Dr. Seres István

OP

TIK

A

Dr. Seres István

Fénykibocsátás mechanizmusa

fényforrás típusok

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 2 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,


Ernest Rutherford (1911)

Rutherford alfa részecskéket tanulmányozott 1898-tól (ő fedezte fel

őket). 1909-ben egy kísérlet során nagyon meglepő kísérleti

eredményeket kapott, amit meg kellett magyaráznia

Ernest Rutherford

Történeti áttekintés

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




A Rutherford kísérlet

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Kisméretű, pozitív töltésű atommag

negatív töltésű elektronok relatíve nagy

térfogatban eloszolva

Rutherford következtetése

Naprendszer modell: az elektronok úgy keringenek

az atommag körül, mint a bolygók a Nap körül.

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Probléma a Rutherford modellel….

A 20. század elején felfedezték, hogy az

anyag által kibocsátott illetve elnyelt fény

nem folytonos spektrumú, hanem csak

bizonyos frekvenciákat tartalmaz.

A gyorsuló töltés sugároz (röntgen

sugárzás)

Hélium

Oxigén

Xenon

A Rutherford kísérlet

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Bohr modell

Niels Bohr (1922)

Niels Bohr Rutherford felfedezte az atommagot, és

igazolta, hogy negatív töltésű elektronok

keringenek körülötte.

Bohr ezt azzal egészítette ki, hogy az elektronok csak

bizonyos pályákon keringhetnek. Igazolta, hogy a külső

pályákon több elektron lehet mind a belsőkön, és hogy a

külső pályák határozzák meg a kémiai tulajdonságokat.

1922-ben Nobel díjat kapott az atom struktúrájának

meghatározásában végzett munkájáért.

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




r

vm

r

eZek

2

2

2

hnmvr

nh

kZe2)n(v

2

Rutherford

Bohr

A két egyenletből r és v kiszámolható:

2

22

2

nkZe4m

h)n(r

Bohr modell

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




)n(r

eZekmv

2

1)n(E 2

n

1

h

kZe2)n(v

2

A két értékből az energia kiszámolható:

22

222

22

4222

n

1

h

Ze4mkZe

n

1

h

eZk4m

2

1)n(E

2

22

2

nkZe4m

h)n(r

Bohr modell

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




22

4222

n

1

h

eZk4m

2

1)n(E

2

4222

0h

eZk4m

2

1E

Tehát az elektron energiája az atomban:

E0 –ra az alábbi jelölést bevezetve:

2

0

n

E)n(E

Bohr modell

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




2

4222

0h

eZk4m

2

1E

2

0

n

E)n(E

Energiaszintek

H atom

07m07an1.mov

H atomra (Z=1):

eV6.13J1018.2E 18

0

Bohr modell

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




eV1.121

1

3

16.13

n

1

n

1EEEE

222

i

2

f

1if

Bohr modell

Mennyi energiát kell egy elektronnal közölni, hogy

az E1 energiaszintről az E3 energiaszintre

ugorhasson?

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Bohr modell

Mikor bocsát ki elektromágneses hullámot (pl. fényt)

az atom?

Ha az elektronja gerjesztett állapotból visszatér

alapállapotba.

Gerjesztési módok:

•Termikus gerjesztés (izzószál)

•Ütközési gerjesztés (fénycső, kompakt fénycső)

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Fényforrás

Rés Prizma

Vörös

IbolyaFeh

ér f

ény

Ernyő

Folytonos színkép

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.



fényforrás típusokA

tom

ált

al

kib

ocs

áto

tt s

pek

tru

m (

pl.

izzó

gá

z)

Atomi

fényforrás

Prizma

Ernyő

Rés

Vonalas színkép

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Planck

Planck-féle kvantumfeltétel:

e = hf

Planck állandó Frekvencia

(6.63 x 10-34 J s)

Egy foton energiája

(s-1)

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Bohr modell és Planck feltétel együtt

Energiaszintek közötti különbség megegyezik a

kibocsátott energiával:

22

0

m

1

n

1

h

Ef

hfm

1

n

1EE

220

Innét a kibocsátott frekvencia:

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Bohr modell

A Hidrogén spektruma

410.1 nm

434.0 nm

486.1 nm 656.3 nm

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




A látható fény tartományába eső színképvonalakat

Balmer sorozatnak nevezzük.

En

erg

ia

Ultraibolya

Lyman

Infravörös

PaschenLátható

Balmer

65

3

2

1

4

n

Hidrogén spektruma a Bohr modell alapján

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Hidrogén spektruma a Bohr modell alapján

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Emissziós színképek

Hélium

Oxigén

Xenon

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Xenon emissziós színképe

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Színkép elemzés

Folytonos színkép

Emissziós színkép (hidrogén gáz)

Abszorpciós színkép (hidrogén gáz)

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




A Nap színképe

Színkép elemzés

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




A Nap színképe

Színkép elemzés

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Elmélet: abszolút fekete test

Definíció: minden ráeső sugárzást elnyel.

modellje: üreg

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Elmélet: Planck-féle sugárzási törvény

1e

1hc2T,J

kT

hc5

2

T hőmérsékletű testegységnyi felületéről

időegység alatt kisugárzott energia :

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.





deCdT,J T

C

5

1

2

/Az eltérés < 1%, ha T < 3000mm∙K/

Ha , akkor a törvény az alábbi alakot

veszi fel: 1e T

C2

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.





deCdT,J T

C

5

1

2

Hol van (mekkora esetén) a függvény

maximuma? /Ahol a deriváltja nulla/

0

d

)eC(d

d

)T,J(d T

C

5

1

2

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Elmélet: Wien-féle eltolódási törvény

Hol van (mekkora esetén) a függvény

maximuma? /Ahol a deriváltja nulla/

0T

C5eC 2T

C

6

1

2

0

T

Cee5C

d

)eC(d

d

)T,J(d2

2T

C

5T

C

6

1

T

C

5

122

2

mK 10898,2CT 3

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Elmélet: Wien-féle eltolódási törvény

mK 108978,2C5T 3

2

•Melegített vas színe változik

•Kék színű csillagok melegebbek

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Elmélet: Stefan Boltzmann törvény

42

84

Km

W 1067,5 ahol ,TAP

Kibocsátott összteljesítmény:

függvény görbe alatti terület

(parciális integrálás)

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Fényforrások

Természetes fény

Nap spektruma:

(T ~ 5800 K)

mK 10898,2T 3

max

max 5·10-7 m = 500 nm

A légkörön kívül

A felszínen

Hullámhossz (mm)

Be

su

gá

rzá

si in

ten

zitá

s (

W/m

2m

m)

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Fényforrások

mK 10898,2T 3

max

Izzószálas égő

Fekete test sugárzása:

Wien-féle eltolódási

törvény

http://www.egglescliffe.org.uk/physics/astronomy/blackbody/Image21b.gif

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Fényforrások

Neon Hélium Xenon Kripton Argon

Fénycsövek színe fényporozás nélkül

Fénycső, kompakt fénycső

Ütközési gerjesztés a nagy feszültégre gyorsított

gázionok segítségével beépített transzformátor

Fénycső: 50 Hz villog!!!

Kompakt fénycső 30 000 Hz egyenletes fény

http://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%A9p:NeTube.jpg

http://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%A9p:NeTube.jpg

http://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%A9p:HeTube.jpg

http://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%A9p:HeTube.jpg

http://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%A9p:XeTube.jpg

http://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%A9p:XeTube.jpg

http://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%A9p:KrTube.jpg

http://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%A9p:KrTube.jpg

http://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%A9p:ArTube.jpg

http://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%A9p:ArTube.jpg

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Fényforrások

LED

http://www.hazi-mozi.hu/cikkshow.php?aid=3&cid=678

pn átmenet nyitóirányú

kapcsolása

A rekombinálódó

elektronok a felesleges

energiájukat fotonok

formájában adják le.

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Fényforrások

LED

http://www.hazi-mozi.hu/cikkshow.php?aid=3&cid=678

LED lámpák színskála

lefedettsége.

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Fényforrások

Lézer

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Fényforrások

Lézer

Spontán és indukált emisszió

Normál populáció,

Inverz populáció

tükörrezonátor

http://www.mozaik.info.hu/mozaweb/feny/FY_lezer.htm

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Fényforrások

He-Ne Lézer

Normál populáció,

Inverz populáció

tükörrezonátor

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Fényforrások

félvezető lézer

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Fényforrások

Lézerfény tulajdonságai

•Monokromatikus (1 színképvonal)

•Koherens

•párhuzamos nyaláb

•Nagy energiasűrűség

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Lézerfény hatásai

•Hőhatás, ionizáció, fluoreszcencia, fotokémiai reakciók

elsősorban a hőhatás elvén működnek: Például a CO2 lézer:

vízben szinte tökéletesen elnyelődő 10.6 mm –es infravörös

a kék vagy zöld színű argonlézer csak a pigmentált részen

nyelődik el. a szem részein minden károsító hatás nélkül

keresztülhalad, ugyanakkor az erősen pigmentált retina

elnyeli.

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Holográfia

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.




Folytatás a következő héten!

Documents

Dr. Seres István