A MODERN FIZIKA INDULÁSA. Az anyagok szerkezetének kutatásában a kémikusok és fizikusok egymást segítették.

Átírás

1 A MODERN FIZIKA INDULÁSA A klasszikus atom Az anyagok szerkezetének kutatásában a kémikusok és fizikusok egymást segítették. Kémia: Lavoisier, Dalton, Avogadro Lavoisier (1790): tisztázza a kémiai elem fogalmát, az elemek súlyarányát a vegyületekben Dalton (1808): többszörös súlyviszonyok törvénye, minden elem azonos atomokból áll Avogadro (1811): azonos nyomás, hőmérséklet és térfogat esetén a gázok azonos számú atomot tartalmaznak (Avogadro féle szám) 23 A = 6 10 Faraday(1834): az elektrolitokbanmozgóegy vegyértékűaz ionok anyagi minőségtől függetlenül mindig egy meghatározott töltést visznek magukkal (Faraday II. törvénye) De milyen az atomok belső felépítése? Az atom szerkezetének feltárásában a XIX. sz. második felében a katódsugárcsőjelentette az áttörést. 1

2 Katódsugárcső Az atomszemlélet fontos volt a gázokon végbemenőelektromos kisülések jelenségének vizsgálatánál. Crookes: kimutatta, hogy légritkított gázokban az elektromosság békésebben megy végbe: a gázok nyugodt fénnyel világítanak, a gáz anyagától függő színben. A jelenség: ha légritkított térben a csőre nagyobb feszültséget kapcsolnak, akkor a katódtól az anód feléegy jól láthatósugárzás indul meg, ami a szemközti üvegbe ütközve szórt zöldes fénnyel világít. Minden útjába kerülő szilárd testnek árnyéka lesz. 2

3 A katódsugarak természete sokáig a fizika egyik legnagyobb rejtélye volt: A katódból lép ki Egyenes vonalban terjed Több anyagon fluoreszcenciát okoz Mágneses térrel eltéríthető Vékony fóliára ejtve azt vörös izzásig hevíti, energiát közvetít Az útjába helyezett fém negatív töltést nyer Crookes első magyarázata: a katódsugár negatív töltésű atomok áramlása Philipp Lenard: további kísérleti eredmény:a katódsugárcső vékony fémfólián áthatol. Lenard magyarázata erre: a katódsugár hullám 3

4 Az elektron felfedezése: J.J. Thomson (1897) Josef John Thomson (Anglia, ) Cambridge: a Cavendish-intézet professzora Maxwell, Lord Rayleigh után. Rutherford és W. L. Bragg követték őt. Kimutatta, hogy a katódsugár a legkisebb negatív töltésűrészecskék árama, meghatározta az elektron tömegét Nobel díj Nemzetközi iskola alakult ki körülötte: hét tanítványa kapott később szintén Nobel díjat. Kimutatta a katódsugarak elhajlását elektromos térben Meghatározta a fajlagos töltést az elektromos és mágneses tér eltérítő hatásai segítségével, melynek értéke független a katód anyagától: Az elektron, mint elemi részecske felfedezése, az elektron az atomok építőköve az első atommodell megfogalmazása A tömegspektográf elvének meghatározása e m 4

5 Az elektron tömegének meghatározása Thomson 1897-ben úgyhatározta meg az elektron fajlagos töltését,hogy megmérte egy adott v0 sebességűelektronnyaláb eltérülését a sebességre merőleges elektromos térben, majd a vo-raés E-re merőleges Bindukciójútérrel visszaállította a nyalábot eredeti helyzetébe. e m = E 2 2V B 2 e me = 5, esu g (esu: elektrosztatikus egység) Ötlet: Feltételezte, hogy az elektrolízis során már megismert legkisebb töltésegységet viszi magával az elektron,ezzel az értékkel kell itt is számolni. Faraday: elektrolízises kísérleteiben a töltés elemi egysége: 4, esu Ennek ismeretében a fajlagos töltésből számolva az elektron tömege: 27 m e = 0,9 10 g 5

6 Thomson féle atommodell: 1904 pozitív anyageloszlásban elhelyezkedő negatív elektronok Az elektron minden anyagnak része. Mivel azonban az atom semleges, ezért pozitív töltést is kell tartalmaznia. A folytonos eloszlásúpozitív atom belsejében negatív töltésű, pontszerűelektronok vannak. Ezek elhelyezkedését az atomban Thomson a klasszikus elektrodinamika alapján határozta meg: az elektronok az atom középpontjára nézve szimmetrikusan helyezkednek el. Ha az atom sok elektront tartalmaz, akkor ez koncentrikus gyűrűket jelent. Ez már magában rejti az elektronok héjszerkezetét. Ha az atom egyensúlyát egy külsőerőmegzavarja, akkor az elektronok rezegni kezdenek és fényt bocsátanak ki. A modellt később mazsolás pudingnak nevezték el. Segítségével azonban nem lehetett megmagyarázni az atomok spektrumvonalait. Thomson féle atommodell 6

7 A röntgen sugarak felfedezése Conrad Röntgen 1895, Röntgen Zürich-bentanult, hallgatta Clausiuskinetikus gázelméletről tartott előadásait. August Kundtfigyelt fel a tehetségére. A röntgen sugárzás felfedezéséért ő kapta az első Nobel díjat 1901-ben. A Crookescsövekkel történt kísérletek fontos hozadéka az elektronok fékeződésekor keletkező un. fékezési sugárzás. X sugarak (Röntgen elnevezése) Röntgen kísérletezés közben megfigyelte, hogy a mozgó elektronok az útjukba esőlemezbe ütköznek, közben a közelben lévőfluoreszcens (cink szulfid)ernyővilágít. X-sugárnak nevezte el amely áthatol bizonyos anyagokon, eltérő mértékben nyelődik el, és a fényhez hasonlóan egyenesen áramlik, valamint fényképfelvételeken rögzíthető. Tapasztalatai alapján a fényhez hasonlóhullámnakgondolta, de kísérlettel nem tudta igazolni. A szokásos optikai rácsokkal végzett kísérletek nem mutattak diffrakciót, mert a röntgensugarak hullámhossza annál sokkal kisebb. 7

8 Röntgen kísérletezés közben A folytonos spektrumal rendelkező fékezési röntgensugár előállítása Crookes csőben 8

9 Röntgen diffrakció: kísérlet és elmélet: Laue és Bragg Max von Laue Németország ( ) Plankasszisztense majd munkatársa, A röntgen diffrakciókísérleti módszerének kidolgozója. Fizikai Nobel díj, Megsejtette, hogy a kristályos anyagok rácsszerkezetűek, és rácsállandójuk: Elhajlás kristályrácson A fékezéskor keletkező röntgen sugárzás folytonos spektrumú. Laue ezzel kísérletezett. A kristályokon végzett interferencia kísérletei igazolták, a röntgensugarak hullám mivoltát és elhajlíthatóságát. m Bebizonyította, hogy a kristályok rácsszerkezetűek. Meghatározta a röntgen sugarak hullámhosszát: λ = 0.1nm 9

10 Laue egyik első felvétele Cink szulfid ernyőn Friedrich és Knipping által kifejlesztett készülék Folytonos röntgensugárzást bocsátott ki. A röntgensugarakkal az orvosi diagnosztika és terápia területén szinte a sugarak felfedezése pillanatától kísérleteztek (pl. eleinte a tuberkulózis kezelésére is.) 10

11 A diffrakcióelméletének matematikai kidolgozói: Apa és fia Bragg: kidolgozták a röntgen spektroszkópia módszerének alapjait: Bragg reflexiók, Bragg egyenlet W. L Bragg: Nobel díj, 1915 William H. Bragg William L. Bragg A kristály forgatásával térben is felépíthető a kristály 11

12 A periódusos rendszer: Mengyelejev Az elektron felfedezésével megkezdődtek az atom felépítésére vonatkozó spekulációk. Segítség a kémiától. Azonos viselkedésűelemek csoportok: ha atomsúlyok alapján rendezzük őket, akkor a egyforma fizikai és kémiai tulajdonságú elemek egymás alá kerülnek. Dimitrij Ivasnovics Mendelejev(Oroszország ) Vegyész, Szentpétervár, a kémia professzora Nagy szerepe volt a Donyecki szénbányák feltárásában és kiaknázásában is, s ődolgozta ki az ásványi szenek fűtőértékét meghatározó eljárást. Periódusos rendszerét akkor fogadták el, amikor 1875-ben felfedezték a galliumot, amely fizikai tulajdonságaival pontosan beleillett az általa üresen hagyott rubrikába illetve később két másik elemet is. 12

13 A fizikusok számára kihívás a magyarázatot adó atomszerkezet megtalálására. 13

14 Az atommag felfedezése: a Rutherford kísérlet (1911) Ernest Rutherford: ( ) Angliában tanul, majd Thomson tanítványa és utódja lesz a Cavendish Laboratóriumban. Nem tetszett neki Thomson atommodellje: elhatározta, hogy az atom belsejét lövedékek belövésével mutatja ki. A lövedékek):a radioaktivitás felfedezésével rendelkezésre állóalfa sugarak pozitív töltésű hélium ionok Kémiai Nobel díj Ha kölcsönhatásba kerülnek az atom töltéssel bírórészeivel, akkor le el kell térülniük. Alfa részecske nyalábot ejtett különféle vékony fémfóliákra,és az áthaladáskor különböző irányba szóródórészecskéket cink-szulfid ernyőn felfogta, és mikroszkópon keresztül figyelve megszámlálta. 14

15 Rutherford már 1906-ban észrevette, hogy az α-részecskék irányváltoztatás nélkül áthaladnak vékony fémfóliákon, de néhány közülük jelentősen eltérül. Ezek az elsőeredmények azt sugallták számára, hogy az anyag nem tömör, az atom belsejében egy erősen pozitív töltésűmagnak kell lennie. Ez a mag képes eltéríteni az α- részecskéket, de csak akkor, ha azok elegendően közel haladnak el mellette. 15

16 A Rutherford-féle atommodell Az atom tömegének nagy része (> 99,9%) igen kis térfogatban van (az atom térfogatának kevesebb mint egymilliomodrészében). Ezt a pozitív töltésűkis rész az atommag. Az elektronok az atommag körül bolygók módjára keringenek. A körpályán a Coulomb-erő tartja őket. Az elektronok olyan számban vannak jelen, hogy közömbösítsék az atommag töltését. Van den Broek: az elektronok száma minden atomban megegyezik az elem periódusos rendszerbeli sorszámával. Problémák Miért csak meghatározott körpályák vannak, miért? A keringő(gyorsuló) elektron miért nem sugároz? A megoldásra a kvantumfizika eredményeire még várni kellett. 16

17 Hőmérsékleti sugárzás - kísérleti eredmények Szilárd és folyékony testek esetén folytonos a sugárzás 1. A (Wilhelm ) Wien féle eltolódási törvény A hullámhossz eloszlásának kísérleti eredménye: A hőmérséklet növekedésével a maximum a kisebb hullámhosszúságú, nagyobb energiájú sugarak felé tolódik. el: magasabb hőmérsékleten a sugárzás energiája nő λ T = áll 2. Stefan - Boltzmann törvény E = σ T 4 σ = 5, m 2 J T 4 17

18 Forrógázok fénykibocsátása -spektroszkópia Lángfestés: Bunsen kísérlete: az égőlángjába gőzzéválóanyagok vonalas színképetadnak: Pl. Na-gőz sárga, Kálium gőze piros. Prizma segítségével a színkép alapján az anyagot fel lehet ismerni. A gázok atomjai szabadon repülnek a térben. Összeütközésnél gerjesztett állapotba kerülnek, rezegni kezdenek, és a rájuk jellemző fényhullámokat bocsátják ki. 18

19 A FÉNYELNYELÉS A Natriumtartalmúláng a folytonos fényből a sárga D -vonalat nyeli el. Gustav Kirchoff:az anyag ugyanazokat a fényfrekvenciákatnyeli el,mint amelyeket kibocsátja. 19

20 MAX PLANK ÉS A KVANTUMHIPOTÉZIS: Sokan foglalkoznak a fekete test sugárzás elméleti leírásával: pl. Jeans, Plank Jeansproblémája: A sugárzóenergia különbözőhullámhosszak közötti eloszlása ugyanazt a statisztikát követi-e, mint a gázmolekulák energia eloszlása? Az ekvipartíciótétele nem alkalmazható, mert az eredmény nem felelt meg a kísérleti eredményeknek. Plank: a fénykvantumok bevezetése adta a megoldást(1900). A kvantumfizika születése Az atomok csak kisebb adagokban ( hullámcsomagok ) tudnak sugározni. A különböző hullámhosszúságú sugarak nem ugyanakkora energiát képviselnek. Az elektromágneses sugárzás energia csomagokból áll: A h Plank állandó( hatáskvantum): természeti állandó: h ε = hυ = 6, Js Elméletét nehezen fogadták el, de belátták, hogy a spektrum különbözőhullámhosszak közötti statisztikus energia eloszlását megmagyarázza. Eleinte őmaga is csak egy alkalmas hipotézisnek találta. 20

21 Max Plank( ) Az atomfizika űttörője Berlinben tanul Helmholtznál, Kircchoffnál, később a Berlini egyetem professzora, ahol utóda majd Erwin Schödingerlesz. A kvantummechanika elveit már nem tudja elfogadni. A kvantumhipotézis felfedezéséért 1918-ban kap Nobel-díjat. Németországban ma kutatóintézeti hálózat viseli a nevét. (Max Plank Institute für..) Max Bornígy jellemzi: A természetéből és családja hagyományaiból kifolyólag konzervatív volt, elutasítóa forradalmi újítások iránt, és szkeptikus a spekulációkkal szemben. Hite azonban a logikus gondolatokkal alátámasztott tények kényszerítőerejében olyan nagy volt, hogy nem habozott kimondani egy állítást, ami minden hagyománynak ellentmond, mert meg volt győződve arról, hogy nincs más kiút. Plankés Einstein 21

22 A FÉNYKVANTUM REÁLIS LÉTEZÉSE : Fotoeffektus kísérlete Lénárd Fülöp: az UV fénnyel megvilágított fémekből elektronok lépnek ki. Kísérleti eredményeit nem tudja megmagyarázni. 1. Adott frekvenciájúbeesőfény esetén a fényerősség változásakora kilépőelektronok energiája nem változik, számuk a fényerősséggel nő.??? 2. A beesőfény frekvenciájának növelésekoregy bizonyos küszöbfrekvencia eléréséig nem lépnek ki elektronok, utána viszont a fotonok energiája a frekvenciával egyenes arányban nő.??? Einstein magyarázza meg Plank kvantumhipotézise segítségével. 22

23 A fotoeffektusértelmezése: Einstein (1905) Nobel díj (1922) A fény nemcsak hullám, hanem részecsketulajdonságokkal is rendelkezik: fotonenergiája: E foton = h υ A foton a fém felszínébe ütközve átadja egy elektronnak az energiáját, az elektron így kinetikus energiára tesz szert, megfelelőérték esetén ki tud lépni a felületről. A nagyobb intenzitás több fotont jelent. Ha nőa frekvencia, nőa foton energiája, nőa kilépőelektron sebessége. A fém felszínén való átjutáskor a kinetikus energia egy része a kilépési munkára fordítódik. E = h υ W Az energia-frekvencia grafikon meredeksége a h állandó. 23

24 Bohr féle atommodell A foton elméletre támaszkodva az atomhéj gerjesztését és energia emisszióját leíró atommodell. Megoldandókérdések: a spektroszkópiai kísérletek értelmezése (elnyelés-sugárzás) Rutherford atommodell: meghatározott atompályákon az elektron miért nem sugároz? Knut Johan Angström:( ) Svéd csillagász, spektroszkópus) A Nap közvetlen sugárzásának mérésére új eszközt fejlesztett ki ben kimutatta, hogy A Nap spektrumában a H vonalai kimutathatók, megadta az elsőnégy vonal hullámhosszát. Mértékegységet neveztek el róla: 1A = m Johann Jacob Balmer:( , Svájc, középiskolai tanár) Angströmáltal meghatározott hullámhosszak között próbálgatással keres matematikai összefüggést. A rezgő húr analógiáját alkalmazza: állóhullám csak adott frekvencián alakulhat ki. 24

25 A Balmerformula: = R 2 2 λ 2 n R= Rydberg állandó A mérési eredményeken alapuló számításos formulát Bohr értelmezi. Bizonyos sugarúpályákon az elektronok nem sugároznak. Kiválasztási szabályaz elektronpályákra: a klasszikus mechanika fogalmaival (a sugár és energia adatokra), az impulzus momentumra: [ r p] N = h = h 2π A kiválasztott pályák n szerint számozhatók. Ezeken a pályákon nem sugároz az elektron. N = h n Az átmenetkor viszont az energiakülönbség kisugárzódik. Ezzel az elmélet a Balmerformulákat kielégítette:r értéke kiszámolhatólett az e, m, és h értékek ismeretében: hυ nn, = E n E n, R =

26 De Broglie anyaghullám hipotézise Bohr körpályáira igaz az alábbi feltétel: 2rπ p = n h a pálya kerülete legyen a hullámhossz többszöröse: állóhullám λ = h mv Energiák segítségével ki is számítható: De Broglie:A v sebességűelektron hullámhosszának meghatározása: λ = h m e v e energia kifejezése a hullámtulajdonságokkal energia kifejezése a részecske tulajdonságokkal: E = h f E = mc 2 = p c a kettőegyenlővétételével: h p = f c = λ Az elektron is hullám, a kiválasztott elektronpályákon állóhullám alakban lehet jelen. 26

27 Anyaghullámok: Anyaghullámok:az elektron mint hullám: elhajlása rácson Jönsson,1961 m tömegű, v sebességű elektron elhajlása rácson: m e e = 9,1 10 = kg C Elektronmikroszkópia. 400 kv gyorsítófeszültség esetén az elektron hullámhossza: kb: 1 nm λ = h m e v e Rácsparaméter fémek esetén: d 0,1nm Elektrondiffrakciós felvétel 27

28 28