Solvay Conference 1927 Kryzys fizyki klasycznej Promieniowanie

Filozofia przyrody II / Wykład 2
IZ ZiM rok 2
Solvay Conference 1927
v
Kryzys fizyki klasycznej
Fizyka końca XIX w.:
zaledwie kilka zagadek, m.in.:
v v
v
-promieniowanie cieplne
- linie widmowe
From: D.C. Giancoli: Physics for Scientists and Engineers
Promieniowanie ciała
doskonale czarnego
Liniowe spektra atomowe
Spektrum absorpcyjne: skąd pojedyncze linie?
Kiedy światło białe przechodzi przez gaz absorbuje
on pewne długości fal dając ostre linie:
czarne linie w ciągłej tęczy kolorów
Również: wyładowanie elektryczne przez
rozrzedzony gaz (linie emisyjne).
Linie spektralne tworzą regularne serie, które
odpowiadają przejściom pomiędzy
poziomami energetycznymi atomu.
M.Mulak / I PWr
1
Filozofia przyrody II / Wykład 2
IZ ZiM rok 2
Narodziny teorii kwantów
Założenia Plancka:
1) Energia zawarta w promieniowaniu
jest związana z częstotliwością
relacją
E = nhf
Dualizm
falowo-korpuskularny
światła
n - liczba kwantowa
f - częstotliwość
2) Molekuły mogą absorbować
energię tylko w odrębnych
„porcjach” (kwantach), później
nazwanych fotonami.
Światło jako fala
Światło jako cząstki
doświadczenie Younga
z podwójną szczeliną
efekt fotoelektryczny
rozpraszanie Comptona
+ równania Maxwella
M.Mulak / I PWr
2
Filozofia przyrody II / Wykład 2
IZ ZiM rok 2
Efekt fotoelektryczny
Własności efektu fotoelektrycznego
– Elektrony są emitowane jedynie powyżej
pewnej częstotliwości progowej.
– Częstotliwość ta jest różna dla różnych
materiałów.
– Poniżej progu częstotliwości nie są
emitowane żadne elektrony bez względu jak
intensywne jest światło padające na metal.
Efekt Comptona
Własności światła zależą od
eksperymentu:
- propagacja światła: fala
Klasycznie: ta sama
częstotliwość (długość fali)
Teoria kwantowa: fala
rozproszona dłuższa !
- oddziaływanie z materią: fotony
p=
h
λ
E = hf
M.Mulak / I PWr
3
Filozofia przyrody II / Wykład 2
IZ ZiM rok 2
Światło ma podwójną naturę:
przejawia własności fal i cząstek
(wiązka fotonów)
– Istnieje ciągłe przejście pomiędzy tymi
własnościami wzdłuż spektrum fal
elektromagnetycznych
– Dla niskich częstości (fale radiowe) fotony
mają znikomo małą energię i własności
falowe dominują.
– Zakres optyczny: fale/cząstki
– Dla wysokich częstości (promienie
Roentgena, gamma) dominują własności
cząstkowe promieniowania (pojedyncze
fotony)
Stałość prędkości światła; próżnia
Louis-Victor de Broglie, the 7th Duke de
Broglie, (1892-1987)
p=
• Louis de Broglie (1923): materia
przejawia również dualizm falowo
korpuskularny, podobnie jak światło.
• Długość fal materii jest bardzo mała
(poza zasięgiem eksperymentu !)
• Dyfrakcja elektronów (neutronów)
dopiero na poziomie atomowym.
• Doświadczenie Davissona i Germera
(dyfrakcja i interferencja fal
elektronowych).
M.Mulak / I PWr
h
λ
Cząstki jako fale
dyfrakcja elektronów
(doświadczenie z dwoma
szczelinami)
4
Filozofia przyrody II / Wykład 2
IZ ZiM rok 2
From: Harris Benson,
University Physics
From: Harris Benson,
University Physics
Modele atomu
J.J. Thomson (1890s)
++ + +
+ ++ +
+ ++
„ciasto z
rodzynkami”
10-10m
E. Rutherford (1911): dodatnio naładowana
część atomu musi być skupiona w niezwykle
małym jądrze (10-15m): „model planetarny”, skala
jądro-elektrony!
Problemy z fizyką
klasyczną:
wypromieniowanie
energii przez elektrony
(10-8s).
Wniosek z rozpraszania cząstek alfa na złotej
foli….
M.Mulak / I PWr
Ernest Rutherford (left)
(1871-1937)
Niels Bohr (1885-1962)
5
Filozofia przyrody II / Wykład 2
IZ ZiM rok 2
Model atomu Bohra
1. Elektron krąży po orbicie kołowej wokół
jądra pod wpływem przyciągania
kulombowskiego
2. Stabilne są tylko pewne orbity
elektronowe (gdzie elektron nie
wypromieniowuje energii)
3. Atom emituje promieniowanie kiedy
elektron “skacze” z wyższego na niższy
poziom energii.
M.Mulak / I PWr
6