KVANTNA PRIRODA SVETLOSTI

Transcription

1 KVANTNA PRIRODA SVETLOSTI

2 STRUKTURA ATOMA I MOLEKULA-ENERGETSKI NIVOI Kvantna teorija o strukturi atoma Nils Bor Elektroni pri kretanju po stacionarnim putanjama ne emituju niti apsorbuju energiju 1. Prvi Borov postulat elektron se može kretati u atomu samo po putanjama određenog poluprečnika za koje važi uslov da je moment količine kretanja elektrona L jednak celobrojnom umnošku veličine h/2 34 h Js L m v e n r n h n, 2 1,2,3,.. 2. Drugi Borov postulat objašnjava prelazak elektrona sa jednog energetskog nivoa na drugi. n E h E n E m

3 Struktura atomskog omotača i raspored energetskih nivoa Atomski energetski nivoi

4 Molekulski energetski nivoi

5 ENERGETSKI NIVOI MOLEKULA Energija molekula se sastoji od energije elektrona, energije oscilovanja atoma i molekula i energije rotacije molekula. Razlika energija dva nivoa se sastoji od tri energetska dela: E e E E e E gde je razlika energija elektrona, o razlika energija oscilovanja atoma i molekula, E r razlika energije rotacije molekula. o E r E Trakasti spektri

6 FLUORESCENCIJA I FOSFORESCENCIJA Cepanje energetskih nivoa molekula usled oscilacija atoma u molekulu, i oscilacija i rotacija samog molekula, što omogućava elektronske prelaze kojih nema u atomima. 1. Elektron se vraća direktno na početni nivo do 10 s. 2. Prvo prelazi na osnovno stanje energetskog nivoa S 1 a zatim na stanje S do 10 s. Energija emitovanog kvanta manja od upadnog. Nevidljivo EM zračenje u vidljivo. Najpogodniji fluori fluorescencija. 3. Metastabilni nivo T 2 od drugog molekula. Verovatnoća prelaza elektrona sa metastabilnog nivoa na S 0 mala fosforescencija. Elektron se vraća na S 1 pa zatim na S do 1s odložena fluorescencija.

7

8 Fluoroscentno kamenje Pod vidljivom svetlošću Pod UV svetlošću U mraku Fosforoscentni materijal

9 Primene fluorescencije: fluorescentno obeležavanje, fluorescentne lampe, biološki detektori, fluorescentna spektroskopija, forenzika (npr. otisci prstiju detektuju se fluorescentnim ninhidrinom). Primene fosforescencije: znaci za izlaz, označavanje puteva

10 STIMULISANA EMISIJA SVETLOSTI. LASERI Prelaz elektrona sa jednog na drugi energetski nivo u dva smera: Stimulisana apsorpcija sa nižeg na viši energetski nivo. Prelaz elektrona sa višeg na niži nivo uz spontanu emisiju kvanta zračenja: spontana emisija. Stimulisana emisija 1917 Ajnštajn: pobuđeni atom može biti stimulisan da pređe u niže energetsko stanje upadnim fotonom, čija energija je jednaka energiji prelaza. Emituje se foton iste energije i faze. Materijali koji se koriste kao laserski medijumi su oni kod kojih se atomi duže zadržavaju u pobuđenom (metastabilnom) stanju (inverzna populacija). To se dobija postupkom koji se naziva optičko pumpanje. LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

11 PRINCIP RADA Laserski zrak se može proizvesti jedino ako je stimulisana emisija izraženija u odnosu na apsorpciju i spontanu emisiju zračenja. To se postiže inverzijom naseljenosti atoma (ili elektrona) u laserskom medijumu: broj atoma u pobuđenom stanju mora biti veći od broja atoma u osnovnom stanju.

12 Svetlosni snop je monohromatski Svetlosni snop je koherentan Laserski snop je snažan i izvanredno kolimisan mw-1 MW, dok veličina spota ima dimenziju mm.

13 Ako se radna supstanca lasera spolja osvetli svetlošću blic-lampe velike snage, apsorpcijom svetlosti većina atoma se može prevesti u pobuđeno stanje. Time se, optičkim pumpanjem, postiže inverzna naseljenost energijskih nivoa u atomima. Pobuđeni atomi spontano, u svim pravcima emituju fotone. Ovi fotoni mogu izazvati stimulasanu emisiju, a oni fotoni koji se kreću u pravcu normalnom na ogledala višestruko prolaze kroz radnu supstancu i dolazi do njihovog kaskadnog umnožavanja. Tako pojačan svetlosni snop delom izlazi kroz jedno, delimično propustljivo ogledalo, koje obično propušta nekoliko procenata ukupnog inteziteta svetlosti, a preko 90% reflektuje. Fotoni emitovani u drugim pravcima ostvaruju neznatno pojačanje i izlaze iz radne supstance. Ovako dobijen laserski snop ima dve važne osobine: veliku snagu i veliku uređenost. Šema lasera: 1: laserski medij; 2: energija za pobuđivanje medija; 3: 100% reflektirajuće ogledalo; 4: 99% reflektirajuće ogledalo; 5: laserski zrak. Ref:

14 Za merenje velikih rastojanja (Zemlja-Mesec) U metalurgiji za sečenje metala Laserski štampači Za očitavanje cena na proizvodima u supermarketima Light-show Dekodiranje signala u elektronskim centralama Analiza materijala, precizna merenja, dobijanje holograma Štetni efekti: biološki i hemijski Osobina laserske svetlosti da razara biološka tkiva povezana sa efektom koagulacije belančevina omogućuje fine hirurške zahvate bez krvarenja. Laserska pinceta (laser twessers) je instrument koji koristi jako fokusiran laserski snop zračenja u cilju formiranja privlačne ili odbojne sile (tipično reda veličine piko Njutna), u zavisnosti od relativnog indeksa prelamanja, i na taj način fizički drži ili pomera mikroskopske dielektrične objekte.

15 KORPUSKULARNA PRIRODA SVETLOSTI Kada detaljnije razmatramo procese apsorpcije, emisije i rasejanja elektromagnetnog zračenja uočavamo sasvim drugačije aspekte svetlosti. U tim slučajevima primećujemo da je energija EM kvantovana odnosno ona se emituje i apsorbuje u paketima energije fotoni. (Ajnstajn 1905.god) Fenomen koji je bacio senku na talasnu prirodu svetlosti je fotoelektrični efekat u kojem materijal emituje elektrone kada je osvetljen. Komptonov efekat h A 2 mv 2

16 Fotoelektrični efekat: Heinrich Rudolf Hertz je godine otkrio, ali nije i objasnio fotoelektrični efekat koji je ostao zagonetka u fizici do početka 20. veka. Njegovo otkriće i objašnjenje su odigrali ključnu ulogu u razvoju moderne fizike jer je nedvosmisleno pokazao kvantnu prirodu procesa u mikrosvetu. Fotoelektrični efekat je pojava kada svetlost određene talasne dužine padne na površinu metala (npr. cinka ili natrijuma)i iz njega izbija elektrone.

17 KLASIĈNA TEORIJA ELEKTROMAGNETNOG ZRAĈENJA (TALASNA TEORIJA) PREDVIĐA SLEDEĆE: 1. kinetička energija fotoelektrona treba da raste sa povećanjem intenziteta svetlosti, 2. elektrone iz fotokatode treba da izbaci bilo koja svetlost adekvatnog intenziteta, 3. elektronu treba relativno dugo vremena da dobije energiju iz upadne svjetlosti pa da napusti fotokatodu. A u eksperimentima se dešavalo sledeće: 1. kinetička teorija fotoelektrona ne zavisi od intenziteta (fluksa) svjetlosti, 2. samo svetlost veće frekvencije (manje talasne dužine) od neke granične može izazvati fotoefekat, 3. fotostruja se uspostavlja trenutno.

18 DIJAGRAM ZAVISNOSTI MAKSIMALNE KINETIĈKE ENERGIJE ELEKTRONA ZN-A (CINKA) OD FREKVENCIJE SVETLOSTI

19 Na osnovu izučavanja zavisnosti fotostruje I, obrazovane elektronima emitovanim sa katode pod dejstvom svetlosti, od napona U između elektroda, različitih materijala u vakuumu, za različite frekvencije upadnog zračenja, utvrđena su tri osnovna zakona spoljašnjeg fotoefekta: 1. Stoletov zakon: pri fiksiranoj vrednosti frekvencije upadne svetlosti, broj fotoelektrona, istrgnutih u jedinici vremena, proporcionalan je intenzitetu svetlosti (jačina fotostruje zasićenja proporcionalna je energetskoj osvetljenosti katode); 2. Maksimalna početna brzina (maksimalna kinetička energija) fotoelektrona ne zavisi od intenziteta upadne svetlosti, već je određena samo njenom frekvencijom; 3. Za svaki materijal postoji crvena granica fotoefekta, tj. minimalna frekvencija svetlosti (koja zavisi od hemijske prirode materijala i stanja njegove površine), ispod koje je fotoefekat nemoguć.

20 Fotoelektrični efekat ima široku primenu Digitalne kamere i noćni dvogled (night vision scopes) konvertuju svetlost u električni signal koji se rekonstruiše u sliku Svetlost udara u ploču i pri tome se izbacuju elektroni koji prolaze kroz tanak disk u kojem se nalazi milion tankih kanala. Struja u svakom kanalu se pojačava i usmerava na ekran koji svetli kada se pogodi elektronom.

21

22 X ZRAĈENJE Rendgenski zraci ili Х-zraci (iks-zraci) su deo elektromagnetnog spektra sa frekvencijama od do herca, odnosno talasna dužina im je reda 0,1 do 10 nanometra (0, do m). Zraci su jonizujući i zbog velike energije koriste se u radiologiji (u medicini), kao i u kristalografiji za određivanje strukture kristala. Rendgenski zraci su dobili ime po svom pronalazaču Vilhemu Konradu Rendgenu koji ih je otkrio godine sa aparaturom sličnom na slici Anoda proizvodi jednim delom X-zrake usporavajući elektrone Bremsstrahlung (kontinualno zračenje) i pri prelazu elektrona u atomima anode na niže energetske nivoe (karakteristično zračenje)

23 PRIMENA X-ZRAĈENJA X zračenje ima puno praktičnih primena u medicini i industriji Velika energija, mogućnost prodiranja u čvrstu materiju do nekoliko centimetara. Vizualizacija unutrašnje građe materije (slomljene kosti, strukturna građa) Objekat se postavi između izvora X zračenja i detektora (fotografski film) Kosti su bolji apsorberi od tkiva tako da su one na slici pojavljuju kao svetlije površine. CT skener (computed tomography) izvor X-zračenja proizvodi tanak, lepezast snop zraka koji se detektuje na suprotnoj strani objekta sa nekoliko stotina povezanih u liniju detektora. Svaki detektor meri apsorpciju

24 duž tanke linije. Cela aparatura se rotira oko pacijenta u ravni zraka, i promena brzine detekcije upadnih fotona u detektor se digitalno zapisuje.kompjuter procesuira dobijene podatke i rekonstruiše sliku celog preseka pacijenta. Razlike u apsorpciji oko 1% i manje mogu biti detektovane ovim skenerom, i u tom smislu se tumori i ostale anomalije mogu primetiti na ovaj način. X zračenje prouzrokuje oštećenje živih organizama. X fotoni se apsorbuju u tkivu, kidaju molekuske veze i na taj način stvaraju opasne slobodne radikale (H i OH) koji mogu da naruše hemijsku strukturu proteina i genetskog materijala. Brzorastuće i ćelije koje su u razvoju su posebno osetljive, zbog toga se ovo zračenje koristi za selektivnu destrukciju ćelija raka.

25 FORENZIKA Kada pištolj opali, dim iz cevi se širi (GSR-gunshot residue). Emisioni X-spektar čestica dima sadrži karakteristične pikove atoma olova (Pb), antimona (Sb) i barijuma (Ba). Ako uzorak uzet sa kože osumljičenog ili odela emituje spektar X-zračenja sa ovim karakterističnim linijama, to ukazuje da je osumljičeni u skorije vreme pucao iz pištolja.

26 TALASNA PRIRODA ĈESTICE. ELEKTRONSKI TALAS 1924, godine francuski fizičar i Nobelovac Princ Luj de Brolj došao je do izuzetnog otkrića o prirodi materije. Njegov rezon, slobodno parafraziran je glasio: Priroda voli simetriju. Svetlost je dualističke prirode, u nekim situacijama se ponaša kao talas dok u nekim kao čestica. Ako je priroda simetrična, ova dualnost takođe može da se odnosi i na materiju. Elektoni i protoni, koji spadaju u čestice, mogu u nekim prilikama da se ponašaju kao talasi.

27 TALASNA PRIRODA ĈESTICE

28 De Broljeva talasna dužina čestice h p Frekvencija po de Brolju je povezana sa energijom čestice kao i kod fotona E h Nekoliko godina nakon publikacije de Broljeve ideje eksperimentalni rezultati difrakcije elektrona su potvrdili talasnu prirodu čestice. Ako je de Broljeva hipoteza tačna, da materija poseduje talasna svojstva, zašto taj fenomen ne primećujemo u svakodnevnom životu? h mv 10 Kolika je talasna dužina zrna peska mase m 5 10 kg i poluprečnika 0.07 mm koje pada kroz vazduh sa konačnom brzinom od 0.4 m/s? Js 3 10 p 10 kg m 2 10 s Talasna dužina nemerljiva, manja od dimenzije atoma h 24 m

29 ELEKTRONSKI MIKROSKOP Elektronski mikroskop pruža interesantan i važan primer talasne i čestične prirode elektrona. Trajektorija elektrona može biti prelomljena podvrgavajući se zakonima refleksije i prelamanja, kao i korišćenjem električnog i magnetnog polja. Sa druge strane snop može da konvergira upotrebom sočiva i ogledala ili električnog/magnetnog polja. rezolucija Zašto je elektronski mikroskop superiorniji od optičkog mikroskopa?

30 ELEKTRONSKI MIKROSKOP o Šematski dijagram TEM (transmission electron microscope) mikroskopa. o Snop elektrona prolazi kroz više magnetnih sočiva o Objectiv i projection lens igraju ulogu objektiva i okulara o Konačna slika se projektuje na fluorescentnom ekranu ili fotografiše o Cela aparatura mora biti u vakuumu. Zašto? o Ako je talasna dužina elektrona 0.01nm, može se očekivati da će i rezolucija biti 0.01nm