Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Podobne dokumenty
Wykład Budowa atomu 1

Wczesne modele atomu

Modele atomu wodoru. Modele atomu wodoru Thomson'a Rutherford'a Bohr'a

Wykład 17: Dr inż. Zbigniew Szklarski. Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok

Temat: Promieniowanie atomu wodoru (teoria)

Wstęp do astrofizyki I

IV. TEORIA (MODEL) BOHRA ATOMU (1913)

Modele atomu wodoru. Modele atomu wodoru Thomson'a Rutherford'a Bohr'a

p.n.e. Demokryt z Abdery. Wszystko jest zbudowane z niewidzialnych cząstek - atomów (atomos ->niepodzielny)

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 39 ATOM WODORU. PROMIENIOWANIE. WIDMA TEST JEDNOKROTNEGO WYBORU

Model Bohra budowy atomu wodoru - opis matematyczny

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Atom wodoru i jony wodoropodobne

Rysunek 3-23 Hipotetyczne widmo ciągłe atomu Ernesta Rutherforda oraz rzeczywiste widmo emisyjne wodoru w zakresie światła widzialnego

Stałe : h=6, Js h= 4, eVs 1eV= J nie zależy

II.1 Serie widmowe wodoru

Metody analizy pierwiastków z zastosowaniem wtórnego promieniowania rentgenowskiego. XRF, SRIXE, PIXE, SEM (EPMA)

Energetyka Jądrowa. Wykład 28 lutego Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Mechanika kwantowa. Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg

III. EFEKT COMPTONA (1923)

Źródła światła. W lampach płomieniowych i jarzeniowych źródłem promieniowania jest wzbudzony gaz. Widmo lamp jarzeniowych nie jest ciągłe!

Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie. Dr inż. KAROL STRZAŁKOWSKI Instytut Fizyki UMK w Toruniu

Promieniowanie X. Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie Budowa lampy rentgenowskiej Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania X

Tytuł: Dzień dobry, mam na imię Atom. Autor: Ada Umińska. Data publikacji:

Analiza spektralna widma gwiezdnego

Informacje ogólne. 45 min. test na podstawie wykładu Zaliczenie ćwiczeń na podstawie prezentacji Punkty: test: 60 %, prezentacja: 40 %.

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

Wykład Budowa atomu 2

Atom wodoru. Model klasyczny: nieruchome jądro +p i poruszający się wokół niego elektron e w odległości r; energia potencjalna elektronu:

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Falowa natura materii

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Podstawy fizyki wykład 3

Właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków powtarzają się w pewnym cyklu (zebrane w grupy 2, 8, 8, 18, 18, 32 pierwiastków).

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

CHEMIA LEKCJA 1. Budowa atomu, Izotopy Promieniotwórczość naturalna i sztuczna. Model atomu Bohra

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

Ćwiczenie nr 5 Doświadczenie Franka-Hertza. Pomiar energii wzbudzenia atomów neonu.

Widmo promieniowania

r. akad. 2012/2013 Atom wodoru wykład 5-6 Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Atom wodoru Zakład Biofizyki 1

Zderzenia. Fizyka I (B+C) Wykład XVI: Układ środka masy Oddziaływanie dwóch ciał Zderzenia Doświadczenie Rutherforda

Atomy. Model Bohra. 28 października Model Bohra

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

FIZYKA-egzamin opracowanie pozostałych pytań

Wszechświat czastek elementarnych

Wstęp do astrofizyki I

Spektroskop, rurki Plückera, cewka Ruhmkorffa, aparat fotogtaficzny, źródło prądu

FALOWY I KWANTOWY OPIS ŚWIATŁA. Światło wykazuje dualizm korpuskularno-falowy. W niektórych zjawiskach takich jak

Stara i nowa teoria kwantowa

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

Promieniowanie jonizujące i metody radioizotopowe. dr Marcin Lipowczan

Wykład Atomy wieloelektronowe, układ okresowy pierwiastków.

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

OPTYCZNA ANALIZA WIDMOWA

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Światło ma podwójną naturę:

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Tak określił mechanikę kwantową laureat nagrody Nobla Ryszard Feynman ( ) mechanika kwantowa opisuje naturę w sposób prawdziwy, jako absurd.

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

41P6 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - V POZIOM PODSTAWOWY

Doświadczenie Rutherforda. Budowa jądra atomowego.

Wykład 7 Kwantowe własności promieniowania

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

Techniki Jądrowe w Diagnostyce i Terapii Medycznej

r. akad. 2012/2013 Atom wodoru wykład V-VI Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Atom wodoru Zakład Biofizyki 1

Problemy fizyki początku XX wieku

Struktura protonu. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład III

ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE

Pracownia fizyczna dla szkół

Promieniowanie cieplne ciał.

Własności jąder w stanie podstawowym

Fizyka klasyczna i kwantowa. Krótka historia fizyki.

Światło fala, czy strumień cząstek?

Atom wodoropodobny. Biegunowy układ współrzędnych. współrzędne w układzie. kartezjańskim. współrzędne w układzie. (x,y,z) biegunowym.

W6. Model atomu Thomsona

Słowniczek pojęć fizyki jądrowej

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

Wstęp do astrofizyki I

Podstawy fizyki kwantowej

Pomiar widm emisyjnych He, Na, Hg, Cd oraz Zn

Podstawy fizyki sezon Dualizm światła i materii

6. POTOCZNA WIEDZA O BUDOWIE ATOMU

LABORATORIUM Z FIZYKI TECHNICZNEJ Ć W I C Z E N I E N R 10 DOŚWIADCZENIE FRANCKA - HERTZA

Promieniowanie jonizujące

Badanie schematu rozpadu jodu 128 I

rok szkolny 2017/2018

Wielcy rewolucjoniści nauki

OBRAZOWANIE ORAZ BADANIE ROZMIARÓW I POŁOŻENIA OBIEKTÓW NAŚWIETLONYCH PROMIENIOWANIEM X

Cząstki elementarne. Składnikami materii są leptony, mezony i bariony. Leptony są niepodzielne. Mezony i bariony składają się z kwarków.

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

Charakterystyka promieniowania miedziowej lampy rentgenowskiej.

Atom. Aleksander Gendarz. Cel fizyki: ująć przyrodę jako różne przejawy tego samego zespołu praw. - Richard Feynman

Promieniowanie jonizujące

WYMAGANIA EDUKACYJNE NIEZBĘDNE DO UZYSKANIA POSZCZEGÓLNYCH OCEN ŚRÓROCZNYCH I ROCZNYCH FIZYKA - ZAKRES PODSTAWOWY KLASA I

Transkrypt:

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii prof. dr hab. Aleksander Filip Żarnecki Zakład Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych Instytut Fizyki Doświadczalnej Wykład 9 5 grudnia 2016 A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 1 / 34

Wykład 9 1 Linie widmowe 2 Modele atomów 3 Model Bohra 4 Doświadczenie Francka-Hertza 5 Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie 6 Chronologia wydarzeń A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 2 / 34

Wykład 9 1 Linie widmowe 2 Modele atomów 3 Model Bohra 4 Doświadczenie Francka-Hertza 5 Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie 6 Chronologia wydarzeń A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 3 / 34

Promieniowanie termiczne Każde ciało (o temperaturze powyżej 0 K) jest źródłem promieniowania elektromagnetycznego, które nazywamy promieniowaniem termicznym! A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 4 / 34

Promieniowanie termiczne Promieniowanie ciała doskonale czarnego Najsilniej promieniuje ciało całkowicie pochłaniające wszystkie padające na nie promieniowanie - ciało doskonale czarne. A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 5 / 34

Promieniowanie termiczne Promieniowanie ciała rzeczywistego Kształt widma promieniowania termicznego Słońca: czy jest wyłącznie efektem nie doskonałości powierzchni? A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 6 / 34

Promieniowanie termiczne Linie Fraunhofera W roku 1814 Joseph Fraunhofer, niemiecki producent doskonałej jakości sprzętu optycznego, odkrył, że spektrum Słońca nie jest ciągłe. Są w nim obecne wyraźne ciemne linie, które nazwane zostały liniami Fraunhofera. Na wyjaśnienie ich natury trzeba było trochę poczekać... A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 7 / 34

Promieniowanie atomów Rurki Plückera W roku 1858 Juliusz Plücker, fizyk niemiecki, prowadził doświadczenia nad naturą elektryczności. Przykładając wysokie napięcie do baniek wypełnionych rozrzedzonm gazem zaobserwował ich świecenie. Kolor emitowanego światła zależał wyłącznie od rodzaju gazu! A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 8 / 34

Promieniowanie atomów Linie emisyjne Badania spektroskopowe pokazały, że każdy pierwiastek ma swoje charakterystyczne widmo, które emituje gdy jego atomy są pobudzane A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 9 / 34

Promieniowanie atomów Linie absorpcyjne Odkrycie widma emisyjnego wytłumaczyło też pochodzenie ciemnych linii w widmie Słońca (linii Fraunhofera). Powstają one w wyniku pochłaniania promieniowania przez atomy gazów w atmosferze Słońca i Ziemi. Linie atomowe są wyjadane z widma termicznego Jeśli atmom wzbudzony emituje promieniowanie o określonej częstości to atom w stanie podstawowym dokładnie tą częstość może absorbować A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 10 / 34

Promieniowanie atomów Seria Balmera W 1884 szwedzki nauczyciel Johann Balmer, po wielu latach studiów nad precyzyjnie mierzonymi długościami fali promieniowania wodoru odkrył, że długości fali czterech pierwszych można przedstawić jako: λ 1 = 9 5 λ 0 λ 2 = 4 3 λ 0 λ 3 = 25 21 λ 0 λ 4 = 9 8 λ 0 λ 0 = 3645.6 Å A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 11 / 34

Promieniowanie atomów Seria Balmera W 1884 szwedzki nauczyciel Johann Balmer, po wielu latach studiów nad precyzyjnie mierzonymi długościami fali promieniowania wodoru odkrył, że długości fali czterech pierwszych można przedstawić jako: λ 1 = 9 5 λ 0 λ 2 = 16 12 λ 0 λ 3 = 25 21 λ 0 λ 4 = 36 32 λ 0 λ 0 = 3645.6 Å A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 11 / 34

Promieniowanie atomów Seria Balmera W 1884 szwedzki nauczyciel Johann Balmer, po wielu latach studiów nad precyzyjnie mierzonymi długościami fali promieniowania wodoru odkrył, że długości fali czterech pierwszych można przedstawić jako: λ 1 = 9 5 λ 0 λ 2 = 16 12 λ 0 λ 3 = 25 21 λ 0 λ 4 = 36 32 λ 0 λ 0 = 3645.6 Å Co prowadzi do ogólnej postaci: λ m = m 2 m 2 n 2 λ 0 gdzie n = 2 i m = 3, 4, 5,... A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 11 / 34

Wykład 9 1 Linie widmowe 2 Modele atomów 3 Model Bohra 4 Doświadczenie Francka-Hertza 5 Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie 6 Chronologia wydarzeń A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 12 / 34

Modele atomów Seria Balmera Zależność odkrytą przez Balmera można też zapisać jako (Rydberg, 1890): ( 1 1 = λ m n 2 1 ) m 2 R H gdzie R H to tzw. liczba Rydberga dla wodoru R H = 10 967 758 m 1 A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 13 / 34

Modele atomów Seria Balmera Zależność odkrytą przez Balmera można też zapisać jako (Rydberg, 1890): ( 1 1 = λ m n 2 1 ) m 2 R H gdzie R H to tzw. liczba Rydberga dla wodoru R H = 10 967 758 m 1 W chwili odkrycia tych zależności nie można ich było w żaden sposób wytłumaczyć. Wewnętrzna budowa atomów wciąż pozostawała tajemnicą... A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 13 / 34

Modele atomów Seria Balmera Zależność odkrytą przez Balmera można też zapisać jako (Rydberg, 1890): ( 1 1 = λ m n 2 1 ) m 2 R H gdzie R H to tzw. liczba Rydberga dla wodoru R H = 10 967 758 m 1 W chwili odkrycia tych zależności nie można ich było w żaden sposób wytłumaczyć. Wewnętrzna budowa atomów wciąż pozostawała tajemnicą... Przykłady proponowanych modeli atomu: model planetarny (J.Perrin, 1901) elektrony na robitach wokół dodatniego centrum model saturnopodobny (H.Nagaoka, 1904) pierścień ujemnych ładunków wokół dodatniego centrum model ciasta z rodzynkami (J.J.Thomson, 1906) A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 13 / 34

Modele atomów Doświadczenie Rutherforda Rozpraszanie cząstek α na cienkiej złotej folii Obserwowano błyski wywoływane przez padające cząstki na ekranie scyntylacyjnym - położenie błysku dawało ocenę kąta rozproszenia Wyniki pomiarów przeprowadzonych przez H.Geigera i E.Marsdena (1909): Oczekiwane Uzyskane Rutherford zaproponował jądrowy model atomu (1911): cały dodatni ładunek atomu (10 10 m) skupiony jest w praktycznie punktowym jądrze (10 14 m) otoczonym przez chmurę elektronów. A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 14 / 34

Modele atomów Model Rutherforda Model opisywał wyłącznie rozkład masy i ładunku dodatniego w atomie skupione są w praktycznie punktowym jądrze Model nie mówił nic o ładunkach ujemnych (elektronach), ani o tym jak powstają linie widmowe... Choć od 1905 przypuszczano, że linie te wiążą się z przejściami atomu pomiędzy różnymi stanami... A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 15 / 34

Modele atomów Model Rutherforda Model opisywał wyłącznie rozkład masy i ładunku dodatniego w atomie skupione są w praktycznie punktowym jądrze Model nie mówił nic o ładunkach ujemnych (elektronach), ani o tym jak powstają linie widmowe... Choć od 1905 przypuszczano, że linie te wiążą się z przejściami atomu pomiędzy różnymi stanami... Problemem było też to, że nie były jeszcze dokładnie znane ładunki jąder, nie było więc też wiadomo ile dany atom ma elektronów. W 1911 niektóre modele proponowały do 8 elektronów w atomie wodoru. Dopiero w 1913 roku udało się wyznaczyć ładunki podstawowych jąder... Proton został odkryty (wskazany jako elementarny składnik jądra) w 1919... A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 15 / 34

Wykład 9 1 Linie widmowe 2 Modele atomów 3 Model Bohra 4 Doświadczenie Francka-Hertza 5 Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie 6 Chronologia wydarzeń A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 16 / 34

Model Bohra Postulaty Bohra Bohr oparł swój model atomu na następujących postulatach Elektron krąży dookoła jądra po orbicie kołowej pod wływem przyciągania kulombowskiego, zgodnie z mechaniką klasyczną A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 17 / 34

Model Bohra Postulaty Bohra Bohr oparł swój model atomu na następujących postulatach Elektron krąży dookoła jądra po orbicie kołowej pod wływem przyciągania kulombowskiego, zgodnie z mechaniką klasyczną Dozwolone są tylko takie orbity, dla których orbitalny moment pędu L elektronu jest całkowitą wielokrotnością : L = n Klasycznie nie ma ograniczeń, liczba orbit jest nieskończona A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 17 / 34

Model Bohra Postulaty Bohra Bohr oparł swój model atomu na następujących postulatach Elektron krąży dookoła jądra po orbicie kołowej pod wływem przyciągania kulombowskiego, zgodnie z mechaniką klasyczną Dozwolone są tylko takie orbity, dla których orbitalny moment pędu L elektronu jest całkowitą wielokrotnością : L = n Klasycznie nie ma ograniczeń, liczba orbit jest nieskończona Elektron znajdujący się na orbicie dozwolonej nie promieniuje energii mimo, że cały czas porusza się z przyspieszeniem A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 17 / 34

Model Bohra Postulaty Bohra Bohr oparł swój model atomu na następujących postulatach Elektron krąży dookoła jądra po orbicie kołowej pod wływem przyciągania kulombowskiego, zgodnie z mechaniką klasyczną Dozwolone są tylko takie orbity, dla których orbitalny moment pędu L elektronu jest całkowitą wielokrotnością : L = n Klasycznie nie ma ograniczeń, liczba orbit jest nieskończona Elektron znajdujący się na orbicie dozwolonej nie promieniuje energii mimo, że cały czas porusza się z przyspieszeniem Promieniowanie elektromagnetyczne wysyłane jest tylko wowczas, gdy elektron zmienia orbitę po której się porusza. Zgodnie z hipotezą Einsteina, przy przejściu ze stanu o energii E 1 do stanu E 2 (E 2 < E 1 ) emitowany jest foton o energii hν = E 1 E 2 A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 17 / 34

Model Bohra Stany dozwolone Klasyczny potencjał kulombowski (atom wodoru, przybliżenie m p m e ): V (r) = e2 4πɛ 0 r Dla ciała na orbicie kołowej (mechanika klasyczna): m v 2 r = e 2 4πɛ 0 r 2 E kin = 1 2 m v 2 = e2 8πɛ 0 r Moment pędu na orbicie kołowej powinien wynosić: L = mvr = n v = n mr = 1 2 V (r) Wstawiając wyznaczoną wartość v do związku między E kin i V (r): ( ) 1 n 2 2 m e 2 = mr 8πɛ 0 r A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 18 / 34

Model Bohra Stany dozwolone Otrzymujemy wyrażenie na promień dozwolonych orbit Bohra: r n = 4πɛ 0 2 n 2 m e 2 = n 2 r 1 n = 1, 2, 3,... gdzie promień orbity stanu podstawowego (n = 1), tzw. promień Bohra: a 0 = r 1 = 4πɛ 0 2 m e 2 = 0.529 Å A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 19 / 34

Model Bohra Stany dozwolone Otrzymujemy wyrażenie na promień dozwolonych orbit Bohra: r n = 4πɛ 0 2 n 2 m e 2 = n 2 r 1 n = 1, 2, 3,... gdzie promień orbity stanu podstawowego (n = 1), tzw. promień Bohra: a 0 = r 1 = 4πɛ 0 2 Energia elektronu na orbicie n: m e 2 = 0.529 Å E n = V (r n ) + E kin = V (r n ) 1 2 V (r n) = m e4 32π 2 ɛ 2 1 0 2 n 2 = 1 n 2 E 1 Energia stanu podstawowego: E 1 = m e4 32π 2 ɛ 2 0 2 = 13.6 ev A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 19 / 34

Model Bohra Linie widmowe Ze znalezionego wyrażenia na dozwolone wartości energii elektronu wynika bezpośrednio liniowy charakter widma. Obserwować możemy wyłącznie przejścia między dyskretnymi poziomami n i m: ( 1 h ν nm = E m E n = E 1 n 2 1 ) m 2 W czasach Bohra zmierzona była widzialna seria Balmera odpowiadająca n = 2 oraz seria Paschena w podczerwieni (1908), odpowiadająca n = 3. Model przewidywal istnienie serii n = 1 w ultrafiolecie: seria Lymana (1914) A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 20 / 34

Model Bohra Linie widmowe Ze znalezionego wyrażenia na dozwolone wartości energii elektronu wynika bezpośrednio liniowy charakter widma. Obserwować możemy wyłącznie przejścia między dyskretnymi poziomami n i m: ( 1 h ν nm = E m E n = E 1 n 2 1 ) m 2 W czasach Bohra zmierzona była widzialna seria Balmera odpowiadająca n = 2 oraz seria Paschena w podczerwieni (1908), odpowiadająca n = 3. Model przewidywal istnienie serii n = 1 w ultrafiolecie: seria Lymana (1914) Porównując znalezione wyrażenie ze wzorem Rydberga otrzymujemy: R H = m e4 8ɛ 2 0 h3 c = m e 4 64π 3 ɛ 2 0 3 c wartość teoretyczna w bardzo dobrej zgodności z wartością doświadczalną A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 20 / 34

Model Bohra Linie widmowe z książki: R.Eisberg, R.Resnick, Fizyka kwantowa, PWN 1983 A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 21 / 34

Model Bohra Zasada korespondencji Klasycznie częstość promieniowania emitowanego przez krążący w atomie elektron powinna być równa częstości ruchu orbitalnego. W modelu Bohra wynika ona z różnicy energii poziomów dozwolonych. A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 22 / 34

Model Bohra Zasada korespondencji Klasycznie częstość promieniowania emitowanego przez krążący w atomie elektron powinna być równa częstości ruchu orbitalnego. W modelu Bohra wynika ona z różnicy energii poziomów dozwolonych. Dla przejścia między dwoma kolejnymi, wysokowzbudzonymi poziomami: m = n + 1 1 h ν nm = E 1 ( 1 n 2 1 ) m 2 ( ) 1 = E 1 n 2 1 (n + 1) 2 E 1 2 n 3 A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 22 / 34

Model Bohra Zasada korespondencji Klasycznie częstość promieniowania emitowanego przez krążący w atomie elektron powinna być równa częstości ruchu orbitalnego. W modelu Bohra wynika ona z różnicy energii poziomów dozwolonych. Dla przejścia między dwoma kolejnymi, wysokowzbudzonymi poziomami: m = n + 1 1 h ν nm = E 1 ( 1 n 2 1 ) m 2 ( ) 1 = E 1 n 2 1 (n + 1) 2 Klasycznie, dla ciała na orbicie kołowej (ω = 2πν): m v 2 r = m ω 2 r = e 2 4πɛ 0 r 2 ν 2 = Podstawiając wzór na promień orbity n dostajemy ν = 2 n 3 m e 4 64π 3 ɛ 2 = 2 0 3 n 3 E 1 h e 2 16π 3 ɛ 0 mr 3 elektron na wysokiej orbicie promieniuje quasi-klasycznie... E 1 2 n 3 A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 22 / 34

Wykład 9 1 Linie widmowe 2 Modele atomów 3 Model Bohra 4 Doświadczenie Francka-Hertza 5 Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie 6 Chronologia wydarzeń A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 23 / 34

Doświadczenie Francka-Hertza Układ doswiadczalny James Franck i Gustav Hertz badali przepływu prądu w parach rtęci. Celem ich eksperymentu było zbadanie mechanizmu jonizacji atomów. Elektrony z katody K są rozpędzane napięciem dodatnim do siatki G, a nastepnie hamowane trochę niższym potencjałem anody A: A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 24 / 34

Doświadczenie Francka-Hertza Wyniki 1914 Zaobserwowali bardzo dziwne zachowanie układu. Płynący prąd rósł do napięcia U b 4.9 V, a następnie gwałtownie spadał: Niskoenergetyczne elektrony rozpraszają się elastycznie na atomach Hg. Prąd spada gdy elektrony tracą energię na zderzenia nieelastyczne. Franck i Hertz nie znali wyników Bohra i początkowo interpretowali swoje pomiary jako wynik pomiaru energii jonizacji atomów rtęci. E = E jonizacji = E 1 było to sprzeczne z modelem Bohra A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 25 / 34

Doświadczenie Francka-Hertza Wyniki 1914 Zaobserwowali bardzo dziwne zachowanie układu. Płynący prąd rósł do napięcia U b 4.9 V, a następnie gwałtownie spadał: Niskoenergetyczne elektrony rozpraszają się elastycznie na atomach Hg. Prąd spada gdy elektrony tracą energię na zderzenia nieelastyczne. Dopiero po trzech latach przyznali, że mierzą energię wzbudzenia, czyli różnicę energii dwóch poziomów E = E 2 E 1 a doświadczenie potwierdza słuszność modelu Bohra A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 25 / 34

Wykład 9 1 Linie widmowe 2 Modele atomów 3 Model Bohra 4 Doświadczenie Francka-Hertza 5 Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie 6 Chronologia wydarzeń A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 26 / 34

Promieniowanie rentgenowskie Odkryte przez Röentgena w 1895 roku (nagroda Nobla 1901) Długości fali: rzędu 1 nm do 0.01 nm (10 Å do 0.1 Å) Energie fotonów: rzędu 1 kev do 100 kev Lampa rentgenowska Uproszczony schemat lampy rentgenowskiej Źrodłem promieniowania ciagłego są rozpędzone elektrony hamujące w gęstym materiale anody promieniowanie hamowania Linie charakterystyczne pochodzą od wzbudzonych atomów anody. A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 27 / 34

Promieniowanie rentgenowskie Widmo Widmo promieniowania lampy z anodą rodową przy napięciu 60 kv Wąskie linie widmowe przy 50 i 60 pm: promieniowanie charakterystyczne Emitowane gdy wybity zostanie elektron z wewnętrznej powłoki atomu. A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 28 / 34

Promieniowanie rentgenowskie Linie charakterystyczne Emitowane są gdy wybity zostaje elektron z wewnętrznej powłoki atomu Linie K emitowane gdy wybity elektron z pierwszej powłoki (n = 1) Linie L, M, N... odpowiadają wybiciu elektronu z powłoki n = 2, 3, 4... A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 29 / 34

Promieniowanie rentgenowskie Linie charakterystyczne Emitowane są gdy wybity zostaje elektron z wewnętrznej powłoki atomu Linie K emitowane gdy wybity elektron z pierwszej powłoki (n = 1) Linie L, M, N... odpowiadają wybiciu elektronu z powłoki n = 2, 3, 4... Indeksy α, β, γ... wskazują dodatkowo, z której powłoki nastąpił przeskok elektronu powodujący emisję m = n + 1, n + 2, n + 3... A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 29 / 34

Promieniowanie rentgenowskie Linie charakterystyczne Mierząc linie charakterystyczne mierzymy różnice energii poziomów Przykładowo: K α : hν = E 2 E 1 2 1 K γ : hν = E 4 E 1 4 1 L α : hν = E 3 E 2 3 2 M β : hν = E 5 E 3 5 3 potrafimy wyznaczyć rozkład pozimów energetycznych w atomie Jednocześnie linie charakterystyczne są odciskiem palca każdego atomu. Potrafimy zidentyfikować nawet śladowe ilości substancji... A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 30 / 34

Promieniowanie rentgenowskie Linie charakterystyczne Indukowana wiązką protonów lub jonów emisja promieniowania X pozwala na bardzo precyzyjne określenie składu chemicznego Badanie obrazu Portret mężczyzny Antonello da Messina (INFN, Włochy) A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 31 / 34

Promieniowanie rentgenowskie Linie charakterystyczne Poziom podstawowy elektronu w atomie wodoru: E 1 = 13.6 ev Energie fotonów linii charakterystycznych są rzędu 10-100 kev. Jak to wytłumaczyć? A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 32 / 34

Promieniowanie rentgenowskie Linie charakterystyczne Poziom podstawowy elektronu w atomie wodoru: E 1 = 13.6 ev Energie fotonów linii charakterystycznych są rzędu 10-100 kev. Jak to wytłumaczyć? Jeśli rozważymy elektron krążący wokół ładunku +Ze: E (Z) 1 = m Z 2 e 4 32π 2 ɛ 2 0 2 = 13.6 Z 2 ev A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 32 / 34

Promieniowanie rentgenowskie Linie charakterystyczne Poziom podstawowy elektronu w atomie wodoru: E 1 = 13.6 ev Energie fotonów linii charakterystycznych są rzędu 10-100 kev. Jak to wytłumaczyć? Jeśli rozważymy elektron krążący wokół ładunku +Ze: E (Z) 1 = m Z 2 e 4 32π 2 ɛ 2 0 2 = 13.6 Z 2 ev Linie charakterystyczne dla przypadku z pojedynczym elektronem krążącym dookoła jądra odpowiadałyby dokładnie liniom wodoru ν (Z) nm = Z 2 ν H nm A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 32 / 34

Promieniowanie rentgenowskie Linie charakterystyczne Poziom podstawowy elektronu w atomie wodoru: E 1 = 13.6 ev Energie fotonów linii charakterystycznych są rzędu 10-100 kev. Jak to wytłumaczyć? Jeśli rozważymy elektron krążący wokół ładunku +Ze: E (Z) 1 = m Z 2 e 4 32π 2 ɛ 2 0 2 = 13.6 Z 2 ev W atomie jest wiele elektronów, ale te na wewnętrznych orbitach widzą prawie cały ładunek jądra. Dlatego dla danej linii (np. K α ) ν (Z) nm a nm (Z b nm ) 2 prawo Moseleya gdzie a nm i b nm zależą od typu linii. Dla K α a 12 cr H ( 1 1 2 2 ) = ν H 12 b 12 1 A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 32 / 34

Wykład 9 1 Linie widmowe 2 Modele atomów 3 Model Bohra 4 Doświadczenie Francka-Hertza 5 Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie 6 Chronologia wydarzeń A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 33 / 34

Chronologia wydarzeń Rozwój koncepcji budowy atomu 1814 linie Fraunhofera w widmie Słońca 1858 linie widmowe atomów (J.Plücker) 1884 formuła Balmera opisująca widmo wodoru 1895 odkrycie promieni X Nobel 1901 1897 odkrycie elektronu 1905 hipoteza foton Einsteina Nobel 1921 1911 model atomu Rutherforda 1913 model atomu Bohra Nobel 1922 1914 doświadczenie Francka-Hertza Nobel 1925 1923 hipoteza de Broiglie a Nobel 1929 1926 równanie Schrödingera Nobel 1933 Model Bohra i teoria poziomów energetycznych w atomach rozwinęła się w znacznym stopniu zanim powstała teoria kwantowa... A.F.Żarnecki Podstawy fizyki kwantowej... Wykład 9 34 / 34