Temat

Podsumowanie wiadomości z fizyki atomu

Etap edukacyjny

Trzeci

Podstawa programowa

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.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Utrwala wiedzę na temat fizyki atomu.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Opisuje promieniowanie termiczne ciał i jego zależność od temperatury.

2. Opisuje dualizm korpuskularno‑falowy światła.

3. Wyjaśnia zjawisko fotoelektryczne.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- opisuje promieniowanie termiczne ciał,

- wyjaśnia, czym jest dualizm korpuskularno‑falowy światła i podaje jego przykłady.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Odwrócona klasa.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

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?

Realizacja lekcji

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 $E=\sigma ·T^4$, jeżeli temperatura otoczenia wynosi 0 K (gdzie $\sigma$ to stała, której wartość wynosi 5,67 · 10Indeks górny -8^-8$\frac{J}{s·m^2·K^4}$). 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,
$\nu$ – częstotliwość promieniowania emitowanego lub pochłanianego,
c – prędkość światła,
$\lambda$ – 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 tysięcy 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 1905 r. 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:

Podsumowanie lekcji

Fizyka atomu, inaczej fizyka atomowa to dział fizyki zajmujący się atomem jako izolowanym systemem, składającym się z jądra atomowego i krążących wokół niego elektronów.