Doc. Miloš Steinhart, , ext. 6029

Prezentace na téma: "Doc. Miloš Steinhart, , ext. 6029"— Transkript prezentace:

1 Doc. Miloš Steinhart, 06 036, ext. 6029
Pokročilá fyzika C803 fIIp_09 Úvod do moderní fyziky I Co předcházelo kvantové fyzice Doc. Miloš Steinhart, , ext. 6029

2 Hlavní body Částicové vlastnosti vln Vlnové vlastnosti částic
Záření černého tělesa – Planckův zákon Fotoelektrický jev Comptonův jev Vlnové vlastnosti částic DeBrogliovy vlny Elektronová difrakce Představy o stavbě atomu Rentgenovo záření Laser

3 Záření černého tělesa I
Ze zkušenosti víme, že jsme schopni cítit sálání blízkého teplého tělesa. Kromě kondukce a konvekce se totiž tepelná energie přenáší i EMA zářením - radiací. Při teplotách do cca 700° C je záření hlavně v infračervené oblasti. Při teplotách vyšších se objevuje výrazněji i jeho viditelná složka. Musíme si uvědomit význam přenosu energie radiací: Existence života na Zemi je téměř zcela založená na získávání radiační energie od Slunce.

4 Záření černého tělesa II
Při studiu tepelného záření je nutné jej oddělit od záření odraženého. Používáme idealizaci a mluvíme o dokonale černém tělese, jehož veškeré vyzařování je tepelné. Kromě schopnosti vyzařovat má každé těleso schopnost též záření absorbovat. Gustav Robert Kirchhoff ukázal, že tyto schopnosti jsou úměrné a když těleso dobře absorbuje, musí též dobře emitovat.

5 Záření černého tělesa III
V roce 1879 objevil Josef Stefan zákon, který by později (1884) teoreticky odůvodněn Ludwigem Boltzmanem : Z plochy S z materiálu s emitivitou  o teplotě T odchází radiací tepelný výkon konstanta  = Wm-2K-4 Je tedy zřejmé, že odvod tepla můžeme ovlivnit emitivitou povrchu. Pro studium vlastností zářiče je ale vhodné, aby záření bylo blízké záření černého tělesa. Koncem 19. století byl objeven systém zářící, jako d.č.ť.

6 Záření černého tělesa IV
Záření dopadající z vnějšku je dokonale pohlceno. (Podobně jako u oka) Spektrum vycházejícího záření závisí pouze na teplotě tělesa.

7 Záření černého tělesa V
Nepřekonatelnou obtíž však s sebou přinášely pokusy o popis spektrálního chování teplotní závislosti intenzity záření černého tělesa. Dílčího úspěchu dosáhl v roce 1896 W. Wien, který formuloval empirický zákon, podle něhož se chovají maxima spektrálního rozdělení : m je vlnová délka odpovídající maximu rozdělení

8 Záření černého tělesa VI
Na přelomu 19. a 20. století ještě vznikla teorie Rayleigh-Jeansova, která popisovala dobře dlouhovlnnou oblast spektra. Neexistovala ale teorie, která by dokázala popsat celé chování. Průlomem byl až (zpočátku empirický) vztah Maxe Plancka ( ) (nyní Planckův zákon): k = J/K je Boltzmanova konstanta a h = J s = eV s je Planckova konstanta

9 Záření černého tělesa VII
Planckův zákon byl průlomem nejen proto, že vysvětloval záření černého tělesa, ale předpokládal systém skládající se z malých oscilátorků, jejichž energie nemohou dosáhnout libovolné hodnoty, ale jsou diskrétní : M. Planck považoval diskrétnost energií za pomůcku, díky níž bylo možné interpretovat data. Revolučnost myšlenky, že energie v mikrosvětě je kvantovaná veličina, rozeznal až Albert Einstein v roce 1905.

10 Záření černého tělesa VIII
Záření černého tělesa a jeho rozuzlení Planckův zákon jedním z jevů, které si vyžádaly vznik nového popisu mikrosvěta – kvantové teorie. Kromě toho lze použít k velmi praktickým účelům, jako je bezkontaktní měření teploty od vysokých teplot v tavných pecích po teploty hvězd nebo reliktní záření v kosmu…

11 Pyrometr s mizejícím vláknem – měření teploty
Záření černého tělesa IX Pyrometr s mizejícím vláknem – měření teploty oko

12 Fotoelektrický jev I Jak název napovídá, spočívá fotoelektrický jev ve vyrážení elektronů z pevných látek následkem ozáření elektromagnetickým zářením (VIS, UV). Umístíme-li do blízkosti ozářené elektrody elektrodu další, vytvoří se mezi nimi (téměř okamžitě) rovnovážné napětí U, které odpovídá maximální kinetické energii, jakou mají elektrony vyražené za příslušných podmínek :

13 Fotoelektrický jev II Ukazuje se, že Ekmax nezávisí na intenzitě ale je lineární funkcí jeho frekvence. Jev ale existuje až za jistou prahovou frekvencí. Ta odpovídá minimální výstupní práci Wo, která je potřebná pro uvonění elektronů z látky a je materiálovým parametrem : To opět podporuje představu kvant záření.

14 Fotoelektrický jev III
Vlnové představě odporuje i kvantitativní rozbor rychlosti děje: Kdyby byl výkon záření rozdělen rovnoměrně v průřezu paprsku, trvalo by naakumulování energie, potřebné pro uvolnění elektronu v blízkosti průměrného atomu o mnoho řádů déle než je tomu u skutečného experimentu. S energií fotonů souvisí řada jevů od používání červené žárovky při vyvolávání fotomateriálů v temné komoře po důvod, proč jsou listy fotosyntézujících rostlin zelené. Měření rozdělení energií fotoelektronů = fotoemisní spektroskopie je důležitým principem metod měření povrchových vlastností látek, např. nanoESCA.

15 Comptonův jev I V roce 1923 zjistil A. Compton, že vlnová délka rozptýleného rtg. záření je větší než vlnová délka záření dopadajícího a navíc silně závisí na úhlu rozptylu. Z rozboru plyne, že jev je způsoben nepružnými srážkami elektronů a fotonů, kterým je nutné kromě energie přisoudit i hybnost. Příklad:

16 Comptonův jev II Elektron v pohybu po nárazu fotonu
Dopadající foton (známe f1) Θ E2 = hf2; E2 < E1 E1 = hf1 Foton po srážce s elektronem (můžeme měřit) Elektron hmotnosti m v klidu před nárazem fotonu (5)

17 De Broglieho hypotéza I
Nejzávažnější výsledky ukazovaly na kvantování mikroskopických veličin a na dualismus částic a elektromagnetických vln. De Broglie vyslovil (na svou dobu a vzhledem k svému mládí odvážnou) hypotézu, že dualismus vln a částic je v mikrosvětě normální vlastnost. Vlny se tedy za určitých okolností projevují jako částice a naopak částicím majícím hybnost lze přiřadit vlnovou délku :

18 De Broglieho hypotéza II
Vychází se z analogie s fotony, u kterých E = hf a m0 = 0, což ze STR vede na E = cp = hf . Je zřejmé, že vlny odpovídající makroskopickým tělesům jsou (zatím?) neměřitelně krátké, ale v mikrosvětě je tomu jinak : Běžící člověk (100 kg, 10 m/s)   m Brouk Pytlík (0.001 kg, 1 cm/s)   m Elektron ( kg, m/s)   m

19 De Broglieho hypotéza III
Obvod každé dráhy v Bohrově modelu je roven celistvému násobku De Broglieho vln. Další objevy daly De Brogliemu zapravdu. Brzy po vyslovení jeho hypotézy byla například objevena difrakce elektronů. Protože De Broglieho vlnová délka elektronů je opět srovnatelná s meziatomovými vzdálenostmi jedná se opět o významnou metodu strukturní analýzy. S vlnovými vlastnostmi elektronů je nutné také počítat při konstrukci elektronových mikroskopů a urychlovačů.

20 Difrakce elektronů na krystalu a tenké vrstvě
Zdroj elektronů Detektor Fólie Krystal Průsečnice kuželů s rovinou stínítka

21 Vlnová délka pro elektronový paprsek:
Difrakce elektronů na krystalu a tenké vrstvě Vlnová délka pro elektronový paprsek:

22 Bohrův model atomu I Jiným problémem bylo vysvětlit existenci diskrétních čar v atomových spektrech. Vlnočet u první známé (Balmerovy) serie spektrálních čar vodíku vyhovoval vztahu : n = 3, a R = m-1 je tzv. Rydbergova konstanta.

23 Bohrův model atomu II Později byly objeveny další serie čar a všechny se daly popsat jednou rovnicí : n = k+1, k+2, k+3 ... V UV oblasti k = 1 Lymanova V VIS oblasti k = 2 Balmerova V IR oblasti k = 3 Pashenova

24 Bohrův model atomu III V této době již byly známy elektrony a atomové jádro a existoval i planetární model. Jeho vadou byla ale skutečnost, že pohyb po uzavřené dráze je nutně pohybem zrychleným a elektrony by rychle vyzářily svou energii a za několik pikosekund spadly na jádro. Bohr skloubil planetární model s Planckovou kvantovou hypotézou.

25 Bohrův model atomu IV Postuloval, že elektrony mohou být trvale jen v určitých stacionárních energetických, stavech a vyzařují nebo přijímají energii pouze při přechodech mezi stavy podle : Energetické hladiny, ke kterým takto dospěl souhlasily se spektry i u některých dalších atomů (Z): Energie -E1 = eV je energie základního stavu H

26 Rentgenovo záření I V roce 1895 byl W. Röntgenem objeven i jev opačný k jevu fotoelektrickému : Při dopadu urychlených elektronů je z látek emitováno elektromagnetické záření s vlnovou délkou řádově m. Toto záření má složku spojitou (bílou), způsobenou zabržděním elektronů a složku charakteristickou, která odpovídá emisnímu spektru látky v rtg. oblasti.

27 Rentgenovo záření II Rtg. záření má vlnovou délku srovnatelnou s meziatomovými vzdálenostmi v molekulách a pevných látkách a proto má obrovský význam při studiu struktury látek metodami rtg. difraktometrie. Důležité jsou i metody rtg. spektroskopie, které zkoumají emisní a absorpční spektra látek a řada speciálních metod (EXAFS…).

28 Laser I Obrovský průlom do mnoha oblastí vědy byl objev laserového záření. Lasery jsou zdroje (IR, VIS, UV… ) záření, které je nebo může být : kolimované má malou rozbíhavost monochromatické intensivní koherentní

29 Laser II Laser je založen na jevu stimulované emise. Při ní vyvolá vhodný foton při interakci s excitovaným atomem další foton, který je jeho přesnou kopií. Volbou vhodných materiálů je možné dosáhnout inverzní populace excitovaných elektronů v nějakém metastabilním stavu na dostatečně dlouhou dobu a vhodným způsobem se spustí emise.

30 Laser III Laser bývá podlouhlého tvaru a jeho konce jsou částečná nebo úplná zrcadla, rovinná nebo dutá. Díky zrcadlům se fotony mnohonásobně vrací zpět do excitovaného media. Tím se vyvolá lavinový efekt právě v ose laseru a zúží jeho spektrum. Mediem laseru může průhledný krystal nebo plyn, jak je tomu např. u HeNe laseru. Excitace se vytváří zářením nebo chemicky. V poslední době se rychle rozvíjejí polovodičové lasery s důležitým použitím.

31 Kirchhoffův zákon I Platnost Kirchhoffova zákona (v jednodušší podobě) lze ověřit experimentálně: Mějme těleso s dvěmi různými plochami I a II. Do blízkosti plochy I dejme plochu II’ spojenou s teploměrem, stejnou jako je plocha II a obráceně do blízkosti plochy II dejme plochu I’ s teploměrem. Za jistou dobu se ustaví rovnováha a všechny plochy budou na stejné teplotě. Budou-li i emisní koeficienty a i koeficienty absorpční, musí platit: .

32 Kirchhoffův zákon II Je tedy vždy emisní koeficient úměrný koeficientu absorpčnímu: Je-li například plocha I černá a tedy má I  1 a plocha II částečně odráží II < 1, bude i I > II . Takto lze argumentovat dokonce pro absorpční a emisní koeficienty pro každou vlnovou délku. Proto jsou například listy zelené!? . ^

33 Tepelné záření - příklad
Mějme keramickou konvici s  = 0.7 a nerezovou konvici s  = 0.1. V každé je 0.75 l čaje o 95° C. Odhadněte jaký výkon odchází z každé z nich do okolí o teplotě 20° C ? Předpokládejme, že každá konev je přibližně krychle o hraně 10 cm. Každá současně emituje i absorbuje. Keramická konvice tedy vyzařuje 21 W a nerezová (lesklá) jen 3 W. Proto vydrží čaj ve druhé konvici teplý déle. Zde ale bude ještě hrát ve skutečnosti roli vedení tepla! . ^

34 Wienův zákon – příklad I
Odhadněte teplotu na povrchu Slunce. Maximum jeho spektrální intenzity m  500 nm leží ve viditelné oblasti : ./. ^

35 Wienův zákon – příklad II
Teplota vlákna žárovek a náplň jejich baňky se navrhují podle užití: 2200 °C u vakuových do 25 W, 2600 °C u běžných, plněných směsí Ar & N2 a 3000 °C u speciálních halogenových, promítacích a fotografických. Wolfram je selektivní zářič, takže ve viditelné oblasti svítí více, než by odpovídalo jeho teplotě. Kde by leželo maximum vlnové délky u běžné žárovky, kdyby se chovala jako dokonale černé těleso? Maximum tedy leží v infračervené oblasti a do ní odchází i největší část vyzářené energie. Část spektra ale zasahuje do oblasti viditelné. Tepelné záření působí příjemně. ./. ^

36 Wienův zákon – příklad III
Jak bude vypadat hvězda, která má povrchovou teplotu K.? Maximum leží v ultrafialové oblasti a intenzita s rostoucí vlnovou délkou klesá. Hvězda se bude jevit jako modrobílá. . ^

37 Comptonův jev I RTG záření o vlnové délce 0.14 nm se comptonovsky rozptyluje na bločku uhlíku. Jaká bude vlnová délka záření rozptýleného pod úhlem 0°, 90°, a 180°? Pro vlnovou délku rozptýleného záření platí : Výraz má rozměr délky nazývá se Comptovona vlnová délka. Zde tedy platí: A tedy a) b) c) . ^

38 Comptonův jev II Při interakci fotonu s elektronem se zachovává energie a hybnost. Zachování energie lze vyjádřit : Vzhledem k získané rychlosti je nutno kinetickou energii elektronu Ek vyjádřit relativisticky:

39 Comptonův jev III Hybnost se zachovává v rovině rozptylu, tedy ve směru původního fotonu, ose x a ve směru kolmém, ose y : Na levou stranu rovnic přemístíme členy s relativistickou hybností, rovnice umocníme na druhou a sečteme : .

40 Comptonův jev IV Rovnici pro zachování energie umocníme na druhou : .

41 Comptonův jev V Zkrátíme E0 a dosadíme za druhou mocninu hybnosti : : Po úpravách dostáváme : .

42 Comptonův jev VI |Dosadíme za klidovou energii elektronu E0 = m0c2 a upravíme : A konečně dostáváme známý Comptonův vztah : . ^

43 Příklad - Fotoelektrický jev I
Cesiová vrstva s výstupní prací Wo = 1.93 eV, je ozařována ze vzdálenosti r = 3.5 m světlem sodíkové výbojky, kde nejsilnější čára má vlnovou délku  = 590 nm, s výkonem P=100 W. Rozměry elektronu zatím neznáme. Definují se ale účinné průřezy vzhledem k určitým jevů. Pro interakci s fotonem jej lze chápat jako kruhovou plošku o poloměru re = m. Za jak dlouho by elektron načerpal dostatečnou energii, aby mohl být emitován při izotropním toku energie ? Za jakou střední dobu proletí jeden foton účinným průřezem elektronu? Účinný průřez elektronu je :

44 Příklad - Fotoelektrický jev II
Energie emitovaného fotonu v J je: Energie emitovaného fotonu v eV je: Počet fotonů vyzářených výbojkou za jednotku času 1 s do všech směrů při 100% účinnosti:

45 Příklad - Fotoelektrický jev III
Intenzita, čili výkon procházející jednotkou plochy v místě vzorku je : Počet fotonů procházejících jednotkou plochy v místě vzorku za 1 s je :

46 Příklad - Fotoelektrický jev IV
Po vynásobení předchozích hodnot účinným průřezem elektronu do staneme energii protékají tímto účinným průřezem (a tedy absorbovanou) za jednotku času : a počet fotonů protékajících tímto účinným průřezem za jednotku času. : Nyní již snadno zjistíme, doba potřebné na naakumulování energie rovné výstupní práci, by byla asi 1 minuta :

47 Příklad - Fotoelektrický jev V
Střední doba než foton prolétne účinným průřezem elektronu je : Na první pohled se jedná o srovnatelné časy. Skutečná čekací doba je ale řádově 10-9 s. To lze vysvětlit jedině tak, že elektron nesaje energii postupně, ale pohltí ji celou naráz při srážce s fotonem. Střední doba, za kterou se jakýkoli foton srazí s jakýmkoli elektronem se zkracuje s velikostí vzorku, s počtem elektronů a celkovým účinným průřezem, který je součtem účinných průřezů jednotlivých elektronů. Dobu potřebnou pro sání energie, které by bylo postupné nijak zkrátit nelze! ^

48 Bohrův model atomu I Bohr připustil planetární model, ale jen v určitých stacionátních stavech, které lze charakterizovat určitými hodnotami momentu hybnosti : Ze skutečnosti, že elektrická přitažlivá síla je rovna síle dostředivé plyne s dosazením za v2 ve jmenovateli z předchozího :

49 Bohrův model atomu II Po úpravě zjistíme, že poloměr jakékoli dráhy, jakéhokoli atomu lze vyjádřit pomocí Bohrova poloměru, což je nemenší poloměr u vodíku. Podobně lze vyjádřit každou energii pomocí energie elektronu vodíku na dráze nejbližší jádru.

50 Bohrův model atomu III ^
Vypočítejme dráhy a energie prvních 4 orbitalů: n rn [pm] En [eV] Pro určitý atom se poloměr dráhy se kvadraticky zvětšuje. Poloměr odpovídající dráhy atomu s vyšším Z je menší. Energie vázaných elektronů je vždy záporná. Pro ionizaci je tedy třeba energii dodat. Energetické hladiny vázaných elektronů se kvadraticky zhušťují směrem k nulové energii. Energie absorbovaných nebo emitovaných fotonů musí odpovídat jen přechodům mezi těmito energetickými stavy. ^

51 Bohrův model atomu IV ^ Úpravy které vedou na vztah pro En :
Dosadíme za mev2 do celkové energie : A sem dosadíme za 1/rn : ^

52 vlnové (elektromagnetická vlna) Vlastnosti záření částicové (foton)
Comptonův jev vlnové (elektromagnetická vlna) Vlastnosti záření částicové (foton) Každý foton má svoji energii E = hν a hybnost p = h/λ. Dojde-li ke srážce fotonu pohybujícího se rychlostí c s elektronem, jehož rychlost je zanedbatelná vůči c (je možné ji považovat za nulovou), lze použít klasické zákony zachování energie a hybnosti. Elektron se dá do pohybu - získá hybnost a kinetickou energii a energie fotonu se sníží. To se projeví poklesem frekvence, resp. vzrůstem vlnové délky záření.

53 Laser – optický kvantový generátor
Zdroj koherentního záření v rozsahu od IČ do UV; výkon: 1mW až 1 kW; speciální lasery pracují v rozsahu od vlnové délky zlomků milimetru až do oblasti rentgenového či g záření; výkon: 1 kW – 1013 kW. Základní rysy: úzká spektrální čára i možnost ladění v určitém rozsahu vlnových délek, koherence, vysoká směrovost, vysoká hustota energie. Zářičem (aktivním prostředím) může být: pevná látka, kapalina, plyn. Součásti: aktivní prostředí, optický rezonátor, zdroj budící energie (výbojka, elektrický výboj v aktivním prostředí, chemická reakce).

54 Předpoklad činnosti: 1) Dosažení inverze populace energetických hladin t.j. situace, kdy počet elektronů na jednotlivých hladinách neodpovídá rovnovážnému rozdělení - obsazení vyšší hladiny je vyšší než hladiny nižší. Tohoto stavu lze dosáhnout intenzivním buzením a vhodným rozdělením energetických hladin (buzení výbojem, zářením, …) 2) Stimulovaná emise - děj, při kterém je vzbuzený atom na energetické úrovni E2 interakcí s fotonem energie hν převeden na energetickou úroveň E1 za současného vyslání dvou fotonů původní energie, tj.

55 Plynový laser, aktivní prostředí je směs helia a neonu
Helium - neonový laser Plynový laser, aktivní prostředí je směs helia a neonu Zrcadlo Elektrody pro zapálení výboje Polopropustné zrcadlo

56 Energetické přechody při činnosti He - Ne
3s - 3p ….3,391 μm 3s - 2p ….0,633 μm 2s - 2p ….1,152 μm 3p 2s 2p 1s Ne

57 Nerovnovážný stav po exotermické chemické reakci typu
Chemický laser: Nerovnovážný stav po exotermické chemické reakci typu Příklad: λ = 4,1 - 4,3 μm λ = 3,7 - 4,0 μm λ = 2,8 - 3,0 μm Inverze populace mezi vibračně - rotačními hladinami, pracuje impulsně i kontinuálně, výkony až desítky kW.

58 Zákony záření černého tělesa
Definice absolutně černého tělesa: Je to těleso, absorbující veškeré dopadající záření bez ohledu na jeho vlnovou délku. V tepelné rovnováze s okolím je dopadající energie za jednotku času na jednotku plochy rovna energii vyzářené. Spektrální zářivost: R(λ,T) je energie, vyzářená jednotkou plochy za jednotku času, vztažená na jednotkový interval vlnových délek při teplotě T. Zářivost: (9)

59 Stefanův - Boltzmannův zákon:
Kirchhoffův zákon: Poměr spektrální zářivosti ku spektrální pohltivosti je funkcí teploty a vlnové délky. Nezávisí na materiálu zářiče. Stefanův - Boltzmannův zákon: (10) Wienův zákon: (11) Vztah (2) nerespektuje teplotu okolí a předpokládá jednotkovou emisivitu!

60 Rayleigh - Jeansův zákon:
Energie vztažená na jednotkový objem dutiny černého tělesa a na jednotkový interval frekvencí vypočítaná na základě klasické teorie (spojité vyzařování) je určena vztahem (12) (13) Rayleigh - Jeansův zákon: Vyzařovaná energie na jednotkový interval frekvencí roste s druhou mocninou frekvence do nekonečna. To je nereálné! nutnost revize klasické elektromagnetické teorie.

61 Planckův vyzařovací zákon
Energie vyzářená z jednoho m2 za jednotku času vztažená na jednotkový interval frekvencí: (14) Dokažte! (15) Energie vyzářená z jednoho m2 za jednotku času (tj. vyzařovaný výkon z jednoho m2 ) vztažená na interval frekvencí dυ:

62 De Broglieho hypotéza ^
Vychází se ze známé Einsteinovy rovnice pro celkovou energii. De Broglieho přínos je odhad, že to, co platí pro fotony, platí i pro ostatní mikročástice : ^

63 Písemná práce Nádobu (Papinův hrnec) o objemu 0.05 m3 uzavřeme za běžných podmínek 105 Pa a 30° C pevným víkem s manometrem a ohřejeme na 90° C. Vysvětlete, jaké veličiny se musely změnit uvnitř nádoby a jak? Jaký tlak naměříme? Měděným drátem o průřezu 3 mm2 teče proud 20 A. MCu = 63.5 g/mol a Cu = 8.95 g/cm3. Předpokládáme, že volnými nosiči jsou elektrony a každý atom přispívá jedním. Co dělá vodič vodičem a proč přispívá každý atom Cu právě jedním elektronem? Jakou mají volné nosiče náboje hustotu a driftovou rychlost? Máme k dispozici několik spojných čoček dvojího typu o f1 = 5 cm a f2 = 2 m. Sestavte z libovolného množství čoček co nejjednodušší dalekohled, popište ho a nakreslete. Jaké bude mít zvětšení a bude obraz přímý nebo převrácený? Máme deskový kondenzátor C = 1 pF nabitý na 100 V. Po odpojení zdroje k němu připojíme kvalitní voltmetr. Potom mezi desky vložíme dielektrickou destičku o relativní permitivitě r = 100. Co očekáváme, že ukáže voltmetr a proč? Jak se změní energie kondenzátoru? Bude nutné vkládat destičku do kondenzátoru silou nebo tam bude vtažena? Odůvodněte!