background image

 

POLE MAGNETYCZNE 

 

to pole w którym na poruszający ładunek magnetyczny działa siła. 

 

jedna z postaci , w jakiej przejawia się pole elektromagnetyczne . Działające 
tylko  na  poruszające  się  ciała  obdarzone  ładunkiem  elektrycznym  oraz  na 
ciała mające moment magnetyczny ,niezależnie od ich stanu ruchu. 

        

        

   

 

     F=q(V

×β

)

 

 
                                 
                                                            

F=qVBsin

α

 

                                                                        

      

 

                   F          

β

                           

V

B

 

α

 

                                     F

max

=qVB

 

 V                     

                                               B=F

max

/qV       [T]=[Ns/Cm]                                   

 
 
 
 
PRAWO AMPERA - prawo przedstawiające zależność wartości całki okrężnej 
wektora  natężenia  pola  magnetycznego  od  wartości  natężeń  stałych  prądów 
elektrycznych płynących przez powierzchnię objętą całką.

 

                                                                                                                                                                                                                                        

                  I                                  LINIE SIŁ POLA -możemy wyznaczyć                                                             
                                                     metodą korkociągu lub regułą prawej dłoni. 
 

                     

                       

B

  

                        

dl 

 
 
          ∫∫∫∫Bdl=

µµµµ

o

 

dl - wektor elementarny długości 
B - wektor indukcji styczny do lini pola 
 
B∫U= 

B2

Π

R=

µ

o

background image

 

                            B=

µµµµ

o

I/2

Π

Π

Π

Π

µ

o - przenikalność magnetyczna próżni = 4

Π•

10

-7

 [Tm/A] 

 
     Wykład nr 2   - 27 lutego początek godzina 8

15

  wykładowca dr Janicki   

 
PRAWO  BIOTA  -  SAWARTA  -  
prawo  określające  wielkość  i  kierunek 
wektora  indukcji  magnetycznej  w  dowolnym  punkcie  pola  magnetycznego 
wytwarzanego  przez  prąd  elektryczny  ,  pozwalające  znaleźć  rozkład  pola 
magnetycznego wytworzonego przez dowolny układ przewodników z prądem. 
 
dB=UoI(dl

×

r)/4

Π

r

 

dB 
     
 
 
 
dB=

µ

o

I/4

Π

r

2

  

         2

Π

r     2

Π

r                                                        2

Π

r                                 2

Π

r

 

B= ∫dB=∫

µ

o

I/4

Π

r

  dl =

µ

o

I/4

Π

r

2

∫dl=

µ

o

I/4

Π

r

2

 [ l ] =

µ

o

I

2

Π

r/4

Π

r

2

  = 

µ

o

I/2r 

         0          0                                                         0                                        0 

H=I/2r   [A/m.]  natężenie pola magnetycznego 

                                                                

                 

 

                               B=

µµµµ

o

••••

H  

 

               

 

B=

µ

r

µ

o

µ

r

<

1   ;   

µ

r

>

1   ;   

µ

r

>>

Wartość 

µ

r   

uzależniona jest od zewnętrznego pola magnetycznego albo od pola 

indukcji. 
DIAMAGNETYKI-gazy szlachetne , a także cynk,błoto,rtęć,krzem 
PARAMAGNETYKI-metale w wysokich temperaturach ,tlenki kobaltu , sole                                                  
                                 żelaza . 
FERROMAGNETYKI-rudy żelaza. 
 
 
 
         POLE MAGNETYCZNE A PRZEWODNIK PRZEZ , KTÓRY  

         

   

                              BIEGNIE PRĄD. 

F=q(V

×

B) 

 
PR
ĄD-to uporządkowany przepływ ładunków elektrycznych w jednostce czasu.                                                    

background image

 

 
NAT
ĘŻENIE  PRĄDU  ELEKTRYCZNEGO-wielkość  skalarna  równa 
ładunkowi  elektrycznemu  przepływającemu  przez  poprzeczny  przekrój 
przewodnika. 

                                          

I=dQ/dt 

 
Na  przewodnik  z  prądem  znajdujący  się  w  polu  magnetycznym  działa  siła 
elektrodynamiczna wyrażona wzorem : 

       

  

                 

         

  

 

F=I(l

×

B)   ;   dF=I(dl

×

B) 

F jest równoległa do natężenia pola magnetycznego. 
 
REGUŁA  LEWEJ  DŁONI-linie  sił  wchodzą  do  wewnętrznej  strony  dłoni  , 
palce pokazują kierunek prądu. 
 
 
   
                          I 
                                                       F=IlB sin ( l , B ) 
                                                       F=BIlsin

α

 

        F                                            

 F=B I l 

 
                                                        l - długość przewodnika 
                                                        B-indukcja natężenia prądu 
                                                        I -natężenie 
POLE  MAGNETYCZNE  -  to  przestrzeń  w  której  na  ładunki  działa  siła 
magnetyczna. 
                       
                     I 
 
                                I

 
 
 
 
Tworzymy  układ  złożony  z  miernika  i  solenoidu.Do  solenoidu  będziemy 
wsuwali  magnez.Gdy  będziemy  poruszali  magnez  ,  miernik  będzie  się 
wychylał.Prąd  płynie  wtedy  gdy  będzie  się  zmieniała  ilość  linii  sił  ,  które 
przenikają przez ten zwój. 
STRUMIEŃ  MAGNETYCZNY-to  iloczyn  skalarny  indukcji  magnetycznej  i 
wektora powierzchni. 

background image

 

Jeśli  pole  jest  jednorodne  tzn.  Że  przez  powierzchnię  S  przepływa  taka  sama 
ilość linii sił ,wartość jest stała. 
                                                                                                                                                                   
 
                                                            

Φ

=BS 

                                                                 

                     n                                     

Φ

Φ

Φ

Φ

=BScos (B,n)    [Wb]=[Tm

2

] 

                                                                 
 
S  
 
Wektory indukcji są prostopadłe do powierzchni. 
Jeśli pole nie jest jednorodne: 

             

     

 

d

Φ

=B dS

    

                                                                          

       

 

                              

Φ

Φ

Φ

Φ

=∫∫∫∫B dS 

 
W polu magnetycznym jednorodnym linie sił są równoległe do siebie a indukcja 
ma stałą wartość.                                                                                                                                                 
                                     dx 
 
 
 
                      F 
 
                                 F

                             A 

                                      
 
 
 
Przeciwko sile elektrodynamicznej F przeciwstawia się siłę zewnętrzną Fz . 

                  

          

            

      

 

          F

z

= -F = -I( l 

×

 B )                            

 
Siła zewnętrzna wykonuje pracę przy przesunięciu tego przewodnika o dx . 
dW=F

z

 dx = -Fdx  

dW= -I B l dx 
ds= l dx 
dW= -I B ds 

                              dW= -I d

Φ

Φ

Φ

Φ

      

background image

 

                    

Elementarny strumień magnetyczny. 

dW= -E

 

I dt 

E I dt = -I d

Φ

 

                              E= -d

Φ

Φ

Φ

Φ

/dt 

                          Siła elektromotoryczna indukcji . 
 
d

Φ

/dt  - szybkość zmian strumienia magnetycznego 

 
PRAWO  INDUKCJI  FARADAYA
  (elektromotorycznej)  -  indukowana  siła 
elektromotoryczna  jest  proporcjonalna  do  szybkości  zmian  strumienia 
magnetycznego. 
REGUŁA  PRZEKORY  LENCA  - kierunek prądu indukowanego jest zawsze 
taki  że  pole  magnetyczne  przezeń  wytworzone  przeciwstawia  się  zmianie 
strumienia magnetycznego zewnętrznego. 
                                 B

L

 

 

Φ

 

 E

in 

 I 

 B

in

 

 
     
 Wykład 3   - 5 marca  wykładowca dr Janicki  
 
Wyindukowane pole magnetyczne przeciwdziała zmianom , które go wywołują. 
 
                             N 
 
                                               N     S 
           I 
 
 
 
                              S 
 
           I                                  N      S 

                                                                                                                                
 
                      

 

                               s                                    E

ind

 = d

Φ

/dt = d(Bs)/dt

 

                                                                     S = ls        
                                        V                          E

ind

 = Bl ds/dt = B l V 

                   

l                                             

E

ind

 = B l V sin 

αααα

 

 
 
 

background image

 

 
STRUMIE
Ń SKOJARZONY - jest wprost proporcjonalny do przepływającego 
w czasie prądu. 
 
N

Φ

 = LI 

L=N

Φ

Φ

Φ

Φ

/I  

[ H ] [henr]       Indukcyjność 

 

N dQ/dt = - L dI/dt 

                                        

E

sin

 = - L dI/dt       

 
                          Siła elektromotoryczna samoindukcji 

 

zależy od szybkości zmian natężenia prądu w cewki

 

                               L = 

µµµµ

o

 N

2

 S/l 

                        

Indukcyjność cewki (solenoidu)

 

                                  L = 

µµµµ

r

 

µµµµ

o

 N

2

 S / l 

                        Indukcyjność cewki z ferromagnetykiem

 

l - długość solenoidu 

 
 
 
  

   U 

                                           

dW = U dq 

       +                                                    W = CU

2

/2 

      -                                            

U = L dI / dt

 

                                 L                          dW = (L dI / dt) dq 
                                                             dW = L dI  dq/dt

 

                                   

                   dW = (L I) dI

 

                                                              
                                                             dW = ∫ (L I) dI = L ∫ I dI = L I

o

2

/2  

                               dW = L I

o

2

/2 

                                

W = L I

o

2

/2 

 
                                     Praca                      
                                E

m

 = W              

                                

E

m

 = L I

2

/2   

 

 
                      Energia pola magnetycznego 
 
 

 

                                                   Eind =d

Φ

/dt

                    

background image

 

                                          

Φ

 = B S 

                                                  

Φ

 = B S cos (B,S)

 

                                                  

Φ

 = B S cos 

ω

                                                  Eind = -B S (-sin 

ω

t)

ω

   

                                                  Eind = B S 

ω

(sin 

ω

t)

 

                                                  Eind = Em sin 

ω

t

  

 

ω

 

 
 
 
 
 
 
 
 

Prąd zmienia się w sposób sinusoidalny. 

   I = Im sin 

ω

ω

ω

ω

  U = Um sin 

ω

ω

ω

ω

 

 
Dla kondensatora
 
 
                   C                                   U = Um sin 

ω

                                                         U = q/C 
                                                         dU/dt = (1/C) dq/dt                  I = dq/dt 
                                                         Um(cos 

ω

t) = I/C 

                                                         I = 

ω

CUm (cos 

ω

t)                 Xc = 1/

ω

                      

                                 Um/Xc = Im 

                                                       
                                                         I = Im(sin 

ω

ω

ω

ω

t + 90

o

                                  I 
 
         Uc  
 
 
 
 
 
Dla cewki
 

background image

 

                                                            
         UL.

                                                                       

U = - Eind = L dI/dt 

    

 

                                                         Um sin 

ω

t = L dI/dt 

                                                         1/2 Um sin 

ω

t = dI  

                                    I                    I = ∫ 1/L Um sin 

ω

t dt 

                                                         I = (1/L

ω

)  (-cos 

ω

t)Um 

                                                         I = (-Um/

ω

L)cos 

ω

t  

                                                         I = (Um/

ω

L)sin(

ω

t-90

0

                                                         X

L

 = 

ω

                                       

I = Im sin (

ω

ω

ω

ω

t-90

o

)

       

 
 
 
 
 
                         L                                     U

L

  


   

                                                                          U

R

 

_                                                                          

γ

 

                          C                                                  
                                                                                    U 
                                                                U

C           

U

L

 

                          R 
 
 
 
U

=(U

C

 - U

L

.)

2

 +U

R

U = I Z 
U

R

 = I R 

U

C

 = I X

C

 

U

L

 = I X

L

 

                        Z = 

√√√√

(X

C

 - X

L

)2 + R

2

 

 
RÓWNANIA MAXWELLA 

             

    

 

1.  

s

∫ E ds = 1/

ε

 ∑Q                                       Prawo Gaussa dla elektryczności 

       

  

   

 

2.  

L

∫ E dl = 0                                                Prawo indukcji Faradaya 

              

    

 

3.  

s

∫ B ds = 0                                                Prawo Gaussa dla magnetyzmu    

               

   

 

background image

 

4. 

 

L

∫ B dl = 

µ

o

I                                              Prawo Ampere’a 

 
W równaniu (1) zamiast ∑Q można zapisać ∫ 

ρ

 dV 

                 

   

 

1’.  

s

∫ E ds = 1/

ε

o ∫ 

ρ

 dV 

 
2’. 
                        I 
                                                                      E

ind

 = -d

Φ

/dt 

                                                                        

    

 

                                                                      ∫ E dl = -dQ/dt 
                           L                                            

              

     

      

                                                                       

Φ

 = 

s

∫ B dS 

                                                                         

   

                          

    

 

                                                                       ∫ E dl = -d/dt 

s

∫ B dS 

                                     

   

               

             

 

                                 

L

∫∫∫∫ E dl = -∫∫∫∫ (

δδδδ

B/

δδδδ

t) ds    

L

∫ - kontur zamknięty                                                                         

Zmienne pole magnetyczne wywołuje pole elektryczne. 

                  

     

 

3’.   

s

∫ B dS = 0 

                  

     

                                              

             

 

4’.   

L

∫ B dl = 

µ

o

 I + 

µ

o

 

ε

o ∫ (

δ

E/

δ

t) dS  

 
Zmienne pole elektryczne wywołuje pole magnetyczne. 
   Zmiana  w  czasie  wektora  pola  elektrycznego  E  spowoduje  powstanie  wiru 
pola  magnetycznego    lecz      powstanie    wiru      pola    magnetycznego    stanowi  
zmianę  w    czasie    tego    wektora    więc  zmiana    wektora    B    spowoduje  
powstanie  wiru wektora E. 
 
 
 
 
  E                                                          Zmienny w czasie strumień elektryczny 
                                                                             

 

                                B                                          E = dE/dt 
 
 
                                E 
  B 
 

background image

 

10 

 
 
Wykład 5   -19 marca  wykładowca dr Janicki 
 
FALA ELEKTROMAGNETYCZNA 
 
       C = 

λλλλνννν

   prędkość rozchodzenia się wszystkich fal elektromagnetycznych 

λ

 - długość fali 

ν

 - częstość 

 
 
                E 
 
                                                                    x 
 
         B 
 
 
 
                E 

 

                                                                    x 
 

            

B

 

 
WEKTOR POYNTINGA - sens fizyczny : moduł jest liczbowo równy energii 
przenoszonej  przez  falę elektromagnetyczną w jednostce czasu przez jednostkę 
powierzchni prostopadłej  do kierunku rozchodzenia się fali. 

                              

       

       

 

                  S = E 

××××

 H 

 

                      

 

B = 

µ

o

 

µ

r

 H 

MODUŁ  WEKTORA  POYNTINGA-  jest  równy  liczbowo  energii 
przenoszonej  przez  fale  energii  w  jednostce  czasu  do  jednostki  powierzchni 
prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. 
 
Średnie natężenie fali                   S

sr 

= E

o

H

o

/2 

 
FALE ELEKTROMAGNETYCZNE : 
- promieniowanie kosmiczne 
- promieniowanie 

γ

 

- promieniowanie rendgenowskie 

background image

 

11 

- ultrafiolet 
- energia fotonów 
- światło widzialne 
- podczerwień 
- mikrofale 
- fale radiowe 
 
Wykład 6     26 marzec 1996  wykładowca dr Janicki. 
Siatka dyfrakcyjna: 
 
              d 
             
                
                               

λ

 

 
 
                                  

  

d -stała siatki dyfrakcyjnej (odległość między szczelinami) 

 - różnica dróg optycznych 

ŚWIATŁO MONOCHROMATYCZNE -światło o wyznaczonej długości fali. 
DYFRAKCJA  -  ugięcie  światła  ,  najogólniej  mówiąc    jeśli  na  drodze  wiązki 
świetlnej  znajduje  się  przeszkoda  ,  to  dyfrakcja  przejawia  się  uginaniem  się 
światła przy przejściu obok krawędzi przeszkody. 
W wyniku dyfrakcji : 

/d = sin 

α

 

 = n

λ

                    n

λλλλ

 = d sin 

αααα

     

                        

równanie siatki dyfrakcyjnej 

λ

f

 = d sin 

α

f

 

λ

c

 = d sin 

α

c

 

λ

>

 

λ

f

 

d sin 

α

c

 

>

 d sin 

α

                                      

Kąty ugięcia promieni czerwonych są 

                                                 bardziej ugięte niż promieni fioletowych. 
 
Znając kąt 

α

 można określić długość fali.

 

Światło jest falą elektromagnetyczną. 
Przykładem interferencji światła monochromatycznego są Pierścienie Newtona. 
Przyrządem 

do 

badania 

interferencji 

fali 

jest 

INTERFEROMETR 

MAICKELSONA. 
 
Hologram  to  przykład  interferencji  fal  ,  poprzez  padanie  dwóch  promieni 
świetlnych powstaje obraz trójwymiarowy. 
 

background image

 

12 

PROMIENIOWANIE  TERMICZNE  CIAŁ-  to  emitowanie  energii  przez 
ciała  w  postaci  fal  elektromagnetycznych  ,  ma  długości  większe  niż  światło 
widzialne , leży w zakresie podczerwieni. 
 
ZDOLNO
ŚĆ  EMISYJNA  -  to  energia  promieniowania  wysyłanego  w 
jednostce  czasu  z  jednostki  powierzchni  pozostającej  w  temperaturze  T  ,  w 
postaci  fal  elektromagnetycznych  o  częstościach  zawartych  w  przedziale  (

ν

  , 

ν

+d

ν

). 

                                          

e( 

νννν

, T ) d

νννν

 

ν

 - częstotliwość 

e - zdolność emisyjna 
 
ZDOLNOŚĆ 

ABSORPCYJNA- 

określa 

jaka 

część 

energii 

fali 

elektromagnetycznej  o  częstościach  zawartych  w  przedziale    (

ν

  , 

ν

+d

ν

padających na jednostkę powierzchni ciała zostaje przez nie pochłonięta. 
 

                                          

a( 

νννν

 , T ) 

a - zdolność absorpcyjna

 

 
 
CIAŁO  DOSKONALE  CZARNE-    ciało  pochłaniające  całkowicie  padające 
nań promieniowanie świetlne , niezależnie od długości fali , stanowi doskonałe 
źródło  promieniowania  ,  tzn.  w  danej  temperaturze  promieniuje  największą 
możliwą  ilością  energii  ,  widmo  promieniowania  ciała  doskonale  czarnego  jest 
ciągłe , przy czym w miarą wzrostu temperatury ciała maksimum natężenia jego 
promieniowania przesuwa się w kierunku fal krótkich. 
 

                         

e( 

νννν

,T )/a( 

νννν

,T ) = 

εεεε

νννν

,T )

      

                   zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego 
Wykład 7  wykładowca dr Janicki 
PRAWO  PROMIENIOWANIA  KIRCHOFFA-  prawo  zrównoważonego 
promieniowania  temperaturowego  głoszące  ,  że  stosunek  zdolności  emisyjnej 
ciała  do  jego  zdolności  absorpcyjnej  nie  zależy  od  rodzaju  ciała  i  jest  równy 
zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego. 
 

                       

εεεε

νννν

,T ) = (2

Π

Π

Π

Πνννν

2

/C

2

) U( 

νννν

,T )

 

U-uśredniona w czasie energia  
U = kT 
 

                            

εεεε

νννν

,T ) = (2

Π

Π

Π

Πνννν

2

/C

2

) kT  

 

background image

 

13 

zdolność emisyjna jest funkcją kwadratową częstotliwości 
 
PRAWO  WIENA-  iloczyn  częstotliwości  maksymalnej  razy  pewna  stała  da 
nam temperaturę. 
 

                                  

νννν

max     

const. = T

 

 
PRAWO BOLTZMANA STEFANA - prawo wyrażające zależność całkowitej 
zdolności  emisyjnej  E  ciała  doskonale  czarnego  od  jego  temperatury 
bezwzględnej. 
 

                                E = 

σσσσ

 T

 

STAŁA BOLTZMANA                          

σσσσ

 = 5,6  10

-8

  W/m

2

K

4

 

 
Max Planck powiedział że energia może się zmieniać porcjami. 
PRAWO PLANCKA - prawo rozkładu energii w widmie promieniowania ciała 
doskonale czarnego 

                        
                       E

n

 = nh

νννν

                        E = n 

εεεε

                 

                                     energia najmniejszego kwantu 

U( 

ν

,T ) = 

ε

o

/ (e

ε

o/kT

 -1) 

E ( 

νννν

,T ) = (2

Π

Π

Π

Πνννν

2

/C

2

)(h

νννν

/e

h

νννν

/kT

 -1) 

                                               

 

                       E = ∫∫∫∫ 

εεεε

νννν

,T ) d

νννν

 

                                                            o 

STAŁA PLANCKA                        

 h = 6,62  10

-34

  J/s

 

 
Dla każdego metalu istnieje graniczna częstotliwość gdzie zaczyna się zjawisko 
fotoelektryczne. 
Energia elektronu zależy od częstotliwości światła. 
Ilość wybijanych elektronów ( prąd anodowy ) zależy od natężenia padającego 
światła. 
Każdy foton posiada energię którą możemy określić wzorem:  

                                            

 Ef = h

νννν

 

        h

ν

 = W + E

k

 

        W - praca wyjścia 
        h

ν

o

 = W 

        Ek = eU

n

 

 

background image

 

14 

PRACA WYJŚCIA  
     - to energia którą musimy dostarczyć aby elektron opuścił metal. 

- to energia jaką musimy dostarczyć do elektronu aby przenieść go z 
poziomu    
  Ferniego do nieskończoności. 

POZIOM FERNIEGO -najwyżej położony poziom. 
Każdy foton posiada pęd  

p = mV

 

Fotony nie posiadają masy spoczynkowej więc energię fotonu wiążemy z masą: 
E

f

 = h

ν

 

E = mC

      

w ten sposób fotonowi przypisujemy masę 
p

 = mC 

m. = E

f

/C

2

        

p = mC = ( E

f

/C

2

 ) C = h

ν

/C     

p = h

ν

/C 

ν

 = C/

λ

 

                                  p

f

 = h/

λλλλ

                

                                         pêd fotonu              
Światło  padające  na  powierzchnię  wywiera  odpowiednie  ciśnienie  ,  które  jest 
mierzalne. 
ZJAWISKO  COMPTONA  -  rozpraszanie  promienia  elektromagnetycznego  
(głównie  rendgenowskiego  )  na  swobodnych  elektronach  ,  polega  na  tym  że w 
wyniku  zderzenia  pojedynczego  fotonu  z  elektronem  ,  część  energii  fotonu 
zostaje  przekazana  elektronowi    ,  co  powoduje  zwiększenie  się  długości  fali 
rozproszonego promieniowania i odrzucenie elektronu. Zjawisko Comptona jest 
jednym ze zjawisk świadczących o nieciągłej strukturze promieniowania.  

 

 
                                                                   Ek 
            

λ

 

                                            elektron        
                                                        
 
                                                       

λ

 

                  

  

                                                                           h

ν

o

 

 
Wpadający foton ma energię  h

ν

 ,a elektron posiada E

k

  

ZASADA  ZACHOWANIA ENERGII 

background image

 

15 

                      

h

νννν

o

 = h

νννν

’ + ( m - m

o

 )C

2

 

( m - m

)C

2

 - energia kinetyczna elektronu ( gdy prędkości są porównywalne z   

                     prędkością światła 
 
ZASADA ZACHOWANIA P
ĘDU  
                     

                      

p

p

 = p

f

 + p

e

 

p

p

 - pęd początkowy 

                                                                             
                                                    p

e                                                

p

p

 = h/

λ

o

 

                                                                                    p

f

 = h/

λ

’ 

          p

p

  

 

                                              

p

f

 

 

                        

∆∆∆∆λλλλ

 = 

λλλλ

’ - 

λλλλ

o

 = h/m

o

C ( 1 - cos

θθθθ

 )

 

 
 
DUALIZM FALOWO KORPUSKULARNY - właściwość materii polegająca 
na  tym  ,  że  w  pewnych  zjawiskach  ujawnia  się  natura  falowa  (interferencja  , 
dyfrakcja) , w innych korpuskularna (efekt Comptona). 
ATOM WODORU -   
 
STAŁA RYTBERGA                      R = 1,097  10

7

  1/m            

 
                          1/

λλλλ

 = R( (1/K

2

)-(1/n

2

 )) 

k,n - kolejne liczby naturalne 

>

 k 

jeśli     k = 1        Seria Lymana 
jeśli     k = 2        Seria 
jeśli     k = 3        Seria Paschena 
MODEL  BOHRA  -  elektrony  mogą  zmieniać  się  na  określonych  orbitach 
stacjonarnych  dla  których  model  pędu  elektronu  jest  wartością  stałej  Plancka 
podzielonej przez 2

Π

PIERWSZY POSTULAT BOHRA - atom nie promieniuje energii , jeżeli atom 
porusza się po orbicie , na której jego kręt jest całkowitą wielokrotnością h/2

Π

 

(są to tzw. orbity dozwolone , stacjonarne) 

                            mVr = nh/2

Π

Π

Π

Π

 

ћ = h/2

Π

 

ћ - h kreślne 
 

background image

 

16 

Wykład 8  23 kwietnia     wykładowca dr Janicki. 
 
DRUGI POSTULAT BOHRA - jeśli elektron przechodzi z niższej powłoki na 
wyższą to foton otrzymuje energię.

 

                           E

n

 - E

m

 = h

νννν

 

 
E

n

 

>

 E

m

                emisja fotonu 

E

n

 

<

 E

m

                pochłanianie fotonu 

 
                    K       L         M 
   + 
                                                            k(e

2

/r

n

2

) = mV

2

/r

n

 

         r

n

                                                 k(e

2

/2r

n

) = mV

2

/2 

                                                            E

k

 = mV

2

/2 

                                                            E = E

k

 + E

p

 

                                                            E

p

 = -ke

2

/r

n

                      

                                                            Ek =  ke

2

/2r

n

 

                                                            E = ke

2

/2r

n

 - ke

2

/r

n

 

                                                            

E = -ke

2

/2r

 

 

Wykład    23 kwiecień  , wykładowca dr Janicki. 
 
Uzależnienie energii od numeru orbity
mVr = nђ 
V = nђ / mr 
m/2 = n

2

ђ

2

/m

2

r

2

 = ke

2

/2r 

r = n

2

ђ

2

/mke

2

  

                         

 r

ђ

2

/mke

2

  · n

                   PROMIEŃ KOLEJNEJ ORBITY 
n - numer kolejnej orbity 
k = 1/ 4

Πε

o

 

                          r

o

 = ђ

2

/mke

2

   

          PROMIEŃ BOHRA ATOMU WODORU 
dla  n = 1 wynosi r = 5,28 · 10

-11

 m  

 

                 En = -k

2

e

4

m/2ђ

2

  ·  1/n

2

 

 
  ENERGIA W ZALEŻNOŚCI OD NUMERU ORBITY   n . 
 

E

o

 = 13,6 eV 

  energia stanu podstawowego w atomie wodoru. 

background image

 

17 

 
         E [eV] 
 
 
 
   

0

                                                                                   n=

 

 
 

-1,5

                                                     seria Paschena       n=3 

                                      seria Balmera 
 

-3,4                                                                                                                                        

n=2 

                     seria Lymana 
 

-13,6                                                                                                                                                     

n=1 

 
   - Drugi Postulat Bohra graficznie 
 
 
h

ν

 = E

2

 - E

1

 = 10,2 eV     przejście z drugiej orbity na pierwszą daje nam foton   

                                       o energii równej  10,2 eV 
- natomiast przejście z nieskończoności na pierwszą orbitę daje foton o  
  energii 13,6 eV 
 
 
Doświadczenie FRANCKA HERTZ’A 
 
 
 
  katoda            siatka                anoda                     Lampa wypełniona oparami   
                                                                               rtęci przy bardzo małym  
                                                                               ciśnieniu. 
 
 
 
 
- do katody przyłożony był potencjał ujemny 

 

 
            I

o

 

 
 
 
 

background image

 

18 

 
                                                           Us 
               

 4,81        9,62 

Spadek prądu anodowego zaobserwujemy przy 4,81 a następnie przy krotności 
tej wartości. 
Przyspieszone  elektrony  tylko  przy  odpowiednich  energiach  zderzają  się 
sprężyście z atomami rtęci i wtedy elektrony nie docierają do anody i wówczas 
obserwujemy duży spadek napięcia. 
WNIOSEK Z DOŚWIADCZENIA : 
Tylko pewne wartości energii są dozwolone dla każdego atomu. 
 
WIDMO  ABSORPCYJNE  -  to  widmo  optyczne  odpowiadające  rozłożeniu 
światła po przejściu przez daną substancję . 
 

                   

WSTĘP DO MECHANIKI KWANTOWEJ

 

 
HIPOTEZA  de BROGLI’A - mówi ze dualizm falowo-korpuskularny wykryty 
w  związku  z  badaniem  natury  światła  ,  jest  właściwy  także  innym  cząstkom  
materii. Między pędem p cząstki i długością 

λ

 fal de Broglie zachodzi związek 

λ

=h/p.  Natężenie  fal  de  Broglie  w  danym  punkcie  przestrzeni  jest  wprost 

proporcjonalne  do  gęstości  prawdopodobieństwa  znalezienia  cząstki  w  tym 
punkcie. 
Bezpośrednim  potwierdzeniem  hipotezy  de  Broglie’a  byl  wynik  Davissona  i 
Germera , którzy zaobserwowali ugięcie wiązki elektronów przez monokryształ. 
Od  tego  czasu  przebadano  szczegółowo  własności  różnych  cząstek 
elementarnych  oraz  atomów  i  nie  znaleziono  żadnych  odstępstw  od  fal  de 
Broglie,a. 
  
FUNKCJA FALOWA - nie ma żadnego sensu fizycznego. 

- to opis matematyczny. 

Ψ

(x,y,z,y) 

KWADRAT AMPLITUDY FUNKCJI FALOWEJ 

ΨΨ

* = 

Ψ

(X,Y,Z,T)

2

 

 

określa prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w chwili t w punkcie (x,y,z) 

SUPERPOZYCJA FUNKCJI FALOWEJ 

Ψ

=

Ψ

1

+

Ψ

2

 

GĘSTOŚĆ PRAWDOPODOBIEŃSTWA   d

ω

 

d

ω

 = 

Ψ

2

 dV    - określa nam że cząstka znajduje się w elemencie objętości dV 

 
∫∫∫

Ψ

2

 dV = 1 

 
Wykład 9   30 kwietnia 1996  wykładowca dr Janicki. 

background image

 

19 

 
Funkcja falowa nie może być falą płaską. 

Ψ

 = Ae

i(kx-

ω

t)

 

Ψ

 = A sin (

ω

t-kx) + i B cos(

ω

t-kx) 

PACZKĘ FAL - otrzymujemy poprzez nałożenie funkcji sinusoidalnej o                                                                    
                          niewielkiej częstotliwości. 

 - „reprezentuje” cząstkę 

ZASADA  NIEOZNACZONOŚCI  HEISENBERGA  -  jeżeli  cząstka  jest 
zlokalizowana  w  przestrzeni  z  odchyleniem  standartowym     

x      to  nie  ma 

określonego pędu lecz pewien rozkład pędów. 
-im  dokładniej  określamy  położenie  cząstki  tym  z  mniejszą  dokładnością 
określamy pęd cząstki. 
-z fizycznego punktu widzenia niemożliwe jest jednoczesne dokładne określenie 
położenia i pędu cząstki. 

p

x

 

 ђ 

p

y

 

 ђ 

p

z

 

 ђ 

x -nieoznaczoność położenia 

p

x

 - nieoznaczoność pędu 

∆∆∆∆

∆∆∆∆

≥≥≥≥

 ђ   

- nieoznaczoność energii w czasie 

RÓWNANIE SCHRÖDINGERA 

ђ/T  

δδδδΨ

Ψ

Ψ

Ψ

/

δδδδ

T = -ђ

2

/2m.  

∆∆∆∆Ψ

Ψ

Ψ

Ψ

 + U(x,y,z,t)

Ψ

Ψ

Ψ

Ψ

 

 = 

δ

2

/

δ

x

2

 +

δ

2

/

δ

y

2

 + 

δ

2

/

δ

z

2

 

Równanie zależy od czasu i od współrzędnych  
 
UPROSZCZONE RÓWNANIE SCHRÖDINGERA 

d

2

Ψ

Ψ

Ψ

Ψ

/dx

2

 = -2m/ђ

2

 [E - U(x)]

Ψ

Ψ

Ψ

Ψ

 

Vg = d

ω

/dk 

= h

ν

 = h2

Πν

/2

Π

 = ђ

ω

ω

ω

ω

 

k = 2

Π

/

λ

 

p = h/

λ

 = h2

Π

/2

Πλ

 = ђ

E = p

2

/2m. 

ђ

ω

 = (ђ k)

2

/2m. 

ђ d

ω

/dk =ђ

2

 2k/2m. 

d

ω

/dk = ђk/m. 

ђk = p 
Vg = d

ω

ω

ω

ω

/dk = p/m. = V 

Prędkość grupowa paczki fal jest równa prędkości poruszającej się cząstki. 
 
CZĄSTKA STUDNI POTENCJAŁÓW . 
 

background image

 

20 

          U                 U=

                   

 

 
 
 

     
       o                  L

              

 

Na odcinku oL może się mieścić całkowita połówka długości fali. 

 
D2y/dx2 = -ђ

2

E

Ψ

/2m. 

Ψ

 = A

ikx

 +B

-ikx

 

Ψ

(o) = 

Ψ

(L) = 0                            -warunki brzegowe 

Ψ

(x) =C sin kx 

Ψ

(L) = C sin kL = 0 

k L = n 

Π

 

k

n

 = n 

Π

/L 

więc funkcja falowa przyjmuje postać : 

Ψ

Ψ

Ψ

Ψ

(x) = C sin (n

Π

Π

Π

Π

x/L)

 

           

Ψ

 

 

                       
      

o                            L                x

                                         

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Amplituda zawsze taka sama. 
L = n(

λ

/2) 

p

n

 = ђkn = ђn

Π

/L 

p

= ђ

Π

n/L 

E = p

2

/2m. 

                  En = ђ

2

Π

Π

Π

Π

2

n

2

/L

2

2m 

 

background image

 

21 

dla n = 1    En = ђ

2

Π

2

/L

2

2m 

                  L = 10

-10

 m.                     E

1

 = 37,2 eV 

dla n = 2                                            E

= 37,3

2

2

 = 149,2 eV 

dla n = 3                                            E

= 335,7 eV 

 
Są to pewne dopuszczalne wartości energii. 
 
 E                                                     E                     E

3

 

 

                                                                             E

2

                                                         

                                                              

                                                                         E

1

   

                                       

p.                                                          p. 

 

n

” - główna liczba kwantowa , określa dozwolone wartości energii. 

 
  
 
RÓŻNICE MIĘDZY OSCYLATOREM KWANTOWO-MECHANICZNYM A  
                           OSCYLATOREMREM KLASYCZNYM. 
Oscylator klasyczny: 
U(x) = kx

2

/2 = m

ω

kl

2

x

2

/2 

 
                             E 
 
 
 
 
                                                   x 
 
E

n

 = (n - 1/2)ђ

ω

             oscylator kwantowo-mechaniczny 

d

2

Ψ

/dx

2

 = -2m/ђ

2

   [E - U(x)] 

Ψ

 

d

2

Ψ

/dx

2

 = -2m/ђ

2

   [E - 

ω

kl

2

x

2

/2m.]

Ψ

 

Ψ

(x) = e

-ax2

 

d

Ψ

/dt = (-2ax)e

-ax2

 

d

2

Ψ

/dt

2

 = -2a e

-ax2

 + (-2ax)(-2ax)e

-ax2 

d

2

Ψ

/dt

2

 = -2a e

-ax2

 + 4a

2

x

2

 e

-ax2 

-2a e

-ax2

 + 4a

2

x

e

-ax2

 = -2m/ђ

2

  [E - 

ω

2

x

2

/2m.] 

-2a + 4a

2

x

2

 = [-2m.E/ђ

2

  + 2m

2

ω

2

x

2

2

-2a +4a

2

x

2

 = 2m. E/ђ

+ m

2

ω

2

x

2

2

 

 -2a =-2m E/ђ

2

                          ha

2

 = m

2

ω

2

2

 

background image

 

22 

 
Wykład  10      14 maja 1996   wykładowca dr Janicki. 
 
4a

2

 = m

2

ω

kl

2

2

   

-2a = -2m. E/ђ

2

 

 
 
a = m

ω

kl

/2ђ 

E = aђ

2

/m. 

 
 

E

 = m

ω

kl

ђ

2

/2ђm = 

ω

ω

ω

ω

kl

ђ/2 

 
E

n

 = (n - 1/2) ђ

ω

 

 
 
 

Ψ

1

(x) =e

-ax2

 

E = ђ

ω

/2 

Ψ

1

(x) = exp (-m

ω

n

x

2

/2h) 

Ψ

2

 = xe

-ax2 

E

2

 = 3ђ

ω

/2 

E

n

 = (n - 1/2)h

ω

 

 
          E 
 
 
                                                                 3/2  ђ

ω

 

 

                                                                 1/2   ђ

ω

 

 

 
                           

Ψ

1

 

 
 
 
 
                                                               x 
 
 
 

background image

 

23 

                            

Ψ

2

 

 
 
 
                                                                             x 
 
  
 
 
 
ATOM WODORU W UJĘCIU KWANTOWO-MECHANICZNYM. 
 
(x,y,z) współrzędne kartezjańskie zmienione są na współrzędne kuliste ( 

Γ

,

θ

,

ϕ

 ) 

 
 
 
 
                                 z 
 
 
 
                                                              p 
                                                  r 
                                        
                                     

θ

 

                                                                             y 
                                 

ϕ

 

 
                                                              
              x                                             p’ 
 
                                          r sin 

θ

  

x = r sin 

θ

 cos 

ϕ

 

y = r sin 

θ

 sin 

ϕ

 

z = r cos 

θ

 

 
RÓWNANIE SCHRÖDINGERA 

δδδδ

2

Ψ

Ψ

Ψ

Ψ

/d

δδδδ

2

 + 

δδδδ

2

Ψ

Ψ

Ψ

Ψ

/

δδδδ

y

2

 + 

δδδδ

2

Ψ

Ψ

Ψ

Ψ

/

δδδδ

z

= -2m.(E-U)

Ψ

Ψ

Ψ

Ψ

/ђ

2

  

 
1/r

2

 

 

δ

/

δ

 (

δΨ

/

δ

r) + 1/r

2

 sin 

θ

 

δ

 

θ

 

 (sin 

θ

 

⋅δΨ

/

δθ

) + 1/r

2

 sin

2

ϕ

 

⋅δ

2

Ψ

/

δϕ

2

 = 

                                                    =  -2m/ ђ

2

 

 (E-U)

Ψ

 

 

background image

 

24 

ograniczamy  się  tylko  do  rozwiązania  zależności  energi  od  odległości  jednej 
cząstki od drugiej 
U = -ke

2

/r 

Ψ

 = e

r/a

 

1/r

2

 

 

δ

/

δ

 

r

2

 

⋅δ

/

δ

 e

-r/a

= 1/r

2

 

 

δ

/

δ

r

r

2

 e

-r/a

 (-1/a)

=1/r

2

(-2r/a  e

-r/a

 + 

+(-r

2

/a)e

-r/a

(-1/a) = 2r/ar

2

  e-r/a + r2/ra

2

  e

-r/a

 = (-2/a  1/r +1/a

2

)e

-r/a 

(-2/a  1/r +1/a

2

)e

-r/a

 = (-2mE/ђ

2

 - 2mke

2

2

  1/r)e

-r/a

 

warunki jakie muszą być spełnione : 
-2/a + -2mke

2

1/a

2

 = -2mE/ђ

2

 

a = ђ

2

/mke

2

 = 5,29 · 10

-11

 m.                 E = ђ

2

/2ma

2

 

promień dla atomu wodoru 
a podstawiamy do wzoru na E 
E = -ђ

2

/2m.(ђ

4

/m

2

k

2

e

4

) = -mk

2

e

4

/2ђ 

E = -mk

2

e

4

/2ђ

2

 = -13,6 eV        energia dla atomu wodoru 

Ψ

1

 = e

-r/a

 

Jest to fala stojąca najniższego rzędu i nie ma węzłów  

Ψ

2

 = (1 - r/2a)e

-r/2a

                                  E

2

 = -mk

2

e

4

/8ђ

2

 

Ψ

3

 = (1 - 2r/3a - 2r

2

/27a

2

)e

-r/3a

                 E

3

 = -mk

2

e

4

/18ђ

2

 

                                   E

n

 = -mk

2

e

4

/n2ђ

2

  ·  1/n

2

 

  

Ψ

1

 

                                                     

                   

Ψ

Ψ

Ψ

Ψ

(r,

θθθθ

,

ϕϕϕϕ

)

 

 
  

                            1              2               3

                             10

-10

 m

 

  

Ψ

2

 

 
 
 

  

Ψ

3

 

 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

background image

 

25 

 
 
 

       

     

 

L = r 

×

 p 

L

z

 = r 

 p 

p. = ђ 

 k 

L

z

 = r 

 ђ 

 k 

 r   całkowita liczba 

L

= m

L

 

 ђ 

L

z

 = 0

L

 , +/- ђ , +/- 2ђ , +/- 3ђ ...... 

m

L

≤

 l 

                               Lz = 

√√√√

l(l+1) ђ                 

całkowity moment pędu

 

„ l ” - orbitalna liczba kwantowa (może przyjmować wartości 0,1,2,3, ... , n-1 
„ m

” - magnetyczna liczba kwantowa 

  
Wykład 11  , 21 maja 1996 ,  wykładowca  dr Janicki. 
 
m

L

  - rzut momentu pędu na wybrany kierunek , wymuszony najczęściej polem   

        magnetycznym 
                                          Lz = m

L

 

 ђ 

 

                    Z

 

 

                   2ђ                    m.=2

 

  
                     ђ                              m.=1 
 
                                                        m

L

=0      

 
 
                    - ђ                             
 
                   - 2ђ 
 
 
 

Jeśli chcemy określić kąt 

θ

  to  cos 

θ

 = L

z

/L = mL 

 ђ/

l(l+1)  

m

L

 = +/- l 

 
„ m

s

 ” - spinowa liczba kwantowa , związana z ruchem obrotowym wokół osi  

             elektronu 

                                      L

s

 = ђ

⋅⋅⋅⋅√√√√

s(s+1) 

s - przyjmuje zawsze wartość  1/2 
L

sz

 = m

s

ђ 

 

background image

 

26 

 
                     Z 
 

                       ђ/2                      Ls

 

 
                                                            m

s

 = 1/2       m

s

 = -1/2 

 

                      - ђ/2

 

 
 
 
ZASADA  PAULINIEGO  -  w  atomie  nie  mogą  istnieć  2  elektrony  o 
identycznych wszystkich liczbach kwantowych. 
n = 2                                   s    p  d   e    
l = 0 , 1                         L = 0 , 1 , 2 , 3 
m

L

 = -1 , 0 , 1 

m

s

 = -1/2 , 1/2 

jeśli n = 1  to l = 0 i jest to stan  1s 
jeśli n = 2      l = 0 i jest to stan  2s

2

2p

6

  

 
 

Ψ

n,l,ml

(r,

θ

,

ϕ

) = R

n,l

(r)

θ

l,ml

(

θ

)

ϕ

ml

(

ϕ

 
n = 1  , l = 0 
 
  

ρ

( r ) 

 
 
 
 
                                                   r/r

o

 

                                  1                  2                 3

 

gęstość prawdopodobieństwa znalezienia elektronu 
 
n = 2 , l = 0     (2s) 
 
  

ρ

(r) 

 
 
 
 
 
                                                              r/r

background image

 

27 

 
n = 2 , l = 1    (2p.) 
 

ρ

(r) 

 
 
 
 
 
                                                                   r/r

o

  

 
 
l = 0 , m

L

 = 0 

                                       Z 
 
                                                                     Prawdopodobieństwo znalezienia 
                                      

θ

                             elektronu jest wszędzie takie samo.   

                                                                    y               
 
 
 
 
l = 1 , m

L

 = 0 

 
                                      Z 
 
                                              

θ

Lm

                Są różne prawdopodobieństwa  

                                                                          znalezienia elektronu     
                                                                     y 
 
 
 
l = 1 , m

L

 = 1 

 
                                      Z 
 
 
 
                                                                        y  
 
 
 

background image

 

28 

 
                             PROMIENIOTWÓRCZO
ŚĆ  

  X    -  jądro atomowe 

Z

 

z - liczba atomowa , określa liczbę protonów w jądrze 

A

 - liczba masowa , określa całkowitą liczbę nukleonów w jądrze 

( A - Z ) -ilość neutronów w jądrze 
MASA ATOMOWA - podaje masę jądra w jednostkach atomowych masy  
                                  ( Junitach ). 
 

1         4          7       235 

 H , He , Li ,   U 

1        2           3         92 

1

 

 p - proton 

1

 

1

 

 n - neutron 

0

 

masy protonu i neutronu nie są identyczne 
IZOTOPY - to odmiany jąder atomowych o tym samym ładunku ale o różnych  
                   masach. 

 1                  2                  3                                                                12           13             14 

  H    ,    H    ,    H                                      C   ,   C   ,   C 

 1                  1                  1                                                                  6              6              6 

wodór  deuter   tryt                                  - izotop węgla C14 (czas  
                                                                 połowicznego zaniku 5700 lat) , za  
                                                                 pomocą tego izotopu określa się 
                                                                 wiek wykopalisk. 

238               235 

   U    ,     U  - wykorzystywany w reaktorach atomowych 

  92                 92

 

IZOBARY - jądra o takich samych masach , a o różnych ładunkach 

- mają takie same liczby masowe , a różne liczby atomowe. 

Przemiany jąder atomowych zależą od liczby masowej. 
              Ro = 1,2 

 10

-15

 m                       promień atomu wodoru 

Promień nie rośnie wprost proporcjonalnie tylko według wzoru : 
              R = Ro 

⋅⋅⋅⋅

 A

1/3

                        

gdzie A to liczba masowa 
MODEL JĄDRA KROPLOWY - porównuje jądro do kropli , w podobny jak z 
kroplą sposób zmieniają się jądra podczas rozszczepienia. 

background image

 

29 

MODEL  JĄDRA  POWŁOKOWY  -który  nawiązuje  do  budowy  atomu  , 
zajmuje się energetyką strony jądra atomowego. 
Jeżeli  jądro  jest  wzbudzone  to  zajmuje  wyższy  poziom  energetyczny.  Jądro 
wzbudzone 

emituje 

energię 

przez 

jądro 

atomowe 

(kwant 

energii 

(promieniowanie

γ

)) i przechodzi w stan spoczynkowy. 

Dlaczego  jądro  atomowe  składające  się  z  dodatnich  protonów  i  obojętnych 
neutronów jest jądrem trwałym ? 
odp. Protony (dodatnie) odpychają się co wynika z tw Kulomba , więc powinno 
się  rozlecieć  ,  ale  widocznie  istnieją  inne  siły  które  to  trzymają  razem. 
Przyczyną trwałości jąder są siły jądrowe. 
Siły jądrowe - to siły krótkiego zasięgu , które działają na odległość 10

-15

 m. 

Aby  można  było  rozłożyć  jądro  na  nukleony  trzeba  wykonać  określoną  pracę 
(jest ona równa energii nukleonów) 
ENERGIA NUKLEONÓW - to energia potrzebna na usunięcie nukleonu z jądra 
bez nadania mu energii kinetycznej. 
CAŁKOWITA  ENERGIA  WIĄZANIA  JĄDRA  ATOMOWEGO  -  praca 
potrzebna  na  rozłożenie  jądra  atomowego  na  składowe  nukleony  bez  nadania 
energii kinetycznej. 
Masa wolnych protonów i neutronów jest większa od masy jądra atomowego. 
DEFEKT  MASY  (deficyt  masy)  to  różnica  między  łączną  masą  protonów  i 
neutronów a łączną masą jądra atomowego. 

m. = (Z 

 m

p

) - (A - Z)

mn - mj 

Z - całkowita masa protonów 

                                Ew = 

∆∆∆∆

m. 

⋅⋅⋅⋅

 C

2

 

                       całkowita energia wiązania 
Jeśli  podzielimy  energię  wewnętrzną  przez  ilość  nukleonów  to  otrzymamy 
energię wewnętrzną na jeden nukleon , jest ona różna dla różnych jąder.