Az elektron felfedezése

Átírás

1 Az elektron felfedezése A katódsugárcső végét foszforeszkáló anyaggal vonják be. Ha ezt eltalálja a katódsugár, akkor ezen a helyen zöldesen világít. feszültségforrás katód anód kis rés vákuum foszforeszkáló ernyő Mágneses térben is eltérül Elektromos térben a katódsugár eltérül töltéssel rendelkező részecskék pozitív elektromos töltés negatív elektromos töltés Joseph J. Thompson ( ) fizikai Nobel-díj: 1906 Newton II: F=ma Lorentz: F=qv B a=(q/m)v B a: oldalirányú gyorsulás mágnes (ezzel arányos az eltérülés mértéke, amit meg lehet mérni) m/q = 5,686 * kg/c katód más anyagból Az útvonal elektród anyagától független mindig ugyanaz a részecske lép ki

2 Thomson-féle atommodell Az atom egy pozitív töltésű gömb, amelyben elszórva a pozitív töltéssel azonos mennyiségű negatív töltések találhatók kis részecske, elektron formájában ( mazsolás puding -modell)

3 Az elektron töltése és tömege Millikan: e=1, C m e = 9, kg Robert Andrews Millikan ( ) Nobel-dij: 1923 olajcseppecskék porlasztó töltött olajcseppecskék + töltésű lemez mikroszkóp ionizáló sugárzás fényforrás - töltésű lemez Ha a gravitációs erő megegyezik a Coulomb erővel, akkor a részecskék lebegnek. A Coulomb erő arányos a lemezek és a cseppecskék töltésével, így a cseppecskék tömegének és a lemezek töltésének ismeretében az elektron töltése=cseppecske töltése) meghatározható.

4 Röntgen felfedezése után Az atommag Antoine Henri Becquerel ( ) Radioaktív sugárzás felfedezése, Nobel-díj: 1903 külső tér nélkül Ernest Rutherford ( ) Nobel-díj: 1908 mágneses térben eltérülnek töltéssel rendelkeznek a-részecskék: pozitív töltés (He 2+, pl. 238 U) b-részecskék: negatív töltés (e, pl. 40 K)

5 Rutherford-féle atommodell Rutherford, Geiger és Marsden kísérlete nem eltérülő részecskék pozitív töltésű atommag aranyfólia detektor a-sugárforrás eltérülő részecskék negatív töltésű elektronok pályákon Ha egyenletesen oszlana el a pozitív töltés (lásd Thompson-féle modell), akkor nem lennének eltérülő a-részecskék Pozitív töltés koncentrálódik Nyitott kérdések: - Mi tartja össze az atomokat? - Miért változnak periodikusan az elemek tulajdonságai?

6 Az atommag Rutherford 14 N + a 1 H + 17 O első megfigyelt atommag-reakció p + - univerzális építőelem Hogy kapcsolódnak egymáshoz az azonos töltésű protonok? James Chadwick neutron (n) kimutatása, azonosítása James Chadwick ( ) Nobel-díj: He + 9 4Be 12 6C + n Elemi részecske tömeg töltés e - : 9,10953*10-31 kg -1,60219*10-19 C p + : 1,67265*10-27 kg +1,60219*10-19 C n : 1,67495*10-27 kg 0

7 Az atommal kapcsolatos egyszerű fogalmak izotóp szén-12 szén-13 szén C 13 6 C 14 6 C p + -ok száma e - -ok száma neutronok száma izotóp: egy adott elem adott tömegszámú atomfajtája A = Z + N (ahol N a neutronok száma) azaz mindig egész! vegyjel atom: p + -ok száma = e -ok száma (egyszerű) ion, ha a protonok és elektronok száma nem egyezik meg ( kationok(pozitív) és anionok(negatív) ) (Emlékeztető: relatív atomtömeg, moláris tömeg, átlagos moláris tömeg)

8 Atomok tömegének mérése TÖMEGSPEKTROMETRIA minta elpárologtatása becsapódó elektronok ionizálnak töltött részecskék könnyebb minta legnehezebb elektronforrás szeparáció gyorsítás (U) elektromos térrel mágneses tér (B) Newton: F=ma Lorentz: F=qv B q=ze e: egységtöltés z: töltésszám a=(z/m)ev B

9 relatív intenzitás A tömegspektrum Az egyik legfontosabb szerkezetkutató módszer!

10 Elemi részecskék Megjegyzés: a proton és neutron kvarkokból és gluonokból állnak, ezért a mai fizikai elmélet szerint az elektronnal ellentétben nem elemi részecskék (A kvarkokból és gluonokból álló részecskéket hadronoknak nevezik; ha három kvarkot tartalmaz, akkor barionnak hívjuk; ezek között a proton és neutron stabil, ezek a nukleonok, a többit hiperonnak nevezik.) ANYAG KÖLCSÖN- HATÁS foton gluon gluon (g) elektron Kvarkok Bozonok proton kvark neutron Leptonok

11 Newton kísérletei a fehér fénnyel Sir Isaac Newton ( )

12 Az infravörös sugárzás felfedezése Sir William Herschel ( ) A hőmérő a látható piros szín után helyezve is felmelegszik infravörös sugárzás (1800) A Herschel űrteleszkóp (Far Infrared and Sub-millimetre Telescope or FIRST)

13 Az UV sugárzás felfedezése Johann Wilhelm Ritter ( ) AgCl fehér UV Ag + Cl fekete A csapadék leggyorsabban látható kék szín utáni tartományban szürkül meg ultraviola (UV) sugárzás felfedezése (1801)

14 Fényelhajlás (diffrakció) és interferencia James Gregory ( ) diffrakció madártollal Thomas Young ( ) diffrakció elmélete A fény hullámokból áll!

15 Az interferencia

16 A fény, mint elektromágneses sugárzás l James Clerk Maxwell ( ) tér : E E idő : E E c c c 2 x cos( kx) E0 cos l cos( t) E cos( 2 t) l c E : elektromos tér( B : mágnesestér ) : körfrekvencia, l : hullámhossz, : frekvencia, c : fénysebesség vákuumban : , m/s / n n : törésmutató 0 8

17 A rádióhullámok felfedezése Heinrich Hertz ( ) 1888: A rádióhullámok felfedezése

18 A Röntgen-sugárzás felfedezése Wilhelm Conrad Röntgen ( ) 1895: A Röntgen-sugárzás felfedezése 1901: fizikai Nobel-díj

19 A fény, mint elektromágneses sugárzás

20 A fény, mint elektromágneses sugárzás rádióhullám mikrohullám infravörös látható UV Röntgen g-sugárzás méret / Hz l / m kis frekvencia, nagy hullámhossz nagy frekvencia, kis hullámhossz Látható színkép infravörös sugárzás hullámhossz / nm UV fény

21 Intenzitás Intenzitás Intenzitás Feketetest sugárzás Szilárd testek hőmérsékleti sugárzása Hullámhossz / Angström Piros csillag Hullámhossz / Angström Sárga csillag Hullámhossz / Angström Kék csillag Wien-törvénye: l max = b/t b= 2, (51) 10 3 m K

22 Feketetest sugárzás T hőmérsékletű feketetest Kis rés (fény, mint elektromágneses hullám) testbe zárt sugárzás Planck matematikai formulája szerint akkor kapjuk vissza a kísérleti görbét (görbéket), ha mindenegyes hullámhossznál van egy minimális, tovább nem osztható energiaadagja a fénynek E = h = hc/l h: Planck-állandó, h= 6,626*10 34Js Van-e ennek fizikai jelentése???

23 A fotoelektromos hatás A kísérletben a kilépő elektronok kinetikus energiája (E kin ) nem függ a fény intenzitásától, csak a fény hullámhosszától! Egy adott hullámhossz felett (frekvencia alatt) nem lép ki elektron! Magyarázat: A fény részecskékből áll, a részecskék energiája arányos a fény (elektromágneses sugárzás) frekvenciájával. E kin = h W (W a fémre jellemző, ú.n. kilépési munka, h: Planck-állandó h= 6,626*10 34 Js) fény elem vákuum fém árammérő Max Planck ( ) Nobel-díj: 1918 Albert Einstein ( )

24 A fény, mint részecske nyugalomban levő elektron foton elektron az ütközés után foton az ütközés után Arthur Holly Compton ( ) Nobel-díj: 1927 A fényrészecske, a foton, rugalmatlanul ütközik az elektronnal, azaz impulzust ad át részecske természet E = h (E = mc 2 ) m = h / c 2

25 A hidrogénatom színképe 1853-ban a svéd Angström 4 vonalat lát a H-atom spektrumában (a látható fény tartományában) 1885-ben Balmer, baseli leányiskolai latin és matematika tanár egyszerű képletet talált a H-atom vonalaira: 1/l = const. (1/2 2-1/n 2 ) const. = Å 1 Å = m n = egész szám: 3,4,5,6 a négy vonalra 410 nm, 434 nm, 486 nm, és 656 nm 1888-ban Rydberg általánosította a képletet más átmenetekre: Rydberg-állandó Anders Ångström ( ) Johann Jakob Balmer ( ) Johannes Robert Rydberg ( )

26 A Bohr-féle atommodell (1913) 1. A hidrogénatom egy pozitív töltésű részecskéből és egy elektronból áll, az elektron r sugarú pályán kering energiaveszteség nélkül. (Megjegyzés: a klasszikus fizika törvényei szerint a mozgó elektronnak folyamatosan energiát kellene veszítenie!) 2. Az elektron nem keringhet tetszőleges sugarú pályán. 3. Az adott sugarú pályán keringő elektron meghatározott energiával rendelkezik. 4. A két pálya közötti elektronátmenet egy, a pályák energiájának különbségével megegyező energiájú foton elnyelésével, vagy kibocsátásával jár. A klasszikus fizikai levezetés a Coulomb-törvényből indul ki: F = k q 1 q 2 /r 2 k=1/(4πε 0 ) ε 0 : a vákuum permittivitása, r a pálya sugara, q 1 és q 2 az elektron és a proton töltése A levezetés eredménye visszaadja a Rydberg-formulát: E = -R H hc/n 2 R H : Rydberg-állandó, h: Planck-állandó, c: fénysebesség E i E j E = R H hc(1/n j 2 1/n i2 ) = h Niels Henrik David Bohr ( )

27 A hidrogénatom színképe IR látható UV

28 Bohr-Sommerfeld atommodell Körpályák mellett ellipszis alakú pályák is. (Matematikailag leírja azt a kísérleti tényt, hogy a H-atom gerjesztett állapotai külső mágneses térben felhasadnak többféle energiaállapotra. Lásd később.)