Podstawy fizyki wykład 3

Transkrypt

1 D. Halliday, R. Resnick, J.Walker: Podstawy Fizyki, tom 5, PWN, Warszawa H. D. Young, R. A. Freedman, Sear s & Zemansky s University Physics with Modern Physics, Addison-Wesley Publishing Company, K.Sierański, K.Jezierski, B.Kołodka, Wzory i prawa z objaśnieniami, cz. 3, Oficyna Wydawnicza Scripta, Podstawy fizyki wykład 3 Dr Piotr Sitarek Katedra Fizyki Doświadczalnej, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska

2 Wczesne modele atomu Atom wodoru - W czasach Newtona atom uważany była za małą twardą kulkę co dość dobrze sprawdzało się w rozważaniach dotyczących kinetycznej teorii gazów, ale nie uwzględniało elektrycznej natury atomu. - W 1897 J.J. Thomson zaproponował model zatopionych w pozytywnie naładowanej kuli ładunków ujemnych. elektron naładowana kula

3 Atom wodoru Wczesne modele atomu doświadczenie Rutherforda źródło cząstek (jądra He) Folia metal. detektor cząstek rozproszenie: cząstka naładowana odpychające oddziaływanie kulombowskie silne wsteczne rozprosz. silne oddz. silne pola ładunek ~ punktowy brak odrzutu atomów folii ładunki rozpraszające w ciężkich obiektach ~ cała materia folii skupiona w ciężkim jądrze atomy = ciężkie jądra naładowane dodatnio o b. małych rozmiarach (~ m << rozmiar atomu ~ m ) + lekkie elektrony

4 Atom wodoru Planetarny model atomu Rutherforda Skoro masa elektronu jest znacznie mniejsza (ok razy) od masy protonu a przyciągająca siła kulombowska jest podobna do siły grawitacji, to elektron powinien poruszać się dookoła jądra jak planeta wokół Słońca.

5 Atom wodoru Planetarny model atomu wodoru - z powyższego nie wynikają żadne ograniczenia ani na promień orbity ani na prędkość elektronu na orbicie - na energię całkowitą elektronu, - elektron krążący dookoła jądra powinien, według klasycznej elektrodynamiki, wypromieniowywać swoją energię spadając ostatecznie na jądro - atomy (wszystkie, nie tylko wodoru) w ogóle nie mogłyby istnieć!

6 Widma emisyjne atomów Atom wodoru Model planetarny nie tłumaczył jednak powstawania widm emisyjnych atomów. gaz atomowy szczeliny pryzmat ekran

7 Widma emisyjne atomów Atom wodoru Zrobił to Bohr!

8 Postulaty Bohra Atom wodoru

9 Postulaty Bohra Atom wodoru

10 Postulaty Bohra Atom wodoru

11 Atom wodoru Dozwolone energie elektronu w atomie wodoru

12 Atom wodoru Przejścia elektronów pomiędzy poziomami energetycznymi elektronów na orbitach stacjonarnych widmo emisji widmo absorbcji padający foton wyemitowany foton

13 Atom wodoru Przejścia elektronów pomiędzy poziomami energetycznymi elektronów na orbitach stacjonarnych

14 Atom wodoru Przejścia elektronów pomiędzy poziomami energetycznymi elektronów na orbitach stacjonarnych

15 Atomy wieloelektronowe Stany elektronu w atomie wieloelektronowym

16 Atomy wieloelektronowe Stany elektronu w atomie wieloelektronowym Trójwymiarowe rozkłady prawdopodobieństwa sferycznie symetrycznych funkcji falowych atomu wodoru, 1s, 2s i 3s.

17 Atomy wieloelektronowe Stany elektronu w atomie wieloelektronowym Przekroje trójwymiarowych rozkładów prawdopodobieństwa dla kilku stanów kwantowych atomu wodoru.

18 Atomy wieloelektronowe Stany elektronu w atomie wieloelektronowym główna l.k. orbitalna l.k. magnetyczna l.k.

19 Atomy wieloelektronowe Moment pędu i moment magnetyczny atomu

20 Atomy wieloelektronowe Moment pędu i moment magnetyczny atomu są sprzężone - doświadczenie Einsteina de Hassa B = 0, więc wektory dipolowych momentów magnetycznych tworzących go atomów skierowane są w sposób przypadkowy. Kiedy zostaje włączone pole magnetyczne wzdłuż osi walca, wektory momentów magnetycznych ustawiają się wzdłuż kierunku tego pola, co oznacza, że wektory momentów pędu ustawiają się antyrównolegle do pola. Ponieważ moment sił musi pozostać równy zeru, więc walec zaczyna obracać.

21 Atomy wieloelektronowe

22 Atomy wieloelektronowe Powłoki i podpowłoki Elektrony w atomie znajdujące się w stanach o tym samym n tworzą powłokę, a o tym samym n oraz l - podpowłokę. Oznaczenia powłok i podpowłok są takie jak głównej i pobocznej liczby kwantowej. Oprócz oznaczeń cyfrowych przyjęto również oznaczenia literowe.

23 Powłoki i podpowłoki Atomy wieloelektronowe

24 Atomy wieloelektronowe Reguła Hunda Konfiguracje elektronowe - Ca

25 Atomy wieloelektronowe Konfiguracje elektronowe - przykłady

26 Układ okresowy pierwiastków Liczba atomowa (Z) określa całkowitą liczbę elektronów w atomie i jego położenie w układzie okresowym pierwiastków. Mendeleev 1869 Liczba atomowa nazwa symbol grupa Masa atomowa okres

27 Układ okresowy pierwiastków Spróbujmy skonstruować układ okresowy pierwiastków przez zapełnianie pojedynczymi elektronami. Oczywiście, zakładamy że 4 liczby kwantowe opisują dobrze każdy stan pojedynczego elektronu. Dwie podstawowe zasady wykorzystywane w czasie tego procesu: Zasada Pauliego (w stanie opisanym przez 4 liczby kwantowe może znajdować się tylko jeden elektron) Cały układ elektronów jest stabilny kiedy odpowiadająca mu energia całkowita będzie minimalna. Zasada budowy : elektrony w stanie podstawowym atomu zajmują kolejno miejsca w powłokach i podpowłokach o wzrastającej energii, aż do całkowitego zapełnienia. Reguła Hunda : Liczba niesparowanych elektronów w danej powłoce powinna być możliwie maksymalna.

28 Układ okresowy pierwiastków Okresy tworzą pierwiastki w których elektrony na ostatnich podpowłokach s i p należą do tej samej powłoki (z lewej aktywne metale alkaliczne, z prawej gazy szlachetne). Grupę tworzą pierwiastki w których atomy mają tyle samo elektronów na ostatnich powłokach s i p, przy czym w atomach podgrup zapełniana jest podpowłoka d lub/i f. grupa okres

29 Rezonans magnetyczny moment magnetyczny protonu w zewnętrznym polu magnetycznym dostarczając odpowiednią energię do układu możemy przerzucić spin z jednego stanu do drugiego

30 Rezonans magnetyczny widmo NMR etanolu przetworzony komputerowo obraz MRI

31 Promieniowanie rentgenowskie Wytwarzanie promieni rentgenowskich (promieni X)

32 Promienie X Promieniowanie rentgenowskie

33 Promieniowanie rentgenowskie Promienie X widmo ciągłe

34 Promieniowanie rentgenowskie Promienie X widmo charakterystyczne

35 Promieniowanie rentgenowskie Promienie X widmo charakterystyczne

36 Promieniowanie rentgenowskie Promienie X widmo charakterystyczne (prawo Moseleya) K

37 LASER LASER Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) - światło o różnych długościach fali (niemonochromatyczne) - niekoherentne (fale nie interferują ze sobą nawet w pobliżu źródła) - trudno jest je ukierunkować i skupić

38 LASER LASER Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) - światło monochromatyczne - koherentne (fale interferują ze sobą nawet daleko od źródła) - łatwo jest je ukierunkować i skupić

39 LASER LASER Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) emisja stymulowana pobudzone atomy (cząsteczki) emisja spontaniczna przed emisją stymulowaną zwierciadło pobudzenie koherentne światło laserowe po emisji zwierciadło stymulowanej półprzepuszczalne

40 LASER LASER Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation)

41 LASER LASER dysk jama powierzchnia soczewka soczewka element fotoelektryczny pryzmat laser

42 Dziękuję za uwagę!