OPTIKA Fénykibocsátás mechanizmusa Dr. Seres István
Történeti áttekintés Ernest Rutherford (1911) Rutherford alfa részecskéket tanulmányozott 1898-tól (ő fedezte fel őket). 1909-ben egy kísérlet során nagyon meglepő kísérleti eredményeket kapott, amit meg kellett magyaráznia Ernest Rutherford Seres István http://fft.szie.hu
A Rutherford kísérlet Seres István 3 http://fft.szie.hu
Rutherford következtetése Kisméretű, pozitív töltésű atommag negatív töltésű elektronok relatíve nagy térfogatban eloszolva Naprendszer modell: az elektronok úgy keringenek az atommag körül, mint a bolygók a Nap körül. Seres István 4 http://fft.szie.hu
A Rutherford kísérlet Probléma a Rutherford modellel. A 0. század elején felfedezték, hogy az anyag által kibocsátott illetve elnyelt fény nem folytonos spektrumú, hanem csak bizonyos frekvenciákat tartalmaz. A gyorsuló töltés sugároz (röntgen sugárzás) Hélium Oxigén Xenon Seres István 5 http://fft.szie.hu
Bohr modell Niels Bohr (19) Rutherford felfedezte az atommagot, és igazolta, hogy negatív töltésű elektronok keringenek körülötte. Niels Bohr Bohr ezt azzal egészítette ki, hogy az elektronok csak bizonyos pályákon keringhetnek. Igazolta, hogy a külső pályákon több elektron lehet mind a belsőkön, és hogy a külső pályák határozzák meg a kémiai tulajdonságokat. 19-ben Nobel díjat kapott az atom struktúrájának meghatározásában végzett munkájáért. Seres István 6 http://fft.szie.hu
Bohr modell k Ze r v(n) e mvr m n v r h kze nh Rutherford Bohr A két egyenletből r és v kiszámolható: r(n) m4 h kze n Seres István 7 http://fft.szie.hu
Bohr modell r(n) E(n) 1 mv k Ze e r(n) v(n) kze h A két értékből az energia kiszámolható: E(n) m4 1 m4 h kze k h Z n e 4 1 n kze m4 h 1 n Ze 1 n Seres István 8 http://fft.szie.hu
Bohr modell Tehát az elektron energiája az atomban: E(n) 1 m4 E 0 ra az alábbi jelölést bevezetve: E 0 1 m4 k h Z e 4 k h Z e 4 1 n E(n) E n 0 Seres István 9 http://fft.szie.hu
Bohr modell Energiaszintek E 0 1 m4 E(n) H atomra (Z=1): E 0.18 k h 10 18 Z J e 4 E n 0 13.6 ev H atom 07m07an1.mov Seres István 10 http://fft.szie.hu
Bohr modell Mennyi energiát kell egy elektronnal közölni, hogy az E 1 energiaszintről az E 3 energiaszintre ugorhasson? 1 1 1 1 E Ef Ei E1 13.6 n n 3 1 f i 1.1 ev Seres István 11 http://fft.szie.hu
Bohr modell Mikor bocsát ki elektromágneses hullámot (pl. fényt) az atom? Ha az elektronja gerjesztett állapotból visszatér alapállapotba. Gerjesztési módok: Termikus gerjesztés (izzószál) Ütközési gerjesztés (fénycső, kompakt fénycső) Seres István 1 http://fft.szie.hu
Fehér fény Folytonos színkép Fényforrás Rés Prizma Ernyő Vörös Ibolya Seres István 13 http://fft.szie.hu
Atom által kibocsátott spektrum (pl. izzó gáz) Vonalas színkép Atomi fényforrás Rés Prizma Ernyő Seres István 14 http://fft.szie.hu
Planck Egy foton energiája Planck állandó (6.63 x 10-34 J s) Planck-féle kvantumfeltétel: = hf Frekvencia (s -1 ) Seres István 15 http://fft.szie.hu
Bohr modell és Planck feltétel együtt Energiaszintek közötti különbség megegyezik a kibocsátott energiával: 1 1 E E0 n m Innét a kibocsátott frekvencia: f E h 0 1 n 1 m hf Seres István 16 http://fft.szie.hu
Bohr modell 434.0 nm A Hidrogén spektruma 410.1 nm 486.1 nm 656.3 nm Seres István 17 http://fft.szie.hu
Energia OPTIKA mechatronika szak. Hidrogén spektruma a Bohr modell alapján A látható fény tartományába eső színképvonalakat Balmer sorozatnak nevezzük. Ultraibolya Lyman Látható Balmer Infravörös Paschen 6 5 4 3 1 n Seres István 18 http://fft.szie.hu
Hidrogén spektruma a Bohr modell alapján Seres István 19 http://fft.szie.hu
Emissziós színképek Hélium Oxigén Xenon Seres István 0 http://fft.szie.hu
Xenon emissziós színképe Seres István 1 http://fft.szie.hu
Színkép elemzés Folytonos színkép Emissziós színkép (hidrogén gáz) Abszorpciós színkép (hidrogén gáz) Seres István http://fft.szie.hu
Színkép elemzés A Nap színképe Seres István 3 http://fft.szie.hu
Színkép elemzés A Nap színképe Seres István 4 http://fft.szie.hu
Elmélet: abszolút fekete test Definíció: minden ráeső sugárzást elnyel. modellje: üreg Seres István 5 http://fft.szie.hu
Elmélet: Planck-féle sugárzási törvény J T hőmérsékletű testegységnyi felületéről időegység alatt kisugárzott energia :,T hc 5 e 1 hc kt 1 Seres István 6 http://fft.szie.hu
Elmélet: Planck-féle sugárzási törvény J C e T Ha veszi fel:,t 1, akkor a törvény az alábbi alakot d C 1 5 e C T /Az eltérés < 1%, ha T < 3000 m K/ d Seres István 7 http://fft.szie.hu
Elmélet: Planck-féle sugárzási törvény J,T d C 1 5 e C T Hol van (mekkora esetén) a függvény maximuma? /Ahol a deriváltja nulla/ d(j d,t ) d(c 1 d 5 d e C T ) 0 Seres István 8 http://fft.szie.hu
Elmélet: Wien-féle eltolódási törvény Hol van (mekkora esetén) a függvény maximuma? /Ahol a deriváltja nulla/ d(j d,t ) d(c 1 d 5 e C T C ) C 5 6 C T C1 e 5 T 1 6 e C T 0 5 e C T C T 0 T C,898 10 3 mk Seres István 9 http://fft.szie.hu
Elmélet: Wien-féle eltolódási törvény 3 T 5C,8978 10 mk Melegített vas színe változik Kék színű csillagok melegebbek Seres István 30 http://fft.szie.hu
Elmélet: Stefan Boltzmann törvény Kibocsátott összteljesítmény: függvény görbe alatti terület (parciális integrálás) P A T 4, ahol 5,67 10 8 m W K 4 Seres István 31 http://fft.szie.hu
Besugárzási intenzitás (W/m m) Fényforrások Természetes fény Nap spektruma: (T ~ 5800 K) max max T,898 10 3 mk 5 10-7 m = 500 nm Hullámhossz ( m) A légkörön kívül A felszínen Seres István 3 http://fft.szie.hu
Fényforrások Izzószálas égő Fekete test sugárzása: Wien-féle eltolódási törvény max T,898 10 3 mk http://www.egglescliffe.org.uk/physics/astronomy/blackbody/image1b.gif Seres István 33 http://fft.szie.hu
Fényforrások Fénycső, kompakt fénycső Fénycsövek színe fényporozás nélkül Ütközési gerjesztés a nagy feszültégre gyorsított gázionok segítségével beépített transzformátor Fénycső: 50 Hz villog!!! Kompakt fénycső 30 000 Hz egyenletes fény Neon Hélium Xenon Kripton Argon Seres István 34 http://fft.szie.hu
Fényforrások LED pn átmenet nyitóirányú kapcsolása A rekombinálódó elektronok a felesleges energiájukat fotonok formájában adják le. http://www.hazi-mozi.hu/cikkshow.php?aid=3&cid=678 Seres István 35 http://fft.szie.hu
Fényforrások LED LED lámpák színskála lefedettsége. http://www.hazi-mozi.hu/cikkshow.php?aid=3&cid=678 Seres István 36 http://fft.szie.hu
Fényforrások Lézer Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Seres István 37 http://fft.szie.hu
Fényforrások Lézer Spontán és indukált emisszió Normál populáció, Inverz populáció tükörrezonátor http://www.mozaik.info.hu/mozaweb/feny/fy_lezer.htm Seres István 38 http://fft.szie.hu
Fényforrások He-Ne Lézer Normál populáció, Inverz populáció tükörrezonátor Seres István 39 http://fft.szie.hu
Fényforrások félvezető lézer Seres István 40 http://fft.szie.hu
Fényforrások Lézerfény tulajdonságai Monokromatikus (1 színképvonal) Koherens párhuzamos nyaláb Nagy energiasűrűség Seres István 41 http://fft.szie.hu
Lézerfény hatásai Hőhatás, ionizáció, fluoreszcencia, fotokémiai reakciók elsősorban a hőhatás elvén működnek: Például a CO lézer: vízben szinte tökéletesen elnyelődő 10.6 m es infravörös a kék vagy zöld színű argonlézer csak a pigmentált részen nyelődik el. a szem részein minden károsító hatás nélkül keresztülhalad, ugyanakkor az erősen pigmentált retina elnyeli. Seres István 4 http://fft.szie.hu
Holográfia Seres István 43 http://fft.szie.hu
Folytatás a következő héten! Seres István 44 http://fft.szie.hu