atomic use

51
เรียบเรียงโดย ครูธีรพงศ์ อ่อนอก สาขาฟิสิกส์ โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย ชลบุรี บทที4 ฟิสิกส์อะตอม 4-1 การค้นพบอิเล็กตรอน (Discovery of Electron) Heinrich Geissler Sir William Crookes ปี พ.. 2398 Heinrich Geissler นักฟิสิกส์ ชาวเยอรมันประดิษฐ์เครื่องสูบ สุญญากาศ ซึ่งสามารถสูบ อากาศออกจากหลอดแก้วทีแข็งแรงหลอดแก้วที่แข็งแรงจน เหลือความดันเพียงแค่ 0.01 % แล้วต่อขั้วไฟฟ้าเข้ากับแหล่งกาเนิดไฟฟ้าที่มี ความต่างศักย์ไฟฟ้าสูง ปรากฏว่ามีกระแสไฟฟ้าผ่านหลอดและมีสีเขียวจางๆ เกิดขึ้นที่ผนังของหลอด แสงนี้เกิดจากอะไร อีก 20 ปีต่อมา Sir William Crookes ได้ออกแบบหลอดใหม่ เพื่อศึกษาปรากฏการณ์นี้ โดยทาให้หลอดโค้งงอพบว่าแสงสีเขียวที่เกิดขึ้น มีความเข้มมากที่สุดที่ตาแหน่งตรงข้าม กับขั้วลบ แสดงว่าการเรืองแสง เกิดขึ้นจากอะไรบางอย่างที่มาจาก ขั้วลบและกระทบผิวหลอดด้านตรง ข้าม ตั้งชื่อสิ่งที่ออกมาจากขั้วลบนี้ว่า รังสีแคโทด(Cathode rays) Crookes ได้ประดิษฐ์หลอดและทดลองอีกหลายอย่าง อย่างหนึ่งคือใส่วัตถุรูปกากบาดบังรังสีแคโทดไม่ให้ไปถึงหลอดแก้ว ทา ให้เกิดเงามืดบนผนังหลอดส่วนนั้น จึงสรุปได้ว่ารังสีแคโทดคล้ายแสงทีออกมาจากเทียน เมื่อบังก็เกิดเงาได้และเมื่อใช้แม่เหล็กเข้าใกล้ เงาเลื่อนไปได้ แสดงว่ารังสีนี้เบนในสนามแม่เหล็ก นอกจากนี้ยังพบสมบัติรังสีแคโทดดังต่อไปนี1 วัสดุหลายชนิดที่ใช้ทาแคโทด จะให้รังสีแคโทดทีมีสมบัติอย่างเดียวกัน 2 เมื่อไม่มีสนามแม่เหล็ก รังสีแคโทดเดินทางเป็นเส้นตรงออกมาตั้งฉากกับผิวแคโทด 3 สนามแม่เหล็กเบนรังสีแคโทดได้

Upload: teerapong-onogk

Post on 06-Sep-2015

30 views

Category:

Documents


7 download

DESCRIPTION

Physics

TRANSCRIPT

  • - 1

    4

    4-1 (Discovery of Electron)

    Heinrich Geissler

    Sir William Crookes

    .. 2398 Heinrich Geissler

    0.01 % 20 Sir William Crookes (Cathode rays)

    Crookes

    1

    2 3

  • - 2

    Crookes

    Sir Joseph John Thomson 4-2 Thomson

    Thomson Thomson Thomson

    ()

    BvqF

    R v2/R

    qvBR

    mv

    2

    BR

    v

    m

    q (4-1)

  • - 3

    A B S

    B R v ()

    B

    Ev

    qvBqE

    E d

    V E

    dB

    Vv

    (4-2)

    V d PP

    (4-2) (4-1)

    =

    2 (4-3)

    Thomson q/m 1.76 1011 Thomson Thomson Thomson 4-1 (q /m) 8103 m 3102 V 2103 T 6102 m

    . . . .

  • - 4

    .

    .

    .

    1.875107 m/ s 1.56251011 C / kg 1,200 V

    4-1 Thomson

    1.4 10-3 9.13 1.0 322

  • - 5

    Thomson Robert A. Millikan 4-3 Millikan

    4-2

    Millikan ()

    m q

    qE

    Emg

    q

    mgqE

    mg

    E dV

  • - 6

    = ()

    (4-4)

    v

    Millikan 1.6 10-19 2 3 5 Millikan 9.1 10-31

    4-2 1.01013 kg 6.1104 N/ C

    1.61017 C

  • - 7

    4-2 3 10-6 (vT) 2 1,000 2.0 800 1.29 kg/m3 = 1.810-5 N.s.m- 2

    4-4

    Thomson

    .. 2443 Thomson 10-10

    Thomson

    11 11 10 10 11

    Rutherford Thomson Rutherford (Experimentalist) ( rays) Rutherford (Scattering Experiment)

  • - 8

    4-5 (Rutherfords scattering experiment)

    .. 2454 Rutherford ,Hans Geiger Ernest Marden (alpha particle ) 2,000

    Thomson Thomson Rutherford

    1.

    2.

    3.

  • - 9

    4. (backward

    scattering) (head on collision) 50

    Rutherford ( 10 14 )

    (classical physics)

    = 12

    2 =

    (+)()

    2

    =2

    2

    m r

    v = 2

    F = ma

    2

    =

    2

    2

    = = 1

    22 =

    1

    2

    2

  • - 10

    r

    = (+)()

    =

    2

    : E = EK + EP

    = 1

    2

    2

    + (

    2

    )

    = 1

    2

    2

    (4-5)

    E (E 0) (ionization energy)

    4-6

    (bullet) (target nucleus) r { (impact parameter)}

    = = ()( r)

    1

    22 =

    ()

    2 ()

  • - 11

    = 4 x 107 m/s m = 4u1.661027 kg Q = +2e = +2( 1.66 x 10-19 C ) = +79e = +79( 1.66 x 10-19 C ) K = 9 109 Nm2 / C2 r 7 x 10-15 1015 m

    =

    1010

    1015 = 100,000

    r r

    :

    4-3 2.21018 J

    0.5281010 m

  • - 12

    Rutherford

    1.

    2. 3.

    Rutherford

    4-7 Bohr

    Niels Bohr Rutherford Max Planck Bohr Bohr

  • - 13

    (stationary state) 1

    Planck 2

    nmvr

    2

    h n

    2

    h E = Ei Ef = h Ei > Ef Ei Ef Bohr

    Bohr

    m r v Fc

    r

    mvFc

    2

    Fc

    (FE) 2

    21

    r

    qkqFE

    e

  • - 14

    mr3

    mke2r = (mvr)2

    mvr n mke2r = n2 2

    2

    2

    2

    nmke

    rn

    (4-6)

    r

    keE p

    2

    r

    ke2

    2

    1

    = +

    = r

    ke2

    2

    1

    2

    2

    2

    nmke

    rn

    (4-7)

    r

    mv

    r

    keFE

    2

    2

    2

    22

    42 1

    2

    1

    n

    emkEn

  • - 15

    n = 1 () n = 1 0.529 (Bohr radius a0) 21.76 10 19 (ground state) () n 2, 3,4. En (exited state)

    (electronvolt) eV

    1 eV = 1.6 10 19 J

    (electronvolt) 1

    e 1 W = qV

    1 eV = (1.6 10 19 C) (1 V) = 1.6 10 19 J

  • - 16

    Niel Bohr h

    ni nf

    22

    42 1

    2

    1

    n

    emkEn

    (4-8)

    (Rydberg s equation) RH (Rydberg constant) = 1.0974 10 7 m-1

    =

    22

    111

    if

    Hnn

    R

  • - 17

    4-8 (gas discharge tube) (line spectrum) (emission line spectrum)

    (absorption line spectrum)

  • - 18

    .. 2428 (J.J.Balmer) 6.56 10 7 , 4.86 10 7 , 4.34 10 7 , 4.10 10 7 (series) (Balmer series) (Rydberg)

    22

    111

    if

    Hnn

    R

    (4-9)

    n = 3,4,5 6 n 7 n n = (series limit)

    1 3

    5

  • - 19

    (Lymann Series)

    nf = 1 , ni = 2, 3, 4 1

    = [

    1

    12

    1

    2]

    (Balmer Series)

    nf = 2 , ni = 3, 4, 5 . 1

    = [

    1

    22

    1

    2]

    (Paschen Series)

    nf = 3 , ni = 4, 5, 6 . 1

    = [

    1

    32

    1

    2]

    (Bracket Series)

    nf = 4 , ni = 5, 6, 7 . 1

    = [

    1

    42

    1

    2]

    (Pfund Series)

    nf = 5 , ni = 6, 7, 8 . 1

    = [

    1

    52

    1

    2]

  • - 20

    4-4 n = 3

    =

    = 13.6

    2

    1 E3 ---> E2

    1 = 3 2

    1 = 3 2

    =

    [1.5(3.4)] 1.6 1019

    6.6 1034

    1 = 4.6 10

    14 2 E3 ---> E1

    2 = 3 1

    2 = 3 1

    =

    [1.5(13.6)] 1.6 1019

    6.6 1034

    2 = 2.9 10

    15 3 E2 ---> E1

    2 = 2 1

    2 = 2 1

    =

    [3.4(13.6)] 1.6 1019

    6.6 1034

    2 = 2.5 10

    15 3 4.6 1014 , 2.9 1015 2.5 1015 4-3 n = 3

  • - 21

    Bohr

    Bohr (shell) (Zeeman effect) (Stark effect)

    4-9 1,500 K (continuous spectrum) (black body)

    (cavity)

  • - 22

    T

    B

    B

    .. 2443 1. 2. T T4 B = T 4 - (Stefan Boltzmann constant law)

    B 1 1 -(Stefan Boltzmann constant)

    5.67 10 8 T

    3. T

    T

    1max 3max 10898.2 T - (4-10)

    ()

    (Wiens displacement law) -

    max 4,700 6,200 -

  • - 23

    Lord Rayleigh and Sir James Jeans Maxwell (classical physics) (oscillator) 4-10 (Plancks quantum theory of radiation)

    .. 2443 Max Planck Planck Planck 2

    1. E = nh (4-11) E

    h Planck ( Plancks constant) 6.625 10-34 n 1,2 ,3 ......

  • - 24

    2.

    Planck

    Planck .. 2448 Planck Planck 4-11

    (James Franck) (Gustav L. Hertz)

    4.9 ( 4.9 ) () 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9

  • - 25

    4.9 253.5 4.9 4.9 6.7 10.4

  • - 26

    4-12

    (X-rays) .. 2438 (Wilhelm K.Roentgen) 1

    2 3 .. 2449 (Charles G. Barkla) .. 2456 (Max von laue) 1.1 10- 11 - 4.8 10- 11

  • - 27

    2

    V eV 0.1 100

    () (bremsstrahlung radiation or breaking radiation)

    min (continuous X-rays)

    V eV ()

  • - 28

    V

    hmax = eV h

    eVc

    min

    max

    =

    V (4-12)

    h, c e () = 1240

    V ; (

    1240)

    ( sJh .1062.6 34 ; smc / 103 8 ; Ce 106.1 19 )

    V 12,400 min 1

    A min 12,400 (n = 1 K) K L M N L L ( K L) K M N K K , K K (K - series)

  • - 29

    L M , N , O , L (L - series)

    (characteristic X-rays) ( X-rays fluorencence)

    4-5 1,000

    0

    mineV

    hc

    Volt

    smJs

    1000 106.1

    /103 1063.619

    834

    min

    = 12.4 4-13 .. 2455 10 9 - 10 10 (NaCl)

  • - 30

    (Sir William Bragg)

  • - 31

    P Q d P Q (1 2 3) (4-13)

    n = 1, 2, 3,.

    n = 1 1 n = 2 2 2d sin = n (Bragg s equation)

    d

    4-6 0.154 34.5 2 = =

    2 (34.5)

    = (1)(0.154 109)

    2 (0.566)

    = 0.128 x 10-9 4-13 .. 2430 (Heinrich Hertz) (Threshold frequency)

    2d sin = n

  • - 32

    (Photoelectric effect) (Photoelectrons)

    A C

    C () I1 C A

    A A A C A C CA

    A C A A (Stopping potentia) (Ek) max A

    () = 1

    22 = V (4-14)

  • - 33

    Vs I2 Vs () C ()

    0 C

    1. 2. 1

  • - 34

    .. 2448 (Albert Einstein) (Photon) h h hv (Work function)

    (4-15) (Ek) max Wo h f = (Ek) max + Wo (Einsteins photoelectric equation)

    h0 = Wo 0 Wo (R.A.Milikan) .. 2457 h maxkS EeV

    WheVS

    =

    (4-16)

    h = (Ek) max + Wo

  • - 35

    (slope)

    e

    h

    h

    W (eV) 2.5 1.9 4.5 2.2 4.6 2.3 4.5

    .. 2464

  • - 36

    4-7 2.3 eV 5,000 oA

    W 0hf 0

    hc

    0 hc

    W

    h 6.625 10-34 J.s c 3 108 m/s W 2.3 1.6 10-19 J

    0 5394.9 oA

    4-8 2537 oA 1.9 eV ) ) ) EK hf W

    0

    hc

    W

    c 3 108 m/s h 6.625 10-34 J.s 2537 10-10 m W 1.9 1.6 10-19 J EK 4.67 10-19 J

    12

    2mv EK

    2v 2

    v 1.02 106 m/s ) 0qV

    0V

    19

    19

    4.67 10

    1.6 10

    Jcoulomb

    2.99 volt

  • - 37

    4-4 0.4 eV 4,000

    A . . . . . . 3,000

    A

    4-14 .. 2466 (Arthur Holly Compton) (Scattered x-ray)

    a) b)

  • - 38

    2 (Compton effect)

    E = mc2 E = h h = mc2

    2c

    hm

    c

    hp (4-17)

  • - 39

    ()

    2 1 0

    (1 cos )h

    m c . (4-18)

    c 0

    h

    m c

    c 0.02426 oA ( 4-18 ) ( 4-18 ) 4-9 1 oA 180o ) ) ) 2 1 (1 cos )c 1 1 oA , c 0.02426 oA , 180o 2 1 0.02426 (1 - 180cos

    o ) 2 1.04852 oA

  • - 40

    ) 1 2hf hf

    hc1 2

    1 1

    574.38 eV 4-5 0.124

    1.0 % 4-15

    .. 2467 Louis De Broglie () De Broglie (matter waves) De Broglie (wave mechanics)

    E E = h E = pc p c

    h = pc

    =

    (4-19)

    (De Broglie wavelengt)

    De Broglie 2 De Broglie (Standing wave)

  • - 41

    2 r = n

    (4-20)

    n 1, 2, 3, r

    = mv

    h

    mv

    hnr 2

    =

    2 = (4-21)

    2

    4-10 100 eV =

    =

    = (6.6 1034)(3 108)

    100 ( 1.6 1019)

    = 12.38 4-16

    De Broglie 100 eV 1.2 A

  • - 42

    ..2470 (C.Davisson and L.Germer) (G.P.Thompson)

    (Electron gun)

    V ** G C D

    2d sin = n (4-22)

    d

  • - 43

    () ()

    4-11 1 40

    =

    = 6.6 1034

    (103)(40)

    = 1.65 1034

    1 4-12 1.67 x 10-27 kg 1,450 m/s d 0.282 nm ) )

    ) hp

    hmv

    34

    27

    6.63 10

    1.67 10 1450( )( )

    J.skg m/s

    0.274 x 10-9 m 0.274 nm

    ) 2d sin n : n 1

    12

    sind

    1 0.2742 0.282

    sin

    nm

    nm

    29.1 o

  • - 44

    4-17

    2 x x k k () () x

    p = h/ .. 2470 (Werner Heisenberg) (uncertainty

    principle)

  • - 45

    h/2

    (4-23)

    x p

    2

    px ( (p = 0) (x =) (x =0) (p = ) px px , py , pz x , y z E E = t =

    (4-24)

    4-13 0.05 kg 300 m/s 0.01% p mv 0.05 kg (300 m/s) 15 kg.m/s

    p (0.0001)(15) kg.m/s

    1.5 10-3 kg.m/s

  • - 46

    x p

    34

    3

    6.6 10 2

    1.5 10

    ( ) /

    ( )

    J.skg.m/s

    7.0 10-32 m 7.0 10-32 m 4-14 9.1 10 31 2 10 6 v 0.2 10 6 ( 10 % ) = = (9.1 x 10-34 kg)(0.2 x 106 m

    s)

    = 1.82 x 10-28 kg ms

    = 2

    = 1.05 x 10-34 Js

    =

    = 1.05 10

    34

    1.82 x 10-28 kgm

    s

    = 0.577 x 10-6 m

    5.77 x 10-7 m 4-6 1,000 1 10%

  • - 47

    4-18 .. 1925 (Quantum mechanics) (Erwin Schrodinger) (wave packet) (group velocity) 1 x

    = = sin2

    =

    E

    =2

    2=

    2

    22=

    22

    82

    2

    82

    2

    2=

  • - 48

    4-19 (Electron microscope) 2 .. 1929 1934 1,200 0.000 05 0.000 25 0.14 3.5 2 60 90

    1 2

  • - 49

    3

  • - 50

    1. 2 [ 2.12 ] 2. /

    [ 6.6 1015 /, 1/8] 3. 13.6 eV

    n = 3 n = 2 [ 658 nm] 4..

    [ 912 ] 5. [ 3.248 1015 Hz] 6. (-3.4 eV) (-13.6 eV)

    [ 10.2 eV, 1218 UV] 7. 2 [ (2.47, 2.92 1015 Hz] 8.

    1 [ 1.63 10-18 J] 9. ) 10-5 m [ 290 K ] ) 1 oA [ 2.90 107 K ] 10. 5727 oC [ 4833.3 oA ] 11. 3840 oA ) [ 3.23 eV ] ) 2000 oA [ 2.97 eV ] 12. 2.3 eV UV 2480 oA [ 9.76 105 m/s]

  • - 51

    13. UV 1.2 10-7 m 10-8 J [ 9.9 1014 Hz ] 14. 4046 oA

    1.6 V 5769 oA 0.45 V (h)

    ) [ 2.28 eV ] ) h/e [ 5.23 10-15 V/s ] 15. 0.620 oA 90o [ 0.644 oA ] 16. 2 104 m/s [ 3.63 10-8 m ] 17. 100 kV [ 42 ] 18. 500 m/s 0.01% [ 2.32 103 m ] 19. 10-8 [ 3.3108 eV ]