E-učionica za učenje fizike

Arhiva za kategoriju ‘Fizika II’

Dvojna priroda materije

Materija ima dvojnu prirodu: talasnu i čestičnu. Svaka čestica oko sebe emituje talas.

Na sledećem linku kroz film u kome je glavni učesnik atom ugljenika i pitanja možete saznati više:

https://www.playposit.com/share/1/574238

 

Advertisements

Frank Hercov eksperiment

***Nobelova nagrada za fiziku 1925 godine  za otkriće zakona sudara elektrona sa atomima***

Značaj: Frank Hercov eksperiment je potvrdio da atomi mogu da se pobude samo predajom tačno određene količine energije, koja je jednaka razlici energija dva nivoa u atomu, uz odgovarajući kvantni prelaz u atomu.

Aparatura: U stakleni balon iz koga je uklonjen vazduh ugrađene su tri elektrode: katoda, rešetka i anoda. U balonu se nalazi živina para pod pritiskom od 133Pa. Sa usijane katode ( koja se zagreva ) polaze elektroni koji se ubrzavaju između anode i katode  naponom U, koji može da se menja. Rešetka se nalazi na relativno manjem naponu u odnosu na anodu (oko 0,5V). U eksperimentu je merena jačina anodne struje  elektrona I, koji polaze sa katode, sudaraju se sa atomima žive i stižu na anodu, a u zavisnosti od promene napona U.

Rezultati: Na osnovu rezultata merenja dobijen je grafik I=f(U) koji ima nekoliko maksimuma na međusobnim rastojanjima od 4,9 V.

Objašnjenje: Za vrednosti napona manje od 4,9 V elektroni se između anode i katode sudaraju sa atomima žive pri čemu praktično ne menjaju svoju kinetičku energiju zbog svoje male mase u odnosu na masu žive. Sa porastom električnog napona u tom intervalu, raste i broj elektrona koji stižu sa anode na katodu, što pokazuje i povećanje struje. Pri elastičnim sudarima sa elektronima atomi žive ostaju u osnovnom, nepobuđenom stanju. Kada napon dostigne vrednost od 4,9 V jačina struje je maksimalna. Dalje povećavanje električnog napona ima za posledicu smanjenje električne struje. Ovo se objašnjava time što svi elektroni koji imaju energiju od 4,9 eV predaju svoju energiju prilikom neelastičnih sudara atomima žive. Tada atomi žive prelaze iz osnovnog u prvo pobuđeno stanje. Isto se dešava i kada elektroni dobiju energiju od 2·4,9 eV = 9,8 eV. Tada elektroni u dva neelastična sudara ( sa dva atoma žive ) predaju svoju energiju atomima žive. Isto obrazloženje važi i za energiju elektrona od 14,7 eV kada imamo tri neelastična sudara elektrona sa atomima žive.

Predata energija elektrona pri neelastičnom sudaru sa atomom odvija se u skladu sa kvantnim zakonima:

FHerz_formula

Elektron predaje svu svoju energiju atomima žive u neelastičnom sudaru i ta energija je jednaka razlici energetskih nivoa između kojih se vrši prelaz

Zvuk

Šta je zvuk, infrazvuk i ultrazvuk?

Zvuk je mehanički talas, odnosno poseban oblik mehaničkog kretanja koje opažamo pomoću čula sluha. Naše uho kao zvuk opaža oscilacije čije su frekvencije u granicama 20-20 000Hz.

Infrazvuk je mehanička oscilacija čije su frekvencije manje od 20Hz.

Ultrazvuk je mehanička oscilacija sa frekvencijom većom od 20 000Hz.

Kako nastaje zvuk?

Zvuk se u vazduhu formira na taj način što se č-ce vazduha naizmenično zgušnjavaju i razređuju u pravcu prostiranja zvuka.

Da li se zvuk prostire u vakuumu?

U vakuumu (bezvazdusnom prostoru) – zvuk se ne prostire (zato što nema č-ca koje mogu da osciluju i prenose zvuk)

U čemu je razlika između tona i šuma?

Ton – zvuk koji se obrazuje harmonijskim oscilovanjem

Šum – rezultat složenog neperiodičnog oscilovanja.

Od čega zavisi brzina zvuka?

Brzina zvuka – zavisi od osobina sredine i temperature. Brzina zvuka u vazduhu je između 340m/s-400m/s.

sredina

brzina zvuka

voda

1450 m/s

morska voda

1550m/s

aluminijum

5000m/s

bakar

3500m/s

staklo

5500m/s

Koje su osnovne karakteristike zvučnih talasa?

Karakterisitke zvučnih talasa date su u tabeli:

JAČINA(INTENZITET)ZVUKA

Objektivna jačina zvuka

Subjektivna jačina zvuka

Jedinica: W/m2 (vat po metru kvadratnom)

 

Granica bola:

Najveća jačina zvuka koju uho može da čuje je 10W/m2, zvuk preko ove jačine naše uho oseća kao bol

Jedinica: dB (decibel)

 

Koliko glasno je glasno?

20dB – tiha soba tokom noći

40dB – tiha dnevna soba

60dB-običan razgovor

80dB-vika

110dB – rad bušilice u blizini

130 dB – poletanje aviona na udaljenosti 100m

OBLAST ČUJNOSTI 20-20 000Hz

Prag čujnosti ljudskog uha zavisi od frekvencije;Najniži prag čujnosti je za zvuk frekvencije 2500 Hz

 Da li postoji rizik od oštećenja sluha zbog slušanja preglasne muzike?

Rizik od oštećenja sluha – zavisi od 2 faktora – jačine zvuka i dužine slušanja. Što glasnije slušate muziku kraći je period u kome je slušanje bezbedno. Ako vam zuji u ušima posle skidanja slušalica, to je ozbiljno upozorenje da je muzika bila dovoljno glasna da vam ošteti sluh. Ako nosite slušalica dok hodate, vozite bicikl ili auto  – to može da bude opasno jer treba da vodite računa da NE PRIGUŠITE SVE ZVUKE IZ OKOLINE.

Šta je to probijanje zvučnog zida?

Kada avion u kretanju izjadnači svoju brzinu sa brzinom zvuka u vazduhu (340m/s-400m/s) – dolazi do pojave rezonancije čestica vazduha što se čuje kao jak prasak.

probijanje zvucnog zidalasta

Probijanje zvučnog zida je zapravo pojava rezonancije čestica vazduha, kada se brzina aviona izjednači sa brzinom zvuka u vazduhu.

Naelektrisane čestice u magnetnom polju

Kretanje naelektrisane č-ce u homogenom magnetnom polju

Kada naelektrisane č-ca uđe u homogeno magnetno polje normalno na linije magnetne indukcije kreće se po kružnoj putanji poluprečnika r=mV/qB, zbog delovanja Lorencove sile L=qVB. Vreme za koje č-ca u magnetnom polju obiđe tu kružnu putanju zavisi samo od vrednosti naelektrisanja q, mase m i intenziteta magnetne indukcije B. U homogenom magnetnom polju (B=const) vrednosti naelektrisanja q i mase m mogu se smatrati „ličnom kartom č-ce“. Na ovoj činjenici zasniva se rad uređaja za ubrzavanje č-ca i za dobijanje č-ca velikih kinetičkih energija – AKCELERATORA. Sudarači čestica se zovu kolajderi (kao što je na primer kolajder u institutu CERN).

Ciklotron.
Slika: http://www.home-edu.ru

1931. CIKLOTRON – Američki fizičar Lorenc konstruisao je akcelerator za dobijanje protona i atomskih jezgara vrlo velikih brzina. Za taj pronalazak je dobio Nobelovu nagradu za fiziku. Princip rada uređaja: glavni delovi uređaja su elektromagnet čije je polje homogeno i dve magnetne komore – duanti (na slici su obeleženi brojem 3). Duanti su priključeni na izvor naizmeničnog napona visoke frekvencije (broj 4 na slici). Usled toga postoji električno polje između duanata i ono ubrzava naelektrisane č-ce. U unutrašnjosti duanata postoji samo homogeno magnetno polje. Joni se stvaraju u središtu uređaja (na slici obeleženo brojem 1). Tako stvoreni joni imaju malu brzinu V normalnu na linije magnetne indukcije B kada uđu u jedan od duanata. Pod dejstvom Lorencove sile svaki jon će opisati polukružnu putanju poluprečnika: r=mv/qB. Za to mu je potrebno vreme T/2= πm/qB . Svaki put kada jon izađe iz duanta u električno polje na njega će da deluje električna sila koja ga ubrzava i kinetička energija mu se povećava za qU , gde je U razlika potencijala između duanata. Taj proces se ponavlja nekoliko puta što povećava poluprečnik putanje jona dok on ne postane dovljno veliki da se izbaci iz ciklotrona (na slici linija označena brojem 2 pokazuje putanju jona).

1941. BETATRON – Američki fizičar Kerst konstruisao je betatron za ubrzavanje elektrona. U betatronu se koristi pojava elektromagnetne indukcije. Glavni delovi su: elektromagnet i staklena komora oblika đevreka koja se nalazi između polova elektromagneta. U komori je vakuum. Elektroni se iz posebnog izvora ubacuju u komoru koja prolazi kroz središte komore. Jako magnetno polje održava elektrone na kružnoj putanji. Magnetno polje nije konstantno i menja se promenom struje u elektromagnetu. Zbog toga se povećava magnetni fluks kroz površinu kruga omeđanog putanjom elektrona, što dovodi do indukovanja vrtložnog elektromagnetnog polja koje ubrzava elektron. Elektron ostaje na istoj putanji i kada dostigne dovoljno veliku energiju, skreće se sa putanje i izbacuje iz betatrona. Pri tome elektroni pređu istu kružnu putanju nekoliko stotina hiljada puta.

1994 – 2008 AKCELERATOR, CERN – 14 godina trajala je izgradnja LHC – Large Hadron Collider-a (česticnog akceleratora i komore za sudaranje) i ATLASA – najsavrsenijeg detektora subatomskih cestica. Vise od 10 000 naučnika i vise od 6 milijardi dolara, posle 14 godina izgradili su infrastrukturu za najsloženiji i najveci fizički eksperiment u istoriji naše civilizacije (75 hidrauličnih konektora za magnet detektora proizvedeno je 2002 u Kragujevcu u firmi Zastava alati i transportovano u Cern 2003).

Cern. Tunel dužine 27 km.
Slika: http://www.cern.ch

Tunel dužine 27 km, na 100 m ispod površine zemlje, sa supermagnetima magnetnog polja 100 000 puta jačim od magnetnog polja Zemlje (unutrašnjost tunela se održava na -271C). Cilj eksperimenta je dobiti odgovor na pitanje: Šta materiji daje masu – tj. da li postoji Higzov bozon? (takođe proučavanje antimaterije i crne materije).

2013  otkriće „Higzovog bozona“ i Nobelova nagrada za fiziku – Zahvaljujući sudaranju ubrzanih  č-ca otkriven je „Higzov bozon“ – takozvana Božja č-ca u eksperimentu veka koji je potvrdio teoriju i doneo nobelovu nagradu za fiziku (1,2 miliona dolara) belgijanacu Fransoa Engler-u i britanacu Piter Higs-u za rad o poreklu mase subatomskih č-ca. Oni su nagrađeni zbog „teorijskog otkrića mehanizma koji doprinosi našem shvatanju porekla mase subatomskih čestica“. Nagrađena teorija je centralni deo standardnog modela fizičkih čestica kojim se opisuje konstrukcija sveta.

Otkrivanje Higzovog bozona.
Slika: www. cern.ch

2014.DALJI PLANOVI: NOVI PODZEMNI SUDARAČ ČESTICA 4 PUTA VEĆI – Budući planovi CERN-a su vezani su za izgradnju novog podzemnog sudarača subatomskih čestica koji bi bio četiri puta veći od postojećeg sa ciljem da se postignu energije osam puta veće od energija koje se trenutno postižu. Podzemni tunel bi bio dug 100 kilometara. Eksperti će razmatrati i koji tip čestica će se sudarati u njemu. Novi kolajder bi mogao da bude operativan do 2035 kada bi postojeći „otišao“ u penziju.

Spektar atoma vodonika

Spektar atoma vodonika se objašnjava – kvantnim prelazima.

Emisioni spektar atoma vodonika

spektar av1 copy

Demonstracija: propuštanjem svetlosti vodonikove lampe kroz prizmu dobija se spektar atoma vodonika na zaklonu, slika:chemwiki.ucdavis.edu

Kada se svetlost vodonikove lampe propusti kroz prizmu na zaklonu se  dobija vidljivi deo  spektra atoma vodonika, kao na slici:

exp_linije

Eksperimentalno dobijene emisione spektralne linije atoma vodonika, slika: chemwiki.ucdavis.edu

Tanke linije predstavljaju emisioni spektar – linije nastaju pri tačno određenim frekvencijama zračenja – odnosno na tačno određenim talasnim dužinama. Kada elektron u atomu prelazi sa višeg na niži energetski nivo emituje se foton (čestica svetlosti) tačno određene energije (frekvencije i talasne dužine) – što proizvodi karakterističan spektar.

Hemission1

Emisione spektralne linije atoma vodonika i vrednosti talasnih dužina, slika: intro.chem.okstate.edu

Serije spektralnih linija koje nastaju kod vodonika su: Lajmanova (prelaz elektrona na prvi nivo), Balmerova (prelaz elektrona na drugi nivo), Pašenova (prelaz elektrona na treći nivo), Brektova (prelaz elektrona na četvrti nivo) i Pfundova (prelaz elektrona na peti nivo). Jedino Balmerova serija spada u oblast vidljivog dela spektra.

serije-spektra1

Spektralne serije kod atoma vodonika, slika: chemweb.ucc.ie

Spektralne serije sa vrednostima odgovarajućih talasnih dužina emitovanog zračenja date su na sledećoj slici:

spektralne-linije-1

Spektralne serije i vrednosti talasnih dužina atoma vodonika. U zagradama su navedene godine kada su otkrivene, slika: en.wikipedia.org

Ridbergova formula za talasnu dužinu:

ridbergovaformula-2

pri čemu je m>n.

Za n=1 govorimo o Lajmanovoj seriji, m=2,3,4…

Za n=2 govorimo o Balmerovoj seriji, m=3, 4, 5,… itd.

Ridbergova konstanta

R=10967758  1/m

Apsorpcione i emisione linije spektra

Emisioni (ili apsorpcioni) spektar je za svaki atom drugačiji – pa se može smatrati za „ličnu kartu atoma“ ali i više od toga jer otkriva informacije o uslovima koji vladaju u sistemu i oko njega.

Apsorpcioni spektar nastaje kada atom apsorbuje energiju fotona (zato što elektron prelazi sa nižeg na viši energijski nivo). Emisioni spektar nastaje kada atom emituje foton (zato što elektron prelazi sa višeg na niži energetski nivo). Svaki spektar je okarakterisan odgovarajućom spektralnom linijom. Za isti atom (npr. isti gas)  se uvek dobija isti položaj apsorpcionih ili spektralnih linija (pogledaj sliku).

Spektralna linija nastaje emisijom (ili apsorpcijom) unutar sistema (atoma) i upravo zbog toga mora da karakteriše i sam taj sistem – atom, ali i uslove u sistemu koji su prisutni u toku emisije (ili apsorpcije). Interakcije koje utiču na atom (npr. spoljašnje električno, magnetno, gravitaciono polje) utiču i na oblik spektralne linije. Zato je u obliku spektralne linije zapisano sve o uslovima koji su vladali u sistemu u trenutku nastanka linije.

apsorpcione-i-emisione-lini

Apsorpcioni i emisioni spektar paralelno pored odgovarajućih apsorpcionih i emisionih linija u spektru atoma vodonika, slika: http://www.astronomynotes.com

Ponovite gradivo uz objašnjenje spektralne emisije vodonika i helijuma na Engleskom jeziku:

Nivoi energije u atomu

Energija atoma je kvantovana. To znači da atom može imati samo određene diskretne vrednosti energije. Diskretne vrednosti energija E1, E2,….En se nazivaju energijski nivoi atoma.

Energija atoma je obrnuto srazmerna kvadratu glavnog kvantnog broja. Glavni kvantni broj je prirodan bron n koji prebrojava energijske nivoe: n=1,2,3,…

Atom vodonika

Vezani elektron u atomu vodonika može da ima jednu iz diskretnog niza mogućih energija, što zavisi od toga na kojoj se „orbiti“ nalazi.

Ako je n=1 govorimo o osnovnom energijskom nivou, čija energija iznosi E1=-13,6ev. Znak minus znači da je elektron u vezanom stanju u atomu.

Vrednosti energija po nivoima možemo izračunati kada 13,6ev podelimo sa kvadratom odgovarajćeg kvantnog broja. Formula je:

formula

Tako dobijamo vrednosti energija: E2=-3,40ev, E3=-1,51ev i tako dalje. Znak minus (odnosno negativne vrednosti energije) ukazuju da je elektron vezan u atomu.

Kada elektron dostigne vrednost energije od E=0 ev može biti emitovan kao fotoelektron. Zapravo, u „beskonačnosti“ vrednosti energije postaju pozitivne i elektron postaje slobodan. To stanje nazivamo kontinum.

Atom ne emituje elektromagnetno zračenje sve dok se elektron nalazi na jednom od mogućih diskretnih energijskih nivoa. Zato se ova stanja atoma nazivaju stacionarna (postojana) stanja.

nivoi

Stacionarni energijski nivoi u atomu, slika: quakeoutq.es.tl

a_level_physics_notes_energy_levels_of_atoms_html_1c9c9318

Energijski nivoi kod atoma vodonika sa vrednostima energija. Glavni kavantni broj n prebrojava nivoe, slika: http://www.regentsprep.org

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Borov model atoma vodonika – java aplet za lakše i očiglednije učenje:

http://www.walter-fendt.de/ph14yu/bohrh_yu.htm

Pogledajte objašnjenje dijagrama energijskih nivoa za atom vodonika i za atom žive na Engleskom jeziku:

Raderfordov eksperiment

Raderford je 1911 godine uradio eksperiment koji je dao odlučujući doprinos formiranju modela strukture atoma.

Rasejavanje α-čestica kroz tanke listiće zlata

Iz radioaktivnog izvora koji je smešten u olovnoj kaseti, snop α-čestica se usmerava ka tankom listiću od zlata. Posle prolaska kroz listić snop i rasejane α-čestice izazivaju svetlucanje na fluorescentnom zaklonu.

Razultati ekserimenta

Najveći broj α-čestica iz snopa stiže do ekrana bez skretanja ili skreće pod vrlo malim uglom. Tek poneka čestica se vrati unazad.

rutherford_expt

Zaključci na osnovu rezultata:

  • ako najveći broj α-čestica prolazi bez skretanja kroz listić zlata onda je najveći deo prostora koji atom zauzima prazan;
  • kako veoma mali broj α-čestica skreće sa pravca kretanja po prolasku kroz listić, a još manji broj se kraće unazad, najverovatnije da su celokupna masa atoma i njegovo pozitivno naelektrisanje koncentrisani u vrlo malom delu prostora koji zauzima atom.
  • elektron čija je masa mnogo manja od mase α-čestice ne predstavlja prepreku prolasku α-čestice kroz atom

Na osnovu toga je pretpostavljeno: Ukupna masa atoma i njegovo pozitivno naelektrisanje nalaze se u centru atoma i koncentrisani su u veoma malom prostoru a oko tog centra se kreću elektroni.

Planetni model atoma

Elektroni se kreću po zatvorenim putanjama oko jezgra, što podseća na kretanje planeta oko Sunca. Kretanje planeta je uslovljeno gravitacionim delovanjem Sunca a kretanje elektrona električnim delovanjem jezgra.

nuclear

Kako objasniti stabilnost atoma?

Elektroni kruže oko jezgra i posle nekog vremena (10 exp(-10)s) trebalo bi da upadnu u jezgro (zbog gubitka energije usled zračenja i prema predvidjanju klasične fizike), ali se to ne dogadja. Odgovor daje kvantna fizika (fizika kojom se opisuje mikro svet) a suština je u postojanju stacionarnih stanja.

Elektroni se u atomima nalaze u posebnim stacionarnim stanjima, kojima odgovaraju strogo određene energije, energijiski nivoi, koji se ne menjaju bez spoljašnjih uticaja. Dok  se elektron nalazi u stacionarnim stanjima atom ne emituje niti apsorbuje elektromagnetno zračenje (prvi Borov postulat).

Naučna simulacija Raderfordovog rasejanja (eksperimenta)

Ako ste još u dilemi – kako je Raderford otkrio strukturu atoma kada nije mogao da ga vidi, simulirajte eksperiment koji je dokazao da atom mora da ima malo jezgro:

Радерфордово (Rutherford) расејање скриншот

Pogledajte animaciju i objašnjenje Raderfordovog eksperimenta na Engleskom jeziku:

Izgled strukture atoma i objašnjenje na Engleskom jeziku pogledajte na:

Dvojna (dualna) priroda svetlosti

Svetlost je elektromagnetni talas.

Priroda svetlosti, odnosno elektromagnetnog zračenja je dvojaka: u nekim pojavama EM zračenje se ponaša kao skup čestica (fotoefekat, Komptonov efekat) a u drugim pojavama EM zračenje ispoljava osobine talasa (interferencija, difrakcija i sl.). Osnovne karakteristike talasa su frekvencija (ν) i talasna dužina (λ) a osobine čestica energija (E), masa (m) i impuls (p).

Vidljivi deo spektra EM talasa mi nazivamo svetlost.

Osnovne karakteristike EM talasa su:

Brzina elektromagnetnih talasa: C=ν•λ

Frekvencija elektromagnetnih talasa: ν=C/λ

Talasna dužina elektromagnetnih talasa: λ=C/ν

Brzina svetlosti je najveća brzina u prirodi i iznosi C=300 000km/s.

Spektar elektromagnetnog zračenja

EM_spectrum

Oblasti spektra elektromagnetnog zračenja: radio talasi, mikrotalasi, infracrveni talasi, vidljiva svetlost, ultravioletni talasi, X zračenje i Gama zračenje. Na slici su navedene i vrednosti talasnih dužina, slika: http://www.electrosensitivity.org

Animaciju o spektru elektromagnetnog zračenja na Engleskom jeziku pogledajte ovde:

Pogledajte film NASA eksperata: Elektromagnetni talasi:

Komptonov efekat

Komptonov efekat je rasejanje fotona (čestice svetlosti)  sa atoma pri čemu foton gubi deo energije i menja talasnu dužinu.

Razlika između Komptonovog i fotoelektričnog efekta  je u tome što foton kod fotoefekta pri sudaru sa elektronima u atomima predaje svu svoju energiju.

Komptonovo rasejanje se javlja na svim materijalima, najviše sa fotonima srednjih energija od 0,5 Mev do 3,5Mev. U slučaju Komptonovog efekta foton može da se sudari sa elektronom na sličan način kao što se sudare bilijarske kuglice.

Komptonov_efekat

Komptonov pomeraj je razlika talasnih dužina fotona pre i posle sudara:

ΔΛ=Λ′-Λ=h/m•C(1-cosθ)

Komptonova talasna dužina

Λc=h/m•C

Komptonova talasna dužina za elektron iznosi 2.43•10exp(-12)m.

(više…)

Rasejanje svetlosti

Rasejanje svetlosti je pojava skretanja svetlosnih zrakova na sve strane u odnosu na prvobitni pravac kretanja snopa svetlosti. Ova pojava nastaje zbog optičke nehomogenosti sredine kroz koju prolazi svetlost.

Kod optički nehomogene sredine se od tačke do tačke menja indeks prelamanja (npr.  zbog fluktuacije gustine, prisustva drugih čestica itd.). Rasejanje svetlosti može se posmatrati i kao difrakcija na neuređenim prostornim preprekama i otvorima čiji se raspored u prostoru menja usled toplotnog i haotičnog kretanja čestica.

Zašto je nebo danju plavo a rano ujutru ili uveče crveno?

Molekulskim rasejanjem sunčeve svetlosti u vazdušnoj atmosferi objašnjava se plava boja neba. Iz spektra vidljive svetlosti najviše se rasejavaju talasi kratkih talasnih dužina (Relijev zakon). Na isti način se objašnjava jutarnje i večernje crvenilo neba. Pri izlasku i zalasku sunca do našeg oka dopire njegova svetlost kroz atmosferu. Do našeg oka stiže svetlost sa najvećim talasnim dužinama (crvena i žuta), pošto se takva svetlost najmanje rasejava.

rasejanje

Koje boje bi bilo nebo kada Zemlja ne bi imala atmosferu?

U tom slučaju ne bi bilo molekulskog rasejanja i nebo bi i danju i nocu izgledalo isto – tamno.

Oblak oznaka

%d bloggers like this: