Wykład 3 - Politechnika Wrocławska
advertisement
Podstawy fizyki wykład 3 Dr Piotr Sitarek Katedra Fizyki Doświadczalnej, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska D. Halliday, R. Resnick, J.Walker: Podstawy Fizyki, tom 5, PWN, Warszawa 2003. H. D. Young, R. A. Freedman, Sear’s & Zemansky’s University Physics with Modern Physics, Addison-Wesley Publishing Company, 2000. K.Sierański, K.Jezierski, B.Kołodka, Wzory i prawa z objaśnieniami, cz. 3, Oficyna Wydawnicza Scripta, 2005. Atom wodoru Wczesne modele atomu - - 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 Atom wodoru Wczesne modele atomu – doświadczenie Rutherforda źródło cząstek (jądra He) detektor cząstek Folia metal. • 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 (~ 10-14 m << rozmiar atomu ~ 10-10 m ) + lekkie elektrony Atom wodoru Planetarny model atomu Rutherforda Skoro masa elektronu jest znacznie mniejsza (ok. 1820 razy) od masy protonu a przyciągająca siła kulombowska jest podobna do siły grawitacji, to elektron powinien poruszać się dookoła jądra jak planeta wokół Słońca. 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! Atom wodoru Widma emisyjne atomów Model planetarny nie tłumaczył jednak powstawania widm emisyjnych atomów. gaz atomowy szczeliny pryzmat ekran Atom wodoru Widma emisyjne atomów Zrobił to Bohr! Atom wodoru Postulaty Bohra Atom wodoru Postulaty Bohra Atom wodoru Postulaty Bohra Atom wodoru Dozwolone energie elektronu w atomie wodoru Atom wodoru Przejścia elektronów pomiędzy poziomami energetycznymi elektronów na orbitach stacjonarnych widmo emisji widmo absorbcji padający foton wyemitowany foton Atom wodoru Przejścia elektronów pomiędzy poziomami energetycznymi elektronów na orbitach stacjonarnych Atom wodoru Przejścia elektronów pomiędzy poziomami energetycznymi elektronów na orbitach stacjonarnych Atomy wieloelektronowe Stany elektronu w atomie wieloelektronowym Atomy wieloelektronowe Stany elektronu w atomie wieloelektronowym Trójwymiarowe rozkłady prawdopodobieństwa sferycznie symetrycznych funkcji falowych atomu wodoru, 1s, 2s i 3s. Atomy wieloelektronowe Stany elektronu w atomie wieloelektronowym Przekroje trójwymiarowych rozkładów prawdopodobieństwa dla kilku stanów kwantowych atomu wodoru. Atomy wieloelektronowe Stany elektronu w atomie wieloelektronowym główna l.k. orbitalna l.k. magnetyczna l.k. Atomy wieloelektronowe Moment pędu i moment magnetyczny atomu 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. Atomy wieloelektronowe 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. Atomy wieloelektronowe Powłoki i podpowłoki Atomy wieloelektronowe Reguła Hunda Konfiguracje elektronowe - Ca Atomy wieloelektronowe Konfiguracje elektronowe - przykłady Układ okresowy pierwiastków Liczba atomowa (Z) określa całkowitą liczbę elektronów w atomie i jego położenie w układzie okresowym pierwiastków. symbol Liczba atomowa Masa atomowa okres grupa nazwa Mendeleev 1869 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. 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). okres grupa 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. Rezonans magnetyczny moment magnetyczny protonu w zewnętrznym polu magnetycznym dostarczając odpowiednią energię do układu możemy „przerzucić” spin z jednego stanu do drugiego Rezonans magnetyczny widmo NMR etanolu przetworzony komputerowo obraz MRI Promieniowanie rentgenowskie Wytwarzanie promieni rentgenowskich (promieni X) Promieniowanie rentgenowskie Promienie X Promieniowanie rentgenowskie Promienie X – widmo ciągłe Promieniowanie rentgenowskie Promienie X – widmo charakterystyczne Promieniowanie rentgenowskie Promienie X – widmo charakterystyczne Promieniowanie rentgenowskie Promienie X – widmo charakterystyczne (prawo Moseleya) K 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 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 LASER LASER Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) „pobudzone” atomy (cząsteczki) emisja stymulowana emisja spontaniczna przed emisją stymulowaną zwierciadło „pobudzenie” koherentne światło laserowe po emisji zwierciadło stymulowanej półprzepuszczalne LASER LASER Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) LASER LASER dysk jama powierzchnia soczewka soczewka pryzmat element fotoelektryczny laser Dziękuję za uwagę!
