TALASNO – KORPUSKULARNA PRIRODA ELEKTROMAGNETNIH ZRAČENJA

ELEKTROMAGNETNA ZRAČENJA TALASNO – KORPUSKULARNE PRIRODE Pitanje prirode svetlosti privlačilo je pažnju istraživača još od najranijih vremena. Shvatanja o prirodi svetlosti znatno su menjala s razvojem nauke, tako da se ni danas taj problem ne smatra potpuno okončanim. Međutim, prve naučne teorije o prirodi svetlosti datiraju iz XVIIveka. Izučavajući prirodu svetlosti Isak Njutn je postavio 1675. godine teoriju, po kojoj se svetlost svodi na kretanje veoma malih i brzih čestica, tzv. korpuskula, čije se kretanje pokorava zakonima klasične mehanike. Time je Njutn postavio tzv. korpuskularnu teoriju o prirodi svetlosti.

Prema ovoj teoriji, svetlost se od svetlosnog izvora prostire u vidu čestica na sve strane. Odbijanje svetlosti tumačeno je kao odbijanje elastičnih lopti od prepreke. Različite boje tumačene su kao postojanje čestica različite veličine. Holandski naučnik Kristijan Hajgens postavio je, skoro u isto vreme, talasnu teoriju o prirodi svetlosti. Prema ovoj teoriji, svetlost je talasne prirode.Odbijanje svetlosti objašnjava se isto kao i odbijanje svakog drugog talasa,dok su boje svetlosti opisivane postojanjem svetlosti različitih talasnih dužina. Međutim, kada je Maksvel 1863. godine postavio teoriju elektromagnetnih talasa, mnogi naučnici su smatrali da je Hajgensova teorija o talasnoj prirodi svetlosti jedina ispravna. Talasna priroda svetlosti kasnije je potvrđena interferencijom, difrakcijom i polarizacijom svetlosti.

Ova teorija nije mogla da prevagne u to vreme, jer  je Njutn još uvek bio jak autoritet u odnosu na Hajgensa. Međutim, kada je Maksvel 1863. godine postavio teoriju elektromagnetnih talasa, mnogi naučnici su smatrali da je Hajgensova teorija o talasnoj prirodi svetlosti jedina ispravna, a da Njutnovu korpuskularnu teoriju treba odbaciti. Posle ovoga prevagu je dobila talasna teorija svetlosti, tim pre što su se njome lako opisivale mnoge svetlosne pojave – odbijanje, prelamanje, polarizacija, interferencija i difrakcija svetlosti- čime je i dokazana talasna priroda svetlosti. Dalja istraživanja svetlosti pokazala su da svetlost ima identična svojstva kao i ostali elektromagnetni talasi i da je među njima jedina razlika u talasnoj dužini - za vidljivu svetlost ona iznosi od 380 - 760 nm.

Talasna teorija nije mogla da objasni neke pojave vezane za EM talase vrlo visokih frekvencija - infracrveno zračenje, vidljiva svetlost, ultraljubičasto zračenje, X-zraci, -zraci. Zatim: zakon zračenja apsolutno crnog tela, fotoefekat, pojavu atomskih spektara itd... Nedostaci Maksvelove teorije su doveli do razvoja kvantne fizike.

Nemački naučnik Plank 1900. godine, proučavjaući problem zračenja apsolutno crnog tela, postavio je teoriju kvanta. On je pretpostavio da se zračenje tela vrši u strogo određenim količinama energije, tzv. kvantima. Ova teorija kao da ide na ruku Njutnovoj korpuskularnoj teoriji i pored toga što se kvanti energije ne zamišljaju kao čestice u mehaničkom smislu , već kao fotoni svetlosti , koje prvenstveno karakteriše energija kojom raspolažu. Koristeći kvantnu teoriju, Ajnštajn je uspeo da objasni fotoelektrični efekat1905. godine i za to je dobio Nobelovu nagradu. Istraživači su bili u dilemi. Za koju se teoriju opredeliti? Pokazalo se da su i jedna i druga teorija pogodne za objašnjenje nekih svetlosnih pojava. Ovu dilemu rešio je 1924. godine francuski naučnik Luj de Brolj. On je uveo pretpostavku da se svetlosti pa i svakoj čestici u kretanju može pripisati i talasna i korpuskularna priroda. Kasnije je to nepobitno dokazano.

ZAKONI ZRAČENJA APSOLUTNO CRNOG TELA Usled termalnog kretanja molekula i atoma, svako telo na temperaturi iznad apsolutne temperature zrači elektromagnetne talase. Sa porastom temperature raste intenzitet termalnog kretanja i količina zračenja koje ono emituje. Promena temeprature tela u znatnoj meri utiče i na vrstu zračenja. Eksperimentalno je utvrđeno da telo na temperaturi oko 500⁰C zrači vidljivu crvenkastu svetlost. Spektralna raspodela emitovane svetlosti menja se sa promenom temperature. Na istim temeraturama bolje zrače tela koja bolje apsorbuju toplotno zračenje. Glavni faktor koji utiče na ovaj proces je boja tela.

Tela crne boje više zrače od tela drugih boja. Tela crne boje takođe više i apsorbuju toplotu od tela drugih boja. Takvo telo koje predstavlјa idealni apsorber i emiter zračenja zove se - apsolutno crno telo. Apsolutno crno telo je telo koje potpuno apsorbuje zračenje svih talasnih dužina. Takvo telo ne postoji u prirodi, ali se može predstaviti kutijom sa hrapavim zidovima i malim otvorom, pa kada se zračenje″pusti″u takvu kutiju, dolazi do višestruke refleksije i zračenje biva uhvaćeno unutar kutije. Sa druge strane, kada se šupljina zagreva do temperature T zračenje napušta šupljinu koja time postaje savršen emiter.

Kirhofov zakon Eksperimentalno utvrdio da je ukupna izračena energija nekog zagrejanog tela E srazmerna njegovoj emisionoj moći I (intenzitet), površini tela S i vremenu zračenja t: Emisiona moć zagrejanog tela – količina energije koju zrači telo sa jedinične površine u jedinici vremena: Energija koja sa jednog tela padne na drugo telo se apsorbuje, reflektuje ili propušta, te je: Odnosno: gde su: α- koef. apsorpcije, r - koef. refleksije, τ – koef. transmisije

Ako je: α = 1 – apsolutno crno telo – apsorbuje svu energuju koja padne na njega r = 1 – apsolutno belo telo – reflektuje svu energuju koja padne na njega τ =1 – dijatermičko telo – apsolutno propustljivo telo. Proučavajući odnose apsorpcione i emisone moći Krihof je došao da važnih zaključaka – objedinjenih u Kirhofovom zakonu. Kirhofov zakon: odnos između emisionih moći ma kojih dveju površina na datoj temperaturi jednak je odnosu njihovih koeficijenta apsorpcije, tj.: Odnos emisione i apsorpcione moći nekog tela zavisi od njegove prirode. Što je veća sposobnost tela da aporbuje zračenje, veća mu je i sposobnost da emituje isto. Kirhof je eksperimentalno dokazao da emisona moć jednod tela zavisi od talasne dužine emitovanog zračenja i njegove aposlutne temeprature:

Eksperimentalno se pokazalo se da u stanju ravnoteže emitovano zračenje ima dobro definisanu, neprekidnu distribuciju energije: da svakoj talasnoj dužini (frekvenciji) odgovara neka gustina energije koja zavisi od hemijske strukture objekta ali ne zavisi, recimo, od njegovog oblika, već samo od temperature, kao na slici. Spektralna raspodela gustine energije za različite temperature crnog tela.

Kvantna svojstva elektromagnetnog zračenja. "Ultravioletna katastrofa". Rejli i Džins su pokušali da objasne eksperimentalnu krivu gustine energije zračenja apsolutno crnog tela u(ν) (zagrejanog tela) tako da su njegove atome poistovetili sa oscilatorima (električnim dipolima) koji pri svom oscilatornom kretanju emituju elektromagnetno zračenje. Energija oscilatora kontinualno zavisi od temperature: - Bolcmanova konstanta Rezultat je kriva koja pokazuje poklapanje sa eksperimentom samo u oblasti niskih frekvencija (velikih talasnih dužina).

Plankov zakon zračenja Pokušaji teorijskog odredjivanja emisione moći zračenja apsolutnog crnog tela sa aspekta klasične fizike nisu bili uspešni. Maks Plank (1900.) uzima da se energija oscilatora (rezonatora) ne menja kontinualno, već diskretno, u koracima – kvantima (tj. da je kvantovana veličina). Energija kvanta je funkcija frekvencije ν. Energija može da im se promeni samo za tačno određen iznos energije: gde je n=0,1,2,3.. –kvantni broj (celobrojne vrednosti) - Plankova konstanta.

Plankov zakon zračenja : Plankov zakon zračenja definiše gustinu energije zračenja crnog tela kao funkciju temperature T i frekvencije ν (odnosno λ): Ona se tačno uklapa u rezultate raznih eksperimenata distribucije zračenja, prikazanih na prethodnoj slici (graf. b).

Štefan-Bolcmanov zakon Eksperimenti pokazuju da je brzina gubitka toplote direktno poroporcionalna četvrtom stepenu njegove temeprature i da je za crna tela veća nego za bela, kao i za tela veće površine: gde su : σ – Štefan - Bolcmanova konstanta, S – površina tela, a e – emisivnost: za crna tela e=1, za bela e=0. Ts – temperatura okoline; Tt – temperatura tela.

Štefan-Bolcmanov zakon: Energija koju izrači apsolutno crno telo sa jedinice površine u jedinici vremena (intenzitet ili ukupna snaga po jedinici površine isijane energije - emisiona moć) proporcionalna je četvrtom stepenu njegove apsolutne temperature: - Štefan - Bolcmanova konstanta Emisiona moć I (sposobnost) bilo kojeg tela zavisi od relativne emisione sposobnosti tela e (0 < e < 1), koja je karakteristika materijala i strukture površine tela koje zrači. Iz Plankovog zakona zračenja Štefan – Bolcmanov zakon :

Zračenje crnog tela zavisi od temerature!

Vinov zakon Emisioni spektar crnog tela na 5800 K (temperatura površine Sunca) i 2800 K (temperataura vlakna sijalice). Sunce emituje većinu zračenja u VIS, dok sijalica emituje uglavnom u IC. Ukupna izračena energija (površina ispod krive) je proporcionalna četvrtom stepenu apsolutne temperature (Štefan-Bolcmanov zakon) ako se T poveća 2 puta, izračena energija se poveća 16 puta!

Vinov zakon: talasna dužina koja odgovara maksimalnoj emitovanoj energiji obrnuto je proporcionalna odgovarajućoj apsoplutnoj temperaturi: Vinova konstanta – Merenjem te talasne dužine možemo da odredimo kolika je temperatura površine objekta koji zrači. Iz Plankovog zakona zračenja Vinov zakon:

Intenzitet zračenja crnog tela zavisi i od talasne dužine emitovanog zračenja.

FOTOELEKTRIČNI EFEKAT Pojava da neki metal kada se osvetli zrači elektrone – Herc 1887. godine. Ovaj proces je (kao i zračenje crnog tela) bio u suprotnosti sa klasičnom fizikom. Eksperimentalno ustanovljene osobine: Kada EM zračenje dođe na metal elektroni bivaju odmah izbačeni; Menjanjem frekvencije upadnog zračenja uočava se granična frekvencija ispod koje se efekat ne ispoljava; Menjanje intenziteta zračenja ne utiče na kinetičku energiju elektrona; Broj emitovanih elektrona je srazmeran intenzitetu EM zračenja; Osobine koje je predviđala klasična fizika: Elektroni ne bi trebalo da budu izbačeni odmah – dok ne nakupe dovoljno energije; Promena frekvencije zračenja ne bi smelo da utiče na proces; Povećanjem intenziteta bi trebalo da raste kinetička energija elektrona a ne broj emitovanih elektrona;  

1905. god, fotoefekat je objasnio Ajnštajn (dobio Nobelovu nagradu za to 1921. godine). Polazna pretpostavka – EM zračenje je kvantovano – sastoji se iz “čestica”. Kvant EM zračenja – foton: Energija se niti zrači niti apsorbuje u proizvolјnim iznosima već samo u tačno određenim. Posledica: kinetička energija fotoelektrona je jednaka razlici energije fotona i izlaznog rada: Granična frekvencija (ispod koje se on ne dešava) fotoefekta se dobija u graničnom slučaju :  

MODELI ATOMA U današnje vreme je poznato da se atom sastoji od relativno malog pozitivno naelektrisanog jezgra (≈10−15m) oko kojeg se kreću negativni elektroni na relativno velikom rastojanju (poluprečnik atoma ≈10−10m). Prvi model atoma je statički model - Tomsonov model: atom jeste neutralan ali ima u sebi i + i – naelektrisanja – 1903. model “puding sa šlјivama” u kome elektroni “plivaju”-osciluju oko ravnotežnih položaja u “moru” pozitivnih naelektrisanja.

Drugi model atoma je predložio Raderford(1911 Drugi model atoma je predložio Raderford(1911.) na osnovu eksperimenata sa rasejanjem α-čestica (jezgra He) na tankim metalnim folijama i saznanja da je masa atoma skoncentrisanau relativno maloj zapremini - jezgru atoma. Radefordov model- dinamički (planetarni) model atoma pretpostavlja da elektroni kruže oko jezgra, kao planete oko Sunca i da je naelektrisanje jezgra jednako naelektrisanju svih elektrona.

Raderfordov model nije mogao da objasni stabilnost atoma i linijski karakter spektara, jer, prema klasičnoj fizici, ubrzano kretanje elektrona oko jezgra znači i stalnu emisiju energije u obliku elektro-magnetnih talasa (kontinualni spektar) i stalno smanjenje radijusa putanje. Eksperimentalni podaci su ukazivali da pobuđeni izolovani atomi (razređeni gas) emituju linijski spektar, karakterističan za hemijski element koji vrši emisiju. Vodonikov spektar sadrži grupe linija (spektralne serije) čije se talasne dužine ređaju po određenom pravilu.

Borov model atoma Nils Bor (1913.) je kombinovao Raderfordov planetarni model atoma sa idejama Planka i Ajnštajna o kvantovanju (diskretnosti) energije atoma i elektromagnetnog zračenja, što je rezultovalo definisanjem dva postulata kojima se opisuje atom. Pretpostavke i postulati na kojima se bazira Borov model atoma su sledeći: I Borov postulat: Atom se može naći u nizu diskretnih stacionarnih stanja u kojima niti emituje, niti apsorbuje energiju. U tim stanjima elektron se kreće oko jezgra u atomu po kružnoj putanji pod uticajem Kulonove električne privlačne sile. Moment impulsa (količine kretanja) elektro- na u takvim stanjima ima takođe diskretne vrednosti i zadovoljava:

II Borov postulat: Atom emituje ili apsorbuje energiju u vidu kvanata elektromagnetnog zračenja hν prilikom promene stacionarnog stanja, tj. prelaska elektrona između različitih orbita: Drugim postulatom se opisuje linijski karakter atomskih spektara. Na osnovu ovih postulata, izračunati su poluprečnici kružnih putanja elektrona i energije elektrona E u stacionarnim stanjima (zbir kinetičke i potencijalne energije u električnom polju jezgra). To su takođe veličine sa diskretnim vrednostima -tzv. kvantovane veličine.

Energija je negativna – energija veze Energija je negativna – energija veze. Isti iznos ima i energija jonizacije. Poluprečnici “orbita” su kvantovani: - Borov radijus.

Spektar vodonikovog atoma Prema Borovoj teoriji, energija elektrona u stacionarnom stanju zavisi samo od jednog, glavnog kvantnog broja n. R= 1.097 x 107 m-1 – Ridbergova konstanta

Kasnije je Borov model modifikovan i primenjen za slučaj vodoniku sličnih jona, osnosno sa jednim elektronom u omotaču atoma (He+, Li2+, Be3+). - Z – nalektisanje jona Neuspesi Borovog modela atoma: spektri (položaj i intenzitet linija) višeelektronskih atoma. Modifikacija Borovog modela od strane Zomerfelda uvodi pretpostavku o eliptičnosti orbita elektrona i novi kvantni broj -orbitalni kvantni broj l, koji karakteriše stanje elektrona u različitim orbitalama sa istom vrednošću n:

TALASNA SVOJSTVA MATERIJE Luj De Brolji (1924. god.) je postavio obrnuto pitanje: Ako svetlost osim talasnih poseduje i čestična svojstva, da li onda česticama supstance, kao što su, na primer, elektroni, treba takođe, osim čestičnih, pridružiti i talasna svojstva? Njegovu teoriju su potvrdili Džermer i Dejvison 1927. god. u eksperimentu, kojim je dokazana difrakcija elektrona na kristalima. - De Broljeva talasna dužina, p – impuls čestice. Borov kvantni uslov za moment impulsa koji je bio “veštački” uveden je zapravo posledica talasnih osobina elektrona!

Kvantno-mehanički model atoma Za razliku od Borovog shvatanja strukture atoma koje pretpostavlja postojanje jednog kvantnog broja n kojim se određuje orbita i energija elektrona, savremena kvantna mehanikaje u fiziku atoma uvela 4 kvantna broja pomoću kojih opisuje stanje elektrona ne samo u atomu tipa vodonika veći u višeelektronskim atomima: n - glavni kvantni broj - određuje ukupnu energiju e atoma - (n=1, 2..) l - orbitalni kvantni broj - određuje moment impulsa (količine kretanja) koji elektroni poseduju zbog orbitalnog kretanja -(l=0, 1, 2, …, (n−1)) ml -orbitalni magnetni kvantni broj - određuje ponašanje elektrona u atomskoj orbiti u primenjenom spoljašnjem magnetnom polju, i može imati vrednosti: ml= −l, …, −2, −1, 0, 1, 2, …, l ms - spinski magnetni kvantni broj - određuje spinski moment impulsa koji elektroni poseduju zbog spina, i uzima vrednosti dve projekcije: (ms= −½, + ½)

Kvantno mehanički model atoma Prema kvantno-mehaničkom pristupu, u atomu položaj elektrona se ne može potpuno sigurno odrediti, već se može govoriti samo o većoj ili manjoj verovatnoći nalaženja elektrona u nekom delu prostora oko jezgra. Položaj elektrona se uobičajeno predstavlja oblakom verovatnoće, čija se gustina menja postepeno od tačke do tačke.

Problem poretka elektrona po elektronskim ljuskama (omotačima, karakteriše ih glavni kvantni broj n) i podljuskama (karakteriše ih orbitalni kvantni broj l) kod atoma sa više elektrona u osnovnom (stabilnom) stanju rešio je Pauli (1925.) definisanjem tzv. Paulijev princip isključenja: U atomu dva elektrona ne mogu imati iste vrednosti sva 4 kvantna broja (n, l, ml, ms) ili dva elektrona u atomu se ne mogu naći u istom kvantnom stanju. Raspored elektrona po kvantnim stanjima naziva se elektronska konfiguracija atoma.

Otkriće atomskog jezgra (Raderford, 1911., rasejanje α-čestica) – skoro celokupna masa atoma je skoncentrisana u prostoru dimenzija 10−15 m. Jezgro sadrži protone - Z i neutrone - N. Broj protona Z određuje redni broj elementa u Periodnom sistemu, a zbir broja protona (Z) i neutrona (N) daje atomski broj A: Nelektrisanje jezgra: Ze, e - elementarno naelektrisanje:

Izotopi nekog hemijskog elementa su atomi čija jezgra imaju jednak redni broj Z , a različit broj neutrona N. Izotopi istog hemijskog elementa se u prirodi nalaze u veoma različitom međusobnom odnosu, a nekih čak ni nema u prirodi, već se u veštačkim (laboratorijskim) uslovima pojavljuju – kao rezultat nuklearnih reakcija. Primer: ugljenik : , , a postoje jos i: i Izobari jednak atomski broj A a različito Z i N. Izotoni jednak broj N a različito Z i A.

Poluprečnik jezgra - se odredjuje eksperimentalno ili modelom tečne kapi: Zavisi od atomskog broja jezgra. - redukovani radijus- zavisi od ekperimentalnih merenja ili detalja modela. Gustina jezgra je konstantna veličina ( model tečne kapi) za sva jezgra i ne zavisi od vrste atoma.

Defekt mase jezgra i energija veze Ukupna masa jezgra nije jednaka zbiru masa protona i neutrona koji ga sačinjavaju, već je uvek nešto manja:

Razlika u masi jezgra i njegovih sastavnih delova se naziva defekt mase Δm i odgovara energiji veze Ev nukleona u jezgru : Energija veze Ev je energija koju je potrebno uložiti za razlaganje jezgra, odnosno energija koja se oslobodi pri stvaranju jezgra. Prema Ajnštajnovoj relaciji o ekvivalentnosti mase i energije, defektu mase Δm odgovara energija veze Ev izražena preko relacije: Što je energija veze veća, veća je i stabilnost jezgra. Energija veze po nukleonu , je konstantna veličina u Periodnom sistemu elemenata, što je posledica karakteristika nuklearnih sila. Za sva jezgra u periodnom sistemu kreće se od 6-9 MeV, osim za deuterijum– oko 2,2MeV.

O P T I Č K O Z R A Č E NJ E Infracrveno (toplotno) zračenje Vidljivo zračenje (svetlost) Ultravioletno zračenje Naziv zračenja Područje zračenja ULTRAVIOLETNO ZRAČENJE (UV) UV-C zračenje UV-B zračenje UV-A zračenje 100-400 nm 100-280 nm 280-315 nm 315-400 nm VIDLJIVO ZRAČENJE (SVETLOST) ljubičasta plava zelena žuta narandžasta crvena 380-780 nm 380-436 nm 436-495 nm 495-566 nm 566-589 nm 589-627 nm 627-780 nm INFRACRVENO ZRAČENJE (IR) IR-A zračenje IR-B zračenje IR-C zračenje 780-106 nm 780-1400 nm 1400-3000 nm 3000-106 nm