Newton kísérletei a fehér fénnyel. Sir Isaac Newton ( )

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Newton kísérletei a fehér fénnyel. Sir Isaac Newton ( )"

Rudolf Balázs
8 évvel ezelőtt
Látták:

1 Newton kísérletei a fehér fénnyel Sir Isaac Newton ( )

2 Az infravörös sugárzás felfedezése 1781: Herschel felfedezi az Uránuszt 1800: Felfedezi az infravörös sugárzást Sir William Herschel (1738 november )

3 Az UV sugárzás felfedezése 1801 Johann Wilhelm Ritter ( ) AgCl fehér UV Ag + Cl fekete

nagysága (vektora) Terjedési sebesség (fénysebesség vákuumban) c = 299

4 A fény, mint elektromágneses sugárzás frekvencia, ν [Hz] (1 Hz = 1 1/s) Elektromos térerő iránya és nagysága (vektora) Mágneses térerő iránya és nagysága (vektora) Terjedési sebesség (fénysebesség vákuumban) c = m / s hullámhossz, λ [m] λ = c /ν James Clerk Maxwell ( )

5 A rádióhullámok felfedezése 1888 Heinrich Hertz ( )

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

kis frekvencia, nagy hullámhossz nagy frekvencia, kis

7 A fény, mint elektromágneses sugárzás rádióhullám mikrohullám infravörös látható UV Röntgen γ-sugárzás méret ν / Hz λ / m kis frekvencia, nagy hullámhossz nagy frekvencia, kis hullámhossz Látható színkép infravörös sugárzás hullámhossz / nm UV fény

8 A fotoelektromos jelenség evakuált üvegcső elektród elem árammérő Egy adott hullámhossz felett (frekvencia alatt) függetlenül a fény intenzitásától nem lép ki elektron!

A fény részecskéi, a fotonok fotonok kilépő elektronok nátrium

1918 Albert Einstein (1879 1955) egy foton energiája: E = h ν

W + E kinetikus W: kilépési munka E kinetikus : kilépő

9 A fény részecskéi, a fotonok fotonok kilépő elektronok nátrium fotonok: a fény részecskéi Max Planck ( ) Nobel-díj: 1918 Albert Einstein ( ) egy foton energiája: E = h ν ν: fény frekvenciája h: Planck-állandó h= 6, Js h ν = W + E kinetikus W: kilépési munka E kinetikus : kilépő elektronok kinetikus energiája pl. λ vörös = 650 nm, E vörös foton = J

λ A fény i( k r ωt + φ0 ) Elektromágneses sugárzás E( r, t) = E0e 2πx tér : E = E0 cos( kx) = E0 cos λ idő :

körfrekvencia, λ : hullámhossz, ν : frekvencia, c : fénysebesség c 0 c = c 0 = 2,99792458 10 / n 0 λν = c

fotoelektromos jelenség fényenergia-kvantum: foton hc ~ E = hν = hω = = hcν λ h : Planck állandó, ~ ν :

10 λ A fény i( k r ωt + φ0 ) Elektromágneses sugárzás E( r, t) = E0e 2πx tér : E = E0 cos( kx) = E0 cos λ idő : E = E cos( ωt) = E cos(2πνt) James Clerk Maxwell ( ) k : hullámvektor, E : elektromos tér ω : körfrekvencia, λ : hullámhossz, ν : frekvencia, c : fénysebesség c 0 c = c 0 = 2, / n 0 λν = c vákuumban : 0 8 m/s n : törésmutató Részecsketermészet Kettőstermészet Albert Einstein ( ) 1905: fotoelektromos jelenség fényenergia-kvantum: foton hc ~ E = hν = hω = = hcν λ h : Planck állandó, ~ ν : hullámszám h = 6, (52) Js Louis-Victor de Broglie ( ) 1924: minden anyagra: λ = h = p h mv p : impulzus

11 spektrálisan: A fény tulajdonságai monokromatikus vonalas atomi (molekuláris) gázok emissziója (sávos fluoreszkáló oldatok) fehér feketest-sugárzók Feketetest-sugárzás Wien-törvénye: λ max = b/t b= 2, (51) 10 3 m K

12 A csillagok mint feketetestsugárzók

13 A fény energiája és intenzitása A foton (és a gerjesztés) energiája, lehetséges mértékegységek: 1 cm 1 = 1, kj / mol 1 ev = 96, kj / mol 1 kcal / mol = 4, kj / mol 1 MHz = 3, kj / mol 1 E h (Hatree) = 2625,5 kj / mol egyéb: erg, J, cal, kwh,, nm, h, A fény(impulzus) energiája: a fénynyalábban levő fotonok energiájának összege (a teljes spektrumra) A fénynyaláb teljesítménye: J /s (W) A fénynyaláb intenzitása: Fluxus (felületi teljesítmény) [W/m 2 ], monokromatikus fényre [foton/s m 2 ] (Luminozitás: 1 cd (candela) = 1/683 W / 555 nm)

14 Sötét vonalak a Nap színképében Joseph von Fraunhofer ( ) 514 vonal a napfény spektrumában Fraunhofer-vonalak: 1814 William Hyde Wollaston ( ) vonalak a napfény spektrumában: 1802

15 A színes lángok színképe vonalas Sir John Frederick William Herschel ( ) H Li William Henry Fox Talbot ( ) A vonalak helyét a lángba bekevert anyagok határozzák meg! Na

16 A színképelemzés Robert W. Bunsen ( ) Gustav Kirchhoff ( ) Anyagok emissziós spektrumának vizsgálata Cs, Rb felfedezése Nap spektrumának spektrumának vizsgálata közel 40 elem azonosítása

17 A fény és az anyag kölcsönhatása Maggerjesztések Ionizáció Elektrongerjesztés Molekularezgések gerjesztése Molekulákforgásának gerjesztése Magspingerjesztés

18 A fény és az anyag kölcsönhatása abszorpció foton (hν) E 2 E 2 E 1 E 1 E 2 E 2 spontán emisszió E 1 E 1 stimulált (kényszerített) emisszió E 2 E 2 E 1 E 1

19 A fény és az anyag kölcsönhatása abszorpció spontán emisszió stimulált (kényszerített) emisszió E 2 E 2 E 2 E 1 E 1 E 1 d φ / dt = B 12 N 1ρ ν A N 21 2 B N 21 2ρν φ(=n/v): foton-sűrűség A 21, B 12, B 21 : Einstein-féle koefficiensek N 1, N 2 : az alap- és a gerjesztett állapotban levő részecskék száma ρ ν : a sugárzás energiasűrűsége ν frekvenciánál Összefüggések: termikus egyensúlyban Boltzmann-eloszlás: N 2 E / kt 8πhν 3 B 21 = ( g1 / g 2 ) B12 A21 = B 3 21 g 1,g 2 : statisztikai súly c: fénysebesség h: Planck-állandó N 1 c = e

A fény és az anyag kölcsönhatása Laboratóriumi spektroszkópia I I 0 Pierre Bouguet (1698 1758) Johann Heinrich Lambert (1728 1777) I 0 /k I 0 /k 2 August Beer (1825 1863) Lambert Beer-törvény: I = I

20 A fény és az anyag kölcsönhatása Laboratóriumi spektroszkópia I I 0 Pierre Bouguet ( ) Johann Heinrich Lambert ( ) I 0 /k I 0 /k 2 August Beer ( ) Lambert Beer-törvény: I = I 0 log 10 I I 0 εcl 1 A = log T = εcl = A ln T (%) = I I I I 0 0 = µ l 100 c : koncentráció l : rétegvastagság A: dekadikus abszorbancia ε : dekadikus moláris abszorpciós koefficiens µ : természetes absz. k. T : transzmittancia x 2x l Csillagászatban, légköri megfigyeléseknél: I = I 0 e τ τ : optikai τ = Kdz = nκdz n : számsuruseg κ : opacitás mélység

21 Abszorpciós és emissziós spektrumok

22 Spektroszkópiai műszerek alapfelépítése CCD

23 A földi atmoszféra spektrális ablakai

24 Infravörös spektrális ablakok

25 Infravörös spektrális ablakok µm R és I sávok Optikai teleszkópok 1.25 µm J sáv Legtöbb infravörös teleszkóp és néhány optikai 1.65 µm H sáv Legtöbb infravörös teleszkóp és néhány optikai 2.2 µm K sáv Legtöbb infravörös teleszkóp és néhány optikai 3.45 µm L sáv Legtöbb infravörös teleszkóp és néhány optikai 4.7 µm M sáv Legtöbb infravörös teleszkóp és néhány optikai 10 µm N sáv Legtöbb infravörös teleszkóp és néhány optikai 20 µm Q sáv Legtöbb infravörös teleszkóp és néhány optikai 450 µm szubmilliméter Szubmilliméteres teleszkópok

27 Milyen információkat szolgáltat az asztrofizikusok számára egy spektrum? Összetétel: sávok frekvenciája Hőmérséklet: egy adott specieszhez tartozó különböző sávok relatív intenzitása Relatív gyakoriság: különböző specieszekhez tartozó sávok relatív intenzitása Mozgás: Doppler- (vörös-) eltolódás értéke Nyomás: sávok profilja (alakja) Mágneses tér: sávok felhasadásának mértéke

28 A Doppler-eltolódás v c = λ λ FeXIV λ = 5308 Å abszorpciós vonala

29 Kettőscsillagok és extraszoláris bolygók detektálása Doppler-eltolódással

30 Sávszélességet befolyásoló 1. Természetes vonalszélesség tényezők Heisenberg-féle bizonytalansági elv: τ sp : spektroszkópiai átmenet időtartama Lorentz-sávalak: g ( ν ν ) 0 = ν = 1/ 2 τ sp E h 1 2πτ sp 2 ( ν / 2) + ( ν ν ) 2 1/ 2 ν 1/ 2 2π 0 Na D-vonala (λ=5890å) τ sp =16 ns ν 1/2 =10 MHz 2. Nyomásáltali kiszélesedés τ c : ütközések közötti átlagos időtartam b~ 1 MHz/Torr ν ν 1/ 2 1/ 2 = 1 πτ c = bp

31 Sávszélességet befolyásoló 3. Doppler-kiszélesedés ν 1/ 2 ν tényezők Detektor irányába v 0 sebességgel mozgó részecske észlelt átmenete: eltolódás: 0 = ν 0 1 = ν 0 c v c Maxwell-féle sebesség-eloszlást figyelembe véve kiszélesedés: Gauss-sávalak: g D 0 1 2kT ln 2 m 1/ 2 ( ) ( ) 4ln 2 ν ν ν ν = e 0 2 ln 2 0 / ν ν π 1/ 2 [ ] 2 Lorentz- és Gauss-függvények konvolúciója Voigt-függvény 4. Átvonulási idő kiszélesedés Molekulasugaras kísérleteknél 5. Teljesítmény-kiszélesedés Nagyteljesítményű forrásoknál (lézer) 6. Intermolekuláris kölcsönhatások Elsősorban kondenzált fázisok vizsgálatánál 1/ 2 Na D-vonala 300 K: ν 1/2 =1317 MHz = 0,044 cm 1

32 Csillag forgása miatti Dopplerkiszélesedés

33 A H-atom (H I) spektruma A hidrogénatom energiaszintjei Hidrogénlámpa sorozat sorozat A hidrogénatom spektrumának részlete (látható tartomány) sorozat kiválasztási szabályok: l =±1 s=0

34 A H-atom (H I) spektruma ( ) particíós fv. : multiplicitás : betöltöttség állandó Rydberg : H H Q g P kt E Q g P R n n R E E hc i i i n n : exp = = = λ

35 A H-atom (H I) spektruma

36 A H-atom (H I) spektruma

37 A H-atom (H I) spektruma

38 A H-atom (H I) spektruma H + + e H(nl) + hν

39 A H-atom (H I) spektruma

40 A H-atom (H I) spektruma (H II regió) T = K

41 Rekombinációs vonalak (H II regió) n = 137 H Bohr-sugara: 1 µm Maximum sűrűség: db/cm 3 csillagok atmoszférájában nem észlelhető

42 Lyman -erdő a kvazár és a Föld közötti objektumok abszorpciója (eltérő vöröseltolódások) távoli kvazár emissziós vonala

43 Impulzusmomentumok csatolása a H-atomban az elektron spinje (S) a pálya impulzusmomentuma (L) } finomszerkezet J = S + L magok impulzus momentuma (I) } hiperfinomszerkezet F = I + J

44 Finom- és hiperfinom szerkezet jelölés: L J perturbálatlan finomszerkezet hiperfinomszerkezet

45 Finom- és hiperfinom szerkezet Kiválasztási szabályok: n bármi L = ±1 S = 0 J = 0, ±1 m i = 0, ±1

46 Külső elektromos tér: Stark-effektus

47 Stark-kiszélesedés Nagy elektron/ionsűrűség esetében a spektrumvonalak kiszélesednek a statisztikus Stark-effektus miatt Spectrum of Vega (A0 V) and Deneb (A2 Iae) between

48 Külső mágneses tér: Zeeman-effektus

49 Külső mágneses tér: Zeeman-effektus

50 Mágneses mező mérése H- spektrummal spektrum fönt: mágneses tér nélkül alul: mágneses térben

51 A H-atom (H I) spektruma vöröseltolódás: távolság intenzitás: mennyiség vonalszélesség: nyomás (és hőmérséklet) felhasadás mértéke: mágneses mező

52 Komplex atomok spektruma

53 Komplex atomok spektruma

55 Komplex atomok spektruma

56 Komplex atomok spektruma relatív arányok: hőmérséklet

57 Csillagok spektrális osztályzása relatív arányok: hőmérséklet és összetétel

58 Csillagok spektrális osztályzása

59 Csillagok spektrális osztályzása

Hasonló dokumentumok

Szervetlen komponensek analízise. A, Atomspektroszkópia B, Molekulaspektroszkópia C, Elektrokémia D, Egyéb (radiokémia, termikus analízis, stb.

Szervetlen komponensek analízise A, Atomspektroszkópia B, Molekulaspektroszkópia C, Elektrokémia D, Egyéb (radiokémia, termikus analízis, stb.) A fény λ i( k r ωt + φ0 ) Elektromágneses sugárzás E( r,