1.Czym różni się odkształcenie sprężyste od plastycznego?

Odkształcenie sprężyste jest wtedy gdy ciało po zadziałaniu na nie siłą odkształca się nietrwale, gdy siła przestaje działać ciało wraca do stanu równowagi(stanu równowagi sił międzycząsteczkowych).

Odkształcenie plastyczne jest to takie które po pod wpływem sił trwale się odkształca.

2. Ciśnienie i naprężęnie.

Ciśnienie (siła zewnętrzna).

-Jeżeli siła działa równomiernie na powierzchnię: p=F/s

-Jeżeli rozkład sił na powierzchnię jest nierównomierny: p= lim ∆F/∆s ∆s→0

Jednostki ciśnienia(naprężenia)

-pascal 1Pa=1 N/m²

-bar 1b= 10⁵Pa

Naprężenie- miara gęstości powierzchniowej sił wewnętrznych występujących w ośrodku ciągłym. Jest podstawową wielkością mechaniki ośrodków ciągłych.

3. Rodzaje odkształceń sprężystych.

Najczęściej spotykanymi odkształceniami są: rozciąganie( L - ∆L), ściskanie(L+ ∆L), skręcanie

Względna zmiana:

- długości fragmentów gdy jest ściskany lub rozciągany: Є= ∆L/L

- objętości θ= ∆V/V

Moduły sprężystości:

-rozciąganie, ściskanie(odkształcenie liniowe)

б= E* (∆L/L) →prawo Hooke’a

б-naprężenie rozciągające(ściskające)

E- moduł sprężystośći przy wydłużeniu (ściskaniu) →moduł Younga

- rozszerzanie, skurczanie(objętościowe)

p= -K(∆V/V)

p-naprężenie objętościowe

K- moduł sprężystości objętościowej(moduł ściśliwości)

- ściskanie, skręcanie(odkształcenia kątowe)

τ= G*tgγ

τ – naprężenie ściskające

G- moduł sprężystości postaciowej

4. Prawo Hooke’a (1675)

Stosunek naprężenia do związanego z nim odkształceniem jest wielkością stałą i charakterystyczną dla danego materiału.

Stosunek ten nazywamy Modułem Sprężystości.

E= б / (∆L/L)

- zakres stosowalności

OA - zakres proporcjonalności, zakres odkształceń sprężystych

Granica proporcjonalności- maksymalne naprężenie przy którym stosuje się jeszcze prawo Hooke’a

OB- zakres sprężystości, ciało po ustąpieniu siły powraca do pierwotnych parametrów

AB- nadal właściwości sprężyste, ale nie proporcjonalność

Granica sprężystości- maksymalne naprężenie, przy którym ciało zachowuje się jak ciało sprężyste. Gdy przekoczy tą granice, nie może wrócić do poprzedniego kształtu

BC- obszar plastyczności- odkształcenie postępuje mimo braku wzrostu naprężenia tzw. Płynięcie materiału

C- „pęknięcie próbki”, w materiale powstaje trwałe przerwanie, przy wartości naprężęnie niszczące.

1. Gęstość - stosunek masy ciała lub jego elementu do objętości tego ciała lub jego elementu

jednostka: 1kg/m³ , 1 g/cm³

Ciśnienie jest stosunkiem siły przypadającej na powierzchnię jednostkową:

2. Ciśnienie hydrostatyczne- ciśnienie, jakie wywiera na otaczające ciała ciecz niebędąca w ruchu.

Rozprzestrzenianie się ciśnienia hydrostatycznego w płynie opisuje prawo Pascala oraz wpływ sił masowych w tym grawitacji.

Grawitacja w przypadku obu rodzajów ciśnień – hydrostatycznego i aerostatycznego – wywołuje zmianę ciśnienia w zależności od głębokości – im niżej tym większe ciśnienie. Wynika to z faktu, że mechanizmem to ciśnienie wywołującym jest nacisk (ciężar) ze strony słupa płynu położonego nad punktem pomiaru – im wyższy słup, typ większy nacisk. Np. na Ziemi ciśnienie w wodzie (ciśnienie hydrostatyczne) zwiększa się co 10 m o jedną atmosferę techniczną. Ciśnienie powietrza na poziomie morza jest równe atmosferze fizycznej, jest ona w przybliżeniu równa atmosferze technicznej, z tego faktu płynie wniosek, że ciężar słupa powietrza nad nami jest w przybliżeniu równy ciężarowi słupa wody o wysokości 10 m (10 ton wody na każdy metr kwadratowy).

Wzór na ciśnienie całkowite:

P=Po+Phydr= Po+qgh

gdzie:

– zewnętrzne ciśnienie wywierane na ciecz na poziomie uznanym za zerowy (h=0), dla zbiorników otwartych ciśnienie atmosferyczne na powierzchni cieczy(w warunkach normalnych 1013 hPa)

– ciśnienie hydrostatyczne – w układzie SI w paskalach (Pa)

– gęstość cieczy – w układzie SI w kg/m³

– przyspieszenie ziemskie (grawitacyjne) – w układzie SI w m/s²

– głębokość zanurzenia w cieczy (od poziomu zerowego) – w układzie SI w metrach (m)

3. Prawo Pascala

Gdy nie występują siły masowe (f=0) równanie upraszcza się do:

.

Oznacza to że, gdy w płynie nie występują siły masowe, to ciśnienie w płynie jest jednakowe we wszystkich punktach płynu. Prawidłowość tę po raz pierwszy sformułował Pascal, stąd jego nazwa prawo Pascala i tradycyjnie jest uważane za najważniejsze prawo hydrostatyki.

4. Zasada działania prasy hydraulicznej.

Prasa hydrauliczna – urządzenie techniczne zwielokrotniające siłę nacisku dzięki wykorzystaniu zjawiska stałości ciśnienia w zamkniętym układzie hydraulicznym (prawo Pascala).

Tłok pompy o powierzchni S₁, na który działa siła F₁, wywołuje w układzie ciśnienie p:

Zgodnie z prawem Pascala ciśnienie to rozchodzi się we wszystkich kierunkach i działa ono także na tłok roboczy o powierzchni S₂ wywołując siłę F₂

Z powyższego wzoru wynika, że siła działająca na tłok roboczy jest tyle razy większa od siły działającej na tłok pompy ile razy powierzchnia tłoka roboczego jest większa od powierzchni tłoka pompy.

W prasie hydraulicznej jest spełniona zasada zachowania energii. Praca wykonana przez tłok pompy (ten o mniejszej powierzchni) jest równa sile F1 pomnożonej przez przesunięcie, które z kolei jest tyle razy większe od przesunięcia tłoka roboczego, ile razy przekrój tłoka roboczego jest większy od przekroju tłoka pompy. Energia (lub praca) wykonana przez tłok roboczy jest więc taka sama jak energia tłoka pompy.

5. Siła wyporu-siła działająca na ciało zanurzone w płynie czyli w cieczy lub gazie w obecności ciążenia. Jest skierowana pionowo do góry - przeciwnie do ciężaru. Wartość siły wyporu jest równa ciężarowi płynu wypartego przez to ciało

gdzie:

ρ – gęstość płynu

g – przyspieszenie grawitacyjne, zazwyczaj rozważa się przyspieszenie ziemskie (9.81 m/s²)

V – objętość wypieranego płynu, czyli części ciała zanurzonego w płynie.

Prawo Archimedesa- Na ciało zanurzone w płynie (cieczy lub gazie) działa pionowa, skierowana ku górze siła wyporu. Wartość siły jest równa ciężarowi wypartego płynu. Siła jest przyłożona w środku ciężkości wypartego płynu. Fw=Mw *g

6. Pływalność ciała - Zasada pływalności mówi, że gdy ciało pływa, ciężar wypartego płynu (wypór) jest równy ciężarowi ciała (pływanie oznacza tutaj pozostawianie w bezruchu w każdym miejscu płynu). Można pokazać, że to, czy ciało tonie, wznosi się, czy pływa w płynie, zależy wyłącznie od gęstości.

W.3 przepływ laminarny i turbulentny

Przeplyw ustalony (laminarny,warstwowy)

-wszystkie czastki plynu poruszaja sie po torach rownoleglych do siebie

Przeplyw burzliwy(turbulenty)

-czastki plynu nie poruszaja sie rownolegle do osi przewodu ale w sposob nieuporzadkowany

-nieregularne linie pradu,wiry

Kryterium przejscia przeplywu laminarnego w burzliwy-liczba Reyndolsa

Re=pDV/n

p-gestosc plynu

n-dynamiczny wspolczynnik lepkosci

V-predkosc przeplywu

D-srednica przeplywu

Dla gladkiego prostego przewodu o przekroju kolowym

a)przeplyw laminarny Re<2300

b)przeplyw nieustalony 2300<Re<3000

c)przeplyw burzliwy Re>3000

Predkosc krytyczna przeplywu plynu(gdy Re<n>=2300)

Vk=Re<k> n/pD

Sila lepkosci: Fl=Sn dv/dx

S-powierzchnia styku warstw

Dv/dx-spadek predkosci w miare oddalenia sie od srodka rury

n-dynamiczny wspolczynnik lepkosci

Jednostka (Si):[1 kg m<do>-1 s<do>-1]

Prawo Toricellego

Predkosc wplywu cieczy doskonalej i niewielkiego otworu na glebokosci h pod powierzchnia cieczy jest taka jak predkosc ciala w spadku swobodnyhm z tej wysokosci

Mgh=1/2mV<do>2

Prawo Berlnoullinego

P+pgh+1/2pV<do>2=const.

cd. prawo Bernoulliego

z zasady zachowania energii

W=<zmiana>Ek

Zmiana energii kinetycznej jest wynikiem zmiany predkosci plynu miedzy koncami rury:

<delta>Ek= ½ mV<dwa><do>2 – ½ <delta>m<1><do>2= ½ p<delta>V(V<2><do>2-V<1><do>2)

Calkowita praca wykonana nad ukladem/przez uklad ma dwa zrodla:

1. Praca sily ciezkosci Wg=-<delta>mg(h<2>-h<1>)

2. Praca wykonana nad ukladem na wejsciu(wtloczenie objetosci <delta>V do rur) i praca wykonana przez uklad na wyjsciu(gdy plyn jest wypychany z rury)

Wp =p<1> <delta>V-p<2> <delta>V

W=Wg+Wp=<delta>Ek

-<delta>mg(h<2>-h<1>)* <delta>V(p<2>-p<1>)= ½ p <delta>V(V<2><do>2-V<1><do>2)

Stad opisana postac prawa Bernoilliego: p+pgh+½pV<do2>=const

Czynniki decydujace o oporze osrodka:

-gestosc osrodka

-wspolczynnik lepkosci

-predkosc ruchu

-ksztalt ciala

Ksztalt oplywowy- maksymalny przekroj przesuniety, zakonczenie minimalizuje powstanie wirow

Dynamiczna sila nosna- wywolana jest ruchem cial (skrzydlo samolotu, smiglo helikoptera)

-ze wzgledu na ustawienie skrzydla(kat natarcia) V<1> > V<2>

-z prawa Bernoulliego -> p<1> < p<2>

-powstaje wypadkowa sila x skierowana ku gorze

Przeplyw ustalony lub nieustalony- ruch plynu jes ustalony (laminarny), gdy predkosc plynu V w dowolnie wybranym pkt jest stala w czasie, tzn kazda z czasteczek przechodzaca przez dany pkt zachowuje sie tak samo, czyli linie pradu sa rownolegle do predkosci plynu

Preplyw wirowy lub bezwirowy- przeplyw jest bezwirowy, gdy w zadnym pkt czasteczka nie ma wypadkowej predkosci katowej

Przeplyw scisliwy lub niescisliwy- przeplyw jest scisliwy gdy gestosc plynu jest stala

Przeplyw lepki lub nielepki- przeplyw jest lepki gdy cialo wyczuwa opor cieczy przeciw plynieciu pod dzialaniem sil zewnetrznych.Lepkosc w ruchu plynow jest odpowiednikiem tarcia w ruchu cial stalych i jest istotna cecha wielu produktow np. smarow

1.Termodynamika klasyczna:

parametry stanu gazu doskonałego.

-Ciśnienie p[Pa] siła jaką cząsteczki gazu w danej temperaturze wywierają na powierzchni ścianki naczynia.

-Temperatura T [K] jest miarą energii kinetycznej ruchu cząsteczek gazu.

-Objętość V[m³] objętość naczynia w którym się ten gaz znajduje.

-Ilość cząstek gazu n [mol] 1 mol to odpowiednik N_A= 6,02 * 10 ²³ cząstek.

n=N/ N_A = Mpr/ M

N – ilość cząsteczek gazu w próbce

Mpr- masa gazu w próbce

M – masa molowa cząstek gazu.

Prawo Avogadra (znane też jako hipoteza Avogadra) to prawo fizyki sformułowane przez Amadeo Avogadro, które brzmi:

"W tych samych warunkach fizycznych tj. w takiej samej temperaturze i pod takim samym ciśnieniem, w równych objętościach różnych gazów znajduje się taka sama liczba cząsteczek".

Równanie Clapeyrona, równanie stanu gazu doskonałego to równanie stanu opisujące związek pomiędzy temperaturą, ciśnieniem i objętością gazu doskonałego, a w sposób przybliżony opisujący gazy rzeczywiste

gdzie:

p - ciśnienie

V - objętość

n - liczba moli gazu (będąca miarą liczby cząsteczek (ilości) rozważanego gazu),

T - temperatura (bezwzględna), T [K] = t [°C] + 273,15

R - uniwersalna stała gazowa: R=N_Ak, gdzie: N_A - stała Avogadra (liczba Avogadra), k - stała Boltzmanna, R=8,314 J/(mol*K).

Energia wewnętrzna (ukryta) – U – energia kinetyczna indywidualnego ruchu cząstek (ale nie zawarta w energii kinetycznej czy potencjalnej ciała jako całości).

U= ½ i nRT

n-liczba moli gazu

T- temperatura absolutna

i-liczba niezależnych składowych prędkości potrzebnych do opisania ruchu cząsteczek gazu = liczba stopni swobody

R-stała gazowa

-Gaz jednoatomowy (np. He, Ar)

i=3 (3 translacje)

U=3/2 nRT

-Gaz dwuatomowy (np. N₂, O₂)

I=5 (3 translacje + 2 rotacje)

U= 5/2 nRT

Wnioski:

- energia wewnętrzna stałej masy gazu zależy jedynie od budowy cząsteczki gazu (i) i jego temperatury.

- zmiana energii wewnętrznej gazu związana jest zawsze ze zmianą temperatury:

ΔU= ½ inRΔT

zerowa zasada termodynamiki- Jeśli układy A i B mogące ze sobą wymieniać ciepło są ze sobą w równowadze termicznej, i to samo jest prawdą dla układów B i C, to układy A i C również są ze sobą w równowadze termicznej.

Zgodnie z zasadą zachowania energii :

Ciepło pobrane przez układ = wzrostowi energii wewnętrznej układu + pracy wykonanej przez układ, albo ciepło oddane przez układ = spadkowi energii wewnętrznej układu + pracy wykonanej nad układem.

ΔQ= ΔU + ΔW

Gdzie:

ΔU zmiana energii wewnętrznej ΔU= ½ inRΔT

ΔQ ciepło dostarczone do układu (+) lub oddane przez układ (-)

ΔW praca wytworzona przez układ (+) lub nad układem (-)

Pierwsza zasada termodynamiki – doprowadzenie / odprowadzenie do/z układu energii w postaci ciepła wiąże się zawsze ze zmianą jego energii mikroskopowej U i makroskopowej W.

Izoprzemiany

przemiana izochoryczna V= const

Prawo Malesa P/T= Nr/V

Diagram p-V

Praca to pole pod krzywą na wykresie p-V.

Pierwsza zasada termodynamiki

ΔQ_AB = ΔU_AB +ΔW_AB

ΔW = 0 => ΔQ_v = ΔU_AB

Czyli ΔQ_r= ½ iRnΔT_AB

½ iR = Cv ciepło molowe gazu przy stałej objętości

przemiana izobaryczna p= const

Prawo Gay- Lussaca V/T = Nr/T

Diagram p-V

Pierwsza zasada terdynamiki

ΔQ_BC = ΔU_BC +ΔW_BC

ΔW_BC= P_B(Vc-V_B)= nR(Tc-T_B)

Czyli ΔQp= ΔU_BC + ΔW_BC = ½ inR ΔT_BC + nR ΔT_BC = ( ½ i + 1 )Rn ΔT_BC

( ½ i + 1 )R – Cp ciepło molowe gazu przy stałym ciśnieniu.

przemiana izotermiczna T= const

prawo Boyle’a – Mariotte’a

pV=nRT

ΔQ_CA = ΔU_CA +ΔW_CA

funkcja stanu

-praca i ciepło przy przejściu układu ze stanu A do stanu C zależą od sposobu realizacji przemiany

- zamiana energii wewnętrznej układu zależy wyłącznie od stanu początkowego i końcowego, a nie od rodzaju procesów między tymi stanami.

1. energia wewnętrzna U[J]

ΔU= nCvΔT= ΔQv

Gdzie ΔU – zamiana energii wewnętrznej

ΔQv – ciepło oddane i pobrane przez układ w przemianie izochorycznej.

2. Entalpia H= U+ pV [J]

ΔH= ΔU+p ΔV= ΔQp

Gdzie p ΔV praca makroskopowa w przemianie izotermicznej.

ΔQp ciepło oddane i pobrane przez układ w przemianie izotermicznej

3.Entropia S [ JK^-1]

ΔS= ΔQ/T

Gdzie S entropia – miara nieuporządkowanego układu

ΔS – wzrost entropii układu przy doprowadzeniu ciepła w temp T w procesie odwracalnym.

Energia swobodna F=U-TS[J]

ΔF= ΔU-TΔS

Gdzie ΔS wzrost entropii układu przy doprowadzeniu ciepła ΔQ w temp T w procesie odwracalnym

ΔU zmiana energii wewnętrznej w tym procesie.

cykl Carnota jest jest przykładem cyklu w którym zmiana energii cieplnej na mechaniczną (silnik parowy)

4 przemiany odwracalne : (1) izotermiczne rozprężające, (2) adiabatyczne rozprężające, (3) izotermiczne sprężanie, (4) adiabatyczne sprężanie.

Sprawność silnika:

Entropia termodynamiczna funkcja stanu, określająca kierunek przebiegu procesów spontanicznych (samorzutnych) w odosobnionym układzie termodynamicznym. Jest wielkością ekstensywną. Druga zasada termodynamiki stwierdza, że jeżeli układ termodynamiczny przechodzi od jednego stanu równowagi do drugiego bez udziału czynników zewnętrznych (a więc spontanicznie), to jego entropia zawsze rośnie

II zasada termodynamiki stwierdza, że w układzie termodynamicznie izolowanym, istnieje funkcja stanu, zwana entropią S, której zmiana ΔS w procesie adiabatycznym spełnia nierówność , przy czym równość zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy proces jest odwracalny.

W uproszczeniu można to wyrazić też tak:

"W układzie termodynamicznie izolowanym w dowolnym procesie entropia nigdy nie maleje"

W5 zjawisko transportu

- stany równowagi, przejścia fazowe na diagramie fazowym wody

1. Obszary ciśnienia i temperatury odpowiadające trwałości jednej fazy albo ciała stałego albo cieczy albo gazu . W obszarach tych mamy dwa stopnie swobody gdyż możemy w obrębie obszaru dowolnie zmieniać ciśnienie i temperaturę i dalej będziemy mieć do czynienia z tylko jedną fazą.

2. Linie rozgraniczające obszary odpowiadające stanowi równowagi dwóch faz. Stan ten posiada tylko jeden stopień swobody, gdyż możemy zmieniać dowolnie tylko jeden parametr (ciśnienie lub temperaturę) aby zachować współistnienie dwóch faz. Jeśli zmieniamy temperaturę to drugi parametr ciśnienie (prężność pary) nie jest parametrem „swobodnym” lecz jest funkcją temperatury. Linie na diagramie fazowym noszą odpowiednio nazwę krzywej sublimacji, krzywej topnienia i krzywej parowania, a przejście przez linię z jednego obszaru do drugiego pod wpływem zmiany ciśnienia w stałej temperaturze lub zmiany temperatury pod stałym ciśnieniem nazywamy przemianą fazową (sublimacja-krystalizacja z fazy gazowej, topnienie-krzepnięcie, parowanie-skraplanie).

3. Punkt potrójny w diagramie odpowiada współistnieniu trzech faz: ciała stałego, cieczy i gazu. W punkcie tym mamy zero stopni swobody gdyż nie możemy zmieniać parametrów wyznaczających równowagę trzech faz. Dla wody punkt ten jest określony ciśnieniem 0,006 bara i temperaturą 0,0980C.

-dyfuzja - przyczyna, strumień, prawo Ficka

Dyfuzja - proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą i/lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka. Efektem dyfuzji w gazach i cieczach jest wyrównywanie się stężeń wszystkich składników w całej objętości fazy.

Pierwsze prawo dyfuzji Ficka:

Ilość substancji dyfundującej w czasie t przez określoną powierzchnię prostopadłą do kierunku dyfuzji, jest proporcjonalne do pola powierzchni S, gradientu stężeń i czasu.

Drugie prawo Ficka:

Szybkość dyfuzji gazów przez błonę przepuszczalną przy określonym ciśnieniu jest proporcjonalna do rozpuszczalności gazu w cieczy i odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z ciężaru cząsteczkowego danego gazu.

-przewodnictwo cieplne - przyczyna, strumień, prawo Fouriera

Przewodzenie ciepła polega na bezpośrednim przekazywaniu energii kinetycznej jednej cząstki innej cząstce, a więc jest możliwe tylko wówczas gdy występuje bezpośredni kontakt między molekułami (cząsteczkami). Cząstki znajdujące się w cieplejszych miejscach ciała są obdarzone większą energią niż pozostałe i część swej energii oddają bezpośrednio cząstkom sąsiednim, należącym do chłodniejszej części ciała. Proces ten trwa dopóty, dopóki nie nastąpi możliwie równomierny rozkład prędkości w całym ciele.

Prawo Fouriera

j = -b gradA

gdzie

j jest wektorem gęstości strumienia odpowiedniej wielkości (energii wewnętrznej, ładunku, masy, pędu),

b jest współczynnikiem proporcjonalności (przewodności cieplnej, elektrycznej, dyfuzji, lepkości),

A jest zależną od współrzędnych przestrzennych, wielkością skalarną, której gradient powoduje dane zjawisko (temperaturą, potencjałem, gęstością, prędkością).

-prąd elektryczny - przyczyna, strumień, prawo Ohma

Prąd elektryczny – każdy uporządkowany (skierowany) ruch ładunków elektrycznych. Ruch ten zazwyczaj jest powodowany obecnością pola elektrycznego (różnicy potencjałów).

Prawo Ohma mówi, że natężenie prądu stałego I jest proporcjonalne do całkowitej siły elektromotorycznej w obwodzie zamkniętym lub do różnicy potencjałów (napięcia elektrycznego) między końcami części obwodu nie zawierającej źródeł siły elektromotorycznej.

I -natężenie

R -opór elektryczny

U -napięcie elektryczne

J –gęstość prądu

σ -przewodność

E -natężenie pola elektrycznego

j -wektor gęstości strumienia ładunków,

V – potencjał elektrycznym

s- przewodność elektryczna właściwa

-konwekcja – przyczyny zjawiska, od czego zależy szybkość przepływu energii, bryza nocna i dzienna

Konwekcja - proces przenoszenia ciepła wynikający z makroskopowego ruchu materii w objętości dowolnej substancji, np. powietrza, wody, piasku itp. Czasami przez konwekcję rozumie się również sam ruch materii związany z różnicami temperatur, który prowadzi do przenoszenia ciepła. Ruch ten precyzyjniej nazywa się prądem konwekcyjnym.

Bryza - wiatr wiejący na wybrzeżu morskim. Zmiany kierunku wiatru, występujące w rytmie dobowym, wywołane są różnicami w nagrzewaniu się lądu i morza. W dzień ląd nagrzewa się szybciej niż woda, dlatego cieplejsze powietrze nad lądem unosi się, a na jego miejsce pojawia się chłodniejsze i wilgotniejsze powietrze znad morza. Zatem bryza dzienna (bryza morska) wieje znad morza na ląd. Natomiast w nocy woda oddaje szybciej ciepło niż ląd. Zjawisko powtarza się, ale wiatr wieje w przeciwnym kierunku. Bryza nocna (bryza lądowa) przynosi na wodę suche powietrze znad lądu.

-promieniowanie – rozkład promieniowania emitowanego przez ciało w temperaturze niższej i wyższej, inne czynniki warunkujące emisje promieniowania

Promieniowanie cieplne (termiczne) to promieniowanie, które emituje ciało mające temperaturę większą od zera bezwzględnego. Promieniowanie to jest falą elektromagnetyczną o określonym widmie częstotliwości. Przykładem promieniowania cieplnego jest podczerwień emitowana przez wszystkie ciała w naszym otoczeniu (mające temperaturę zbliżoną do temperatury pokojowej).

W6- optyka falowa

Fale elektromagnetyczne - rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Zaburzenie to ma charakter fali poprzecznej, w której składowa elektryczna i magnetyczna są prostopadłe do siebie a obie są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się promieniowania. Oba pola indukują się wzajemnie - zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmienne pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne. Źródłem pola EM jest poruszający się ładunek elektryczny. Gdy ładunek jest przyspieszany, jest emitowane promieniowanie elektromagnetyczne. Najczęściej źródłem tego promieniowania jest ładunek wykonujący drgania.

Własności:

Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodząc się objawia swe własności falowe zachowując się jak każda fala, ulega interferencji, dyfrakcji, spełnia prawo odbicia i załamania.

Rozchodzenie się fali w ośrodkach silnie zależy od ośrodków oraz częstotliwości fali. Fala rozchodząc się w ośrodku pobudza do drgań cząsteczki, atomy i elektrony zawarte w ośrodku, które są źródłami fal wtórnych, zmieniając tym samym warunki rozchodzenia się fali w stosunku do próżni.

Powstawanie i pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego wiąże się ze zmianą ruchu ładunku elektrycznego.

Własności promieniowania elektromagnetycznego silnie zależą od długości fali (częstotliwości promieniowania) i dlatego dokonano podziału promieniowania elektromagnetycznego ze względu na jego częstotliwość.

Widmo fal elektromagnetycznych:

Widmo fal elektromagnetycznych A - fale radiowe bardzo długie, B - fale radiowe, C - mikrofale, D - podczerwień, E - światło widzialne, F - ultrafiolet, G - promieniowanie rentgenowskie, H - promieniowanie gamma, I - widmo światła widzialnego.Fale elektromagnetyczne zależnie od długości fali (częstotliwości) przejawiają się jako (od fal najdłuższych do najkrótszych):

Pasmo	Długość [m]
Fale radiowe	>10^-4
Mikrofale	3·10^-1 - 3·10^-3
Podczerwień	10^-3 - 7,8·10^-7
Światło widzialne	7,8·10^-7 - 4·10^-7
Ultrafiolet	4·10^-7 - 10^-8
Promieniowanie rentgenowskie	10^-8 - 10^-11
Promieniowanie gamma	<10^-11

Granice poszczególnych zakresów promieniowania elektromagnetycznego są umowne i nieostre. Dlatego promieniowanie o tej samej długości może być nazywane falą radiową lub mikrofalą - w zależności od zastosowania. Graniczne promieniowanie gamma i promieniowanie rentgenowskie rozróżnia się z kolei ze względu na źródło tego promieniowania. Najdokładniej określone są granice dla światła widzialnego. Są one zdeterminowane fizjologią ludzkiego oka.

Zasada Huygensa (czytaj: hojchensa) sformułowana przez Christiaana Huygensa mówiąca, iż każdy punkt ośrodka, do którego dotarło czoło fali można uważać za źródło nowej fali kulistej. Fale te zwane są falami cząstkowymi i interferują ze sobą. Wypadkową powierzchnię falową tworzy powierzchnia styczna do wszystkich powierzchni fal cząstkowych i ją właśnie obserwujemy w ośrodku.

Zasada Huygensa nie określa amplitudy fali. W ogólnym przypadku amplituda ta będzie zależała od geometrii układu i kierunku, w którym fala się porusza. Na przykład, jeżeli na drodze fali znajdzie się przeszkoda z pojedynczym otworem, wówczas, jak zauważył Gustav Kirchhoff, amplituda fali będzie największa w tym kierunku, w którym fala pierwotnie się rozchodziła. Kirchhoff podał przybliżony wzór opisujący zmianę amplitudy A w funkcji kąta θ

Zjawisko uginania się fali na przeszkodach, wynikające wprost z zasady Huygensa, nazywa się dyfrakcją.

Doswiadczenie Younga-- eksperyment polegający na przepuszczeniu spójnego światła poprzez dwa pobliskie otwory w przesłonie i rzutowaniu na ekran. Na ekranie wskutek interferencji tworzą się charakterystyczne prążki, tzn. obszary w których światło jest wygaszone i wzmocnione.

warunek powstania maksimum

warunek powstania minimum

Bardziej widowiskowy i łatwiejszy sposób wykonania tego doświadczenia, polega na użyciu siatki dyfrakcyjnej, czyli płytki ze szkła, na której gęsto zarysowane są rysy pełniące rolę przesłon pomiędzy szczelinami. Obraz interferencyjny widoczny w tym przypadku na ekranie jest znacznie wyraźniejszy i jaśniejszy niż przy użyciu jedynie dwóch szczelin.

Thomasa Younga zainspirowały obserwacje fal na wodzie pochodzących z dwóch różnych źródeł - ich wzajemne wzmacnianie się i osłabianie. Chcąc wykonać podobny eksperyment z użyciem światła, użył nieprzezroczystego materiału, w którym wyciął dwie bardzo małe dziurki. Do uzyskania spójnego światła Young przepuścił światło świecy najpierw przez pojedynczy mały otwór. Światło to, zgodnie z Zasadą Huygensa rozchodziło się w postaci fali kulistej a następnie docierało do dwóch szczelin na kolejnej przesłonie. Różnica faz promieni dochodzących do obu szczelin była cały czas jednakowa dla danej częstotliwości, a zatem były to fale spójne. Po przejściu przez obie szczeliny, promienie rozprzestrzeniały się (znów zgodnie z zasadą Huygensa) i oświetlały ekran tworząc na nim kolorowe prążki interferencyjne.

Schemat doświadczenia

Siatka dyfrakcyjna to przyrząd optyczny używany w spektroskopii do pomiarów długości fali światła lub otrzymywania widm optycznych, działający na zasadzie dyfrakcji i interferencji światła. Najprostszą siatką dyfrakcyjną jest przezroczysta z gęsto ponacinanymi równoległymi i równoodległymi rysami. Przechodząc przez siatkę dyfrakcyjną światło ugina się na szczelinach między rysami. Ugięte wiązki interferują ze sobą na ekranie; w tych miejscach, gdzie ugięte fale świetlne spotykają się w zgodnych fazach, następuje ich wzmocnienie i powstają prążki interferencyjne. Z warunku zgodności faz wynika, że prążki odpowiadające różnym długościom fali będą powstawać w różnych miejscach. Mierząc kąt ugięcia i określając rząd prążka można, znając stałą siatki określić długość fali. Wyraźny obraz dyfrakcyjny otrzymuje się tylko wówczas, gdy stała siatki dyfrakcyjnej jest porównywalna z długością fali. Dlatego właśnie rysy na siatce dyfrakcyjnej powinny być możliwie najgęstsze.

Podstawowymi własnościami siatki dyfrakcyjnej są :

* dyspersja kątowa

* zdolność rozszczepiająca

Zdolność rozdzielcza - w optyce przydatność określonego przyrządu optycznego do obserwacji obiektów o określonej odległości kątowej. Im większa jest zdolność rozdzielcza, tym bliższe sobie punkty są obserwowane jako odrębne, a nie jako pojedyncza plama.

Dla siatki dyfrakcyjnej otrzymujemy wzór:

gdzie:

λ - długość fali

m - rząd dyfrakcji (numer prążka/plamki)

N - liczba szczelin siatki dyfrakcyjnej

d - stała siatki dyfrakcyjnej

s - szerokość czynna siatki

Dyspersja kątowa wyraża zależność kata wiązki dyfrakcyjnej w funkcji długosci fali. Dyspersja kątowa siatki dyfrakcyjnej jest odwrotnie proporcjonalna do stałej siatki d:

 

 

gdzie:

d - stała siatki dyfrakcyjnej,

β - kąt wiązki dyfrakcyjnej,

m - rząd wiązki dyfrakcyjnej,

λ - długość fali optycznej.

Pierścienie Newtona – zjawisko optyczne polegające na powstawaniu prążków interferencyjnych w kształcie pierścieni, w świetle przechodzącym jak i odbitym, przechodzącym poprzez cienkie warstwy w pobliżu styku powierzchni wypukłej i płaskiej rozdzielonych substancją o innym, niż stykające się, współczynniku załamania. Dla światła białego powstają wielobarwne prążki dla monochromatycznego jasne i ciemne prążki.

Wykład 7

Model atomu wg Bohra

Model atomu, według tego modelu elektron krąży wokół jądra jako naładowany punkt materialny, przyciągany do jądra siłami elektrostatycznymi. Przez analogię do ruchu planet wokół Słońca model ten nazwano "modelem planetarnym atomu"

Postulaty Bohra

I postulat Bohra (stacjonarnych stanów atomu) zakłada, że istnieje tzw. stacjonarne

stany atomu, w których elektron, wbrew regułom fizyki klasycznej, nie emituje promieniowania. W stanie stacjonarnym elektrony poruszają się w atomie po pewnych orbitach i nie wysyłają fal elektromagnetycznych.

II postulat Bohra (stacjonarnych orbit kwantowych) podaje sposób obliczania orbit elektronowych, odpowiadających stanom stacjonarnym. Zgodnie z tym postulatem elektron nie może poruszać się w atomie po dowolnych orbitach, lecz tylko po takich, dla których moment pędu elektronu L jest całkowitą wielokrotnością wielkości h („kreślonej” stałej Plancka):

w którym:

m – masa elektronu,

v – prędkość elektronu na orbicie,

r – promień orbity,

n – numer orbity, przy czym n = 1, 2, 3 ...

h – stała Plancka równa 6,625 * 10-34 J*

III postulat Bohra (częstotliwości) dotyczy energii emitowanej przez atom, który przechodząc

ze stanu wzbudzonego o energii En do stanu o mniejszej energii Em wypromieniowuje foton.

Energia fotonu E jest przy tym równa różnicy energii atomu w stanie początkowym i końcowym

w którym

h - stała Plancka

ν - częstość promieniowania.

Serie widmowe wodoru powstają w wyniku przechodzenia przez elektrony w atomie wodoru z wyższego orbitalu na orbital niższy

Ogólny wzór na długość fali fotonu odpowiadającego przejściu pomiędzy dwiema powłokami w atomie wodoru:

λ - długość fali promieniowania w serii

n1 - główna liczba kwantowa orbitalu docelowego

n2 - główna liczba kwantowa orbitalu, z którego następuje przejście

R - stała Rydberga

Serie widmowe w atomie wodoru to, wg orbitalu docelowego:

seria Lymana, przejście na orbital n=1 (inaczej seria K)

seria Balmera, przejście na orbital n=2 (inaczej seria L)

seria Paschena, przejście na orbital n=3 (inaczej seria M)

seria Bracketta, przejście na orbital n=4 (inaczej seria N)

seria Pfunda, przejście na orbital n=5 (inaczej seria O)

seria Humpreysa, przejście na orbital n=6 (inaczej seria P)

Seria Balmera, seria widm powstająca w wyniku emisji fotonów przez elektron w atomie wodoru przechodzący z wyższego orbitalu na orbital 2 (seria L)

W10. Fizyka Laserów

Emisja spontAniczna-zachodzi wtedy, gdy elektrony znajdujące się na poziomach wzbudzonych w sposób spontaniczny wracają na niższe poziomy energetyczne, emitując przy tym fotony.

Zjawisko występuje powszechnie i odpowiada za niemal każde świecenie ciał, np. gazów rozgrzanych, wzbudzonych atomów, ciał ciekłych i stałych, a także urządzeń elektronicznych takich jak diody elektroluminescencyjne (LED).

Równanie określajace liczbę atomów pozostających w stanie wzbudzenia:

,

gdzie: N(0) początkowa liczba wzbudzonych atomów , τ21 jest czasem życia i wiąże się ze współczynnikiem A

Emisja wymuszona (stymulowana, indukowana) - proces emisji fotonów przez materię w wyniku oddziaływania z innym fotonem. Warunkiem do tego, aby emisja wymuszona nastąpiła, jest równość energii fotonu z energią wzbudzenia atomu. Foton inicjujący emisję nie jest pochłaniany przez materię - pełni tylko rolę wyzwalającą proces. Foton emitowany przez atom ma częstotliwość (czyli również energię), fazę i polaryzację taką samą jak foton wywołujący emisję. Kierunek ruchu obu fotonów również jest ten sam. Światło złożone z takich identycznych fotonów nazywa się światłem spójnym. Zjawisko to jest podstawą działania laserów.

Emisja wymuszona została przewidziana przez Alberta Einsteina, który zauważył, że bez występowania tego zjawiska nie mogłoby dojść do równowagi między pochłanianiem i emisją promieniowania. A. Einstein rozumował następująco:

Oddziaływanie atomu z fotonem wywołuje pochłonięcie fotonu z prawdopodobieństwem zależnym tylko od natężenia oświetlenia, czyli ilości fotonów. Emisja natomiast jest spontaniczna a jej prawdopodobieństwo zależny wyłącznie od średniego czasu życia stanu wzbudzonego (wielkości charakteryzującej wzbudzony poziom energetyczny). Gdyby miały miejsce tylko te dwa procesy - pochłaniania i emisji spontanicznej, wówczas w krótkim czasie wszystkie atomy zostałyby wzbudzone i promieniowanie nie byłoby już pochłaniane i emitowane. Doświadczenie wskazuje, że jest inaczej - wytwarza się stan równowagi pomiędzy absorpcją i emisją promieniowania. To oznacza, że musi istnieć dodatkowy mechanizm emisji, przy czym ilość emitowanych fotonów musi zależeć od ilości fotonów padających. Tym mechanizmem jest właśnie emisja wymuszona.

Emisja wymuszona jest zjawiskiem odwrotnym do pochłaniania fotonów przez atomy (cząsteczki). Prawdopodobieństwo pochłonięcia fotonu przez atom w stanie podstawowym jest takie samo jak prawdopodobieństwo emisji wymuszonej atomu wzbudzonego, dlatego o wielkości emisji/pochłaniania ośrodka decyduje różnica liczby atomów w stanie wzbudzonym i podstawowym.

Charakterystyka promieniowania:

Charakterystyka promieniowania to najważniejszy obok kąta połowy mocy, kierunkowości i zysku energetycznego parametr anteny.

Ukazuje w sposób graficzny na wykresie trójwymiarowym zdolność wypromieniowywania energii przez antenę w różnych kierunkach, definiowana jako rozkład pola EM na powierzchni kuli posiadającej bardzo duży promień, równy strefie promieniowania. Środek tej kuli znajduje się w tym samym miejscu co środek anteny. Dlatego też charakterystyka promieniowania nie zależy od oddalenia od anteny tylko od kątów i . Na poniższych rysunkach pokazano położenie kątów i na przykładzie dipola idealnego.

Charakterystyką w płaszczyźnie nazywamy charakterystykę w płaszczyźnie wektora , czyli (zależy ona od ), natomiast charakterystyką w płaszczyźnie nazywamy charakterystykę zdjętą w płaszczyźnie wektora zawierającej środek anteny (zależy ona od ).

Charakterystyka promieniowania odzwierciedla przede wszystkim amplitudę natężenia pola elektrycznego w [V/m]. Aby móc porównywać charakterystyki promieniowania anten stosuje się unormowaną charakterystykę promieniowania definiowaną wzorem:

Czasami można spotkać się z przedstawieniem charakterystyki promieniowania za pomocą powierzchniowej gęstości mocy definowanej zależnością:

Inwersja obsadzeń:

Inwersja obsadzeń, rozkład energii cząstek, w którym obserwuje się nadmiar cząstek w stanach o wyższych energiach. Inwersja obsadzeń jest warunkiem niezbędnym zaistnienia akcji laserowej (laser).

Jeżeli układ statystyczny (atomów) składa się z wielu prostych układów, z których każdy może przyjmować jeden z dwóch stanów

poziom podstawowy o energii E₁, lub

poziom wzbudzony o energii E₂, przy czym E₂>E₁.

Liczba atomów w stanie podstawowym jest określona przez N₁, a w stanie wzbudzonym przez N₂. Różnica energii między poziomami determinuje pochłonięcie lub emisję fotonu o częstości ν₂₁ określonej wzorem

,

gdzie: h to stała Plancka

Układ ten, zgodnie z rozkładem Boltzmanna, w temperaturze T będzie miał rozkład obsadzeń

,

gdzie k to stała Boltzmanna

Wnioski z rozkładu Boltzmanna:

W temperaturze zera bezwzględnego, wszystkie atomy znajdują się w stanie o niższej energii,

Wzrost temperatury powoduje wzrost liczby atomów w stanie o większej energii

W dowolnej temperaturze w stanie o niższej energii (E₁) będzie więcej atomów niż w stanie o wyższej energii (E₂).

W sztuczny sposób, poprzez dostarczenie energii która przeniesie część atomów ze stanu o niższej energii do stanu o wyższej energii, można doprowadzić układ do stanu, w którym w stanie o energii większej będzie więcej atomów niż o energii mniejszej. Układ taki nie jest trwały i dąży do rozkładu zgodnego z rozkładem Boltzmanna.

Stan inwersji obsadzeń jest warunkiem pracy lasera.

Budowa lasera:

Fizyczne właściwości promieniowania laserowego.

Podstawę fizyczną działania lasera stanowią zjawiska absorpcji i emisji promieniowania przez atomy w układach kwantowych z dyskretnymi poziomami energetycznymi.

Doniosłość faktu zbudowania pierwszych laserów wiąże się z niezwykłymi właściwościami generowanego przez nie promieniowania, w porównaniu z promieniowaniem uzyskiwanym z dotychczasowych źródeł światła; światło laserowe różni się od światła emitowanego przez klasyczne źródła tak jak różnią się dźwięki muzyki od dźwięków szumów.

Charakterystyczne cechy promieniowania laserowego wynikają z właściwości zjawiska emisji wymuszonej. Kwant emitowany w procesie tej emisji ma tę samą co kwant wymuszający częstotliwość, kierunek propagacji, fazę i polaryzację. Światło z lasera jest zbiorem tych samych podstawowych porcji energii (fotonów), jak światło zwykłe, jednak falowy obraz fotonów w świetle laserowym wykazuje znacznie większy stopień uporządkowania.

Promieniowanie laserowe jest:

- monochromatyczne (jednobarwne) - to znaczy, że wszystkie jego fotony posiadają tę samą długość;

- skolimowane (o wiązce równoległej) - to znaczy, że wszystkie promienie tworzące wiązkę laserową biegną równolegle do siebie;

- koherentne (spójne) – to znaczy, iż wszystkie jego kwanty są przestrzennie uporządkowane, czyli występuje stały związek fazowy w czasie (jest to spójność czasowa) i między dowolnymi punktami przekroju poprzecznego wiązki (jest to spójność poprzeczna).

W.11moment pedu elektronie w atomie

Wartość

L= (wszystko pod pierw procz h) l (l+1) h

l – orbitalna liczba kwantowa

l = 1, 2, 3, n-1

przykład dla l= 2:

L= 6^1/2 h

Kierunek- (warunek)

L_z = m_l h

kwantowanie przestrzenne – trzeba przyjąć ze tylko takie ustawienia orbitalnych momentów pędu w przestrzeni są możliwe, przy których ich rzut L_z na wyróżniony kierunek pola magnetycznego jest całkowitą wielokrotnością h= h/2

L_z – rzut wektora momentu pędu na wybrany kierunek

m_l- magnetyczna liczba kwantowa

m_l = -l, (-l+1), ..., (l+1), l – całkowite dodatnie i ujemne liczby

Przykład dla l=2:

Moment pędu elektronów może przyjmować (2n-1) kierunków w przestrzeni

(w naszym przypadku 5 )

Spin elektronu

Wartość

S= (wszystko procz h podpierwiastkiem ) s (s+1) h

s- spinowa liczba kwantowa (o wartościowościach + ½ i –1/2 )

Kierunek

S_z = m_s h

m_s- magnetyczna spinowa liczba kwantowa

W.12

KLASYFIKACJA PIERWIASTKOW

1 liczby kwantowe opisujace stan elektronu w atomie – nazwa, symbol, zakres

zmiennosci, czemu odpowiadaja

2 podac zasade (zakaz) Pauliego,

3 podac konfiguracje elektronowa wybranych atomów (np. 11Na, 16S, 18Ar)

4 objasnic własnosci grup układu okresowego pierwiastków: I, II, VI, VII, VIII

-konfiguracja elektronowa, reaktywnosc chemiczna, energia jonizacji

WIAZANIA CHEMICZNE

5 energia potencjalna oddziaływania miedzy atomami – geneza krzywej, energia

wiazania czasteczki, długosc wiazania,

6 rodzaje wiazan chemicznych i objasnienie własnosci kryształów (twardosc,

temperatura topnienia, przewodnictwo ciepła i elektrycznosci)

1) Główna liczba kwantowa (n)
- przyjmuje wartości kolejnych liczb naturalnych 1, 2, 3, ... (wg Bhora K, L, M, ...);
- od niej zależy energia danego elektronu;
- decyduje o rozmiarach orbitali - im większa wartość n, tym większy jest orbital;
- maksymalna ilośc elektronów w powłoce wynosi 2m2 (kwadrat)
n 1 = K 2 = L 3 = M 4 = N 5 = O 6 = P 7 = Q
2) Poboczna liczba kwantowa (l)
- przyjmuje wartości liczb całkowitych od 0 do n-1 włącznie;
- precyzuje dokładniej stan energetyczny danej powłoki;
- liczba stanów kwantowych wyraża się wzorem 4l + 2

L 0 = s 1 = p 2 = d 3 = f 4 = g 5 = h 6 = i
3) Magnetyczna liczba kwantowa (m)
- przyjmuje wartości liczb całkowitych takich, że -1 jest mniejsze bądz równe n, które jest mniejsze badz równe +1;
- określa rzut momentu pędu na wyróżniony kierunek;
- decyduje o wzajemnych ułożeniu orbitali w przestrzeni
4) Magnetyczna spinowa liczba kwantowa (ms)
- charakteryzuje rut spinu na wyróżniony kierunek w przestrzeni;
- może przyjmowac tylko dwie wartości +1/2 lub -1/2

2)) Zasada Pauliego - w układzie złożonym z identycznych cząstek o spinie połówkowym nie może być 2 cząstek znajdujących się w tym samym stanie kwantowym; w atomie nie może być więc niż 2 elektronów scharakteryzowanych tymi samymi liczbami kwantowymi . Tłumaczy ona prawidłowości w budowie powłok elektronowych w atomie i wyjaśnia strukturę subtelną i nadsubtelną widm atomowych.

3))

Rysunek 12. Schemat koleiności zapełniania orbitali.

Konfiguracja elektronowa (struktura elektronowa) pierwiastka – rozmieszczenie elektronów należących do atomów danego pierwiastka na jego powłokach, podpowłokach i orbitalach. Każdy elektron znajdujący się w atomie opisywany jest przy pomocy zbioru liczb kwantowych.

Konfiguracją elektronową nazywamy lokalizację elektronów na poszczególnych powłokach i podpowłokach.

n = 1 l = 0 m = 0 , czyli istnieje 1 orbital s, a na nim 2e

s zawiera maksymalnie 2e

n = 2 l = 0 m = -1,0,1 , czyli 3 orbitale p po 2e na każdym

l=1

p zawiera maksymalnie 6e

n = 3 l = 0 m = -2,-1,0,1,2 , czyli 5 orbitali d po 2e na każdym

l=1

l=2

d zawiera maksymalnie 10e

Elektrony są umieszczone na orbitalach w taki sposób, by były zgodne z reguła Hunda.

Głosi ona, że atom występujący w stanie podstawowym posiada maksymalną ilość elektronów, które są niesparowane.

Konfigurację zapisuje się wg pewnej konwencji. Zapis ten może wyglądać na przykład tak:

neon: 1s²2s²2p⁶

lub w zapisie "klatkowym":

Liczby występujące przed literami oznaczają numery kolejnych powłok elektronowych. Ich numeracja zaczyna się od powłoki najbliższej jądra i rośnie wraz z oddalaniem się od niego. Małe litery ("s", "p", "d" i "f") oznaczają rodzaje typów orbitali, zaś górne indeksy liczbowe oznaczają liczbę elektronów znajdujących się na danym poziomie orbitalnym, w danym typie orbitalu.

Dla uproszczenia podaje się często zapis skrócony. Np.

węgiel: hel + 2s²2p²

lub upraszczając:

C: [He]2s²2p²

gdzie hel [He] - to konfiguracja elektronowa helu (tzw. rdzeń helowy)

stosując zapis "klatkowy" będzie wyglądało to tak:

4)) Energia jonizacji – jest to najmniejsza energia potrzebna do oderwania jednego elektronu od atomu lub cząsteczki.

Część grup rozpoczyna się od okresu 1 lub 2. Są to tzw. GRUPY GŁÓWNE. Rozmieszczone są one z lewej i prawej strony układu okresowego i oznaczone są liczbami 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17, 18, tworzące bloki s i p, przy czym pierwiastki z 18 grupy to pierwiastki gazowe o całkowicie zapełnionej ostatniej powłoce elektronowej, nazywane z racji swej bierności chemicznej gazami szlachetnymi.
Pierwiastki grup głównych – bloków s i p zajmują skrajne części tablicy Mendelejewa. W części środkowej znajdują się pierwiastki grup przejściowych ( pobocznych), czyli pierwiastki bloku d. Pierwiastki bloku f zostały wyodrębnione w dwa szeregi u dołu tablicy jako lantanowce (wypełniające orbital 4f)i aktynowce ( wypełniają orbital 5f)

Układ dzieli się na siedem poziomych okresów, każdy okres zawiera ściśle

określoną liczbę pierwiastków, a mianowicie:

-okres I - 2 (H, He)

-okres II - 8 (Li, Be, B, C, N, O, F, Ne)

-okres III - 8 (Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar)

-okres IV - 18 pierwiastków

-okres V - 18 pierwiastków

-okres VI -32 pierwiastki

-i ostatni, okres VII, niepełny.

Właściwości pierwiastków zmieniają się w okresie stopniowo i powtarzają w okresie następnym. Było to podstawą do podziału tablicy na osiemnaście grup pionowych.
Wszystkie grupy mają swoją nazwę. I tak pierwiastki grupy

1 nazywane są litowcami

2 - berylowcami

13 - borowce

14 - węglowce

15 - azotowce

16 - tlenowce

17 - fluorowce

18 - helowce (gazy szlachetne)

- reaktywność litowców (pierwiastków pierwszej grupy układu okresowego) rośnie im bliżej dolnej lewej części układu okresowego znajduje się pierwiastek zaś fluorowców (pierwiastków siedemnastej grupy układu okresowego) zwiększa się przechodząc w kierunku prawej górnej części układu okresowego.

- Energia odpowiadająca energii potrzebnej do usunięcia jednego elektronu z obojętnej cząsteczki lub atomu zwana jest energią jonizacji. Wyróżniamy pierwszą energię jonizacji, drugą energię jonizacji, itd., które odpowiadają usunięciu pierwszego, drugiego, trzeciego, itd. elektronu. Energia jonizacja wyznaczana jest za pośrednictwem pomiarów spektroskopowych i wyrażamy ją w eV/atom. Pierwsza energia jonizacji określa energię konieczną do oderwania z obojętnego atomu, bądź cząsteczki jednego elektronu. Można więc stwierdzić, że im bliżej jądra znajduje się elektron (im mniejszy jest promień atomowy), tym większa jest energia potrzebna do jego oderwania. W obrębie okresu promień atomowy zmniejsza się przy przejściu od strony lewej do prawej, więc energia jonizacji zwiększa się w tym samym kierunku i dla gazów szlachetnych, które posiadają w swojej powłoce walencyjnej oktet elektronowy, osiąga największą wartość. W grupach układu okresowego energia jonizacji maleje ze wzrostem liczby atomowej (ze zwiększeniem się liczby powłok elektronowych i wzrostem promieni atomowych). Druga, trzecia, czwarta, itd. energia jonizacji ma wartość większą niż pierwsza, ponieważ do oderwania drugiego, trzeciego i kolejnych elektronów z jonu posiadającego ładunek dodatni konieczna jest znacznie większa energia.

5)) Gdy r jest bardzo duże energia potencjalna wzajemnego oddziaływania U jest równe zeru. Różnicę między sumą energii izolowanych atomów tworzących cząsteczkę a minimalną energią potencjalną cząsteczki nazywa się energią wiązania (zwykle od kilkuset do kilku tys. kJ/mol). Odpowiadającą tej energii odległość między jądrami atomowymi w cząsteczce nazywa się długością wiązania.

Energia wiązania jądra atomowego.
Przy obliczeniu masy jądra atomowego według wzoru :
 ,
dojdziemy do wniosku, że jest ona mniejsza od masy odczytanej z tablicy Mendelejewa. Niedobór masy związany jest z energią wiązania. Energię tę wyliczymy ze wzoru:
  .
W przeliczeniu : 1 jednostka atomowa jest równa 931 megaelektronowoltom. Ta energia to energia wiązania - energia, która wydzieli się podczas łączenia nukleonów w jądra atomowe, lub, którą należy dostarczyć aby podzielić jądro na nukleony.
Energia właściwa - energia wiązania atomowego przypadająca na jeden nukleon :


Najważniejsza krzywa świata :



Oznaczenia:
A - określa ilość nukleonów w jądrze (suma protonów i neutronów) (zob.pkt.28.9);
ΔE - energia wiązania;

-Długość wiązania jest związana z jego siłą: im wiązanie silniejsze, tym bliżej siebie znajdują się atomy. Dwa atomy wodoru połączone wiązaniem kowalencyjnym znajdują się w odległości 0,74 angstremów, podczas gdy w przypadku oddziaływań van der Waalsa odległość ta wynosi 1,2 angstrema.

6)) Wiązania chemiczne

Wiązanie jonowe (heteropolarne) zostaje utworzone w wyniku przejścia elektronu (elektronów) walencyjnych z atomów

pierwiastka elektrododatniego do atomów pierwiastka elektroujemnego.

Atomy pierwiastków tworzących wiązanie jonowe muszą różnić się znacznie

elektroujemnością. Utworzone jony wiążą siły elektrostatyczne, każdy jon dodatni otoczony jest przez jony ujemne i na odwrót. Dla związku w którym występują wiązania jonowe nie można podać wzoru sumarycznego, a jedynie zgodnie z umową podaje się wzór empiryczny.

Związki z wiązaniami jonowymi są ciałami stałymi o wysokich temperaturach topnienia i wysokich temperaturach wrzenia.

Rozpuszczają się w rozpuszczalnikach polarnych, słabo lub wcale w niepolarnych. Reakcje między związkami z wiązaniami

jonowymi przebiegają natychmiastowo.

Wiązanie kowalencyjne (homopolarne) polega na utworzeniu wspólnej pary elektronowej (wiązanie pojedyncze),

ewentualneie dwóch (wiązanie podwójne) lub trzech par elektronowych (wiązanie potrójne) przez dwa atomy, z których

każdy dostarcza na utworzenie dubletu (lub dubletów) taką samą liczbę niesparowanych elektronów.

Związki w których występują wiązania kowalencyjne charakteryzują się niskimi temperaturami topnienia i temperaturami wrzenia, rozpuszczają się w rozpuszczalnikach

niepolarnych.

Między cząsteczkami z wiązaniami kowalencyjnymi występują słabe oddziaływania van der Waalsa.

Reakcje pomiędzy związkami z wiązaniami kowalencyjnymi

polegają na rozerwaniu istniejących wiązań i wytworzeniu nowych. Szybkości tych reakcji można mierzyć eksperymentalnie.

Wiązanie koordynacyjne (semipolarne) jest szczególnym przypadkiem wiązania kowalencyjnego. Polega ono na utworzeniu

wspólnej pary elektronowej z elektronów pochodzących od

jednego atomu (donora). Drugi atom (akceptor) tymi

elektronami uzupełnia własną powłokę walencyjną do oktetu. Po

utworzeniu wiązania koordynacyjnego, jest ono nieodróżnialne

od wiązania kowalencyjnego. O obecności wiązania

koordynacyjnego może świadczyć para ładunków formalnych

pojawiająca się we wzorze konstytucyjnym. Ładunek formalny

oblicza się ze wzoru: q=ne

Wiązania wodorowe powstaje pomiędzy atomem wodoru (kowalencyjnie związanym z atomem fluoru, tlenu lub azotu) a

innym, małym, silnie elektroujemnym atomem (fluor lub tlen). Obecność wiązań wodorowych powoduje podwyższenie

temperatury wrzenia (woda – siarkowodór, alkohol etylowy – eter dimetylowy). Wiązania wodorowe powodują, że zmierzona

masa cząsteczkowa jest wielokrotnością masy cząsteczkowej obliczonej ze wzoru sumarycznego. Pozorny wzrost masy

cząsteczkowej powoduje właśnie podwyższenie temperatury wrzenia.

-Twardość – to stopień oporu, jaki stawia kryształ zewnętrznemu

mechanicznemu działaniu. Wyrażana najczęściej w

dziesięciostopniowej skali Mosha, którą tworzy 10 minerałów o

wzrastającej twardości od talku (1) do diamentu (10).

Piroelektryczność – zjawisko powstawania ładunków elektrycznych

na elementach powierzchniowych kryształu pod wpływem ogrzewania

lub chłodzenia. Zjawisko to występuje w kryształach o złym

przewodnictwie elektrycznym (dielektryki) oraz nie posiadających

środka symetrii (KLiSO4). Zjawisko odwrotne to efekt

elektrokaloryczny.

Piezoelektryczność – zjawisko powstawania ładunków elektrycznych

na elementach powierzchniowych kryształu pod wpływem ucisku lub

rozciągania. Zjawisko to występuje również w kryształach o małym

przewodnictwie elektrycznym i nie posiadających środka symetrii

(trygonalne kryształy kwarcu). Wszystkie piroelektryki są również

piezoelektrykami.

Temperatura topnienia to temperatura przy której kryształ zamienia się w ciecz. Jest to też najwyższa możliwa temperatura, przy której może rozpocząć się krystalizacja tej samej substancji. Krystalizacja zachodzi jednak często przy niższej temperaturze niż temperatura topnienia, co zależy od wielu czynników, np. tempa schładzania.

W.14 Elektrochemia

Dysocjacja elektrolityczna jest procesem prowadzącym do rozpadu elektrycznie obojętnych molekuł na kationy i aniony

molekuła AB może się rozpaść na kation A i anion B

AB A⁺ + B^-

(stała elektryczna wody Er = 81 )

Mechanizm elektrolizy

Woltamer – naczynie w którym odbywa się elektroliza

Mechanizm elektrolizy – przepływ prądu elektrycznego przez elektrolit związany jest z ruchem jonów. Jony powstają w ten sposób, że obojętne atomy lub grupy atomowe tracą lub przyłączają do siebie jeden lub więcej elektrolitów. Liczba utraconych lub przyłączonych elektrolitów decyduje o wartościowości jonu.

Katoda przyciąga kationy

Cu²⁺ +2e^- Cu⁰

Wzrost masy elektronu

Anoda przyciąga aniony

Cu⁰ – 2e^- Cu²⁺

Spadek masy elektronu

I PRAWO FARADAY

Masy produktów elektrolizy wydzielone na elektrodach są proporcjonalne do natężenia prądu i czasu jego przepływu czyli do ładunku przepływającego przez elektrolit.

m = kIt

m = kQ k = [ kg/ A · s = kg / C]

Współczynnik proporcjonalności k nasi nazwę równoważnika elektrochemicznego. Wyraża on liczbowo masę produktu elektrolizy wydzielaną na elektrodzie przez prąd o natężeniu 1A/s czyli podczas przepływu ładunku 1 kulomba

II PRAWO FARADAY

Masy produktów elektrolizy wydzielone na elektrodach różnych woltomerów podczas przepływu prądu o tym samym natężeniu i w tym samym czasie są proporcjonalne do równoważników chemicznych R

m₁ : m₂ : m₃ = R₁ : R₂ : R₃

Równoważnik chemiczny R = [ kg · mol^-1] R = masa molowa / wartościowość

Stała Faraday

F = R/k F = e · N_A

Oznacza ilość ładunku wydzielającego się w czasie elektrolizy 1 gramorównoważnika substancji.