Škola: Chomutovské soukromé gymnázium Číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/34.0389 Název projektu: Moderní škola Název materiálu: VY_32_INOVACE_FYZIKA1_07 Tematická oblast: Fyzika pro střední školy Ročník: 4 Datum dokončení: 10.9.2012 Anotace: Podpora výukové hodiny, seznámení studentů se základy atomové fyziky Jméno autora: Mgr. Miloslav Šedý

Fyzika mikrosvěta

Co je to mikrosvět a makrosvět? Makrosvět = náš okolní svět, který může být popsán klasickou fyzikou (Newtonovská fyzika) Mikrosvět = svět atomů a ještě menších částic až za hranicemi rozměrů 10-9 m V mikrosvětě neplatí klasické zákony, tak jak je známe „Všechno, co jste věděli o fyzice, zapomeňte“

Svět molekul a atomů Tělesa, která vidíme, nejsou spojitá, ale mají přetržitou strukturu. Skládají se z molekul, molekuly z atomů, atomy z dalších částic (protony, neutrony, elektrony) a ty z ještě menších částic

Rutherfordův model atomu Tento model atomu předpokládal, že uprostřed atomu se nachází malé a (relativně) velmi hmotné atomové jádro. Kolem tohoto jádra se pak pohybují elektrony. Vrstva, v níž se pohybují elektrony je označována jako elektronový obal. Elektrický náboj jádra je kladný, přičemž jeho velikost je rovna celkovému náboji elektronového obalu, tzn. atom se jeví jako elektricky neutrální. Elektrony se kolem atomového jádra pohybují po eliptických drahách podobným způsobem jako planety kolem Slunce, což také dalo tomuto modelu jméno. V planetárním modelu se předpokládá, že průměr atomového jádra je přibližně roven 10-15 m a průměr elektronového obalu (a tedy i celého atomu) se pohybuje kolem 10-10 m. Planetární model atomového jádra již vyhovuje experimentům s rozptylem částic α. Jak však ukazuje analogie s pohybem planet ve sluneční soustavě, je tento model založen na klasické mechanice. Zákony kvantové mechaniky, které v té době teprve vznikaly, však do tohoto modelu zahrnuty nebyly.

Nedostatky modelu Planetární model atomu vyhovuje některým zákonům klasické fyziky, např. Newtonovým zákonům nebo Coulombovu zákonu, avšak s některými zákony má problémy. Např. podle elektromagnetické teorie dochází při urychlování (lépe řečeno změně rychlosti) elektrického náboje k vyzařování elektromagnetické energie. Na elektron obíhající jádro však působí přitažlivá síla, která způsobuje změnu vektoru rychlosti tohoto elektronu. Elektron obíhající kolem jádra by tedy měl vyzařovat elektromagnetickou energii, čímž by se postupně snižovala jeho kinetická energie, což by vedlo k postupnému přibližování se elektronu k jádru, až by do něj spadl. Teoretické výpočty ukazovaly, že by k tomu mělo dojít za čas 10-16 s. Při postupném přibližování elektronu k jádru by se navíc měnila frekvence vyzařovaného elektromagnetického vlnění, tzn. pozorované spektrum by bylo spojité, ačkoliv ve skutečnosti je spektrum čárové. To vše by by znamenalo zhroucení planetárního modelu, tedy zhroucení atomů (a také veškeré látky), které ve skutečnosti nepozorujeme.

Ernest Rutheford (1871-1937) Bývá považován za zakladatele jaderné fyziky. Zkoumal radioaktivní rozpad chemických prvků, navrhl koncept poločasu rozpadu a záření vzniklá rozpadem prvků rozdělil na α, β a γ. Při vývoji zařízení, které by umožňovalo detekovat záření, zjistil, že atom není homogenní koule, ale že jeho struktura odpovídá tzv. planetárnímu modelu. Za svůj objev a objevení radioaktivity obdržel v roce 1908 Nobelovu cenu za chemii, „za výzkum rozpadu prvků a chemii radioaktivních látek“. V roce 1919 se mu povedlo jako prvnímu přeměnit jadernou reakcí prvek na jiný prvek (dusík na kyslík). Tedy jako první provedl transmutaci prvku na jiný.

Složení jádra Neutrony Protony Atom charakterizujeme pomocí: protonové číslo (Z) = počet protonů v jádře neutronové číslo (N) = počet neutronů v jádře nukleonové číslo (A) = počet všech částic v jádře Platí: Zápis:

Hmotnost jádra Udává se v násobcích atomové hmotnostní konstanty mu mu = 1/12 hmotnosti atomu uhlíku C 12 Hmotnost určujeme hmotnostními spektrometry

Otázky Z kolika a z jakých částic se skládají Které z těchto symbolů jsou chybné:

Vazebná energie a energie jádra Vazebná energie Ev je rovna práci, jakou bychom museli vykonat, abychom soustavu rozložili na jednotlivé části. Každé změně energie odpovídá i změna hmotnosti

Vazebná energie a energie jádra Vazebná energie soustavy je kladná -> soustava je stabilní, k rozložení musíme dodat energii Vazebná energie soustavy je záporná -> soustava je nestabilní, snadno se rozpadá a uvolňuje se energie

Vazebná energie a energie jádra Úbytek klidové hmotnosti – odpovídá vazebné energii = hmotnostní úbytek B 𝐸 𝑣 =𝐵. 𝑐 2 = 𝑚 1 + 𝑚 2 +…+ 𝑚 𝑛 −𝑚 . 𝑐 2 Hmotnostní úbytek je tedy součet hmotností jednotlivých atomů mínus celková hmotnost soustavy

Vazebná energie a energie jádra Měření hmotnosti soustavy: Hmotnost závisí na energii -> hmotnost lze udávat i pomocí energie Základní jednotka – elektronvolt (eV) 1 𝑒𝑉=1,602 . 10 −19 𝐽

Vazebná energie a energie jádra Hmotnosti částic: Elektron: 0,511 MeV Proton: 938,28 MeV Neutron: 939,57 MeV

Příklady Jaký hmotnostní úbytek vznikne při spálení jedné tuny černého uhlí o výhřevnosti 25 MJ.kg-1? Odhadněte energii, která by se uvolnila, kdybychom složili 1 kg U 238 z jednotlivých nukleonů.

Pohyb v mikrosvětě

Kvantová hypotéza Kvantum elektromagnetického záření je nejmenší „kousek“ záření. Záření je vyzařováno po těchto dávkách (kousíčcích) energie. Později bylo pro kvantum záření zavedeno označení foton.

(Planckova konstanta) Kvantová hypotéza Energie fotonu: 𝐸=ℎ.𝑓 kde ℎ=6,626. 10 −34 J.s (Planckova konstanta)

Kvantová hypotéza Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858 – 1947) byl německý fyzik, považovaný za jednoho ze zakladatelů kvantové teorie. Studoval u vynikajících německých fyziků Helmholtze a Kirchhoffa. V červenci 1879 získal doktorát na mnichovské univerzitě. V roce 1880 dokončil dizertační práci a stal se soukromým docentem na mnichovské univerzitě. V roce 1885 byl s pomocí otce jmenován mimořádným profesorem na univerzitě v Kielu. V roce 1892 nastoupil po Helmholtzovi na místo řádného profesora teoretické fyziky na berlínské univerzitě. V Berlíně pak působil až do konce své vědecké kariéry.

Vlnová rovnice částice Kvantová mechanika Zabývá se mechanickým pohybem částic v mikrosvětě Pozor na vlnové vlastnosti částic!!! Vlnová rovnice částice Ψ(𝑥,𝑦,𝑧,𝑡)

Kvantová mechanika Vlnová rovnice popisuje pohyb částice v prostoru a v čase. Tento pohyb dokázal odvodit v roce 1925 Erwin Schrödinger svojí pohybovou rovnicí Pro nás má vlnová rovnice jiný význam: 𝜓 2 Pravděpodobnost výskytu částice V daném místě a čase

Kvantová mechanika Pohyb částic v mikrosvětě je tedy pravděpodobnostní Částice můžeme poslat štěrbinou, ale můžeme pouze spočítat pravděpodobnost dopadu Difrakční obrazce – místa s největší pravděpodobností výskytu částice

Kvantová energie Vlnové chování částice vede ke kvantování energie Částice se může nacházet pouze v určitých energetických hladinách V těchto energetických hladinách částice neztrácí energii Energie se mění pouze při přechodu mezi energetickými stavy

Kvantová mechanika 𝐸 𝑛 − 𝐸 𝑚 =ℎ∙ 𝑓 𝑛𝑚

Zdroje CBURNETT. Wikipedia.cz [online]. [cit. 10.9.2012]. Dostupný na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rutherford_atom.svg AUTOR NEUVEDEN. Wikipedia.cz [online]. [cit. 10.9.2012]. Dostupný na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ernest_Rutherford.jpg

Zdroje COURTESY OF THE CLENDENING HISTORY OF MEDICINE LIBRARY, UNIVERSITY OF KANSAS MEDICAL CENTER.. Wikipedia.it [online]. [cit. 10.9.2012]. Dostupný na WWW: http://it.wikipedia.org/wiki/File:Max_Planck.png AUTOR NEUVEDEN. Wikipedia.fr [online]. [cit. 10.9.2012]. Dostupný na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Max_Planck_1901.GIF