Wiadomości wstępne

1. Co jest przedmiotem badań fizyki?

Fizyka zajmuje się badaniem praw rządzących wszechświatem oraz strukturą zawartych w nim materii i energii.

Zajmuje się siłami występującymi miedzy obiektami oraz związkami miedzy materią i energią

Rozwijająca się nowoczesna fizyka objęła badania z dziedziny fizyki atomu, fizyki jądra atomowego i fizyki cząstek elementarnych.

2. Podać określenie następujących pojęć:

Prawo fizyczne: zgodne z wynikami pomiarów doświadczeń stwierdzenie wyrażające w sposób matematyczny związek miedzy wielkościami fizycznymi. Prawa fizyczne są otwartym opisem wyników wielu doświadczeń machinalnie „oczyszczonym” a przypadkowych błędów doświadczalnych.

Zasada, teoria-opis przyrody który obejmuje więcej niż jedno prawo ale nie osiągnął statusu prawa fizycznego

4. Na jakich wielkościach podstawowych i uzupełniających opiera się układ SI

Obowiązującym obecnie międzynarodowym układem jednostek miar SI (Systeme International) przyjęto siedem wielkości podstawowych

• długość (metr-m)

• masa (kilogram-kg)

• czas (sekunda-s)

• natężenie prądu elektrycznego (amper-A)

• temperatura (kelwin-K)

• Światłość (Kandela cd)

Jako wielkości podstawowe nie mogą one zostać zdefiniowane za pomocą innych wielkości fizycznych. Wobec tego określa się je poprzez podanie odpowiedniego wzorca jednostki miary oraz poprzez ustalanie sposobu porównywania tego wzorca a wielkością mierzoną.

5. Podaj zasady tworzenia jednostek wielokrotnych podwielokrotnych w układzie SI

Podstawowe i pochodne jednostki miary stanowią tzw. Jednostki główne. Jednostki mniejsze od głównych do głównych- wielokrotne

Jedn. Podwielokrotne i wielokrotne nazywane są jednostkami wtórnymi. np. jednostki prędkości: -podwielokrotne m/s - główna m/s - wielokrotna km/s

6. Podaj definicje jednostki masy w układzie SI

Kilogram-jednostka masy w układzie SI zdefiniowana jako masa równa masie międzynarodowego wzorca, przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Wag i Miar w Sevres pod Paryżem.

7.Jakie zjawiska fizyczne są postawą określania wzorca długości.

• najpierw była wzorcowa platynowa sztaba metrowa, tzw. metr archiwalny

• 1m=dł wzorcowej sztaby irydowo-platynowej

*1m=1,650763,73 dł fali w próżni promieniowania

• od 1983 1m=dł drogi, jaką przebywa światło w próżni w czasie 1 /2,09792458x10⁸ sekundy

* pomarańczowe promieniowanie kryptonu 86ma dł fali 605,7um

9.Jaka jest zasada działania cezowego wzorca sekundy i jego zalety w porównaniu z poprzednio stosowanymi wzorcami sekundy?

SEKUNDA- jest czasem trwania 9192631770 okresów promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133

Wzorcem pierwotnym jest układ w którym atomu cezu biegną w postaci promienia atomowego ( smukłego) i separacja atomów następuje w polu magnetycznym, a nadsubtelne pompowanie optyczne wykorzystuje się w precyzyjnych wzorcach wtórnych.

10. Na jakiej zależności opiera się definicja ampera.

AMPER- to jednostka natężenia prądu elektrycznego w układzie SI. Jest to natężanie prądu (stałego) elektrycznego który płynąc w dwóch równoległych, nieskończenie długich, prostoliniowych przewodach o znikomo małym kołowym przekroju, umieszczonych w próżni w odl 1 m jeden od drugiego, wywoływałyby powstanie miedzy tymi przewodnikami siły równiej 2*10^-7 N na każdy metr długości.

11.Podaj i objaśnij jednostkę światłości.

KANDELA- (cd) jednostka światła w układzie SI, równa światłości, jaką ma w danym kierunku światło, emitujące monochromatyczne promieniowanie o częstości 540*10¹² HZ, przy czym natężenie promieniowania w tym kierunku wynosi 1/683 wata na steradian

Kandela- określano jako natężenie w kierunku normalnym źródła światła stanowiącego 1/60 cm² ciała doskonale czarnego promieniującego w temp. Krzepnięcia platyny -2042^oK

12.Podaj i objaśnij jednostkę temperatury w układzie SI

KELWIN- jednostka temperatury termodynamicznej, równa 273,16 temp termodynamicznej punktu potrójnego wody

Kelwin- stopień termodynamicznej skali. Temp. Keliwna to temperatura w której temperatura potrójnego punktu wody jest równa 273,16 ^oK^.

13. Podaj definicje jednostki ilości (liczności) materii

MOL- Jednostka ilości (liczności) materii, równa ilości materii układu zawierającego liczbę cząstek atomów, jonów równa liczbie atomów zawartych w masie 0,012 kg węgla ¹²C

14.Podaj i objaśnij jednostki uzupełniające układu SI

RADIAN- kat (płaski) między dwoma promieniami koła pomiędzy którymi długość łuku równa jest promieniowi.

STERORADIAN- kąt bryłowy o wierzchołku w środku kuli wycinający na powierzchni kuli obszar, którego pole równe jest polu kwadratu o boku mającym długość równą promieniowi tej kuli.

Fizyka atomowa

1.Na czym polega dualizm falowo- korpuskularny promieniowania?

Światło czy ogólnie promieniowanie elektromagnetyczne ma podwójną naturę tzn. w niektórych procesach zachowuje się jak fala a w niektórych jak strumień cząstek.

Teoria korpuskularna wyjaśnia :

- emisje i absorbcje

- zjawisko fotoelektryczne

- zjawisko Comtona.

W przypadku zjawiska fotoelektrycznego oddziałujący z elektronami foton przekazuje mu całą energię E= hxv i tym samym przestaje istnieć . Efekt Comtona obserwuje się przy oddziaływaniu fotonów ze swobodnymi lub słabo związanymi elektronami. W wyniku takiego oddziaływania foton przekazuje tylko część swojej energii.

Konieczność przyjęcia dualizmu korp- falowego w świecie mikroskopowym, świata fotonów, kwantów elektronów i protonów jest znamienną cechą poglądów fizyki.

2.Jakie zjawiska przemawiają za teorią falową promieniowania elektromagnetycznego , a jakie za korpuskularną?

TEORIA FALOWA

- Interferencja nakładanie się fal na siebie aby zaistniała fale muszą być spójne tzn. różnica faz pomiędzy falami docierającymi do punktu przestrzeni musi być stała. Najlepszy efekt gdy jest jedno źródło światła obserwujemy wtedy wzmocnienie i wygaszenie fali.

- Dyfrakcja wszelkie odstępstwa od prostoliniowego biegu promieni. Światło ulega ugięciu. Towarzyszy temu miejscowe osłabienie i wzmocnienie światła .

- Polaryzacja uporządkowanie kierunku drgań fali. Gdy wektor natężenia pola elektrycznego i magnetycznego drgają w jednej płaszczyźnie wtedy światło jest spolaryzowane.

- Załamanie zmiana kierunku fali w wyniku zmiany jej prędkości przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego

- Odbicie zmiana kierunku fali odziaływującej na granicy. Kąt padania jest równy kątowi odbicia.

TEORIA KORPUSKULARNA

- Emisja promieniowania zdolność emisyjna ciała, jest to ilość energii wysyłanej w postaci promieniowania elektromagnetycznego w ciągu 1s przez 1m² powierzchni ciała. ▲^. W

E _{( λ ,π)}= [W/m³]

▲t ^. ▲l ^.▲s

▲W - energia promienista

▲t- czas emisji ▲s - pole emitujące powierzchni

- Absorbcja promieniowania jest to stosunek energii promieniowania promienistej zaabsorbowanej przez dane ciało do całkowitej energii promienistej jaka na to ciało pada.

- Zjawisko fotoelektryczne pytanie 25

- Zjawisko Comtona rozproszenie promieniowania ( zwłaszcza promieni γ promieni X)

przez elektrony. Zjawisko to polega na tym, że w zderzeniu fotonu z elektronami część energii fotonu zostaje przekazana elektronowi, co powoduje zwiększenie fali rozproszonego promieniowania i odrzut elektronu.

h

▲λ=λ^| -λ= ( 1- cosα)

M₀ ^. C

α- kąt rozproszenia promieni do wiązki padającej

3.Jak obliczamy energię fotonu? Wzór i oznaczenia symboli.

Energia fotonu rozproszonego (czerwonego) (energia zużyta)

h^.v_cz = h^.v₀- A

Energia fotonu rozproszonego (fioletowego ) ( absorbcja energii wcześniejszej)

h^.v_f = h^. v₀ + A

Ogólna energia fotonu

E=h^.v

h- stała Plancka

v- częstość padającego światła

c=3^. 10⁸ m/s

V= C/λ E= (h^.C): λ λ= dł fali

E= mc² h^.v=mc² m= (h^.v): c²

4.Podaj wzór na dł. fali de Broglie^,a

λ= (2dsinγ): n

Dł. fali materii

λ= h:p = h: (mv)

m- masa cząsteczki poruszającej się z prędkością v

Zasada działania mikroskopu elektronowego- wykorzystuje się w nim fale materii wiązki elektronów. W zależności od prędkości elektronów ich fale mogą mieć dł. o mniej więcej trzy do czterech rzędów wielkość mniejsze od dł. fal świetlnych. Mikroskop ten umożliwia teoretycznie rozróżnienie punktów oddalonych od siebie o 0,1 nm , w praktyce ze względu na wady elementów składowych zdolność rozdzielcza jest nieco mniejsza. W mikroskopie elektronowym zamiast promieni świetlnych skupione są wiązki elektronów, zamiast soczewek optycznych stosuje się soczewki elektryczne i magnetyczne w postaci kondensatorów i cewek. Końcowy obraz pada na ekran, który świeci pod wpływem padających elektronów. Ponieważ elektrony uzyskują sensowne osiągi w próżni obiekt badany musi być umieszczony w próżni.

Obraz powstaje głównie dzięki w rozproszeniu elektronów w różnych miejscach obiektu, ze względu na różnicę w grubościach i gęstościach poszczególnych jego części. W próbkach biologiczny różnice te na ogół są małe by mógł powstać obraz kontrastowy, z tego powodu stosuje się zabarwienie, czyli kontrastowanie obrazu za pomocą atomów metali ciężkich.

5.Porównaj mikroskop elektronowy skalingowy z transmisyjnym.

SKANINGOWY- do badania ciał stałych jego struktury w skali atomowej. Daje oraz przestrzenny, jego zdolność rozdzielcza i powiększenie są gorsze niż w transmisyjnym. Wiązka pierwotnych elektronów skanuje próbkę a zbierane są zarówno elektrony odbite od powierzchni próbki jak i elektrony wybijane z próbki. Prądem tych elektronów moduluje się inną wiązkę elektronów w monitorze telewizyjnym która z kolei skanuje ekran tworząc na nim obraz próbki.

TRANSMISYJNY- silnie zogniskowana przez soczewki elektronowe wiązka elektronów przechodzi przez b. cienką metaliczną próbkę ( o gr < 50 nm) i pada na ekran fluorescencyjny gdzie tworzy widzialny obraz. Obraz ten można sfotografować.

6.Porównaj mikroskop optyczny z elektronowym.

- mikroskop elektronowy jest odpowiednikiem mikroskopu optycznego. Ponieważ wiązka elektronów przyspieszona odpowiednio wysokim napięciem pod wieloma względami zachowuje się podobnie jak wiązka światła. Wykorzystując właściwości odpowiednio ukształtowanych pól magnetycznych, zwanych soczewkami magnetycznymi, wiązkę taka możemy odpowiednio przekształcić zupełnie analogicznie jak robimy to w ukł. optycznych.

- maksymalne powiększenie m. optycznego nie przekracza 2000 razy. Ograniczone możliwości powiększenia wynikają ze stosunkowo dużej dł. fal świetlnych, które ulegają dyfrakcji na b. małych szczegółach przedmioty uniemożliwiając obserwację.

- rolę „światła” w m. elektronowym pełni rozpędzona napięciem kilku tyś. woltów wiązka elektronów która odpowiada dł. fali rzędu setnych części nanometra.

- zdolność rozdzielcza mikroskopów zależy od dł. fali, zatem w przypadku m. elektronowego przewyższa ona setki razy zdolność rozdzielczą m optycznego.

7.Czym się różni emisja spontaniczna od emisji wymuszonej?

EMISJA SPONTANICZNA- samorzutna niezależna od zewnętrznych oddziaływań emisja fotonów przez wzbudzony atom, jest zdarzeniem losowym.

EMISJA WYMUSZONA- emisja fotonów przez atomy wzbudzone zewnętrznie promieniowaniem elektromagnetycznym o odpowiedniej częstotliwości, wykorzystywana w laserach. Wzbudzony atom emituje na zewnątrz kwant promieniowania, który jest identyczny z kwantem wywołującym emisję i to zarówno co do energii jak i kierunku.

8.Jakie cechy ma promieniowanie powstające w wyniku emisji wymuszonej

Może być światłem monochromatycznym o jednakowej częstotliwości i sprzyjających warunkach natężenia światła poważnie wzrasta.

Emisja wymuszona jest zjawiskiem stymulowanym. Wiązka promieniowania wymuszonego będzie więc mało rozbieżna, spójna, monochromatyczna. Faza i kierunek rozchodzenia się tego promieniowania jest zgodna z promieniowaniem wymuszonym.

9.Wyjaśnij zasadę działania lasera.

Laser- nazwa określa proces wymuszania przez wymuszoną emisję promieniowania. Jest to generator kwantowy optyczny, generator spójnego promieniowania elektromagnetycznego z zakresu widma od nadfioletu do dalekiej podczerwieni. W działaniu lasera wykorzystuje się zjawisko wzmocnienia promieniowania przez emisję wymuszoną w ośrodku w którym nastąpi odwrócenie (inwersja) obsadzeń.

Elementy:

- ośrodek czynny

- układ pompujący - wytwarza w ośrodku czynnym umieszczonym wewnątrz rezonatora optycznego odwrócenie obsadzeń. Zostają wzbudzone atomy lub jony subs. czynnej do poziomów metatrwałych. Energia tych poziomów wykorzystywana jest do emisji wymuszonej przez promieniowanie sterujące laserem i przez samą emisję wymuszoną.

- rezonator optyczny zbudowany jest z dwóch równoległych płaskich lub sferycznych zwierciadeł o dużym współczynniku odbicia i możliwie znikomej absorbcji. Zwierciadła należy ustawić w odległości L= (kλ):(αn)

n-wsp. Załamania ośrodka, k- liczba całkowita

ponieważ wytwarza się w rezonatorze fala stojąca fotony początkowe promieniowania spontanicznego których wektor falowy jest równoległy do osi optycznej zwierciadeł przebiegającą wielokrotnie drogę między nimi i wymuszającą promieniowanie innych atomów ośrodka czynnego. Światło wysyłane przez laser cechuje duża spójność i monochromatyczność, oprócz tego jest ono w dużym stopniu skalimowane co zapewnia uzyskanie dużej gęstości powierzchniowej mocy emitowanego promieniowania rzędu 10⁶ GW/ cm² . Szerokość linii widmowych może być mniejsza od szeregu naturalnej linii widmowej.

Rodzaje laserów:

- rubinowy

- helowo neonowy

- chemiczny

- półprzewodnikowy

- gazowy

- barwnikowy

- cieczowy

10.Opisz przykłady zastosowania lasera.

- nowoczesna telekomunikacja (łączność satelitarna i kosmiczna)

- lokalizacja i nawigacja

- miernictwo i kontrola

- technologia ( mikroobróbka materiałów)

- medycyna, biologia ( mikropunkcja)

- elektrotechnika

-sejsmografia

-technika wojskowa

11.Jak się otrzymuje hologram

Materiał w którym zarejestrowano obraz interferencyjny powstaje w wyniku złożenia co najmniej dwóch fal spójnych to hologram.

Wykonuje się go przy użyciu fal różnego typu: fal akustycznych, wiązek elektronów najczęściej jednak fal elektromagnetycznych w zakresie częstotliwości od mikrofal do prom. Rendgenowskiego, otrzymanie obrazów holograficznych składa się z dwóch etapów zapisu i odtwarzania.

ZAPIS- polega na fotograficznym zarejestrowaniu obrazu interferencyjnego wyrównanego przez dwie fale spójne : jedną z lasera i drugą pochodzącą od oświetlanego również laserem przedmiotu. Uzupełniony po wywołaniu hologram zawiera odpowiednio zakodowaną informację o amplitudzie i fazie fali pochodzącej od przedmiotu. Zapis ma postać prążków i pierścieni interferencyjnych.

12.Jak się odtwarza hologram?

Polega na oświetleniu przy czym światło spójne niezbędne przy zapisie hologramu nie jest konieczne przy jego odtwarzaniu. W wyniku dyfrakcji fali odtwarzającej na treść hologramu powstają fale ugięte które tworzą dwa obrazy przestrzenne oddalone od siebie jeden rzeczywisty drugi pozorny.

13.Jaka jest różnica między hologramem a zwykłą fotografią?

Przełamanie hologramu na części nie niszczy w odróżnieniu od zwykłej błony fotograficznej, informacji w nich zawartych. Oświetlenie części hologramu daje również trójwymiarowy oraz, tylko o mniej wyraźnych szczegółach. Inną cechą hologramu jest to że może zarejestrować kilka obrazów i kolejnego ich odtwarzania.

Dzięki temu można barwne obrazy przedmiotów. W jednym z wariantów holografu barwny przedmiot oświetla się trzema wiązkami światła z trzech laserów emitujących fale o długości tak dobranej, by najwierniej odtworzyć barwę przedmiotu.

Fotografia także może być kolorowa , ale jest to obraz tylko dwuwymiarowy. Jest obrazem trwałym uzyskanym na materiale światłoczułym. Zdjęcie fotograficzne powstaje przez naświetlanie materiału światłoczułego, które następuje w chwili wyzwolenia spustu migawki aparatu fotograficznego.

14. Jaka zasada określa granicę między mechanika klasyczną a mechaniką kwantową? Sformułuj ją i objaśnij.

Falowe właściwości cząstek doprowadziły do stworzenia mechaniki kwantowej zwanej falową. Opisuje ona masy cząstek mikroświata czyli cząstek o rozmiarach

10^-10do 10^-15m, a więc elektronów, protonów i jąder atomowych. Granicę między mechaniką klasyczną a mechaniką kwantową określa zasada nieoznaczności Heisenberga.

Nie można jednocześnie określić z dowolnie dużą dokładnością położenia i pędu cząstki. ▲x ^.▲p≥ h; ▲E^.▲t ≥ t

▲x - błąd położenia

▲p - błąd pędu

▲t - błąd czasu

▲E - błąd energii

▲x ^. ▲p_x ≥ h /2∏

- równanie Schrodingera

8∏²m

▲Ψ + --------- ^. (E-U) ^. Ψ = 0

h²

▲Ψ - prawdopodobne uwolnienie cząstki w danym miejscu

E - energia całkowita cząstki

Ψ - funkcja falowa

U - potencjał cząstki

15.Jakie ciało nazywamy doskonale czarnym? Podaj przykłady ciał zbliżonych do ciała doskonale czarnego.

Ciało o współczynniku absorbcji równym 1, tzn. które niezależnie od temperatury całkowicie pochłania padające nań promieniowanie posiadające dowolny skład widmowy. Ciało doskonale czarne jest pewną idealizacja, mającą duże znaczenie w teorii promieniowania. Przybliżoną realizacją ciała doskonale czarnego jest otwór dużej wnęki sferycznej. Prawa opisujące emisję promieniowania przez ciało doskonale czarne to prawa Plancka, Wiena, Stefana Boltzmana. Np.: przedmioty pokryte sadzą lub matowym czarnym lakierem.

16.Jakie prawa rządzą promieniowaniem termicznym ciała doskonale czarnego?

Promieniowanie cieplne polega na przenoszeniu energii wewnętrznej za pośrednictwem ruchu falowego. Ciało o dowolnej temperaturze, różnej od zera emituje fale elektromagnetyczne, długość fal zależna od temperatury rozchodzi się nie tylko w ośrodkach substancjalnych lecz również w próżni. Wzór Plancka dotyczący zdolności widmowej ciała doskonale czarnego:

2∏c² h

r_λt = ------ = --------------

λ e ^(h*c/kλt)-1

Promieniowanie termiczne - energia nie może być większa niż to wynika z tego wzoru.

Prawo Wiena - prawo przesunięć - długość fali l₀, której odpowiada max zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego jest odwrotnie proporcjonalne do jego temperatury

l₀ * t = b. ( b-stała Wiena)

17.Podaj prawo Stefana-Boltzmana

Ilość energii jest wprost proporcjonalna do 4 potęgi temperatury bezwzględnej ciała.

Jeśli temperatura ciała doskonale czarnego wynosi T ilość ciepła emitowanego przez jednostkę powierzchni tego ciało w jednostce czasu wynosi R = σ(T⁴- T_o⁴).

Jeśli T_o=0 to R = σT⁴. σ - stała Stefana.

18.Podaj prawo Kirchoffa

Zdolność emisyjna ciała jest proporcjonalna do zdolności absorbcyjnej tego ciała.

W danej temperaturze ciało pochłania najmocniej te długości fal, które samo emituje.

R_e/R_a = R , wynika stąd , że zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego jak również jego zdolność absorbcyjna są większe od zdolności emisyjnych i absorbcyjnych zwykłego ciała.

19.Podaj i objaśnij określenie luminescencji. Wyjaśnij działanie świetlówki.

Luminescencja - jarzenie- to wszystkie rodzaje energii oprócz termicznej. Jest to nadwyżka promieniowania ciała nad jego promieniowaniem termicznym w danej temperaturze, jeśli ta nadwyżka trwa przynajmniej ok. 10^-10s.

Warunek ten odróżni luminescencję od rozproszenia i odbicia. W zjawiskach luminescencyjnych energia wzbudzania zostaje na pewien okres zmagazynowana w układzie.

Energia elektronowa wzbudzonych cząstek jest na ogół znacznie większa niż odpowiadałaby to temperatura układu.

Świetlówka - składa się z szklanej rurki wypełnionej parą rtęci i argonem oraz wtopionych na końcach rurki spiral wolframowych. Ścianki rurki pokryte są wewnątrz cienką warstwą luminoforu. Podczas pracy lampy temperatura ścianek wynosi ok. 50^oC, ciśnienie pary rtęci równe jest wtedy 10^-2mmHg, zaś ciśnienie argonu ok. 4 mmHg. Po doprowadzeniu do elektrod lampy ( spirali) dostatecznie dużego napięcia w rurce następuje wyładowanie elektryczne, któremu towarzyszy wzbudzenie atomów rtęci (obecność argonu poprawia jedynie warunki wzbudzenia atomów rtęci i przeciwdziała zniszczeniu elektrod). Wzbudzona para rtęci emituje promieniowanie ultrafioletowe. Promienie te wywołują świecenie luminoforu. Tak więc w świetlówce część energii elektrycznej zamienia się najpierw w en. promieniowania.

20.Opisz przykłady praktycznego wykorzystania luminescencji.

Konstrukcje słabych źródeł światła (oświetlenie awaryjne, świecące cyfry na tarczach zegarowych). Każdej substancji odpowiada charakterystyczne widmo luminescencji zależne od struktury wewnętrznej i składu chemicznego tej substancji. Można więc luminescencję do badania składu i struktury wewnętrznej ciał (rozpoznawanie bakterii, odczytywanie zatartych liter w starych rękopisach). Barwa światła luminescencyjnego umożliwia wykrycie niepożądanych domieszek w sfałszowanych wyrobach, dokonywanie sądowych ekspertyz dokumentów i slajdów.

Defektoskopia luminescencyjna- wykrywanie niewidocznych dla oka pęknięć przedmiotów metalowych przy użyciu substancji luminescencyjnych.

21.Wyjaśnij pojęcia: fotoluminescencji, chemiluminescencji, bioluminescencji.

Fotoluminescencja - obejmuje ona świecenie dwóch rodzajów mianowicie fluorescencję i fosforescencję. Absorbcja kwantu promieniowania przez elektron atomu prowadzi do jego przejścia na wyższy poziom energetyczny co jest równoznaczne z przejściem drobiny z niższego stanu energetycznego na wyższy. Pod wpływem pochłonięcia energii kwantu promieniowania cząsteczka przechodzi w stan wzbudzony E*, z którego może z powrotem przejść w stan podstawowy. Flurescencja - występuje w związku z przegrupowaniami (pod wpływem światła) elektronów wewnątrz cząsteczek, bądź też ze zmianami stanów drgań i obrotów molekuł pod wpływem pochłaniania światła. Jest to zjawisko wewnątrz drobinowe lub wewnątrz atomowe. Fosforescencja - jest zjawiskiem między drobinowym i związana jest z ugrupowaniami złożonymi z wielu cząstek. Występuje w bardzo lepkich roztworach albo w ciałach stałych. W zjawisku tym cząsteczka nie przechodzi bezpośrednio ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego zatrzymuje się na pewnym poziomie pośrednim i dopiero po pewnym czasie przenosi się do poziomu podstawowego E₀.

Chemiluminescencja - polega na świeceniu pod wpływem energii powstałej na koszt energii procesów chemicznych. Typowym przykładem jest świecenie fosforu, powstające na koszt energii jego utleniania się na wolnym powietrzu.

Bioluminescencja - szczególny przypadek chemiluminescencji. Zachodzi pod wpływem energii uwalnianej w czasie utleniania biologicznego. Znamy wiele żywych form błyszczących np.: bakterie.

Źródłem rozbudzenia chemiluminescencji są reakcje chemiczne zachodzące w żywych organizmach, wykazują je wszystkie żywe komórki, tkanki i organizmy złożone.

Elektroluminescencja - energia promienista powstaje na koszt energii pola elektrycznego, pod wpływem wysokich napięć elektrycznych. Znalazła zastosowanie w technice oświetleniowej

Tryboluminescencja - występuje przy wzajemnym pocieraniu ciał o siebie.

22.Podaj i objaśnij postulaty kwantowe Bohra

a)W atomach istnieją specyficzne stacjonarne orbity elektronów, ruch po tych orbitach nie wywołuje promieniowania

b)Podczas ruchu po orbitach stacjonarnych moment pędu elektronu równy jest całkowitej wielokrotności (h/2∏), gdzie n - oznacza stała Plancka. Dla orbit kołowych otrzymujemy: m*v*r = n*(h/2∏).

m- masa elektronu

r - promień orbity

v - prędkość elektronu

c)przejście elektronu z jednej orbity stacjonarnej na drugą wiąże się z emisją lub absorbcją kwantu promieniowania, o energii h * v. Energi ta jest równa różnicy energii E_k i E_n atomu w stanach odpowiadających ruchowi po orbitach, pomiędzy którymi następuje przeskok elektronu. h*v = E_k - E_n - warunek częstości Bohra.

• nie wszystkie orbity są dozwolone, dozwolone są tylko te orbity , które spełniają warunek 2∏*m*v*r = h*n n = 1,2,3

• jeżeli elektron przechodzi z orbity wyższej na niższą emituje promieniowanie

h*v = E_n - E_k

23.Co charakteryzuje orbity stacjonarne elektronów w atomie wodoru? Czy teoria Bohra jest zgodna z elektrodynamiką klasyczną?

Promieniowanie orbit stacjonarnych

r_n = r₁* n²,

E_kh²

r₁ = ------ = 0,53*10^-10 = 0,053nm

∏me²

E_n = - A(1/n²)

me⁴

A= ----------

8h²E

Kołowe orbity elektronów są skwantowane, ich moment pędu może mieć wartość równą wyłącznie którejś z całkowitych wielokrotności pewnej podstawowej wartości.

Zgodnie z elektrodynamika klasyczną atom nie może być obiektem trwałym. Wiadomo, że ładunki poruszające się z przyspieszeniem dośrodkowym powinny wypromieniować energię w postaci fali elektromagnetycznej o wartości obiegu elektronu po orbicie. Jego energia mechaniczna powinna się zmniejszać. W rzeczywistości jednak ( wg Bohra) atomy są obiektami trwałymi a wzbudzone emitują promieniowanie w widmie liniowym. Bohr porównał fakt , że atomy mogą wysyłać i absorbować fale o dyskretnych wartościach z wynikami prac Max Plancka i Einsteina na temat kwantowej struktury światła odrzucił zasady elektrodynamiki klasycznej do zjawisk wewnątrz atomowych.

24.Wyjaśnij mechanizm emisji promieniowania przez wodór na podstawie modelu Bohra.

Jeżeli elektron znajduje się na pierwszej, najbliższej jądra orbicie n=1 mówimy że atom jest w stanie podstawowym. W tym stanie może znajdować się nieskończenie długo. Dostarczenie z zewnątrz porcji energii może spowodować przejście atomu do stanu wzbudzonego. Elektron znajduje się wtedy na jednej z dalszych dozwolonych orbit atomu wodoru. Jego energia jest większa niż energia w stanie podstawowym. Stan taki może być stanem równowagi trwałej dla którego energia musi przyjmować wartość minimalną. Atom wzbudzony do stanu energii E_m musi po pewnym czasie przejść do stanu E_n < E_m emitując przy tym na zewnątrz ściśle określoną porcję energii w postaci kwantu promieniowania elektromagnetycznego. Energia emitowana przy przejściu z n-tej dozwolonej orbity na n-tą odpowiadającą niższej energii wartości

Z²*e⁴*m_e

E_nm = E_m - E_n = ---------------------[(1/n²) - (1/m²) ]

8 ∏²ε_o²h²

25.Na czym polega zjawisko fotoelektryczne?

Polega na tym, ze płytka metalu naświetlona falami o dostatecznie dużej częstości emituje na zewnątzr swobodne elektrony. W wyniku wielu doświadczeń stwierdzono, ze zjawiskiem fotoelktrycznym rządzą prawa:

a)Liczba fotoelekronów czyli elektronów wybiegających z metalu pod wpływem światła jest wprost proporcjonalna do natężenia światła wywołującego emisję.

b)Prędkości wyjściowe elektronów nie zależą od natężenia światła

c)Energia kinetyczna z jaką wybiegają najszybsze fotoelektrony jest zależna liniowo od częstości υ drgań wyzwalającego je światła, przy czym : m*v²/ 2= h*υ- W_w

m*v²-/2-en.kinetyczna wybitego fotoelektronu o masie m i prędkości v

h-stały współ. Proporcjonalności

W_w- praca wyjścia czyli energia którą światło padając oddaje elektronowi aby go wydobyć z metalu.

Wartość liczbowa pracy wyjścia zależy od rodzaju naświetlanej subs. i dla danej subst. jest wielkością stałą.

Energia światła h*υ zostaje przekazana elektronowi w metalu przy czym część tej energii elektron używa na wykonanie pracy wyjścia, a część na energię kinetyczną ruchu po opuszczeniu metalu. Mechanizm zjawiska fotoelektrycznego przedstawia się tak jak gdyby z źródła światła wysyłały nie fale elektromagnetyczne lecz jakieś pociski energii świetlnej równej h*υ

26.Wymień kilka zastosowań zj. Fotoelektrycznego.

Techniczne zastosowania zj. Fotoelektrycznego opierają się na wykorzystaniu tzw. fotokomórek

Przyrządy działające na zasadzie zjawiska wtórnej emisji elektronów to fotopowielacze.

Poza tym stosuje się w : fotorezystor ( foto opór), fotodioda ( I_f= e*m), fotogniska, kontrola fotoelektryczna.

27.Czy energia elektryczna fotoelektronu w zjawisku fotoelektrycznym zależy od natężenia wiązki światła wywołującej to zjawisko.

Energia kinetyczna fotoelektronu wzrasta liniowo ze wzrostem częstości padającego światła i nie zależy od wartości strumienia świetlnego padającego na fotokatodę. Jeśli energia fali rozdzielona by była równomiernie pomiędzy wszystkie elementy płytki w szczególności między swobodne elektrony, to energia wybiegających fotoelektronów nie powinna być uzależniona od częstości padającej fali świetlnej, lecz od jej natężenia (całkowitej energii dostarczanej elektronom). Energia nie zależy od natężenia promieniowania, jedynie od jego dł. fali.

Promieniowanie rentgenowskie

1.Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie?

Powstaje podczas hamowania szybkich elektronów w materii.

Wytwarzane jest przez bombardowanie atomów cząsteczkami o wysokiej energii.

2. Jak można wytłumaczyć

a) widma ciągłego promieniowania rentgenowskiego.

Podczas hamowania elektronów następuje gwałtowna zmiana natężenia pola magnetycznego. Wytworzone w ten sposób zaburzenie rozchodzi się w postaci krótkiego impulsu- fali elektromagnetycznej.

W widmie ciągłym są fale rentgenowskie długie ( o małym natężeniu), a także istnieje pewna najmniejsza dł. fali- krótkofalowa granica widma ciągłego.

b) widma charakterystycznego promieniowania.

Gdy napięcia między katoda a anodą lampy rentgenowskiej osiąga pewne określone wartości, wtedy na tle widma ciągłego zjawia się widmo liniowe zwane charakterystycznym.

Gdy elektron ma dostatecznie dużą energię, może on wniknąć w głąb atomu i w akcie zderzenia oddać swą energię kinetyczną jednemu z elektronów warstw głębszych. Wolne miejsce zapełnia elektron z warstwy wyższej, czemu towarzyszy emisja kwantu hv

Promieniowanie charakterystyczne może powstać również w wyniku absorpcji promieniowania rentgenowskiego o dostatecznej energii by wywołać zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne.

c) granicy krótkofalowej widma ciągłego promieniowania rentgenowskiego?

Istnienie tej granicy można wytłumaczyć na podstawie wzoru
Wynika stąd że najmniejszą cześć fotonu uzyskujemy dla A=0 otrzymujemy wówczas
hv max =
, wyznaczające krótkofalowa granicę widma.

3.Wyjaśnij mechanizm powstawania serii widmowych promieniowania rentgenowskiego?

Elektron porusza się w promieniach katodowych wytwarza wokół siebie pole magnetyczne. W momencie zahamowania na antykatodzie następuje zaburzenie pola magnetycznego i powstaje fala elektromagnetyczna promieniowania rentgenowskiego , przy czym całkowita energia elektronu zmienia się częściowo na kwant promieniowania rentgenowskiego.

Widmo liniowe: elektrony układają się naokoło jądra atomu w pewnych warstwach ( K,L,M,N) El. promieni katodowych bombardujące antykatodę mogą wyrzucać elektrony z wnętrza jej atomów. Tym spadkom towarzyszy wypływanie kwantów promieni rentgenowskich o rozmaitych energiach tworzących w widmie grupę linii, zwaną serią K

Seria K- skalda się z linii Kα i K_β, a one składają się z kilku linii widmowych położonych blisko siebie.

4. Wymień zasadnicze własności promieniowania rentgenowskiego.

• jest niewidzialne.

• Wykazuje zjawisko fotoelektryczne

• Duża zdolność przenikania

• Wykazuje właściwości falowe

• Promieniowanie rentgenowskie to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, ale o mniejszej długości fali i większej energii od fali radiowej

• Rozchodzą się z tą samą prędkością co światło

• Nie ulega odchyleniu w polu magnetycznym i elektrycznym

• Zaczernienie kliszy fotograficznej

• działa chemicznie

• Silnie jonizuje gazy i ciecze

• Wywołuje luminescencje

5. Promienie Rentgena i ich zastosowanie

Chirurdzy i dentyści używają promieni Rentgena do wykonywania zdjęć złamanych kości i rosnących zębów itp. Promienie te przechodzą przez miękkie części ciała, takie jak skóra czy mięśnie a zatrzymuje się na twardych kościach i zębach. Promieniowanie to jest używane także w terapii nowotworów.

7. Jakie są dowody natury falowej promieniowania rentgenowskiego?

Długość fali promieniowania rentgenowskiego jest bardzo mała, dlatego nie można zmierzyć jej za pomocą zwykłych siatki dyfrakcyjnej.

Do badania dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego użyto więc kryształu (M.Laume)

* dyfrakcja promieni rentgenowskich stanowi najważniejszy i bezpośredni dowód ich natury falowej

Dowodem jest także zjawisko polaryzacji, zjawisko interferencji.

Promieniowanie rentgenowskie ( zadania)

1.Oblicz energię fotonu promieniowania rentgenowskiego o długości fali λ=0,1 nm.

λ=0,1nm=10^-10 m

h=6,62*10^-34 Js

c=3*10⁸ m/s

E=hv h=c/λ

E=
= 19,86 * 10^-16 J

1ev=1,6*10^-19 J

12,4 keV

2.Jaka najmniejsza długość fali promieniowania rentgenowskiego można uzyskać z lampy rentgenowskiej, w której elektrony są przyśpieszone napięciem 50kV?

eu=hVmax u=50kV=5*10⁴ V

h=6,62*10^-34 Js

c=3*10⁸ m/s

e=1,6*10^-19 C

[λmin]=

λmin=24,8 pm

3. Oblicz dolną granicą długości fali promieniowania rentgenowskiego, wytworzonego przy napięciu przyśpieszającym 120kV, oraz odpowiadająca jej energię emitowanych fotonów.

u=120kV=12*10⁴ V, h=6,62*10^-34 Js, c=3*10⁸ m/s, e=1,6*10^-19 C

Ef=1,6*10^-19*12*10⁴
=19,2*10^-15J=12*10⁴eV=12keV

1eV=1,6*10^-19J

x = 19,2*10^-15J

4.Obliczyć najkrótszą długość fali promieni X (λmin), jeżeli do lampy rentgenowskiej przyłożono napięcie :

1. U₁=20kV (promienie miękkie)

2. 100kV (promienie twarde)

a) U₁=20kV (promienie miękkie)

U₁=20kV=2*10⁴ V

b) U₂= 100 kV (promienie twarde)

U₂= 100 kV=10⁵V

5.Oblicz, o ile się zmieni dolna granica długości fali promieniowania rentgenowskiego, jeżeli napięcie w lampie wzrośnie od U₁=10000V do U₂=600000VV.

6.Foton promieniowania rentgenowskiego o długości fali λ=0,1 nm trafia na słabo związanym elektron atomu pierwiastka lekkiego i odchyla się od pierwotnego biegu o kąt 90^o . Oblicz długości fali fotonu rozproszonego.

(1-cosφ)= 90^o

λ`-λ=2,42 pm

λ`=2,42 pm+0,1nm=2,42+1*10^-10m=2,42pm+100pm=102,42 pm

Termodynamika

1. Podaj pojęcie układu w termodynamice. Podaj definicje i przykłady.

To ciało, względnie zespół ciał, będący przedmiotem badań, stanowi on jakąś wyodrębnioną z otoczenia całość. Np., maszyna organizm lub jego część, komórka.

2. Podaj określenie układów: izolowany, zamknięty i otwarty.

• izolowany - nie wymienia z otoczeniem ani energii ani substancji

• izolowany mechanicznie- nie działają na niego siły zewnętrzne, czyli nie może wymieniać energii z otoczenia poprzez wykonanie pracy.

• Izolowany adiabatycznie (termicznie)- nie może wymieniać energii z otoczenia drogą cieplną

- zamknięty- nie wymienia z otoczenia substancji, ale może wymieniać energię ;jest

układem izolowanym adiabatycznie i mechanicznie jednocześnie.

• otwarty- może wymieniać z otoczeniem i energię i substancję, np. organizmy żywe.

3.Co to są parametry stanu? Podaj przykłady.

To wielkości fizyczne, które określają stan układu fizycznego. To np. objętość, ciśnienie, temperatura i energia.

Układ znajduje się w stanie równowagi jeśli parametry, określające jego stan, nie zmieniają się w czasie, zmiana parametrów stanu może spowodować, że układ z jednego stanu równowagi przechodzi do drugiego.

4. Podaj określania pracy, ciepła i energii wewnętrznej. Która z tych wielkości jest funkcją stanu?

• praca - iloczyn skalarny wektora siły F działającej na ciało i wektora przesunięcia tego ciała wywołanego działaniem siły: czyli W=F*s W=F*s*cosα F- siłą niezmieniona w czasie α- kąt między wektorami F i s

• ciepło - wielkość fizyczna, która jest równa zmianie energii wewnętrznej ciała zachodzącej pod wpływem różnicy temperatur; to proces przekazywania energii wewnętrznej pod wpływem różnicy temperatur

• energia wewnętrzna- sumaryczne energia cząstek, z których ciało się składa Ew=Ek+Ep

Energia praca i ciepło wyrażają się w tych samych jednostkach w dżulach

1 Dżul- praca wykonana siła jednego Niutona na drodze jednego metra

Funkcje stanu- Określają zdolność układu do przejścia z jednego stanu do drugiego. ENERGIA JEST FUNKCJĄ STANU

Energia wewnętrzna związana jest z nieuporządkowanym ruchem cząsteczek lub atomów

5. Czy można stwierdzić na jakiej drodze ciało uzyskało energię wewnętrzną; przepływu ciepła czy wykonanej pracy?

Za pomocą przepływu ciepła. Przewodnictwo cieplne to przenoszenie energii wewnętrznej (miedzy częściami układy o różnych temperaturach , polegającym na przenoszeniu energii ruchu bezwładnego jednym grupom cząsteczek przez inne i nie związanym z makroskopowymi przemieszczeniami w układzie. Jeśli temperatura pewnego elementu ciała jest większa od temperatury innego elementu tego samego ciała to oznacza to, że średnia energia cząsteczek w tych dwóch elementach także się różnią miedzy sobą. W wyniku oddziaływań międzycząsteczkowych dochodzi do przekazywania energii przez cząsteczki o wyższej energii cząsteczkom o energii mniejszej co jest równoznaczne z przenoszeniem energii wewnętrznej.

6. Podaj zasady Termodynamiki

- I zasada termodynamiki- zmiana energii wewnętrznej ΔU danego układu, w dowolnym

procesie jest równa sumie pracy W wykonanej nad układem (lub przez układ) i ilości

ciepła Q pobranego (lub oddanego) przez układ w danym procesie: ΔU=W+Q (ciepło i

praca są sobie równoważne)

• II Zasada termodynamiki- silnik cieplny dział tylko wtedy, gdy temperatura źródła ciepła jest większa od temperatury chłodnicy - czyli nie można całkowicie zmienić ciepła na pracę mechaniczną

• 
  III zasada termodynamiki- dla układów skondensowanych ( ciało stałe i ciecz) entropia staje się zerem w temp zera bezwzględnego. Lim S=0 T 0

7. Podaj i objaśnij znane ci definicje entropii S

• entropia- jedna z funkcji stanu termodynamicznego ; jest nieuporządkowaniem układu. Im wiekszy stopień nieuporządkowania układu, tym wieksza entropia ΔS=Q/T

Q-ciepło wymienione z otoczeniem w procesie nieodwracalnym.

-Entropia- to funkcja stanu, określająca w jakim kierunku mogą zachodzić procesy w układzie izolowanym. W stanie równowagi przyjmuje ona wartość stałą maksymalną ΔS=0 S=Smax w stanie równowagi

• Entropia- według Clausiusa to wielkość równa sumie entropii kilku ciał tworzących układ.

• Entropia- układu, który składa się z dwóch cieczy, odniesiona do jakiegoś początkującego stanu, np. do stanu, w którym ciecz ma temperatur e 0^oC, będzie równa sumie entropii obu cieczy względem tego samego stanu odniesienia. Całkowita entropia wody przed zmieszaniem.

Po zmniejszeniu entrpię obliczamy ze wzoru:

11. Podaj definicje i wzory entalpii i energii swobodnej

• entalpia - jest potencjałem termodynamicznym w procesach zachodzących bez zmiany entropii i ciśnienia. W procesach odwracalnych, przy stałym ciśnieniu entalpia jest równa ilości ciepła dostarczanego do układu H=n+p*V

• Energia swobodna- -F- stanowi tą część układu, która może w odpowiednich warunkach być wykorzystywana jako praca; to miara maksymalnej pracy jaką mogłaby wykonać ciało. W odwracalnym procesie izolowanym termicznie. ΔF≤W. Według Gibbsa energia swobodna to potencjał termodynamiczny ΔG=ΔW-T*ΔS

12. Wyjaśnij pojęcia

- praca objętościowa- praca związana ze zmianą objętości ciała (Wo)

Wo=-p*ΔV p- ciśnienie zewnętrzne ΔV- zmiana objętości

- Ciało nieskondensowane- to wzrost entropii w procesach nieodwracalnych (pokonywanie oporów, reakcje chemiczne, zmiany strukturalne) dQi=TdSi

- Entropia- [ pyt 7]

13. Wyjaśnij pojęcia

• układ termodynamiczny- To ciało, względnie zespół ciał, będący przedmiotem badań; stanowi on jakąś wyodrębnioną z otoczenia całość.

Część przestrzeni materialnej , będącej przedmiotem rozważa; opisany jest przez zespół parametrów termodynamicznych; to mikroskopowy zbiór cząstek

• makrostan- stan makroskopowy ; stan układu fizycznego opisany za pomocą parametrów makroskopowych , czyli wielkości, które mają sens makroskopowy , czyli są obserwowane i mierzone.

• Mikrostan- stan makroskopowy - można by opisać przez podanie położenia i prędkości wszystkich cząstek składających się na dany układ

• Prawdopodobieństwo termodynamiczne-to liczba mikrostanów , która może zrealizować dany makrostan; inna nazwa to waga statyczna

• Prawdopodobieństwo matematyczne-miara zdarzenia losowego; prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia równe jest stosunkowi ilości wystąpienia tego zdarzenia do ilości wszystkich prób przy liczbie prób zmniejszającej do nieskończoności.

14. Na czym polega zasada minimum Prigogine`a?

Rzeczywisty stan stacjonarny układu odpowiada minimalnej wartości produkcji entropii.

Termodynamika (zadania)

1. Określ zmianę entropii 0,1 kg wody podczas ochładzania od temperatury 18⁰C do 0^oC. Ciepło właściwe wody 4,2 10³ J/kg^oK

Δs- zmiana entropii

,

, T= 273,15⁰K , ΔT=18^oK

Odp Δs=27,68 *10^-3 J/K

2. Młot o masie 10 kg spada na płytke ołowiu o masie 50 kg z prędkością 10m/s. O ile stopni ogrzeje się płytka na skutek uderzenia, jeśli przyrost energi wewnętrznej pozostanie całkowicie na tej płytce? Po uderzeniu młot odskakuje na wysokość 20 cm. Ciepło właściwe ołowiu 133J/kg^oK

m_m=10kg

m_p=50 kg

V₁=10 m/s

h₁= 20 cm=0,2m=2*10^-1m

c_wo=133 J/kgK

g≈9,8 m/s²

10

Odp

3. Wodę w ilości 4 kg o temperaturze 80^oC zmieszano z 6 kg wody o temperaturze 20^oC. Znaleźć zmianę entropii.

M₁=4kg

M₂=6kg

T₁=80^oC

T₂=20^oC

Cw=4,2*10³ J/kg*K

Z zasady termodynamiki Q₁=Q₂ Q₁- ciepło pobrane Q₂- ciepło oddane

m₁*c_w(t₁-t)=m₂*c_w(t-t₂)

m₁*t₁-m₁t=m₂t-m₂t₂

-m₁t-m₂t=-m₂t₂-m₁t₁/*(-1)

m₁t+m₂t=m₂t₂+m₁t₁

t(m₁+m₂)=m₂t₂+m₁t₁

t = 44^oC = 317,15^oK

Odp T=317,15^oK

4.Podgrzewny gaz pod stałym ciśnieniem p=2,02*105 Pa przesuwa tłok, poruszający się bez tarcia. Oblicz prace wykonaną przez gaz, jeśli jego objętość wzrosła o 0,5 m³

ΔV=0,5m³ W=?

P=2,02*10⁵ Pa W=p*ΔV=p*(V₂-V₁)

Odp W=1,01*10⁵ [J]

5. Jak zmieni się entropia m₁=10g wody o temperaturze t_o=100^oC i m₂=20g wody o temperaturze t=15^oC po ich zmieszaniu?

Odp T=316,3^oK

6. Znaleźć zmianę entropii przy przeprowadzeniu 10g lodu o temperaturze -20^oC w parę o temperaturze 100^oC . Ciepło właściwe lodu c=2,1*10³ J/kg^oK, Ciepło parowania wody r=2,26 10⁶ J/kg, ciepło topnienia lodu wynosi 3,35 10⁵ J/kg

m=10g=0,01 kg T₁=257,15 K ΔT=120 K

t₁=-20oC T₂=373,15 K T=273,15 K

t₂=100oC ΔS=?

c_wl =2,1*10³ J/kg^oK

r =c_wp=2,26 10⁶ J/kg

q= c_tl =3,35 10⁵ J/kg

c_ww=4,2*10³ J/kg K

lód H₂O para

Q= Q₁+Q₂ + Q₃ + Q₄

Q=m*c_L(T-T₁)+ m*q+m*c_ww(T₂-T)+mr

Q=0,01*2,1*10³*16+0,01*3,35*10⁵+0,01*4,2*10³*100+0,01*2,26*10⁶

Q= 336 + 3350 + 4200 +2 26000 = 233886 [J]

Odp

Fizyka jądrowa.

1. Opisz znane ci modele jądra atomowego. Który z modeli potrafi wyjaśnić gęstość materii jądrowej?

Model kroplowy - przypisuje jądru właściwości kropli cieczy. Ma ono kształt kuli, w której działają siły o krótkim zasięgu analogicznie do sił napięcia powierzchniowego kropli cieczy. Ruch nukleonów jest nieuporządkowany.

Założenia:

• Jądra mają te same gęstości.

• Istnieją dwa rodzaje sił: słabe kulombowskie siły odpychające i silne przyciągające siły jądrowe jednakowe dla obu typów nukleonów.

• Siły jądrowe są siłami krótkiego zasięgu i działają tylko między nukleonem i jego najbliższymi sąsiadami.

• Średnia energia wiązania przypadająca na 1 nukleon w jądrze jest w przybliżeniu stała:

Em = Ew/A = const

Model kroplowy wyjaśnia rozszczepienie jądra jako rozpad kropli.

Model powłokowy - nukleony w jądrze nie mogą poruszać się po torach dowolnych - jest tu zakaz Pauliego. W określonym stanie może się znajdować tylko jeden nukleon. Niektóre jądra mające 2, 8, 20, 50, 82, 126, protonów lub nukleonów są szczególnie trwałe. Liczby te zwane magicznymi określają prawdopodobnie tylko jądra, w których następuje zamknięcie orbit nukleinowych na podobieństwo gazów szlachetnych o liczbach elektronów w powłoce 8, 10, 18, 36, 54, 86, zapełniających orbity elektronowe.

Model powłokowy wyjaśnia emisje kwantów i liniowy charakter widma:

V = ΔE/h

Nukleony poruszają się pod wpływem siły centralnej na powłokach analogicznych do atomowych powłok elektronowych.

4.Na czym polega promieniotwórczość naturalna? Podaj zasadnicze różnice pomiędzy promieniowaniem α, β, γ.

Jest to promieniotwórczość, jaką obserwujemy w nietrwałych izotopach występujących w naturze. Znaczy to, że w naturze występują pierwiastki promieniotwórcze.

Różnice pomiędzy promieniowaniem α, β, γ.

α - charakterystyczne dla jąder ciężkich. Cząstka α ma ładunek dodatni, składa się z 2 protonów i 2 neutronów, to jądro helu ⁴₂He

Bardzo mało przenikliwe. Wywołuje silną fluorescencje - świecenie.

β - wyrzucenie z jądra elektronu lub pozytonu. Wyrzucenie z jądra lekkiej cząstki β prowadzi do przekształcenia wewnątrz jądra neutronu w proton, przy emisji β^-, lub protonu w neutron przy emisji β⁺

^A_ZX → _Z+1^AX + β^-

^A_ZX→ _Z-1^AX + β⁺

γ - towarzyszy przemianom α, β polega na emisji kwantu energii hV, przy czym jądro ze stanu wzbudzonego przechodzi w stan niższej energii.

^A_ZX*→^A_ZX + hV

Może powstać także w procesie anihilacji. Ma charakter falowy. Brak ładunku elektrycznego.

5. Co nazywamy defektem (niedoborem) masy i jak obliczamy jego wartość?

Jest to różnica między sumą mas neutronów, wchodzących w skład jądra atomowego, a masą jądra.

Δm = ∑_i=1ⁿ m_i - M = Ww/c²

7. Porównaj energie związków chemicznych z energią wiązania jąder.

Energia wiązania jądra - wytwarzana w czasie powstawania jądra wydziela się na zewnątrz. Jest rzędu wielkości od kilku do kilkuset MeV, w przybliżeniu jest proporcjonalna do liczby nukleonów.

Energia wiązania związków chemicznych (elementarnych) jest rzędu kilku eV, a więc jest mniejsza od energii wiązania jąder ok. 10⁶ razy.

8. Jak ziemia się położenie pierwiastka w układzie Mendelejewa przy przemianie α? Podaj definicje stałej rozpadu, okres połowicznego zaniku.

Rad

²²⁶₈₈Ra→²²²₈₆Rn + ⁴₂He = α

Radon

²²²₈₆Rn→²¹⁸₈₄Po + ⁴₂He

Polon

²¹⁸₈₄Po→²¹⁴₈₂Pb + ⁴₂He

Przy przemianie β

β^-

n → p + β^- + ν

β⁺

p → n + β⁺ + ν

^A_ZX→^A_Z+1X + β^-

^A_ZX→^A_Z-1X + β⁺

Lub wychwyt elektronów:

^A_ZX + e^- →^A_Z-1Y + νe

⁷₄Be → ⁷₃Lu + νe

9. Jakie prawa rządzą kinetyką przemian promieniotwórczych? Podaj definicje stałej rozpadu, okresu połowicznego zaniku.

Przemiany promieniotwórcze (α, β, γ) podlegają:

• Prawu rozpadu spontanicznego - prawo to określa liczbę jąder w próbce promieniotwórczej; inaczej prawo rozpadu promieniotwórczego.

• Prawo zachowania ładunku - suma dolnych wskaźników równania po prawej i po lewej stronie powinna być równa

• Prawo zachowania liczb masowych: suma górnych wskaźników równania po prawej i lewej stronie powinna być równa

• Prawa przesunięć Soddy'ego i Fajansa dla:

α:

^A_ZX → ^A-4_Z-2Y + ⁴₂He

β:

^A_ZX → ^A_Z+1Y + ⁰_-1e

• Może obowiązywać warunek równowagi promieniotwórczej - liczby rozpadów jąder poszczególnych pierwiastków rodziny promieniotwórczej i liczby powstających jąder tych pierwiastków są sobie równe.

Stała rozpadu: λ jest równa ułamkowi ogólnej liczby jąder, które ulegają rozpadowi w ciągu jednostki czasu.

Prawdopodobieństwo λ określa szybkość rozpadu.

Okres połowicznego zaniku: T - jest to czas w ciągu, którego rozpada się połowa wszystkich jąder w danej próbce substancji promieniotwórczej.

N/N₀ = ½ e^-λ

T = ln2/λ = 0,693/λ = 0,693τ

10. Podać i scharakteryzować typy rozpadów promieniotwórczych.

Rozpad α:

Charakterystyczny dla ciężkich jąder. Wewnątrz takich jąder tworzą się odosobnione cząstki α złożone z 2 protonów i 2 neutronów. Emitowane z jądra cząstki α mają określone widmo emisyjne. Cząstka α ma elektryczny ładunek +.

Rozpad β:

Trzy rodzaje przemian jądrowych:

1. Rozpad elektronowy (β^-)

2. Rozpad pozytonowy (β⁺)

3. Wychwyt elektronu (wychwyt K)

1 i 2 polegają na tym, że jądro emituje elektron (pozyton) i antyneutron elektronowy (neutrino elektronowe). Zachodzą drogą przemiany jednego rodzaju nukleonu w drugi.

3 znika jeden z elektronów z najbliższej jądra powłoki K. Proton przekształcający się neutron „chwyta” elektron. Z jądra wylatuje tylko jedna cząstka.

Rozpad γ:

Polega na emisji kwantu energii hV, przy czym jądro ze stanu o wyższej energii przechodzi w stan o niższej energii. Rozpadowi nie towarzyszy ani zmiana liczby masowej ani liczby atomowej. Charakteryzuje się cechami kwarkowymi czyli właściwości korpuskularne kwantów przeważają nad właściwościami falowymi.

12. Jakie czynniki mogą wywołać reakcje jądrowe?

Reakcja jądrowa to reakcja, w której zachodzi zmiana jądra atomowego.

Może być:

• Naturalny rozpad

• Spontaniczny rozpad

• Reakcja wywołana sztucznie bombardowaniem cząstkami o dużej energii

Wywołują je:

• Cząstki α

• Protony

• Fotony

Podaj zasadę zapisywania reakcji jądrowej. Wymień przykład reakcji jądrowej.

Reakcję jądrową zwykle zapisuje się przez podanie nuklidu początkowego, danej w nawiasie cząstki padającej oraz cząstki powstającej i wreszcie nuklidu końcowego np.

¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H

Zapis:

¹⁴N(α, p)¹⁷O

13. Podaj charakterystykę ważniejszych rodzajów promieniowania jonizującego.

• α

• β

• γ

• promieniowanie X

• nadfiolet (między światłem fioletowym, a promieniowaniem X)

14. Podaj określenie dawki ekspozycyjnej, dawki pochłoniętej oraz jednostki tych wielkości.

Dawka ekspozycyjna:

Jest miarą natężenia promieniowania, którego działaniu poddana jest substancja.

Stosunek sumy ładunków elektrycznych wszystkich jonów jednego znaku, wytworzonych w jednostkowej objętości powietrza w warunkach, gdy wszystkie elektrony uwolnione pod wpływem fotonów promieniowania zostaną w niej całkowicie zatrzymane — do wartości masy tego powietrza.

Czyli jednostką jest C/kg (Kulomb na kilogram)

R = 2,58 * 10^-4 C/kg

Dawka pochłonięta:

To stosunek pochłoniętej energii promieniowania do masy napromieniowanej substancji.

Jednostka J/kg dawka, przy której masie 1kg napromieniowanej substancji przekazana zostaje energia 1J promieniowania jonizującego.

1Gy = 1J/1kg → Grej

1 rad = 10^-2 Gy

16. Opisz znane ci zastosowanie izotopów promieniotwórczych.

Za pomocą izotopów promieniotwórczych „znaczy się” interesujące nas substancje nie radioaktywne np. pozwalają zlokalizować daną substancję wewnątrz organizmu żywego. Substancje znaczone wykorzystuje się w naukach biologicznych (do badania gruczołu tarczycy - jod promieniotwórczy ¹³¹₅₃I). ²⁴Na stosuje się w diagnostyce medycznej w krwioobiegu umożliwia ustalenie miejsca ewentualnej amputacji kończyny, brak krążenia krwi. Do badań zużycia przyrządów, zużycia materiałów pod wpływem tarcia. Stosowane w technice medycznej jako wskaźniki izotopowe a także jako źródło promieniowania jądrowego.

RADIOTERAPIA - dział radiologii zajmujący się leczeniem chorób nowotworowych za pomocą promieniowania jonizującego; podstawą radioterapii jest większa promienioczułość tkanek nowotworowych od promienioczułości zdrowych tkanek otaczających; źródłami promieniowania są terapeutyczne aparaty rentgenowskie (rentgenoterapia), naturalne pierwiastki promieniotwórcze (rad) i izotopy promieniotwórcze, zwł. radioizotop kobaltu (kobaltowa bomba); w radioterapii klinicznej rozróżnia się leczenie radykalne, z efektem trwałego zniszczenia nowotworu, (co jest możliwe u chorych bez przerzutów) z ograniczonym ogniskiem pierwotnym, i leczenie paliatywne, mające na celu jedynie zahamowanie procesu nowotworowego (bez możliwości wyleczenia).

DEFEKTOSKOPIA - (badania niszczące) stosuje się metody radiograficzne (rentgenografia, gammagrafia, neutronoradiografia, radiometria, tomografia rentgenowska, radioskopia, fluoroskopia, fluorografia), w których wykorzystuje się zjawisko pochłaniania promieniowania (w praktyce najczęściej promieni rentgenowskich lub γ) przez materiał; promieniowanie przechodzące przez badany materiał jest pochłaniane w różnym stopniu, zależnie od struktury materiału, jego grubości, występujących wad i długości fali; po przejściu przez badany przedmiot promieniowanie jest rejestrowane zwykle na błonach fot.

IZOTOPOWE DATOWANIE, radiodatowanie, metoda określania wieku badanej próbki wykorzystująca prawa rozpadu promieniotwórczego. Do oceny wieku materiałów pochodzenia org. stosuje się metodę węglową (zaproponowaną 1946 przez W.F. Libby'ego) polegającą na pomiarze stosunku ilości zawartych w nich izotopów węgla ¹²C i ¹⁴C. Promieniotwórczy izotop ¹⁴C powstaje w atmosferze z zawartego w niej azotu w wyniku reakcji ¹⁴N (n, p)¹⁴C (jądrowa reakcja) i rozpada się (z okresem połowicznego rozpadu 5730 lat).

17. Co to jest promieniowanie kosmiczne wtórne?

Składa się z cząstek elementarnych i fotonów promieniowania γ. Cząstki te mogą dalej oddziaływać z innymi cząstkami.

18. Jak powstaje wtórne promieniowanie kosmiczne?

Wchodząc w atmosferę ziemską cząstki promieniowania pierwotnego zderzają się z jądrami tlenu i azotu, wywołują zjawiska wtórne, prowadzące do powstania wtórnego promieniowania kosmicznego.

19. Pierwiastki promieniotwórcze w środowisku naturalnym.

W skorupie ziemskiej jest 27 pierwiastków promieniotwórczych. W trzech naturalnych szeregach promieniotwórczych obecnych środku ziemi jest - radon. Są nimi pierwiastki, w których zachodzi nieustanny rozpad jąder atomowych.

22. Opisz znane ci metody detekcji promieniowania jądrowego.

Ze względu na szybkość uzyskiwanych informacji rozróżnia się:

Detektory pasywne, zbierające informacje o przejściu wielu cząstek (wymagają dodatkowej obróbki)

Detektory aktywne, w których informacja o przejściu cząstki pojawia się w postaci impulsu elektrycznego natychmiast.

Detektory luminescencyjne (promieniowanie pochłonięte w substancji czynnej powoduje przeniesienie elektronów w cząsteczkach do stanu metatrwałego; pod wpływem pewnych czynników, np. ogrzania, elektrony powracają do stanu podstawowego emitując światło o natężeniu proporcjonalnym do pochłoniętej dawki promieniowania)

Detektory chemiczne (zmiany w składzie chemicznym substancji pod wpływem promieniowania); detektory pasywne są stosowane do pomiaru silnego promieniowania i w trudno dostępnych miejscach (wnętrze reaktorów jądrowych, przestrzeń kosmiczną.)

Detektory gazowe, zbudowane ze zbiornika ze specjalnym gazem i elektrod, do których jest podłączone wysokie — różne w różnych detektorach — napięcie; wytworzone pole elektryczne powoduje dryf elektronów, a w konsekwencji powstanie impulsu elektryczny.

Fizyka jądrowa (zadania)

1. Oblicz promienie jąder ²⁷Al i ⁶⁴Zn (R_o = 1,4 * 10^-5 m)

²⁷Al ⁶⁴Zn R_o = 1,4 * 10^-5 m

R _Al= 1,2* 10^-15*3 = 3,6 10^-15m

R _Zn= 4,8*10^-15m

2. Znaleźć stałą rozpadu, jeśli okres połowicznego zaniku wynosi 1550 lat.

T_1/2 =1550

3. Aktywność preparatu fosforu promieniotwórczego ³²P w określonym dniu wynosi 185 kBq. Określić aktywność tego preparatu po tygodniu, jeśli okres połowiczny rozpadu T=14,3 dni

A=185kBq=185*10³ ;
;

N=N_oe^{-λ t}

t=7*3600=604800s a = λN_oe^{-λ t}

λt=33929*10^-7≈0,4

4.W organizmie człowieka znajduje się przeciętnie około 6*10^-9g promieniotwórczego radu ₈₈²²⁶Ra. Oblicz jego aktywność (okres połowicznego zaniku T=1660 lat)

N_A-stała Awagarda = 6,02*10²³

m- masa preparatu

T- okres połowicznego zaniku

M- masa danej substancji

T_1/2=1622*365*24*3600=51151392*10³

5. Defekt masy pewnego układu wynosi 5*10^-29kg. Oblicz energię wiązania tego układu w dżulach.

Δm=5*10^-29 E=Δm*c² c=3*10⁸ m/s

6. W źródle promieniowania zachodzi w 1s 12400 przemian jądrowych. Oblicz jego aktywność.

7. Pewne jądro wysyła kwant promieniowania γ o energii E=8,6 MeV. Obliczyć długość fali tego kwantu. Wyrazić tę masę w kilogramach.

E-mc² λ=13,76*10^-19 J E=hν

E=hv h=6,63*10^-34J*s

8. Wiedząc że okres połowiczny zaniku pewnego pierwiastka T=20 dni oblicz

1. po jakim czasie rozpadnie się ¾ początkowych liczb atomów

2. po jakim czasie pozostanie 1/8 początkowych liczb atomów?

3. 
   Ile wynosi stałą rozpadu?

a)
˝ x=15/*2

x=30 dni

b) N_o-to liczba począ.

N=No*e^{λ t}

No/8=80 dni

c)

9.Pozyton i elektron przyśpieszone w akcelatorze do prędkości 0,8 c zderzają się. Oblicz częstość i długość fali powstałego promieniowania.

10. Oblicz prędkość cząstki α, posiadającej energię 1eV (1,6x10^-19J)

E=1eV (1,6x10^-19J)

M=4,001509u=4,001509x1,67*10^-27kg≈6,68*10^-27kg

11. Radioaktywny izotop jodu ¹³¹J który jest używany w medycynie emituje promieniowanie γ o energii 0,364 Me V

1. wyraź tę energie w dżulach

2. jaka jest długość fali tego promieniowania

3. jaka jest jego częstość?

a) E=0,364 MeV=0,364*10^-6*1,6*10^-19J= 0,5824*10^-13J

E=5,824*10^-14J

b)

c)

12. Podczas wybuchu bomby atomowej wydziela się energia 9x10¹³J. Jakiemu ubytkowi masy odpowiada wydzielona energia?

E=9x10¹³J

E=Δm*c²

13. Oblicz skład jądra izotopu pierwiastka, który powstanie z uranu ²³⁸₉₂U po 4 rozpadach α i dwóch rozpadach β.

²³⁸₉₂U ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He Nα=4 A_o=238

Nβ=2 Z_o=92

²³⁴₉₀Th ²³⁰₈₈Ra + ⁴₂He A=A_o-4Nα

A=238-16=222

²³⁰₈₈Ra ²²⁶₈₆Rn + ⁴₂He Z=Z_o-2Nα+Nβ

Z=92-8+2=86

²²⁶₈₆Rn ²²²₈₄Po + ⁴₂He ²²²₈₆Rn czyli 86 protonów i 136 neutronów

²²²₈₄Po ²²²₈₅At + ^oe^-_β+

²²²₈₅At ²²²₈₆Rn + ^oe^-_β+

skład jądra 86 protonów, 136 neutronów

14.Prezy napromieniowaniu berylu (⁹₄Be) cząstkamiα zachodzi wychwyt cząstki α przez jądro berylu. Przy tym zachodzi wypromieniowanie neutronu (¹₀n). Jaka przemiana zachodzi w jądrze berylu?

⁹₄Be +⁴₂ α = ¹²₆ C+ ¹₀n

emisja β^{- 1}₁p ₁⁰n

15. Przy pochłanianiu neutronu przez jądro magnezu ²⁴₁₂Mg powstaje promieniotwórczy izotop sodu ²⁴₁₁Na. Jakie cząstki są wypromieniowane przy tej reakcji jądrowej?

²⁴₁₂Mg + ¹₀n ²⁴₁₁Na +¹₁p β⁺ -pozytony e

16. Pierwsza historycznie przemiana jądrowa została zrealizowana podczas bombardowania jądra azotu ¹⁴₇ N cząstki α. W wyniku tego procesu na kliszy uzyskano ślad torów izotopów tlenu i protonu ¹₁H. Napisać równanie tej przemiany.

¹⁴₇ N + ⁴₂ α ¹⁸₉F ¹⁷₈O + ¹₁p

17. Płytka berylowa ⁹₄ Be została napromieniowana cząsteczkami z preparatu polonu (Po), w skutek czego powstał izotop węgla ¹²₆C i neutron ¹₀n . Zapisać reakcje jądrową.

⁹₄ Be + ⁴₂He ¹³₆C ¹²₆C + ¹₀n

22

---