Jak zbudowana jest materia ?

J

ą

dro

 

º

Elektron

   

º

Rozmiary
atomu

Oczywiście 
z atomów ...

Ale jakie są współzaleŜności pomiędzy elementami atomu ?

Czy elektrony krąŜą wokół jądra, tak jak planety wokół
Słońca ?  (model planetarny Rutherforda)

A moŜe da się stworzyć - na gruncie praw fizyki -specjalny
model, który wyjaśni wszystkie zaobserwowane zjawiska ?

FIZYKA W KO

Ń

CU WIEKU XIX...

Ś

wiat jest skomplikowanym mechanizmem...

(I.Newton)

Materia składa si

ę

 z atomów, 

ś

wiatło i inne

rodzaje promieniowania to fale
elektromagnetyczne...

Wszystko (?!) da si

ę

 wytłumaczy

ć

...

Jak zweryfikować teorię ?

Sprawdzić, czy wyniki teorii są zgodne z
doświadczeniem...

pV

nT

R

=

Wa

Ŝ

ne wielko

ś

ci stałe 

Pr

ę

dko

ść

 

ś

wiatła:

c = (2,997925±0,000001)

@

10

8

 m

@

s

-1

Masa protonu:

M

p

 = (1,67252±0,00003)

@

10

-24

 g 

Masa elektronu:

m

e

 = (9,10908±0,00013)

@

10

-28

 g 

Ładunek elektronu:

e = (1,60210±0,00002)

@

10

-19

 C 

Wa

Ŝ

ne wielko

ś

ci stałe (2)

Liczba Avogadro:

N = (6,02252±0,00009)

@

10

23

 mol

-1

Stała gazowa:

R = 8,314 J

@

mol

-1

@

K

-1

Fizyka ponad sto lat temu (1899)...

Widmo promieniowania elektromagnetycznego

8

 - długo

ść

 fali [m,cm,nm]

8

 [m]

10

-15

10

-12

10

-9

10

-6

10

-3

1

10

3

<

=c/

8

 cz

ę

sto

ść

 [s

-1

]

<

 [Hz]

10

5

10

8

10

11

10

14

10

17

10

20

10

23

widzialne

nadfiolet

podczerwie

ń

fale

radiowe

“X”

promienie 

(

mikrofale

Co to jest 

ś

wiatło ???

Fala (elektromagnetyczna) 

Ch.  Huyghens (1629-1695)

James Clerk Maxwell

(1831-1879)

Strumie

ń

 cz

ą

stek (korpuskuł)

I. Newton (1642-1727)

Teoria falowa tłumaczy

 

prawie

 wszystkie zjawiska...

1. Widmo promieniowania ciała

doskonale

 czarnego

Całkowita absorpcja
energii

Emisja całkowitej
energii

Uwaga!  To jest tylko rysunek poglądowy i proszę go nie rysować na
egzaminie przy okazji pytania o ciało doskonale czarne.
WaŜne są kolejne 3 strony, a zwłaszcza następna ...

długo

ść

 fali, 

8

1250 K

1500 K

1750 K

2000 K

Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego

E = f(

8

) ??

albo

E = f(

<

) ??

Wzór Wiena:
(empiryczny)

8

max

 = C

0

 C

0

=0,2898/T [cmK]

Chciałbym, Ŝebyście umieli to narysować
i w dodatku wiedzieli o co chodzi ...

( )

E

h

c

kT

( , )

exp

ν

π ν

ν

T

h

=











−

8

1

1

5

4

λ

max

,

⋅ =

⋅

⋅

T

h c

k

0 2014

14 grudnia 1900 Berlin

Max Planck

1858 -1947

Ciało doskonale czarne składa
si

ę

 z oscylatorów o cz

ę

sto

ś

ci 

<

Traci lub pochłania energi

ę

:

E = h

@<

h = 6,26 10

-34

 J

@

s, stała Plancka

T

ę

 najmniejsz

ą

 porcj

ę

 energii

Planck nazwał 

kwantem

Promieniowanie ciała doskonale

czarnego

Wzór Plancka, 

Nagroda Nobla 1919

2.  Zjawisko fotoelektryczne

próŜnia

ś

wiatło padające

(monochromatyczne)

fotokatoda
(metal alkaliczny)

elektrony

elektroda
zbierająca
(anoda)

0

-V

  Zjawisko fotoelektryczne 

Fakt do

ś

wiadczalny:

Nat

ęŜ

enie pr

ą

du zale

Ŝ

y od 

długo

ś

ci fali, a nie od 

nat

ęŜ

enia padaj

ą

cego 

ś

wiatła...

Tego faktu nie da się wytłumaczyć na gruncie
falowej teorii światła ...

Annalen der Physik,
17, 132, 1905

Albert Einstein

1879 - 1955

Zjawisko fotoelektryczne

według Einsteina

Wyrwanie elektronu z metalu wymaga wykonania
pewnej pracy, zwanej pracą wyjścia (W).  Jej
wielkość zaleŜy od rodzaju materiału fotokatody.

Aby pokonać ujemny potencjał anody, elektron musi
posiadać odpowiednią energię kinetyczną.

Energia promieniowania musi być równa 
co najmniej sumie tych dwóch energii

Zjawisko fotoelektryczne (c.d.)

według Einsteina

E

prom

 = E

kin

 + W;   E

kin

 = 

2@m

e

@v

2

E

prom

 = h

<  - wzór Plancka

aby dotrzeć do anody, elektron musi wykonać w polu
potencjału V pracę  równą e

@V, a zatem jeśli:

E

kin

 < e

@V - prąd zanika, gdyŜ energia elektronów nie

wystarcza do pokonania pola potencjału

eV

h

W

0

= ⋅ −

ν

V

h

e

W

e

0

=

⋅ −

( )

ν

Zjawisko fotoelektryczne (3)

jeśli sporządzić wykres  I = f(V), to
I = 0 będzie dla V=V

0

 (zanik prądu)

wykres V

0

 = f(

<) powinien być linią prostą

Nobel 1921

Do

ś

wiadczenie R.Milikana (1916)

h = 6,56 

@

10

-34

 J

@

s ,  Phys.  Rev.  7,355,(1916)

E

h

1

1

= ⋅

ν

E

E

m

h

m

e

e

1

2

1
2

2

2

1
2

2

=

+

⋅

= ⋅ +

⋅

v

v

ν

3. Zjawisko Comptona

elektron

foton

E

1

=h

@<

1

Zjawisko Comptona (2)

elektron

foton

E

1

=h

@<

1

E = h

<, wzór Plancka

E = mc

2

, wzór Einsteina

Zasada zachowania energii:

przed zderzeniem:

po zderzeniu:

E

2

 < E

1

 , zatem 

<

2

 < 

<

1

m

E

c

h

c

h

c

f

=

= ⋅ =

⋅

2

2

ν

λ

Zjawisko Comptona (3)

elektron

foton

skoro E = m

f

@c

2

, to stąd moŜna 

wyznaczyć masę fotonu: