atomfizika l.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Atomfizika PowerPoint Presentation
Download Presentation
Atomfizika

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 163

Atomfizika - PowerPoint PPT Presentation


  • 424 Views
  • Uploaded on

Atomfizika. Bethlen Gábor Református Gimnázium Hódmezővásárhely 12. B osztály. Mottó: „Őrült beszéd, de van benne rendszer…” ( Shakespeare: Hamlet ). Az atom fogalom fejlődése Az atom görög szó, jelentése: oszthatatlan. Demokritosz ( i.e. 460 – 370 ): - Az atomisták vezetője

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Atomfizika' - Leo


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
atomfizika

Atomfizika

Bethlen Gábor Református Gimnázium

Hódmezővásárhely

12. B osztály

slide2

Mottó:

„Őrült beszéd, de van benne rendszer…”

( Shakespeare: Hamlet )

slide3

Az atom fogalom fejlődéseAz atom görög szó, jelentése: oszthatatlan.

  • Demokritosz ( i.e. 460 – 370 ):
  • - Az atomisták vezetője
  • - Az anyag nagyszámú, parányi,
  • tovább már nem osztható részecskékből áll.
  • - Természetfilozófiai elmélet
  • XVIII. század:
  • D. Bernoulli ( svájci ) és Lomonoszov ( orosz ) kémikusok: A hőtani jelenségeket az atomok mozgásával hozták kapcsolatba
  • Ez már természettudományos hipotézis.
slide4

Kémia:

  • • 1801. P. Proust (francia )
  • Állandó súlyviszonyok törvénye: egy kémiai vegyületben az alkotórészeknek, illetve elemeknek a súlyviszonya szigorúan állandó.
  • • 1808. J. Dalton ( angol )
  • Többszörös súlyviszonyok törvénye: ha két elem ( pl. A és B ) többféle súlyviszony szerint alkot vegyületet akkor az egyik elemnek azok a mennyiségei, amelyek a másik elemnek azonos súlyú mennyiségével egyesülnek, úgy viszonyulnak egymáshoz, mint a kis egész számok. Pl. a nitrogén ( N ) és az oxigén ( O ) által alkotott N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5 vegyületekben az egy súlyrész nitrogénre jutó oxigén súlya úgy aránylik egymáshoz, mint 1:2:3:4:5.
  • • 1808. J. L. Gay-Lussac( francia ): gáztörvény
  • 1811. A. Avogadro( olasz ) : NA = 6 · 1023
slide5

Fizika

  • 1827. R. Brown( skót ): Brown-féle mozgás
  • A XIX. század közepe:
  • R. Clausius( német ), J. Maxwell( skót )ésL. Boltzmann( osztrák )
  • Kinetikus gázelmélet: a gáz nagyszámú részecskékből áll, amelyek rendszertelenül, igen nagy sebességgel végzik mozgásukat, miközben ütköznek egymással, és az őket bezáró edény falával. Mozgásukat a klasszikus mechanika törvényei szerint végzik, de érvényesek valószínűségi illetve statisztikai jellegű meggondolások, illetve törvények is.
  • 1869. D. I. Mengyelejev( orosz )
  • A növekvő atomsúly szerint rendszerezett elemek bizonyos kémiai és fizikai tulajdonságai szakaszosan ismétlődnek. Ezután létrehozta az atomok periódusos rendszerét.
slide6

Az atomszerkezet megismerése:

Előzmény: 1859. J. Plücker( német ): felfedezi katódsugarakat

A fizika négy „aranyéve”:

1895. W. C. Röntgen ( német ): X-ray felfedezése

( N. 1901. – az első Nobel-díj )1896. H. A. Becquerel, Marie Curie, Pierre Curie( franciák ):

radioaktivitás, radioaktív sugárzás felfedezése

( N. 1903. )

1897. J. J. Thomson( angol ): Az e- felfedezése

( N. 1906. )

1898. Marie Curie( lengyel-francia ): A rádium felfedezése

( N. 1911. kémiai )

slide8

1909. (Sir) E. Rutherford ( angol ): aranyfüst fóliát bombázott α részecskékkel, s nagyfokú eltérülést tapasztalt

Atommag felfedezése: nucleus ( r ≈ 10 -14 m)

slide10

1913. Niels Bohr ( dán ): a ma is érvényes atommodell posztulátumai:·        Az elektronok a mag körül meghatározott pályán mozognak s eközben nem sugároznak, s így energiájuk a mozgás során változatlan.·        Minden diszkrét sorozatot képező E1, E2,… energia állapothoz más-más sugarú pálya tartozik.·        Gerjesztéskor az elektronok nagyobb sugarú pályára ugranak, amihez a szükséges energiát a a két energiaállapot közötti energiakülönbség szabja meg,

a Bohr-féle frekvenciafeltétel segítségével:·       Ha nagyobb energiájú állapotból visszalép az elektron kevésbé gerjesztett állapotba, akkor az atom a Bohr-féle frekvenciafeltétellel megadott energiájú

fotont sugároz ki. 1920. E. Rutherford: a proton felfedezése ( protosz = ős, ősi )

slide11

A „legújabb” vívmányok:

1927. W. Heisenberg ( német ) : kvantummechanika megalkotása

( N. 1932. 1933. )

1931. W. Pauli ( osztrák ) : neutrinohipotézis ( N. 1945. )

1932. J. Chadwick ( angol ) : neutron felfedezése ( N. 1935. )

1934. március 12. Szilárd Leó szabadalmaztatja a magfizikai láncreakció elméletét

1938. Otto Hahn és Fritz Strassman ( németek ) : a maghasadás felfedezése ( N. 1944. )

1942. december 2. Chicago. E. Fermi ( olasz ) és Szilárd Leó : Az első magfizikai láncreakció megvalósítása

1944. Hevesy György: radioizotópos nyomkövetés

slide12

1945. augusztus 6. Hirosima „Little boy”

1945. augusztus 9. Nagasaki „Fat man”

1954. június 27. Obnyinszk.Beindul a világ első atomerőműve

1971. Gábor Dénes: holográfia

1971. M. Gell-Mann ( amerikai ): kvarkhipotézis

1986. április 26. Csernobili reaktorbaleset

1995. A top-kvark felfedezése

magyar nobel d jasaink
Magyar Nobel díjasaink
  • 1905. Lénárd Fülöp
  • 1914. Bárány Róbert
  • 1925. Zsigmondy Richard
  • 1937. Szent-Györgyi Albert
  • 1944. Hevesy György
  • 1961. Békésy György
  • 1963. Wigner Jenő
  • 1971. Gábor Dénes
  • 1976. Milton Friedman
  • 1976. Carleton Gajdusek
  • 1986. Polányi János
  • 1986. Wiesel Elie
  • 1994. Harsányi János
  • 1994. Oláh György
  • 2002. Kertész Imre
  • 2004. Herskó Ferenc
1905 l n rd f l p
1905. Lénárd Fülöp

Fizikai Nobel-díj

„a katódsugarakkal kapcsolatos vizsgálataiért”

1914 b r ny r bert
1914. Bárány Róbert

Orvosi Nobel-díj

„az egyensúlyszerv fiziológiájával és kór-tanával kapcsolatos munkáiért”

1925 zsigmondy richard adolf
1925. Zsigmondy Richard Adolf

Kémiai Nobel-díj

„a kolloid oldatok heterogén természetének magyarázatáért, és a kutatásai során alkalmazott, a modern kolloidkémiában alapvető jelentőségű módszereiért"

(az ultramikroszkóp felfedezéséért)

1937 szent gy rgyi albert
1937. Szent-Györgyi Albert

Orvosi Nobel-díj

„a biológiai égés-folyamatok terén, különösen a C-vitamin vonatkozásában tett felfedezéseiért”

1944 hevesy gy rgy
1944. Hevesy György

Kémiai Nobel-díj

„a kémiai folyamatok kutatása során az izotópok indikátorként való alkal-mazásáért” azaz a radio-izotópos nyomkövetés mód-szerének kidolgozásáért

1961 b k sy gy rgy
1961. Békésy György

Orvosi Nobel-díj

„a fül csigájában létrejövő ingerületek fizikai mechanizmusának a felfedezéséért”

1963 wigner jen
1963. Wigner Jenő

Fizikai Nobel-díj

„az atommagok és az elemi részek elméletének fejlesztéséért, kivált az alapvető szimmetria-elvek felfedezéséért és alkal-mazásáért”

azaz a kvantummechanika törvényeinek atommagokra történő átírásáért

1971 g bor d nes
1971. Gábor Dénes

Fizikai Nobel-díj

„a holográfiai módszer felfedezéséért és a fejlesz-téséhez való hozzájárulásá-ért”

1976 milton friedman
1976. Milton Friedman

Közgazdasági Nobel-díj

„ a fogyasztói analízis, a pénzügy történet és pénzügy elmélet területén elért eredményeiért”

1976 carleton gajdusek
1976. Carleton Gajdusek

Orvosi Nobel-díj

„a fertőző betegségek eredetével és terjedésével kapcsolatos új módszerek felfedezéséért”

1986 pol nyi j nos
1986. Polányi János

Kémiai Nobel-díj

„az elemi kémiai folyamatok dinamikájával kapcsolatos felfedezéseiért”

azaz a molekulák energia-állapotának kémiai reakciók során bekövetkező változásai-nak vizsgálataiért

1986 wiesel elie
1986. Wiesel Elie

Béke Nobel-díj

„egyik legfontosabb vezéralak és szellemi vezető azokban az időkben, amikor az erőszak, az elnyomás és a fajgyűlölet rányomta bélyegét a világ arculatára”

1994 hars nyi j nos
1994. Harsányi János

Közgazdasági Nobel-díj

„a korlátozott vagy nem teljes információjú játékok elméletéért”

azaz a szovjet-amerikai leszerelési tárgyalások eredményes előkészítésé-ben nyújtott munkásságá-ért.

1994 ol h gy rgy
1994. Oláh György

Kémiai Nobel-díj

„a karbokationok kémiájában elért alapvető eredményeiért” azaz az ólommentes benzin felfedezéséhez vezető kutatá-sokért

2002 kert sz imre
2002. Kertész Imre

Irodalmi Nobel-díj

„egy írói munkásságért, amely az egyén sérülékeny tapasztalatának szószólója a történelem barbár önkényével szemben”

2004 hersk ferenc
2004. Herskó Ferenc

Kémiai Nobel-díj

„a sejtek egyik legfontosabb ciklikus folyamatának, a fehérjék lebontási mechanizmusának a felfedezéséért”

slide30

A „marslakók” legendája, avagy

„ Hát Kármán Tódornak mégis eljárt a szája!”

Franklin D. Roosevelt - Szilárd Leó

Harry Truman - Kármán Tódor

Dwight Eisenhower - Neumann János

Richard Nixon - Neumann Marina

Jimmy Carter – Kemény János

Ronald Reagen – Teller Ede

a kvantummechanika sz let se
A kvantummechanika születése

A XIX.század végeletisztult fizika

1876. Max Planckaz izzó testek üregeiből kilépő elektromágneses sugárzás energiájának a frekvenciafüggését vizsgálta.

slide33

Albert Einstein ( N. 1921. ) a hűtéskor bekövetkező mólhő csökkenésből arra következtetett, hogy a kristály egy-egy atomjának az energiája nem választható akármilyen kicsi értéknek.

Planck és Einstein: az elektromágneses sugárzások, valamint a kristályok az energiát kicsi, nullától különböző energiaadagokban ( ún. kvantumokban) adják át egymásnak.

Megszületett a kvantummechanika

Newton: „A természet nem csinál ugrásokat”

az elektron t lt se s t mege
Az elektron töltése és tömege

I. Az elektron görög szó, jelentése borostyánkő.

Az elektromos töltés kvantumos természetét, azaz az elemi töltést az elektrolízis Faraday-féle törvényeinek vizsgálata során fedezték fel:

Mérhető az áramerősség ( I ), az idő ( t ) és a kivált anyag tömegéből következtethetünk a kivált ionok számára ( N ), így a kivált ionok töltése számolható.

A mérések alapján minden ion töltése e = 1,6·10-19 C-nak vagy annak egész számú többszörösének adódott.

slide36

„Ha elfogadjuk az elemek atomjainak létezését, akkor elkerülhetetlenül arra a következtetésre jutunk, hogy az elektromosság – mégpedig mind a pozitív, mind a negatív elektromosság – meghatározott elemi részekből áll, amelyek az elektromosság atomjainak tekinthetők.”

( H. Helmholtz 1881. )

slide37

II.Joseph John Thomson ( N. 1906. )

Katódsugárcsővel végzett mérései során, a katódról kilépő sugarakat elektromos illetve mágneses mezővel próbálta eltéríteni.

slide39

J. J. Thomson ( 1897. ) megállapította, hogy a katódsugarakban a katód anyagától függetlenül mindig azonos részecskék lépnek ki, melyek negatív elektromos töltést hordoznak és elektromos ill. mágneses mezőben is eltéríthetők.

slide40

A körmozgás dinamikai feltétele:

Az energiamegmaradás törvénye:

A két egyenletből kifejezhető a részecske fajlagos töltése:

Ezt a részecskét nevezzük elektronnak.

slide41

III. R. A. Millikan( amerikai ) ( N. 1923. )

Kondenzátorlemezek közé 10-7 – 10-8 m átmérőjű olajcseppeket porlasztott, amelyek a dörzsölődéstől feltöltődtek. A feltöltött olajcseppekre már hatott a kondenzátorlemezek közötti elektromos mező. A lemezek közötti U feszültséget beállítva elérte, hogy a cseppekre ható erők kiegyenlítsék egymást.

Ebből az egyenletből a csepp töltését számolni tudta.

Minden olajcsepp töltése 1,6·10-19 C-nak ( = elemi töltés ) vagy annak egész számú többszörösének adódott.

slide43

Az elektron töltéséből és a fajlagos töltéséből kiszámítható az elektron tömege:

Tehát a felfedezett új részecske, az elektron adatai:

Az elektron az elemi töltésnek a legkisebb tömegű hordozója, oszthatatlan egység.

slide44

1895. W. C. Röntgen ( N. 1901.)

Gyors elektronok lefékezésekor olyan sugárzás tapasztalt, amely sem elektromos, sem mágneses mezőben nem terül el, s a fényérzékeny lemezt megfeketítette.

Mivel a nagyobb rendszámú elemek ( pl. Ca ) jobban elnyelik a sugárzást, mint a kisebb rendszámú elemek ( pl. H, O ), így a csontok másképpen nyelik el a sugárzást, mint a hússzövet. Emiatt a röntgen sugárzást leginkább az orvosi diagnosztikában használják.

( Nagy E-jú a sugárzás, ezért ionizál !!! ).

slide48

A röntgensugarak közegbeli gyengülése:

( divergencia, szóródás, abszorpció )

  • Koherens szóródás:  állandó és csak az irány változik. ( 0 – 30 keV )
  • Compton szórás: ( A. Compton N. 1927. ) a röntgenfoton lazán kötött elektronnal ütközik, így lágyul a sugárzás ( E csökken ), és az elektron ionizál. ( > 30 keV )
  • Fotoelektromos effektus: a röntgenfoton a teljes energiáját átadja egy belső elektronnak, így az elektron ionizál. ( 0 – 30 keV )
  • Párképződés: a kemény röntgenfoton az atommaggal kerül kölcsönhatásba, így elektron + pozitron pár keletkezik, s ezután jön létre az ionizáció. ( > 1 Mev )
a f ny
A fény

1. XVII. század: Huygens, Fresnel, Newton.

      - olajfolt szivárvány => interferencia

- optikai rés vagy rács => elhajlás

Ezek a jelenségek arra mutatnak, hogy a fény elektromágneses hullám.

Maxwell ( 1862. ) egyenletekkel írta le az elektromágneses mezőt.

2. Az újabb problémákat azonban hullámtulajdonságokkal megmagyarázni nem lehetett:

- hőmérséklet sugárzás (fekete test sugárzás) ε = h·

- 500 WATT-os csillár 500 WATT-os kvarclámpa eltérő biológiai hatás 500 WATT-os röntgencső       

- 1964. A. Penzias és R. Wilson ( N. 1978. )

A Tokiói Olimpia televíziós közvetítése kapcsán felfedezik a kozmikus háttérsugárzás kvantumos természetét. (  2,7 K hőmérsékletű fekete test )

slide50

1888. A. Sztoljetov ( orosz ) és W. Hallwachs ( német )

Nagy frekvenciájú fény hatására a negatív töltésű Zn lemezt elektronok

hagyják el => a lemez pillanatszerűen elveszíti negatív töltését. Ez a jelenség a fényelektromos hatás vagy fotoeffektus. 

nagy frekvenciájú fény

slide51

Az alkáli fémek ( Li, Na, K, Rb,…) esetében ez a jelenség már látható fény hatására is létrejön. Ezen alapszik a fotocella működése.

Látható fény hatására az alkálifém katódról elektronok lépnek ki az anód gyűjtőhurok felé, melyeket az anód be is gyűjt. Emiatt az anód és a katód között potenciálkülönbség alakul ki, melyet aztán bizonyos áramkörben hasznosítanak.

slide54

1905. Albert Einstein ( N. 1921. ) A fotoeffektus magyarázata.

A fény és minden más elektromágneses sugárzás adagokban (kvantumokban) adja át az energiát valamely más anyagnak. Az egyszínű fény energiaadagjainak (fotonjainak) a nagysága függ a fény színétől (υ).

A fény erőssége egyenesen arányos az egységnyi felületekre időegység alatt beeső fotonok számával.

Tehát

Azaz

Ahol a neve Planck-állandó.

slide55

Ha a fotocella katódja más-más anyagból készül, akkor ugyanolyan színű fény más-más Umax-ot hoz létre, mivel a különböző fémek más-más energiával kötik az elektronjaikat. Azt a legkisebb energiát, amely az elektronnak a fémből való kiléptetéséhez szükséges, kilépési munkának nevezzük.

Ezek után Ez az ún. fényelektromos egyenlet

Ahol => a foton energiája

=> kilépési munka

=> az elektron mozgási energiája

VAGY

Ahol e = elemi töltés

U = az anód és a katód közötti feszültség

slide56

Összefoglalva:

-         Interferencia

-         Elhajlás => a fény hullám természetű (  ,  )

-         Polarizáció

-         Fényelektromos hatás

-         Hőmérsékleti sugárzás => a fény részecske természetű (ε , p)

-         Kozmikus háttérsugárzás  

A fény kettős ( duális ) természetű.

ε = A részecske tulajdonságra utal = A hullám tulajdonságra utal

slide57

„Őrült beszéd, de van benne rendszer.”

( Shakespeare: Hamlet )

„ Mi a fény? Hétfőn, szerdán és pénteken hullám, kedden, csütörtökön és szombaton részecske, vasárnap pedig pihennek a fizikusok.”

( Sir William Henry Bragg ( angol ) N. 1915. )

anyaghull mok
Anyaghullámok

1880. H. Hertz bebizonyítja a katódsugárzás hullámtermészetét

1887. J. J. Thomson az elektront golyótulajdonságokkal írja le

Akkor most mi az elektron? Hullám vagy részecske?

Az elektron hullámtulajdonságának megállapításához az elektronnyaláb interferenciáját kellett kimutatni. Ehhez a katódsugárcsőbe az elektron útjába vékony grafitkristály metszetet helyeztek, mint optikai rácsot, ekkor interferenciagyűrűket tapasztaltak. Ez az ún. elektroninterferencia.  

1927. G. B. Thomson ( angol ) N. 1937.

Az elektron tehát egyszer részecskeként, egyszer hullámként viselkedik.

slide60

Később ezeket a kísérleteket más részecskékre is ( pl.: proton; hidrogén atom; He atommag =  részecske; …stb. ) elvégezték, s bebizonyosodott, hogy a részecske hullám kettősség a mikrovilágban minden anyagdarabka velejáró tulajdonsága.

Ez az ún.  anyaghullám hipotézis( Louis de Broglie N. 1929. )

slide61

Pl.: katódsugárcsőben

Tapasztalat szerint, ha p nő, akkor a gyűrűk átmérője (  ) csökken:

Azaz Ez az ún. de Broglie törvény ( 1924. )

Mekkora a de Broglie hullámhossza egy 106 m/s sebességgel száguldó elektronnak?

az llapot
Az állapot

Az 1920-as évekre kiderült, hogy a mikrorészecskék hullám- és részecske-tulajdonságokat is mutatnak.

A klasszikus fizika nem tudta ezeket a problémákat megoldani.

Ezen jelenségek leírásához, megmagyarázásához egy új elméletet dolgoztak ki. Ez volt az ún. kvantummechanika.

E. Schrödinger ( N. 1933. ) Az állapotfüggvény bevezetése ( jele:  )

W. Heisenberg ( N. 1932. =>1933. ) Mátrixmechanika

P. Dirac ( N. 1933. ) Relativisztikus kvantummechanika

W. Pauli ( N. 1945. ) Pauli - elv

A kvantummechanika egyenletei leírják a mikrovilág törvényszerűségeit. A klasszikus mechanikából nem vezethetők le, de makroszkópikus határesettel adódnak belőlük a klasszikus ( newtoni ) mechanika törvényei.

slide63

Schrödinger egy olyan függvényt keresett,amellyel egyszerre le tudta írni a részecske hullám- illetve golyótulajdonságát.

Ez a  (pszí) állapotfüggvény v. hullámfüggvény.

A  függvény jellemzői:

- Értelmezési tartománya: az egész tér ( + és – is lehet ).

- Értékkészlete: ahol a részecske jelen van, ott   0.

- Legyen rá érvényes a szuperpozíció elve, azaz ha a részecske 1 és 2 állapotfüggvénnyel is megvalósulhat, akkor  = 1+ 2 állapotfüggvénnyel is megvalósítható.

- A részecske adott helyen való megtalálási valószínűsége ~2 .

- Egy p lendületű részecskét egy periodicitású szinuszfüggvénnyel írjuk le.

slide64

ÖSSZEFOGLALVA:

I. A periodicitásból következtethetünk a részecske lendületére.

Minél „cifrább”, sűrűbb az állapotfüggvény, annál mozgékonyabb a részecske.

II. Kitérés arányos a részecske megtalálási valószínűségével.

Minél nagyobb a részecske amplitúdója, annál nagyobb a részecske megtalálási valószínűsége.

VAGYIS:

A állapotfüggvény egyszerre írja a részecske elhelyezkedését és lendületét is.

a hat rozatlans gi rel ci
A határozatlansági reláció

Newtoni mechanika:

Az „itt van a test” és „ekkora a test sebessége” egymástól független állítások.

Kvantummechanika:

A mikrorészecskék állapotát egyetlen állapotfüggvénnyel le tudtuk írni, így a hely és a lendület nem voltak függetlenek egymástól.

slide66

A mikrorészecskék világában a hely és a lendület nem függetlenek egymástól. Egy részecske helyének és impulzusának pontos pontos meghatá-

rozása egyidejűleg nem lehetséges.

AZAZ

A részecske helyét és mozgását jellemző átlagos hely étékektől való eltérések ( x ) és átlagos lendület értékektől való eltérések ( px ) szorzata állandó.

Ez az ún. Heisenberg – féle határozatlansági reláció ( 1927. )

Pl. : oroszlán + sivatag ; kígyó + kosár

a bez rt elektron
A bezárt elektron

Eddig: a szabad elektron viselkedését vizsgáltuk. ( de Broglie, Heisenberg )

A valóságban az elektronok atomokhoz, molekulákhoz vannak kötve. A legegyszerűbb esetet vizsgálva, tekintsünk egy hosszú egyenes láncmolekula pozitív atomtörzse körül megtalálható elektront (delokalizált e-).

A molekulán belül: Epot << 0

A molekulán kívűl: Epot = 0

Ekkor az elektron nem gyorsul ( p = állandó ), így egy    ( = állandó ) hullámhosszú hullámfüggvény írja le.

Modell: mindkét végén befogott húr

Ha k = 0

slide68

Ha k = 1

Ha k = 2

slide70

Ha k = 0 ―› alapállapot

Ha k = 1 —› 1. gerjesztett állapot

slide71

Tetszőleges ( k+1 )-edik gerjesztett állapotból visszalépve k. gerjesztett állapotba a felszabaduló energia:

A rövidebb molekulába bezárt elektron gerjesztéséhez több energiára van szükség. Mivel a látható fény fotonja kicsi h· energiájú, ezért az ilyen foton a hosszú láncmolekulához kapcsolódó delokalizált elektronokat képes gerjeszteni. Ha ilyen molekulára fehér fényt bocsátunk, akkor azok a fotonok fognak hiányozni a fehér fény színképéből, amelyeknek elég energiájuk van az elektron gerjesztéséhez. A maradék fény színes lesz!

pl.: karotin; likopin; kapszorubin; zeaxantin

slide72

Bonyolultabb esetben az elektron 2 dimenzióban mozoghat.

Modell: szappanhártya

Ha ka = 0 kb = 0 ka = 1 kb = 0 ka = 0 kb = 1

Ahol

ka : az „a”-ra ┴ csomóvonalak száma

kb : a „b”-re ┴ csomóvonalak száma

slide73

A de Broglie törvényből

Az elektron mozgási energiája:

slide74

Ha ka = 0 és kb = 0 —› alapállapot

Egycsomós állapot ( 1. gerjesztett állapot )

Ha ka = 1 és kb = 0 VAGY ka = 0 és kb = 1

Tehát ha a = b —› E10 = E01

ha a ≠ b —› E10 ≠ E01—› az energiaszint felhasad

slide75

Minél nagyobb a molekula aszimmetriája, annál nagyobb a felhasadás mértéke. A kissé sérült tértartományt biztosító molekulák energiaszintjei a felhasadás révén olyan közel kerülnek egymáshoz, hogy a látható fény fotonjainak is van elég energiájuk az elektronok gerjesztéséhez. Emiatt az ilyen fotonok elnyelődnek, s így ezek az anyagok is színesek.

Pl.: klorofill molekula

( A h· = 0,28 aJ energiájú vörös fotont elnyeli, így ZÖLD színű lesz a levél. )

Megjegyzés:

Ha az elektron három dimenzióban mozoghat, akkor a bezáró tartomány szimmetriasérülése szintén az energiaszintek felhasadását eredményezi.

slide76

Összefoglalva

Azok az anyagok látszanak színesnek, amelyeknek molekulái hosszú egyenes tértartományt vagy kissé sérült szimmetriájú tértartományt biztosítanak az elektronjaik számára.

Energiaszint felhasadásos ábra!

a hidrog n atom elektronja
A hidrogén atom elektronja

Eddig a molekulához kötött elektron energiáját vizsgáltuk általános esetben, most pedig egy konkrét elem, a hidrogén atom vizsgálatát kezdjük.

H = 1 proton + 1 elektron

A hidrogén atom alapállapotát a kvantumos nyüzsgésből származó mozgási energia és a coulomb vonzásából származó elektromos potenciális energia együttesen alakítja ki.

slide78

Teljes négyzetté alakítva:

Mikor lesz E minimális?

slide80

Az energia minimális értéke:

Azmegadja az alapállapotú hidrogén atom energiáját.

Az megadja az alapállapotú hidrogén atom méretét.

Azt az energiát, amely ahhoz szükséges, hogy egy atomot egy elektronjától megfosszunk ionizációs energiának nevezzük. Pl.

A kémiában az ionizációs energiát egy mólra vonatkoztatják.

slide82

Az rh–nál (határtávolság) távolabb a klasszikus mechanika szerint nem találhatnánk elektront, hiszen ott az Emozg< 0 lenne.

Tapasztalat szerint azonban a részecske ott is megtalálható, ahol Eössz< Epot . Ekkor a részecske „alagutat fúr” az elébe helyezett potenciálgáton és nem nulla valószínűséggel található meg a gát mögött. Ez az alagúteffektus.

a gerjesztett hidrog n atom
A gerjesztett hidrogén atom

1914. J. Franck és G. L. Hertz ( németek ) N. 1925.  1926.

A kísérlet elvi vázlata:

slide84

Töltsük meg a katódsugárcsövet a vizsgálandó gáz atomjaival! Az UR rácsfeszültség gyorsítja a katódról kilépő elektronokat. A rácsnál az elektronoknak e·UR mozgási energiájuk van.

A rács – anód távolságon az UA lassítja az elektronokat.

Ha UR nő  IA is nő.

Egy adott UR rácsfeszültségnél azonban az IA anódáram hirtelen lecsökken, mert ekkor az elektronoknak az energiája van éppen elég a velük ütköző atomok gerjesztéséhez. Ekkor az ütközés révén csökken az elektronok energiája, így nem érnek el az anódig. Tehát csökkenni fog az IA anódáram.

Ekkor a E = e· UR éppen a gáz alapállapotú atomjának a gerjesztési energiája, amely az adott gázra jellemző.

Franck és Hertz ugyanígy kimérte a gáz többi gerjesztési energiáját is.

slide86

Keressük meg a hidrogén atom gerjesztett állapotainak energiáját!

Megjelenik k db csomó  a  hullámhossz a ( k + 1 ) – ed részére csökken  a p lendület a ( k + 1 ) – szeresére nő.

slide89

A hidrogénatom elektronjának lehetséges állapotait energia és méret szempontjából az n = k + 1 természetes szám határozza meg. Ezt a számot főkvantumszámnak nevezzük.

Így a hidrogénatom mérete és energiája:

és

slide91

Gerjesztett állapotból kevésbé gerjesztett állapotba visszalépve a gáz fotont bocsát ki. Vagyis a forró hidrogén gáz világít ( Geissler – csövek ).

A forró hidrogéngáz színképe jellegzetes:

I. Ha valamely gerjesztett állapotból az elektron alapállapotba ( n = 1 ) kerül, akkor a színképet az ultraibolya tartományban találjuk.

Ez a Lyman-sorozat ( 1906. ).

II. Ha az elektron valamely gerjesztett állapotból az első gerjesztett állapotba

( n = 2 ) lép vissza, akkor a színképet a látható tartományban találjuk.

Ez a Balmer-sorozat ( 1885. ).

III. Ha valamely gerjesztett állapotból a második gerjesztett állapotba ( n  3 ) lép vissza az elektron, akkor a színképet az infravörös tartományban találjuk.

Ez a Paschen-sorozat ( 1908. ).

mint k a h atomban
Minták a H atomban

1953. Crick, Watson, Wilkins →a DNS szerkezetének modellje ( N. 1962. )

A DNS csavarvonalat nem lehet kirakni golyókból, így ezek a formák az atomok „irányválasztási képességéről” tanúskodnak.

slide93

Eddig a hidrogén atom lehetséges állapotait energia és méret szempontjából vizsgáltuk. Ehhez a csomók számát néztük meg ( főkvantumszám ).

Most vizsgáljuk meg a hidrogén atom állapotait a csomók alakja szerint is!

slide95

Egy adott állapot csomósíkjainak számát mellékkvantumszámnak nevezzük.

Jele: l

Az l értéke lehet: 0; 1; 2; 3… ; n-1

l=0 ( szférikus, gömbszerű állapot ) → s pálya

l=1 ( piskóta, propeller állapot ) → p pálya

l=2 ( duplapiskóta állapot ) → d pálya

l=3 → f pálya

Mágneses kvantumszám: Az elektron pályaperdületének a Z irányú komponensét adja meg.

Spinkvantumszám: Az elektron sajátperdületének a Z irányú komponensét adja meg.

vagy

a peri dusos rendszer fel p t se
A periódusos rendszer felépítése

A periódusos rendszer bármely elemének, bármely állapotához tartozó méretét és energiáját kiszámíthatjuk a hidrogén atomnál megtanult összefüggések segítségével :

Méret:

ahol

Energia:

ahol

slide97

1869. Mengyelejev: A periódusos rendszer megalkotása

( Akkor 61 elem, most 103 )

Az egyes elemeket növekvő atomsúly szerint rendszerezte. Az elemek bizonyos kémiai és fizikai tulajdonságai periódikusan ismétlődnek.

Mivel a kémiai és fizikai tulajdonságokat az atom elektronszerkezete szabja meg, írjuk fel azokat a szabályokat, elveket, törvényeket, amelyek az elektronszerkezetet megszabják!

a)     Minden atom a H atomnál megismert 1s; 2s; 2p; 3s; 3p; 4s; 3d… állapotokat használja.

b)    Pauli- elv: a lényegesen eltérő állapotok maximum 2 elektronnal tölthetők be.

Pl.:

c)  Energiaminimum - elv: az atom a Pauli- elv által megengedett legmélyebb energiájú állapotban őrzi elektronjait.A magasabb energiájú állapotból az atom foton kisugárzással kerül mélyebb állapotba.

d)  Hund - szabály: ha az elektronok azonos energiájú állapotok között választhat-nak, akkor egymás taszítása miatt lényegesen különböző állapotokat mintáznak meg.

vezet k f lvezet k szigetel k
Vezetők, félvezetők, szigetelők

A különböző anyagi minőségű testek más-más mértékben vezetik az áramot, mivel különböző számú szabad elektront tartalmaz. Az elektronszerkezet modellezéséhez ún. energiasáv modellt alkalmaznak.

Gondolatkísérlet: Rögzítsünk le egymástól azonos távolságra 4 darab H atommagot ( p+ )!

A legmélyebb energiájú állapotokhoz a 0, 1, 2, 3 csomós atomállapotok összegzésével tudunk eljutni.

Ekkor csak 4 darab lényegesen különböző állapotot találunk.

( Definíció: A A állapotfüggvénnyel megvalósított A állapot lényegesen különböző a B állapotfüggvénnyel megvalósított B állapottól, ha A ·B = 0. )

Az ezektől lényegesen különböző állapotok már sokkal magasabb energiájú állapotok.

slide102

Általánosan „N” db atom „N” db egyforma (pl.: 1s v. 2s v. 2p ) állapotból „N” számú, lényegesen különböző állapot alakítható ki, valamint a nagyobb rendszámú elemeknél megjelennek a magasabb főkvantumszámú állapotok is.

slide103

Az egymást sűrűn követő E-szintek sokaságát megengedett sávnak nevezzük.

Azt az E-tartományt, amelyben egyetlen E-szinthez sem tartozik elektronállapot, tiltott sávnak nevezzük.

Az utolsó betöltött sáv a valencia-sáv.

slide104

Az alkálifémek elektronszerkezete

Az alkálifémek a periódusos rendszer 1. oszlopában találhatók:

3Li, 11Na, 19Ki, 37Rb…stb

 1 db 3Li atom ( 3 db e- ) : 1.-2. e- 1s2

3. e- 2s1

 N db 3Li atom ( 3 N db e- ) : 2 N db e- 1s2

N db e- 2s1

1 db 11Na atom ( 11 db e- ) : 1.-2. e- 1s2

3.-4. e- 2s2

5.-6.-7.-8.-9.-10. e- 2p6

11. e- 3s1

N db 11Na atom ( 11 N db e- ) : 2 N db e- 1s2

2 N db e- 2s2

6 N db e- 2p6

N db e- 3s1

slide105

Az alkáli fémeknél az utolsó sáv mindig „s” sáv, amelynek az „N” db

E-szintje közül az „N” számú e- csak darabot tölt be párosával

(Pauli - elv).

 A fennmaradó üres E-szintekre az elektronok kis energiával is

gerjeszthetők, ezért a fém a kis energiájú látható, infravörös és rádió

fotonokra sem átlátszó ( pl. fém antenna ) és az ilyen anyag vezeti az

áramot.

Megjegyzés:

Alkáli földfémek: 4Be, 12Mg, 10Ca, 38Sr, 56Ba, 88Ra

Ezeknél az utolsó s sávot teljesen betöltik az elektronok, de itt az utolsó s sáv és a következő üres p sáv átfedik egymást. Tehát ezek az elemek is vezetik az áramot!

slide106

Azok az elemek, amelyeknél az utolsó teljesen betöltött sávot az üres sávtól

tiltott sáv választja el, a tiltott sáv szélességétől függően szigetelők vagy

félvezetők.

Szigetelők esetében a tiltott sáv szélesebb, így a kristály elektronjainak gerjesztéséhez nagy energiára van szükség ( E > 3 eV ). , ezért az ilyen anyagok nem vezetik az áramot és átlátszóak.

( Pl.: gyémántnál 5,2 eV; Al2O3-nál 7 eV ) 

Félvezetők esetében az elektronszerkezet hasonlít a szigetelőkéhez, de itt a tiltott sáv szélessége kisebb ( E  1 eV ). Ezért az ilyen anyagok nem átlátszóak és ha biztosítjuk a tiltott sáv szélességének megfelelő energiát, akkor vezetik az áramot.

 ( Pl.: Si - nál 1,08 eV; Ge-nál 0,66 eV )

slide108

Fontos!

I. A fémeket, a félvezetőket és a szigetelőket is felépíthetik ugyanazok az atomok, csak az atomok térbeli elhelyezkedése eltérő!

Pl.: grafit - vezető

gyémánt - szigetelő

II. Minden szigetelő vezetővé tehető, ha biztosítjuk a tiltott sáv szélességének megfelelő energiát!

az ramvezet s mechanizmusa
Az áramvezetés mechanizmusa

Ha a kristály teljesen szabályos lenne, akkor az elektronhullám zavartalanul végigfutna a fémen, s így a fémnek nem lenne ellenállása. A valóságban a kristályban sok-sok kristályhiba van, ezeken szóródik az elektronhullám s interferál a tovahaladó elektronhullámokkal. A fémnek ezt az elektron mozgását akadályozó tulajdonságát ohmikus ellenállásnak nevezzük.

Jele: R mértékegysége: Ω

Ohm törvénye:

Az elektromos vezető ellenállása:

slide110

Az elektromos ellenállás hőmérsékletfüggése:

Általában: ha T nő, akkor R nő

ha T csökken , akkor R csökken

Néhány anyag egy ún. Tc kritikus hőmérséklet alá hűtve hirtelen elveszíti ellenállását. Ezek az anyagok a szupravezetők.

1909. Kamerlingh-Onnes ( holland ) N. 1913.

Folyékony He-t állított elő, és közben a kísérlethez használt Hg ellenállása

Tc = 4,2 K hőmérsékleten hirtelen zérusra csökkent.

1972. A szupravezetés magyarázata: BCS-elmélet ( N. 1972.)

( J. Bardeen; L. Cooper; R. Schrieffer )

slide111

Mi történik áramvezetéskor?

I. Saját félvezetés(intrinsic)

Ekkor a félvezetők nem tartalmaznak szennyező atomokat. Ha biztosítjuk a tiltott sáv szélességének megfelelő energiát ( pl. U feszültség vagy megvilágítás vagy melegítés ), akkor elektronok kerülnek a vezetési sávba, s onnan már könnyen gyorsíthatók. A vezetési sávba került elektronok helyén ún. lyukak keletkeznek, amelyekbe az alacsonyabb energiájú szintekről újabb és újabb elektronok ugrálhatnak be. A gerjesztést fenntartva az ilyen félvezetők vezetik az áramot.

Megállapodás szerint az áram iránya a lyukak mozgási irányával egyezik meg.

slide113

II. Szennyezéses félvezetés (extinsic)

Tökéletesen tiszta félvezető ( Si vagy Ge ) nem létezik. Ekkor a félvezető kristály pl. Si olyan atomokkal van szennyezve, amelynek az Si-tól eltérő számú vegyértékelektronja van.

a. Szennyezzük az Si kristályt foszforral ( 5 vegyértékű )!

A P-nak 1-gyel több vegyértékelektronja van, mint a Si – nak, s így a P többlet-elektronja már csak a vezetési sávban foglalhat helyet. Annyi elektron kerül a vezetési sávba, ahány szennyező P atom van a kristályban . A vezetési sávban az elektronok már könnyen gerjeszthetők. Ekkor a vezetést az elektronok (negatív töltéshordozók ) biztosítják, ezért az ilyen vezetést n - típusú félvezetésnek nevezzük.

slide114

b. Szennyezzük az Si kristályt bórral ( 3 vegyértékű )!

A B-nak 1-gyel kevesebb vegyértékelektronja van, mint a Si –nak, s így a B hiányzó elektronja helyén egy ún. lyuk keletkezik. Annyi lyuk kerül a valencia sávba, ahány szennyező B atom van a kristályban. Az elektronok a magasabban levő lyukakba ( elektronhiány ) már könnyen gerjeszthetők. Ekkor a vezetést a lyukak ( pozitív töltéshordozók ) biztosítják, ezért az ilyen vezetést p - típusú félvezetésnek nevezzük.

f lvezet eszk z k m k d se
Félvezető eszközök működése

I. Félvezető dióda:

A dióda olyan Si lapocska, amelynek egyik oldalát p-re ( pl. 3B ), a másik oldalát n-re ( pl. 5P ) szennyeztük. Fontos, hogy a p oldalon ugyanannyi lyuk legyen, mint amennyi többlet elektron van az n oldalon, vagyis a két félkristály éppen semleges legyen.

A dióda „lelke” az ún. p – n átmenet.

Jele:

slide116

I. Ha nem kötünk áramforrást a diódára és képzeletben megszüntetjük a dióda p-n átmenetén a rést, akkor az n oldal magasabban levő elektronjai beugrálnának a p oldal alacsonyabban fekvő lyukaiba, így a diódán át rövid ideig áram folyna. Az elektronáramlás addig tartana, míg ki nem egyenlítődne az azonos magasságban levő elektronok száma.

II. Kössünk áramforrást a diódára, úgy, hogy a dióda p oldalát az áramforrás pozitív pólusához, míg a dióda n oldalát áramforrás negatív pólusához kössük! Ekkor az n oldal elektronszintjei megemelkednek a p oldal lyukaihoz képest, s így az n oldal magasabban levő elektronjai beugrálnak a p oldal alacsonyabban levő lyukaiba. Az elektronáramlás közben az áramforrás fenntartja a p és n oldal szintkülönbséget, s ezért a diódán át áram folyik →a diódát nyitó irányba kapcsoltuk.

slide117

III. Kössük a dióda p oldalát az áramforrás negatív pólusához, n oldalát a pozitív pólushoz! Ekkor a p oldal energiaszintjei megemelkednek az n oldal szintjeihez képest, s így az n oldal alacsonyabban levő elektronjai nem tudnak beugrálni a p oldal magasabban fekvő lyukaiba. A diódán át így nem folyik áram →a diódát záró irányba kapcsoltuk.

  • Gyakorlati alkalmazások:
  • - váltóáramok egyenirányúsítása
  • - fénykibocsátó dióda ( Light Emitting Diode → LED )
  • - fotodióda
  • kapacitásdióda
  • Zener-dióda
slide118

II. Tranzisztor:

A tranzisztor olyan Si lapocska, amelynek szomszédos tartományai eltérő módon vannak szennyezve.

Gyakorlati alkalmazás:

- kis jeláramok felerősítése

a l zer
A lézer

A lézer egy új típusú fényforrás, amely minden eddigi egyéb fényforrástól minőségileg különbözik.A lézer megalkotásáig az anyagban terjedő elektromágneses hullám terjedése közben a különböző veszteségi mechanizmusok miatt gyengült.

Lambert – Beer törvény

A lézer megalkotása egy ún. aktív anyag ( α < 0 ) megalkotását jelentette, amelyben a fényt többször végigfuttatva a fény nemhogy gyengülni, hanem erősödni fog!

1960. Maiman ( amerikai ) a lézer felfedezése

LASER- Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

( Fényerősítés kikényszerített emisszió útján )

slide120

Lézer működési elve

Fénnyel, hővel, kémiai reakcióval, elektromos úton…stb. gerjeszteni kell az aktív anyag részecskéit. Miközben a gerjesztett atom visszalép kevésbé gerjesztett állapotába egy fotont bocsát ki. Ha ez a foton egy másik, még magasabb energiájú atomba ütközik, akkor azt egy vele megegyező tulajdonságú foton kibocsátására kényszeríti.

A két azonos foton tökéletesen együtt mozogva egy irányban halad tovább. Az aktív anyag végén elhelyezett tükrökkel megoldják, hogy a lézersugár többször végigfusson a közegen és sok-sok millió tökéletesen egyforma foton keletkezzen. Az egyik tükör félig áteresztő, s így az egyik oldalon ki tud lépni a vörös lézerfény.

- mikrohullámú lézer ( MASER )

- rubinlézer ( alumínium – oxid ( zafír ) az aktív anyag )

- He-Ne lézer ( λ = 623 nm-es vörös fény )

slide121

A lézerfény tulajdonságai:

I. Monokromatikus - egyszínű (   1-2 Hz )

Alkalmazás: - szerves és szervetlen kémia

- biológia, orvostudomány ( kötések felépítése és bontása )

- üvegszálas távközlés

II. Kis divergenciájú - kis széttartás ( Föld – Hold sugár d = 30 m )

Alkalmazás: - geodéták ( iránykijelölés )

- katonai felhasználás ( fegyverek )

slide122

III. Nagy intenzitású

Alkalmazás: P = 0,1 - 1 mW - lézer mutató pálca

P = 100 mW - 1 W - kisebb műtéteknél

P = 50 W - 10 kW - ipari lézer

P > 10 kW - katonai lézerek

SZTE 1 TW = 10¹² W ( t = 20 fs alatt a fény 6 m utat tesz meg ! )

Világcsúcs: 1250 TW

IV. Koherens - interferenciára képes

Alkalmazás: - hologram

hologram
Hologram

1947. Gábor Dénes - hologram megalkotása - N. 1971.

holosz + gramma = teljes üzenet

A tárgyak képét 3 dimenzióban látjuk, mert a fényhullámok minden irányban visszaverődnek róluk, s interferálnak egymással, így a tárgy fényességét, árnyékát, mélységét is érzékeljük. A kamera és a fénykép csak a fényt és az árnyékot tudja érzékeltetni, de a mélységet nem, így csak két dimenziós képet ad.

A holográfiával érzékelhet a mélység is, s így 3 dimenziós képet kapunk.

( A képet „körbejárhatjuk” és a képek „mögé” lehet látni! )

slide127

Daniel Bernoulli

( 1700-1782 )

slide129

Louis-Joseph Proust

( 1754 - 1826 )

slide130

John Dalton

( 1766 - 1844 )

slide133

Robert Brown

(1773 - 1858 )

slide134

Rudolf Clausius

( 1822-1888 )

slide135

James Clerk Maxwell

( 1831-1879 )

slide138

Julius Plücker

( 1801 - 1868 )

slide141

Marie Curie és Pierre Curie

( 1867 - 1934 ) ( 1859 - 1906 )

slide142

Marie Curie

( 1867 - 1934 )

slide143

Joseph John Thomson

( 1856 - 1940 )

slide144

Sir Ernest Rutherford

( 1871 -1937 )

slide146

Werner Heisenberg

( 1901 - 1976 )

slide147

Wolfgang Pauli

( 1900 - 1958 )

slide148

Sir James Chadwick

( 1891 - 1974 )

slide149

Szilárd Leó

( 1898 - 1964 )

slide150

Otto Hahn

( 1879 - 1968 )

slide151

Fritz Strassmann

( 1902 - 1980 )

slide152

Enrico Fermi

( 1901 - 1954 )

slide153

Hevesy György

( 1885 - 1906 )

slide154

Gábor Dénes

( 1900 - 1979 )

slide156

Max Planck

( 1858 -1947 )

slide157

Albert Einstein

( 1879 - 1955 )

slide160

Erwin Schrödinger

( 1887 - 1961 )

slide161

Paul Dirac

( 1902 -1984 )

slide162

James Franck és Gustav Hertz

( 1882 - 1964 ) ( 1887 - 1975 )