50)Atomy zbudowane są z cząstek elementarnych. Niektóre z nich są trwałe tzn. mogą istnieć poza obrębem atomu. Cząstki nietrwałe mogą istnieć poza obrębem atomu lub nawet w obrębie atomu tylko bardzo krótko. Najważniejszymi cząstkami elementarnymi z punktu widzenia budowy atomu są protony, neutrony, elektrony pozytony, neutrina antyneutrina i mezony. Atom składa się zasadniczo z dwóch części z dodatnio naładowanego jądra oraz z zewnętrznej powłoki elektronowej

Najwcześniej poznanym elementem składowym budowy atomu był elektron, cząstka obdarzona masą niemal 2000razy mniejszą od masy atomu wodoru, wykazująca ujemny ładunek elektryczny. Elektron został odkryty przy okazji badań nad promieniami katodowymi, emitowanymi w rurkach próżniowych przez ujemnie naładowaną metalowa katodę. Promienie te niewidzialne dla oka działają na kliszę fotograficzną oraz ulegają odchyleniu w polu magnetycznym w sposób, który świadczy o tym że stanową one strumień cząstek naładowanych ujemnie. Ładunek elektronu wynosi 1,602*10^-19 C.

Protony-są elementarnymi cząstkami obdarzonymi ładunkiem dodatnim identycznym jądrami wodoru. Masa spoczynkowa protonu wynosi 1,672*10^-27 kg . Proton jest cząstka trwałą

Neutrony- są cząstkami elementarnymi o nieco większej masie niż protony. Neutrony nie maja ładunku elektrycznego. Cząstki te są neutralne pod względem elektrycznymi stąd ich nazwa. Neutrony, obok protonów są istotnymi składnikami jąder atomowych. Neutron w stanie wolnym rozpada się na proton elektron i antyneutrino. Protony i neutrony objęto wspólną nazwą nukleonów

Pozytony- Pozyton, pozytron, antyelektron - elementarna cząstka antymaterii oznaczana symbolem e+, będąca antycząstką elektronu - należy do grupy leptonów. Jej ładunek elektryczny jest równy +1 (jednostce ładunku elementarnego), masa jest równa masie elektronu. Antyelektrony powstają przede wszystkim przy promieniowaniu beta plus, podczas zamiany protonu na neutron

Neutrina i antyneutrina są cząstkami elementarnymi o znikomej masie znacznie mniejszej od masy elektronu(przyjmuje się 0). I zerowym ładunku elektrycznym. Ich powstawanie związane jest z emisją elektronów dodatnich bądź ujemnych, zachodzącą podczas przemian jądrowych.

n->p+e^-+antyneutrino

p->p+e⁺+neutrino

Mezony- są cząstkami o masie pośredniej między masa elektronu i protonu, powstają podczas przemian wewnątrzjądrowych w wyniku oddziaływań między nukleonami.

Do innych cząstek elementarnych należą hiperony, protony ujemne, antyneutrony.

Rozszczepienia jądrowe: podział jądra ciężkiego na dwa nowe jądra z równoczesnym uwolnieniem cząstek elementarnych. (np. rozszczepienie uranu-235 po zderzeniu z neutronem)

Rodzaje przemian jądrowych.

a) Rozpad alfa

b) Rozpad beta -

c) Rozpad beta +

Izotopy- pierwiastki, których atomy mają jądra o takiej samej liczbie atomowej Z, lecz różnej liczbie masowej A. (o takiej samej liczbie protonów , lecz innej liczbie neutronów)

Prawo okresowości

Odkryte w 1869 r przez Mendelejewa prawo okresowości stwierdza, iż w szeregu pierwiastków uporządkowanych według rosnących wartości liczb atomowych, właściwości chemiczne i fizyczne zmieniają się w sposób okresowy (cykliczny, periodyczny)

Okresowość chemicznych i fizycznych właściwości pierwiastków spowodowana jest regularnym powtarzaniem się analogicznych konfiguracji walencyjnych.

51)Hipoteza de Broglie'a zakłada, że wszystkie cząstki takie jak protony, elektrony, neutrony można traktować jako fale.

Światło w zależności od rodzaju zjawisk zachowuje się tak jak gdyby miało naturę zarówno falową jak i korpuskularną. Drogę wyjścia z trudności jakie wynikają z przyjęcia takiego dualizmu w naturze światła, wykazał francuski fizyk de Broglie. Według jego hipotezy ruch fotonów oraz takich cząstek elementarnych jak elektrony protony neutrony w pewnych warunkach musi być opisywany jako ruch korpuskuły - cząstki o określonej masie w innych natomiast wyłącznie jako ruch fali. Cząstce o masie m równoważnej energii E=mc² poruszającej się z prędkością u przypisuje się falę (nazwiemy ją falą de Broglie'a) o długości :

taką sama długość fali przypisuje się fotonowi. Pęd fotonów, wykazujących wprawdzie ogromną prędkość lecz bardzo mała masę, jest z reguły mniejszy niż pęd elektronów, które poruszają się z przedmościami wielokrotnie mniejszymi niż światło, mają jednak dużą masę w porównaniu z masą fotonów. W rezultacie fotonom odpowiadają znacznie większe długości fali niż elektronom. To jest właśnie powodem że w przypadku fotonów łatwiej się dostrzega ich własności falowe, w przypadku elektronów natomiast własności korpuskularne.

Fale materii, zwane też falami de Broglie'a jest to, alternatywny w stosunku do klasycznego (czyli korpuskularnego), sposób postrzegania obiektów materialnych.

Model Bohra

W 1913 roku Niels Henrik Bohr opublikował nową teorię budowy atomów. Potwierdził tezę Rutherforda, że elektrony krążą po orbitach kołowych dookoła jądra ale jednocześnie przyjął dwie nowe tezy:

Elektron nie może krążyć po dowolnej orbicie. Każdej orbicie odpowiada inny stan energetyczny atomu. Znajdując się na orbicie dozwolonej elektron nie promieniuje energii. Orbity dozwolone zostały nazwane stacjonarnymi.

Atom absorbuje lub emituje promieniowanie w postaci kwantu gamma o energii hf (h - stała Plancka, h = 6,6 * 10-34 J*s, f - częstość) przechodząc z jednego stanu energetycznego Ey do drugiego Ex (czyli przy przejściu elektronu z jednej orbity dozwolonej na inną). Różnica energii tych stanów atomów równa się energii wypromieniowanego kwantu.

Bohr analizował promieniowanie emitowane przez atomy pobudzone bodźcami fizycznymi takimi, jak: wysoka temperatura lub łuk elektryczny. Wzbudzone w ten sposób atomy wysyłają promieniowanie, którego cechy można zobaczyć przy pomocy analizy spektroskopowej. Promieniowanie jest charakterystyczne dla każdego rodzaju atomów. Nosi nazwę widma i składa się z pasm promieniowania o określonej długości fali; na przykład w wyemitowanym świetle widzialnym można zobaczyć oddzielne pasma o różnej barwie.

Na podstawie widma atomu wodoru można stwierdzić, że wzbudzony atom wysyła jedynie pewne długości światła. Widmo to nie jest ciągłe, lecz dyskretne - przyjmuje jedynie niektóre wartości długości fal. Bohr dostrzegł, że stosowanie dotychczasowej teorii elektrodynamiki C. Maxwella nie pozwala wytłumaczyć nieciągłości widma atomowego. Do tej pory bowiem, teoria budowy atomu dopuszczała, by elektrony poruszały się wokół atomu na orbitach o dowolnych promieniach. Zatem przejście elektronu z jednej na inną orbitę prowadziłoby do emisji lub absorpcji promieniowania o dowolnej długości fali tworząc widmo ciągłe. Dodatkowo, zgodnie z zasadami klasycznej elektrodynamiki, elektrony musiałyby tracić energię, co z kolei powodowałoby zmniejszanie się promienia orbity elektronu i w efekcie jego spadek na powierzchnię jądra. Atomy takie musiałyby być nietrwałe.

Model Bohra został ostatecznie zastąpiony nowym modelem również ze względu na to, że nie dawało go się zaadaptować do atomów posiadających więcej niż dwa elektrony i nie można było za jego pomocą stworzyć przekonującej, zgodnej ze znanymi faktami eksperymentalnymi teorii powstawania wiązań chemicznych.[4]

52) Zasada nieoznaczoności Heisenberg'a

Zasada nieoznaczoności - fakt ,że nie możemy opisać ruchu elektronów w sposób klasyczny znajduje wyraz w zasadzie nieoznaczoności podanej przez Wernera HEISENBERGA w 1927 r. Szczególnym przypadkiem tej zasady jest równanie ΔΔy≅h. W równaniu tym Δ oznacza niepewność naszej znajomości pionowej składowej pędu, a ?y oznacza niepewność pionowej składowej położenia . Równanie to głosi, że iloczyn tych niepewności jest wielkością stałą tzn. Nie możemy mierzyć jednocześnie i y z nieoznaczoną dokładnością. Ogólna zasada nieoznaczoności w zastosowaniu do pomiarów położenia i pędu ma postać : . Z zasady nieoznaczoności wynika, że im do­kładniej wyznaczy się jedną wielkość (np.położenie lub energię), tym mniej dokładnie zostanie określona ta druga wielkość (odpo­wiednio: składowa pędu lub czas).

Zasada nieoznaczoności jest konsekwencją dualizmu korpuskularno-falowego i stosuje się ją do wszystkich obiektów, które wyka­zują dwoistą naturę.

53)

Schrödingera równanie, podstawowe równanie mechaniki kwantowej sformułowane w 1926 przez E. Schrödingera). Ogólnie Schrödingera równanie ma postać:

gdzie: i - jednostka urojona, h = h/2π (h - stała Plancka), t - czas, H - hamiltonian układu, ψ - funkcja falowa opisująca ten układ.

Schrödingera równanie opisuje układy kwantowe przy pominięciu ich własności wynikających z ułamkowych wartości spinów cząstek oraz efektów relatywistycznych. Stosuje się je do opisu atomu wodoru, a także (w przybliżeniu) bardziej złożonych atomów oraz zjawisk kwantowych w kryształach. Schrödingera równanie opisujące niezależną od czasu radialną strukturę atomu wodoru ma postać:

gdzie: ∇2 - kwadrat operatora nabla, µ - masa zredukowana elektronu i jądra atomowego, U - energia potencjalna elektronu w polu elektromagnetycznym jądra, u - część funkcji falowej zależna jedynie od wzajemnego położenia elektronu i jądra, E - energia układu.

Rozwiązania tego równania, będące złożeniem wielomianów Laguerre'a (opisujących zależność radialną) i funkcji kulistych (opisujących zależności kątowe), odtwarzają z dobrym przybliżeniem strukturę atomu wodoru (m.in. poziomy energetyczne).

Jaki jest fizyczny sens funkcji falowej?

Okazuje się, że funkcja falowa jest w równym stopniu wielkością fizyczną jak pole elektryczne czy pole magnetyczne. Funkcja falowa musi coś mówić o położeniu cząstki w czasoprzestrzeni, ponieważ cząstka znajduje się najprawdodopodobniej w tych miejscach, gdzie natężenie fali jest duże. Fizyk niemiecki Max Born nadał następujący sens funkcji falowej.

Kwadrat funkcji falowej |Y|2 jest równy gęstości prawdopodobieństwa (p) lokalizacji elektronu wokół jądra.

p(1, 2, ..,n) = Y(1, 2, ..,n)Y*(1, 2, ..,n) (4.8)

Dla wydzielonego elementu przestrzeni DV, prawdopodobieństwo to wyniesie;

P(DV) = |Y(x, y, z)|2DV (4.9)

Stosunek tego prawdopodobieństwa do objętości elementu przestrzeni nazywa się gęstością prawdopodobieństwa, gęstością elektronową lub chmurą prawdopodobieństwa występowania cząstki (elektronu) w przestrzeni. Kształt tej chmury dobrze i poglądowo opisuje dany stan elektronowy, wskazując gdzie cząstka przebywa najwięcej, a których obszarów unika. Stanowi ona zatem uogólnione pojęcie orbity elektronowej w teorii Bohra i została nazwana orbitalem.

A wracając do funkcji radialnej i kątowej, to należy stwierdzić że:

funkcja Rnlr (składowa radialna) zależy wyłącznie od promienia i opisuje ona gęstość prawdopodobieństwa znalezienia się elektronu w określonej odległości od jądra.

funkcja Ylm(j, F) (składowa kątowa) zależy wyłącznie od kątów i opisuje ona gęstość prawdopodobieństwa znalezienia się elektronu w odpowiednim kierunku, określonym przez wartości kątów j, F.

Dla tych funkcji (radialna i kątowa) otrzymano trzy stałe kwantowania, oznaczone literami n, l, m. Zostały one nazwane ; główną (n), orbitalną (l) i magnetyczną (m) liczbą kwantową.

Liczba kwantowa n, może przyjmować dowolne, ale wyłącznie dodatnie wartości całkowite (nie może jednak być równa 0), natomiast liczby kwantowe l i m mogą przyjmować ograniczone wartości.

54)Emisja spontaniczna to przejścia elektronów z wyższego stanu energetycznego E2 na poziom niższy E1, któremu towarzyszy losowa emisja fotonu o energii: hn=E2-E1.

Absorpcja jest to proces polegający na przejściu elektronu z poziomu niższego na poziom wyższy. Proces ten zainicjowany jest przez foton. Prędkość absorpcji może być opisana równaniem podobnym do wyrażenia opisującego emisję spontaniczną:

Emisja wymuszona (stymulowana) oznacza proces przejścia elektronu z poziomu wyższego E2 na poziom o mniejszej energii E1. Procesowi temu towarzyszy emisja nowego fotonu, która jest wymuszona zewnętrznym fotonem o energii hn=E2-E1. Nowy, wypromieniowany foton posiada tę samą energię, kierunek propagacji i fazę co foton wymuszający.

Emisja wymuszona jest podstawowym procesem wykorzystywanym we wzmacniaczach optycznych i laserach.

Laser jest wzmacniaczem promieniowania świetlnego działającym na zasadzie wymuszonej emisji, a jego nazwa pochodzi od skrótu nazwy angielskiej - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Światło, które wpada do cylindrycznego wnętrza lasera, zostaje przechwycone przez dwa zwierciadła. Odbijając się od nich, przekazuje swoją energię wypełniającej cylinder substancji (gazu lub kryształu). Atomy kryształu lub gazu zostają wzbudzone poprzez absorpcję fotonów światła. Wyemitowane światło ma jednakową częstotliwość fali, stąd nazywa się je światłem spójnym. Długość takiej fali zależna jest od materiału z jakiego laser został wykonany.

Zjawisko wymuszonej emisji odkrył w drodze teoretycznych rozważań Albert Einstein, analizując prawa promieniowania świetlnego. Możliwość otrzymania zjawiska wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego na drodze eksperymentalnej uzasadnił w 1940 roku radziecki uczony W. A. Fabrikant.

W latach 1952 - 53 z koncepcją budowy wzmacniacza mikrofal działającego na zasadzie wymuszonej emisji wystąpili, niezależnie od siebie, Charles H. Townes i jego współpracownicy w Stanach Zjednoczonych.

Pierwsze takie urządzenie, noszące nazwę lasera, zostało zbudowane w 1954 roku. Wynalazek lasera polegał na rozszerzeniu wykorzystania zjawiska wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego na zakres fal świetlnych. Z pierwszym projektem tego rodzaju urządzenia wystąpił w 1958 roku ponownie Townes wraz z innym fizykiem amerykańskim Arthurem L. Schawlowem. Rok później Townes zbudował model lasera, lecz próby nie wypadły pomyślnie. Pierwszy czynny laser został zbudowany po kilku dalszych miesiącach.

W maju 1960 roku młody amerykański badacz Theodor H. Maiman z laboratorium Hughes Aircraft Company zademonstrował laser rubinowy, wytwarzający niezwykle spójną i monochromatyczną wiązkę światła.

Wkrótce po laserze rubinowym, w którym akcja laserowa zachodzi w jonach chromu krystalicznego rubinu, został zbudowany laser gazowy (akcja laserowa przebiega w nim w mieszaninie helu i neonu), a następnie w 1962 roku laser półprzewodnikowy i w 1963 roku laser cieczowy.

Promień lasera ma bardzo różnorodne zastosowania praktyczne - od medycyny, poprzez elektronikę, nowoczesne uzbrojenie, do np. sprawdzania oświetlenia w nowo budowanym tunelu.

Zasada działania i budowa lasera

Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energii do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów. Działanie lasera opiera się na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Emisja wymuszona zachodzi gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii więc i częstotliwości. Proces taki przewidział teoretycznie Einstein w 1917 roku.

Aby mogła zachodzić w dużych ilościach emisja wymuszona należy w ośrodku wzmacniającym stworzyć odpowiednie warunki, to znaczy spowodować, by więcej elektronów było w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym. Taki proces nosi nazwę inwersji obsadzeń (odwrócenia obsadzeń). Wtedy rezonansowy foton wyzwala emisje wielu fotonów naraz o tej samej fazie i częstotliwości. Aby to dokonać trzeba znaleźć taki materiał aby na pewnym poziomie wzbudzonym czas przebywania elektronu był dostatecznie długi. Taki poziom nazywamy poziomem metastabilnym. Do tej pory zbudowano wiele typów laserów i uzyskano efekt laserowy w setkach ośrodków czynnych (stałych, ciekłych i gazowych). Odwrócenie obsadzeń uzyskuje się za pomocą oświetlenia światłem (pompowanie optyczne), innym laserem, światłem błyskowym, wyładowaniem prądu w gazach, reakcjami chemicznymi albo wykorzystać rekombinację w półprzewodnikach.

Wzmacniacz laserowy zamienia się w generator, gdy ośrodek wzmacniający zostanie umieszczony w rezonatorze. Wówczas promieniowanie wprowadzone wzdłuż osi rezonatora odbija się od zwierciadła umieszczonego na jednym końcu rezonatora oraz od półprzeźroczystego zwierciadła na drugim końcu. Pomiędzy zwierciadłami fale są wzmacniane wskutek emisji wymuszonej. Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez półprzeźroczyste zwierciadło w postaci spójnej, monochromatycznej, równoległej wiązki światła o dużej mocy. Emitowana wiązka jest doskonale równoległa, bowiem fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko uciekają na boki ośrodka drgającego bez wzmocnienia.

Lasery znalazły wiele zastosowań; są na przykład używane do spawania, w medycynie np. chirurgii, holografii, drukarkach, telekomunikacji optycznej oraz do odczytywania informacji cyfrowej.

---