Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Vlny a částice © RNDr. Jiří Kocourek 2013 Podmínky používání prezentace Stažení, instalace na jednom počítači a použití pro soukromou potřebu jednoho uživatele.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Vlny a částice © RNDr. Jiří Kocourek 2013 Podmínky používání prezentace Stažení, instalace na jednom počítači a použití pro soukromou potřebu jednoho uživatele."— Transkript prezentace:

1 Vlny a částice © RNDr. Jiří Kocourek 2013 Podmínky používání prezentace Stažení, instalace na jednom počítači a použití pro soukromou potřebu jednoho uživatele je zdarma. Použití pro výuku jako podpůrný nástroj pro učitele či materiál pro samostudium žáka, rovněž tak použití jakýchkoli výstupů (obrázků, grafů atd.) pro výuku je podmíněno zakoupením licence pro užívání software E-učitel příslušnou školou. Cena licence je 250,- Kč ročně a opravňuje příslušnou školu k používání všech aplikací pro výuku zveřejněných na stránkách Na těchto stránkách je rovněž podrobné znění licenčních podmínek a formulář pro objednání licence.www.eucitel.czlicenčních podmínekobjednání licence Pro jiný typ použití, zejména pro výdělečnou činnost, publikaci výstupů z programu atd., je třeba sjednat jiný typ licence. V tom případě kontaktujte autora pro dojednání podmínek a smluvní ceny. OK

2 Vlny a částice © RNDr. Jiří Kocourek 2013

3 Klasická představa o vlastnostech hmoty Hmota se může vyskytovat jako látka nebo pole.

4 Látka: složená z molekul, atomů, které se dále skládají z protonů, neutronů a elektronů. Částice mají jednoznačně určenou polohu a rychlost, jejich energie se může spojitě měnit a nabývat různých hodnot. Klasická představa o vlastnostech hmoty Hmota se může vyskytovat jako látka nebo pole.

5 Látka: složená z molekul, atomů, které se dále skládají z protonů, neutronů a elektronů. Částice mají jednoznačně určenou polohu a rychlost, jejich energie se může spojitě měnit a nabývat různých hodnot. Klasická představa o vlastnostech hmoty Hmota se může vyskytovat jako látka nebo pole. Pole: silové působení mezi tělesy (např. pole gravitační, elektromagnetické, atd.); pole se může šířit v prostoru ve formě vlnění. Vlnění je spojité, může se jím přenášet energie o libovolné hodnotě.

6 Látka: složená z molekul, atomů, které se dále skládají z protonů, neutronů a elektronů. Částice mají jednoznačně určenou polohu a rychlost, jejich energie se může spojitě měnit a nabývat různých hodnot. Klasická představa o vlastnostech hmoty Hmota se může vyskytovat jako látka nebo pole. Pole: silové působení mezi tělesy (např. pole gravitační, elektromagnetické, atd.); pole se může šířit v prostoru ve formě vlnění. Vlnění je spojité, může se jím přenášet energie o libovolné hodnotě. Koncem 19. století byly objeveny fyzikální děje, k jejichž vysvětlení bylo nutno opustit klasickou představu a v některých případech přisoudit vlnění (zejména elektromagnetickému) vlastnosti typické pro částice a naopak částicím některé vlnové vlastnosti. Vznikl nový obor – kvantová mechanika.

7 Záření "černého tělesa" (Dokonale) černé těleso: fyzikální model – ideální těleso, které neodráží ani nerozptyluje dopadající elektromagnetické záření; veškeré záření pohlcuje.

8 Záření "černého tělesa" (Dokonale) černé těleso: fyzikální model – ideální těleso, které neodráží ani nerozptyluje dopadající elektromagnetické záření; veškeré záření pohlcuje. V důsledku tepelného pohybu nabitých částic v látce vyzařuje každé těleso elektromagnetické záření různých vlnových délek. Spektrum vyzařovaného záření nijak nezávisí na druhu látky, závisí pouze na teplotě tělesa.

9 Záření "černého tělesa" (Dokonale) černé těleso: fyzikální model – ideální těleso, které neodráží ani nerozptyluje dopadající elektromagnetické záření; veškeré záření pohlcuje. V důsledku tepelného pohybu nabitých částic v látce vyzařuje každé těleso elektromagnetické záření různých vlnových délek. Spektrum vyzařovaného záření nijak nezávisí na druhu látky, závisí pouze na teplotě tělesa. frekvence (vlnová délka) viditelné světlo IR UV intenzita Při běžných pokojových teplotách je maximum vyzařovaného elektromagnetického záření v infračervené oblasti.

10 Záření "černého tělesa" (Dokonale) černé těleso: fyzikální model – ideální těleso, které neodráží ani nerozptyluje dopadající elektromagnetické záření; veškeré záření pohlcuje. V důsledku tepelného pohybu nabitých částic v látce vyzařuje každé těleso elektromagnetické záření různých vlnových délek. Spektrum vyzařovaného záření nijak nezávisí na druhu látky, závisí pouze na teplotě tělesa. viditelné světlo IR UV intenzita Zahříváme-li těleso, posouvá se maximum do blízké infračervené oblasti a těleso již začíná zářit i ve viditelném oboru. frekvence (vlnová délka)

11 Záření "černého tělesa" (Dokonale) černé těleso: fyzikální model – ideální těleso, které neodráží ani nerozptyluje dopadající elektromagnetické záření; veškeré záření pohlcuje. V důsledku tepelného pohybu nabitých částic v látce vyzařuje každé těleso elektromagnetické záření různých vlnových délek. Spektrum vyzařovaného záření nijak nezávisí na druhu látky, závisí pouze na teplotě tělesa. viditelné světlo IR UV intenzita Při dalším zahřívání se barva mění do oranžova frekvence (vlnová délka)

12 Záření "černého tělesa" (Dokonale) černé těleso: fyzikální model – ideální těleso, které neodráží ani nerozptyluje dopadající elektromagnetické záření; veškeré záření pohlcuje. V důsledku tepelného pohybu nabitých částic v látce vyzařuje každé těleso elektromagnetické záření různých vlnových délek. Spektrum vyzařovaného záření nijak nezávisí na druhu látky, závisí pouze na teplotě tělesa. viditelné světlo IR UV intenzita Při teplotě povrchu Slunce je maximum intenzity v oblasti žluté barvy. frekvence (vlnová délka)

13 Záření "černého tělesa" (Dokonale) černé těleso: fyzikální model – ideální těleso, které neodráží ani nerozptyluje dopadající elektromagnetické záření; veškeré záření pohlcuje. V důsledku tepelného pohybu nabitých částic v látce vyzařuje každé těleso elektromagnetické záření různých vlnových délek. Spektrum vyzařovaného záření nijak nezávisí na druhu látky, závisí pouze na teplotě tělesa. viditelné světlo IR UV intenzita Žhavější hvězdy vyzařují s maximem v zelené oblasti, avšak velmi silně září i v ostatních barvách – jeví se proto jako bílé. frekvence (vlnová délka)

14 Záření "černého tělesa" (Dokonale) černé těleso: fyzikální model – ideální těleso, které neodráží ani nerozptyluje dopadající elektromagnetické záření; veškeré záření pohlcuje. V důsledku tepelného pohybu nabitých částic v látce vyzařuje každé těleso elektromagnetické záření různých vlnových délek. Spektrum vyzařovaného záření nijak nezávisí na druhu látky, závisí pouze na teplotě tělesa. viditelné světlo IR UV intenzita Nejžhavější hvězdy se jeví jako modré. frekvence (vlnová délka)

15 Záření "černého tělesa" Vlastnosti záření černého tělesa dokázal teoreticky zdůvodnit až v roce 1900 německý fyzik Max Planck. Aby však teorie souhlasila s pozorováním, musel přijmout nečekaný předpoklad: Kvantová hypotéza: Elektromagnetické záření vyzařované jednotlivými atomy tělesa není vyzařováno spojitě, ale po určitých minimálních dávkách – kvantech. Energie tohoto kvanta závisí na frekvenci záření. Planckova konstanta

16 Záření "černého tělesa" Vlastnosti záření černého tělesa dokázal teoreticky zdůvodnit až v roce 1900 německý fyzik Max Planck. Aby však teorie souhlasila s pozorováním, musel přijmout nečekaný předpoklad: Kvantová hypotéza: Elektromagnetické záření vyzařované jednotlivými atomy tělesa není vyzařováno spojitě, ale po určitých minimálních dávkách – kvantech. Energie tohoto kvanta závisí na frekvenci záření. Planckova konstanta Poznámka: Z hlediska klasické fyziky nemá kvantování energie záření žádný důvod a sám Planck ho zpočátku považoval jen za jistý matematický trik.

17 Fotoelektrický jev (fotoefekt) Dopadá-li elektromagnetické záření na povrch některých kovů, začnou z nich vyletovat volné elektrony.

18 Fotoelektrický jev (fotoefekt) Dopadá-li elektromagnetické záření na povrch některých kovů, začnou z nich vyletovat volné elektrony. Příklad: záporně nabitá zinková destička se po osvětlení ultrafialovým zářením vybíjí; vyletují z ní volné elektrony:

19 Fotoelektrický jev (fotoefekt) Dopadá-li elektromagnetické záření na povrch některých kovů, začnou z nich vyletovat volné elektrony. UV Příklad: záporně nabitá zinková destička se po osvětlení ultrafialovým zářením vybíjí; vyletují z ní volné elektrony:

20 Fotoelektrický jev (fotoefekt) Dopadá-li elektromagnetické záření na povrch některých kovů, začnou z nich vyletovat volné elektrony. UV Příklad: záporně nabitá zinková destička se po osvětlení ultrafialovým zářením vybíjí; vyletují z ní volné elektrony: Elektromagnetické vlnění předává spojitě energii elektronům; některé dokážou překonat síly, které je drží uvnitř kovu a vyletují ven. Při zvýšení intenzity záření by předaná energie měla být vyšší a elektrony by měly vyletovat vyšší rychlostí. Při nižší frekvenci záření by vždy měly vyletovat alespoň některé elektrony, které náhodně získaly dostatečně vysokou energii. Vysvětlení z hlediska klasické fyziky:

21 Fotoelektrický jev (fotoefekt) Dopadá-li elektromagnetické záření na povrch některých kovů, začnou z nich vyletovat volné elektrony. UV Příklad: záporně nabitá zinková destička se po osvětlení ultrafialovým zářením vybíjí; vyletují z ní volné elektrony: Elektromagnetické vlnění předává spojitě energii elektronům; některé dokážou překonat síly, které je drží uvnitř kovu a vyletují ven. Při zvýšení intenzity záření by předaná energie měla být vyšší a elektrony by měly vyletovat vyšší rychlostí. Při nižší frekvenci záření by vždy měly vyletovat alespoň některé elektrony, které náhodně získaly dostatečně vysokou energii. Vysvětlení z hlediska klasické fyziky: Skutečnost: Rychlost vyletujících elektronů nijak nezávisí na intenzitě záření, závisí pouze na jeho frekvenci. Pokud je frekvence nižší než jistá mezní hodnota (pro každý kov jiná), nevyletí již žádný elektron.

22 Fotoelektrický jev (fotoefekt) Dopadá-li elektromagnetické záření na povrch některých kovů, začnou z nich vyletovat volné elektrony. Příklad: záporně nabitá zinková destička se po osvětlení ultrafialovým zářením vybíjí; vyletují z ní volné elektrony: Elektromagnetické vlnění se chová jako soubor "kvant" – částic, přičemž každá částice může předat celou svou energii ( E = h · f ) vždy jen jednomu elektronu. Vysvětlení na základě kvantové hypotézy: (A. Einstein 1905) UV

23 Fotoelektrický jev (fotoefekt) Dopadá-li elektromagnetické záření na povrch některých kovů, začnou z nich vyletovat volné elektrony. Příklad: záporně nabitá zinková destička se po osvětlení ultrafialovým zářením vybíjí; vyletují z ní volné elektrony: Vysvětlení na základě kvantové hypotézy: (A. Einstein 1905) UV Elektromagnetické vlnění se chová jako soubor "kvant" – částic, přičemž každá částice může předat celou svou energii ( E = h · f ) vždy jen jednomu elektronu.

24 Fotoelektrický jev (fotoefekt) Dopadá-li elektromagnetické záření na povrch některých kovů, začnou z nich vyletovat volné elektrony. UV Příklad: záporně nabitá zinková destička se po osvětlení ultrafialovým zářením vybíjí; vyletují z ní volné elektrony: Vysvětlení na základě kvantové hypotézy: (A. Einstein 1905) Elektromagnetické vlnění se chová jako soubor "kvant" – částic, přičemž každá částice může předat celou svou energii ( E = h · f ) vždy jen jednomu elektronu. Zvýšením intenzity (tedy zvýšením počtu částic) dojde ke zvýšení počtu uvolněných elektronů, ne však jejich energie.

25 Fotoelektrický jev (fotoefekt) Dopadá-li elektromagnetické záření na povrch některých kovů, začnou z nich vyletovat volné elektrony. UV Příklad: záporně nabitá zinková destička se po osvětlení ultrafialovým zářením vybíjí; vyletují z ní volné elektrony: Vysvětlení na základě kvantové hypotézy: (A. Einstein 1905) Elektromagnetické vlnění se chová jako soubor "kvant" – částic, přičemž každá částice může předat celou svou energii ( E = h · f ) vždy jen jednomu elektronu. Zvýšením intenzity (tedy zvýšením počtu částic) dojde ke zvýšení počtu uvolněných elektronů, ne však jejich energie. Snižováním frekvence se snižuje energie vyletujících elektronů.

26 Fotoelektrický jev (fotoefekt) Dopadá-li elektromagnetické záření na povrch některých kovů, začnou z nich vyletovat volné elektrony. viditelné Příklad: záporně nabitá zinková destička se po osvětlení ultrafialovým zářením vybíjí; vyletují z ní volné elektrony: Vysvětlení na základě kvantové hypotézy: (A. Einstein 1905) Elektromagnetické vlnění se chová jako soubor "kvant" – částic, přičemž každá částice může předat celou svou energii ( E = h · f ) vždy jen jednomu elektronu. Zvýšením intenzity (tedy zvýšením počtu částic) dojde ke zvýšení počtu uvolněných elektronů, ne však jejich energie. Snižováním frekvence se snižuje energie vyletujících elektronů. Snížením pod určitou mez už elektron nezíská dostatečnou energii potřebnou k uvolnění z kovu.

27 Fotoelektrický jev (fotoefekt) Jednotlivá kvanta elektromagnetického záření můžeme chápat jako jistý druh elementárních částic – nazývají se fotony.

28 Fotoelektrický jev (fotoefekt) Jednotlivá kvanta elektromagnetického záření můžeme chápat jako jistý druh elementárních částic – nazývají se fotony. Energie jednoho fotonu: h... Planckova konstanta f... frekvence příslušného vlnění

29 Fotoelektrický jev (fotoefekt) Jednotlivá kvanta elektromagnetického záření můžeme chápat jako jistý druh elementárních částic – nazývají se fotony. Energie jednoho fotonu: h... Planckova konstanta f... frekvence příslušného vlnění Podle Einsteinova kvantově mechanického vysvětlení fotoelektrického jevu předá foton celou svou energii jednomu elektronu. Tato energie se využije jednak na překonání sil držících elektron uvnitř kovu a jednak na kinetickou energii vyletujícího elektronu.

30 Fotoelektrický jev (fotoefekt) Jednotlivá kvanta elektromagnetického záření můžeme chápat jako jistý druh elementárních částic – nazývají se fotony. Energie jednoho fotonu: h... Planckova konstanta f... frekvence příslušného vlnění Podle Einsteinova kvantově mechanického vysvětlení fotoelektrického jevu předá foton celou svou energii jednomu elektronu. Tato energie se využije jednak na překonání sil držících elektron uvnitř kovu a jednak na kinetickou energii vyletujícího elektronu. W V... výstupní práce (materiálová konstanta) Einsteinova rovnice fotoelektrického jevu

31 Fotoelektrický jev (fotoefekt) Jednotlivá kvanta elektromagnetického záření můžeme chápat jako jistý druh elementárních částic – nazývají se fotony. Energie jednoho fotonu: h... Planckova konstanta f... frekvence příslušného vlnění Podle Einsteinova kvantově mechanického vysvětlení fotoelektrického jevu předá foton celou svou energii jednomu elektronu. Tato energie se využije jednak na překonání sil držících elektron uvnitř kovu a jednak na kinetickou energii vyletujícího elektronu. W V... výstupní práce (materiálová konstanta) Einsteinova rovnice fotoelektrického jevu Příklady – výstupní práce některých kovů: cesium 1,96 eV; křemík 3,59 eV; olovo 4,04 eV; zinek 4,27 eV; železo 4,63 eV; platina 5,36 eV

32 Částicově – vlnový dualismus Při jistých fyzikálních dějích tedy můžeme považovat elektromagnetické záření za proud fotonů, které se chovají podobně jako "klasické" částice:

33 Částicově – vlnový dualismus Při jistých fyzikálních dějích tedy můžeme považovat elektromagnetické záření za proud fotonů, které se chovají podobně jako "klasické" částice. Comptonův jev – rozptyl fotonů rentgenového záření na elektronech můžeme modelovat podobně jako srážku dvou klasických částic (kulečníkových koulí) pomocí zákona zachování hybnosti. Příklad: Hybnost fotonu: c... rychlost světla... vlnová délka

34 Vlnové vlastnosti částic L. De Broglie (1924) přišel s myšlenkou, že by i ostatní částice (elektrony, protony atd.) mohly mít naopak některé vlnové vlastnosti. Každé pohybující se částici přiřadil jistou vlnu o vlnové délce: (obdobný vztah jako mezi vlnovou délkou a hybností fotonu)

35 Vlnové vlastnosti částic L. De Broglie (1924) přišel s myšlenkou, že by i ostatní částice (elektrony, protony atd.) mohly mít naopak některé vlnové vlastnosti. Každé pohybující se částici přiřadil jistou vlnu o vlnové délce: (obdobný vztah jako mezi vlnovou délkou a hybností fotonu) Experimentální potvrzení De Broglieovy hypotézy: Davisson – Germerův pokus (1927) svazek elektronů krystalická látka

36 Vlnové vlastnosti částic L. De Broglie (1924) přišel s myšlenkou, že by i ostatní částice (elektrony, protony atd.) mohly mít naopak některé vlnové vlastnosti. Každé pohybující se částici přiřadil jistou vlnu o vlnové délce: (obdobný vztah jako mezi vlnovou délkou a hybností fotonu) Experimentální potvrzení De Broglieovy hypotézy: Davisson – Germerův pokus (1927) elektrony se odrážejí a rozptylují na jednotlivých vrstvách v krystalu a setkávají se tak s různým dráhovým rozdílem

37 Vlnové vlastnosti částic L. De Broglie (1924) přišel s myšlenkou, že by i ostatní částice (elektrony, protony atd.) mohly mít naopak některé vlnové vlastnosti. Každé pohybující se částici přiřadil jistou vlnu o vlnové délce: (obdobný vztah jako mezi vlnovou délkou a hybností fotonu) Experimentální potvrzení De Broglieovy hypotézy: Davisson – Germerův pokus (1927) detektor (stínítko)

38 Vlnové vlastnosti částic L. De Broglie (1924) přišel s myšlenkou, že by i ostatní částice (elektrony, protony atd.) mohly mít naopak některé vlnové vlastnosti. Každé pohybující se částici přiřadil jistou vlnu o vlnové délce: (obdobný vztah jako mezi vlnovou délkou a hybností fotonu) Experimentální potvrzení De Broglieovy hypotézy: Davisson – Germerův pokus (1927) Elektrony odražené od vrstev atomů v krystalu vytvářejí na stínítku interferenční obrazce obdobně jako světlo interferující na planparalelní vrstvě.

39 Vlnové vlastnosti částic Fyzikální podstata De Broglieovy vlny (Max Born) : Objektům mikrosvěta (částicím) přiřazujeme složitou vlnovou funkci  (x,y,z,t). Fyzikální význam nemá sama tato funkce, ale druhá mocnina její absolutní hodnoty |  (x,y,z,t) | 2, která vyjadřuje hustotu pravděpodobnosti výskytu dané částice v daném místě a čase.

40 Vlnové vlastnosti částic Fyzikální podstata De Broglieovy vlny (Max Born) : Objektům mikrosvěta (částicím) přiřazujeme složitou vlnovou funkci  (x,y,z,t). Fyzikální význam nemá sama tato funkce, ale druhá mocnina její absolutní hodnoty |  (x,y,z,t) | 2, která vyjadřuje hustotu pravděpodobnosti výskytu dané částice v daném místě a čase. Objekt mikrosvěta (částice): Klasické pojetí: Částice (kulička) se pohybuje po určité trajektorii, v daném čase je na jediném místě v prostoru. Její stav je jednoznačně určen polohou (souřadnicemi) a rychlostí.

41 Vlnové vlastnosti částic Fyzikální podstata De Broglieovy vlny (Max Born) : Objektům mikrosvěta (částicím) přiřazujeme složitou vlnovou funkci  (x,y,z,t). Fyzikální význam nemá sama tato funkce, ale druhá mocnina její absolutní hodnoty |  (x,y,z,t) | 2, která vyjadřuje hustotu pravděpodobnosti výskytu dané částice v daném místě a čase. Objekt mikrosvěta (částice): Částice (kulička) se pohybuje po určité trajektorii, v daném čase je na jediném místě v prostoru. Její stav je jednoznačně určen polohou (souřadnicemi) a rychlostí. Kvantově mechanický popis: Částice je kvantum jistého vlnění. Na určitém místě se vyskytuje pouze s určitou pravděpodobností; její přesnou polohu není možné určit. Její stav je popsán vlnovou funkcí, jejíž druhá mocnina určuje hustotu pravděpodobnosti výskytu částice v daném místě. Klasické pojetí:

42 Vlnové vlastnosti částic Fyzikální podstata De Broglieovy vlny (Max Born) : Objektům mikrosvěta (částicím) přiřazujeme složitou vlnovou funkci  (x,y,z,t). Fyzikální význam nemá sama tato funkce, ale druhá mocnina její absolutní hodnoty |  (x,y,z,t) | 2, která vyjadřuje hustotu pravděpodobnosti výskytu dané částice v daném místě a čase. Objekt mikrosvěta (částice): Částice (kulička) se pohybuje po určité trajektorii, v daném čase je na jediném místě v prostoru. Její stav je jednoznačně určen polohou (souřadnicemi) a rychlostí. Částice je kvantum jistého vlnění. Na určitém místě se vyskytuje pouze s určitou pravděpodobností; její přesnou polohu není možné určit. Její stav je popsán vlnovou funkcí, jejíž druhá mocnina určuje hustotu pravděpodobnosti výskytu částice v daném místě. Poznámka: Pojem "hustota pravděpodobnosti výskytu" znamená: Pravděpodobnost, že se částice vyskytuje v jisté malé oblasti o objemu  V je dána vztahem: Klasické pojetí: Kvantově mechanický popis:

43 Částicově – vlnový dualismus: Všechny objekty mikrosvěta vykazují jak částicové tak vlnové vlastnosti. V závislosti na druhu experimentu, který s nimi provádíme, pozorujeme buď projevy typické pro vlnění (interference, ohyb atd.) nebo pro částice (předávání energie po kvantech, srážky částic podle zákona zachování hybnosti atd.)

44 Obrázky, animace a videa použité v prezentacích E-učitel jsou buď originálním dílem autora, nebo byly převzaty z volně dostupných internetových stránek.


Stáhnout ppt "Vlny a částice © RNDr. Jiří Kocourek 2013 Podmínky používání prezentace Stažení, instalace na jednom počítači a použití pro soukromou potřebu jednoho uživatele."

Podobné prezentace


Reklamy Google