Zgłoś uwagi
Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

W tym dziale opisaliśmy zjawiska związane z wysyłaniem i pochłanianiem promieniowania przez ciała stałe i gazy: promieniowanie cieplne, widma ciągłe, liniowe, emisyjne i absorpcyjne oraz zjawisko fotoelektryczne. Przedstawiliśmy wpływ badań nad tymi zjawiskami na rozwój poglądów dotyczących budowy atomu i natury promieniowania: modele atomu wodoru zaproponowane przez Thomsona, Rutherforda i Bohra, a także naturę falowo‑korpuskularną promieniowania elektromagnetycznego.

Źródło: Daniel Mennerich, Flickr, CC BY NC ND https://www.flickr.com/photos/danielmennerich/13590629024/sizes/o/, licencja: CC BY 3.0. Okresem największych odkryć w dziedzinie wiedzy o atomie była niewątpliwie pierwsza połowa XX wieku i sami współcześni nazwali ten okres „wiekiem atomu”. Znalazło to wyraz w monumentalnym modelu kryształu żelaza, budynku zwanym Atomium wybudowanym z okazji Wystawy Światowej z 1958 roku w Brukseli.

1. Promieniowanie cieplne

  1. Ciała znajdujące się w temperaturze wyższej od zera bezwzględnego są źródłem promieniowania elektromagnetycznego, nazywanego promieniowaniem termicznym (cieplnym).

  2. Za emisję promieniowania termicznego (cieplnego) odpowiedzialna jest energia ruchu cieplnego atomów i cząsteczek w danym ciele.

  3. Ciała o temperaturach wyższych niż 0 K (-273,15°C) mogą zarówno emitować, jak i absorbować (pochłaniać) padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne.

  4. Im więcej dane ciało absorbuje energii, tym więcej jej emituje.

  5. Stosunek energii pochłanianej do energii wysyłanej nie zależy od natury ciała – dla wszystkich ciał jest taką samą funkcją temperatury i długości fali promoieniowania elektromagnetycznego.

  6. Zdolność ciał do emisji i absorpcji promieniowania o określonej energii pozwala na wytłumaczenie istnienia barw. Barwa ciała zależy m.in. od jego wpływu na promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie światła widzialnego: pochłaniania go, rozpraszania, odbijania, interferencji oraz własności emisyjnych badanego ciała. Jeśli na ciało pada światło np. niebieskie, które jest całkowicie przez nie pochłaniane, to ciało widziane jest jako czarne.

Źródło: Caleb Kimbrough (https://www.flickr.com/), licencja: CC BY 2.0.

2. Ciało doskonale czarne

  1. Ciało doskonale czarne to takie ciało, które pochłania całkowicie padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne – niezależnie od długości fali i temperatury, w której ten proces zachodzi.

  2. Energia promieniowania cieplnego ciała zależy od temperatury – wzrostowi temperatury odpowiada wzrost całkowitej energii wypromieniowywanej przez ciało. Zjawisku temu towarzyszy także zmiana barwy promieniowania wysyłanego przez ciało.

  3. Całkowitą energię emitowaną przez ciało mające temperaturę T obliczamy ze wzoru Stefana‑Boltzmanna: =σ·T4,  gdzie σ to stała, której wartość wynosi 5,67·10-8Js·m2·K-4.

  4. Rozgrzane ciała wysyłają energię w postaci fal elektromagnetycznych o różnych długościach, którym odpowiadają różne energie.

  5. Wraz ze wzrostem temperatury długość fali, której odpowiada największa wypromieniowywana energia, przesuwa się w stronę fal krótkich.

  6. Długość fali, której odpowiada maksimum natężenia promieniowania cieplnego można obliczyć za pomocą prawa przesunięć Wiena, wyrażonego wzorem: λmax=bT
    gdzie:
    b – stała Wiena; b=2,897·10-3 m·K;
    T – temperatura w skali bezwzględnej.

Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

3. Widmo ciągłe

  1. Widmem nazywamy obraz promieniowania składającego się z różnych długości fal (barw). Zamiast długości fal można podać odpowiadające im częstotliwości lub energie.

  2. Przyrządy służące do obrazowania i badania widm to spektroskopy oraz spektrometry.

  3. Widmo promieniowania cieplnego ciał stałych i cieczy ma charakter ciągły – w takim widmie występują wszystkie długości fal i nie ma między nimi przerw; przykładem widma ciągłego jest tęcza.

Źródło: Pudelek (https://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.

4. Widmo liniowe

Źródło: Christopher Thomas (https://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 1.0.
  1. Widmo, które składa się z wielu oddzielnych barwnych linii, nazywamy widmem liniowym.

  2. Widmo liniowe jest typowe dla gazów składających się z atomów lub cząsteczek. Przykładem mogą być: wodór, hel, neon, argon oraz pary rtęci lub sodu.

  3. Wszystkie pierwiastki w stanie gazowym mają charakterystyczne widmo liniowe.

5. Widmo emisyjne

Widma emisyjne to widma promieniowania wysyłanego (emitowanego) przez ciała pobudzone do świecenia. Gorące gazy wysyłają promieniowanie emisyjne liniowe, a gorące ciała stałe – widmo emisyjne ciągłe. Gazy, których cząsteczki mają złożoną, wieloatomową budowę, wysyłają widma emisyjne pasmowe.

Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.

6. Widmo absorpcyjne

  1. Widmo absorpcyjne powstaje w wyniku pochłaniania (absorpcji) promieniowania elektromagnetycznego przez ciało.

  2. Jeżeli promieniowanie mające widmo ciągłe przechodzi przez chłodny gaz, to następuje absorpcja energii fal elektromagnetycznych dokładnie o tych długościach, które może emitować dany atom.

  3. Na obrazie widma absorpcyjnego widoczne są ciemnie prążki – znajdują się one w miejscach długości fal, które zostały pochłonięte przez dany gaz.

  4. Takie ciemne linie w widmie światła słonecznego pierwszy zarejestrował Fraunhofer. Nazywamy je liniami Fraunhofera.

Źródło: Krzysztof Jaworski, OpenClipartVectors (https://pixabay.com), licencja: CC BY 3.0.

7. Foton

Foton, zwany także kwantem energii, jest porcją energii promieniowania elektromagnetycznego. Możemy traktować go jak cząstkę, która ma następujące cechy:

  1. Nie ma masy spoczynkowej.

  2. Nie ma ładunku elektrycznego.

  3. Ma energię, którą wyraża się wzorem: E=h·ν lub E=h·cλ,
    gdzie:
    h – uniwersalna stała, nazwana stałą Plancka; h6,63·10-34J·s;
    ν (grecka litera „ni”) [Hz] – częstotliwość promieniowania emitowanego lub pochłanianego przez ciało czarne;
    c – prędkość światła;
    λ – długość fali promieniowania.

  4. Foton odgrywa istotną rolę w każdym procesie promienistym i w oddziaływaniach elektromagnetycznych.

Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

8. Atom – model Thomsona

  1. W 1897 r. Thomson odkrył elektron.

  2. Elektron jest składnikiem wszystkich atomów.

  3. Atom posiada strukturę, w której skład wchodzą elektrony; strukturę tę nazwano modelem „ciasta z rodzynkami”.

Źródło: Anita Mowczan, Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

9. Atom – model Rutherforda

  1. Atom składa się z jądra i elektronów krążących wokół niego.

  2. Atom jest obojętny elektrycznie (jądro ma ładunek dodatni, a elektrony – ujemny).

  3. Za oddziaływania między jądrem atomu a jego elektronami odpowiada siła Coulomba.

  4. Rozmiary jądra są 100 tysięcy razy mniejsze od rozmiarów atomu.

10. Atom – model Bohra

Bohr stworzył model atomu na podstawie modelu Rutherforda. Sformułował dwa postulaty:

  1. Elektron może krążyć wokół jądra tylko na wybranych orbitach, zwanych orbitami stacjonarnymi, dla których spełniony jest warunek:
    rmv=nh2π,n=1,2,3, 
    gdzie:
    r – promień orbity, po której krąży elektron;
    m – masa elektronu;
    v – wartość prędkości liniowej krążącego elektronu;
    nliczba całkowita określająca numer orbity elektronu (główna liczba kwantowa);
    h – stała Plancka (h6,63·10-34 J·s).
    Energia elektronu na orbicie stacjonarnej jest stała.

  2. Zmiana energii atomu następuje tylko podczas przejścia elektronu między orbitami stacjonarnymi – przeskokowi z orbity wyższej na niższą odpowiada emisja energii, a przejście z powłoki niższej na wyższą spowodowane jest pochłonięciem energii. Energia jest wysyłana i pochłaniana przez atom w formie porcji (kwantów) energii o wartości wynikającej ze wzoru:
    E=En-Ek,
    gdzie: n , k – numery orbit, między którymi następuje przeskok elektronu.

Z założeń tego modelu wynika, że:

  1. Atom nie emituje promieniowania, gdy znajduje się w stanie stacjonarnym. Każdemu stanowi stacjonarnemu atomu odpowiada ściśle określona wartość energii En

    , którą można wyznaczyć ze wzoru:
    En=-1n2·A,
    gdzie: A=2,17·10-18 Jn – główna liczba kwantowa (n=1,2,3,...).
    Wartości energii atomu (E1, E2,E3 …) noszą nazwę tzw. poziomów energetycznych atomu.

  2. Atom może zmienić poziom energetyczny jedynie w wyniku emisji lub pochłaniania kwantów energii promieniowania. Wynika to z drugiego postulatu Bohra: E=En-Ek.
    Millikan w 1916 r. udowodnił, że zmianę energii stanu stacjonarnego w odniesieniu do atomu można wyrazić wzorem:
    E=En-Ek=Efotonu=h·ν=h·cλ.
    Oznacza to, że energia kwantu energii (fotonu) pochłoniętego lub wyemitowanego przez atom jest proporcjonalna do częstotliwości padającego lub emitowanego promieniowania.

  3. Promień orbity stacjonarnej jest równy

    : r=n2h24π2ke2m=n2r0.
    Wartość promienia dla n=1 jest równa r0 = 0,53·10-10 m; nazywa się ją promieniem pierwszej orbity Bohra w atomie wodoru.

  4. Atom wodoru najmniejszą energię ma w stanie, dla którego n=1. Jest ona równa - 2,17·10-18 J. Ten stan nazywamy stanem podstawowym. Stany o n=2,3,4,5 nazywamy stanami wzbudzonymi.

Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.

11. Fotoefekt

  1. Fotoefekt, czyli zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne (fotoemisja), polega na emisji elektronów z powierzchni metalu pod wpływem światła (promieniowania) padającego na tę powierzchnię. Elektrony wybite światłem nazywamy fotoelektronami.

  2. Cechy zewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego to:

    1. Dla każdego metalu istnieje graniczna częstotliwość (długość fali) promieniowania, poniżej (a w przypadku długości fali – powyżej) której zjawisko w ogóle nie zachodzi.

    2. Energia kinetyczna emitowanych elektronów nie zależy od natężenia promieniowania, a jedynie od długości jego fali.

    3. Liczba fotoelektronów jest proporcjonalna do natężenia padającego promieniowania.

  3. Zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne jest dowodem na to, że falę elektromagnetyczną można traktować jako strumień cząstek – fotonów.

  4. Fotoefekt jest zjawiskiem kwantowym; stał się podstawą kwantowej teorii światła.

Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

12. Równanie Einsteina‑Millikana

Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.
  1. Fizyka klasyczna nie potrafiła wyjaśnić zjawiska fotoelektrycznego (odkryto natomiast kwantowe cechy promieniowania).

  2. W 1905 r. Albert Einstein wyjaśnił przebieg zjawiska fotoelektrycznego dzięki założeniu, że światło jest strumieniem fotonów, a jeden foton padający na metal może przekazać energię jednemu elektronowi w metalu.

  3. Zasada zachowania energii w oddziaływaniu foton – elektron została zapisana w równaniu, zwanym równaniem Einsteina–Millikana:
    h·ν=W+Ekin
    energia fotonu = praca wyjścia + energia kinetyczna fotoelektronu.

  4. Praca wyjścia to minimalna energia potrzebna do tego, aby elektron opuścił metal; jej związek z częstotliwością (długością) graniczną ma postać:
    W=h·ν0 lub W=h·cλ0

13. Fotokomórka

  1. Klasyczna fotokomórka to szklana bańka starannie opróżniona z powietrza, wewnątrz której znajdują się dwie elektrody: ujemna (fotokatoda) i dodatnia (anoda).

  2. Fotokomórka służy do badania zjawiska fotoelektrycznego oraz do innych celów naukowych.

  3. Fotokomórki znalazły zastosowanie praktyczne w technice (urządzenia alarmowe), przemyśle (zliczanie dużej liczby przedmiotów – kartonów, wytłoczek, butelek itp. w produkcji taśmowej), sporcie (dokładny pomiar czasu w różnych dyscyplinach sportowych) i życiu codziennym (wyłączniki świateł).

Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

Zadania

Polecenie 1

Oblicz największą i najmniejszą energię fotonu światła widzialnego. Jakiej barwie światła odpowiadają te fotony? Dane dotyczące długości fal światła widzialnego znajdź w tablicach fizycznych lub innych dostępnych źródłach.

Polecenie 2

Energia elektronu znajdującego się na pierwszej orbicie atomu wodoru (atom znajduje się na poziomie podstawowym) ma wartość -2,17·10-18 J. Oblicz energię fotonu, który zdoła przenieść ten elektron na trzeci poziom.

Polecenie 3

Podaj trzy przykłady wykorzystania zjawiska fotoelektrycznego.

Polecenie 4

Rysunek przedstawia zależność energii kinetycznej fotoelektronów od energii fotonów padających na fotokomórkę dla dwóch różnych fotokatod.

Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

Tabela zawiera wartości pracy wyjścia dla kilku metali. Ustal, z jakich metali wykonano fotokatody A i B.

Wartości pracy wyjścia dla wybranych metali

Metal

Praca wyjścia, J

cez

3,0·10-19

chrom

7,0·10-19

nikiel

7,8·10-19

uran

5,9·10-19

wolfram

7,4·10-19

srebro

7,6·10-19

platyna

9,9·10-19

Polecenie 5

Przeanalizuj i opisz zasadę działania wyłącznika zmierzchowego, którego schemat przedstawiono na poniższym rysunku:

Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.
Polecenie 6

* Opisz, jak można wykorzystać światło wysyłane przez gwiazdę do pomiaru temperatury jej powierzchni.

Polecenie 7

Praca wyjścia dla platyny równa jest 8,49154·10-19 J. Czy promieniowanie, którego długość fali wynosi λ=3·10-8 m , wywoła emisję elektronów z powierzchni tego metalu? Odpowiedź uzasadnij (wykonaj odpowiednie obliczenia).

Polecenie 8

Zaprojektuj schemat instalacji otwierającej bramę i wykorzystującej fotokomórki.

Test

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5
Ćwiczenie 6