Zjawisko Fotoelektryczne i inne

ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE

Fotoelektronami nazywamy elektrony uwalniane z powierzchni substancji przez światło, a sam fakt ich uwalniania nazywamy zjawiskiem fotoelektrycznym lub fotoemisją.



W chwili wybicia energia kinetyczna elektronu wynosi:

½mV2 = U0e

Od czego zależy prędkość najszybszych elektronów ?

-od długości fali padającego promieniowania

-im większa częstotliwość (krótsza fala), tym prędkość jest większa

-zjawisko fotoelektryczne zajdzie jeśli częstotliwość przekroczy pewną wartość graniczną

-prędkość nie zależy od natężenia padającego światła , od niego zależy ilość fotoelektronów czyli prąd.



RÓWNANIE EINSTEINA-MILIKANA

Energia padającego kwantu przechodzi na pracę wyjścia elektronu z metalu i nadanie mu prędkości (energia kinetyczna).

h= W + (mVm2/2)

hkwant



WŁAŚCIWOŚCI FOTONU.

Foton – kwant światła

Energia fotonu – Ef = h , h = 6,62510-34 Js

Pęd fotonu – pf = mc = h/

Masa fotonu – mf = E/c2 = h/c2 = h/c

E = mc2

Energia całkowita ciała – E = EO + EK

EO – energia spoczynkowa

EK – energia kinetyczna



DUALIZM KORPUSKULARNO – FALOWY

Dualizm korpuskularno – falowy oznacza , że :

- fala elektromagnetyczna ma charakter falowy (,) (dyfrakcja , interferencja) i jednocześnie charakter korpuskularny (E, p, m) (zjawisko fotoelektryczne , zjawisko Comptona)

- podobnie cząstka elementarna ma oprócz charakteru korpuskularnego charakter falowy. Fale materii de Brogli’a. Dyfrakcja (ugięcie) elektronów – doświadczenie Davissona-Garmera.

Dualizm korpuskularno – falowy oznacza dwoisty charakter materii.



POSTULATY BOHRA.

Postulaty:

1) Istnieją w atomie orbity, po których elektrony krążąc nie tracą energii. Elektrony na tych (dozwolonych) orbitach spełniają warunek:

mVnrn = n(h/2) – moment pędu

2) gdy elektron uzyska energię to może przeskoczyć na wyższą orbitę a wracając emituje energię :

h = Em – En

z „m” na „n”



PROMIENIE ORBIT ATOMU WODORU.

mVnrn = n(h/2) , A = h/2 , k = 1/(40) 3109

mVn2/rn = ke2/r n2



0 – bezwzględny współczynnik przenikania próżni



rn = r1n2 , r1=53pm



ENERGIA ELEKTRONU NA N-TEJ ORBICIE.

EK = mVn2/2

En = E1(1/n2) , E1 = -13,6 eV



E = 0

E3 = -1,6 eV poziomy

E2 = -3,4 eV energetyczne

E1 = -13,6 eV



E = 13,6 eV – energia jonizacji atomu wodoru



WZÓR BALMERA.

 = 1/[R1/n2 – 1/m2)] , m>n

R = 10,97 m-1  11 m-1

Lambda () jest długością fali emitowanej przy przeskoku elektronu z powłoki (orbity) „m” na „n”.

Linie serii Lymana – n=1

Linie serii Balmera – n=2

Linie serii Paschena – n=3

Linie serii Balmera należą do pasma światła widzialnego , Lymana do nadfioletu , a Paschena do podczerwieni.



PROMIENIE ROENTGENA

Gdyby cała praca przeszła na produkcję energii to zostałby wyprodukowany kwant.

Ue = h

 = c/ Ue = hc/



g = hc/Ue

g – graniczna długość (najkrótsza) widma ciągłego

Widmo ciągłe nazywamy widmem hamowania gdyż jest ono skutkiem hamowania elektronów przez anodę.

Widmo charakterystyczne (liniowe) – jest ono wynikiem wzbudzenia bliższych jądra elektronów w atomach anody. Jest ono charakterystyczne gdyż charakteryzuje ono rodzaj materiału antykatody. Inny materiał da inne układy linii charakterystycznych.



ZASTOSOWANIE PROMIENI ROENTGENA.

Pierwiastki pochłaniają promienie X tym bardziej im większa jest liczba atomowa danego pierwiastka.

X: max = 10 nm , min = 0,001 nm



1) medycyna

2) prześwietlanie metali

3) zastosowanie naukowe : badanie struktur kryształów



JĄDRA ATOMU



1) Odkrycie jądra atomu – bombardowanie cienkiej folii złota cząstkami .

2) Budowa i skład jądra atomu.

Składa się ono z protonów (11p) i neutronów (10n) , które wspólnie noszą nazwę nukleonów. Masa protonu i neutronu jest bardzo podobna. Neutron ma masę nieco większą od protonu , proton ma ładunek dodatni , zaś neutron nie ma ładunku , jest obojętny.

A - masa atomowa , liczba masowa , liczba nukleonów

X

Z - liczba atomowa , liczba protonów

N = A – Z - liczba neutronów



Jądra danego pierwiastka mogą się różnić liczbą neutronów , są to tzw. izotopy, wśród których wyróżniamy również promieniotwórcze zwane radioizotopami.



PROMIEŃ JĄDRA.

r = r0 3A , r0 = 1,3  10-13 cm

A – masa atomowa







Spektrograf masowy – badając zaczernieni kliszy można wywnioskować o ilości izotopów i procentowym składzie.



DEFICYT MASY JĄDRA.

Deficytem (niedoborem) masy jądra nazywamy różnicę między sumą mas oddzielnych nukleonów i masą jądra , które z nich powstaje.

m = Zmp + (A-Z)mn - mj



E = mc2 – energia wiązania

mp = 1,007276 u = 1,67239 10-27 kg

mn = 1,008665 u = 1,67470 10-27 kg

Jednostka masy atomowej: 1u (unit) jest to 1/12 masy jądra atomu węgla 126C.

1u = 1,66053 10-27 kg



Promieniotwórczość jest to emisja pewnych cząstek z jądra atomu.

 - jądro atomu helu

 - strumień elektronów

 - promienie elektromagnetyczne , krótsze niż X.

Promieniowania te odkryto poprzez przepuszczanie promieniowania przez pole elektryczne oraz magnetyczne i badanie odchyleń.



PRAWO ROZPADU PROMIENIOTWÓRCZEGO.



N = N0/2t/T

N0 – liczba jąder preparatu nierozpadniętych w chwili t0

N – liczba jąder nierozpadniętych po upływie czasu t

N0 – N - liczba jąder które rozpadły się w czasie t

Czas półrozpadu –T1/2 – jest to czas , w którym połowa liczby jąder ulegnie rozpadowi.



REGUŁY PRZESUNIĘĆ.

1. Rozpad  - jest to przemiana jądrowa w wyniku której jest emitowana cząstka .

42 = He++

AZX Y + 42 + energia

A = (A-4) +4

Z = (Z-2) +2

22688Ra 22286Rn + 42 + energia

Rad przechodzi w Radon.



2. Rozpad .

AZX AZ+1Y + 0-1 + 00~ + energia

10n 11p + 0-1 + 00~



21482RaB 21483RaC + 0-1 + energia

Pb Bi



3. Rozpad .

AZX AZ–1Y + 0+1 + 00 + energia

11p 10n + 0+1 + 00



REAKCJE JĄDROWE.

Reakcjami jądrowymi nazywamy przemiany jąder atomowych wywołane ich wzajemnym oddziaływaniem lub ich oddziaływaniem z cząstkami elementarnymi.

Odkrycia pierwszej reakcji jądrowej dokonano podczas prowadzenia badań nad rozpraszaniem cząstek  na lekkich jądrach. Badania te prowadzono w komorze Wilsona. Przy każdym zderzeniu tor cząstki  ulegał gwałtownej zmianie , ale odrzucane było również trafione jądro , którego tor tworzył charakterystyczne rozwidlenie w torem cząstki .

Pierwsza zaobserwowana reakcja: azot bombardowany cząstką  przechodzi w tlen i proton.

147N + 42 178O + 11p



Wszystkie reakcje jądrowe możemy podzielić na pewne , ściśle określone grupy.

Reakcje elastycznego rozpraszania cząstek na jądrach – w tym procesie bombardująca cząstka zderza się z jądrem ulegając na nim elastycznemu rozproszeniu. Zarówno jądro jak i cząstka nie zmieniają swojego składu w trakcie oddziaływania.

AZX + A1Z1c AZX + A1Z1c ,gdzie „c” cząstka

Nieelastyczne rozpraszanie cząstek na jądrach – oddziałująca z jądrem cząstka wzbudza je na pewien ściśle określony poziom energetyczny. Dzieje się to kosztem energii kinetycznej bombardującej cząstki.

AZX + A1Z1c AZX’ + A1Z1c

Reakcje prowadzące do przemian jądrowych – w wyniku takich reakcji zostaje utworzone nowe jądro i inna cząstka.

A1Z1X + A2Z2c A3Z3Y + A4Z4c energia



REAKCJA ROZSZCZEPIENIA.

Możliwość rozszczepienia jądra cięższego na dwa jądra lżejsze wykazali Otto Hahn i Fritz Strassmann. Stwierdzili oni , że w roztworach wodnych uranu (Z=92) , naświetlanych powolnymi neutronami , powstają pierwiastki lżejsze (np. Bar Z=55). Pierwiastki te musiały powstać podczas rozszczepienia uranu na dwa jądra lżejsze.

Suma mas dwu jąder wytworzonych w trakcie rozpadu jest mniejsza niż masa jądra ciężkiego ulegającego rozszczepieniu.

Powstający deficyt masy :

m = mA – (mA1 + mA2 + kmn)

mA – masa jądra ciężkiego

mA1,mA2 – masy jąder lekkich będących produktami rozpadu

mn – masa neutronu

k – liczba neutronów



ZASTOSOWANIE REAKCJI ROZSZCZEPIENIA.

1. Reaktor jądrowy ( pręty paliwowe , pręty regulacyjne , reflektor grafitowy , chłodziwo , betonowa osłona)

2. Bomba atomowa.



REAKCJA SYNTEZY.

Są to takie reakcje , podczas których bardzo silnie związane jądra lekkie łączą się w jądra cięższe o znacznie mniejszej energii wiązania z wydzieleniem olbrzymiej ilości energii. Typowym przykładem reakcji syntezy jest reakcja , podczas której dwa jądra deuteru 21D , będącego izotopem wodoru łączą się w jedno jądro helu 42He.

21D + 21D = 42He + Q(energia)

m = 2mD – m= 22,01355u – 4,00260u = 0,02450u

m = 4,249  10-29 kg

m4,00260 u

mD = 2,01355 u

Reakcja syntezy przeprowadzana jest dotychczas w formie eksplozji bomby wodorowej.



IZOTOPY.

Izotop danego pierwiastka tworzą te jego jądra , które mają taką samą liczbę neutronów.



Rola neutronów w otrzymywaniu sztucznych izotopów.

94Be + 42 C + 10n