OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Átírás

1 OPTIKA Fénykibocsátás mechanizmusa Dr. Seres István

2 Történeti áttekintés Ernest Rutherford (1911) Rutherford alfa részecskéket tanulmányozott 1898-tól (ő fedezte fel őket) ben egy kísérlet során nagyon meglepő kísérleti eredményeket kapott, amit meg kellett magyaráznia Ernest Rutherford Seres István

3 A Rutherford kísérlet Seres István 3

4 Rutherford következtetése Kisméretű, pozitív töltésű atommag negatív töltésű elektronok relatíve nagy térfogatban eloszolva Naprendszer modell: az elektronok úgy keringenek az atommag körül, mint a bolygók a Nap körül. Seres István 4

5 A Rutherford kísérlet Probléma a Rutherford modellel. A 0. század elején felfedezték, hogy az anyag által kibocsátott illetve elnyelt fény nem folytonos spektrumú, hanem csak bizonyos frekvenciákat tartalmaz. A gyorsuló töltés sugároz (röntgen sugárzás) Hélium Oxigén Xenon Seres István 5

6 Bohr modell Niels Bohr (19) Rutherford felfedezte az atommagot, és igazolta, hogy negatív töltésű elektronok keringenek körülötte. Niels Bohr Bohr ezt azzal egészítette ki, hogy az elektronok csak bizonyos pályákon keringhetnek. Igazolta, hogy a külső pályákon több elektron lehet mind a belsőkön, és hogy a külső pályák határozzák meg a kémiai tulajdonságokat. 19-ben Nobel díjat kapott az atom struktúrájának meghatározásában végzett munkájáért. Seres István 6

7 Bohr modell k Ze r v(n) e mvr m n v r h kze nh Rutherford Bohr A két egyenletből r és v kiszámolható: r(n) m4 h kze n Seres István 7

8 Bohr modell r(n) E(n) 1 mv k Ze e r(n) v(n) kze h A két értékből az energia kiszámolható: E(n) m4 1 m4 h kze k h Z n e 4 1 n kze m4 h 1 n Ze 1 n Seres István 8

9 Bohr modell Tehát az elektron energiája az atomban: E(n) 1 m4 E 0 ra az alábbi jelölést bevezetve: E 0 1 m4 k h Z e 4 k h Z e 4 1 n E(n) E n 0 Seres István 9

10 Bohr modell Energiaszintek E 0 1 m4 E(n) H atomra (Z=1): E 0.18 k h Z J e 4 E n ev H atom 07m07an1.mov Seres István 10

11 Bohr modell Mennyi energiát kell egy elektronnal közölni, hogy az E 1 energiaszintről az E 3 energiaszintre ugorhasson? E Ef Ei E n n 3 1 f i 1.1 ev Seres István 11

12 Bohr modell Mikor bocsát ki elektromágneses hullámot (pl. fényt) az atom? Ha az elektronja gerjesztett állapotból visszatér alapállapotba. Gerjesztési módok: Termikus gerjesztés (izzószál) Ütközési gerjesztés (fénycső, kompakt fénycső) Seres István 1

13 Fehér fény Folytonos színkép Fényforrás Rés Prizma Ernyő Vörös Ibolya Seres István 13

14 Atom által kibocsátott spektrum (pl. izzó gáz) Vonalas színkép Atomi fényforrás Rés Prizma Ernyő Seres István 14

15 Planck Egy foton energiája Planck állandó (6.63 x J s) Planck-féle kvantumfeltétel: = hf Frekvencia (s -1 ) Seres István 15

16 Bohr modell és Planck feltétel együtt Energiaszintek közötti különbség megegyezik a kibocsátott energiával: 1 1 E E0 n m Innét a kibocsátott frekvencia: f E h 0 1 n 1 m hf Seres István 16

17 Bohr modell nm A Hidrogén spektruma nm nm nm Seres István 17

18 Energia OPTIKA mechatronika szak. Hidrogén spektruma a Bohr modell alapján A látható fény tartományába eső színképvonalakat Balmer sorozatnak nevezzük. Ultraibolya Lyman Látható Balmer Infravörös Paschen n Seres István 18

19 Hidrogén spektruma a Bohr modell alapján Seres István 19

20 Emissziós színképek Hélium Oxigén Xenon Seres István 0

21 Xenon emissziós színképe Seres István 1

22 Színkép elemzés Folytonos színkép Emissziós színkép (hidrogén gáz) Abszorpciós színkép (hidrogén gáz) Seres István

23 Színkép elemzés A Nap színképe Seres István 3

24 Színkép elemzés A Nap színképe Seres István 4

25 Elmélet: abszolút fekete test Definíció: minden ráeső sugárzást elnyel. modellje: üreg Seres István 5

26 Elmélet: Planck-féle sugárzási törvény J T hőmérsékletű testegységnyi felületéről időegység alatt kisugárzott energia :,T hc 5 e 1 hc kt 1 Seres István 6

27 Elmélet: Planck-féle sugárzási törvény J C e T Ha veszi fel:,t 1, akkor a törvény az alábbi alakot d C 1 5 e C T /Az eltérés < 1%, ha T < 3000 m K/ d Seres István 7

28 Elmélet: Planck-féle sugárzási törvény J,T d C 1 5 e C T Hol van (mekkora esetén) a függvény maximuma? /Ahol a deriváltja nulla/ d(j d,t ) d(c 1 d 5 d e C T ) 0 Seres István 8

29 Elmélet: Wien-féle eltolódási törvény Hol van (mekkora esetén) a függvény maximuma? /Ahol a deriváltja nulla/ d(j d,t ) d(c 1 d 5 e C T C ) C 5 6 C T C1 e 5 T 1 6 e C T 0 5 e C T C T 0 T C, mk Seres István 9

30 Elmélet: Wien-féle eltolódási törvény 3 T 5C, mk Melegített vas színe változik Kék színű csillagok melegebbek Seres István 30

31 Elmélet: Stefan Boltzmann törvény Kibocsátott összteljesítmény: függvény görbe alatti terület (parciális integrálás) P A T 4, ahol 5, m W K 4 Seres István 31

32 Besugárzási intenzitás (W/m m) Fényforrások Természetes fény Nap spektruma: (T ~ 5800 K) max max T, mk m = 500 nm Hullámhossz ( m) A légkörön kívül A felszínen Seres István 3

33 Fényforrások Izzószálas égő Fekete test sugárzása: Wien-féle eltolódási törvény max T, mk Seres István 33

34 Fényforrások Fénycső, kompakt fénycső Fénycsövek színe fényporozás nélkül Ütközési gerjesztés a nagy feszültégre gyorsított gázionok segítségével beépített transzformátor Fénycső: 50 Hz villog!!! Kompakt fénycső Hz egyenletes fény Neon Hélium Xenon Kripton Argon Seres István 34

35 Fényforrások LED pn átmenet nyitóirányú kapcsolása A rekombinálódó elektronok a felesleges energiájukat fotonok formájában adják le. Seres István 35

36 Fényforrások LED LED lámpák színskála lefedettsége. Seres István 36

37 Fényforrások Lézer Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Seres István 37

38 Fényforrások Lézer Spontán és indukált emisszió Normál populáció, Inverz populáció tükörrezonátor Seres István 38

39 Fényforrások He-Ne Lézer Normál populáció, Inverz populáció tükörrezonátor Seres István 39

40 Fényforrások félvezető lézer Seres István 40

41 Fényforrások Lézerfény tulajdonságai Monokromatikus (1 színképvonal) Koherens párhuzamos nyaláb Nagy energiasűrűség Seres István 41

42 Lézerfény hatásai Hőhatás, ionizáció, fluoreszcencia, fotokémiai reakciók elsősorban a hőhatás elvén működnek: Például a CO lézer: vízben szinte tökéletesen elnyelődő 10.6 m es infravörös a kék vagy zöld színű argonlézer csak a pigmentált részen nyelődik el. a szem részein minden károsító hatás nélkül keresztülhalad, ugyanakkor az erősen pigmentált retina elnyeli. Seres István 4

43 Holográfia Seres István 43

44 Folytatás a következő héten! Seres István 44