Атомска и нуклеарна физика 11/24/2018

Откриће атома 11/24/2018

Откриће атома прве идеје 5 векова пре Христа – Леукип и Демокрит – дељење супстанце на делове – има крај. атом – недељив и у непрекидном кретању!!! 4 елемента: вода, ватра, земља и ваздух (представници 4 агрегатна стања материје) наредне опсервације након 2000 година!!! 11/24/2018

1827. први доказ постојања атома – Роберт Браун, Шкотски ботаничар. Брауново кретање кретање честице полена у води, посматрано микроскопом. Узрок овакве цик-цак путање је флуктуација (одступање од средње вредности) броја честица – атома и молекула који ударају у честице полена са различитих страна изазивајући њено карактеристично кретање. Како није постојало алтернативно објашњење које не би узело у обзир атоме, Браунов кретање се сматра доказом њиховог постојања. 11/24/2018

Брауново кретање Ајнштајн 1905. објављује рад у којем указује како ово кретање може да се употреби за мерење величине атома и моелкула. Жан Баптист Перен (1870-1942), француски физичар, прецизно одређивање Авогадровог броја на бази Ајнштајновог рада. 11/24/2018

Структура материје Демокрит: добро наоштримо “нож” и почнемо да рецкамо материју – шта ћемо “видети”? 11/24/2018

Развој представа о атому “чврсте лопте” (440 BC-1904 АC), Леукип и Демокрит “пудинг са шљивама” (1904-1911) - Томсон “нуклеарни модел” (1911-1913) , Радефорд I just wanted to introduce to our five models so you’ll know where this presentation is going. “планетарни-орбитални” (1913-1930), Бор “модел електронских облака” (1926-данас), ... 11/24/2018

Радефордов експеримент 11/24/2018

Радефордов експеримент са металном фолијом старт DO NOT OPEN RADIOACTIVE MATERIAL INSIDE + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 11/24/2018

+ + + + 11/24/2018

+ + + + + 11/24/2018

Радефордов модел атома + Већи део атома је празан простор. Већи део масе атома као и + наелектрисање се налази у центру атома. 11/24/2018

Шта не ваља код Радефордовог модела? Привлачење негативних електрона и позитивног језгра. Зрачење је континуално. Проблем је што није континуално у пракси – зраче се одређене боје, то бар сви знамо!!!! - - + - - - 11/24/2018

Борове идеје-планетарни модел Електрони се крећу око језгра по стабилним орбитама и при том не емитују зрачење. Електрон на таквој (стабилној) орбити има одређену енергију. Jezgro elektroni dopuštene putanje 11/24/2018

+ hf Енергија се зрачи када електрони прелазе са више орбиту на нижу. 11/24/2018

hf + 11/24/2018

Енергија се емитује као фотон енергије која је тачно једнака енергијској разлици нивоа + - - 11/24/2018

Водоник и његов “отисак прста” . 11/24/2018

Модел електронских облака 1s * Број уз слово је тзв. главни квантни број (n) који одређује запремину атомске орбитале у којој је вероватноћа налажења електрона максимална – на Боровом радијусу је максимум. * Са порастом n расте и запремина атомске орбитале, а тиме и удаљеност електрона од језгра. 2s 11/24/2018 3s

l = 1 p ( principal - главна ) * Одговарајуће орбитале обележавају се ознакама које представљају почетна слова речи за линије у спектралним серијама l = 0 s ( sharp – отшра ) l = 1 p ( principal - главна ) l= 2 d ( diffuse -дифузна) l = 3 f ( fundamental-основна) 11/24/2018

Електронске конфигурације Показују како су електрони распоређени око језгра Максималан број електрона на енергијском нивоу је дефинисан вредношћу главног квантног броја n 2n2 11/24/2018

Паулијев принцип забране Немогуће је да у једном квантном систему постоје 2 електрона који имају иста сва 4 квантна броја (n- главни квантни број, l- орбитални квантни број, m-магнетни кватни број, s- спински кванти број) n=1,2,… l=0,1,2,…(n-1) m=0,+1,-1, …., +l,-l s=+1/2,-1/2 11/24/2018

Означавање електронске конфигурације 5f 3 Број e- на субеенергијском нивоу Енергијски ниво Суб-енергијски ниво 11/24/2018

Неке електронске конфигурације: H: 1s1 He: 1s2 Li: 1s22s1 K: 1s22s22p63s23p64s1 11/24/2018

K 4s1 K: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 11/24/2018

Стрелице-оријентација спина Енергија 3d 4s 3p 3s 2p 2s 1s 11/24/2018

Спектри Чврста тела, течности и гасови могу да емитују ЕМ зрачење Спектар непрекидни – као црно тело емисиони апсорпциони 11/24/2018

Непрекидни спектри Непрекидан спектар се може добити нпр у видљивом делу користећи било које тело које може да зрачи као црно тело- нпр. сијалицу са ужареном нити Continuous Spectrum: We can produce a continuous spectrum of visual light using any object that behaves like a blackbody. For instance, we can produce a situation with an incandescent light bulb containing a hot filament (heated piece of metallic substance). We can use either a prism or a spectrograph to separate out the various visual colors present within the light produced by the light bulb. The type of spectrum you see depends on the temperature of the thin gas. If the thin gas is cooler than the thermal source in the background, you see absorption lines. 11/24/2018

Таласна дужина (l) : [nm] График интензитета светлости у зависности од таласне дужине. 350 400 450 500 550 650 700 750 800 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Интензитет Таласна дужина (l) : [nm] 11/24/2018

The emission spectrum for blackbodies at 5800 K (the Sun’s surface temperature) and 2800 K (typical light bulb filament). The Sun emits most of its radiation in the visible and the light bulb in the IR. The peak wavelength is given by Wien’s Law and is inversely proportional to temperature (just measure this wavelength and you know the temperature of the surface of that object.) The energy flux is given by Stefan’s Law and is proportional to the Kelvin temperature to the fourth power—twice as hot means 16 times as much energy is released. The website of the hyperlink is http://webphysics.davidson.edu/Applets/java11_Archive.html Once there select Blackbody 4 from the menu on the left. 11/24/2018

Апсорпциони спектар Провидан (редак), релативно хладан гас испред извора непрекидног спектра производи aпсорпциони спектар – серија црних (недостајућих) спектралних линија унутар боја непрекидног спектра Continuous Spectrum: We can produce a continuous spectrum of visual light using any object that behaves like a blackbody. For instance, we can produce a situation with an incandescent light bulb containing a hot filament (heated piece of metallic substance). We can use either a prism or a spectrograph to separate out the various visual colors present within the light produced by the light bulb. The type of spectrum you see depends on the temperature of the thin gas. If the thin gas is cooler than the thermal source in the background, you see absorption lines. 11/24/2018

Таласна дужина (l) : [nm] Ако светлост пролази кроз облак хладнијег гаса, тај облак селективно апсорбује линије одређених таласних дужина које зависе од хемијског састава гаса. 350 400 450 500 550 650 700 750 800 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Интензитет Таласна дужина (l) : [nm] 11/24/2018

Емисиони спектар Continuous Spectrum: We can produce a continuous spectrum of visual light using any object that behaves like a blackbody. For instance, we can produce a situation with an incandescent light bulb containing a hot filament (heated piece of metallic substance). We can use either a prism or a spectrograph to separate out the various visual colors present within the light produced by the light bulb. The type of spectrum you see depends on the temperature of the thin gas. If the thin gas is cooler than the thermal source in the background, you see absorption lines. Топао, провидан гас прозводи емисиони спектар, тј. линије - серија јасних линија одговарајућих боја на тамној позадини. 11/24/2018

Таласна дужина (l) : [nm] Ако се посматра светлост коју производи топао редак гас, видећемо спектар који се састоји од серије јасних емисионих линија на тамној позадини. Те линије су карактеристичне за хемијски састав гаса 350 400 450 500 550 650 700 750 800 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Интензитет Таласна дужина (l) : [nm] 11/24/2018

Протон Неутрон Електрон 11/24/2018

Водоник Хелијум . 11/24/2018

Настанак емисионог спектра Електрон са вишег енергијског стања прелази у ниже и настаје светлост енергије која тачно одговара разлици енергија ова два стања/нивоа. First, let's discuss the emission spectra and the atom. When the electron within an atom drops from a higher to a lower energy level, it moves from a loosely bound level to one more tightly bound. The atom then has a surplus of energy -- the energy difference between the two levels -- that it can emit as a certain photon. In order to go to a lower energy level, the electron must lose energy of a certain specific amount. The atom releases the energy as a specific wavelength of light. The energy (wavelength) of the emitted light = the difference in energy between energy levels that the electron changed between Спектар атома пре и после преласка између нивоа. Приметити да сваком прелазу одговара нека тачно одређена боја 11/24/2018

Водоник . 11/24/2018

Апсорпциони спектар Електрон са нижег енергијског стања се “попне” на више при чему мора да апсорбује светлост чија је енергија (а тиме и фреквенција и таласна дужина) одређена разликом енергијских нивоа између којих се врши прелаз. Now, let's discuss the absorption spectra and the atom. An absorption line is produced when light of the correct specific energy is absorbed by an atom (which corresponds to an exact energy level difference). This causes the electron to move to a higher energy level. The light had energy which corresponds to the difference in energy of the different levels. Since the energy levels within unique atoms are fixed -- the energy of the outward electron jumps are the same as the inward jumps. When the electron within an atom rises from a lower to a higher energy level, it moves from a tightly bound level to one more loosely bound. The atom absorbs the energy of a specific wavelength of light. The energy (wavelength) of the absorbed light = the difference in energy between energy levels that the electron changed between. 11/24/2018

11/24/2018

Молекулски спектри немају сви атоми стабилну конфигурацију племенитих гасова зато формирају молекуле, деле електроне пример: водоник, Н није стабилан али Н2 јесте, итд. Н2О, СО2, О3 растојање атома у молекулу није фиксно – осцилују ови спектри су тракасти 11/24/2018

Нуклеарна физика и радиоактивност 11/24/2018

Структура језгра Језгра се карактеришу бројем нуклеона: неутрони (неутралне честице) и протони (p = +1.6x10-19 C). A је Aтомски број: A = Z + N Нотација за описивање језгара: Елементи су дефинисани бројем протона, Z Атоми који имају исти број Z а различит број A се зову изотопи (различит број неутрона а исти број протона). 11/24/2018

Атомска јединица масе као енергијска јединица (u) Ајнштајнова једначина E = mc2 даје везу између масе и енергије! Може да се искористи и за изражавање атомске јединице масе у енергијским јединицама! M_proton = 1.007276 u = 938.28 MeV M_neutron = 1.008664 u = 939.57 MeV M_electron = 0.0005485799 u = 0.511 MeV 11/24/2018

Димензије језгра и густина Димензија језгра је реда величине фемтометра (ферми) 10-15 m, док је величина атома 10-10 m (ангстрем). Већи атоми имају већи радијус језгра, али према горњој формули, радијус расте спорије од атомског броја! 11/24/2018

Густина језгра Да би се проценила густина језгра, треба израчунати запремину језгра и масу па направити однос! Како је радијус језгра пропорционалан трећем корену атомског (масеног) броја А, густина језгра различитих елемената ће бити независна од атомског броја. 11/24/2018

Да ли су језгра стабилна? N=Z Силе између нуклеона у језгру: Одбојна Кулонова сила између протона Привлачна јака нуклеарна сила (краткодометна сила – радијус дејства је неколико fm) Јака сила не утиче на електроне: опада рапидно са растојањем 11/24/2018

Откриће радиоактивности Парче уранијума које је у мрачној просторији озрачило филм. Радиоактивност је на тај начин открио 1896. године Henri Becquerel (оставио је уранов оксид на омот неразвијеног филма у фиоци.) Добио је Нобелову награду за ово откриће 1903. године. 11/24/2018

Сан алхемичара 1918. Радефорд је извео прву нуклеарну реакцију у лабораторији. Алфа честицама је бомбардовао азот и претворио га у кисеоник. 11/24/2018

Радиоактивност Алфа (a) распад: језгро се распада кроз емитовање алфа честице – језгра хелијума. Бета (b) распад: емитовање или захватање високоенергетских eлектрона од стране језгра. Гама (g) распад: језгро емитује фотоне. Бета+ (b+) распад: емитују се позитрони. Када језгро доживљава радиоактивни распад, маса система опада и та разлика у маси се ослобађа као енергија! Ово је базирано на Ајнштајновој једначини: E=(Dm)c2! 11/24/2018

Разне врсте зрачења заустављају различити материјали Поређење зрачења: Разне врсте зрачења заустављају различити материјали 11/24/2018

Пошто имају различите карактеристике (наелектрисање, маса, Пошто имају различите карактеристике (наелектрисање, маса, ...) различито се понашају у магнетном пољу. 11/24/2018

Алфа распад Алфа распад: језгро се распада кроз емитовање алфа честице Алфа распад: језгро се распада кроз емитовање алфа честице У алфа распаду укупан број протона и неутрона остаје као и пре реакције! Масени број језгра потомка је за четири мањи од језгра претка. Уранијум доживљава алфа распад! 11/24/2018

b-, b+- распад и електронски захват e- - захват У b- (b+) распаду, eмитују се електрони и позитрони разних енергија (уз неутроне и електронске неутрине (антинеутрине – означени цртом изнад ознаке ne)) 11/24/2018

g-распад Гама распад: емитују се фотони. У њему, побуђена језгра прелазе у ниже енергијско стање. Ако језгро доживљава a-, b- или g-распад, маса система опада а разлика у маси се ослобођа као енергија : E = (Dm)c2! 11/24/2018