Światło ma podwójną naturę: - własności (promieniowanie ciągłe i
advertisement
IŚ Fizyka 2 Światło ma podwójną naturę: W. C. Roentgen ( Nobel 1901) przejawia własności fal i cząstek Istnieje ciągłe przejście pomiędzy tymi własnościami wzdłuż spektrum fal elektromagnetycznych – Dla niskich częstości (fale radiowe) fotony mają znikomo małą energię i własności falowe dominują. Promienie Roentgena – Zakres optyczny: fale/cząstki – Dla wysokich częstości (promienie Roentgena, gamma) dominują własności cząstkowe promieniowania (pojedyncze fotony) - odkrycie i wytwarzanie - własności (promieniowanie ciągłe i dyskretne) - prawo Moseleya: uporządkowanie układu okresowego Mendelejewa - zastosowanie promieni Roentgena do badania struktur periodycznych (prawo Bragga) M. Mulak 1 IŚ M. Mulak Fizyka 2 2 IŚ M. Mulak Fizyka 2 3 IŚ Fizyka 2 Wykorzystanie promieni Roentgena do badań struktury kryształów: własności falowe M. Mulak 4 IŚ Fizyka 2 Obraz dyfrakcyjny Lauego M. Mulak 5 IŚ Fizyka 2 Idea dyfrakcji Bragga nλ = 2d sin θ nλ = 2d sin θ d = odległość pomiędzy płaszczyznami sieci λ = długość fali θ = kąt odbicia λ ∼ 0.1 nm (odległości warstw międzyatomowych) E ∼ 10 -100 keV M. Mulak 6 IŚ Fizyka 2 Max von Laue: falowy charakter promieni X – dyfrakcja na krysztale Braggowie – ojciec i syn – 1913 - 1914 – rozpraszanie promieni X można sobie wyobrazić jako odbicie od płaszczyzn sieciowych – zastosowanie do określania struktury atomowej – Nagroda Nobla 1915 Zdjęcie rentgenowskie DNA (Rosalind Franklin, 1952) decydujący dowód na strukturę podwójnej helisy William & Lawrence Bragg M. Mulak 7 IŚ Fizyka 2 Opalizacja efekt Bragga dla składowych światła białego na makromolekułach Światło jako cząstki Ubarwienie motyli Wiekszość barw różnego rodzaju pigmenty zawartych w łuskach na skrzydłach. Efekt fotoeketryczny Wyjątki: tropikalne Morpho i polskie mieniaki ↓ Łuski przezroczyste - barwa powstaje w skutek interferencji fal świetlnych (barwy strukturalne) M. Mulak 8 IŚ Fizyka 2 Efekt Comptona Własności światła zależą od eksperymentu: - propagacja światła: fala Klasycznie: ta sama częstotliwość (długość fali) Teoria kwantowa: fala rozproszona dłuższa ! - oddziaływanie z materią: fotony p= h λ E = hf M. Mulak 9 IŚ Fizyka 2 Falowa natura cząstek Mechanika falowa Funkcja falowa Ψ(x) i jej interpretacja Zasada nieoznaczoności Heisenberga Louis-Victor de Broglie, the 7th Duke de Broglie, (1892-1987) p= h λ From: Harris Benson, University Physics M. Mulak 10 IŚ Fizyka 2 Fale materii (de Broglie’a) L.V. de Broglie (1892-1987) Nagroda Nobla 1929 (rozprawa doktorska) „Natura kocha symetrię” Światło natura dualistyczna Dualna natura światła koncepcja fotonu E hf h p= = = c c λ „hipoteza” de Broglie’a czysto teoretyczna! Materia również! Elektrony, protony jako cząstki przejawiają własności falowe 1927 Davisson, Germer; (Bell Telephone Lab.) odbijanie wiązki elektronów od niklowej tarczy obraz dyfrakcyjny jak dla prom. X (1921, Debye, Sherrer) λ, f h h λ= = p mv E = hf M. Mulak Wkrótce potwierdzona doświadczalnie: długość fali cząstki 1928 G.P. Thomson; dyfrakcja elektronów na cienkiej polikrystalicznej folii metalowej * J.J. Thomson odkrycie elektronu (1898) energia cząstki 11 IŚ Fizyka 2 Fala stojąca l = n⋅ λ 2 Długość struny = całkowita wielokrotność połówek fali M. Mulak 12 IŚ Fizyka 2 Początek rewolucji Heisenberg, Schroedinger, Dirac, Born Funkcja falowa cząstki elektron = fala stojąca „rozpięta” na orbicie Bohra 2π r = nλ nh nh ⇒ mvr = = nh ⇒ 2π r = mv 2π λ = h mv 3 postulat Bohra! zasada komplementarności: własności falowe i cząstkowe uzupełniają się interesujący związek z modelem Bohra warunek kwantowania L = mvr = nh n = 1,2,3,... Obraz falowo-mechaniczny naturalnie prowadzi do kwantyzacji L M. Mulak 13 IŚ Fizyka 2 • Louis de Broglie (1923): materia przejawia również dualizm falowo korpuskularny, podobnie jak światło. Promienie Roentgena • Długość fal materii jest bardzo mała (poza zasięgiem eksperymentu !) • Dyfrakcja elektronów (neutronów) dopiero na poziomie atomowym. • Doświadczenie Davissona i Germera (dyfrakcja i interferencja fal elektronowych). elektrony From: Harris Benson, University Physics M. Mulak 14 IŚ Fizyka 2 Cząstki jako fale dyfrakcja elektronów (doświadczenie z dwoma szczelinami) From: Harris Benson, University Physics M. Mulak 15
