Fizyka atomowa - foton, widma i model Bohra

1.Światło jako fala elektromagnetyczna

Światło to rozchodzące się zmienne pole elektryczne i magnetyczne; w próżni ma prędkość $c = 3 \cdot 10^8~\mathrm{m/s}$. O falowej naturze światła świadczą dyfrakcja, interferencja i polaryzacja.

2.Związek długości fali z częstotliwością

$c = \lambda \cdot f$, więc $f = \frac{c}{\lambda}$: im krótsza fala, tym większa częstotliwość. Długość fali podaje się w metrach (np. $500~\mathrm{nm} = 5 \cdot 10^{-7}~\mathrm{m}$), a częstotliwość w hercach.

3.Widmo fal elektromagnetycznych

Od najmniejszej częstotliwości: fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne (od czerwieni ok. 780 nm do fioletu ok. 380 nm), nadfiolet, promieniowanie rentgenowskie i gamma. Częstotliwość rośnie, a długość fali maleje.

4.Foton

Najmniejsza porcja (kwant) energii promieniowania elektromagnetycznego. Porusza się z prędkością światła, nie ma ładunku ani masy spoczynkowej.

5.Energia fotonu

$E = h \cdot f = \frac{h \cdot c}{\lambda}$, gdzie $h = 6{,}63 \cdot 10^{-34}~\mathrm{J \cdot s}$ to stała Plancka. Energia fotonu jest wprost proporcjonalna do częstotliwości i odwrotnie proporcjonalna do długości fali.

6.Która barwa światła ma fotony o największej energii?

Fiolet, bo ma największą częstotliwość wśród barw widzialnych; fotony światła czerwonego, o najdłuższej fali, mają energię najmniejszą.

7.Elektronowolt (eV)

Jednostka energii używana w fizyce atomowej: energia, jaką zyskuje elektron przyspieszony napięciem 1 V. $1~\mathrm{eV} = 1{,}6 \cdot 10^{-19}~\mathrm{J}$; aby zamienić dżule na elektronowolty, dzielimy przez $1{,}6 \cdot 10^{-19}$.

8.Zjawisko fotoelektryczne

Wybijanie elektronów z powierzchni metalu przez padające na nią promieniowanie elektromagnetyczne. Wybite elektrony nazywamy fotoelektronami.

9.Praca wyjścia

Najmniejsza energia $W$ potrzebna do uwolnienia elektronu z powierzchni metalu. Zależy od rodzaju metalu i zwykle podaje się ją w elektronowoltach.

10.Częstotliwość graniczna

Najmniejsza częstotliwość promieniowania, przy której zachodzi zjawisko fotoelektryczne: $f_{gr} = \frac{W}{h}$. Promieniowanie o mniejszej częstotliwości nie wybija elektronów, nawet przy dużym natężeniu.

11.Bilans energii w zjawisku fotoelektrycznym

Jeden foton oddaje całą energię jednemu elektronowi: $h \cdot f = W + E_k$. Energia fotonu wystarcza na pracę wyjścia, a reszta to maksymalna energia kinetyczna fotoelektronu.

12.Wpływ natężenia i częstotliwości światła na fotoefekt

Większe natężenie to więcej fotonów, więc więcej wybitych elektronów, ale nie większa ich energia. Energia kinetyczna fotoelektronów rośnie tylko wtedy, gdy rośnie częstotliwość światła.

13.Dlaczego fotoefektu nie wyjaśnia teoria falowa?

Według niej fala o dużym natężeniu powinna wybijać elektrony przy każdej częstotliwości. Wyjaśnił to Einstein: światło oddaje energię porcjami, a pojedynczy foton o zbyt małej energii nie uwolni elektronu.

14.Dualizm korpuskularno-falowy światła

Światło ma jednocześnie cechy fali (interferencja, dyfrakcja, polaryzacja) i cechy strumienia cząstek, czyli fotonów (zjawisko fotoelektryczne). To, którą naturę widać, zależy od doświadczenia.

15.Promieniowanie termiczne

Promieniowanie elektromagnetyczne, które wysyła każde ciało o temperaturze wyższej od 0 K; ma widmo ciągłe. Im wyższa temperatura, tym więcej energii ciało wypromieniowuje i tym krótsza jest fala, na którą przypada maksimum promieniowania.

16.Barwa ciała a jego temperatura

Ciała o temperaturze pokojowej i człowiek promieniują głównie w podczerwieni. Ogrzewany pręt żarzy się najpierw na czerwono, potem na żółto i na biało. Gwiazdy czerwone są chłodniejsze od żółtych, a najgorętsze są niebieskie.

17.Widmo ciągłe

Widmo zawierające wszystkie długości fal z pewnego zakresu, bez przerw, np. tęcza barw od czerwieni do fioletu ze światła białego w pryzmacie. Wysyłają je rozżarzone ciała stałe, ciecze i gęste gazy.

18.Widmo emisyjne liniowe

Jasne, barwne linie na ciemnym tle. Wysyła je rozrzedzony gaz pobudzony do świecenia (np. wyładowaniem elektrycznym lub w płomieniu). Układ linii jest inny dla każdego pierwiastka.

19.Widmo absorpcyjne

Ciemne linie na tle widma ciągłego. Powstaje, gdy światło o widmie ciągłym przechodzi przez chłodniejszy gaz, który pochłania fale o tych samych długościach, jakie sam emituje.

20.Model atomu Bohra

Elektron w atomie może krążyć tylko po wybranych (dozwolonych) orbitach, z których każdej odpowiada określona energia, i krążąc po nich, nie wysyła promieniowania. Promieniowanie atom emituje lub pochłania tylko przy przejściu elektronu między orbitami.

21.Poziomy energetyczne atomu

Dozwolone wartości energii elektronu w atomie. Przyjmuje się, że elektron swobodny ma energię 0, więc energie poziomów są ujemne; im dalej od jądra, tym energia elektronu jest większa (bliższa zeru).

22.Stan podstawowy atomu

Stan o najniższej możliwej energii, w którym atom może trwać dowolnie długo.

23.Stan wzbudzony atomu

Stan o energii wyższej niż podstawowa, do którego atom przechodzi po pochłonięciu energii (fotonu, w zderzeniu, przy ogrzaniu). Jest nietrwały: po krótkim czasie elektron wraca na niższy poziom i atom emituje foton.

24.Przejście elektronu na niższy poziom energetyczny

Gdy elektron przechodzi z poziomu o energii $E_m$ na niższy poziom o energii $E_n$, atom emituje foton o energii równej różnicy poziomów: $h \cdot f = E_m - E_n$.

25.Przejście elektronu na wyższy poziom energetyczny

Atom pochłania tylko foton o energii dokładnie równej różnicy energii dwóch poziomów; elektron przechodzi wtedy na wyższy poziom. Dlatego gaz pochłania te same długości fal, które emituje.

26.Skąd linie w widmie atomu?

Energia elektronu w atomie przyjmuje tylko określone wartości, więc różnice poziomów, a z nimi energie i częstotliwości emitowanych fotonów, też są tylko określone. Każdy pierwiastek ma inny układ poziomów, więc inny układ linii.

27.Jonizacja atomu

Oderwanie elektronu od atomu, po którym powstaje jon dodatni. Energia jonizacji to najmniejsza energia potrzebna do oderwania elektronu od atomu w stanie podstawowym, np. dla wodoru 13,6 eV. Fotony jonizują tylko wtedy, gdy ich częstotliwość jest dostatecznie duża.

28.Spektroskopia (analiza widmowa)

Badanie składu substancji na podstawie jej widma: położenie linii wskazuje pierwiastki, bo każdy ma własny układ linii. Do rozszczepienia światła i pomiaru długości fal służy spektroskop.

29.Skład chemiczny gwiazd

Poznaje się go z linii absorpcyjnych w widmie światła gwiazdy: gazy jej zewnętrznych warstw pochłaniają fale charakterystyczne dla swoich pierwiastków. Tak w widmie Słońca odkryto hel, zanim znaleziono go na Ziemi.

30.Emisja wymuszona

Foton o energii równej różnicy poziomów trafia w atom wzbudzony i wywołuje emisję drugiego, identycznego fotonu: o tej samej częstotliwości, kierunku i fazie. To zasada działania lasera.

31.Laser

Źródło światła działające dzięki emisji wymuszonej we wzbudzonym ośrodku, wzmacnianej między dwoma lustrami. Daje światło jednobarwne i spójne w wąskiej, prawie równoległej wiązce; stosuje się go np. w czytnikach kodów kreskowych, chirurgii oka i do cięcia metali.