Az atomfizika rövid története

Átírás

1 Az atomfizika rövid története Az atom név atomosz oszthatatlan szóból származik. Az anyag azon legkisebb részecskéit nevezték így, amelyek még megőrzik a tulajdonságait. Arra gondoltak, hogyha egy darab vajat kettéosztunk, akkor mindkét darab rendelkezik a vaj ízével és egyéb tulajdonságaival. Felvetődött a kérdés, hogy meddig lehet kettéosztogatni a vajat úgy, hogy a darabok rendelkeznek a vaj tulajdonságaival? Anaxagorasz és Leukipposz /ie. IV/ találgatásait, tanítványuk, Démokritosz fejlesztette tudománnyá. Atom: mindazok az eredeti és egyszerű, semmi mást nem tartalmazó testek, amelyek egyikét sem lehet a másikból előállítani, és amelyekké az összetett testek bonthatóak. Démokritosz úgy képzelte, hogy a különböző anyagok atomjai különböző méretűek, különféle alakúak és kis horgocskákkal kapcsolódnak egymáshoz. A középkorban az ókori materialisták műveit vagy kiátkozták, vagy elfelejtették. Az atomok léte az alkímia kémiává alakulásakor merült fel újra / az elsők között Lomonoszov és Bernouolli vetette fel/ ben Lavoisier tisztázta a kémiai elem fogalmát Proust az állandó súlyviszonyok törvénye: A kémiai reakciókban résztvevő anyagok csak meghatározott tömegarányban reagálnak maradéktalanul egymással. Ha ez a kedvező súlyarány nem áll fenn, akkor a reakció során valamelyik anyagból lesz maradék. (A rézkarbonát ugyanakkora tömegszázalék rezet tartalmazott függetlenül attól, hogy milyen természetes forrásból származott vagy állították elő. Adott vegyületben, az bárhonnan származik is, bármilyen módon állították elő, az alkotóelemek súlyaránya szigorúan állandó, és jellemző az adott vegyületre.) Ez az atomhipotézis alapján magától értetődő lett volna, de nem jutott eszükbe tól 1808-ig tartó kísérletezés eredményeként Dalton megfogalmazza a többszörös súlyviszonyok törvényét: Ha két elem többféleképpen is vegyül egymással, akkor az egyik elem azon mennyiségei, amely egy másik elem egy adott mennyiségével maradéktalanul reagálni képesek, úgy aránylanak egymáshoz, mint a kis egész számok. Ő észrevette, hogy ezek a törvények az atomelmélet alapján könnyen magyarázhatóak Gay-Lussac egy négy éves kísérletsorozat eredményeként megállapította, hogy a kémiailag egyesülő gázok térfogatai állandó hőmérsékleten és nyomáson úgy aránylanak egymáshoz, mint a kis egész számok. Ennek értelmezésére mondta ki 1811-ben Avogadro hipotézisként, hogy egyenlő nyomású, térfogatú és hőmérsékletű gázokban ugyanannyi részecske van. Ez alapján lehetővé vált a vegyületek képletének és molekulasúlyának, valamint az elemek atomsúlyának a meghatározása. Tehát az atomelmélet természettudományos megalapozásához a tapasztalati anyagot a kémia szolgáltatta Dulong-Petit szabály: A szilárd elemek fajhője elég magas hőmérsékleten egyenlő A Brown-mozgás felfedezése. Robert Brown ( ) botanikus megfigyelte a virágporszemcsék mozgását mikroszkóp alatt. A jelenség magyarázata szintén a molekulák létezésére vezethető vissza Az elektrolízis Faraday törvényei fényt derítettek az anyag és az elektromosság közötti szoros kapcsolatra. Faraday első törvénye: m~q m=k. Q Faraday második törvénye: Tapasztalat: 1 mól egy vegyértékű anyag elektrolíziséhez F=96500 C töltés szükséges.

2 m m M k Q k ha m M Q Z F k m Q Q Z F Z F 1856 Kinetikus gázelmélet kifejlődése. Krönig, Clasius, Maxwell és Boltzmann dolgozta ki. Ez erősen alátámasztja az atomos szemléletet Bunsen- Kirchhoff felfedezi a színképelemzést. Plücker és Hittorf vizsgálni kezdte a katódsugárzást. A katódsugárzás tulajdonságai: Plücker és Hittorf vizsgálati eredményei: A katódból lép ki; egyenes vonalban terjed; mágneses térben eltéríthető; több anyagban fluoreszenciát okoz Varley: a mágneses térbeli elhajlás alapján negatív töltésű részecskékből áll Goldstein: a katódsugárzás tulajdonságai függetlenek a katód anyagától, és a katódsugárzás kémiai reakciókat tud kiváltani. A katódsugarak merőlegesen lépnek ki a katódból Crookes: ha a katódsugarakat vékony fémfóliára ejtjük, ez vörös izzásig hevíthet van energiájuk Ha egy kis lapátkereket teszünk a katódsugár útjába, akkor a lapát forogni kezd van impulzusuk Goldstein: nem állhat negatív töltésű molekulákból, mert nagyon pici részecskékből áll Mengyelejev: Ha az elemeket az atomsúly növekedése szerint sorba vesszük, akkor a kémiai tulajdonságaik periódikusan ismétlődnek periódusos rendszer. Bár az atomfelfogás a kémiában nélkülözhetetlen volt és a kinetikus gázelméletben is nagy sikereket ért el, még a XX. század elején is sokan elutasították illetve csak munkahipotézisként kezelték. Az atomok oszthatósága 1881 Helmholtz a Faraday törvényekből arra a következtetésre jut, hogy van elemi töltés e=f/n A és hogy minden Z vegyértékű ionnak Z. e nagyságú töltése van Goldstein felfedezi a csősugárzást Wien: a csősugárzás nagytömegű pozitív töltésekből áll Stoletov és Hallwasch felfedezi a külső fotóeffektust / ZN lemez UV sugárzás hatására elveszti a negatív töltését, a pozitívot nem./ 1893 Lenard: A katódsugár vékony fémfólián keresztül kihozható a csőből. A fólia a levegőt kint, a H 2 -t bent tartja a katódsugár az atomoknál sokkal kisebb részecskékből áll A Röntgen sugárzás felfedezése. Olvasnivaló 1896 Becquerel felfedezi a radioaktivitást. Kimutatja, hogy a sugárzás erőssége csak az urántartalomtól függ J.J. Thomson bebizonyítja, hogy a katódsugárzás részecskéi a katód anyagától függetlenül ugyanazok, tehát a részecske minden elem atomjának alkotórésze és abból például izzítással kiszakítható, Q/m 1, , ezek az elektromosság atomjai. / Az elektron nevet Stoneytől kapta 1874-ben./ 1897 Rutherford az áthatolóképesség alapján szétválasztja a radioaktív sugárzást illetve sugárzásra Wien: a csősugarak ionokból állnak. A H + ion a proton A Curie házaspár felfedezte a rádiumot.

3 1899 Lenard a fotóeffektus vizsgálata során felfedezi, hogy UV sugár hatására a fémekből elektronok válnak ki. A kivált elektronok száma a katódra eső fény intenzitásával arányos Villard felfedezi a radioaktív sugárzásban a sugárzást. Becquerel: a sugárzás elektronsugárzás / fajlagos töltés méréssel/ Thomson-féle atommodell /Puding modell/: az egészében véve semleges atom pozitív töltése egyenletesen oszlik el egy tömör kb cm átmérőjű gömbben és ebben helyezkednek el a pontszerű elektronok, mint a mazsolák a pudingban. Később kimutatta, hogy az atom csak akkor stabilis, ha az elektronok héjakba rendeződnek Planck: a fekete test sugárzás mérési eredményeinek elméleti magyarázata közben / ami a klasszikus elmélettel nem magyarázható/ fel kellet tételeznie, hogy egy részecskének az egy szabadsági fokára eső energiája nem lehet tetszőleges, hanem csak egy véges energia adag (kvantum) egész számú többszöröse. = h., h=6, J/s. Ezzel megjelent az energiakvantum fogalma a fizikában. Planck bevezetése nem volt teljesen pontos; ez Einsteinnek sikerült 1916-ban Rutherford és Soddy úgy értelmezi a radioaktív bomlást, hogy az a radioaktív anyagok spontán bomlása. /Hipotézis, ami igen nagy vihart kavart! Naná ha egyáltalán van atom, az oszthatatlan./ 1902 Lenard: A fotóeffektus vizsgálata közben váratlan eredményeket kapott, amelyeket a klasszikus fizika nem tudott magyarázni: 1. A kilépő elektronok max sebessége csak a fény frekvenciájától függ, az erősségétől nem. 2. A v max növekvő frekvenciával nő. A frekvenciát csökkentve egy az anyag mennyiségétől függő 0 határfrekvencia alatt nincs fotóeffektus Lenard: A katódsugarak szóródását vizsgálva gázokon és vékony fémlemezeken, azt tapasztalta, hogy az elegendően nagy sebességű elektronok igen sok atomon áthatolnak lényeges irányváltoztatás nélkül, tehát az atom túlnyomórészt üres. A Lenard féle atommodell: az atom apró pozitív és negatív töltésekből és az ezekből származó erőtérből áll Einstein értelmezi a Brown-mozgást Einstein a foton hipotézissel értelmezi a fotóeffektust: A fény diszkrét h. energiájú fénykvantumokból a fotonokból áll, melyek egyenes vonalban, fénysebességgel terjednek. Azt a legkisebb energiát, amely az elektronnak a fémből való kiszakításához szükséges, kilépési munkának (W ki ) nevezzük. A foton csak akkor tudja az elektront kiszakítani, ha az energiája nagyobb, mint a kilépési munka (h. > W ki ). Ekkor az energiafölösleg lesz a kilépő elektron mozgási energiája. 1 2 A fényelektromos egyenlet: mv = h Wki 2 A Dulong-Petit szabály /a kristályok molhője ugyanakkora/ alacsony hőmérsékleten nem igaz. Alacsony hőmérsékletek felé tartva a molhő meredeken esik, sőt a gyémánté már szobahőmérsékleten is jóval kisebb. Az abszolút zérus fokhoz közeledve minden elem molhője 0-hoz tart. Einstein magyarázza meg a Dulong-Petit szabályt a kvantumhipotézis segítségével: az elemi rezgés energiájának legkisebb értéke nem tetszés szerint választható, hanem függ az anyagi minőségtől. Ez a három terület kényszerítette új utakra a fizikát. / A feketetest sugárzás, a fotóeffektus és a D-P szabály/ 1906 Rutherford észrevette, hogy a levegőn áthaladó részecskék nyalábja szóródik. Még távolról sem kielégítőek az atommodellek, nemcsak a kémiai tulajdonságokat kell magyarázniuk, hanem értelmezniük kell a vonalas spektrumot is. Az atomszerkezet megismerésében döntő fordulatot hoztak Rutherford és társai 1909 és 1911 között végzett kísérletei. Ekkor a radioaktív sugárzás tulajdonságait kutatták, és az alfa részecskék szóródását vizsgálták fémfóliákon Rutheford-féle atommodell: atom teljes pozitív töltése és az atom majdnem teljes tömege a kinetikus gázelméletből származó atomsugárhoz képest igen kicsi (10-10 cm) atommagban összpontosul, az elektronok e körül keringenek 10-8 cm távolságban. Az atombeli pozitív töltések számának és az elektronok számának meg kell egyeznie. A probléma: ez a modell instabil. A keringő elektron gyorsul, tehát változó az elektromos tere, ezért változó

4 mágneses teret kelt, emiatt elektromágneses hullámot bocsát ki. Az energia kibocsátás miatt csökkenne az energiája és spirálisan bezuhanna az atommagba. A spektrum vonalakat sem magyarázza Rutherford tanítványa, Bohr, összekombinálta a Rutherford modellt és a kvantumhipotézist. A Bohr posztulátumok: 1. Az elektronok nem tetszőleges, hanem csak meghatározott stacionárius pályákon keringhetnek és ezeken a pályákon nem sugároznak. A különböző pályák energiája különböző. 2. Emisszió akkor következik be, ha egy elektron egy pályáról /E n / átugrik egy alacsonyabb energiájú pályára /E m /. Ekkor az atom a pályák közti energiakülönbséget E n -E m = h. energiájú foton formájában kisugározza. Az elektron mozgására és az ugrásokra vonatkozó elképzelései azóta túlhaladottnak tekinthetők, de ma is igaznak fogadják el az általánosabb megfogalmazást A Bohrtól független végzett Franck-Hertz kísérlet igazolja a Bohr posztulátumokat. / A Bohr modellt Sommerfeld fejlesztette tovább./ 1915 A Sommerfeld-féle atommodell 1916 Millikan kísérletei meghatározták az elemi töltést. Ugyanebben az évben kísérlettel igazolta a fényelektromos egyenletet, közben meghatározta a Planck állandót /h/ Compton effektus: Az anyagba csapódó röntgensugarak szóródnak. Pl. paraffinra bocsátott röntgensugárzás esetén a szórt sugárzás frekvenciája kisebb, mint a beérkező sugárzásé. A röntgen fotonok rugalmatlanul szóródnak a (kváziszabad) elektronokon. Minél nagyobb szögben szóródik a röntgensugárzás, annál jobban csökken a frekvencia, annál nagyobb az energiaveszteség. A frekvenciaváltozás nem függ a szóró anyagtól, és nem függ a frekvenciától. A fénykvantumok az anyagban lévő elektronokkal ütközve veszítenek az impulzusukból, emiatt változik meg a foton frekvenciája. A fény hullámelméletével a jelenség nem magyarázható. A kísérlet igazolja a fény részecske természetét de Broglie: az anyagi részecskék kettős természetűek. Minden mozgó részecskéhez hullám rendelhető, amelynek hullámhossza =h/p=h/(m. v), és frekvenciája = m. c 2 /h Bethe és Geiger, valamint Compton és Simon kísérletileg igazolja, hogy az energia és az impulzus megmaradás érvényes a részecskék ütközésére. A fény bizonyos esetekben részecskeként, máskor viszont hullámként viselkedik. Na most a fény részecske vagy hullám? Sem ez, sem az. A fény kettős természetű. Határesetben viselkedhet részecskeként vagy hullámként, de valójában olyan bonyolult természetű, hogy ilyen primitív modellekkel nem modellezhető. A mikroszkopikus részecskék mozgása csak abból a szempontból modellezhető hullámokkal, hogy interferenciára képesek és csak abban az értelemben értelmezhetők kicsi golyóval, hogy az ernyőbe csapódó részecske töltését, tömegét és energiáját egy helyen találjuk. A mikrorészecskék mozgása szemléletesen nem képzelhető el, mert nem használhatók olyan fogalmak, mint pálya és sebesség, amellyel a makroszkopikus részecskék mozgását jellemeztük. A diszkrét elektronhéj magyarázhatóvá vált a Bohr-Sommerfeld elméletben. Csak olyan pályán lehet elektron, ahol a pálya kerületére a egész számszor ráfér, így az elektron állóhullámként a mag körül mozog. A hidrogénszerű ionok spektrumát jól magyarázza az így kiegészített Bohr modell, de a heliumét már nem Az elektronok állapotát az energiával és a lendülettel jellemezhetjük ban jött rá M. Planck, hogy ezek a mennyiségek a természetben csak adagonként (kvantumonként) változhatnak. Ekkor viszont a növekvő energia szerint sorba rendezhetjük és megszámozhatjuk az egyes állapototokat. Pauli a színképeket tanulmányozva jött rá, hogy nincsen két olyan elektron az atomban, amely teljesen azonos állapotban van. Egy kvantumcellában csak egy elektron lehet. Ha már tudjuk, hogy ez minden feles spinű (saját perdületű) részecskére igaz. Az atommagot alkotó protonok és neutronok is feles spinű részecskék. Pauli elv: Az atomban nem lehet két elektron azonos kvantum állapotban. Ezzel értelmezhetővé vált a periódusos rendszer: A periódusos rendszer a legkülső elektronhéj szakaszos ismétlődésére vezethető vissza.

5 Elektronok interferenciáját először Davissonnak és Germernek sikerült kimutatnia 1927-ben. Makroszkopikus méretű részecskék esetén ez a hullámsajátosság nem mutatható ki, mert a hozzájuk tartozó de Broglie hullámhossz nagyon kicsi.