RU3UzjjXQyk8l1

Zdjęcie przedstawia budowlę Atomium składającą się z dziewięciu metalowych kul połączonych ze sobą, z czego na zdjęciu widocznych jest siedem. Zdjęcie wykonano wieczorową porą, przez co od kul odbijają się liczne światła miasta. Na tle Atomium rozpościera się niebo pokryte burzowymi chmurami, poniżej znajdują się drzewa i latarnie uliczne.

1. Promieniowanie cieplne

1. Ciała znajdujące się w temperaturze wyższej od zera bezwzględnego są źródłem promieniowania elektromagnetycznego, nazywanego promieniowaniem termicznym (cieplnym).

2. Za emisję promieniowania termicznego (cieplnego) odpowiedzialna jest energia ruchu cieplnego atomów i cząsteczek w danym ciele.

3. Ciała o temperaturach wyższych niż $\mathrm{0\; K}$ ($-\mathrm{273,15}°\mathrm{C}$) mogą zarówno emitować, jak i absorbować (pochłaniać) padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne.

4. Im więcej dane ciało absorbuje energii, tym więcej jej emituje.

5. Stosunek energii pochłanianej do energii wysyłanej nie zależy od natury ciała – dla wszystkich ciał jest taką samą funkcją temperatury i długości fali promoieniowania elektromagnetycznego.

6. Zdolność ciał do emisji i absorpcji promieniowania o określonej energii pozwala na wytłumaczenie istnienia barw. Barwa ciała zależy m.in. od jego wpływu na promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie światła widzialnego: pochłaniania go, rozpraszania, odbijania, interferencji oraz własności emisyjnych badanego ciała. Jeśli na ciało pada światło np. niebieskie, które jest całkowicie przez nie pochłaniane, to ciało widziane jest jako czarne.

RVTALcJGDkvvP1

Fotografia przedstawia rozgrzany do czerwoności pręt żelaza – pogrzebacz do pieca lub kominka

2. Ciało doskonale czarne

1. Ciało doskonale czarne to takie ciało, które pochłania całkowicie padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne – niezależnie od długości fali i temperatury, w której ten proces zachodzi.

2. Energia promieniowania cieplnego ciała zależy od temperatury – wzrostowi temperatury odpowiada wzrost całkowitej energii wypromieniowywanej przez ciało. Zjawisku temu towarzyszy także zmiana barwy promieniowania wysyłanego przez ciało.

3. Całkowitą energię emitowaną przez ciało mające temperaturę $T$ obliczamy ze wzoru Stefana‑Boltzmanna: $\mathrm{E }=\sigma ·T^4$, $$gdzie $\sigma$ to stała, której wartość wynosi $\mathrm{5,67}·{10}^{-8}\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{s}{·\mathrm{m}}^2{·\mathrm{K}}^{-4}}$.

4. Rozgrzane ciała wysyłają energię w postaci fal elektromagnetycznych o różnych długościach, którym odpowiadają różne energie.

5. Wraz ze wzrostem temperatury długość fali, której odpowiada największa wypromieniowywana energia, przesuwa się w stronę fal krótkich.

6. Długość fali, której odpowiada maksimum natężenia promieniowania cieplnego można obliczyć za pomocą prawa przesunięć Wiena, wyrażonego wzorem: ${\lambda }_{\max }=\frac{b}{T}$, 
   gdzie:
   $b$ – stała Wiena; $b=\mathrm{2,897}·{10}^{-3}\mathrm{ m}·\mathrm{K}$;
   $T$ – temperatura w skali bezwzględnej.

R1aM523sbz1N31

Ilustracja przedstawia ciało doskonale czarne. Tło białe. Na środku widoczny czarny obszar o nieregularnej linii. Obszar otoczony jest beżową „otoczką”. W prawej dolnej części, przez lukę w „otoczce” wpada pomarańczowa linia, która kilkukrotnie „odbija” się od ścian ciała, tworząc linię łamaną”, ale nie wydostaje się na zewnątrz”.

3. Widmo ciągłe

1. Widmem nazywamy obraz promieniowania składającego się z różnych długości fal (barw). Zamiast długości fal można podać odpowiadające im częstotliwości lub energie.

2. Przyrządy służące do obrazowania i badania widm to spektroskopy oraz spektrometry.

3. 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.

R16OXY1Qm37BX1

Fotografia przedstawia tęczę słoneczną

4. Widmo liniowe

RJVp7F3g1YXxs1

Ilustracja przedstawia widmo liniowe par Uranu. Czarny prostokąt. Na prostokącie narysowano wiele pionowych, różnobarwnych kreseczek. Barwy łagodnie przechodzą od ciemnofioletowej (wiśniowej), poprzez karmazynową, fioletową, granatową, niebieską, zieloną, seledynową, zielono-żółtą, pomarańczową, czerwoną, bordową, aż do brązowej.

1. Widmo, które składa się z wielu oddzielnych barwnych linii, nazywamy widmem liniowym.

2. Widmo liniowe jest typowe dla gazów składających się z atomów lub cząsteczek. Przykładem mogą być: wodór, hel, neon, argon oraz pary rtęci lub sodu.

3. Wszystkie pierwiastki w stanie gazowym mają charakterystyczne widmo liniowe.

5. Widmo emisyjne

Widma emisyjne to widma promieniowania wysyłanego (emitowanego) przez ciała pobudzone do świecenia. Gorące gazy wysyłają promieniowanie emisyjne liniowe, a gorące ciała stałe – widmo emisyjne ciągłe. Gazy, których cząsteczki mają złożoną, wieloatomową budowę, wysyłają widma emisyjne pasmowe.

RbY24iRYB6ssF1

Ilustracja przedstawia sposób uzyskania widma emisyjnego przy pomocy szkolnego pryzmatycznego spektrometru optycznego.

6. Widmo absorpcyjne

1. Widmo absorpcyjne powstaje w wyniku pochłaniania (absorpcji) promieniowania elektromagnetycznego przez ciało.

2. Jeżeli promieniowanie mające widmo ciągłe przechodzi przez chłodny gaz, to następuje absorpcja energii fal elektromagnetycznych dokładnie o tych długościach, które może emitować dany atom.

3. Na obrazie widma absorpcyjnego widoczne są ciemnie prążki – znajdują się one w miejscach długości fal, które zostały pochłonięte przez dany gaz.

4. Takie ciemne linie w widmie światła słonecznego pierwszy zarejestrował Fraunhofer. Nazywamy je liniami Fraunhofera.

R9JOvDtnQ08HT1

Mechanizm powstawania widma absorpcyjnego

7. Foton

Foton, zwany także kwantem energii, jest porcją energii promieniowania elektromagnetycznego. Możemy traktować go jak cząstkę, która ma następujące cechy:

1. Nie ma masy spoczynkowej.

2. Nie ma ładunku elektrycznego.

3. Ma energię, którą wyraża się wzorem: $E=h·\nu$ lub $E=\frac{h·c}{\lambda }$,
   gdzie:
   $h$ – uniwersalna stała, nazwana stałą Plancka; $h\approx \mathrm{6,63}·{10}^{-34}\mathrm{}\mathrm{J}·\mathrm{s}$;
   $\nu$ (grecka litera „ni”) [Hz] – częstotliwość promieniowania emitowanego lub pochłanianego przez ciało czarne;
   $c$ – prędkość światła;
   $\lambda$ – długość fali promieniowania.

4. Foton odgrywa istotną rolę w każdym procesie promienistym i w oddziaływaniach elektromagnetycznych.

RPXTCMGoGPD2T1

Ilustracja przedstawia foton. Tło białe. Na ilustracji, po prawej, jasne koło z niebieską, rozmytą otoczką. Od koła, w lewą stronę odchodzi niebieska, krzywa linia przypominająca sinusoidę.

8. Atom – model Thomsona

1. W 1897 r. Thomson odkrył elektron.

2. Elektron jest składnikiem wszystkich atomów.

3. Atom posiada strukturę, w której skład wchodzą elektrony; strukturę tę nazwano modelem „ciasta z rodzynkami”.

R1WnKUfAhfkAK1

Ilustracja przedstawia duże koło. To atom. Powierzchnia koła zielona. Na powierzchni znajduje się dziewięć mniejszych niebieskich kół. Wewnątrz kół poziome znaki minus. Niebieskie koła nie stykają się ze sobą. Koła rozmieszczona są równomiernie na powierzchni atomu. Cała zielone powierzchnia koła pokryta jest jednakowymi niebieskimi znakami plus.

9. Atom – model Rutherforda

1. Atom składa się z  jądra i elektronów krążących wokół niego.

2. Atom jest obojętny elektrycznie (jądro ma ładunek dodatni, a elektrony – ujemny).

3. Za oddziaływania między jądrem atomu a jego elektronami odpowiada siła Coulomba.

4. Rozmiary jądra są 100 tysięcy razy mniejsze od rozmiarów atomu.

10. Atom – model Bohra

Bohr stworzył model atomu na podstawie modelu Rutherforda. Sformułował dwa postulaty:

1. Elektron może krążyć wokół jądra tylko na wybranych orbitach, zwanych orbitami stacjonarnymi, dla których spełniony jest warunek:
   $rmv=n\frac{h}{2\mathrm{\pi }},\mathrm{}n=1,2,3,\dots$ 
   gdzie:
   $r$ – promień orbity, po której krąży elektron;
   $m$ – masa elektronu;
   $v$ – wartość prędkości liniowej krążącego elektronu;
   $n$ – liczba całkowita określająca numer orbity elektronu (główna liczba kwantowa);
   $h$ – stała Plancka ($h\approx \mathrm{6,63}·{10}^{-34}\mathrm{J}·\mathrm{s}$).
   Energia elektronu na orbicie stacjonarnej jest stała.

2. Zmiana energii atomu następuje tylko podczas przejścia elektronu między orbitami stacjonarnymi – przeskokowi z orbity wyższej na niższą odpowiada emisja energii, a przejście z powłoki niższej na wyższą spowodowane jest pochłonięciem energii. Energia jest wysyłana i pochłaniana przez atom w formie porcji (kwantów) energii o wartości wynikającej ze wzoru:
   $∆E=E_n-E_k$,
   gdzie: $n$ , $k$ – numery orbit, między którymi następuje przeskok elektronu.

Z założeń tego modelu wynika, że:

1. Atom nie emituje promieniowania, gdy znajduje się w stanie stacjonarnym. Każdemu stanowi stacjonarnemu atomu odpowiada ściśle określona wartość energii $E_{\mathrm{n}}$

   , którą można wyznaczyć ze wzoru:
   $E_{\mathrm{n}}=-\frac{1}{n^2}·A$,
   gdzie: ${\mathrm{A}}_{}=\mathrm{2,17}·{10}^{-18}\mathrm{J}$$n$ – główna liczba kwantowa ($n=1,2,3,...$).
   Wartości energii atomu ($E_1$, $E_2,$$E_3$ …) noszą nazwę tzw. poziomów energetycznych atomu.

2. Atom może zmienić poziom energetyczny jedynie w wyniku emisji lub pochłaniania kwantów energii promieniowania. Wynika to z drugiego postulatu Bohra: $∆E=E_n-E_k$.
   Millikan w 1916 r. udowodnił, że zmianę energii stanu stacjonarnego w odniesieniu do atomu można wyrazić wzorem:
   $∆E=E_n-E_k=E_{\mathrm{fotonu}}=h·\nu =\frac{h·c}{\lambda }$.
   Oznacza to, że energia kwantu energii (fotonu) pochłoniętego lub wyemitowanego przez atom jest proporcjonalna do częstotliwości padającego lub emitowanego promieniowania.

3. Promień orbity stacjonarnej jest równy

   : $r=n^2\frac{h^2}{4{\mathrm{\pi }}^{2}k{e}^{2}m}=n^2{r}_0$.
   Wartość promienia dla $n=1$ jest równa $r_0 = \mathrm{0,53}·{10}^{-10}\mathrm{ m}$; nazywa się ją promieniem pierwszej orbity Bohra w atomie wodoru.

4. Atom wodoru najmniejszą energię ma w stanie, dla którego $n=1$. Jest ona równa $\mathrm{-\; 2,17}·{10}^{-18}\mathrm{J}$. Ten stan nazywamy stanem podstawowym. Stany o $n=2,3,4,5\dots$ nazywamy stanami wzbudzonymi.

RIWdDzT98cQ8r1

Ilustracja przedstawia okrąg. Okrąg to atom wodoru. W środku okręgu znajduje się małe fioletowe koło. To proton. Na powierzchni protonu duży znak plus. Proton i okrąg łączy linia prosta. Nad linią litera „er” i mały symbol „en” poniżej. Na okręgu mniejsze niebieskie koło za znakiem minus. Niebieskie koło to elektron. Krawędź elektronu styka się z dwoma strzałkami. Pierwsza strzałka przylegająca do krawędzi okręgu skierowana w prawo. Na końcu grot. Poniżej grota liter „v” i mały symbol „en”. Nad literą „v” pozioma mała strzałka z grotem w prawo. Wewnątrz dużego okręgu dwie strzałki naprzeciw. Dolna strzałka styka się z krawędzią elektronu. Górna strzałka styka się z krawędzią protonu. Strzałki z elektronem i protonem tworzą kąt prosty. Nad strzałką wychodzącą z elektronu symbol litery „ef” i mały symbol „el”. Nad literą „ef” mała pozioma strzałka z grotem w prawo. Litera „ef” z symbolem „el” i strzałką powyżej obok strzałki wychodzącej z protonu. Przed literą „ef” znak „minus”.

11. Fotoefekt

1. Fotoefekt, czyli zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne (fotoemisja), polega na emisji elektronów z powierzchni metalu pod wpływem światła (promieniowania) padającego na tę powierzchnię. Elektrony wybite światłem nazywamy fotoelektronami.

2. Cechy zewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego to:

   1. Dla każdego metalu istnieje graniczna częstotliwość (długość fali) promieniowania, poniżej (a w przypadku długości fali – powyżej) której zjawisko w ogóle nie zachodzi.

   2. Energia kinetyczna emitowanych elektronów nie zależy od natężenia promieniowania, a jedynie od długości jego fali.

   3. Liczba fotoelektronów jest proporcjonalna do natężenia padającego promieniowania.

3. Zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne jest dowodem na to, że falę elektromagnetyczną można traktować jako strumień cząstek – fotonów.

4. Fotoefekt jest zjawiskiem kwantowym; stał się podstawą kwantowej teorii światła.

R1OUABNcArDGl1

Zewnętrzne zjawisko fotoelektryczneIlustracja przedstawia zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne. Tło białe. Przez środek ilustracji poprowadzono ukośną, brązową kreskę (od prawego górnego rogu do środka dolnej krawędzi). Po prawej stronie kreski znajduje się 17 niebieskich kółek ułożonych w dwóch rzędach wzdłuż beżowej linii, tuż pod nią. W każdym kółku znajduje się czarna pozioma kreska (biegnie przez środek kółka). Po lewej stronie kreski, na dole, narysowano trzy jasnoniebieskie linie. Każda kształtem przypomina sinusoidę oraz każda zakończona jest strzałką (zwrot do kreski). W górnej części znajdują się dwa niebieskie kółka (takie same, jak po prawej stronie kreski). Od kreski do kółek poprowadzono dwie strzałki, każda strzałka wskazuje po jednym kole.

12. Równanie Einsteina‑Millikana

R1864Ged99crk1

Na ilustracji przedstawiono wzór. Tło białe. Czarnymi literami napisano: h razy v = W + E_kin.

1. Fizyka klasyczna nie potrafiła wyjaśnić zjawiska fotoelektrycznego (odkryto natomiast kwantowe cechy promieniowania).

2. W 1905 r. Albert Einstein wyjaśnił przebieg zjawiska fotoelektrycznego dzięki założeniu, że światło jest strumieniem fotonów, a jeden foton padający na metal może przekazać energię jednemu elektronowi w metalu.

3. Zasada zachowania energii w oddziaływaniu foton – elektron została zapisana w równaniu, zwanym równaniem Einsteina–Millikana:
   $h·\nu =W+E_{\mathrm{kin}}$
   energia fotonu = praca wyjścia + energia kinetyczna fotoelektronu.

4. Praca wyjścia to minimalna energia potrzebna do tego, aby elektron opuścił metal; jej związek z częstotliwością (długością) graniczną ma postać:
   $W=h·{\nu }_0$ lub $W=\frac{h·c}{{\lambda }_0}$

13. Fotokomórka

1. Klasyczna fotokomórka to szklana bańka starannie opróżniona z powietrza, wewnątrz której znajdują się dwie elektrody: ujemna (fotokatoda) i dodatnia (anoda).

2. Fotokomórka służy do badania zjawiska fotoelektrycznego oraz do innych celów naukowych.

3. Fotokomórki znalazły zastosowanie praktyczne w technice (urządzenia alarmowe), przemyśle (zliczanie dużej liczby przedmiotów – kartonów, wytłoczek, butelek itp. w produkcji taśmowej), sporcie (dokładny pomiar czasu w różnych dyscyplinach sportowych) i życiu codziennym (wyłączniki świateł).

R1dL4skL2nhdO1

Ilustracja przedstawia fotokomórkę. Tło białe. Na środku brązowe koło. W środku czarny punkt. Od czarnego punktu poziomo, w prawo, poprowadzono brązową linię wychodzącą poza koło. W środku koła znajduje się również czarny łuk (przypomina literę C). Łuk zajmuje lewe półkole koła. Od czarnego łuku poziomo, w lewo, poprowadzono brązową linię wychodzącą poza koło. Po lewej stronie koła, nad linią, znajduje się litera „K”, po prawej stronie koła, nad linią, znajduje się litera „A”.

Zadania

Polecenie 4

Rysunek przedstawia zależność energii kinetycznej fotoelektronów od energii fotonów padających na fotokomórkę dla dwóch różnych fotokatod.

R1RNSm8VKV8M71

Ilustracja przedstawia wykres zależności kinetycznej fotoelektronów od energii fotonów. Oś odciętych od 0 do 15 razy 10 do potęgi -14. Jednostka: Hz. Pod osią podpis: „częstotliwość promieniowania”. Oś rzędnych od 0 do 3 razy 10 do potęgi -19. Jednostka: J. Z lewej strony osi podpis: „energia elektronów”. Poza liniami głównymi na wykresie zaznaczono linie pomocnicze dzielące podstawowe wartości skali na 5 części. Na wykresie zaznaczono dwa odcinki, podpisane A i B. Odcinek A – niebieski – początek (4,5 razy 10 do potęgi -19; 0) i koniec (9,5 razy 10 do potęgi -19; 3,2 do -19). Odcinek B – czerwony – początek (9 razy 10 do potęgi -19; 0) i koniec (14 razy 10 do potęgi -19; 3,2 razy 10 do potęgi -19). Odcinek C – zielony – początek (8,2E do -19; 0 ) i koniec (10E do -19; 3,2E do -19).

Tabela zawiera wartości pracy wyjścia dla kilku metali. Ustal, z jakich metali wykonano fotokatody A i B.

Wartości pracy wyjścia dla wybranych metali

Metal	Praca wyjścia, J
cez	$\mathrm{3,0}·{10}^{-19}$
chrom	$\mathrm{7,0}·{10}^{-19}$
nikiel	$\mathrm{7,8}·{10}^{-19}$
uran	$\mathrm{5,9}·{10}^{-19}$
wolfram	$\mathrm{7,4}·{10}^{-19}$
srebro	$\mathrm{7,6}·{10}^{-19}$
platyna	$\mathrm{9,9}·{10}^{-19}$

Polecenie 5

Przeanalizuj i opisz zasadę działania wyłącznika zmierzchowego, którego schemat przedstawiono na poniższym rysunku:

RNTxoK7gQVbxI1

Ilustracja przedstawia czarno-biały schemat (rysunek) wyłącznika zmierzchowego. Tło białe. Na środku widoczny prostokąt. Prostokąt „owinięto” czarną linią (przewodem), a następnie oba końce zostały opuszczone w dół. Od lewej strony przewód dochodzi do fotokomórki. Od fotokomórki linia prowadzi do miejsca, w którym przewody nie łączą się, ale zakończone zostają czarnymi punktami. Pomiędzy nimi, nieco poniżej, napisano: „– U +”. Nad prostokątem umieszczono styki przekaźnika, od których poprowadzono przewody (w prawo) i żelazne blaszki (w lewo). Żelazne blaszki tworzą kąt prosty, w miejscu połączenia znajduje się „oś obrotu” – czarny, owalny punkt. Blaszka pionowa leży bardzo blisko, równolegle do krótszego boku prostokąta. Blaszka pozioma znajduje się nad poziomą (dłuższą) linią prostokąta.

Test