1. AATOMI JA TUUMAFÜÜSIKA 12. KL

2. Mikro ja makro

17. Aatomi koostisosad. Prooton ja neutron on ligikaudu võrdse massiga, mis on 2000 korda suurem elektroni massist. Tavaolekus on aatom elektriliselt neutraalne. Seega peab prootonite arv tuumas ja teda ümbritsevate elektronide arv võrdne olema. Seda arvu nimetatakse laenguarvuks Z, mis on tähtsaim aatomit iseloomustav suurus. Vahemaad aatomi osakeste vahel on ülisuured, aatom sisaldab palju tühja ruumi. 0 1,674928*10 -27 Neutron +1,6*10 -19 1,6726231*10 -27 Prooton -1,6*10 -19 9,1*10 -31 Elektron LAENG(C) MASS(kg) NIMETUS

18. Planetaarmudeli vastuolud. Päikesesüsteemi hoiavad koos gravitatsioonijõud. Aatomis toimib positiivselt laetud tuuma ja negatiivse laenguga elektronide vaheline tõmbejõud. Näiteks H aatomis on elektriline tõmbejõud gravitatsioonijõust ~10 39 korda suurem. Kui elektronid seisaksid paigal, siis “kukuksid” nad tuumale. Päikesesüsteemi püsivuse tagab pidev liikumine. Samast lähtub ka aatomi planetaarmudel, oletades, et elektronide liikumine tuuma ümber teeb aatomi püsivaks. Vastuolu tekib siin elektrodünaamika seadustega – kiirendusega (ringliikumine on kiirendusega liikumine) liikuv elektron kiirgab elektromagnetlaineid, seega peaks elektron kaotama pidevalt energiat ja langema tuuma Selliste arvestuste järgi peaks elektroni energia otsa saama 10 -9 sekundiga.

19. Planetaarmudeli vastuolud

20. Aatomite püsikindlus Tegelikkuses on aatomid väga püsiva struktuuriga moodustised. Isegi elektronide eemaldamine ei kahjusta aatomit. Esimesel võimalusel hangib ta ettejuhtuvad elektronid ja taastub esialgses kvaliteedis. Saab olla vaid üks järeldus: mikro-maailmas kehtivad seaduspärasused, mis ei sobi makro-maailma.

24. Veidi ringliikumisest

29. Colombi seadus, dielektriline läbitavs, elektriline konstant ε 0 - elektriline konstant ( 8,85 · 10 -12 C 2 /N · m 2 ) 4πε 0 ε k = 1 4πε 0 εr 2 q 1 · q 2 F =

30. Kesktõmbe jõud, mis sunnib elektroni masiga m ja kiirusega v tiirlema orbiidil raadiusega r n, antud juhul võrdne elektrostaatilise tõmbejõuga (Coulomb´i jõuga) elektroni ja tuuma vahel Aatomi kineetiline energia E kin tuumaga seotud taustsüsteemis on võrdne elektroni liikumise energiaga: seega Elektroni potentsiaalne energia tuuma elektriväljas on aga järgmine ja võrdub tööga, mida on vaja teha, et tuua elektron tuuma elektriväljas orbiidile raadiusega r n , see on negatiivne Seega aatomi koguenergia

31. Aatomi koguenergia Aatomi koguenergia sõltub vaid elektroni kaugusest tuumast Arvestades II postulaati Aatomi statsionaarsetele olekutele vastab elektroni tiirlemine teatud kindlatel orbiitidel, millel elektroni liikumishulga (impulsi) momendi absoluutväärtus on kordne Plancki konstandiga h saame millest ja et avaldades v

32. Aatomi koguenergia Saadud avaldisest on näha, et rn võimalikud väärtused sõltuvad peale tuntud konstantide ainult kvantarvust n. Kõige väiksemat võimaliku rn (n=1) nimetatakse Bohri raadiuseks

33. Aatomi koguenergia Aatomi põhioleku n=1 energia on seega Aatomi n oleku energia on seega

39. Spektrijooned ja energiatasemed. Elektrivoolu juhtimisel gaasi, hakkab see kiirgama valgust, mille spekter on joonspekter. See tähendab, et kiiratud valgus koosneb kindlatest lainepikkustest. Hõredates gaasides kiirgavad nõrgalt seotud aatomid ja joonspektrid on seega üksikute aatomite spektrid. Kindlale lainepikkusele vastab ka kindel kiirguse sagedus. Joonspekter tähendab seda, et aatomid kiirgavad kindla energiaga footoneid . Footoni energiat saab arvutada eeskirjast H=6,62*10 -34 Js – Plancki konstant ja f – kvandi sagedus (1) (2)

40. Spektrijooned ja energiatasemed Kui aatom kiirgab kindla energiaga footoni, siis vastavalt energia jäävuse seadusele peab ta kaotama samasuure energiahulga. Mõningane sarnasus on trepist allaveereva keha potentsiaalse energia vähenemisel. Seega on aatomis ka elektronid kindlatel energeetiliste tasemetel. Vastavate energiatasemete muster on iseloomulik igale aatomitüübile – keemilisele elemendile. Elektroni üleminekul kõrgemalt energiatasemelt madalamale kiirgab aatom valguskvandi energiaga Kus E 2 ja E 1 on vastavate tasemete energiad. Energiat mõõdetakse erilistes ühikutes – elektronvoltides [eV]. Kehtib seos:

41. Vesiniku aatomi üleminekud.

43. Vesiniku aatomi spekter. Vesinikuaatomi spektrijooned ei asu korrapäratult, vaid on koondunud teatud rühmadesse, mida nimetatakse seeriateks. Igas seerias olevad jooned moodustavad koonduvaid jadasid.

44. Vesiniku aatomi spekter.

50. elektronide difraktsioonpilt B – elektronide difraktsioonipilt. Elektronidel on lainelised omadused!

51. Elektroni laine olemus. Laine on millegi perioodilise muutumise levimine ajas ja ruumis.mis siiski lainetab elektronide juures? Lainefüüsika seadustele allub elektroni asumistõenäosus antud punktis . Seda teoreetilist konstruktsiooni nimetatakse ka tõenäosuslaineks. Need lained ei levi mingis konkreetses materiaalses keskkonnas. Laineprotsessi kirjeldavat matemaatilist avaldist nimetatakse lainefunktsiooniks, mida tähistatakse kreeka tähestiku tähega  . Lainefunktsioon määrab osakese leiutõenäosuse antud kohal ja ajahetkel. Edaspidises tekstis nimetatakse osakese leiutõenäosust lihtsamalt leiulaineks. Laineid iseloomustatakse lainepikkusega. Vastava seose tuletas de Broglie ning see avaldub kujul

52. Mis lainetab elektronilaines? Lainetus on millegi perioodiline muutumine ajas ja ruumis. Veelaines lainetab veepind, helilaines õhu tihedus, valguslaines elektromagnetväli. Mis lainetab elektronilaines?

61. Schrödingeri võrrand. Scrödingeri võrrand on mikromaailma e. kvantmehaanika põhivõrrand. Analoogiline võrrand on klassikalises mehaanikas Newtoni II seadus. F=m*a. Kui makrokeha asukoht, talle mõjuvad jõud ja kiirus on teada, siis saab NII seaduse abil määrata tema liikumisoleku. Scrödinger tugines üldisele lainevõrrandile (lainelist liikumist kirjeldav võrrand). Tulemuseks saadud võrrand on diferentsiaalvõrrand (sisaldab tuletisi). Sellise võrrandi lahendid on funktsioonid – lainefunktsioonid, mis kirjeldavad osakeste paiknemise tõenäosuslaineid.

62. Potentsiaalibarjäär ja potentsiaaliauk Kui veerev kuulike kohtab oma teel kerget tõusu (pinnavolti), hakkab tema kiirus tõusul vähenema. Seejuures muutub tema kineetiline energia potentsiaalseks. Kui kuulikese algne kineetiline energia on suurem, kui voldi kõrgusega määratud potentsiaalne energia, siis veereb kuulike sellest üle. Vastasel juhul veereb tagasi, toimub peegeldumisele sarnane nähtus. Sellist mehaanilist pinnavolti nimetatakse energeetilisest seisukohast potentsiaalibarjääriks . Kui voldi kõrgus läheneb lõpmatusele, saadakse nn. potentsiaalisein . Kui kuulike jääb kahe barjääri vahele, nimetatakse sellist situatsiooni potentsiaaliauguks . Mikromaailmas võivad potentsiaalibarjääre moodustada elektriväljad, kui nende tugevused jagunevad ruumis nii, et nad tõkestavad osakeste liikumist.

63. Tunneliefekt 1. Näiteks võib positiivse tuuma tõmbejõud tekitada potentsiaalibarjääri tuumast eemalduvale elektronile. Lõpmatult suurest potentsiaalibarjäärist ei saa elektron kuidagi üle. Tema leiulaine amplituud peab muutuma barjääril nulliks. Barjääri poole liikuv osake põrkub barjäärilt tagasi. Lõpliku barjääri kõrguse korral näitab Schrödingeri võrrand, et leiulaine ulatub ka barjääri sisse, kuigi kahaneb selles kiiresti. Piisavalt õhukese barjääri korral võib laine siiski läbida barjääri oluliselt kahanenud amplituudiga. See tekitab võimaluse, et osake võib ka barjääri ületamiseks ebapiisava energia korral osutuda teisel pool barjääri olevaks. See vastaks nagu tunneli tekkimisele. Tegelikkuses pole muidugi miskit tunnelit. On tegu vaid osakese laineliste omadustega seotud efektiga, kus laine suudab läbida barjääri ja kannab niimoodi ka osakese teisele poole barjääri. Situatsiooni nimetatakse “tunneliefektiks”.