurgii i okulistyce - operacje siatkówki oka), zapis i przenoszenie sygnałów optycznych (w przestrzeń przez atmosferę np. Ziemia-Księżyc lub w telekomunikacji - światłowody), w handlu (do odczytu kodów paskowych), wykrywanie i badanie zanieczyszczeń atmosfery (np. szkodliwych składników gazów spalinowych), w radiolokacji laserowej (pod warunkiem czystości atmosfery); w technologii precyzyjnego ciecia i spawania.