Atomová a jaderná fyzika

1. Atomová a jaderná fyzika Otázky k tématu 1

2. Téma 1 - obsah ATOMOVÁ FYZIKA 1.část – historie, východiska • Atomová fyzika – úvod • Vznik a vývoj atomové teorie • Základy kvantové teorie

3. Otázky a úkoly Téma I. A - Východiska Daltonovy atomové teorie – základní pojmy • Vyjmenujte základní chemické zákony a uveďte jejich znění. • Zachovává se klidová hmotnost a) v chemických reakcích b) v jaderných reakcích (případně s jakou přesností)? • Vyjmenujte základní postuláty atomové teorie podle Daltona. • Definujte pojmy atom a molekula, objasněte rozdíl mezi těmito pojmy.

4. Otázky a úkoly Téma I. B - Důležitá experimentální východiska fyzikální atomové teorie • Uveďte experimenty, z kterých vyplývá existence elementárního elektrického náboje. • Stručně charakterizujte Rutherfordův experiment a uveďte důležité závěry, které z něj plynou. • Vyjmenujte experimentální skutečnosti, které vedly k formulování fotonové hypotézy, stručně komentujte proč tyto experimenty nelze vysvětlit bez představy fotonů. • Popište vztah mezi energetickým spektrem a elmg. spektrem, uveďte vztah pro dovolené frekvence.

5. Otázky a úkoly Téma I. C – Historický vývoj teoretického popisu atomů • Stručně charakterizujte Thomsonův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky. • Stručně charakterizujte Rutherfordův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky. • Stručně charakterizujte Bohrův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky. • Stručně charakterizujte Sommerfeldův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky.

6. Otázky a úkoly Téma I. D – Podmínka formulace moderní atomové teorie - kvantová teorie, její základní pojmy • Uveďte hlavní myšlenku de Broglieho vlnové hypotézy, uveďte de Broglieho vztahy, uveďte experiment ve kterém se projevuje vlnová povaha částic. • Objasněte fyzikální význam Schrödingerovy rovnice. • Objasněte fyzikální význam vlnové funkce - (Bornův postulát). • Uveďte Heisenbergovy relace neurčitosti a objasněte jejich význam.

7. Otázky a úkoly1. Vyjmenujte základní chemické zákony a uveďte jejich znění. • Kapitola 1.1. na str. 10 (1. díl skript). • Z.z. hmotnosti a energie – jejich souvislost • Z. stálých a z. násobných poměrů slučovacích tzv. Daltonovy zákony • Z. stálých poměrů objemových a Avogadrův zákon – souvislost s pojmem molekuly • Faradayův zákon elektrolýzy – souvislost s kvantováním náboje iontů • V kapitole 1.1 najdete znění jednotlivých zákonů • POZOR – měli byste také umět vysvětlit jak jednotlivé zákony přispěly k vytvoření atomové teorie (zejména jak Daltonovy postuláty umožňují vysvětlit zákony Daltonovy)

8. Otázky a úkoly2. Zachovává se klidová hmotnost a) v chemických reakcích b) v jaderných reakcích (případně s jakou přesností)? • Je to otázka k zamyšlení (odpověď byste měli umět odvodit z poznatků v kap. 1.1 - tedy nepřímo) • Na základě Einsteinova vztahu ekvivalence mezi hmotností a energií by měl být z.z. hmotnosti a energie provázány. • Proč tedy byly v chemii formulovány jako zákony samostatné ? • Za jakých podmínek platí z.z. energie? • Pokud z.z. energie neplatí projeví se to vždy na změně hmotnosti systému? • Jak je tato (relativní) změna hmotnosti velká v případě chemických (změny energie okolo 107 J/kg) a v případě jaderných reakcí (okolo 1013 J/kg)– v kterém případě ji lze s dostatečnou přesností změřit?

9. Otázky a úkoly3. Vyjmenujte základní postuláty atomové teorie podle Daltona. • Kapitola 1.1.2, str. 13 (1. díl skript) • Uvedená formulace není dogma, zkuste formulovat Daltonovy představy vlastními slovy. • Vysvětlete jak tyto představy umožnily objasnit chemické zákony. • Korigujte (opravte a doplňte) postuláty s pohledu dnešních poznatků.

10. Otázky a úkoly4. Definujte pojmy atom a molekula, objasněte rozdíl mezi těmito pojmy. • Definujte atom prostřednictvím novodobých poznatků o stavbě atomu (základní info. např. kap. 1, str. 8, 1. díl, formulujte vlastní stručné znění definice atomu, a to i na základě dalších informací, zejména kap.1.1.4, příp. doplněné o náhled kvantové teorie na existenci konkrétních klasických drah elektronů). • Srovnejte původní definici Daltonovu atomu (definice z pohledu chemie) – jaký je vztah pojmů atom a prvek. • Definujte pojem molekuly na základě představ současné atomové teorie (využijte toho co znáte ze středoškolské chemie, příp. úvod kapitoly 1.5, str.99, 1.díl ). • Jak nahlíží na molekulu chemie z pohledu chemických vlastností látek. (prohlédněte si např. poznámku pod Avogadrovým zákonem na str. 12, 1.díl) • Jaké typy molekul znáte (z pohledu atomární struktury)? • Na základě předchozích faktů proveďte srovnání pojmů atom a molekula.

11. Otázky a úkoly5. Uveďte experimenty, z kterých vyplývá existence elementárního elektrického náboje. • Např. objev elektronu, elektrolýza nebo Millikanův experiment. • Co to je elementární elektrický náboj? • Objev elektronu (např. 1.1.3, str.14, 1.díl)– jak vznikají katodové paprsky – jak byla objasněna jejich podstata. Čemu je roven náboj elektronu. • Popište princip elektrolýzy a vysvětlete podstatu Faradayova zákona na základě atomistických představ. Jaké náboje mohou nést ionizované atomy (ionty). • Millikanův experiment – popište princip a výsledky(viz např. kap.1.1.3, str.15, 1.díl).

12. Otázky a úkoly6. Stručně charakterizujte Rutherfordův experiment a uveďte důležité závěry, které z něj plynou. • Základní informace např. skriptum kap. 1.1.4, str. 18-19, 1.díl. • Popište uspořádání (nejlépe popsané schéma). • Co bylo pozorováno a proč to bylo překvapující. • Jak lze vysvětlit výsledky experimentu (základní představa o složení atomu).

13. Otázky a úkoly7. Vyjmenujte experimentální skutečnosti, které vedly k formulování fotonové hypotézy, stručně komentujte proč tyto experimenty nelze vysvětlit bez představy fotonů. • Zejména vyzařovací zákon černého tělesa, Lenardův experiment a Comptonův jev. • Definujte pojem černého tělesa. Stručně vysvětlete historii kolem problému popisu jeho spektra. Objasněte Planckovu hypotézu (uveďte Planckův vztah včetně významu symbolů) – viz např. kap. 1.2.2, str.36, 1.díl • Vysvětlete fotoelektrický jev. Co se očekávalo z Lenardova experimentu na základě klasických (vlnových) představ o elmg. záření? Co bylo pozorováno? Jak vysvětlil Einstein tyto výsledky (uveďte Einsteinův vztah pro fotoefekt – tj. pro kin. energii vyraženého elektronu)? – viz. např. kap. 1.2.3, str. 38, 1.díl • Vysvětlete podstatu Comptonova jevu. Na základě jakého předpokladu vysvětlil Compton tento jev (uveďte Comptonův vztah pro spektrální posun vlnových délek a definici Comptonovy vlnové délky – popište použité symboly)? - viz. např. kap. 1.2.4, str. 40, 1.díl • Shrňte představy o částicové podstatě elmg. záření. Co je to foton, jak určíme jeho energii a hybnost z frekvence a vlnové délky elmg. záření?

14. Otázky a úkoly8. Popište vztah mezi energetickým spektrem a elmg. spektrem, uveďte vztah pro dovolené frekvence. • Energetické spektrum – soubor dovolených energetických stavů systému • Elektromagnetické spektrum (absorpční nebo emisní): spojité, pásové, čárové – viz. např. kap. 1.1, str.19-17, 1.díl • Při emisi či absorpci fotonu může systém přecházet jen mezi dovolenými energiemi přičemž platí zákon zachování energie. Spojením vztahu pro energii fotonu (na vln. délce nebo frekvenci) a ZZE dostaneme vztah mezi rozdílem energií dvou dovolených stavů a frekvencí či vlnovou délkou emitovaného nebo absorbovaného elmg. záření. (srovnej např. objasnění čárového spektra vodíku kap 1.1.5, str. 23, 1.díl)

15. Otázky a úkoly9. Stručně charakterizujte Thomsonův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky. • viz kap.1.1.3, str. 14, 1.díl • Z kterých experimentálních poznatků model vycházel (které měl vysvětlit)? - objev elektronu • Základní předpoklady modelu • Nedostatky modelu – s kterými exp. poznatky je model v rozporu (spektrum)

16. Otázky a úkoly10. Stručně charakterizujte Rutherfordův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky. • viz kap.1.1.4, str. 18, 1.díl • Z kterých experimentálních poznatků model vycházel (které měl vysvětlit)? - Rutherfordův exp. • Základní předpoklady modelu • Nedostatky modelu – s kterými exp. poznatky je model v rozporu (spektra, nestabilita – proč?) • Co z modelu zůstává v platnosti doposud (struktura)?

17. Otázky a úkoly11. Stručně charakterizujte Bohrův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky. • viz kap.1.1.5, str. 21, 1.díl • Z kterých experimentálních poznatků model vycházel (které měl vysvětlit), čárové spektrum • Základní předpoklady modelu (uvést kvantovací podmínku) • Popište energetické spektrum v tomto modelu (kvantovací vztah pro energii) • Nedostatky modelu – s kterými exp. poznatky je model v rozporu (jemná struktura spektra, účelový model – obecnější pohled kvantové teorie). Model byl přesto přínosem – proč?

18. Otázky a úkoly12. Stručně charakterizujte Sommerfeldův model atomu, vyjmenujte jeho nedostatky. • viz kap.1.1.6, str. 26, 1.díl • Z kterých experimentálních poznatků model vycházel (které měl vysvětlit)? – jemná struktura spektra vodíku • Základní předpoklady modelu (nerelativistický a relativistický), jaký tvar má dráha elektronu v rel. modelu? • Nedostatky modelu – s kterými exp. poznatky je model v rozporu (částečné objasnění jemné struktury spektra, účelový model – obecnější pohled kvantové teorie).

19. Otázky a úkoly13. Uveďte hlavní myšlenku de Broglieho vlnové hypotézy, uveďte de Broglieho vztahy, uveďte experiment ve kterém se projevuje vlnová povaha částic. • Viz např. kap.1.2.5, str.41, 1.díl • Objasnit korpuskulárně vlnový dualismus pro fotony (vztah energie a hybnosti fotnů s vlnovými charakteristikami) • Formulace de Broglieho hypotézy včetně de Broglieho vztahů a popisu de Broglieho vlny (zobecnění korpuskulárně vlnového dualismu pro jiné volné částice) • Jak se v experimentech může projevit skutečnost, že částice je popsána vlnou (skládání vln – interferenční jevy) • Davissonův – Germerův pokus – interference elektronových vln po odraze od různých atomových rovin – pozorování maxim a minim výskytu elektronů – difrakční obrazec. .

20. Otázky a úkoly14. Objasněte fyzikální význam Schrödingerovy rovnice. • Viz např. kap. 1.2.6 a 1.2.7, str. 47 – 51, 1.díl a 1.2.9, str. 53-54, 1.díl • Matematická formulace SR časové, str.47 – 51, 1.díl a bezčasové, str. 53 - 54, 1.díl (pro vázanou částici a obecně)– význam symbolů • O jaký typ rovnice se jedná z pohledu matematiky? • Kdy lze vystačit s bezčasovou SR • Co hraje úlohu neznámých v této rovnici? • Které fyzikální informace můžeme získat řešením bezčasové SR (energetické spektrum – vlnovou fci => hustotu pravděp. výskytu částice a z ní střední hodnoty fyzikálních veličin).

21. Otázky a úkoly15. Objasněte fyzikální význam vlnové funkce - (Bornův postulát). • Historické představy (viz. např. str.42-43, poznámky za de Broglieho vztahy) • Bornův postulát – definice, viz. kap. 1.2.8, str. 52, 1.díl, význam pro určení polohy částice – srovnání s klasickou představou určení polohy částice. • Co to je komplexní číslo, jak se počítá jeho modul (velikost). • Co to je pravděpodobnost, jak ji lze definovat a jak ji můžeme měřit (vysvětlit na příkladu – např. hod mincí hod kostkou) • Co rozumíme hustotou pravděpodobnosti (jakou má jednotku)? • Jak by se mohla měřit hustota pravděpodobnosti výskytu částice. • Jak spočítáme pravděpodobnost, že se částice bude vyskytovat v oblasti o objemu V (uveďte vztah a komentujte jej) , pomocí vlnové funkce. • K čemu slouží normovací podmínka – zapište ji v matematické formě.

22. Otázky a úkoly16. Uveďte Heisenbergovy relace neurčitosti a objasněte jejich význam. • Viz např. kap. 1.2.10, str.54, 1.díl • Je nějakým způsobem omezena přesnost měření libovolné dvojice fyz. veličin podle představ klasické fyziky. • Z kvantové teorie vyplývá, že některé dvojice nelze měřit s absolutní přesností – objasněte význam relace neurčitosti a jakou roli v ní hraje Planckova konstanta. • Je možno alespoň jednu veličinu z této dvojice změřit absolutně přesně – pokud ano, jaká bude chyba v určení druhé veličiny. • Uveďte příklad takové dvojice veličin a jim odpovídající relaci neurčitosti. • Uveďte příklad jiné dvojice, jejíž hodnoty lze současně změřit absolutně přesně.

23. Poznámky k testu • Přemýšlejte o obsahu – i když fyzika používá přesný jazyk (pojmy musí být přesné) je možné tvrzení a poznatky formulovat vlastními slovy. • Malá chyba v jinak precizně opsaném či naučeném textu mu může dát zcela jiný význam a odhalí tak nepochopení obsahu. • Přemýšlejte nad fyzikálním významem vztahů a rovnic – neznáte-li význam symbolů v nich, tyto rovnice a vztahy se stávají jen pěkným obrázkem. • Špatně čitelný rukopis znamená hrozbu nezapočtení správné odpovědi – navíc zdrží vyhodnocení testů vašich kolegů.

24. …. a obecně • Ve fyzice (a v každé vědě obecně) učenci nevymýšlejí své teorie z ničeho nic jako nějaké nepodložené fantazie, ale tak aby teorie objasnily experiment a tvořili přitom logický celek. • Vývoj vědy je dlouhý proces - poznatků je mnoho – zjednodušené podání v učebnici tak může vyvolávat pochybnosti o hloubce, návaznosti či dokonce reálnosti, naopak příliš detailní popis složitého systému vyvolává odpor a nedůvěru neodborníka.

25. … nepochopitelný mikrosvět ? • V mikrosvětě je se třeba smířit s tím, že jeho chování je jiné než to, které známe z běžné zkušenosti v makrosvětě. • Makrosvět lze pozorovat prostřednictvím smyslů. • Pro pozorování mikrosvěta musíme vřadit přístroj. • Jakýkoliv obrázek mikrosvěta je tak pouze schéma pomáhající popsat strukturu a pohyb objektů v něm. • Důsledky zákonitostí mikrosvěta se ovšem promítají i do pohybu makrosvěta.