21. Az elektron vizsgálata

1. Kísérleti bizonyítékok:

Az elektron részecsketermészete:
Kísérleti bizonyítékok:

Thomson-kísérlet
Millikan-kísérlet
elektrolízis

Az elektron hullámtermészete:
Kísérleti bizonyíték:

elektroninterferencia

2. Katódsugárzás vizsgálata (Thomson):

Katód = negatív elektróda.
Anód = pozitív elektróda.
Katódsugárcső = zárt üvegcső, amelynek a két végén helyezkedik el a két elektróda.
A katódsugárcsőben feszültség hatására ionizáció révén negatív töltésű részecske áramlás történik.
J.J. Thomson 1897-ben kimutatta, hogy az áramlásban szereplő negatív töltésű részecske nem más, mint az elektron. Ez volt az első ismert atomalkotó. Az atomkor kezdete innen számítható.
A katódsugarakat (elektronsugarakat)

• az anódról továbbvezetve a ZnS (cink-szulfidos) bevonatú ernyőn felvillanásokat okoznak, 
• kondenzátorlemezekkel eltéríthetők,
• a mágnes segítségével is eltéríthetők.

A katódsugárcsövek továbbfejlesztett változatai:

• a fénycsövek
• tévéképcső, oszcilloszkóp
• a Rtg-sugár előállító csövek
• az elektroncsövek.

régi típusú televízió:

elektoronmikroszkóp:

3. Millikan kísérlet (1910.):

Kondenzátorlemezek közé 10^-7 – 10^-8 m átmérőjű olajcseppeket porlasztott, amelyek a dörzsölődéstől feltöltődtek. A feltöltött olajcseppekre már hatott a kondenzátor-lemezek közötti elektromos mező. A lemezek közötti U feszültséget beállítva elérte, hogy a cseppekre ható erők kiegyenlítsék egymást.

Tapasztalat:
Az olajcseppek töltése minden esetben az elemi töltés, vagyis az elektron töltésének egész számú többszörösének adódott.
Jelentőség:
A Thomson-kísérletben az elektrom fajlagos töltése (Q/m hányados értéke) vált ismerté.
Miután Millikan meghatározta az elemi töltés értékét (e = -1,6*10^-19C) az elektron tömege is ismertté vált.
(m_e = 9,1*10^-31kg)

4. Elektrolízis:

A mérések alapján az elektródákon kiváló minden ion töltése e = 1,6·10^-19 C-nak, vagy annak egész számú többszörösének adódott.

5. Elektron interferencia:

6. De Broglie[dö broj]:

Nem csak a fény, hanem minden mikroszkopikus részecske rendelkezik kettős természettel.
Ha egy elektron hullám tulajdonságú, akkor van hullámhossza és frekvenciája.
Ugyanazon összefüggéseket  felírva, ami a fotonokra érvényesek:
    E = h∙f = m·c²   |:c²
    m = h∙f/c²         |∙c
    I = m∙c = h∙f/c   | λ=c/f
    I = h/λ
ahol h = 6,63·10^-34 Js (Planck állandó)

6. Gyakorló feladatok

1. Mekkora a 3000V-os gyorsítófeszültségen átengedett elektron hullámhossza?

2. Mekkora a mozgási energiája annak az elektronnak, amelynek a hullámhossza 1,9*10^-11m? Mekkora feszültség szükséges a gyorsításához?

3. Határozzuk meg a de Broglie hullámhosszát egy
a) 6*10⁶m/s sebességgel mozgó elektronnak!
b) egy 13m/s sebességgel mozgó 0,15kg tömegű labdának!

20. Fényelektromos egyenletre vonatkozó számolásos feladatok

1. A feladatok megoldásához szükséges ismeretek:

c = 300 000km/s = 3*10⁸m/s (fénysebesség)
λ = fény hullámhossza
f = a fény frekvenciája
 c = λ*f → λ = c/f és f = c/λ

Fényelektromos egyenlet:
h*f = W_ki + 1/2*m_e*v_e²
h = 6,63*10^-34Js = Planck-állandó
W_ki = a fotókatód anyagára jellemző kilépési munka (állandó)
m_e = 9,1*10^-31kg = elektron tömege
e = 1,6*1,^-19C = elemi töltés (egy elektron töltése)

2. Feladatok

1. Mekkora sebességgel hagyja el a lítiumot az elektron, ha 7,5*10¹⁴Hz frekvenciájú fénnyel világítjuk meg? (W = 0,384aJ)

Megoldás:
Adatok:
f = 7,5*10¹⁴Hz
W_ki = 0,384aJ = 0,384*10^-18J
v = ?

Fényelektromos egyenlet:
h*f = W_ki + 1/2*m_e*v_e²
6,63*10^-34*7,5*10¹⁴ = 0,384*10^-18 + 0,5*9,1*10^-31*v_e²
4,9725e-19 = 3,84e-19 + 4,55e-31*v_e² |-3,84e-19
1,1325e-19 = 4,55e-31*v_e² |:4,55e-31
2,489e+11 = v_e² |√
v_e = 5e5 m/s = 50 km/s

2. Milyen frekvenciájú fénnyel kell megvilágítani a lítium fémet, hogy a kilépő elektron sebessége 2000km/s legyen? (W = 0,384aJ)

Megoldás:
Adatok:
v = 2000km/s = 2e6 m/s
W_ki = 0,384aJ = 0,384*10^-18J
f = ?

Fényelektromos egyenlet:
h*f = W_ki + 1/2*m_e*v_e²
6,63*10^-34*f = 0,384*10^-18 + 0,5*9,1e-31*(2e6)² 6,63e-34*f = 3,84e-19 + 1,82e-18
6,63e-34*f = 2,204e-18 |:6,63e-34
f = 3,32e+15Hz (UV fény)

3. 750nm hullámhosszúságú vörös fénnyel megvilágított elektronok 1,2V-os ellentéren tudnak áthaladni cézium esetén. Mekkora a fém kilépési munkája?

Megoldás:
Adatok:
λ = 750nm = 750*10^-9m
U = 1,2V
W_ki = ?

Fény:
f = c/λ
Fényelektromos egyenlet:
h*f = W_ki + e*U

4. Mekkora frekvenciájú fény képes még fotoeffektust létrehozni káliumkatód esetén? (W = 0,33aJ)

Megoldás:
Adatok:
W_ki = 0,33aJ = 0,33*10^-18J
f = ?

Fényelektromos egyenlet:
h*f = W_ki

5. Mekkora a fotoeffektus útján kilépő elektronok maximális sebessége, ha az ezüstöt 2,72*10¹⁵Hz frekvenciájú UV fénnyel világítjuk meg?(W = 0,752aJ)

Megoldás:
Adatok:
f = 2,72*10¹⁵Hz
W_ki = 0,752aJ = 0,752*10^-18J
v = ?

Fényelektromos egyenlet:
h*f = W_ki + 1/2*m_e*v_e²

19. A fény kettős természete

1. A fény mint hullám

A fény elektromágneses, transzverzális hullám.
Jellemzői:

• c = terjedési sebesség = 3*10⁸m/s (állandó = konstans)
• lambda = hullámhossz = egy teljes hullám hossza [m]
• f = frekvencia = egy másodperc alatt kialakuló teljes hullámok száma [Hz = 1/s]

Képlet:
 c = lambda*f
Pl. Ha lambda = 400nm, akkor
f = c/lambda = 3*10⁸/400*10^-9 = (3/400)*10⁸⁺⁹ = 0,0075*10¹⁷ = 7,5*10¹⁴Hz

Spektrum =
az elektromágneses hullámok hullámhossz, vagy frekvencia szerinti rendezett összessége.
Főbb összetevők:

1. rádiósugárzás
2. mikrohullámú sugárzás
3. infravörös sugarak
4. látható fény (VNSZKII)
5. ibolyán túli sugarak (UV)
6. Röntgen-sugárzás
7. kozmikus (gamma) sugárzás

A fény terjedése és interferenciája jól modellezhető hullámok segítségével.

2. A fény részecske természete

Bizonyos jelenségek csak akkor magyarázhatók meg, ha feltételezzük, hogy a fény részecskékből, fotonokból áll.
Ezek a fotonok az ütközésekben vesznek részt és a energiájukat adagokban (kvantumokban) adják át egymásnak.
A kvantumos természet elméletét Planck német fizikus dolgozta ki, innen származik a kvantummechanika elnevezés.

3. Fényelektromos jelenség (fotoeffektus):

Megfigyelt tény, hogy bizonyos fémek (K, Na, Li = alkáli fémek) megvilágítás hatására elektromos állapotba kerülnek.
Ezt kihasználó elektromos eszköz a fotocella.
A fotocella megvilágítás hatására áramforrásként működik.

(Fotocellás) Kísérlet:
Vizsgáljuk meg hogyan változik a fotocella feszültsége, ha a fény frekvenciáját növeljük!

Tapasztalat:

Csak egy bizonyos frekvenciaérték után alakul ki feszültség.
A frekvencia növelésével a feszültség is nő (közöttük egyenes arányosság figyelhető meg).

Magyarázat:
A jelenség magyarázata Einstein nevéhez fűződik, aki ezért a fényelektromos egyenletéért 1922-ben Nobel-díjban részesült.
h*f = W_ki + E_mozg

ahol
h = Planck állandó = 6,63*10^-34Js
h*f = a fény energiája.
W_ki = kilépési munka (az anyagi minőségre jellemző állandó)
E_mozg = a kilépő elektronok mozgási energiája
E_mozg = U*e
e = elektron töltése = 1,6*10^-19C

---

4. Kísérleti bizonyítékok a részecsketulajdonságra:

1. Fekete-test sugárzás
2. Fényelektromos hatás
3. Compton-szórás
4. Fény-nyomás

Fekete-test sugárzás:
Tapasztalatok:

• a melegített testek hősugárzást bocsátanak ki
• a sugárzás erőssége a hőmérséklettel nő/a spektrum a hőmérséklet függvénye
• azon testek sugároznak jól, amelyek jó-elnyelők (fekete test)

Magyarázat:
A magyarázatot Planck adta meg, de ehhez azzal a feltételezéssel kellett éljen, hogy a fekete test E = h*f kvantumokban (diszkrét energia-csomagokban) sugároz.

Compton-szórás:
Compton nagy energiájú röntgenfotonokat használt, melyek szabadnak tekinthető elektronokkal ütköznek.
Compton-szórás: a foton minden irányba eltérülhet, vagyis szóródhat.
Foton és az álló elektron között tökéletesen rugalmas ütközés játszódik le.
Ekkor a foton energiát ad át az elektronnak, így a foton energiája csökken, és ez a frekvencia csökkenésével és a hullámhossz növekedésével jár.

Fénynyomás:
ha vákuum van a burán belül, akkor a fény a fehér felületről visszapattan, a szerkezet ebbe az irányba fordul el.
ha nincs vákuum, akkor a fény a fekete felületet jobban felmelegíti, és így a levegőrészecskék jobban nekilökődnek, ezért ebbe az irányba fordul el a szerkezet.
Pjotr Lebegyev ( 1866-1912.) 1901-ben kísérletileg bizonyította a fénynyomás létét.

Igaz-hamis állítások

NÉV: PONT:
Igaz-hamis állítások:

Ssz.	Állítás	Igaz	Hamis	?
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.

18. Az atomfizika részterületei

Kiindulópont:
Vizsgáljuk meg egy tetszőleges atom felépítését!

Az atom két részből áll:

• belül a kis méretű atommagból és
• kívül a kiterjedt elektronhéjak sokaságából.

Haladási irány:
Az atom megközelítése kívülről befelé történik.

Ennek megfelelően az első atomfizikai részterület a héjfizika, az elektronhéjak felépítésével foglalkozik.

A második terület a magfizika az atommag szerkezetét vizsgálja.
Az atommagot protonok és neutronok alkotják.

A protonok, neutronok és elektronok még kisebb összetevőkből, úgynevezett elemi részecskékből épülnek fel. Ezekkel a részecskefizika foglalkozik.

Tehát az atomfizikának, amit kvantumfizikának is szoktak hívni 3 részből áll:

• héjfizika,
• magfizika és
• részecskefizika.