of 30/30
KVANTNA PRIRODA SVETLOSTI

KVANTNA PRIRODA SVETLOSTI - physics.kg.ac.rsphysics.kg.ac.rs/stari/content/IQ0ezqduUQ.pdf · STRUKTURA ATOMA I MOLEKULA-ENERGETSKI NIVOI Kvantna teorija o strukturi atoma Nils Bor

  • View
    269

  • Download
    8

Embed Size (px)

Text of KVANTNA PRIRODA SVETLOSTI - physics.kg.ac.rsphysics.kg.ac.rs/stari/content/IQ0ezqduUQ.pdf ·...

  • KVANTNA PRIRODA SVETLOSTI

  • STRUKTURA ATOMA I MOLEKULA-ENERGETSKI NIVOI

    Kvantna teorija o strukturi atomaNils Bor 1913.

    Elektroni pri kretanju po stacionarnim putanjama ne emituju niti

    apsorbuju energiju

    1. Prvi Borov postulatelektron se može kretati u atomu samo po

    putanjama određenog poluprečnika za koje važi uslov da je

    moment količine kretanja elektrona L jednak celobrojnom

    umnošku veličine h/2

    2. Drugi Borov postulatobjašnjava prelazak

    elektrona sa jednog energetskog nivoa na drugi.

    ,..3,2,1 ,2

    nh

    nrvmL nne

    mn EEhE

    Jsh 3410626.6

  • Struktura atomskog omotača i raspored

    energetskih nivoa

    Atomski energetski nivoi

  • Molekulski energetski nivoi

  • ENERGETSKI NIVOI MOLEKULA

    Energija molekula se sastoji od energije elektrona,

    energije oscilovanja atoma i molekula i energije rotacije

    molekula. Razlika energija dva nivoa se sastoji od tri

    energetska dela:

    gde je razlika energija elektrona, razlika

    energija oscilovanja atoma i molekula, razlika

    energije rotacije molekula.

    Trakasti spektri

    roe EEEE

    eE oE

    rE

  • FLUORESCENCIJA I

    FOSFORESCENCIJA

    1. Elektron se vraća direktno na početni nivo

    2. Prvo prelazi na osnovno stanje energetskog nivoa S1 a zatim na

    stanje S0 Energija emitovanog kvanta manja od

    upadnog. Nevidljivo EM zračenje u vidljivo. Najpogodniji fluori

    fluorescencija.

    3. Metastabilni nivo T2 od drugog molekula. Verovatnoća prelaza

    elektrona sa metastabilnog nivoa na S0 mala fosforescencija.

    Elektron se vraća na S1 pa zatim na S0 −odložena

    fluorescencija.

    .10 do 10 815 s

    .10 do 10 48 s

    s 1 do 10 4

    Cepanje energetskih nivoa

    molekula usled oscilacija atoma u

    molekulu, i oscilacija i rotacija

    samog molekula, što omogućava

    elektronske prelaze kojih nema u

    atomima.

  • Fluoroscentno kamenje

    Fosforoscentni materijal

    Pod vidljivom svetlošću Pod UV svetlošću U mraku

  • Primene fluorescencije: fluorescentno obeležavanje, fluorescentne lampe, biološki detektori, fluorescentna spektroskopija, forenzika (npr. otisci prstiju detektuju se fluorescentnim ninhidrinom).

    Primene fosforescencije: znaci za izlaz, označavanje puteva

  • STIMULISANA EMISIJA SVETLOSTI. LASERI

    Prelaz elektrona sa jednog na drugi energetski nivo u dva smera:

    Stimulisana apsorpcija sa nižeg na viši energetski nivo.

    Prelaz elektrona sa višeg na niži nivo uz spontanu emisiju kvanta zračenja: spontana emisija.

    Stimulisana emisija 1917 Ajnštajn: pobuđeni atom može biti stimulisan da pređe u niže energetsko stanje upadnim fotonom, čija energija je jednaka energiji prelaza. Emituje se foton iste energije i faze.

    Materijali koji se koriste kao laserski medijumi su oni kod kojih se atomi duže zadržavaju u pobuđenom (metastabilnom) stanju (inverzna populacija). To se dobija postupkom koji se naziva optičko pumpanje.

    LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

  • PRINCIP RADA

    Laserski zrak se može proizvesti jedino ako je stimulisana emisija izraženija u odnosu na apsorpciju i spontanu emisiju zračenja. To se postiže inverzijom naseljenosti atoma (ili elektrona) u laserskom medijumu: broj atoma u pobuđenom stanju mora biti veći od broja atoma u osnovnom stanju.

  • Svetlosni snop je monohromatski

    Svetlosni snop je koherentan

    Laserski snop je snažan i izvanredno kolimisan mW-1 MW,

    dok veličina spota ima dimenziju 0.1-1 mm.

  • Ako se radna supstanca lasera spolja osvetli svetlošću blic-lampe velike

    snage, apsorpcijom svetlosti većina atoma se može prevesti u pobuđeno

    stanje. Time se, optičkim pumpanjem, postiže inverzna naseljenost

    energijskih nivoa u atomima. Pobuđeni atomi spontano, u svim pravcima

    emituju fotone. Ovi fotoni mogu izazvati stimulasanu emisiju, a oni fotoni

    koji se kreću u pravcu normalnom na ogledala višestruko prolaze kroz

    radnu supstancu i dolazi do njihovog kaskadnog umnožavanja. Tako

    pojačan svetlosni snop delom izlazi kroz jedno, delimično propustljivo

    ogledalo, koje obično propušta nekoliko procenata ukupnog inteziteta

    svetlosti, a preko 90% reflektuje. Fotoni emitovani u drugim pravcima

    ostvaruju neznatno pojačanje i izlaze iz radne supstance. Ovako dobijen

    laserski snop ima dve važne osobine: veliku snagu i veliku uređenost.

    Ref: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=577575

    Šema lasera:

    1: laserski medij;

    2: energija za pobuđivanje medija;

    3: 100% reflektirajuće ogledalo;

    4: 99% reflektirajuće ogledalo;

    5: laserski zrak.

  • Za merenje velikih rastojanja (Zemlja-Mesec)

    U metalurgiji za sečenje metala

    Laserski štampači

    Za očitavanje cena na proizvodima u supermarketima

    Light-show

    Dekodiranje signala u elektronskim centralama

    Analiza materijala, precizna merenja, dobijanje holograma

    Štetni efekti: biološki i hemijski

    Osobina laserske svetlosti da razara biološka tkiva povezana sa efektom koagulacije belančevina omogućuje fine hirurške zahvate bez krvarenja.

    Laserska pinceta (laser twessers) je instrument

    koji koristi jako fokusiran laserski snop zra-

    čenja u cilju formiranja privlačne ili odbojne

    sile (tipično reda veličine piko Njutna), u za-

    visnosti od relativnog indeksa prelamanja, i na

    taj način fizički drži ili pomera mikroskopske

    dielektrične objekte.

  • KORPUSKULARNA PRIRODA SVETLOSTI

    Kada detaljnije razmatramo procese apsorpcije, emisije i

    rasejanja elektromagnetnog zračenja uočavamo sasvim

    drugačije aspekte svetlosti. U tim slučajevima primećujemo

    da je energija EM kvantovana odnosno ona se emituje i

    apsorbuje u paketima energijefotoni. (Ajnstajn 1905.god)

    Fenomen koji je bacio senku na talasnu prirodu svetlosti

    je fotoelektrični efekat u kojem materijal emituje

    elektrone kada je osvetljen.

    Komptonov efekat

    2

    2mvAh

  • Fotoelektrični efekat: Heinrich Rudolf Hertz je 1887.

    godine otkrio, ali nije i objasnio fotoelektrični efekat koji je

    ostao zagonetka u fizici do početka 20. veka. Njegovo otkriće i

    objašnjenje su odigrali ključnu ulogu u razvoju moderne

    fizike jer je nedvosmisleno pokazao kvantnu prirodu procesa

    u mikrosvetu.

    Fotoelektrični efekat je pojava kada svetlost određene talasne

    dužine padne na površinu metala (npr. cinka ili natrijuma)i

    iz njega izbija elektrone.

  • KLASIĈNA TEORIJA ELEKTROMAGNETNOG ZRAĈENJA

    (TALASNA TEORIJA) PREDVIĐA SLEDEĆE:

    1. kinetička energija fotoelektrona treba da raste sa

    povećanjem intenziteta svetlosti,

    2. elektrone iz fotokatode treba da izbaci bilo koja svetlost

    adekvatnog intenziteta,

    3. elektronu treba relativno dugo vremena da dobije energiju

    iz upadne svjetlosti pa da napusti fotokatodu.

    A u eksperimentima se dešavalo sledeće:

    1. kinetička teorija fotoelektrona ne zavisi od intenziteta

    (fluksa) svjetlosti,

    2. samo svetlost veće frekvencije (manje talasne dužine) od

    neke granične može izazvati fotoefekat,

    3. fotostruja se uspostavlja trenutno.

  • DIJAGRAM ZAVISNOSTI MAKSIMALNE KINETIĈKE ENERGIJE ELEKTRONA

    ZN-A (CINKA) OD FREKVENCIJE SVETLOSTI

  • Na osnovu izučavanja zavisnosti fotostruje I, obrazovane

    elektronima emitovanim sa katode pod dejstvom svetlosti, od

    napona U između elektroda, različitih materijala u vakuumu, za

    različite frekvencije upadnog zračenja, utvrđena su tri osnovna

    zakona spoljašnjeg fotoefekta:

    1. Stoletov zakon: pri fiksiranoj vrednosti frekvencije upadne

    svetlosti, broj fotoelektrona, istrgnutih u jedinici vremena,

    proporcionalan je intenzitetu svetlosti (jačina fotostruje zasićenja

    proporcionalna je energetskoj osvetljenosti katode);

    2. Maksimalna početna brzina (maksimalna kinetička energija)

    fotoelektrona ne zavisi od intenziteta upadne svetlosti, već je

    određena samo njenom frekvencijom;

    3. Za svaki materijal postoji crvena granica fotoefekta, tj. minimalna

    frekvencija svetlosti (koja zavisi od hemijske prirode materijala i

    stanja njegove površine), ispod koje je fotoefekat nemoguć.

  • Fotoelektrični efekat ima široku primenu

    Digitalne kamere i noćni dvogled (night vision scopes)

    konvertuju svetlost u električni signal koji se rekonstruiše u

    sliku

    Svetlost udara u ploču i pri tome se izbacuju elektroni koji prolaze kroz tanak

    disk u kojem se nalazi milion tankih kanala. Struja u svakom kanalu se

    pojačava i usmerava na ekran koji svetli kada se pogodi elektronom.

  • X ZRAĈENJE Rendgenski zraci ili Х-zraci (iks-zraci) su deo elektromagnetnog spektra sa frekvencijama od

    3×1016 do 3×1019 herca, odnosno talasna dužina im je reda 0,1 do 10 nanometra (0,1×10-9 do

    1×10-8 m). Zraci su jonizujući i zbog velike energije koriste se u radiologiji (u medicini), kao i

    u kristalografiji za određivanje strukture kristala. Rendgenski zraci su dobili ime po svom

    pronalazaču Vilhemu Konradu Rendgenu koji ih je otkrio 1895. godine sa aparaturom

    sličnom na slici

    Anoda proizvodi jednim delom

    X-zrake usporavajući elektrone

    Bremsstrahlung (kontinualno

    zračenje) i pri prelazu elektrona

    u atomima anode na niže

    energetske nivoe (karakteristično

    zračenje)

  • PRIMENA X-ZRAĈENJA

    Xzračenje ima puno praktičnih primena u medicini i

    industriji

    Velika energija, mogućnost prodiranja u čvrstu materiju

    do nekoliko centimetara.

    Vizualizacija unutrašnje građe materije (slomljene kosti,

    strukturna građa)

    Objekat se postavi između izvora X zračenja i detektora

    (fotografski film)

    Kosti su bolji apsorberi od tkiva tako da su one na slici

    pojavljuju kao svetlije površine.

    CT skener (computed tomography)

    izvor X-zračenja proizvodi tanak, lepezast snop

    zraka koji se detektuje na suprotnoj strani

    objekta sa nekoliko stotina povezanih u liniju

    detektora. Svaki detektor meri apsorpciju

  • duž tanke linije. Cela aparatura se rotira oko pacijenta u

    ravni zraka, i promena brzine detekcije upadnih fotona u

    detektor se digitalno zapisuje.Kompjuter procesuira dobijene

    podatke i rekonstruiše sliku celog preseka pacijenta. Razlike

    u apsorpciji oko 1% i manje mogu biti detektovane ovim

    skenerom, i u tom smislu se tumori i ostale anomalije mogu

    primetiti na ovaj način.

    Xzračenje prouzrokuje oštećenje živih organizama. Xfotoni

    se apsorbuju u tkivu, kidaju molekuske veze i na taj način

    stvaraju opasne slobodne radikale (H i OH) koji mogu da

    naruše hemijsku strukturu proteina i genetskog materijala.

    Brzorastuće i ćelije koje su u razvoju su posebno osetljive,

    zbog toga se ovo zračenje koristi za selektivnu destrukciju

    ćelija raka.

  • Kada pištolj opali, dim iz cevi se

    širi (GSR-gunshot residue).

    Emisioni X-spektar čestica

    dima sadrži karakteristične

    pikove atoma olova (Pb),

    antimona (Sb) i barijuma (Ba).

    Ako uzorak uzet sa kože

    osumljičenog ili odela emituje

    spektar X-zračenja sa ovim

    karakterističnim linijama, to

    ukazuje da je osumljičeni u

    skorije vreme pucao iz pištolja.

    FORENZIKA

  • TALASNA PRIRODA ĈESTICE. ELEKTRONSKI TALAS

    1924, godine francuski fizičar i Nobelovac Princ Luj de

    Brolj došao je do izuzetnog otkrića o prirodi materije.

    Njegov rezon, slobodno parafraziran je glasio:

    Priroda voli simetriju. Svetlost je dualističke prirode, u nekim situacijama se ponaša kao talas dok u nekim kao čestica. Ako je priroda simetrična, ova dualnost takođe može da se odnosi i na materiju. Elektoni i protoni, koji spadaju u čestice, mogu u nekim prilikama da se ponašaju kao talasi.

  • TALASNA PRIRODA ĈESTICE

  • De Broljeva talasna dužina čestice

    Frekvencija po de Brolju je povezana sa energijom

    čestice kao i kod fotona

    Nekoliko godina nakon publikacije de Broljeve ideje

    eksperimentalni rezultati difrakcije elektrona su

    potvrdili talasnu prirodu čestice.

    Ako je de Broljeva hipoteza tačna, da materija

    poseduje talasna svojstva, zašto taj fenomen ne

    primećujemo u svakodnevnom životu?

    mv

    h

    p

    h

    hE

    Kolika je talasna dužina zrna peska mase i poluprečnika

    0.07 mm koje pada kroz vazduh sa konačnom brzinom od 0.4 m/s ?

    Talasna dužina nemerljiva, manja od dimenzije atoma

    kgm 10105

    m

    s

    mkg

    Js

    p

    h 24

    10

    34

    103

    102

    10626.6

  • ELEKTRONSKI MIKROSKOP

    Elektronski mikroskop pruža interesantan i važan

    primer talasne i čestične prirode elektrona.

    Trajektorija elektrona može biti prelomljena podvrgava-

    jući se zakonima refleksije i prelamanja, kao i korišće-

    njem električnog i magnetnog polja. Sa druge strane

    snop može da konvergira upotrebom sočiva i ogledala ili

    električnog/magnetnog polja.

    Zašto je elektronski

    mikroskop superiorniji od

    optičkog mikroskopa?

    rezolucija

  • ELEKTRONSKI MIKROSKOP

    o Šematski dijagram TEM

    (transmission electron microscope)

    mikroskopa.

    o Snop elektrona prolazi kroz više

    magnetnih sočiva

    o Objectiv i projection lens igraju

    ulogu objektiva i okulara

    o Konačna slika se projektuje na

    fluorescentnom ekranu ili

    fotografiše

    o Cela aparatura mora biti u

    vakuumu. Zašto?

    o Ako je talasna dužina elektrona

    0.01nm, može se očekivati da će i

    rezolucija biti 0.01nm