1) analyses, on selected examples, thermal radiationradiationradiation of bodies and its dependence on temperature;
2) describes the wave‑particle duality of light; explains the concept of photonphotonphoton and its energy;
3) describes qualitatively the origin of emissionemissionemission and absorptionabsorptionabsorption spectra of gases;
4) interprets spectral lines as a result of transitions between energy levels in atoms with the emission or absorption of a quantum of light; distinguishes between the ground state and excited states of the atom;
5) describes ionization, photoelectric and photochemical phenomena as induced only by radiation with a frequency above threshold.
1. How do we describe the thermal radiationradiationradiation of bodies?
Bodies at a temperature higher than absolute zero (0 K = -273⁰C) are a source of electromagnetic radiation, called thermal radiation. These bodies can emit and absorb electromagnetic radiation.
The ability of bodies to emit and absorb radiation allows us to explain the existence of colours. The colour of the body depends both on the spectrum of the incident electromagnetic wave and on which wavelengths are absorbed better or worse by a given body. If the blue light is incident on a body which almost completely absorbs it, then the colour detected by the human eye would be black.
To describe thermal radiation, its emission and absorption by a body, a black bodyblack bodyblack body model was created. A black body is a body that completely absorbs the electromagnetic radiation that is incident on it, regardless of the wavelength and temperature at which this process takes place.
The heated bodies emit thermal energy in the form of electromagnetic waves.
The total energy emitted by a body having a temperature T is described by the formula , if the ambient temperature is 0 K (where is a constant whose value is equal to 5,67 · 10Indeks górny -8-8). This dependence is known as the Stefan‑Boltzmann law. This formula shows that the energy emitted increases rapidly with increasing temperature.
Wien’s displacement law states that objects of different temperature emit spectra that peak at different wavelengths.
where: b – Wien’s displacement constant, b = 2,89 · 10Indeks górny -3-3 m·K, T – body temperature expressed in absolute scale (K).
2. Continuous, line, emissionemissionemission and absorptionabsorptionabsorption spectra.
The spectrum is a registered image of electromagnetic radiationradiationradiation. This image consists of different wavelengths (colours). Each wavelength is associated with its corresponding frequency and energy.
Instruments used for imaging and examining of spectra are spectroscopes and spectrometers.
The thermal radiation spectrum of solids and liquids is continuous - in this spectrum all wavelengths are present and there are no gaps between them; an example of a continuous spectrum is a rainbow.
The spectrum, which consists of many separate coloured lines, is called the line spectrumline spectrumline spectrum.
The line spectrum is typical for gases consisting of atoms or molecules. Examples are hydrogen, helium, neon, argon and mercury or sodium vapours. All elements in the gaseous state have a characteristic line spectrumline spectrumline spectrum.
[Illustration 1]
EmissionemissionEmission spectra are spectra of radiationradiationradiation emitted by bodies excited to glow. Line emission spectrum is generated by heated gases and continuous emission spectrum - by hot solids. Gases, whose molecules have a complex, multi‑atom structure, emit band emission spectra.
The absorptionabsorptionabsorption spectrum is created as a result of absorption of electromagnetic radiationradiationradiation by a body.
If the radiation having a continuous spectrum passes through a cooled gas, then the energy of electromagnetic waves is absorbed exactly at the wavelengths that a given atom can emit.
In the absorption spectrum, dark lines are visible - they are located at the wavelengths that have been absorbed by a given gas.
Fraunhofer was the first to observe such dark lines in the spectrum of sunlight. We call them Fraunhofer lines.
[Interactive graphics]
3. What is a photon?
A photonphotonphoton is a portion (quantum) of electromagnetic radiationradiationradiation energy. We can treat it as a particle that has the following characteristics:
- There is no rest mass. - There is no electric charge. - It has energy that is expressed by the formula:
where: h – a universal constant, called the Planck constant, which is equal to 6,63 · 10Indeks górny -34-34 J⋅s, – the frequency of radiation emitted or absorbed, c – speed of light, – wavelength of radiation.
4. Atom models.
The atom's model has evolved over time. The subsequent scientific discoveries made it possible to explain the structure of the atom more and more accurately.
- Thomson's model:
In 1897 Thomson discovered the electron. The electron is a component of all atoms. Atom has a structure that includes electrons. This structure was called the „raisin cake” model.
Bohr created the atom model based on the Rutherford model. He formulated two postulates:
I. The electron can circulate around the nucleus only on selected orbits, called stationary orbits.
II. The change of atomic energy occurs only during the electron transition between stationary orbits - the transition from the higher orbit to a lower one corresponds to the energy emissionemissionemission, and the transition from a lower to higher orbit is caused by the absorptionabsorptionabsorption of energy. Energy is emitted and absorbed by the atom in the form of a portion (quantum) of energy of the value resulting from the formula:
where: n, k - are the numbers of orbits between which the electron jumps.
With the Bohr model, the spectral line of the hydrogen atom can be explained.
The Bohr atom model allows describing precisely the structure of only a hydrogen atom; it fails when atoms have a more complex atomic nucleus, around which more electrons orbit.
Thanks to the Bohr model, the foundations of a new branch of modern physics - quantum mechanicsquantum mechanicsquantum mechanics - were established.
5. What is the photoelectric effect?
The external photoelectric effectphotoelectric effectphotoelectric effect (photoemission, photo effect) is the emissionemissionemission of electrons from the metal surface under the influence of radiation incident on this surface. These electrons are called photoelectrons.
The external photoelectric effect occurs only under certain conditions:
- For each metal there is a threshold frequency (wavelength) of radiationradiationradiation, below (and in the case of wavelength - above) which this phenomenon does not occur at all. - The kinetic energy of emitted electrons does not depend on the intensity of radiation, but only on its wavelength. - The number of photoelectrons is proportional to the intensity of incident radiationradiationradiation.
The external photoelectric effectphotoelectric effectphotoelectric effect is evidence that the electromagnetic wave can be treated as a stream of particles - photons.
Photo effect is a quantum phenomenon; it became the basis of the quantum theory of light. Therefore, classical physics could not explain the photoelectric effect. In 1905 Albert Einstein explained the photoelectric effect by assuming that light is a stream of particles or photons, and one photonphotonphoton incident on metal can transfer energy to only one electron in metal.
The principle of energy conservationenergy conservationenergy conservation in the interaction of photon - electron has been written in the equationequationequation, called the Einstein‑Millikan equation:
This equationequationequation says that the energy of the incident photon in the photoelectric effectphotoelectric effectphotoelectric effect is equal to the sum of the work function and kinetic energy of the electron. The work function is the minimum energy needed for the electron to leave the metal; its relationship to the threshold frequency (wavelength) has the form:
Atom składa się z jądra i elektronów krążących wokół niego. Atom jest obojętny elektrycznie (jądro ma ładunek dodatni, a elektrony – ujemny). Za oddziaływania między jądrem atomu a jego elektronami odpowiada siła Coulomba. Rozmiary jądra są 100 tysięcy razy mniejsze od rozmiarów atomu.
Fizyka atomu, inaczej fizyka atomowa to dział fizyki zajmujący się atomem jako izolowanym systemem, składającym się z jądra atomowego i krążących wokół niego elektronów.
m94329f33ee832fe2_1528449000663_0
Podsumowanie wiadomości z fizyki atomu
m94329f33ee832fe2_1528449084556_0
Third
m94329f33ee832fe2_1528449076687_0
X. Fizyka atomowa. Uczeń:
1) analizuje na wybranych przykładach promieniowanie termiczne ciał i jego zależność od temperatury;
2) opisuje dualizm korpuskularno‑falowy światła; wyjaśnia pojęcie fotonu oraz jego energii;
3) opisuje jakościowo pochodzenie widm emisyjnych i absorpcyjnych gazów;
4) interpretuje linie widmowe jako skutek przejść między poziomami energetycznymi w atomach z emisją lub absorpcją kwantu światła; rozróżnia stan podstawowy i stany wzbudzone atomu;
5) opisuje zjawiska jonizacji, fotoelektryczne i fotochemiczne jako wywołane tylko przez promieniowanie o częstotliwości większej od granicznej.
m94329f33ee832fe2_1528449068082_0
45 minut
m94329f33ee832fe2_1528449523725_0
Utrwala wiedzę na temat fizyki atomu.
m94329f33ee832fe2_1528449552113_0
1. Opisuje promieniowanie termiczne ciał i jego zależność od temperatury.
2. Opisuje dualizm korpuskularno‑falowy światła.
3. Wyjaśnia zjawisko fotoelektryczne.
m94329f33ee832fe2_1528450430307_0
Uczeń:
- opisuje promieniowanie termiczne ciał,
- wyjaśnia, czym jest dualizm korpuskularno‑falowy światła i podaje jego przykłady.
m94329f33ee832fe2_1528449534267_0
1. Dyskusja.
2. Odwrócona klasa.
m94329f33ee832fe2_1528449514617_0
1. Praca indywidualna.
2. Praca grupowa.
m94329f33ee832fe2_1528450127855_0
Uczniowie przygotowują w domu odpowiedzi na poniższe pytania:
1. W jaki sposób opisujemy promieniowanie termiczne ciał?
2. Wyjaśnij pojęcia widma ciągłego, liniowego, emisyjnego i absorbcyjnego.
3. Wyjaśnij pojęcie fotonu.
4. Opisz znane ci modele atomu.
5. Na czym polega efekt fotoelektryczny?
m94329f33ee832fe2_1528446435040_0
1. W jaki sposób opisujemy promieniowanie termiczne ciał?
Ciała znajdujące się w temperaturze wyższej od zera bezwzględnego (0 K = -273⁰C) są źródłem promieniowania elektromagnetycznego, nazywanego promieniowaniem termicznym (cieplnym). Ciała te mogą zarówno emitować, jak i absorbować promieniowanie elektromagnetyczne.
Zdolność ciał do emisji i absorpcji promieniowania pozwala na wytłumaczenie istnienia barw. Barwa ciała zależy zarówno od widma padającej fali elektromagnetycznej, jak i tego, które długości fal są przez dane ciało lepiej lub gorzej pochłaniane. Jeśli na ciało padałoby światło niebieskie, a ciało prawie całkowicie by je pochłaniało, to kolor rejestrowany przez oko ludzkie byłby czarny.
Aby móc opisać promieniowanie cieplne, jego emisję oraz absorpcję przez ciała, stworzono model ciała doskonale czarnego. Ciało doskonale czarne to takie ciało, które całkowicie pochłania padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne, niezależnie od długości fali i temperatury, w której ten proces zachodzi.
Rozgrzane ciała wysyłają energię cieplną w postaci fal elektromagnetycznych.
Całkowita energia emitowana przez ciało mające temperaturę T jest opisana za pomocą wzoru , jeżeli temperatura otoczenia wynosi 0 K (gdzie to stała, której wartość wynosi 5,67 · 10Indeks górny -8-8). Zależność ta znana jest jako prawo Stefana‑Boltzmanna. Z tego wzoru wynika, że emitowana energia wzrasta szybko ze wzrostem temperatury.
Prawo przesunięć Wiena mówi, że obiekty o różnej temperaturze emitują widma osiągające maksima dla różnych długości fal:
gdzie: b – stała Wiena; b = 2,89 · 10Indeks górny −3−3 m·K; T – temperatura ciała wyrażona w skali bezwzględnej (K).
2. Widmo ciągłe, liniowe, emisyjne i absorbcyjne.
Widmo to zarejestrowany obraz promieniowania elektromagnetycznego. Obraz ten składa się z różnych długości fal (barw). Każda długość fali związana jest z odpowiadającą jej częstotliwością oraz energią.
Przyrządy służące do obrazowania i badania widm to spektroskopy oraz spektrometry.
Widmo promieniowania cieplnego ciał stałych i cieczy ma charakter ciągły – w takim widmie występują wszystkie długości fal i nie ma między nimi przerw; przykładem widma ciągłego jest tęcza.
Widmo, które składa się z wielu oddzielnych barwnych linii, nazywamy widmem liniowym.
Widmo liniowe jest typowe dla gazów składających się z atomów lub cząsteczek. Przykładem mogą być: wodór, hel, neon, argon oraz pary rtęci lub sodu. Wszystkie pierwiastki w stanie gazowym mają charakterystyczne widmo liniowe.
[Ilustracja 1]
Widma emisyjne to widma promieniowania wysyłanego (emitowanego) przez ciała pobudzone do świecenia. Widmo emisyjne liniowe wytwarzane jest przez gorące gazy, a widmo emisyjne ciągłe - przez gorące ciała stałe. Gazy, których cząsteczki mają złożoną, wieloatomową budowę, wysyłają widma emisyjne pasmowe.
Widmo absorpcyjne powstaje w wyniku pochłaniania (absorpcji) promieniowania elektromagnetycznego przez ciało.
Jeżeli promieniowanie mające widmo ciągłe przechodzi przez chłodny gaz, to następuje absorpcja energii fal elektromagnetycznych dokładnie o tych długościach, które może emitować dany atom.
Na obrazie widma absorpcyjnego widoczne są ciemnie prążki – znajdują się one w miejscach długości fal, które zostały pochłonięte przez dany gaz.
Takie ciemne linie w widmie światła słonecznego pierwszy zarejestrował Fraunhofer. Nazywamy je liniami Fraunhofera.
[Ilustracja interaktywna]
3. Czym jest foton?
Foton jest porcją (kwantem) energii promieniowania elektromagnetycznego. Możemy traktować go jak cząstkę, która ma następujące cechy:
- Nie ma masy spoczynkowej. - Nie ma ładunku elektrycznego. - Ma energię, którą wyraża się wzorem:
gdzie: h – uniwersalna stała, nazwana stałą Plancka, która wynosi 6,63 · 10Indeks górny -34-34 J·s, – częstotliwość promieniowania emitowanego lub pochłanianego, c – prędkość światła, – długość fali promieniowania.
4. Modele atomu.
Model atomu ewoluował w czasie. Następujące po sobie odkrycia naukowe pozwalały coraz dokładniej wyjaśniać strukturę atomu.
- Model Thomsona:
W 1897 r. Thomson odkrył elektron. Elektron jest składnikiem wszystkich atomów. Atom posiada strukturę, w której skład wchodzą elektrony. Strukturę tę nazwano modelem „ciasta z rodzynkami”.
- Model Rutherforda:
Atom składa się z jądra i elektronów krążących wokół niego. Atom jest obojętny elektrycznie (jądro ma ładunek dodatni, a elektrony – ujemny). Za oddziaływania między jądrem atomu a jego elektronami odpowiada siła Coulomba. Rozmiary jądra są 100 tys. razy mniejsze od rozmiarów atomu.
- Model Bohra:
Bohr stworzył model atomu na podstawie modelu Rutherforda. Sformułował dwa postulaty:
I. Elektron może krążyć wokół jądra tylko na wybranych orbitach, zwanych orbitami stacjonarnymi.
II. Zmiana energii atomu następuje tylko podczas przejścia elektronu między orbitami stacjonarnymi – przeskokowi z orbity wyższej na niższą odpowiada emisja energii, a przejście z orbity niższej na wyższą spowodowane jest pochłonięciem energii. Energia jest wysyłana i pochłaniana przez atom w formie porcji (kwantów) energii o wartości wynikającej ze wzoru:
gdzie: n , k – to numery orbit, między którymi następuje przeskok elektronu.
Za pomocą modelu Bohra można wyjaśnić układ linii widmowych atomu wodoru.
Model atomu Bohra pozwala opisać precyzyjnie budowę jedynie atomu wodoru; zawodzi w odniesieniu do atomów mających bardziej złożone jądro atomowe, wokół którego krąży więcej elektronów.
Dzięki modelowi Bohra stworzono podstawy nowej gałęzi fizyki współczesnej – mechaniki kwantowej.
5. Na czym polega efekt fotoelektryczny?
Zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne (fotoemisja, fotoefekt), polega na emisji elektronów z powierzchni metalu pod wpływem promieniowania padającego na tę powierzchnię. Elektrony te nazywamy fotoelektronami.
Zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne zachodzi jedynie pod pewnymi warunkami:
- Dla każdego metalu istnieje graniczna częstotliwość (długość fali) promieniowania, poniżej (a w przypadku długości fali – powyżej) której zjawisko w ogóle nie zachodzi. - Energia kinetyczna emitowanych elektronów nie zależy od natężenia promieniowania, a jedynie od długości jego fali. - Liczba fotoelektronów jest proporcjonalna do natężenia padającego promieniowania.
Zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne jest dowodem na to, że falę elektromagnetyczną można traktować jako strumień cząstek – fotonów.
Fotoefekt jest zjawiskiem kwantowym; stał się podstawą kwantowej teorii światła. Dlatego fizyka klasyczna nie potrafiła wyjaśnić zjawiska fotoelektrycznego. W 1905r. Albert Einstein wyjaśnił przebieg zjawiska fotoelektrycznego dzięki założeniu, że światło jest strumieniem cząstek czyli fotonów, a jeden foton padający na metal może przekazać energię tylko jednemu elektronowi w metalu.
Zasada zachowania energii w oddziaływaniu foton – elektron została zapisana w równaniu, zwanym równaniem Einsteina–Millikana:
Równanie to mówi, że energia padającego w zjawisku fotoelektrycznym fotonu jest równa sumie pracy wyjścia i energii kinetycznej tego elektronu.
Praca wyjścia to minimalna energia potrzebna do tego, aby elektron opuścił metal; jej związek z częstotliwością (długością) graniczną ma postać:
m94329f33ee832fe2_1528450119332_0
Fizyka atomu, inaczej fizyka atomowa to dział fizyki zajmujący się atomem jako izolowanym systemem, składającym się z jądra atomowego i krążących wokół niego elektronów.