background image

1

Wstęp do fizyki kwantowej

Promieniowanie wysyłane przez ogrzane ciała nazywamy 

promieniowaniem termicznym. 

1) Promieniowanie (i absorpcja) ciała doskonale czarnego

KWANTOWA TEORIA ŚWIATŁA 

Modelowe ciało

doskonale czarne

charakteryzuje

si

ę

tym,

ż

e pochłania całkowicie padaj

ą

ce na

ń

promieniowanie i posiada maksymaln

ą

zdolno

ść

emisyjn

ą

promieniowania.

Dla ciała tego wyst

ę

puje

stan równowagi

, tzn. ciało

w jednostce czasu pochłania tyle energii, ile
wypromieniowuje

Model ciała doskonale czarnego 

lawa

sło

ń

ce

rozgrzane żelazo

kaloryfer

żarówka

background image

2

1) Całkowita zdolno

ść

 emisyjna zmienia si

ę

 wraz z temperatur

ą

 według 

prawa Stefana-

Boltzmanna.

4

T

R

σ

=

σ

jest uniwersalną stałą (stała Stefana-Boltzmanna) równą 5.67·10

-8

W/(m

2

K

4

).

fakty do

ś

wiadczalne:

2) Widmowa zdolno

ść

emisyjna zale

ż

y tylko od temperatury i jest całkiem niezale

ż

ne od

materiału oraz kształtu i wielko

ś

ci ciała doskonale czarnego.

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

T = 3000 K

T = 4000 K

T = 5000 K

T = 6000 K

obszar widzialny

R

λ

λ

 (

µ

m)

widmo ciała doskonale 
czarnego 

K

m

T

=

3

max

10

898

.

2

λ

3) Długo

ść

 fali dla której przypada maksimum 

emisji jest zgodnie z 

prawem Wiena

odwrotnie proporcjonalna do temperatury 
ciała.

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

T = 3000 K

T = 4000 K

T = 5000 K

T = 6000 K

obszar widzialny

klasyczna teoria

katastrofa w nadfiolecie

R

λ

λ

 (

µ

m)

Rayleigh i Jeans

klasyczne obliczenia 

energii promieniowania we wn

ę

ce (teoria 

pola elektromagnetycznego, fale stoj

ą

ce) 

widmowa zdolno

ść

 emisyjna 

katastrofa 

w nadfiolecie. 

Teoria promieniowania we wn

ę

ce, prawo Plancka (1900 rok, Nagroda 

Nobla 1918) 

Podstawowa ró

ż

nica mi

ę

dzy zdolno

ś

ci

ą

 emisyjn

ą

 wyliczon

ą

 z powy

ż

szych teorii:

Stoj

ą

ce fale 

elektromagnetyczne 
według Rayleigha i 
Jeansa mog

ą

 mie

ć

 

dowolne energie 

4

0

λ

λ

T

c

R

=

Fizyka 

klasyczna

1

1

2

5

1

=

T

c

e

c

R

λ

λ

λ

Oscylatory (oraz fale stoj

ą

ce) 

według Plancka, nie mog

ą

 

mie

ć

 dowolnej energii, ale 

tylko 

ś

ci

ś

le okre

ś

lone warto

ś

ci 

dane wzorem E= nh

ν

(n=1,2,.....)

Fizyka 

kwantowa

Planck 

nowa teoria promieniowania ciała 

doskonale czarnego: Ka

ż

dy atom zachowuje si

ę

 

jak oscylator elektromagnetyczny posiadaj

ą

cy 

charakterystyczn

ą

 cz

ę

stotliwo

ść

  

ν

drga

ń

 i 

energi

ę

  

E= nh

νννν

(n=1,2,.....). Drgaj

ą

ce atomy 

wytwarzaj

ą

 stoj

ą

ce fale elektromagnetyczne. 

background image

3

ν

h

n

E

=

ν

częstość drgań oscylatora, jest stałą (zwaną obecnie stałą Plancka)

= 6.63·10

-34

Js = 4,136 ·10

-15 

eV·s (1eV=1.6·10

-19

J)

n

pewną liczbę całkowitą (zwaną obecnie 

liczbą kwantową

)

Oscylatory nie wypromieniowuj

ą

 energii w sposób ci

ą

gły, lecz porcjami czyli kwantami,

gdy oscylator przechodzi ze stanu (kwantowego ) o danej energii do drugiego o innej, 
mniejszej energii.

ν

h

E

=

zmiana liczby kwantowej o jedno

ść

 

Energia oscylatora mo

ż

e przyjmowa

ć

 tylko 

ś

ci

ś

le okre

ś

lone warto

ś

ci, jest skwantowana;

Dopóki oscylator pozostaje w jednym ze swoich stanów kwantowych dopóty ani nie emituje ani 
nie absorbuje energii. Mówimy, 

ż

e znajduje si

ę

 w 

stanie stacjonarny

.

Zastosowanie prawa promieniowania

Pomiar tempetatury:

porównanie promieniowania jasno

ś

ci (i barwy) włókna lampy z 

promieniuj

ą

cym ciałem

University of California 
Berkeley, CA, USA

"for their discovery 
of the blackbody form and 
anisotropy of the cosmic 
microwave background 
radiation"

John C. Mather

George F. Smoot

NASA 
Goddard Space Flight Center 
Greenbelt, MD, USA

The Nobel Prize in Physics 2006

K

T

7

.

2

=

λ

max

=

1,1 mm

background image

4

Zjawisko fotoelektryczne zewn

ę

trzne polega na wyrzucaniu elektronów 

(zwanych fotoelektronami) z powierzchni ciała stałego pod wpływem 
padaj

ą

cego promieniowania.

2) Zjawisko fotoelektryczne zewn

ę

trzne 

Dwie krzywe dla tej 
samej cz

ę

stotliwo

ś

ci 

i ró

ż

nych nat

ęż

e

ń

 

padaj

ą

cego 

ś

wiatła.

h

eU

E

=

kmax

Einstein:

energia wi

ą

zki 

ś

wietlnej rozchodzi si

ę

 w przestrzeni w 

postaci sko

ń

czonych porcji (kwantów) energii zwanych fotonami 

hv

E

=

energia fotonu:

Einstein:

Kwanty 

ś

wiatła rozchodz

ą

 si

ę

 w przestrzeni jak cz

ą

stki materii. 

Gdy foton zderzy si

ę

 z elektronem w metalu to mo

ż

e zosta

ć

 przez elektron 

pochłoni

ę

ty. Wówczas energia fotonu zostanie przekazana elektronowi. 

Kwantowa teoria Einsteina zjawiska fotoelektrycznego ( Nagroda 
Nobla 1921)

kmax

E

W

hv

+

=

h

eU

E

=

kmax

e

W

v

e

h

U

h

=

Je

ż

eli do wyrwania elektronu z metalu potrzebna jest energia 

W

to wówczas:

kmax

E

W

hv

+

=

Praca wyj

ś

cia 

W

to energia potrzebna do wyrwania elektronu z metalu - jest ona charakterystyczna dla 

danego metalu. 

np. Cez  W = h

ν

0

= 2.14 eV (

λ

0

~ 0. 581 

µ

m => 

ν

0

=c/

λ

~ 5.16*10

14 

Hz)

Z regresji liniowej mo

ż

na wyznaczy

ć

:

α

tg

e

h

=

0

hv

W

=

oraz

Zjawisko fotoelektryczne zachodzi 
dla promieniowania ultrafioletowego i widzialnego

Teoria Einsteina: wyja

ś

nienie osobliwych wła

ś

ciwo

ś

ci zjawiska fotoelektrycznego:

1.

Dla cz

ę

stotliwo

ś

ci 

ν

ν

0

niezale

ż

nie od nat

ęż

enia 

ś

wiatła fotony nie maj

ą

 dosy

ć

 energii do 

wywołania fotoemisji. 

2.

Wi

ę

ksze nat

ęż

enie 

ś

wiatła 

wi

ę

cej fotonów (wi

ę

kszy fotopr

ą

d), ale  nie zmieniona energia 

E

kmax

,

nie zale

ż

y od nat

ęż

enia 

ś

wiatła ale od cz

ę

stotliwo

ś

ci 

ν 

i pracy wyj

ś

cia W. 

3.

Energia jest dostarczana w postaci skupionej (kwant, porcja) a nie rozło

ż

onej (fala); 

elektron pochłania 

natychmiast 

cały kwant 

brak opó

ź

nienia czasowego emisji elektronu.

background image

5

Wi

ą

zka promieni X

strumie

ń

 fotonów o energii 

h

ν

.

Fotony (

jak cz

ą

stki

) zderzaj

ą

 si

ę

 z elektronami 

swobodnymi w bloku grafitu. 

Efekt Comptona (1922, 
Nagroda Nobla 1927)

Arthur Holly Compton

(1892 – 1962)

/

/

/

f

f

f

E

h

hc

p

E

c

h

ν

λ

λ

=

=

=

=

Z zasady zachowania p

ę

du i energii wynika przesuni

ę

cie Comptona

λ

.

0

0

(1 cos )

e

e

h

m c

m

masa spoczynkowa elektronu

λ λ λ

ϕ

∆ = − =

Promieniowanie rentgenowskie  
lub  

γ   

keV-MeV

2

2

2

2

4

0

0(

)

(

) :

:

0

fotonu

dla fotonu TW

E

p c

m c

gdzie m

=

=

Teoria promieniowanie ciała doskonale czarnego,zjawisko fotoelektryczne, efekt 
Comptona 

teoria fotonowa

Zjawiska dyfrakcji, interferencji, polaryzacji 

teoria falowa. 

Natura 

ś

wiatła jest zło

ż

ona (dualizm korpuskularno-falowy) : 

w pewnych warunkach zachowuje si

ę

 jak fala, w innych jak cz

ą

stka, 

czyli foton. 

WNIOSKI WYNIKAJ

Ą

CE Z OMAWIANYCH ZJAWISK: 

background image

6

Model Thomsona:

ujemnie naładowane elektrony s

ą

 równomiernie rozło

ż

one wewn

ą

trz 

obszaru wypełnionego w sposób ci

ą

gły ładunkiem dodatnim. Ładunek dodatni tworzył kul

ę

 o 

promieniu rz

ę

du 10

-10

m. 

Model Rutherforda:

ładunek dodatni nie jest rozło

ż

ony równomiernie wewn

ą

trz atomu, ale 

skupiony w małym obszarze zwanym j

ą

drem (o rozmiarze 10

-15

- 10

-14

m) le

żą

cym 

ś

rodku atomu.

Do

ś

wiadczenie

:  

rozpraszania cz

ą

stek alfa 

na atomach złota 

MODEL BOHRA ATOMU WODORU 

Model atomu 

Zgodnie z modelem j

ą

drowym Rutherforda:

Masa jądra jest w przybliżeniu równej masie całego atomu,

Ładunek jądra jest równy iloczynowi liczby atomowej i ładunku
elektronu e,

Wokół jądra znajduje się elektronów, tak że cały atom jest
obojętny. Elektrony krążą po orbitach.

1) Problem

Zgodnie elektrodynamik

ą

 klasyczn

ą

 ka

ż

de 

naładowane ciało poruszaj

ą

ce si

ę

 ruchem przyspieszonym 

wysyła promieniowanie elektromagnetyczne 

elektron 

kr

ążą

cy po orbicie traci energi

ę

 mechaniczn

ą

 

„spada” na 

j

ą

dro 

Problemy z planetarnym modelem atomu atomu

2) Przełomowe do

ś

wiadczenie

pomiar

promieniowania emitowanego

przez gazy 

pobudzone do 

ś

wiecenia metod

ą

 wyładowania elektrycznego. 

widmo ciągłe

(np. ciała ogrzane do 

wysokich temperatur ,) 

emisyjne widmo
liniowe

atomu wodoru 

absorpcyjne widmo
liniowe

atomu wodoru 

Pojedyncze atomy (cz

ą

steczki) emituj

ą

 i 

absorbuj

ą

 promieniowanie

o

ś

ci

ś

le 

okre

ś

lonych długo

ś

ciach fal

.

background image

7

Drugie przełomowe do

ś

wiadczenie

DO

Ś

WIADCZENIE FRANCKA-HERTZA  (1914) 

Atomy rt

ę

ci absorbuj

ą

 

ś

ci

ś

le okre

ś

lone porcje 

energii elektronów podczas 

zderze

ń

 niespr

ęż

ystych.

Kwantowy model Bohra atomu wodoru 

Emisja fotonu przy zmianie orbity elektronu 

h

E

E

v

j

k

=

h

ν

jest energi

ą

 fotonu, który zostaje w trakcie 

przej

ś

cia wypromieniowany przez atom. 

j

k

E

E

h

=

ν

Kwantowe postulaty Bohra: 
1.   Elektron mo

ż

e porusza

ć

 si

ę

 tylko po pewnych 

dozwolonych orbitach

.

2.   Atom wodoru mo

ż

e znajdowa

ć

 si

ę

 tylko 

ś

ci

ś

le 

okre

ś

lonych stacjonarnych 

stanach energetycznych

(całkowita energia pozostaje stała). Elektron 

mimo,

ż

e doznaje przyspieszenia do

ś

rodkowego nie wypromieniowuje 

energii.

3.   Promieniowanie elektromagnetyczne zostaje wysłane tylko wtedy gdy 

elektron poruszaj

ą

cy si

ę

 po orbicie o całkowitej energii E

k

zmienia swój ruch 

skokowo

, tak 

ż

e porusza si

ę

 nast

ę

pnie po orbicie o ni

ż

szej energii E

j

.

background image

8

r

e

E

0

2

p

4

πε

=

r

e

m

E

0

2

2

8

2

1

πε

=

=

v

k

Hipoteza Bohra dotycz

ą

ca kwantyzacji parametrów orbity 

moment p

ę

du elektronu 

musi by

ć

 całkowit

ą

 wielokrotno

ś

ci

ą

 stałej Plancka podzielonej przez 2

π

(elektron mo

ż

porusza

ć

 si

ę

 tylko po takich orbitach).

r

m

r

e

2

2

2

0

v

4

1

=

πε

,.....

2

,

1

,

2

v

=

=

=

n

h

n

r

m

L

π

energia 
całkowita < 0

r

e

E

E

E

p

k

0

2

8

πε

=

+

=

Elektron porusza si

ę

 po orbitach kołowych o promieniu 

pod wpływem siły Coulomba.

mr

e

0

2

4

v

πε

=

mr

h

n

π

2

v

=

1

2

2

0

2

2

r

n

me

h

n

r

n

=

=

π

ε

,....

2

,

1

=

n

= 1 tzw. stan podstawowy, E

1

= −13.6 eV; n

 = 0, elektron usuni

ę

ty poza atom 

kwantowanie orbitalnego momentu p

ę

du elektronu 

kwantowanie energii całkowitej

(warto

ś

ci 

r, E

k

, E

p

, E, L

s

ą

 równie

ż

 skwantowane).

2

1

2

2

2

0

4

1

8

n

E

n

h

me

E

n

=

=

ε

,....

2

,

1

=

n

E

1

= −13.6 eV

wartości energii dozwolonych stanów stacjonarnych

Stany energetyczne i widmo atomowe wodoru

,.....

2

,

1

8

2

1

2

2

2

0

4

=

=

=

n

n

E

n

h

me

E

n

ε





=





=

=

=

2

2

2

2

1

1

1

 

*

[eV]

 

13.6

1

1

k

j

j

k

E

E

E

c

h

h

j

k

λ

ν

Kwantowy model Bohra budowy atomu 
pozwala zrozumie

ć

 własno

ś

ci widm 

emisyjnych i absorpcyjnych  atomu wodoru i 
jonów jednoelektronowych.

Model Bohra nie wyja

ś

nia dlaczego poj

ęć

 mechaniki klasycznej nie mo

ż

na 

stosowa

ć

 w 

ś

wiecie atomów (cz

ą

stek elementarnych). 

Przej

ś

cia pomi

ę

dzy stanami stacjonarnymi 

i odpowiadaj

ą

ce im linie widmowe tworz

ą

 

serie widmowe.

91-122 nm

nadfiolet

365-656 nm

nadfiolet
i światło 

widzialne

820-1875 nm

podczerwień

4

7

1

2

3

0

1.1*10

8

me

R

m

h c

ε

=

=

stała Rydberga

2

2

1

1

1

 

R

j

k

λ

=