1

Leszno - pytania egzaminacyjne - 2. semestr

1) Polaryzacja światła przez odbicie.

Zjawisko polaryzacji jest kolejnym zjawiskiem, które

potwierdza falową naturę światła. Polaryzacja polega na

uporządkowaniu drgań wektora elektrycznego. Jeżeli

światło pada na powierzchnię dielektryka (np. szkła)

pod tzw.kątem Brewstera α

B

, to wiązka odbita jest

całkowicie spolaryzowana w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny padania.

Wiązka załamana, która wniknęła w dielektryk, jest częściowo spolaryzowana.

Stwierdzono, że światło odbite od powierzchni dielektryka jest spolaryzowane

liniowo. Stwierdzono, że dla szkła istnieje pewien kąt padania f, który nosi nazwę kąta

całkowitej polaryzacji lub kąta Brewstera, dla którego wiązka odbita jest całkowicie

spolaryzowana. W wiązce tej odbija się tylko składowa prostopadła do wektora

elektrycznego fali świetlnej, natomiast jego składowa równoległa do płaszczyzny

padania nie ulega odbiciu. Jeżeli kąt padania a jest równy kątowi j, to wiązki odbita i

załamana tworzą kąt prosty, czyli: j+a=90 stopni.

0

I

I

R

r



- współczynnik odbicia

























2

2

0

tg

tg

I

I

R

II

rII

II

wektor w płaszczyźnie padania































2

2

0

sin

sin

I

I

R

r

1













II

II

R

R

R

R

p

- stopień polaryzacji

PRAWO ZAŁAMANIA ŚWIATŁA:





sin

sin



n

o

p

90









p

p

p

p

p

tg

n



















cos

sin

)

90

sin(

sin

- prawo Brewstera współczynnik załamania światła

2

2) Podwójne załamanie światła w kryształach anizotropowych.

Ciała dwójłomne. Miara dwójłomności:

o

e

n

n

n







Promień światła padający na

taki kryształ ulega podwójnemu załamaniu, tzn. rozdziela się na dwa promienie,

załamujące się pod różnymi kątami. Obydwa te promienie są spolaryzowane w

płaszczyznach do siebie prostopadłych.

Przy przejściu światła przez taki ośrodek np. kryształ (z wyjątkiem kryształów

należących do układu regularnego takich jak NaCl) powstają dwa promienie

załamane - stąd nazwa zjawiska. Kryształy, w których zachodzi zjawisko podwójnego

załamania nazywa się kryształami dwójłomnymi. Po przejściu światła przez kryształ

dwójłomny otrzymuje się dwa promienie załamane. Jeden leżący w tej samej

płaszczyźnie co promień padający i prosta prostopadła do powierzchni kryształu w

punkcie padania. Promień ten ma stały współczynnik załamania niezależnie od kąta

padania (tzn. ma stałą prędkość w krysztale niezależnie od kierunku). Podlega on

zwykłym prawom załamania i przyjęto go nazywać promieniem zwyczajnym. Drugi

promień - nadzwyczajny na ogół nie leży w płaszczyźnie padania. Jego

współczynnik załamania i prędkość nie mają stałej wartości, a zależą od kierunku

rozchodzenia się promienia w krysztale. Oba promienie są spolaryzowane w

płaszczyznach wzajemnie prostopadłych i mają różną prędkość rozchodzenia się w

krysztale. W kryształach dwójłomnych istnieje taki kierunek, w którym przechodząca

wiązka światła nie ulega rozdwojeniu. Jest to kierunek osi optycznej i kierunki do niej

równoległe. Gdy w krysztale istnieje tylko jedna oś optyczna, kryształ nazwany jest

jednoosiowym (lód, kwarc, szpat islandzki).

3

3) Metody wyznaczania współczynnika załamania światła.

PRAWO ZAŁAMANIA ŚWIATŁA:





sin

sin



n

o

p

90









p

p

p

p

p

tg

n



















cos

sin

)

90

sin(

sin

- prawo Brewstera współczynnik załamania światła

Za pomocą refraktometru – przyrządu do mierzenia załamania światła.

Za pomocą pryzmatu.

4) Dwójłomność wymuszona. Skręcenie płaszczyzny polaryzacji.

Wymuszenia dwójłomności: mechaniczne, temperatura, pole elektryczne i

magnetyczne.

Niektóre dielektryki wykazują zależność stałej dielektrycznej od przyłożonego pola

elektrycznego lub magnetycznego. W normalnych warunkach nie są one dwójłomne,

pod wpływem przyłożonego pola uzyskują tą właściwość. Zjawisko to na cześć

odkrywcy nosi nazwę efektu Kerra i znalazło zastosowanie do modulacji światła

polem elektrycznym w przyrządach zwanych komórkami Kerra.

5) Promieniowanie ciała doskonale czarnego.

związek pomiędzy absorpcją a emisją prawo Kirchoffa dotyczące promieniowania:













T

B

T

A

T

B

,

,

,









Dla ciała doskonale czarnego (np. Słońce)

 

 

 

T

B

T

B

T

A

,

,

1

,













Zdolność emisji ciała doskonale czarnego jest proporcjonalna do Temperatury w 4

potędze:

4

)

(

T

T

B





gdzie sigma stała















4

2

8

10

67

,

5

K

m

W



4

Ciało doskonale czarne - pojęcie stosowane w fizyce określające ciało pochłaniające

całkowicie padające na nie promieniowanie niezależnie od temperatury ciała i widma

promieniowania padającego, mówimy że ma współczynnik pochłaniania równy 1.

6) Zjawisko fotoelektryczne.

Polega ono na emisji elektronów z powierzchni metalu pod wpływem padającego na

metal promieniowania elektromagnetycznego. Wykorzystując to zjawisko zbudowano

komórkę fotoelektryczną. Zjawiska tego nie da się wytłumaczyć falową naturą

światła. Można je wytłumaczyć tylko naturą korpuskularną.

Foton posiada energię:



h

E



posiada też pęd p=mv, natomiast nie ma masy

spoczynkowej

2

mc

E



to masa fotonu:

2

2

c

h

c

E

m













h

c

h

c

c

h

p







2

gdzie c – prędkość światło

s

m

300000

WZÓR EINSTEINA:

2

max

2

1

mv

W

h







opis efektu

fotoelektrycznego

eUh

h

h





0





gdzie:



h -energia padającego promieniowania [E],

0



h

- Energia

potrzebna do wybicia elektronu. [W] dla każdego metalu wielkość charakterystyczna

(praca wyjścia elektronu).

2

2

max

mv

eUh



, stała Planca

Js

h

34

10

62

,

6







0





h

h



- zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi

0





h

h



- zjawisko zachodzi, częstotliwość graniczna

0





h

h



- tylko wybicie elektronu

0





h

h



- większa energia elektron nabywa energi kinetycznej aby dotrzeć do anody.

7) Model atomu wg Rutherforda i Bohra – podobieństwa i różnice.

Model atomu Rutherforda(1911r.): Nowy model atomu oparty o rezultaty

eksperymentu wprowadzał bliskie współczesnemu modelowi założenia:

1)

ładunek

dodatni zgromadzony jest w niewielkim a przez to bardzo

gęstym jądrze gromadzącym większość masy atomu, 2)

ujemnie

naładowane elektrony okrążają jądro, podobnie jak planety okrążają Słońce.

Wyznaczył promień jądra ze wzoru:









0

0

2

4

2

2

r

eZ

mv

e





.

Wyznaczył liczbę Z

i stwierdził

że równa się ona liczbie porządkowej.

5

Model atomu Bohra: przyjął model wprowadzony przez Rutherforda według tego

modelu elektron krąży wokół jądra jako naładowany punkt materialny, przyciągany

przez jądro siłami elektrostatycznymi. Przez analogię do

ruchu planet wokół Słońca model ten nazwano "modelem planetarnym atomu”.

elektron może krążyć tylko po określonych orbitach zwanych stabilnymi

(stacjonarnymi), ponadto – krążąc po tych orbitach – nie emituje promieniowania,

mimo że z praw klasycznej elektrodynamiki wynika, że ładunek krążąc po orbicie

stale powinien emitować promieniowanie elektromagnetyczne. W tym modelu

promieniowanie jest emitowane tylko wówczas, gdy elektron zmienia orbitę.

Model Bohra, jakkolwiek będący sztucznym połączeniem mechaniki klasycznej i

ograniczeń kwantowych, daje prawidłowe wyniki dotyczące wartości energii

elektronu na kolejnych orbitach i promieni tych orbit w przypadku atomu wodoru i

atomów pierwiastków wodoropodobnych.

zeszyt:

Postulaty Bohra(1913r.):

1. Elektron w atomie wodoru może się znajdować tylko na

takiej orbicie, na której jego moment pędu elektronu równa się
wielkokrotnośći stałej planca przed 2 pi.
Atom znajdujący się w stanie wyróżnionym przez ten warunek
nie promieniuje – jest to stan stacjonarny (wg Rutherforda
promieniuje zawsze)

2. Promieniowanie towarzyszy przeskokowi elektronu z wyższego do niższego energetycznie
stanu kwantowego. Pochłanianiu promieniowania odpowiada przeskok elektronu z niższego
do wyższego stanu kwantowego. Częstość drgań emitowanego lub pochłanianego
promieniowania obliczamy ze wzoru: hv

nm

=E

n

-E

m

, n>m

Model Bohra – aby wyjaśnić stabilność atomu wprowadza pojęcie kwantowanych orbit
elektronów.

8)

Absorpcja i emisja promieniowania.

Absorpcja – w optyce proces pochłaniania energii fali przez substancję. Na skutek

absorpcji natężenie światła wiązki przechodzącej przez substancję ulega zmniejszeniu,

przy czym część tego osłabienia spowodowania jest również rozpraszaniem światła.

Emisja promieniowania to wysyłanie przez wzbudzony układ fizyczny (np. atom,

jądro atomowe, ciało makroskopowe) energii w postaci promieniowania zarówno fal

(np. światła, fal radiowych, dźwięku), jak i korpuskularnego (np. elektronów, cząstek

α). Procesem odwrotnym jest absorpcja w znaczeniu fizycznym.

Zdolność absorpcji:

 

padająad

energia

ana

zaabsorbow

energia

T

A



,



związek pomiędzy absorpcją a emisją prawo Kirchoffa dotyczące promieniowania:

















2

3

,

2

,

1

,

2

h

n

n

h

n

mvr

6













T

B

T

A

T

B

,

,

,









9) Emisja wymuszona. Zasada działania laserów.

Działanie lasera opiera się na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej.

Emisja wymuszona zachodzi wtedy, gdy do atomu wzbudzonego wpada foton o energii

równej energii wzbudzenia. Atom przechodzi wtedy do stanu podstawowego, emitując

foton o tej samej energii. Foton wymuszający i wymuszony lecą więc dalej razem. Fale

odpowiadające obu fotonom mają nie tylko tę samą częstotliwość, ale tę samą faze,

tworzą więc falę spójną. LASER nazwa pochodzi od pierwszych liter angielskiego zwrotu

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation co w polskim tłumaczeniu

brzmi "Wzmocnienie światła prze wymuszoną emisję promieniowania".

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. 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.

7

10) Rodzaje promieniowania jonizującego.

Promieniowanie jonizujące: posiadające energię wystarczającą do jonizowania materii.

Jonizacja: wybicie elektronu z atomu (cząsteczki). Energia potrzebna do wybicia

elektronu jest energią jonizacji.

Rodzaje promieniowania jonizującego: 1) korpuskularne (α, β, neutronowe etc.)

2)elektromagnetyczne (γ, X)

Powstawanie promieniowania jonizującego:

1)spontaniczny rozpad jąder atomowych

2)rozczepienie jąder atomowych

3)gwałtowna utrata energii rozpędzonych cząstek

(Prom. alfa – rozpad polega na samorzutnej emisji jąder helu)

- duża prędkość

10

7

m/s

- duża energia (kilka MeV)

-Naładowane dodatnio, dzięki temu oddziałują z materią

- Przez oddziaływanie z materia są małoprzenikliwe(w powietrzu kilka cm)

-ulegają odchyleniu w polu elektrycznym i magnetycznym

8

- mają duże prędkości (0,3*

10

8

m/s)

-mają mniejsza masę przez to mają mniejsza en. kin.

-słabiej oddziałują z materią niż alfa => są bardziej przenikliwe(kilka metrów)

- jest to fala elektromagnetyczna

- prawie zawsze towarzyszy promieniowaniu alfa i beta

- gdy cząstki alfa i beta są wypromieniowane to gamma są wzbudzone

- mają nadwyżkę energi która zostaje wypromieniowana (elektromagnetyczne)

- nie posiada ładunku

- nie jest odchylane przez pole elekt. i magn.

- słabiej od alfa i beta oddziałuje z materia => ma Duzy zasieg.

9

11) Prawo rozpadu promieniotwórczego.

Z zeszytu: PRAWO ROZPADU PROMIENIOTWÓRCZEGO:

Ubytek liczby jąder pierwiastka promieniotwórczego z liczby N w czasie dt

wynikający z ich promieniotwórczego rozpadu wynosi:

dt

N

dN

Ndt

dN













Całkując to równanie otrzymamy:

t

e

N

N









0

No- początkowa liczba jąder w

momencie t=0 w którym

zaczynamy mierzyć czas.

Okres połowicznego zaniku:

Czas w którym połowa istniejących promieniotwórczych ulega przemianie w jądra o

innym stanie lub składzie energetycznym

12) Cząstki elementarne.

Cząsteczki elementarne są to cząstki, które uważa się za podstawowe elementy

budowy materii. Przyjmuje się, że każda cząsteczka posiada odpowiadającą jej

antycząsteczkę. Pierwszą okrytą cząstka elementarną jest elektron (1896 Thomson),

(1905) A.Einstein wprowadza pojęcie fotonu jako kwantu pola

elektromagnetycznego. Wraz z protonem były to jedyne znane cząstki elementarne o

1932 gdzie Chadwick odkrył neutron, a Anderson pozytor.Protony i neutrony dostały

wspólną nazwę nukleonów. Pauli założył istnienie nowej cząsteczki neutrina.

Cząstki elementarne można podzielić wg wielu zasad. Jednym podziałem jest podział

na:

a) FOTON – kwant pola elektromagnetycznego, o masie spoczynkowej równej zeru i

spinie równym 1;

b) LEPTONY – cząstki których masa zawiera się w przedziale 0-210 mas

elektronowych i spinie równym ½ . Podlegają one oddziaływaniom słabym.(wiązania

wodorowe , oddziaływania van der Waalsa)

c) HADRONY – są to cząstki podlegające oddziaływaniom silnym. Hadrony dzielimy

na: >>mezony – cząstki o spinie całkowitym >>bariony – cząstki o spinie

połówkowym

Uważa się że hadrony składają się z cząstek bardziej elementarnych – kwarków.

10

13) Anizotropowe właściwości ciekłych kryształów.

Ciekłe kryształy są to ciecze anizotropowe, których właściwościami można sterować.

Charakteryzują się własnościami zbliżonymi do cieczy gdzie brak sztywnej sieci

krystalicznej powoduje brak sprężystości kształtu i umożliwia płynięcie. Mają jednak

zwykle znaczną lepkość. Ciekłe kryształy jednocześnie posiadają strukturalne

własności ciał stałych. Wykazują więc anizotropię własności fizycznych, co oznacza,

że wielkości fizyczne mierzone w różnych kierunkach przyjmują różne wartości.

Liczbowe wartości anizotropii ciekłych kryształów są na ogół mniejsze niż dla ciał

stałych o uporządkowanym ułożeniu molekuł. Pomiędzy krystalicznym ciałem stałym

a izotropową cieczą istnieje więc faza pośrednia, którą nazwano mezofazą (od

greckiego słowa mezos - pośredni), fazą ciekłokrystaliczną lub substancją

mezomorficzną.

Ze względu na strukturę wyróżnia się: kalamityczne (molekuła wydłużona), nematyki

(uporządkowane w I kierunku) zwykłe, hiralne, smektyki ( uporządkowane w II

kierunkach ) zwykłe, hiralne Dyskotyczne: ( molekuła ma kształt koła ) nematyki ( I

kierunek ) kolumnowe ( II ). Sanidyczne: ( molekuła ma kształt deski ) nematyki.

Anizotropowe właściwości kryształów: - optyczne, - podatności magnetycznej, -

współczynnik dyfuzji, - współczynnik przewodnictwa, - stałej dielektrycznej.

Jest to forma pośrednia pomiędzy stanem ciekłym a stałym. Gdy temperatura
jest odpowiednio niska, zaczyna się proces krzepnięcia, skutkiem czego ciecz
przechodzi w ciało stałe na drodze krystalizacji.
Cechą każdej cieczy, jest lepkośd, czyli inaczej tarcie wewnętrzne powodujące
opór przeciwko płynięciu. Wynika ona ze zdolności płynu do przekazywania
pędu pomiędzy warstwami o różnych prędkościach. Lepkośd rośnie, kiedy
temperatura maleje. W przypadku niektórych cieczy, zależnośd ta jest bardzo
gwałtowna, do tego stopnia że uniemożliwia krystalizację.

a) Neutrina – cząstka nienaładowana mająca b. mała masę
b) 1888r- odkryto ciekłe kryształy
c) 10 do -15 = 1 fm = 1 fermi
d) kwant wprowadził planc
e) nuklidy to jądra wieksze niż nukleon
f) izotopy jądra atomowe o jednakowej liczbie protonów lecz różnej neutronów
g) jądra dzielimy na:

- trwałe (stabilne)
- nietrwałe (promieniotwórcze)