Az elektromágneses hullámok

Átírás

1 203. október Az elektromágneses hullámok PTE ÁOK Biofizikai Intézet Kutatók fizikusok, kémikusok, asztronómusok Sir Isaac Newton Sir William Herschel Johann Wilhelm Ritter Joseph von Fraunhofer Robert Wilhelm Bunsen Gustav Robert Kirchhoff Albert Einstein Louis-Victor de Broglie James Clerk Maxwell Heinrich Rudolf - diszperzió (664) - IR (800) - UV (80) - Nap vonalas színképe (84) - vonalak értelmezése (86) - vonalak értelmezése (86) - fénykvantum (foton) (904) - anyaghullám (924) - EM sugárzás elm. (864) - EM sugárzás gyak. (888) A fény Elektromágneses spektrum Elektromágneses hullám Transzverzális hullám elektromos térerősségvektor hullámhossz E B x mágneses térerősségvektor x Az elektromos és a mágneses térerősség vektorai merőlegesek egymásra, valamint a haladási irányra! James Clerk Maxwell (864) elméleti szinten igazolta létezésüket. Heinrich Rudolf (888) létezésüket kísérletesen bizonyította.

2 abszorpció A spektrum Egy hullám, például elektromágneses hullám felhasadása alkotó frekvenciáira. Egy intenzitás-jellegű mennyiség ábrázolva egy energia-jellegű mennyiség függvényében. intenzitás, beütésszám (pl. radioaktivitás mérése), fotonszám, transzmittancia, abszorbancia (extinkció, OD) Kirchhoff törvények Első törvény: egy izzó, nagynyomású gáz folytonos emissziós spektrumot hoz létre. (Hőmérsékleti sugárzás.) Második törvény: forró, ritkított gáz (alacsony nyomás) vonalas emissziós spektrumot hoz létre (fényes spektrumvonalak sötét háttérrel). energia és azzal arányos mennyiségek (pl. frekvencia, hullámhossz, hullámszám) (nm) Harmadik törvény: egy forró, nagynyomású gáz fénye, ha hidegebb gázon halad keresztül, akkor a hidegebb gázra jellemző vonalas abszorpciós spektrum keletkezik. (Sötét spektrumvonalak fényes háttérrel.) A spektrumok megjelenési formái vonalas (atomok) sávos (molekulák) folytonos (hevített anyagok) I Néhány elem vonalas (emissziós) spektruma He Hg Folytonos emissziós Vonalas emissziós Vonalas abszorpciós n Na Ne Ar Joseph von Fraunhofer ( ) Fény és anyag kölcsönhatása Kvantált energia felvétel (foton) Atomi rendszerrel (anyaggal) kölcsönható elektromágneses sugárzás: visszaverődhet (reflexió) elnyelődhet (abszorpció) áthaladhat (transzmisszió) (szóródhat) 2

3 Atomok elektromos energiaszintjei Bohr- és a kvantummechanikai atommodell Posztulátumok:. Az elektronok csak bizonyos megengedett sugarú pályákon keringhetnek, amelyeken nem sugároznak. Mivel az E energia ezeken a pályákon állandó, az elektron stacionárius állapotban van. A molekulák energiarendszere 2. A stacionárius állapotok közti átmenetek esetén az elektron átugrik egyik állapotból a másikba, miközben az atom elektromágneses hullámokat bocsát ki. A két energiaállapot közti különbség egyenlő a kibocsátott vagy elnyelt sugárzás energiakvantumával. Fontos fizikai mennyiségek, összefüggések Frekvencia: n vagy f (/s) v = λ f Hullámhossz: (m) c n n = c / v Hullámszám: n (cm - ) Energia: E (J) h. n Einstein: foton (fénykvantum) energiája Extinkc. koeff.: (M - cm - vagy (mg/ml) - cm - ) A fény kettős természete Régió Hullámhossz tartomány (mm) Hullámszám tartomány (cm - ) Közeli Közép Távoli Hullám (terjedéskor) Elhajlás (diffrakció) Interferencia Polarizáció Részecske (kölcsönhatáskor) Fotoeffektus Compton-effektus Albert Einstein (905) : fotoelektromos hatás foton (fény kvantum), energiája: E = h n (vagy E = h f) Louis-Victor de Broglie (924) : anyaghullám elmélet (minden anyagnak van hullámtermészete) λ = h/p, ahol p az impulzus => λ = h/m v 3

4 Huygens-Fresnel elv Interferencia. Egy hullámfelület minden pontja pontforrásként működik (elemi hullámok indulnak ki belőle). 2. Ezekből induló hullámok interferenciája határozza meg a hullám további viselkedését. a x s s2 a sin A max. erősítés feltétele: a sin n A max. gyengítés feltétele: a sin ( n 2) Síkban polarizált fény Síkban polarizált fény Polarizáció A fény kettős természete Hullám (terjedéskor) Elhajlás (diffrakció) Interferencia Polarizáció Részecske (kölcsönhatáskor) Fotoeffektus Compton-effektus 4

5 abszorpció Foto- és Compton-effektus, párkeltés Spektroszkópia - Színképvizsgálat Spektro-: görög; jelentése kép/szín -szkópia: görög; nézés/látás/vizsgálat (nm) Vizsgálatok EM sugarakkal (pl. fény) A spektroszkópia alkalmazása. Elektron energiaszinteken Intenzitás hullámhossz: VIS, IR, UV, Röntgen, Raman, Mössbauer, ESR, NMR, CT, MRI... Energiaállapotok élettartama: fluoreszcencia/foszforeszcencia élettartam Polarizáció (anizotrópia): anizotrópia lecsengés, CD-spektroszkópia 2. Radioaktív spektroszkópia (α-, β-, γ-részecskék, neutron, neutrínó)... A spektroszkópia célja Anyag kvalitatív és/vagy kvantitatív megismerése: Anyagi minőség összetétel: karakterisztikus, ujjlenyomat Szerkezet Az anyag időbeli változásának nyomon követése: (időbontásos spektroszkópia) Anyagi minőségbeli változás (pl. kémiai reakció hatására), Szerkezeti változások követése (gyors kinetikai folyamatok vizsgálatára is alkalmas) Nem látjuk a molekulát, hanem a spektrum (változása) alapján, fizikai ismereteink segítségével következtetünk a szerkezetre (ill. a módosulásra)! 5