Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Falowa natura materii Zakład Biofizyki 1 Fizyka Falowa natura materii prof. Bogdan Walkowiak dr inż. Marta Kamińska Zakład Biofizyki Instytut Inżynierii.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Falowa natura materii Zakład Biofizyki 1 Fizyka Falowa natura materii prof. Bogdan Walkowiak dr inż. Marta Kamińska Zakład Biofizyki Instytut Inżynierii."— Zapis prezentacji:

1 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 1 Fizyka Falowa natura materii prof. Bogdan Walkowiak dr inż. Marta Kamińska Zakład Biofizyki Instytut Inżynierii Materiałowej Politechnika Łódzka r. akad. 2006/2007 wykład I

2 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 2 Fizyka współczesna a fizyka klasyczna Fizyka klasyczna: budowa materii - atomy i cząsteczki prawa Newtona, pole grawitacyjne kinetyczna teoria ciepła elektryczność magnetyzm elektromagnetyzm – falowa natura światła szczególna teoria względności

3 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 3 Fizyka współczesna a fizyka klasyczna Fizyka współczesna: korpuskularna natura materii zjawisko fotoelektryczne zjawisko Comptona falowa natura materii dyfrakcja elektronów

4 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 4 budowa materii - atomy i cząsteczki - koncepcja atomowej budowy materii Demokryta ( p.n.e.) - układ okresowy pierwiastków Mendelejewa ( ) - chemia jako nauka o łączeniu atomów w cząsteczki prawa Newtona I. Jeżeli na ciało nie działa żadna siła, lub działające siły równoważą się, to ciało spoczywa lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym (tzw. zasada bezwładności) II. Jeżeli na ciało działa niezrównoważona siła F to ciało porusza się ruchem zmiennym z przyspieszeniem a F = m a III. Każdemu działaniu towarzyszy przeciwdziałanie F AB = F BA

5 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 5 kinetyczna teoria ciepła - przemiany gazowe - równanie stanu gazu doskonałego: pV = nRT - relacja pomiędzy energią kinetyczną cząsteczek i temperaturą: E k = 3kT/2 - pojęcie entropii: dS = dQ/T; S = k ln W - zasady termodynamiki: I dU = dQ + dW II dS > 0 III gdy T= 0 to S = 0

6 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 6 elektryczność - elektrostatyka, dwa rodzaje ładunków, pole elektrostatyczne - przewodniki i izolatory, prąd elektryczny, prawo Ohma: U = i R - prawa Kirchhoffa: I. w punkcie węzłowym i = 0 II. w zamkniętym oczku = iR - zamiana energii prądu elektrycznego w ciepło, prawo Joulea - Lenza: Q = 0,24 U i t - elektrochemia, elektroliza, prawa Faradaya: I. m = k i t II. m=Mq/FZ

7 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 7 magnetyzm - magnesy trwałe, magnetyzm ziemski, linie sił pola magnetycznego - materiały magnetyczne i niemagnetyczne (diamagnetyczne) - doświadczenie Oersteda wiążące pole magnetyczne z przepływem prądu - siła oddziaływania pola magnetycznego na przewodnik z prądem: F = B i l sin (reguła lewej dłoni)

8 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 8 elektromagnetyzm – falowa natura światła - równania Maxwella wiążące w jedną całość zjawiska elektryczne i magnetyczne (1854): 1. pole elektryczne wytworzone przez rozkład ładunków (Coulomba) 2. zmienne pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne (Faradaya). 3. nie istnieją ładunki magnetyczne 4. pole magnetyczne związane jest z prądami elektrycznymi i zmiennymi polami elektrycznymi (Ampere) 5. pole elektryczne i magnetyczne wytwarzają siły działające na ładunek (Lorentz) - światło jako fala elektromagnetyczna - widma emisyjne i absorpcyjne - promieniowanie ciała doskonale czarnego – prawo Wienna: R T = T 4 - rozkład R,T = f(,T) dąży do nieskończoności dla małych (katastrofa w ultrafiolecie)

9 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 9 Rozkład widmowy promieniowania ciała doskonale czarnego charakteryzuje funkcja R(T, ) zwana zdolnością emisyjną ciała, zdefiniowana w ten sposób, że wielkość R(T, )d jest równa energii promieniowania o długości fali leżącej w przedziale od do d, wysyłanego w ciągu jednostki czasu przez jednostkę powierzchni ciała mającego temperaturę bezwzględną T., Całkowitą zdolnością emisyjną R T Ze wzrostem temperatury wielkość R T gwałtownie wzrasta. Stanowi to treść prawa Stefana: Zdolność emisyjna na jednostkę objętości Jest to wzór Rayleigha - Jeansa dla promieniowania ciała doskonale czarnego. Dane doświadczalne

10 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 10 Emisja energii w postaci fali EM BBB EEE Przewodnik z prądem Pętla z prądem

11 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 11 szczególna teoria względności - Einstein (1905) połączył zasadę względności z ograniczoną prędkością światła. Myśl ta została nazwana szczególną teorią względności i stanowi szczytowe osiągnięcie fizyki klasycznej. E=mc 2 - matematycznym narzędziem teorii względności jest transformata Lorentza zawierająca czynnik: 1 – V 2 /c 2 - wynikiem zastosowania szczególnej teorii względności jest fizyka relatywistyczna, będąca w istocie wciąż fizyką klasyczną poszerzoną o postulaty Einsteina

12 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 12 Fizyka współczesna a fizyka klasyczna c.d.: zjawiska falowe – dyfrakcja i interferencja Powiększony obraz szczelin siatki dyfrakcyjnej i odpowiadający temu rozkład natężenia światła na ekranie warunek wystąpienia maksimum

13 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 13 Fizyka współczesna a fizyka klasyczna c.d.: zjawiska falowe - interferencja

14 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 14 Fizyka współczesna a fizyka klasyczna Fizyka współczesna: korpuskularna natura materii zjawisko fotoelektryczne zjawisko Comptona falowa natura materii dyfrakcja elektronów

15 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 15 Fizyka współczesna a fizyka klasyczna Fizyka współczesna: Postulat Plancka (1900) – prawo opisujące emisję światła przez ciało doskonale czarne znajdujące się w danej temperaturze. Zgodnie z nim emisja (i absorpcja) światła odbywa się w porcjach (kwantach) o energii gdzie f - częstotliwość drgań oscylatorów h – stała Plancka, h=6,6253· Js Max Karl Ernst PLANCK ( ), wybitny fizyk niemiecki

16 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 16 Wyrażenie na gęstość energii promieniowania ciała doskonale czarnego, otrzymane przez Plancka i zwane wzorem Plancka na rozkład widmowy promieniowania ciała doskonale czarnego, ma postać : Zdolność emisyjna na jednostkę objętości Jest to wzór Rayleigha - Jeansa dla promieniowania ciała doskonale czarnego.

17 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 17 Zjawisko fotoelektryczne zjawisko polegające na wybijaniu elektronów z powierzchni materiałów

18 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 18 Zjawisko fotoelektryczne energia wybijanych elektronów zależy od częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego dla różnych metali f 0 przyjmuje różną wartość f0f0 f0 K max K max jest niezależne od natężenia promieniowania elektromagnetycznego liczba emitowanych elektronów zależy od natężenia promieniowania elektromagnetycznego a nie zależy od jego częstotliwości

19 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 19 Zjawisko fotoelektryczne Hipoteza Einsteina (1905): światło składa się z kwantów (fotonów) o energii E=hf, gdzie h – stała Plancka fotony zachowują się jak cząstki materii podczas zderzenia z elektronem, fotony są pochłaniane przez elektrony i mogą oddawać im swoją energię Albert EINSTEIN ( ), fizyk niemiecki

20 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 20 Zjawisko fotoelektryczne energia charakterystyczna dla danego metalu, zwana pracą wyjścia(W 0 ), jest minimalną energią potrzebną elektronowi na pokonanie sił przyciągania wiążących go wewnątrz metalu, przekroczenie powierzchni i wydobycie się na zewnątrz jeżeli zjawisko fotoelektryczne zachodzi na pojedynczym atomie, to praca wyjścia jest równa energii wiązania wybitego elektronu K max =hf – W 0

21 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 21 Pytania kontrolne: 1.Zasady dynamiki Newtona 2.Relacja pomiędzy energią kinetyczną cząsteczek i temperaturą 3.Pojęcie entropii 4.Zasady termodynamiki 5.Prawo Ohma 6.Prawa Kirchhoffa 7.Prawa elektrolizy Faradaya 8.Transformata Lorentza 9.Postulat Plancka 10.Zjawisko fotoelektryczne

22 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 22 Zjawisko Comptona - rozpraszanie fotonu na swobodnym elektronie

23 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 23 Zjawisko Comptona Z zasady zachowania energii Z zasady zachowania pędu Zmiana długości fali w zjawisku Comptona zależy jedynie od kąta rozproszenia, nie zależy od energii początkowej fotonu. Komptonowska długość fali λ c =h/m e c = nm jest bardzo mała. Dlatego nie widać rozpraszania Comptona dla światła widzialnego o długości fal nm.

24 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 24 Dualizm falowo – cząsteczkowy fali elektromagnetycznej Fotony przechodzące przez szczelinę A dają obraz na ekranie

25 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 25 Dualizm falowo - cząsteczkowy Hipoteza de Broglie`a (1924) głosi, że dwoiste, tj. korpuskularno-falowe zachowanie jest cechą nie tylko promieniowania, lecz również materii. Tak samo jak z fotonem stowarzyszona jest pewna fala świetlna, która rządzi jego ruchem, tak i cząstce materialnej (np.: elektronowi) przypisana jest pewna, określająca jego ruch fala materii orazdla wszystkich cząstek Louis de BROGLIE (1892 – 1987), fizyk francuski

26 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 26 Dualizm falowo - cząsteczkowy Schemat doświadczenia Davissona i Germera potwierdzający hipotezę de Broglie`a; odbite od monokryształu niklu elektrony dały obraz interferencyjny, którego maksimum wypadało pod kątem 65 a wyliczona długość fali 16,5 nm zgadzała się z wartością wynikającą ze wzoru de Broglie`a –16,7 nm.

27 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 27 Dualizm falowo - cząsteczkowy Warunek wzmocnienia wiązki ugiętej d – odległość między płaszczyznami atomowymi Θ – kąt pomiędzy padającą wiązką a płaszczyzną atomową m – liczba całkowita m=±1, ±2, ±3,… λ – długość fali elektronów

28 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 28 Dualizm falowo - cząsteczkowy Dyfrakcja elektronów

29 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 29 Dualizm falowo - cząsteczkowy Funkcja falowa Właściwości falowe cząstki opisuje się za pomocą funkcji falowej Prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w dowolnym punkcie (x,y,z) i dowolnej chwili t jest proporcjonalne do natężenia fali

30 Falowa natura materii Zakład Biofizyki 30 Dualizm falowo - cząsteczkowy Funkcja falowa Jeżeli zdarzenie może zajść na kilka równoważnych sposobów, to amplituda prawdopodobieństwa tego zdarzenia jest sumą poszczególnych amplitud prawdopodobieństwa


Pobierz ppt "Falowa natura materii Zakład Biofizyki 1 Fizyka Falowa natura materii prof. Bogdan Walkowiak dr inż. Marta Kamińska Zakład Biofizyki Instytut Inżynierii."

Podobne prezentacje


Reklamy Google