DANE INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Zespół Szkół Centrum Kształcenia Rolniczego im. Michała Drzymały w Brzostowie ID grupy: 97/82_MF_G1 Opiekun: Robert Zmitrowicz Kompetencja: matematyczno-fizyczna Temat projektowy: Fizyka współczesna wokół nas Semestr/rok szkolny: V/2011/2012

Pole magnetyczne

Pole magnetyczne — stan przestrzeni, w której siły działają na poruszające się ładunki elektryczne a także na ciała mające moment magnetyczny niezależnie od ich ruchu. Pole magnetyczne, obok pola elektrycznego, jest przejawem pola elektromagnetycznego. W zależności od układu odniesienia w jakim znajduje się obserwator, to samo zjawisko może być opisywane jako objaw pola elektrycznego, magnetycznego lub obu. Wiązka elektronów poruszających się po orbicie kołowej w stałym polu magnetycznym

Własności pola magnetycznego Pole magnetyczne jest polem wektorowym. Wielkościami fizycznymi używanymi do opisu pola magnetycznego są: indukcja magnetyczna B oraz natężenie pola magnetycznego H. Między tymi wielkościami zachodzi związek gdzie μ – przenikalność magnetyczna ośrodka. Obrazowo pole magnetyczne przedstawia się jako linie pola magnetycznego. Kierunek pola określa ustawienie igły magnetycznej lub obwodu, w którym płynie prąd elektryczny.

Pole elektromagnetyczne

Pole elektromagnetyczne Pole elektromagnetyczne – pole fizyczne, stan przestrzeni w której na obiekt fizyczny mający ładunek elektryczny działają siły o naturze elektromagnetycznej. Pole elektromagnetyczne jest układem dwóch pól: pola elektrycznego i pola magnetycznego. Pola te są wzajemnie związane a postrzeganie ich zależy też od obserwatora, wzajemną relację pól opisują równania Maxwella. Własności pola elektromagnetycznego, jego oddziaływanie z materią bada dział fizyki zwany elektrodynamiką. W mechanice kwantowej pole elektromagnetyczne jest postrzegane jako wirtualne fotony

Wpływ pola magnetycznego i elektromagnetycznego na organizmy żywe

Pole magnetyczne - fizyce jest przestrzenią, w której siły działają na poruszające się ładunki elektryczne, a także na ciała mające moment magnetyczny niezależnie od ich ruchu. Pole magnetyczne jest obok pola elektrycznego przejawem pola elektromagnetycznego. W zależności od opisu (obserwatora), to samo zjawisko może być opisywane jako objaw pola elektrycznego, magnetycznego lub obu. Gdyby nie pole magnetyczne, życie na Ziemi nie było by możliwe. Pole elektromagnetyczne - pole fizyczne, stan przestrzeni w której na ładunek elektryczny działają siły o naturze elektromagnetycznej. Pole elektromagnetyczne jest układem dwóch pól pola.

Każda komórka, tkanka, narząd naszego organizmu wytwarza pole elektromagnetyczne, które jest w harmonii z polem magnetycznym Ziemi i z oddziaływaniem z kosmosu. Dzięki naszym wewnętrznym siłom może płynąć krew w żyłach i tętnicach. Przemieszczają się jony w płynach zewnątrz i wewnątrzkomórkowych, prawidłowo przebiega proces przemiany materii. Jednak zdrowy organizm korzystający z naturalnego pola magnetycznego Ziemi - to przeszłość. Dziś pole magnetyczne naszej planety zaburzone jest ogromną liczbą sztucznych pól wytwarzanych przez urządzenia zasilane prądem ( tzw. smog elektromagnetyczny). Zakłóca on nasze biopole i komórki przestają normalnie funkcjonować . Z coraz większym trudem utrzymują wewnętrzną równowagę biologiczną (homeostazę ) . Zaburzenia w środowisku wewnętrznym człowieka powoduje spadek energii życiowej, gorsze przyswajanie składników odżywczych, upośledzenie procesów metabolicznych. Skutkiem tego jest wystąpienie chorób . Możemy o nie obwiniać także technikę, ale też dzięki niej możemy szukać ratunku.

Mechanika kwantowa

Co rozumiemy? Dzięki mechanice kwantowej nie tylko lepiej rozumiemy zjawiska zachodzące w mikroświecie, ale także umiemy skonstruować urządzenia, które mogą działać tylko dzięki zjawiskom kwantowym: diody, lasery półprzewodnikowe, magnesy nadprzewodzące, tranzystory, twarde dyski, pamięci USB; umiemy projektować lekarstwa, badać molekuły biologiczne, syntetyzować nanocząstki. Nie jest więc prawdą, że teoria kwantowa opisuje zjawiska zachodzące w mikroświecie, w skali tak małej, że nie da się ich bezpośrednio zaobserwować!

Mechanika klasyczna Ogólną wskazówką, którą się kiedyś posługiwano, aby rozsądzić, czy należy użyć mechaniki kwantowej, by uniknąć znaczących błędów w opisie zjawisk, jest porównanie długości fali de Broglie'a z wielkością analizowanego układu fizycznego. Jeśli są to wielkości zbliżone do siebie, zastosowanie mechaniki klasycznej da najpewniej nieprawidłowe wyniki. Obecnie, z racji postępu doświadczalnego, znane jest wiele zjawisk kwantowych, do których ta prosta reguła nie obowiązuje.

Przykład Ruch piłki określają zasady mechaniki klasycznej. Jej energia potencjalna zależy od wysokości nad ziemią i jest zbyt mała do pokonania muru. Eksperyment polegający na kopnięciu jej w stronę muru zakończy się odbiciem od ściany.

Zjawiska opisywane przez mechanikę kwantową Obok zjawisk będących inspiracją do budowy mechaniki kwantowej jej wielki sukces wiąże się z prawidłowym opisem następujących zjawisk: dyfrakcja i interferencja światła i strumieni cząstek (podstawa optyki kwantowej, elektrodynamiki kwantowej); szczegóły atomowej budowy materii, zwłaszcza struktury elektronowej pierwiastków (podstawa chemii kwantowej, fizyki ciała stałego); zjawiska rozpraszania i zderzeń w skali atomowej i subatomowej (podstawa fizyki jądrowej, fizyki cząstek elementarnych, kwantowej teorii pola, elektrodynamiki kwantowej, chromodynamiki kwantowej, standardowego modelu oddziaływań fundamentalnych); mikroskopowego opisu zjawisk transportu (przewodnictwo prądu w metalach i półprzewodnikach); zjawisk kolektywnych w skali makroskopowej (nadciekłość, nadprzewodnictwo, kondensacja Bosego-Einsteina, magnetyzm);

Mechanika kwantowa jest jak układanka składająca się z wielu elementów

Zjawisko fotoelektryczne

Efekt fotoelektryczny Kwadrat - -Energia wiązania elektronu w atomie

Zjawiska Fotoelektryczne zjawiska (efekty), ogół zjawisk spowodowanych oddziaływaniem substancji z promieniowaniem świetlnym. Związane jest z przekazywaniem energii fotonów pojedynczym elektronom.

Trochę teorii Zaproponowane przez Alberta Einsteina wyjaśnienie zjawiska i jego opis matematyczny oparte jest na założeniu, że energia wiązki światła pochłaniana jest w postaci porcji (kwantów) równych hν, gdzie h jest stałą Plancka a ν oznacza częstotliwość fali. Kwant promieniowania pochłaniany jest przy tym w całości. Einstein założył dalej, że usunięcie elektronu z powierzchni metalu (substancji) wymaga pewnej pracy zwanej pracą wyjścia, która jest wielkością charakteryzującą daną substancję (stałą materiałową). Pozostała energia unoszona jest przez emitowany elektron. Z tych rozważań wynika wzór: gdzie: h – stała Plancka; ν – częstotliwość padającego fotonu; W – praca wyjścia; Ek – maksymalna energia kinetyczna emitowanych elektronów

Laser

Zasada działania Działanie lasera opiera się na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Emisja wymuszona zachodzi gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii więc i częstotliwości (rysunek po lewej stronie). Proces taki przewidział teoretycznie Einstein w 1917 roku. Pierwszy laser, którego nazwa pochodzi od pierwszych liter angielskiego zwrotu Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation co w polskim tłumaczeniu brzmi "Wzmocnienie światła prze wymuszoną emisję promieniowania" zbudował dopiero w 1960 roku przez T. Maimana.

Laser rubinowy Rubin jest to kryształ tlenku glinu (AL2O3), w którym niektóre atomy glinu są zastąpione atomami chromu.

Budowa lasera Laser rubinowy był pierwszym działającym typem lasera. Został skonstruowany przez Theodore'a Maimana w 1960. Laser rubinowy ma prostą konstrukcję, typową dla laserów w których ośrodkiem czynnym jest ciało stałe. Substancją czynną jest kryształ rubinu ukształtowany w walec. Powierzchnie czołowe walca są dokładnie oszlifowane i przepuszczają światło do luster lub też są pokryte warstwą odbijającą i same stanowią lustra. Laser ten jest pompowany optycznie lampą ksenonową przez boczne powierzchnie.

Zasada działania Laser rubinowy ma prostą konstrukcję, typową dla laserów w których ośrodkiem czynnym jest ciało stałe. Substancją czynną jest kryształ rubinu ukształtowany w walec. Powierzchnie czołowe walca są dokładnie oszlifowane i przepuszczają światło do luster lub też są pokryte warstwą odbijającą i same stanowią lustra. Laser ten jest pompowany optycznie lampą ksenonową przez boczne powierzchnie.

Dualizm korpuskularno-falowy

Teoria Dualizm korpuskularno-falowy – cecha obiektów kwantowych (np. fotonów, czy elektronów) polegająca na przejawianiu, w zależności od sytuacji, właściwości falowych (dyfrakcja, interferencja) lub korpuskularnych (dobrze określona lokalizacja, pęd). Zgodnie z mechaniką kwantową cała materia charakteryzuje się takim dualizmem, chociaż uwidacznia się on bezpośrednio tylko w bardzo subtelnych eksperymentach wykonywanych na atomach, fotonach, czy innych obiektach kwantowych.

Dualizm korpuskularno-falowy Dualizm korpuskularno-falowy jest ściśle związany z falami de Broglie'a, koncepcją która przyczyniła się do powstania mechaniki kwantowej, a w szczególności do wyprowadzenia równania Schrödingera. Równanie: gdzie h jest stałą Plancka, łączy wielkości falowe (długość fali λ) z korpuskularnymi (pęd p).

Wzory Dualizm korpuskularno-falowy w sformalizowanym języku mechaniki kwantowej można opisać posługując się równaniem Schrödingera: gdzie i to jednostka urojona, to stała Plancka podzielona przez 2π, H to operator różniczkowy - hamiltonian opisujący całkowitą energię analizowanej cząstki, zaś to funkcja falowa analizowanej cząstki (funkcje falowe są funkcjami zespolonymi), opisuje możliwe stany czyste danej cząstki kwantowej.

Otrzymana w wyniku rozwiązania tego równania funkcja falowa (stąd "falowość"), a dokładniej kwadrat modułu funkcji falowej opisuje prawdopodobieństwo wystąpienia danej cząstki w określonym miejscu przestrzeni w objętości d3x. Prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w całej przestrzeni jest równe 1 (jesteśmy pewni, że gdzieś jest). Stąd

Dokonując pomiaru położenia cząstki zawsze znajdujemy ją w konkretnym miejscu w przestrzeni (ściślej, rejestruje ją konkretny detektor), w jednym i tylko jednym z punktów dla których funkcja falowa nie wynosi zero. To ma miejsce bez względu na to jak bardzo rozpościera się obszar w którym funkcja falowa nie ma wartości zerowych. Stąd "korpuskularność".

DOŚWIADCZENIE

Wyznaczanie długości fali lasera Światło jest falą elektromagnetyczną, poprzeczną, rozchodzącą się w przestrzeni z bardzo dużą prędkością. Natrafiając na przeszkodę, światło ulega ugięciu czyli dyfrakcji i zmienia kierunek rozchodzenia się. Zjawisko to można wyjaśnić np. w oparciu o zasadę Huygensa. Otóż w wypadku natrafienia na przeszkodę, czoła niektórych cząstkowych fal kulistych nie mogą rozchodzić się swobodnie w niektórych kierunkach. Zatem powstała w wyniku interferencji fal cząstkowych powierzchnia styczna do tych fal (czoło fali wypadkowej) także zmieni swój kształt Zatem kierunek rozchodzenia się fali także ulegnie zmianie.

Zjawisko dyfrakcji i interferencji szczególnie wyraźnie można zaobserwować przy przejściu światła przez układ wąskich szczelin. Po przejściu przez jedną, wąską szczelinę, światło rozchodzące się prostoliniowo (fala płaska), zmienia się w falę kulistą, rozchodzącą się we wszystkich kierunkach.

Jeśli szczeliny będą dwie, sytuacja zmieni się, gdyż wiązki światła wychodzące z różnych szczelin będą się spotykać, a ponieważ są spójne interferują ze sobą

Jeśli za szczelinami ustawimy ekran, zaobserwujemy na nim szereg jasnych punkcików - prążków interferencyjnych. Powstaną one w tych miejscach, w których wiązki wychodzące z różnych szczelin spotkają się w zgodnej fazie.

Określenie położenia tych punktów jest proste Określenie położenia tych punktów jest proste. W fali padającej powierzchnia falowa dochodzi równocześnie do obu szczelin więc wychodzące ze szczelin wiązki są w tej samej fazie. Zatem na ekranie fale spotkają się w zgodnej fazie wtedy, gdy przebędą tę samą drogę optyczną (k=0) albo gdy przebyte przez nie drogi będą różnić się o całkowitą wielokrotność długości fali ……(k=0,1,2...). Taki układ szczelin można potraktować jako przybliżony model siatki dyfrakcyjnej. Rzeczywista siatka dyfrakcyjna składa się z wielu szczelin. Często przypada ich kilkaset na jeden milimetr szerokości siatki. Odległość między sąsiednimi szczelinami (na rysunku oznaczona jako d ) nazywana jest stałą siatki. Z rysunku widać, że kąt ……. , pod którym zaobserwujemy wzmocnienie interferencyjne (jasny prążek) i kąt B w trójkącie ABC są równe. (Uwaga. Na rysunku nie jest zachowana skala. W rzeczywistości odległość między szczelinami d= AB < L (L to odległość między szczelinami a ekranem), dzięki czemu obie wiązki wychodzą jakby -w tej skali- z tego samego punktu).

Z zależności geometrycznych widać że: oraz Otrzymujemy stąd tzw. równanie siatki dyfrakcyjnej: Położenie prążków na ekranie określa zależność:

Kojarząc powyższe wzory otrzymujemy zależność, w oparciu o którą można doświadczalnie wyznaczyć długość fali światła:

OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW. Należy obliczyć długości fali wynikających z pomiarów poszczególnych prążków ze wzoru : Następnie znaleźć wartość średnią długości fali oraz określić niepewność pomiaru Każdy pomiar długości fali w tym ćwiczeniu przeprowadzany jest z inną dokładnością i dlatego, aby pomiary bardziej dokładne miały większy wpływ na wyniki niż pomiary mniej dokładne należy jako średnią długość fali przyjąć tzw. średnią arytmetyczną ważoną. Jako wagę danego pomiaru należy przyjąć wielkość odwrotnie proporcjonalną do kwadratu błędu pomiaru, czyli wyrażenie typu

Stała "a" jest tu zupełnie dowolna i wygodnie jest w tym wypadku przyjąć ją jako a=10-9, ponieważ długość fali wyrażać będziemy w nanometrach. Niepewności    obliczamy jako błędy maksymalne pomiarów pośrednich metodą różniczki zupełnej:    - obliczamy pochodną d z funkcji wynosi ona:

- zamieniamy "-" na "+" i ostatecznie więc niepewność Po obliczeniu wszystkich niepewności   obliczamy średnią ważoną długość fali wg wzoru :

A następnie błąd maksymalny średniej ważonej: Wynik przedstawić w postaci: