Start › Definicje i teoria › Fizyka › Fizyka atomowa i jądrowa
∑ Matematyka⚛ Fizyka⬡ Chemia📖 Język polski

Definicje: Fizyka atomowa i jądrowa

Model atomu Bohra i widma, zjawisko fotoelektryczne, dualizm korpuskularno-falowy, budowa jądra, promieniotwórczość i reakcje jądrowe.

13 definicji
Budowa atomu i jądra SP · szkoła podstawowa
Model atomu (Bohra):
  • Jądro atomowe: protony ($+$) i neutrony (brak ładunku) — skupia niemal całą masę atomu
  • Elektrony ($-$): orbitują wokół jądra na określonych poziomach energetycznych (powłokach)
  • Liczba masowa $A$: liczba protonów + neutronów
  • Liczba atomowa $Z$: liczba protonów = numer w układzie okresowym
  • Izotopy: atomy tego samego pierwiastka ($Z$ takie samo), różna liczba neutronów
Prosto mówiąc: Atom = maleńkie „Słońce" (jądro) z orbitującymi „planetami" (elektrony). Jądro jest gęste i masywne — atom to głównie pusta przestrzeń!
Zapis nuklidu: ${}^A_Z X$, np. ${}^{12}_6\text{C}$ — węgiel o $A=12$, $Z=6$, 6 neutronów.
Wiązanie chemiczne — dotyczą elektronów walencyjnych. Przemiany jądrowe — dotyczą jądra.
Przykład: ${}^{235}_{92}\text{U}$. Ile protonów i neutronów?
  1. Protony: $Z = 92$
  2. Neutrony: $A - Z = 235 - 92 = 143$
⚡ Zapamiętaj: Zmiana $Z$ → zmiana pierwiastka. Zmiana liczby neutronów → inny izotop tego samego pierwiastka. Izotopy mają takie same właściwości chemiczne!
Promieniotwórczość — typy rozpadu i prawo zaniku LO · szkoła średnia
Promieniotwórczość — spontaniczny rozpad niestabilnych jąder atomowych z emisją promieniowania.
Typy:
  • $\alpha$: emisja jądra helu $^4_2\text{He}$ (duże, mało przenikliwe — zatrzymuje kartka papieru)
  • $\beta^-$: elektron + antyneutrino ($n\to p+e^-+\bar{\nu}$)
  • $\beta^+$: pozyton + neutrino ($p\to n+e^++\nu$)
  • $\gamma$: foton wysokoenergetyczny (brak zmiany $Z$ ani $A$ — wymaga grubego ołowiu)
Prosto mówiąc: Jądro "niestabilne" jak kostka lodu — chce przejść w stabilniejszy stan, oddając energię jako cząstki lub promieniowanie. Nie można przewidzieć KIEDY rozpadnie się jedno jądro — ale dla miliardów jąder prawo zaniku działa dokładnie.
Prawo zaniku promieniotwórczego: $$N(t) = N_0 \cdot \left(\frac{1}{2}\right)^{t/T_{1/2}} = N_0 e^{-\lambda t}$$ Gdzie $T_{1/2}$ — czas połowicznego zaniku, $\lambda = \dfrac{\ln 2}{T_{1/2}}$ — stała rozpadu.
Aktywność: $A = \lambda N$ [Bq = 1 rozpad/s]
Przykład — datowanie izotopem C-14 ($T_{1/2}=5730$ lat):
Znaleziono szczątki z $A = 0{,}25\cdot A_0$ (¼ aktywności pierwotnej). $$0{,}25 = \left(\frac{1}{2}\right)^{t/5730} = \left(\frac{1}{2}\right)^2 \Rightarrow \frac{t}{5730} = 2 \Rightarrow t = 11\,460 \text{ lat}$$
⚡ Zapamiętaj: Po każdym czasie $T_{1/2}$ połowa jąder się rozpada. Po $n$ półokresach pozostaje $\left(\frac{1}{2}\right)^n$ ilości początkowej. Zasada zachowania liczby masowej $A$ i atomowej $Z$ obowiązuje w każdym rozpadzie.
Kwantowy model atomu — poziomy energetyczne LO · szkoła średnia
Model Bohra (wodór):
  • Elektrony krążą tylko po dozwolonych orbitach o kwantowanych momentach pędu: $L = n\hbar$
  • Energie poziomów: $E_n = -\dfrac{13{,}6\ \text{eV}}{n^2}$, $n = 1, 2, 3, \ldots$ (liczba kwantowa główna)
  • Stan podstawowy: $n=1$, $E_1 = -13{,}6$ eV; stany wzbudzone: $n > 1$
  • Foton emitowany przy przejściu $n_2 \to n_1$ ($n_2 > n_1$): $E_{foton} = E_{n_2} - E_{n_1} = hf$
Prosto mówiąc: Elektrony w atomie nie mogą mieć dowolnej energii — tylko "schodkowe" wartości. Przeskok elektronu na niższy poziom = emisja fotonu o ściśle określonej barwie. Dlatego widma atomów są liniowe, nie ciągłe.
Serie spektralne wodoru:
  • Lyman ($n \to 1$): UV
  • Balmer ($n \to 2$): widzialna
  • Paschen ($n \to 3$): podczerwień
Wzór Rydberga: $\dfrac{1}{\lambda} = R_H\left(\dfrac{1}{n_1^2} - \dfrac{1}{n_2^2}\right)$, $R_H = 1{,}097 \times 10^7\ \text{m}^{-1}$
Przykład: Energia fotonu przy przejściu $n=3 \to n=2$ w atomie wodoru:
  1. $E_3 = -\dfrac{13{,}6}{9} \approx -1{,}51$ eV
  2. $E_2 = -\dfrac{13{,}6}{4} = -3{,}4$ eV
  3. $E_{foton} = -1{,}51 - (-3{,}4) = 1{,}89$ eV → czerwona linia (656 nm)
⚡ Zapamiętaj: Atom absorbuje foton → elektron skacze wyżej (pobiera energię). Atom emituje foton → elektron spada niżej (oddaje energię). Energia fotonu jest dokładnie równa różnicy poziomów energetycznych.
Model atomu Bohra (klasa 4 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Model atomu Bohra

Postulaty

Elektron krąży po dozwolonych orbitach bez wypromieniowania energii.

Emisja i absorpcja

Przy przeskoku między orbitami atom emituje lub pochłania foton o energii $\Delta E=h f$.

Kwantowanie

Energia atomu przyjmuje tylko określone wartości.

Widma atomowe (klasa 4 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Widma atomowe

Widmo liniowe

Zbiór ostrych linii charakterystycznych dla pierwiastka.

Emisyjne i absorpcyjne

Powstają przy emisji lub pochłanianiu fotonów.

Zastosowanie

Analiza składu chemicznego (spektroskopia).

Zjawisko fotoelektryczne — foton (klasa 4 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Zjawisko fotoelektryczne — foton

Zjawisko

Wybijanie elektronów z metalu przez padające światło.

Foton

Kwant światła o energii $E=h f$.

Równanie Einsteina

$h f=W+E_k$ (praca wyjścia i energia kinetyczna elektronu).

Dualizm korpuskularno-falowy (klasa 4 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Dualizm korpuskularno-falowy

Światło

Wykazuje cechy falowe (interferencja) i korpuskularne (foton).

Zasada

W różnych zjawiskach ujawnia się jedna z natur.

Materia

Także cząstki mają właściwości falowe.

Fale materii de Brogliea (klasa 4 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Fale materii de Broglie'a

Hipoteza

Każdej cząstce odpowiada fala o długości $\lambda=\frac{h}{p}$.

Potwierdzenie

Dyfrakcja elektronów na kryształach.

Znaczenie

Podstawa mechaniki kwantowej i mikroskopu elektronowego.

Budowa jądra atomowego (klasa 4 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Budowa jądra atomowego

Nukleony

Protony i neutrony; liczba atomowa $Z$ i masowa $A$.

Izotopy

Jądra o tej samej liczbie protonów, różnej liczbie neutronów.

Siły jądrowe

Krótkozasięgowe, silniejsze od odpychania elektrostatycznego.

Energia wiązania jądra (klasa 4 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Energia wiązania jądra

Deficyt masy

Masa jądra jest mniejsza od sumy mas nukleonów.

Energia wiązania

$E=\Delta m\,c^2$ (z równoważności masy i energii).

Trwałość

Największa energia wiązania na nukleon dotyczy jąder o średnich masach (żelazo).

Promieniotwórczość — rozpady (klasa 4 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Promieniotwórczość — rozpady α, β, γ

Rozpad alfa

Emisja jądra helu; liczba masowa maleje o 4.

Rozpad beta

Zamiana neutronu w proton z emisją elektronu.

Promieniowanie gamma

Wysokoenergetyczne fotony towarzyszące rozpadom.

Prawo rozpadu promieniotwórczego (klasa 4 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Prawo rozpadu promieniotwórczego

Prawo

$N=N_0\left(\frac{1}{2}\right)^{t/T}$.

Czas połowicznego rozpadu

$T$ — czas, po którym rozpada się połowa jąder.

Zastosowanie

Datowanie izotopowe (np. węgiel C-14).

Reakcje jądrowe — rozszczepienie i synteza (klasa 4 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Reakcje jądrowe — rozszczepienie i synteza

Rozszczepienie

Podział ciężkiego jądra na lżejsze z wydzieleniem energii; reakcja łańcuchowa w reaktorach.

Synteza

Łączenie lekkich jąder (np. w gwiazdach) uwalnia ogromną energię.

Bilans

Energia pochodzi z ubytku masy.

← Optyka i fale elektromagnetyczneSzczególna teoria względności →
Zacznij dziś

Zacznij naukę już dziś — to nic nie kosztuje

Załóż bezpłatne konto i otwórz dostęp do pełnego śledzenia postępów, planów nauki i quizów. Arkusze i zadania podstawowe są dostępne bez rejestracji. Już ponad 5 000 uczniów uczy się z Matematix.

🚀 Załóż konto za darmo → 📄 Przeglądaj arkusze ✉️ Napisz do nas