RATKAISUT: 23. Kvantittuminen
Transcription
RATKAISUT: 23. Kvantittuminen
Physica 9 RATKAISUT 1. painos 1(11) 23. Kvantittuminen RATKAISUT: 23. Kvantittuminen 23.1 a) Spektri esittää säteilyn intensiteetin aallonpituuden tai taajuuden funktiona. b) Viivaspektri on yksittäisten aallonpituuksien intensiteettijakauma, spektri muodostuu yksittäisistä viivoista. Esimerkiksi hehkuva pienipaineinen atomaarinen kaasu lähettää viivaspektrin. c) Einsteinin mukaan säteily koostuu erillisistä, toisistaan riippumattomista ja hajoamattomista hiukkasmaisista osista, joiden energia on suoraan verrannollinen säteilyn taajuuteen E = hf, jossa f on säteilyn taajuus ja h on Planckin vakio. Näitä ”säteilyhiukkasia”, kvantteja sanotaan fotoneiksi. Fotoni syntyy sähkömagneettisen säteilyn emissiossa ja häviää absorptiossa. d) Musta kappale on säteilijää kuvaava malli. Se absorboi kaiken siihen osuvan säteilyn. Mustan kappaleen säteilyn spektri riippuu vain kappaleen lämpötilasta. Mustan kappaleen lähettämän säteilyn spektri on jatkuva. e) Röntgensäteily on sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on erittäin pieni verrattuna näkyvän valon aallonpituuteen. Röntgensäteilyn löysi Wilhelm Röntgen vuonna 1895. Röntgenputken hehkukatodilta irtoaa elektroneja (katodisäteily), jotka kiihdytetään katodin ja anodin välisellä jännitteellä. Kun elektronit osuvat anodimetalliin, syntyy röntgensäteilyä. Elektronien jarruuntumisesta aiheutuvaa säteilyä kutsutaan jarrutussäteilyksi ja ominaissäteilyä syntyy, kun elektronisuihku törmää anodimateriaalin atomeihin. f) Rutherfordin kokeessa alfasäteilyä kohdistettiin erittäin ohueen kultafolioon. Suurin osa alfahiukkasista kulki kultafolion läpi suuntaansa muuttamatta, muutamien hiukkasten suunta muuttui vähän ja jokunen alfahiukkanen kimposi takaisin tulosuuntaansa. Sironneet alfahiukkaset jättivät jäljen filmille, joka oli asetettu kultafolion ympärille. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 1. painos 2(11) 23. Kvantittuminen g) Fluoresenssiksi kutsutaan ilmiötä, jossa atomin viritystila purkautuu välittömästi (alle 10 ns:ssa) virittymisen jälkeen ja aine lähettää näkyvää valoa. Virittyneen atomin absorboima energia voi purkautua vaiheittain usean eri energiatason kautta. 23.2 Fotonin energia on E = 2,3 eV , Planckin vakio h = 4,136 ⋅10−15 eVs ja valon nopeus c = 2,998 ⋅108 m . s a) Säteilykvantin energia on Planckin lain mukaan E = hf . Ratkaistaan tästä säteilyn taajuus E 2,3 eV = h 4,136 ⋅10−15 eVs 1 = 5,5609 ⋅1014 ≈ 5, 6 ⋅1014 Hz. s f = b) Sähkömagneettinen säteily etenee valonnopeudella. Aaltoliikkeen perusyhtälön mukaan c = λ f . Ratkaistaan aallonpituus m 2,998 ⋅108 c s = 5,3912 ⋅10−7 m = 540 nm. λ= = f 5,5609 ⋅1014 1 s c) Fotonin liikemäärä on p= h λ = 4,136 ⋅10−15 eVs eVs kgm = 7, 6718 ⋅10−9 = 7, 7 ⋅10−9 . 5,3912 ⋅10−7 m m s Vastaus: a) Fotonin taajuus on 5, 6 ⋅1014 Hz b) Fotonin aallonpituus on 540 nm c) Fotonin liikemäärä on 7, 7 ⋅10−9 kgm s 23.3 Rydbergin vakio vedylle on RH = 1, 0974 ⋅107 1 . m a) Bohrin atomimallin mukaan elektroni kiertää ytimen ympärillä ympyräradoilla, joita jokaista vastaa tietty energia. Kun elektroni siirtyy radalta toiselle, vetyatomi emittoi tai absorboi ratojen energioiden erotusta vastaavan fotonin, jonka energia on c ΔE = Em − En = hf = h . Emissiospektrissä havaitaan tämän aallonpituuden kohdalla λ kirkas viiva. Absorptiospektrissä havaitaan samalla kohtaa musta viiva. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 1. painos 3(11) 23. Kvantittuminen b) Balmerin sarjassa n = 2. Vetyatomin Balmerin sarjan spektriviivojen aallonpituudet voidaan laskea yhtälöstä 1 λ = RH ( 1 1 − 2 ). 2 2 m i) Suurin aallonpituus saadaan, kun siirtymä on lyhin mahdollinen. Tällöin kokonaisluku m = 3 eli 1 λ = RH ( 1 1 − ). Ratkaistaan aallonpituus 22 32 1 1 1 5 = RH ( − ) = RH ( ) ja λ 4 9 36 λ= = 36 5 RH 36 5 ⋅1, 0974 ⋅107 = 6,56096 ⋅10−7 1 m m = 656 nm. ii) Pienin aallonpituus saadaan, kun siirtymä on pisin mahdollinen. Tällöin kokonaisluku m = ∞ eli 1 1 1 = 0 ja = RH ( 2 − 0). λ m 2 Ratkaistaan aallonpituus 4 4 = RH 1, 0974 ⋅107 1 m −7 = 3, 6449779 ⋅10 m = 364 nm. λ= Vastaus: b) Suurin aallonpituus on 656 nm ja pienin aallonpituus on 364 nm. 23.4 Vetyatomin energiatilat ovat En = − 13, 60 eV . n2 Planckin vakio on h = 4,136 ⋅10−15 eVs ja valonnopeus c = 2,998 ⋅108 m . s a) Vetyatomin 13, 60 eV = −13, 60 eV 12 perustilan energia ( n = 1 ) E1 = − Ensimmäisen viritystilan energia ( n = 2 ) E2 = − 13, 60 eV = −3, 40 eV. 22 Toisen viritystilan energia ( n = 3 ) E3 = − 13, 60 eV = −1,51 eV. 32 © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 1. painos 4(11) 23. Kvantittuminen Kolmannen viritystilan energia ( n = 4 ) E4 = − 13, 60 eV = −0,85 eV. 42 Neljännen viritystilan energia ( n = 5 ) E5 = − 13, 60 eV = −0,54 eV. 52 Piirretään energiatasokaavio: b) Balmerin sarjan n = 2. Balmerin sarjan β-viiva vastaa siirtymää n = 4 → n = 2. Perustilassa oleva vetyatomi virittyy tilaan n = 4 fotonilla, jonka energia on ΔE = E4 − E1 = −0,85 eV − (−13, 6 eV) = 12, 75 eV. Fotonin energiaa vastaava aallonpituus saadaan yhtälöstä ΔE = hf = hc λ= = ΔE 4,136 ⋅10−15 eVs ⋅ 2,998 ⋅108 hc λ m s 12, 75 eV −8 = 9, 7253 ⋅10 m ≈ 97,3 nm. c) i) Ensimmäisen ja toisen tilan energioiden erotus on ΔE = E2 − E1 = −3, 40 eV − (−13, 60 eV) = 10, 20 eV. Siten 10,95 eV:n fotoni ei kykene virittämään vetyatomia. ii) Ensimmäisen ja viidennen tilan energioiden erotus on ΔE = E5 − E1 = −0,54 eV − (−13, 60 eV) = 13, 06 eV. Siten 13,06 eV:n fotoni absorboituu vetyatomiin ja atomi virittyy tilaan n = 5. Vastaus: b) Säteilyn aallonpituus voi korkeintaan olla 97,3 nm. c) 10,95 eV:n fotoni ei kykene virittämään vetyatomia ja 13,06 eV:n fotoni absorboituu vetyatomiin. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 1. painos 5(11) 23. Kvantittuminen 23.5 Natriumatomin perustilan energia on E1 = −5,14 eV ja viritystilan energiaa kysytään Eviritys = ? . Havaittavan keltaisen valon aallonpituus on λ = 589,0 nm , Planckin vakio h = 4,136 ⋅10−15 eVs ja valonnopeus c = 2,998 ⋅108 m . s a) Aaltoliikkeen perusyhtälön c = λ f mukaisesti taajuus m s = 5, 08998 ⋅1014 1 = 509 THz. f = = s λ 589, 0 ⋅10−9 m 2,998 ⋅108 c b) Planckin lain mukaan natriumatomin lähettämän fotonin energia on ΔE = hf = = hc λ 4,136 ⋅10−15 eVs ⋅ 2,998 ⋅108 589, 0 ⋅10−9 m m s = 2,1052 eV ≈ 2,11 eV. Tämä energia on yhtä suuri kuin viritystilan ja perustilan energioiden erotus ΔE = Eviritystila − E1 , josta viritystilan energiaksi saadaan Eviritystila = E1 + ΔE = −5,14 eV + 2,11 eV = −3, 03 eV. Vastaus: a) Keltaisen valon taajuus 509 THz. b) Viritystilan energia on –3,03 eV. 23.6 a) Valosähköilmiössä metallin pinnasta irtoaa elektroneja. Elektronit voidaan pysäyttää valokennossa vastajännitteellä. Metallin pinnasta irtoavien elektronien liike-energia on tulevan fotonin energian ja irrotustyön erotus Ekmax = hf − W0 . Pysäytysjännitteen perusteella voidaan laskea nopeimpien elektronien liikeenergia Ekmax = QeU . b) Taulukkoon on laskettu elektronien suurin liike-energia taajuuden funktiona. Esimerkiksi taajuudella 921 THz elektronin suurin liikeenergia on Ekmax = QeU = 1 e ⋅1, 72 V = 1, 72 eV. Piirretään kysytty suora. f (THz) Ekmax=QeU(eV) 921 1,72 882 1,55 © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 1. painos 818 1,28 752 1,01 677 0,693 556 0,185 © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät 6(11) 23. Kvantittuminen Physica 9 RATKAISUT 1. painos 7(11) 23. Kvantittuminen c) Suoran yhtälö on Ekmax = hf − W0 . Suoran fysikaalisesta kulmakertoimesta saadaan Planckin vakio h= ΔEkmax 1, 62 eV − 0, 4 eV = = 4, 21 ⋅10-15 eVs. 900 ⋅1012 Hz − 610 ⋅1012 Hz Δf Suoran ja f-akselin leikkauspisteestä saadaan valosähköilmiön rajataajuus f 0 = 520 THz cesiumille. Ekstrapoloidaan suora leikkaamaan pystyakseli. Ekmax - akselin leikkauspiste antaa irrotustyön W0 = 2,1 eV cesiumille. Irrotustyö saadaan myös rajataajuuden avulla. Kun Ekmax = 0, niin yhtälöstä Ekmax = hf − W0 saadaan irrotustyö W0 = hf . Siten W0 = 4,136 ⋅10 −15 eVs ⋅ 520 ⋅1012 Hz = 2,1507 eV ≈ 2, 2 eV. 23.7 a) – Valosähköilmiö: Valosähköilmiössä metalliin sitoutunut elektroni absorboi fotonin (energiakvantin), jonka energia on E = hf . Elektroni irtoaa fotoelektronina. – Comptonin ilmiö: Comptonin sironnassa fotoni (energiakvantti) törmää kimmoisasti vapaaseen elektroniin. Osa fotonin energiasta muuttuu elektronin liike-energiaksi. – Lämpösäteilyn spektri: Lämpösäteilyn spektrin muodon selittäminen onnistui Planckin kvanttihypoteesin avulla. – Jarrutussäteilyn spektrin minimi aallonpituuden tulkinta: Jarrutussäteilyssä elektronin liike-energia muuttuu kokonaan tai osittain sähkömagneettisen säteilyn kvantin liike-energiaksi. b) Röntgensäteilyn aallonpituus on λ = 0,154 nm , Planckin vakio h = 4,136 ⋅10−15 eVs = 6, 626 ⋅10−34 Js ja valonnopeus c = 2,998 ⋅108 m . s Fotonin energia riippuu taajuudesta ja aallonpituudesta E = hf = hc λ = 4,136 ⋅10−15 eVs ⋅ 2,998 ⋅108 0,154 ⋅10−9 m Kvantin liikemäärä on p = h λ = m s = 8, 0518 keV ≈ 8, 05 keV. 6, 626 ⋅10−34 Js kgm kgm = 4,3026 ⋅10−24 ≈ 4,3 ⋅10−24 . −9 0,154 ⋅10 m s s Vastaus: b) Fotonin energia on 8,05 keV ja liikemäärä 4,3 ⋅10−24 kgm s. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 1. painos 8(11) 23. Kvantittuminen 23.8 K-kuoren ionisaatioenergia on EK-ionis = 1,5596 keV ja K-kuoren energia EK = −1,5596 keV . L-kuoren elektronin ionisaatioenergia on EL-ionis = 73,1 eV ja L-kuoren energia EL = −73,1 eV . Planckin vakio on h = 4,136 ⋅10−15 eVs = 6, 626 ⋅10−34 Js , valonnopeus c = 2,998 ⋅108 m ja elektronin massa me = 9,109 ⋅10−31 kg . s a) Kα-säteilyn energia on energiatasojen välinen erotus ΔE = EL − EK = −0, 0731 keV − (−1,5596 keV) = 1, 4865 keV. Fotonin energia on Planckin säteilylain perusteella c ΔE = hf = h . λ Ratkaistaan aallonpituus m 2,998 ⋅108 c s λ=h = 4,136 ⋅10−15 eVs ⋅ ΔE 1, 4865 ⋅103 eV = 8,34156 ⋅10−10 m ≈ 0,8342 nm. b) Kiihdytystyö sähkökentässä lasketaan yhtälöllä W = QeU . Elektronien nopeuden pitää olla niin suuri, että ne pystyvät irrottamaan elektronin Kkuorelta, siis saamaan aikaiseksi K-ionisaation EK-ionis = QeU , josta U= EK-ionis 1,5596 keV = = 1,5596 kV. 1e Qe 1 2 c) Elektronien nopeus saadaan työperiaatteen mukaisesti yhtälöstä QeU = me v 2 . v= = 2QeU me 2 ⋅1, 602 ⋅10−19 C ⋅1559, 6 V 9,109 ⋅10−31 kg = 0, 2342165 ⋅108 m m ≈ 0, 234 ⋅108 s s Vastaus: a) Röntgensäteilyn energia ja aallonpituus ovat 1,4865 keV ja 0,8342 nm. b) Pienin kiihdytysjännite on 1,5569 kV. c) Elektroninen nopeus on 0,234 · 108 m/s. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 1. painos 9(11) 23. Kvantittuminen 23.9 a) Braggin laki tarkastelee aaltoliikkeen interferenssiä kiinteän aineen kidehilassa. Röntgensäteily, jonka aallonpituus on λ, heijastuu hilatasoista, joiden välimatka on d, Braggin lain 2d sin Θ = k λ määräämiin suuntiin. Säteilyn dualistisen luonteen vuoksi myös hiukkasilla on aaltoluonne. Termisten neutronien nopeus on sellainen, että niiden de Broglien aallonpituus on suuruusluokaltaan sopiva aineen rakenteen tutkimiseen. b) Neutronien liike-energia on EK = 0, 020 eV ja massa mn = 1, 673 ⋅1027 kg . Kidetasojen välimatka on d = 0,33 nm , Planckin vakio h = 4,136 ⋅10−15 eVs = 6, 626 ⋅10−34 Js ja valonnopeus c = 2,998 ⋅108 m . s Kysytään poikkeamaa tulosuunnasta 2Θ = ? Braggin laki 2d sin Θ = k λ de Broglien aallonpituus λ = h h = p mv 1 2 1 2 Koska tunnetaan neutronin massa ja liike-energia EK = mv 2 = mv ⋅ v , niin neutronin liikemäärä on p = mv = 2 EK v ⋅v ⋅m m 2 v 2 = 2mEK mv = 2mEK Nyt de Broglien aallonpituus λ= = h = mv h 2mEK 6, 626 ⋅10−34 Js 2 ⋅1, 673 ⋅10−27 kg ⋅ 0,020 ⋅1, 602 ⋅10−19 J Braggin laista sin Θ = = 2, 0124 ⋅10−10 m ≈ 0, 201 nm. k λ 1 ⋅ 2, 0124 ⋅10−10 m = = 0,30491 , 2d 2 ⋅ 0,33 ⋅10−9 m josta saadaan kulma Θ = 17, 7527° Poikkeamakulma on 2Θ = 2 ⋅17, 7527° = 35,5055° ≈ 36°. Vastaus: Neutronien suunta poikkeaa 36˚. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 1. painos 10(11) 23. Kvantittuminen 23.10 Säteilyn aallonpituus on λ = 0,100 nm , irrotustyö vetyatomin sidosenergian suuruinen W0 = 13, 6 eV , Planckin vakio h = 4,136 ⋅10−15 eVs = 6, 626 ⋅10−34 Js ja valonnopeus c = 2,998 ⋅108 m . s a) Kokonaisenergia säilyy niin, että fotoni energia E = hf = hc λ menee irrotustyöhön elektronin liike-energiaksi Ef = Ek,e + Ek,p + W0 ≈ Ek,e + W0 Ratkaistaan tästä elektronin liike-energia Ek,e = Ef − W0 = hc λ − W0 = 4,136 ⋅10−15 eVs ⋅ 2,998 ⋅108 0,100 ⋅10-9 m m s − 13, 6 eV = 12386,128 eV ≈ 12, 4 keV. Elektronin nopeus on pieni, joten sen nopeus ja liikemäärä voidaan ratkaista klassisen mekaniikan avulla Ek,e = ve = 1 me ve2 2 2 Ek,e me = 2 ⋅12386,128 ⋅1, 602 ⋅10−19 J m = 6, 6005281 ⋅107 = 0, 22c. 9,11 ⋅10−31 kg s Elektronin liikemäärä pe = me ve = me 2 Ek,e me = 2me Ek,e = 2 ⋅ 9,109 ⋅10−31 kg ⋅12386,128 ⋅1, 602 ⋅10−19 J = 6, 01242 ⋅10−23 b) kgm kgm ≈ 6, 012 ⋅10−23 . s s Ytimen liikemäärä saadaan kokonaisliikemäärän säilymisen perusteella. Fotonin liikemäärä on yhtä suuri kuin elektronin ja ytimen protonin liikemäärien summa pf = pe + pp . Oletuksen mukaan fotonin absorboitumisen jälkeen elektroni liikkuu samaan suuntaan kuin fotoni liikkui, joten protoni (ydin) lähtee vastakkaiseen suuntaan pf = pe − pp . Fotonin liikemäärä on pf = pp = pe − h λ = 6, 01275 ⋅10−23 = 5,35015 ⋅10−23 h λ , joten ytimen liikemäärä on kgm 6, 626 ⋅10−34 Js − s 0,100 ⋅10-9 m kgm kgm ≈ 5,35 ⋅10−23 . s s © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 1. painos 11(11) 23. Kvantittuminen Protoni lähtee vastakkaiseen suuntaan kuin elektroni. Protonin liike-energia on nyt Ek,p = = mp2 vp2 pp2 1 mp vp2 = = 2 2mp 2mp kgm 2 ) s 2 ⋅1, 673 ⋅10−27 kg (5,35015 ⋅10−23 = 8,5547 ⋅10−19 J = 5,340 eV ≈ 5,34 eV. Vastaus: a) Elektronin liike-energia on 12,4 keV ja liikemäärä 6, 012 ⋅10−23 b) Ytimen liike-energia on 5,34 eV ja liikemäärä 5,35 ⋅10−23 © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät kgm s kgm s