KVANTNA FIZIKA

Historija

▪ Dva stoljeća od 1687. godine do 1887. godine, mogu se nazvati doba klasične fizike. Naime 1687. godine Newton je uspješno objasnio sliku svemira, a 1887. godine Hertz eksperimentalno potvrdio Maxwellowu hipotezu o postojanju elektromagnetskih talasa. Poslije Hertzovih otkrića činilo se da je postavljen završni kamen u naučnu građevinu.

▪ I upravo kada se činilo da su razotkrivene sve tajne prirode, pojavilo se krajem 19. stoljeća mnoštvo eksperimentalnih podataka koji se nisu mogli objasniti klasičnom fizikom. Atomski spektri vodika, otkriće elektrona, otkriće radioaktivnosti, otkriće x-zraka... Sva ta otkrića su zahtijevala reviziju klasične fizike.

Uvod u kvantnu fiziku

Smatra se da je razvoj moderne (kvantne) fizike počeo krajem XIX stoljeća. Klasična fizika je do tada, uz povremene stranputice došla do važnih otkrića.

Formulisani su zakoni kretanja, toplote, elektromagnetnih talasa i smatralo se da je u fizici sve pronađeno.

U ozbiljnim naučnim krugovima se mislilo da je sklopljena manje više cijela slika opisa fizičkih pojava. Elektricitet, magnetizam, svetlost, mehanika, kosmologija, gravitacija, opisani su pomoću relativno jednostavnih jednačina. Međutim, ostale su još neke pojave koje nisu u potpunosti bile opisane.

U prvom redu tu je bila nemogućnost objašnjenja klasičnom fizikom zračenja tijela (tzv. crnog tijela), zatim pojava koje se dešavaju kada se površina metala obasja svetlošću (danas poznata kao fotoefekat), kao i primećeno spontano zračenje pojedinih hemijskih elemenata (što danas nazivamo radioaktivnost).

Šta je to kvantna fizika?

▪ Dio fizike koji se zasniva na principima neodređenosti, to jest da neke stvari ne možemo sa sigurnošću znati, niti ih tačno matematički odrediti.

Toplotno zračenje

▪ Zagrijano čvrsto tijelo zrači elektromagnetske talase i takvo zračenje se obično zove toplotno zračenje. Na primjer, putem elektromagnetskih talasa dolazi energija sa Sunca.

▪ Kada, na primjer, posmatramo komad željeza koje se zagrijava, na određenoj temperaturi (preko 500°C) ono postaje crveno usijano. Daljim zagrijavanjem, postaje jarko crveno itd. To znači da tijelo na nižim temperaturama emituje nevidljivo infracrveno zračenje. Na višim temperaturama tijelo počinje emitovati i vidljivu svjetlost.

Toplotno zračenje

▪ Još 1859. godine naučnik Kirchoff je postavio zakon zračenja koji glasi:

▪ Tijelo koje najviše apsorbuje zračenje najviše ga i emituje.

▪ Crne površine najviše apsorbuju zračenje koje na njih padne.

▪ Tijelo koje na svakoj temperaturi potpuno apsorbuje zračenje svih talasnih dužina naziva se idealno CRNO TIJELO.

Toplotno zračenje

▪ Ukupni intenzitet zračenja tijela je

▪ P- snaga zračenja

S- površina tijela

Jedinica je

Toplotno zračenje

▪ U prethodnoj relaciji snaga zračenja jednaka je:

E- energija koja zrači užareno tijelo, t- vremensko trajanje zračenja

Zakoni zračenja crnog tijela

▪ Fizičari su, krajem 19. stoljeća, mjerili intenzitete zračenja zagrijanog crnog tijela za različite talasne dužine. Koristili su specijalne prizme koje su propuštale i infracrveno zračenje.

▪ Oni su ustvari mjerili emisionu moć crnog tijela. To je veličina koja mjeri intenzitet zračenja u određenom intervalu talasnih dužina

Zakoni zračenja crnog tijela

▪ 1. Prva zakonitost je izražena Wienovim zakonom pomjeranja

Talasna dužina na kojoj je intenzitet zračenja maksimalan, obrnuto je proporcionaolna apsolutnoj temperaturi.

b= 2,9* Km

Zakoni zračenja crnog tijela

▪ 2. zakonitost izražena je Stefan-Boltzmanovim zakonom:

▪ Ukupni intenzitet zračenja idealnog crnog tijela proporcionalan je četvrtom stepenu apsolutne temperature.

Hipoteza o kvantima energije i Plancov zakon zračenja

▪ Svaki kvant nosi određenu količinu energije.

f- frekvencija zračenja, h- konstanta proporcionalnosti koja se zove Plancova konstanta i čija je vrijednost

h=6,626* Js

Hipoteza o kvantima energije i Plancov zakon zračenja

▪ Ukupna emitovana energija jednaka je cjelobrojnom umnošku energije jednog kvanta.

E=n*hfgdje je n= 1,2,3...(cio broj)

Zadaci

▪ 1. Za život na Zemlji najvažniji izvor energije je Sunce. Spektar Sunčevog zračenja se proteže od dalekog infracrvenog pa do ultraljubičastog zračenja. Ulaskom u Zemljinu atmosferu jedan dio zračenja se apsorbuje i raspršava. Do površine Zemlje dolazi zračenje talasnih dužina od 300nm do 2500nm. Maksimum zračenja je na talasnoj dužini 480nm. To je zelena boja, mada Sunce izgleda žuto zbog mješanja svih boja. Uz pomoć Wienovog zakona pomjeranja izračunaj temperaturu na površini sunca.

▪ 2. Talasna dužina monohromatske laserske svjetlosti iznosi 632nm. Kolika je energija jednog kvanta zračenja?