Atomová a jaderná fyzika

Prezentace na téma: "Atomová a jaderná fyzika"— Transkript prezentace:

1 Atomová a jaderná fyzika
Otázky k tématu 1

2 Téma 1 - obsah ATOMOVÁ FYZIKA 1.část – historie, východiska
Atomová fyzika – úvod Vznik a vývoj atomové teorie Základy kvantové teorie

3 Otázky a úkoly Téma I. A - Východiska Daltonovy atomové teorie – základní pojmy Vyjmenujte základní chemické zákony a uveďte jejich znění. Zachovává se klidová hmotnost a) v chemických reakcích b) v jaderných reakcích (případně s jakou přesností)? Vyjmenujte základní postuláty atomové teorie podle Daltona. Definujte pojmy atom a molekula, objasněte rozdíl mezi těmito pojmy.

4 Otázky a úkoly Téma I. B - Důležitá experimentální východiska fyzikální atomové teorie Uveďte experimenty, z kterých vyplývá existence elementárního elektrického náboje. Stručně charakterizujte Rutherfordův experiment a uveďte důležité závěry, které z něj plynou. Vyjmenujte experimentální skutečnosti, které vedly k formulování fotonové hypotézy, stručně komentujte proč tyto experimenty nelze vysvětlit bez představy fotonů. Popište vztah mezi energetickým spektrem a elmg. spektrem, uveďte vztah pro dovolené frekvence.

5 Otázky a úkoly Téma I. C – Historický vývoj teoretického popisu atomů Stručně charakterizujte Thomsonův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky. Stručně charakterizujte Rutherfordův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky. Stručně charakterizujte Bohrův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky. Stručně charakterizujte Sommerfeldův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky.

6 Otázky a úkoly Téma I. D – Podmínka formulace moderní atomové teorie - kvantová teorie, její základní pojmy Uveďte hlavní myšlenku de Broglieho vlnové hypotézy, uveďte de Broglieho vztahy, uveďte experiment ve kterém se projevuje vlnová povaha částic. Objasněte fyzikální význam Schrödingerovy rovnice. Objasněte fyzikální význam vlnové funkce - (Bornův postulát). Uveďte Heisenbergovy relace neurčitosti a objasněte jejich význam.

7 Otázky a úkoly 1. Vyjmenujte základní chemické zákony a uveďte jejich znění. Kapitola 1.1. na str. 10 (1. díl skript). Z.z. hmotnosti a energie – jejich souvislost Z. stálých a z. násobných poměrů slučovacích tzv. Daltonovy zákony Z. stálých poměrů objemových a Avogadrův zákon – souvislost s pojmem molekuly Faradayův zákon elektrolýzy – souvislost s kvantováním náboje iontů V kapitole 1.1 najdete znění jednotlivých zákonů POZOR – měli byste také umět vysvětlit jak jednotlivé zákony přispěly k vytvoření atomové teorie (zejména jak Daltonovy postuláty umožňují vysvětlit zákony Daltonovy)

8 Otázky a úkoly 2. Zachovává se klidová hmotnost
a) v chemických reakcích b) v jaderných reakcích (případně s jakou přesností)? Je to otázka k zamyšlení (odpověď byste měli umět odvodit z poznatků v kap tedy nepřímo) Na základě Einsteinova vztahu ekvivalence mezi hmotností a energií by měl být z.z. hmotnosti a energie provázány. Proč tedy byly v chemii formulovány jako zákony samostatné ? Za jakých podmínek platí z.z. energie? Pokud z.z. energie neplatí projeví se to vždy na změně hmotnosti systému? Jak je tato (relativní) změna hmotnosti velká v případě chemických (změny energie okolo 107 J/kg) a v případě jaderných reakcí (okolo J/kg)– v kterém případě ji lze s dostatečnou přesností změřit?

9 Otázky a úkoly 3. Vyjmenujte základní postuláty atomové teorie podle Daltona. Kapitola 1.1.2, str. 13 (1. díl skript) Uvedená formulace není dogma, zkuste formulovat Daltonovy představy vlastními slovy. Vysvětlete jak tyto představy umožnily objasnit chemické zákony. Korigujte (opravte a doplňte) postuláty s pohledu dnešních poznatků.

10 Otázky a úkoly 4. Definujte pojmy atom a molekula, objasněte rozdíl mezi těmito pojmy. Definujte atom prostřednictvím novodobých poznatků o stavbě atomu (základní info. např. kap. 1, str. 8, 1. díl, formulujte vlastní stručné znění definice atomu, a to i na základě dalších informací, zejména kap.1.1.4, příp. doplněné o náhled kvantové teorie na existenci konkrétních klasických drah elektronů). Srovnejte původní definici Daltonovu atomu (definice z pohledu chemie) – jaký je vztah pojmů atom a prvek. Definujte pojem molekuly na základě představ současné atomové teorie (využijte toho co znáte ze středoškolské chemie, příp. úvod kapitoly 1.5, str.99, 1.díl ). Jak nahlíží na molekulu chemie z pohledu chemických vlastností látek. (prohlédněte si např. poznámku pod Avogadrovým zákonem na str. 12, 1.díl) Jaké typy molekul znáte (z pohledu atomární struktury)? Na základě předchozích faktů proveďte srovnání pojmů atom a molekula.

11 Otázky a úkoly 5. Uveďte experimenty, z kterých vyplývá existence elementárního elektrického náboje. Např. objev elektronu, elektrolýza nebo Millikanův experiment. Co to je elementární elektrický náboj? Objev elektronu (např , str.14, 1.díl)– jak vznikají katodové paprsky – jak byla objasněna jejich podstata. Čemu je roven náboj elektronu. Popište princip elektrolýzy a vysvětlete podstatu Faradayova zákona na základě atomistických představ. Jaké náboje mohou nést ionizované atomy (ionty). Millikanův experiment – popište princip a výsledky(viz např. kap.1.1.3, str.15, 1.díl).

12 Otázky a úkoly 6. Stručně charakterizujte Rutherfordův experiment a uveďte důležité závěry, které z něj plynou. Základní informace např. skriptum kap , str , 1.díl. Popište uspořádání (nejlépe popsané schéma). Co bylo pozorováno a proč to bylo překvapující. Jak lze vysvětlit výsledky experimentu (základní představa o složení atomu).

13 Otázky a úkoly 7. Vyjmenujte experimentální skutečnosti, které vedly k formulování fotonové hypotézy, stručně komentujte proč tyto experimenty nelze vysvětlit bez představy fotonů. Zejména vyzařovací zákon černého tělesa, Lenardův experiment a Comptonův jev. Definujte pojem černého tělesa. Stručně vysvětlete historii kolem problému popisu jeho spektra. Objasněte Planckovu hypotézu (uveďte Planckův vztah včetně významu symbolů) – viz např. kap , str.36, 1.díl Vysvětlete fotoelektrický jev. Co se očekávalo z Lenardova experimentu na základě klasických (vlnových) představ o elmg. záření? Co bylo pozorováno? Jak vysvětlil Einstein tyto výsledky (uveďte Einsteinův vztah pro fotoefekt – tj. pro kin. energii vyraženého elektronu)? – viz. např. kap , str. 38, 1.díl Vysvětlete podstatu Comptonova jevu. Na základě jakého předpokladu vysvětlil Compton tento jev (uveďte Comptonův vztah pro spektrální posun vlnových délek a definici Comptonovy vlnové délky – popište použité symboly)? - viz. např. kap , str. 40, 1.díl Shrňte představy o částicové podstatě elmg. záření. Co je to foton, jak určíme jeho energii a hybnost z frekvence a vlnové délky elmg. záření?

14 Otázky a úkoly 8. Popište vztah mezi energetickým spektrem a elmg. spektrem, uveďte vztah pro dovolené frekvence. Energetické spektrum – soubor dovolených energetických stavů systému Elektromagnetické spektrum (absorpční nebo emisní): spojité, pásové, čárové – viz. např. kap. 1.1, str.19-17, 1.díl Při emisi či absorpci fotonu může systém přecházet jen mezi dovolenými energiemi přičemž platí zákon zachování energie. Spojením vztahu pro energii fotonu (na vln. délce nebo frekvenci) a ZZE dostaneme vztah mezi rozdílem energií dvou dovolených stavů a frekvencí či vlnovou délkou emitovaného nebo absorbovaného elmg. záření. (srovnej např. objasnění čárového spektra vodíku kap 1.1.5, str. 23, 1.díl)

15 Otázky a úkoly 9. Stručně charakterizujte Thomsonův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky. viz kap.1.1.3, str. 14, 1.díl Z kterých experimentálních poznatků model vycházel (které měl vysvětlit)? - objev elektronu Základní předpoklady modelu Nedostatky modelu – s kterými exp. poznatky je model v rozporu (spektrum)

16 Otázky a úkoly 10. Stručně charakterizujte Rutherfordův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky. viz kap.1.1.4, str. 18, 1.díl Z kterých experimentálních poznatků model vycházel (které měl vysvětlit)? - Rutherfordův exp. Základní předpoklady modelu Nedostatky modelu – s kterými exp. poznatky je model v rozporu (spektra, nestabilita – proč?) Co z modelu zůstává v platnosti doposud (struktura)?

17 Otázky a úkoly 11. Stručně charakterizujte Bohrův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky. viz kap.1.1.5, str. 21, 1.díl Z kterých experimentálních poznatků model vycházel (které měl vysvětlit), čárové spektrum Základní předpoklady modelu (uvést kvantovací podmínku) Popište energetické spektrum v tomto modelu (kvantovací vztah pro energii) Nedostatky modelu – s kterými exp. poznatky je model v rozporu (jemná struktura spektra, účelový model – obecnější pohled kvantové teorie). Model byl přesto přínosem – proč?

18 Otázky a úkoly 12. Stručně charakterizujte Sommerfeldův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky. viz kap.1.1.6, str. 26, 1.díl Z kterých experimentálních poznatků model vycházel (které měl vysvětlit)? – jemná struktura spektra vodíku Základní předpoklady modelu (nerelativistický a relativistický), jaký tvar má dráha elektronu v rel. modelu? Nedostatky modelu – s kterými exp. poznatky je model v rozporu (částečné objasnění jemné struktury spektra, účelový model – obecnější pohled kvantové teorie).

19 Otázky a úkoly 13. Uveďte hlavní myšlenku de Broglieho vlnové hypotézy, uveďte de Broglieho vztahy, uveďte experiment ve kterém se projevuje vlnová povaha částic. Viz např. kap.1.2.5, str.41, 1.díl Objasnit korpuskulárně vlnový dualismus pro fotony (vztah energie a hybnosti fotnů s vlnovými charakteristikami) Formulace de Broglieho hypotézy včetně de Broglieho vztahů a popisu de Broglieho vlny (zobecnění korpuskulárně vlnového dualismu pro jiné volné částice) Jak se v experimentech může projevit skutečnost, že částice je popsána vlnou (skládání vln – interferenční jevy) Davissonův – Germerův pokus – interference elektronových vln po odraze od různých atomových rovin – pozorování maxim a minim výskytu elektronů – difrakční obrazec. .

20 Otázky a úkoly 14. Objasněte fyzikální význam Schrödingerovy rovnice.
Viz např. kap a 1.2.7, str. 47 – 51, 1.díl a 1.2.9, str , 1.díl Matematická formulace SR časové, str.47 – 51, 1.díl a bezčasové, str , 1.díl (pro vázanou částici a obecně)– význam symbolů O jaký typ rovnice se jedná z pohledu matematiky? Kdy lze vystačit s bezčasovou SR Co hraje úlohu neznámých v této rovnici? Které fyzikální informace můžeme získat řešením bezčasové SR (energetické spektrum – vlnovou fci => hustotu pravděp. výskytu částice a z ní střední hodnoty fyzikálních veličin).

21 Otázky a úkoly 15. Objasněte fyzikální význam vlnové funkce - (Bornův postulát). Historické představy (viz. např. str.42-43, poznámky za de Broglieho vztahy) Bornův postulát – definice, viz. kap , str. 52, 1.díl, význam pro určení polohy částice – srovnání s klasickou představou určení polohy částice. Co to je komplexní číslo, jak se počítá jeho modul (velikost). Co to je pravděpodobnost, jak ji lze definovat a jak ji můžeme měřit (vysvětlit na příkladu – např. hod mincí hod kostkou) Co rozumíme hustotou pravděpodobnosti (jakou má jednotku)? Jak by se mohla měřit hustota pravděpodobnosti výskytu částice. Jak spočítáme pravděpodobnost, že se částice bude vyskytovat v oblasti o objemu V (uveďte vztah a komentujte jej) , pomocí vlnové funkce. K čemu slouží normovací podmínka – zapište ji v matematické formě.

22 Otázky a úkoly 16. Uveďte Heisenbergovy relace neurčitosti a objasněte jejich význam. Viz např. kap , str.54, 1.díl Je nějakým způsobem omezena přesnost měření libovolné dvojice fyz. veličin podle představ klasické fyziky. Z kvantové teorie vyplývá, že některé dvojice nelze měřit s absolutní přesností – objasněte význam relace neurčitosti a jakou roli v ní hraje Planckova konstanta. Je možno alespoň jednu veličinu z této dvojice změřit absolutně přesně – pokud ano, jaká bude chyba v určení druhé veličiny. Uveďte příklad takové dvojice veličin a jim odpovídající relaci neurčitosti. Uveďte příklad jiné dvojice, jejíž hodnoty lze současně změřit absolutně přesně.

23 Poznámky k testu Přemýšlejte o obsahu – i když fyzika používá přesný jazyk (pojmy musí být přesné) je možné tvrzení a poznatky formulovat vlastními slovy. Malá chyba v jinak precizně opsaném či naučeném textu mu může dát zcela jiný význam a odhalí tak nepochopení obsahu. Přemýšlejte nad fyzikálním významem vztahů a rovnic – neznáte-li význam symbolů v nich, tyto rovnice a vztahy se stávají jen pěkným obrázkem. Špatně čitelný rukopis znamená hrozbu nezapočtení správné odpovědi – navíc zdrží vyhodnocení testů vašich kolegů.

24 …. a obecně Ve fyzice (a v každé vědě obecně) učenci nevymýšlejí své teorie z ničeho nic jako nějaké nepodložené fantazie, ale tak aby teorie objasnily experiment a tvořili přitom logický celek. Vývoj vědy je dlouhý proces - poznatků je mnoho – zjednodušené podání v učebnici tak může vyvolávat pochybnosti o hloubce, návaznosti či dokonce reálnosti, naopak příliš detailní popis složitého systému vyvolává odpor a nedůvěru neodborníka.

25 … nepochopitelný mikrosvět ?
V mikrosvětě je se třeba smířit s tím, že jeho chování je jiné než to, které známe z běžné zkušenosti v makrosvětě. Makrosvět lze pozorovat prostřednictvím smyslů. Pro pozorování mikrosvěta musíme vřadit přístroj. Jakýkoliv obrázek mikrosvěta je tak pouze schéma pomáhající popsat strukturu a pohyb objektů v něm. Důsledky zákonitostí mikrosvěta se ovšem promítají i do pohybu makrosvěta.