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.kÄ…tem Brewstera Ä…B, to wiÄ…zka odbita jest
całkowicie spolaryzowana w płaszczyz
nie 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.
Ir
R =ð - współczynnik odbicia
I0
IrII 2(ðað -ð bð )ð
tg
RII =ð =ð wektor w pÅ‚aszczyz
nie padania
2
I0II tg (ðað +ð bð)ð
Ir^ð sin2(ðað -ð bð)ð
R^ð =ð =ð
I0^ð sin2(ðað +ð bð)ð
R^ð -ð RII
p =ð =ð 1 - stopieÅ„ polaryzacji
R^ð +ð RII
PRAWO ZAA
AMANIA ÅšWIATA
A:
sinað
n =ð
sin bð
að +ð bð =ð 90o
p
sinað sinað
p p
n =ð =ð =ð tgað - prawo Brewstera współczynnik zaÅ‚amania Å›wiatÅ‚a
p
sin(90 -ðað ) cosað
p p
1
2) Podwójne załamanie światła w kryształach anizotropowych.
Dðn =ð ne -ð no PromieÅ„ Å›wiatÅ‚a padajÄ…cy na
Ciała dwójłomne. Miara dwójłomności:
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
płaszczyz
nie 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 płaszczyz
nie padania. Jego
współczynnik załamania i prędkość nie mają stałej wartości, a zależą od kierunku
rozchodzenia siÄ™ promienia w krysztale. Oba promienie sÄ… 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).
2
3) Metody wyznaczania współczynnika załamania światła.
PRAWO ZAA
AMANIA ÅšWIATA
A:
sinað
n =ð
sin bð
að +ð bð =ð 90o
p
sinað sinað
p p
n =ð =ð =ð tgað - prawo Brewstera współczynnik zaÅ‚amania Å›wiatÅ‚a
p
sin(90 -ðað ) cosað
p p
Za pomocą refraktometru  przyrządu do mierzenia załamania światła.
Za pomocÄ… 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:
B(ðlð,T)ð
=ð B(ðlð,T)ð
A(ðlð,T)ð
Dla ciała doskonale czarnego (np. Słońce)
A(ðlð,T)ð =ð 1 Þð B(ðlð,T)ð =ð B(ðlð,T)ð
Zdolność emisji ciała doskonale czarnego jest proporcjonalna do Temperatury w 4
W
4
potÄ™dze: B(T) =ð sð T gdzie sigma staÅ‚a sð =ð 5,67 ×ð10-ð8 éð 2 4 Å‚ð
Ä™ðm K Å›ð
ëð ûð
3
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. WykorzystujÄ…c to zjawisko zbudowano
komórkę fotoelektryczną. Zjawiska tego nie da się wytłumaczyć falową naturą
światła. Można je wytłumaczyć tylko naturą korpuskularną.
Foton posiada energiÄ™: E =ð huð posiada też pÄ™d p=mv, natomiast nie ma masy
E huð
spoczynkowej E =ð mc2 to masa fotonu: m =ð =ð
c2 c2
huð huð h m
p =ð c =ð =ð gdzie c  prÄ™dkość Å›wiatÅ‚o 300000
c2 c lð s
1
2
huð =ð W +ð mvmax opis efektu
WZÓR EINSTEINA:
2
fotoelektrycznego
huð =ð huð0 +ð eUh gdzie: huð -energia padajÄ…cego promieniowania [E], huð0 - Energia
potrzebna do wybicia elektronu. [W] dla każdego metalu wielkość charakterystyczna
2
mvmax
(praca wyjÅ›cia elektronu). eUh =ð , staÅ‚a Planca h =ð 6,62×ð10-ð34 Js
2
huð <ð huð0 - zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi
huð Å‚ð huð0 - zjawisko zachodzi, czÄ™stotliwość graniczna
huð =ð huð0 - tylko wybicie elektronu
huð >ð huð0 - wiÄ™ksza 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.
mv2 (ð2eZe)ð
WyznaczyÅ‚ promieÅ„ jÄ…dra ze wzoru: =ð . WyznaczyÅ‚ liczbÄ™ Z i stwierdziÅ‚
2 (ð4pðeð r0)ð
0
że równa się ona liczbie porządkowej.
4
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
h
takiej orbicie, na której jego moment pędu elektronu równa się
mvr =ð n =ð nhð,n =ð1,2,3
2pð
wielkokrotnośći stałej planca przed 2 pi.
h
Atom znajdujący się w stanie wyróżnionym przez ten warunek
=ð hð
nie promieniuje  jest to stan stacjonarny (wg Rutherforda
2pð
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: hvnm=En-Em , 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, dz
więku), jak i korpuskularnego (np. elektronów, cząstek
Ä…). Procesem odwrotnym jest absorpcja w znaczeniu fizycznym.
energia zaabsorbowana
Zdolność absorpcji: A(ðlð,T)ð =ð
energia padajÄ…ad
związek pomiędzy absorpcją a emisją prawo Kirchoffa dotyczące promieniowania:
5
B(ðlð,T)ð
=ð B(ðlð,T)ð
A(ðlð,T)ð
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
znalez
ć 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
półprzez
roczystego zwierciadła na drugim końcu. Pomiędzy zwierciadłami fale są
wzmacniane wskutek emisji wymuszonej. Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez
półprzez
roczyste 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
drgajÄ…cego bez wzmocnienia.
6
10) Rodzaje promieniowania jonizujÄ…cego.
Promieniowanie jonizujÄ…ce: posiadajÄ…ce energiÄ™ wystarczajÄ…cÄ… do jonizowania materii.
Jonizacja: wybicie elektronu z atomu (czÄ…steczki). Energia potrzebna do wybicia
elektronu jest energiÄ… jonizacji.
Rodzaje promieniowania jonizujÄ…cego: 1) korpuskularne (Ä…, ², neutronowe etc.)
2)elektromagnetyczne (Å‚, X)
Powstawanie promieniowania jonizujÄ…cego:
1)spontaniczny rozpad jÄ…der atomowych
2)rozczepienie jÄ…der atomowych
3)gwałtowna utrata energii rozpędzonych cząstek
(Prom. alfa  rozpad polega na samorzutnej emisji jÄ…der helu)
- duża prędkość 107 m/s
- duża energia (kilka MeV)
-Naładowane dodatnio, dzięki temu oddziałują z materią
- Przez oddziaływanie z materia są małoprzenikliwe(w powietrzu kilka cm)
-ulegajÄ… odchyleniu w polu elektrycznym i magnetycznym
7
- mają duże prędkości (0,3*108m/s)
-majÄ… mniejsza masÄ™ przez to majÄ… 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 czÄ…stki alfa i beta sÄ… wypromieniowane to gamma sÄ… wzbudzone
- mają nadwyżkę energi która zostaje wypromieniowana (elektromagnetyczne)
- nie posiada Å‚adunku
- nie jest odchylane przez pole elekt. i magn.
- słabiej od alfa i beta oddziałuje z materia => ma Duzy zasieg.
8
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:
dN =ð -ðlðNdt
dN
=ð -ðlðdt
N
Całkując to równanie otrzymamy:
No- poczÄ…tkowa liczba jÄ…der w
N =ð N0 ×ð e-ðlðt
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) CzÄ…stki elementarne.
Cząsteczki elementarne są to cząstki, które uważa się za podstawowe elementy
budowy materii. Przyjmuje się, że każda cząsteczka posiada odpowiadającą jej
antyczÄ…steczkÄ™. PierwszÄ… okrytÄ… czÄ…stka elementarnÄ… 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 . PodlegajÄ… one oddziaÅ‚ywaniom sÅ‚abym.(wiÄ…zania
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.
9
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
mezomorficznÄ….
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) jÄ…dra dzielimy na:
- trwałe (stabilne)
- nietrwałe (promieniotwórcze)
10