29.Kvantová fyzika sa zakladá na Planckových a Einsteinových teóriach a hovorí, že všetky procesy sa dejú po maličkých krokoch => všetky fyzikálne vel

Prepis

1 29.Kvantová fyzika sa zakladá na Planckových a Einsteinových teóriach a hovorí, že všetky procesy sa dejú po maličkých krokoch => všetky fyzikálne veličiny narastajú o malé hodnoty, ktoré nazývamé kvantá začala sa rozvíjať v 20 storočí využitie poznatkov vedomosti o materiáloch polovodičoch => tranzistory - interakcia žiarenia a hmoty => lasery - rádiové vlnenie a jadro => magnetická rezonancia - rádioaktivita a správanie sa jadier => jadrová energia - vlnové vlastnosti častíc => elektronový mikroskop - GPS žiarenie absolútneho čierneho telesa teleso, ktoré dokonale pohlcuje všetko dopadajúce žiarenie - žiarenie tohto telesa nevedela klasická fyzika vysvetliť, vysvetlil ho až Planck v roku 1900 predpokladal, že steny čierneho telesa môžu prijať a zároveň vysielať žiarenie s frekvenciou len po určitých dávkach energie = kvantách energie E = h. f h Planckova konštanta = 6, J. s sám Planck tomuto predpokladu neveril, až kým naň v roku 1905 nenadviazal Einstein, ktorý vysvetlil fotoelektrický jav => nobelová cena za fyziku fotoelektrický jav záporne nabitá platňa sa pri dopade elektromagnetického žiarenia vybíja, kladne nabitá sa nevybíja => dopadajúce žiarenie dodá elektrónom energiu a tým ich uvoľňuje z kovu uvoľňovanie elektrónov závisí od frekvencie dopadajúceho žiarenia elektróny sa uvoľňujú až od určitej hraničnej frekvencie f 0 tento jav klasická fyzika nevedela vysvetliť, vysvetlil ho až Einstein na základe Planckovej teórie vysvetlenie : dopadajúce žiarenie je súbor svetelných kvánt s energiou E = h. f => fotóny fotón odovzdá energiu elektrónu časť z nej sa spotrebuje na uvoľnenie elektrónu z atómu => výstupná práca W V a zvyšná časť sa spotrebuje na kinetickú energiu E k E k = W V + ½ m e. v 2 1) ak je frekvencia dopadajúceho žiarenia menšia ako f 0, potom energia žiarenia je menšia ako výstupná práca => fotoelektrický jav nenastane 2) ak dopadajúce žiarenie s hraničnou frekvenciou f 0 energia žiarenia sa rovná práve výstupnej práci => nastáva vnútorný fotoelektrický jav ( elektróny sa uvoľnia z atómov, ale nie z látky) 3) ak je frekvencia väčšia ako f 0 energia žiarenia zostáva aj na kinetickú energiu elektrónov => nastáva vonkajší fotoelektrický jav, elektróny sa uvoľnia nielen z atómov, ale aj z látky žiarenie s hraničnou frekvenciou f 0 má vlnovú dĺžku λ 0 = c / f 0 vnútorný fotoelektrický jav žiarenie dopadá na polovodič a uvolní elektróny z atómov - v polovodičoch vznikajú páry voľný elektrón diera

2 vonkajší fotoelektrický jav žiarenie dopadá na katódu, z ktorej uvoľňuje elektróny => obvodom prechádza elektrický prúd využitie : otváracie dvere, fotosenzor, slnečné batérie na družiciach, televízne kamery a kopírky zhrnutie : 1) elektróny sú uvoľňované ihneď po dopade žiarenia 2) fotoelektrický jav vyvolá len žiarenie s frekvenciou väčšou ako f 0 3) energia uvolnených elektrónov závisí od frekvencie dopadajúceho žiarenia 4) množstvo uvolnených elektrónov závisí od intenzity dopadajúceho žiarenia fotóny častice elektromagnetického žiarenia, ktoré existujú len pri rýchlosti svetla - majú energiu E = h. f Comptonov jav ďalší jav dokazujúci, že elektromagnetické vlnenie sa skladá z fotónov - na tenkú doštičku z grafitu dopadá úzky zväzok RTG žiarenia a po prechode touto doštičkou sa mení smer jeho šírenia najskôr sa tento jav pokladal za ohyb vlnenia, tým sa ale nevysvetlila zmena vlnovej dĺžky, Compton využil Planckovu teóriu na vysvetlenie tohto javu : dopadajúce žiarenie sa skladá z fotónov s E = h. f, tieto interagujú s elektrónmi v doštičke, odovzdajú im časť svojej energie => zmenší sa ich frekvencia => zväčší sa vlnová dĺžka E < E 0 => h. f < h. f 0 => λ > λ 0 žiarenie je fyzikálny jav, ktorý má za určitých podmienok vlnové vlastnosti (dôkazom je interferencia) a za určitých podmienok vlastnosti častíc( dôkazom je fotoelektrický alebo Comptonov jav) => dualizmus rovnako aj elektróny urýchlené na rýchlosť svetla sa tiež správajú ako vlny => tiež majú dualizmus ak takýto elektrón dopadá na dvojštrbinu na tienidle pozorujeme interferenciu objav atómového jadra atóm zaviedli starogrécky filozofi - najmenšia stavebná častica látok Dalton chemicky ďalej nedeliteľná častica Thompson objavil elektrón => atóm sa skladá z kladného náboja, ktorý je rozmiestnený v celom V => pudingový model

3 Rutherford objavil atómové jadro, α časticami ostreľoval tenkú zlatú fóliu očakával, že α častice sa od pôvodného smeru odchýlia len málo elektróny sú oproti α časticiam oveľa menšie => pôsobenie elektrónov na α častice je zanedbateľné v skutočnosti zistil, že odchýlky α častíc od pôvodného smeru sú veľmi veľké (aj väčšie ako 90 ) planetárny model objav atómového jadra na základe, ktorého sa fyzika rozdelila na 2 časti : 1) kvantovú elektrický obal 2) jadrovú atómové jadro Bohr doplnil planetárny model o dve pravidlá : 1) atóm sa môže nachádzať len v určitých kvantových stavoch, z ktorých každý má presne určenú hodnotu energie najnižšia hladina, v ktorej sa môže atóm nachádzať sa nazýva základný stav, hladiny s vyššou energiou excitované (vzbudené) energetické stavy majú záporné hodnoty E lebo na pritiahnutie atómu z nekonečna sa E spotrebúva v je E = 0 2) pri prechode atómu zo stavu s vyššou E n do stavu s nižšou E m vysiela atóm žiarenie s frekvenciou f n m : E = E n E m = h. ( f n m ) tento postulát vyjadruje zákon zachovania energie frekvencii f n m zodpovedá vlnová dĺžka λ n m = c / R n m => čiarový charakter spektra ak chceme naopak dostať atóm do vyššieho energetického stavu musíme mu energiu dodať vo forme fotónu s frekvenciou f n m prechod medzi energetickými stavmi sa deje skokom interakcia žiarenia a atómu :

4 1) atóm je v základom stave, dopadá naň fotón, žiarenie s frekvenciou f, atóm pohltí fotón, fotón zanikne a atóm sa dostáva do excitného stavu - absorbcia E 1 E 0 = h. f 2) atóm je vo vzbudenom stave, kde môže existovať len krátky čas, preto po chvíli padá do základného stavu pričom vyžiari fotón s frekvenciou f spontánna emisia E 1 E 0 = h. f rôzne vyžiarené fotóny nie sú koherentné 3) atóm je v excitovanom stave, dopadne naňho fotón s frekvenciou f, ktorá ho zhodí do základného stavu, pričom sa vyžiari energia vo forme ďalšieho fotónu, ktorý je presnou kópiou toho prvého ( oba fotóny sú koherentné) stimulovaná emisia využívajú ju lasery laser Light amplificacion by stimulated emission of radiation - zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia - zariadenie, ktoré uvoľňuje nahromadenú energiu ako energiu svetelného lúča monofrekvenčného žiarenia - kryštál rubínu plus prímesy chrómu - pri dopade fotónov s vhodnou energiou prechádzajú atómy chrómu zo základnej hladiny na excitované energie odkiaľ po chvíli padajú na tzv. Metastabilnú hladinu energie, kde môžu zostať 1000 krát dlhšie ako na excitovaných hladinách a pri dopade jedného fotónu dochádza k stimulovanej emisii => znásobí sa počet fotónov => zosilní sa počet fotónov => zosilní sa svetlo

5