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.
   - współczynnik odbicia
   wektor w płaszczyźnie padania
   
   - stopień polaryzacji
   PRAWO ZAŁAMANIA ŚWIATŁA:
   
   
   - prawo Brewstera współczynnik załamania światła

2. Podwójne załamanie światła w kryształach anizotropowych.
   

Ciała dwójłomne. Miara dwójłomności: 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).

1. Metody wyznaczania współczynnika załamania światła.
   PRAWO ZAŁAMANIA ŚWIATŁA:
   
   
   - prawo Brewstera współczynnik załamania światła
   Za pomocą refraktometru – przyrządu do mierzenia załamania światła.
   Za pomocą pryzmatu.

2. 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.
   

3. Promieniowanie ciała doskonale czarnego.
   związek pomiędzy absorpcją a emisją prawo Kirchoffa dotyczące promieniowania:
   
   Dla ciała doskonale czarnego (np. Słońce)
   
   Zdolność emisji ciała doskonale czarnego jest proporcjonalna do Temperatury w 4 potędze: gdzie sigma stała

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.

1. 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: posiada też pęd p=mv, natomiast nie ma masy spoczynkowej to masa fotonu:
   gdzie c – prędkość światło
   WZÓR EINSTEINA: opis efektu fotoelektrycznego
   gdzie: -energia padającego promieniowania [E], - Energia potrzebna do wybicia elektronu. [W] dla każdego metalu wielkość charakterystyczna (praca wyjścia elektronu). , stała Planca
   - zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi
   - zjawisko zachodzi, częstotliwość graniczna
   - tylko wybicie elektronu
   - większa energia elektron nabywa energi kinetycznej aby dotrzeć do anody.

2. 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: . Wyznaczył liczbę Z i stwierdził że równa się ona liczbie porządkowej.
   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.

1. 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:
   związek pomiędzy absorpcją a emisją prawo Kirchoffa dotyczące promieniowania:

2. 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.

3. 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 10⁷ 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

- mają duże prędkości (0,3*10⁸m/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.

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:
    
    Całkując to równanie otrzymamy:

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

11. 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.

12. 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 lepkość, czyli inaczej tarcie wewnętrzne powodujące opór przeciwko płynięciu. Wynika ona ze zdolności płynu do przekazywania pędu pomiędzy warstwami o różnych prędkościach. Lepkość rośnie, kiedy temperatura maleje. W przypadku niektórych cieczy, zależność ta jest bardzo gwałtowna, do tego stopnia że uniemożliwia krystalizację.

2. Neutrina – cząstka nienaładowana mająca b. mała masę

3. 1888r- odkryto ciekłe kryształy

4. 10 do -15 = 1 fm = 1 fermi

5. kwant wprowadził planc

6. nuklidy to jądra wieksze niż nukleon

7. izotopy jądra atomowe o jednakowej liczbie protonów lecz różnej neutronów

8. jądra dzielimy na:

- trwałe (stabilne)

- nietrwałe (promieniotwórcze)