Klasszikus fizika

1. Klasszikus fizika • Mechanika • Hőtan • Elektromosságtan • Mágnesesség • Fénytan (Optika) Kezdetben: Kísérletek Később: A matematika fejlődésével párhuzamosan. Elméleti összefüggések • (Pl.Uránusz) A 19. század végéig hatalmas fejlődés Elméleti összefüggések Jelenségek megfigyelése

2. A modern fizika alapjai • A klasszikus fizikában volt néhány tapasztalat, amit nem lehetett összeegyeztetni a newtoni mechanika és maxwell-i elektromágnesesség alapelveivel. • Ezek az ellentmondások olyan területekhez kapcsolódnak, ahol az embernek nincs lehetősége érzékszervi tapasztalatokat szerezni. • (pl. Fénysebesség közelében)

3. A klasszikus fizika világképe fénysebesség közelében nem alkalmazható!

5. Modern fizika 1. szakaszA relativitás elmélet születése 1. Megoldatlan kérdés: mihez viszonyítva terjed a fény c=300.000 km/s sebességgel. A vonat fénysebességgel halad A tetején menetiránnyal megegyezően szaladunk v sebességgel A sebességünk a - Földhöz képest- fénysebességnél nagyobb??

6. 1. kérdés feloldása:Speciális relativitáselmélet Einstein szerint: A fény bármilyen inerciarendszerhez képest c=300.000 km/s sebességgel terjed. Albert Einstein(1879-1955) német fizikus

7. 2. kérdés A transzverzális, mechanikai hullámok közvetítéséhez szükséges egy rugalmas közeg. A fény transzverzális hullám. Mi közvetíti? Létezik egy a fény terjedését biztosító, világmindenséget kitöltő rugalmas anyag: az éter??Minden kísérlet, ami az éter kimutatására irányult eredménytelennek bizonyult. • Einstein szerint: nincs éter

8. Speciális relativitáselmélet további eredményei Tömeg-energia ekvivalencia egyelet: Ahol : E - egy tetszőleges test összenergiája, m - a test tömege, c - a vákuumbeli fénysebesség Eszerint, ha egy testnek nő az energiája, a tömege is nő.A tömegből származó energia nagy része már nyugalmi állapotban is a testekben van.

9. Speciális relativitáselmélet következményei: Hosszúság-kontrakció Egy nyugvó rendszerben l hosszúságú test egy v sebességgel mozgó koordinátarendszerben megrövidül. Hosszúsága az eredeti hosszúság -szorosa lesz. Ez a jelenség hosszúságmérő eszközökkel nem bizonyítható, mivel azok is hosszúság-kontrakciót szenvednek.

10. Speciális relativitáselmélet következményei: Idő-dilatáció • Egy nyugvó rendszerben Δt idő alatt lejátszódó esemény egy v sebességgel mozgó koordinátarendszerben hosszabb ideig tart: ∆t

12. Max Planck német fizikus A 20. századi fizika egyik elindítója volt, aki nem hitte el, hogy már mindent felfedeztek. • „a tudományos igazságok előbb-utóbb érvényre jutnak, de nem úgy, hogy belátják a tévedésüket azok, akik korábban ellenezték, hanem úgy, hogy lassan kihal az a generáció, amely nem volt képes az új gondolatokat befogadni.”

13. A kvantumelmélet születése A Nap látható, ultraibolya, infravörös (elektromágneses ) hullámok formájában érkezik a Földre. De kevésbé forró testeknek is van hősugárzása. Az erősebben felmelegedő testek pedig látható fényt is kibocsátanak: először vörös, majd egyre fehérebb izzással. Az abszolút fekete test energia kibocsátása a hullámhossz függvényében (Planck-görbe)

14. Hőmérsékleti sugárzás • A testek hőmérsékletétől függő erősségű és összetételű elektromágneses sugárzást hőmérsékleti sugárzásnak nevezzük.A hőmérsékleti sugárzás tapasztalati törvényeit a klasszikus fizika törvényeivel nem tudták megmagyarázni.

15. Max Planck 1900-ban olyan matematikai összefüggést vezetett le, amely pontosan összhangba volt a tapasztalatokkal. Feltételezte, hogy a testek hőmérsékleti sugárzásának energiája kis adagokból, úgynevezett kvantumokból tevődik össze. Egy kvantum energiája: E=h*f f- a rezgés frekvenciája, h - Planck állandónak nevezünk.

16. Planck-hipotézis • A kvantum energiája egyenes arányban áll a hullám frekvenciájával. • Newton: „A természet nem csinál ugrásokat”

17. A fényelektromos jelenségFotoeffektus • Nagy frekvenciájú fény hatására a negatív töltésű cink lemezt elektronok hagyják el • A lemez pillanatszerűen elveszíti negatív töltését. • A jelenség független a fény intenzitásától. • Ez a jelenség a fotoeffektus.  nagy frekvenciájú fény 1888. A. Sztoljetov ( orosz ) és W. Hallwachs ( német )

18. Magyarázata • Albert Einstein 1905. • Planck kvantumhipotéziséből kiindulva: ezek az energiakvantumok fénysebességgel repülnek és önálló részecskéknek tekinthetők. • A fény kvantumjai: fotonok • Egy foton energiája egyenesen arányos a fény frekvenciájával.

19. Az alkáli fémek ( Li, Na, K, Rb,…) esetében ez a jelenség már látható fény hatására is létrejön. Ezen alapszik a fotocella működése. Látható fény hatására az alkálifém katódról elektronok lépnek ki az anód gyűjtőhurok felé, melyeket az anód be is gyűjt. Az anód és a katód között potenciálkülönbség alakul ki, melyet aztán egy áramkörben hasznosítanak.

20. 1905. Albert Einstein A fotoeffektus magyarázata. Azt a legkisebb energiát, amely az elektronnak a fémből való kiléptetéséhez szükséges, kilépési munkának nevezzük. Ezek után Ez az ún. fényelektromos egyenlet Ahol a foton energiája kilépési munka az elektron mozgási energiája

21. Az atom fogalom fejlődése

22. Az atom görög szó, jelentése: oszthatatlan. • Demokritosz ( i.e. 460 – 370 ): • Az atomisták vezetője • Az anyag nagyszámú, parányi, tovább már nem osztható részecskéből áll.

23. 1. atommodell: PUDING MODELL 1904. J. J. Thomson: „Mazsolás puding modell” (≈ 10-10 méter) A pozitív töltésű atomban a negatív töltésű elektronok elszórtan helyezkednek el.

24. 2. atommodell: NAPRENDSZER MODELL 1909. (Sir) E. Rutherford ( angol ): aranyfüst fóliát bombázott α részecskékkel. Az He ionok nagy része változatlanul áthaladt a fólián, viszont néhány esetén nagyfokú eltérülést tapasztalt.

25. Magyarázat • Az atom belseje majdnem teljesen üres. • Az atom tömegének nagy része egy igen kicsi térfogatú központi részben az atommagban található. Atommag felfedezése: nucleus ( r ≈ 10 -14 m) Az atommag pozitív töltésű!

26. 1911. E. Rutherford: bolygók + Nap ≈ atommag + elektronok

27. Kémiai elemek • Olyan anyagok, amelyek egyféle, kémiai szempontból azonos atomokból épülnek fel. • Atommagjukban azonos számú protont tartalmaznak. • Rendszerük: Periódusos rendszer Z- protonok száma, rendszám A- tömegszám (protonok+neutronok száma) N- neutronok száma

28. Izotópok • Az azonos protonszámú, de különböző neutronszámú atomok Hidrogén izotópjai 1 proton 1proton 1 proton 0 neutron 1 neutron 2 neutron Hidrogén Deutérium Trícium

29. 3. modell: Bohr-féle atommodell Az atom elektronjai csak meghatározott pályákon keringhetnek a mag körül. Az elektron nem sugároz. () Minden héjon csak meghatározott számú elektron tartózkodhat.

30. Kvantumszámok • Főkvantumszám Az atommag és az elektronfelhő átlagos távolságára ad felvilágosítást.Jele: nÉrtéke: 1, 2, 3…(pozitív egész számok) • Mellék-kvantumszám Az elektronfelhő alakjára ad felvilágosítást.Jele: lÉrtékei: 0, 1, 2…(n-1)

31. Mágneses-kvantumszám Az azonos alakú, tehát azonos mellék-kvantumszámú pályák irányára ad felvilágosítást. Jele: mÉrtékei: -l, (-l+1)…..0…..+l • Spinkvantumszám Az elektronfelhő impulzusmomentumára, mágneses tulajdonságára ad felvilágosítást. Jele: msÉrtéke: +1/2 vagy –1/2

32. Pauli-féle kizárási elv • Az atom nem lehet olyan állapotban, amelyben két vagy több elektronjának mind a négy kvantumszáma megegyezik.

33. Energia (Foton) kibocsátás Az atom csak akkor sugároz, ha az elektron az egyik pályáról a másikra ugrik. , Foton elektron atommag

34. Energia (foton) elnyelés • Az atom csak olyan foton befogására képes, amelynek energiája éppen egyenlő két pályaenergia különbségével. elektron Foton

35. A fény kettős természeteA fény az elektronhoz hasonlóan viselkedik Ha a fény valamely közegben terjed HULLÁM A fény kisugárzása és elnyelése közben RÉSZECSKE

36. Foton és elektron paraffin • A. Compton Tapasztalat: A szórt fotonra és az elektronra érvényes az impulzus- megmaradás törvénye.

37. Foton tömege • Az előző kísérlet alapján kiderült, hogy a fotonnak van tömege és lendülete. Planck-hipotézis: E=h*f, ahol h-Planck állandó Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia: E=m*c2 m*c2=h*f

38. Foton lendülete I=m*c=h*f/c=h/ c-fénysebesség -hullámhossz f-frekvencia m-foton tömege

39. Eredmények Az elektromágneses mezőnek van tömege, lendülete, energiája. Az elektromágneses mező az anyag egyik megjelenési formája.

40. Az elektron A fény kettős természetű: • elektromágneses hullám • részecske Az elektron, mint részecske: Tömege: m=9,1*10-31 kg; Töltése: e=-1,6*10-19 C Vajon egy elektron is rendelkezik hullám tulajdonságokkal? Igen

41. Az elektron, mint hullám • De Broglie: Az anyagi részek mozgása is leírható hullámtulajdonságokkal. Egy v sebességgel mozgó elektron hullámhossza: I=h/=m*v =h/(m*v) Ahol h-Planck –állandó m-elektron tömege

42. Heisenberg-féle határozatlansági reláció • Az atomi részecskék mozgástörvényei valószínűségiek. • Egy részecske helyét és lendületét nem lehet teljes pontossággal meghatározni. ∆x* ∆I ≥ h/4

43. 4. modell: Hullámmodell Jellemzői: • Az elektronok hullámtermészetét is figyelembe veszi. • Az atom elektronállapotát az atommag vonzásterében kialakuló De Brolie hullámokkal írja le. • A modell végre összhangban van a kísérleti eredményekkel.

44. Atommagfizika

45. Atommag részei • Proton • Tömege: • mproton=1,67*10-27kg • Töltése: e=1,6*10-19 C • Száma: Z db (rendszám) • Neutron Tömege: mprotonmneutron Töltése: nincs Száma: N db Tömegszám (A) Nukleonok száma: A=Z+N

46. Atommag tömege: • Mmag=A*mproton • Ahol A-atommag tömegszáma

48. Nukleáris kölcsönhatás • A pozitív töltésű protonok elektromos kölcsönhatása: taszító! A magon belül lennie kell egy vonzó jellegű kölcsönhatásnak . Ez a nukleáris kölcsönhatás Más néven: erős kölcsönhatás, magerő.

49. A nukleáris kölcsönhatás tulajdonságai • Rövid hatótávolságú, csak a szomszéd nukleonok között hat. • Százszor erősebb,mint az elektromos kölcsönhatás. • Töltés független

50. Atommagok kötési energiája • Kötési energia: az a munka amely ahhoz szükséges, hogy az atommagot alkotórészeire bontsuk szét. • Az atommagok kötési energiáját megadja az Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia képlet: E=m*c2