Świecące atomy. Dr Sławomir Werbowy. Instytut Fizyki Doświadczalnej UG Gdańsk, 22 stycznia 2010r.

Transkrypt

1 Świecące atomy Dr Sławomir Werbowy Instytut Fizyki Doświadczalnej UG Gdańsk, 22 stycznia 2010r.

2 Z greckiego ατοµος - niepodzielny Demokryt ur. ok BC zm. ok BC) Leucippus - nauczyciel Demokryta Powiedział, że woli odkrywać przyczynowość niż zostać królem Persji Atomizm koncepcja filozoficzna zakładająca, że świat jest złożony z dwóch podstawowych i przeciwnych sobie składników: niepodzielne ciała atomy oraz ich przeciwieństwo czyli pustka

3 Losy koncepcji atomistycznej Plato (ur. ok BC zm. ok BC) Cztery proste składniki Świata, ale nie są one podstawowym składnikiem rzeczywistości, według niego są one wykonane z niezmiennego poziomu rzeczywistości, który ma postać matematyczną... ogień powietrze woda ziemia

4 Losy koncepcji atomistycznej Arystoteles (ur. ok BC zm. ok BC) Uczeń Platona, nauczyciel Aleksandra Wielkiego Cztery pierwiastki: ogień, powietrze, ziemia i woda nie składają się z atomów, lecz posiadały ciągłą strukturę, natomiast próżnia według niego łamała prawa fizyki Korpuskularyzm Abu Musa Jābir ibn Hayyān al azdi (ur. ok zm. ok.. 815) Chemik, alchemik, fizyk, astronom, geolog, inżynier, filozof człowiek renesansu Wszystkie ciała fizyczne posiadają wewnętrzną i zewnętrzną strukturę cząsteczkową, jednak w przeciwieństwie do atomizmu, korpuskuły można podzielić

5 Dalsze losy koncepcji atomistycznej Renesans koncepcji Galileusz ur zm Włoski fizyk, matematyk, astronom, filozof Wykazał doświadczalnie wady koncepcji Arystotelesa, w 1612 opublikował pierwszą pracę opartą na koncepcji atomistycznej Kartezjusz [fr. René Descartes] ur zm Francuski matematyk, filozof, fizyk Wszystko co fizyczne we Wszechświecie zbudowane jest z małych cząsteczek materii. W przeciwieństwie do pierwotnej koncepcji Demokryta, odrzucał istnienie próżni. Jego koncepcja zawierała również dualizm umysł / ciało

6 Dalsze dalsze losy koncepcji atomistycznej Renesans koncepcji Pierre Gassendi ur zm Francuski filozof, ksiądz, naukowiec, astronom i matematyk Oczyścił klasyczną grecką koncepcję atomistyczną z elementów niosących herezje i ateizm, cokolwiek to znaczy Robert Boyle ur zm Francuski filozof, chemik, fizyk, wynalazca, naukowiec dżentelmen

7 3 x dalsze losy koncepcji atomistycznej John Dalton ur zm Angielski chemik, meteorolog i fizyk Główne założenia koncepcji Daltona: Atomy różnych pierwiastków różnią się od siebie, mogą być rozróżnione przy pomocy względnej masy atomowej Wszystkie atomy danego pierwiastka są nierozróżnialne Atomy jednego pierwiastka mogą się łączyć z atomami innego tworząc związki chemiczne; dany związek ma zawsze tą samą względną liczbę atomów danego typu Atomów nie można tworzyć i dzielić na mniejsze części; reakcje chemiczne zmieniają tylko względne ustawienie atomów Pierwiastki wykonane są z małych cząstek zwanych atomami

8 4 x Dalsze losy koncepcji atomistycznej Robert Brown ur zm Szkocki botanik Wyjaśnienie zjawiska podał Albert Einstein zakładając że, widoczna cząsteczka wykonuje chaotyczne ruchy na skutek zderzeń z niewidocznymi mniejszymi cząsteczkami atomami Marian Smoluchowski (ur zm. 1917) 1906 niezależnie od Einsteina model 1D Jean Baptiste Perrin ur zm Francuski fizyk, laureat nagr. Nobla za badania nad nieciągłością materii Wykonał doświadczenia potwierdzające przewidywania Einsteina

9 Układ okresowy pierwiastków Dmitri Ivanovich Mendeleev ur zm Rosyjski chemik i wynalazca 1869r. układ okresowy pierwiastków Dzięki swej tablicy układu okresowego był w stanie przewidzieć własności nie odkrytych jeszcze pierwiastków

10 Badania światła pierwiastków Gustav Robert Kirchhoff ur zm Niemiecki fizyk Przy pomocy metod spektroskopowych odkryli nowe pierwiastki Robert Wilhelm Eberhard Bunsen ur zm Niemiecki chemik

11 Widmo - dyspersja światła padającego Badania światła pierwiastków

12 Badania światła pierwiastków cd. K - potas Na -sód Cu -miedź Li - lit

13 Więc jaka jest budowa atomów? Elektryczność - Starożytni Grecy zauważyli że bursztyn potarty futrem przyciąga niektóre małe przedmioty, poza tym obserwacje piorunów Charles François de Cisternay du Fay ur zm r. - zauważył że elektryczność jest złożona z dwóch rodzajów elektrycznych substancji, które można rozdzielić poprzez pocieranie odpowiednich ciał, substancje po zetknięciu neutralizują się. Benjamin Franklin ur zm Wykazał że elektryczność składa się z jednej substancji, ale o przeciwnych znakach + i -

14 -Richard Laming ( ) zaproponował budowę atomu Więc jaka jest budowa atomów? Promienie katodowe George Johnstone Stoney ur zm Irlandzki fizyk, pierwszy użył nazwy elektron opisującą elementarną cząstkę ładunku elektrycznego Sir Joseph John J. J. Thomson ur zm Brytyjski fizyk, nagroda Nobla za odkrycie elektronu Gr. ηλεκτρον - bursztyn Wykazał, że promienie katodowe są w rzeczywistości wyjątkowymi cząsteczkami materialnymi, a nie falami, atomami czy molekułami; dobrze określił ładunek oraz masę nowych cząsteczek

15 Więc jaka jest budowa atomów? Promienie kanalikowe - anodowe Eugen Goldstein ur zm Niemiecki fizyk, badał promienie kanalikowe; Odkrył, że promienie kanalikowe są dodatnio naładowanymi jonami, których stosunek ładunek/masa zależą od rodzaju gazu Thomson po raz pierwszy wykonał separację izotopów przy pomocy spektrometru masowego i zjawiska promieni kanalikowych Model rodzynkowy Thomsona (1904r.)

16 Atom jak ciastko, ale czy na pewno taki jest? Model jądrowy (planetarny) Rutherforda (1911r.) Ernest Rutherford (ur zm. 1937) Wykazał że większość masy i całkowity ładunek dodatni skupiony jest w małej przestrzeni wewnątrz atomu (jądro), natomiast elektrony znajdują się wokół niego

17 Ale jak wyjaśnić widmo promieniowania atomów? Johannes Robert Rydberg (ur zm. 1919) Theodore Lyman ( ) Johann Jakob Balmer (1885) Louis K. H. F. Paschen (1908) August Herman Pfund (1924) Wzór Rydberga 1888r. dla dowolnego H-podobnego jonu

18 To był wzór empiryczny, a jak teoretycznie to wygląda? Niels Henrik David Bohr (ur zm. 1962) Postulaty Bohra (1913r.): - Skwantowany orbitalny moment pędu 1899r. Max Planck wprowadził kwant najmniejszego działania; uznawany za założyciela teorii kwantowej - Energia fotonu równa jest różnicy energii poziomów pomiędzy którym zachodzi przejście

19 Dla wodoru prawie działa, ale nie dla reszty pierwiastków... Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (ur zm. 1961) Austriacki fizyk 1926r. równanie falowe Werner Heisenberg (ur zm. 1987) Niemiecki fizyk 1926r. mechanika macierzowa Louis-Victor-Pierre-Raymond, 7th duc de Broglie (ur zm. 1987) Francuski fizyk 1924r. - doktorat poświęcony dualizmowi falowo-korpuskularnemu Paul Adrien Maurice Dirac (ur zm. 1984) Brytyjski fizyk, 1928r. równanie

20 Struktura energetyczna atomów Niektóre poziomy energetyczne manganu wraz z zaznaczonymi dozwolonymi przejściami

21 Atom w zewnętrznych polach elektrycznych i magnetycznych Pole magnetyczne Dzięki efektowi Zeemana pokazano pochodzenie plam na Słońcu Obraz magnetyczny Słońca wykonany przy wykorzystaniu efektu Zeemana Pieter Zeeman (ur zm. 1943) Holenderski fizyk 1896r. - odkrycie efektu

22 Atom w zewnętrznych polach elektrycznych i magnetycznych Pole elektryczne Johannes Stark (ur zm. 1957) Niemiecki fizyk 1913r. - odkrycie efektu

23 Niektóre doświadczenia ze świecącymi atomami Spektroskopia przestrzeni kosmicznej

24 Niektóre doświadczenia ze świecącymi atomami Atomowe pułapki Magneto optyczne MOT Pułapki jonowe Paula

25 Niektóre doświadczenia ze świecącymi atomami Zegary atomowe Zegar strontowy - JILA Zegar cezowy 133 NIST-F1 Minaiaturowy zegar atomowy GPS

26 Niektóre doświadczenia ze świecącymi atomami Elektrodynamika kwantowe QED Badania podstawowe Fizyka attosekundowa Paul Corkum

27 Dziękują za uwagę...