12. osztályos fizika anyag összefoglaló tétel

1. tétel

Elektromágneses Hullámok

Elektorstatikus mező a legegyszerűbb, amit nyugvó töltések hoznak létre.

Mágneses mező: Időben állandó mágneses mezőben mozgó töltések hozzák létre.

Változó mágneses mező: Elektromos mezőt hoz létre maga körül, amelynek zárt erővonalai vannak, ez az alapja az elektromágneses hullámok létrejöttének. Ha egy mágneses mező indukciója változik, akkor változó elektromos mezőt kelt.

Maxwell feltételezés: A változó mágneses mező képes változó elektromos mezőt létre hozni, és a változó elektromos mező is képes maga körül változó mágneses mezőt létrehozni. Az elektromágneses mező forrásától eltávolodva képes önállósulni azáltal, hogy az elektromos és mágneses mező egymást képes létrehozni. Az elektromágneses hullámok terjedési sebességénél kiszámítva azt kapták, hogy az megegyezik a fény vákuumbeli terjedési sebességével. Ez alapján a fény is az elektromágneses hullámok közzé sorolható. Az elektromágneses hullámok is jellemezhetők a mechanikai hullámokhoz hasonlóan a frekvenciájukkal és a hullámhosszukkal. Az elektromágneses hullámok alapvetően abban különböznek a mechanikai hullámoktól, hogy a terjedésükhöz nem szükséges közeg.

A hullámok típusai:

• Rádióhullámok: 0-20 kHz = hanghullámok. A rádióhullámok négy csoportba sorolhatóak hullámhossz szerint:
  • hosszúhullám: Terjedési irányuk követi a Föld görbületét, ill. az akadályokon átjut az elhajlás miatt. Nagy távolságban sugározhatóak, de rossz a vételük.
  • középhullám: Fellép bizonyos mértékig az elhajlás, jobb a vételük.
  • rövidhullám: Kismértékű az elhajlás, ezért még rövidebb a sugárzása.
  • ultra rövid hullám: Csak egyenes vonalban terjednek.
• Mikrohullámok: Képesek a poláris molekulákat rezgésbe hozni, abban elnyelődnek és energiájukat átadják nekik. Ez a rezgési energia fog hővé alakulni.
• Infravörös hullámok /hőhullámok /: Ilyeneket bocsátanak ki az élő szervezeteket.
• Látható fény: Elektromágneses hullámok összessége, amit látunk. A vörös színű fény a legkisebb frekvenciájú.

Ultraibolya sugarak:A sugarak: az élő szervezetek számára nélkülözhetetlenek /D-vitamin/. B sugarak: Már vannak káros hatásai. C sugarak: Bőrrákot és szembetegséget okozhat

Röntgensugárzás: Nagy energiájú, nagy mennyiségben káros az egészségre.

g-sugárzás: Radioaktív bomlás során képződik. Káros, nagy energiájú, áthatoló képességű.

Fény:

• Kozmikus-sugárzás /Látható fény/: 4×10¹⁴ – 8×10¹⁴ Hz. Hat komponensre bontható fel. A vörös a legkisebb, az ibolya a legnagyobb. Közte narancs, sárga, zöld, kék. A látható fény színekre bontása azon alapszik, hogy a különböző színekre az anyagok törésmutatója különböző. Új közegbe érve, vagy visszaverődnek, vagy megtörnek. A fény elhajlása és interferenciája a hullámok jellegzetes megnyilvánulása.
• Interferencia: koherens hullámok találkozásánál azonos fázisban erősítik, ellentétes fázisban gyengítik egymást.
• Polarizáció: hullámokban általában a rezgés irány mindenféle lehet, ha ebből kiválasztunk egy irányt, akkor kapunk polarizációt. A látható fény színekre bontása a fénytörésen alapszik.
• Fénytörés: új közeg határán lép fel, a terjedési sebessége a hullámnak más közegben különböző. Fénytörésen alapszik a délibáb és a szivárvány is.
• Fényvisszaverődés:új közeg határán lép fel, és a fekete testeket kivéve minden tárgy több-kevesebb fényt visszaver. A tárgyak többsége a fényt szórtan veri vissza. A tükröző felületek a rájuk eső fénysugarakat csak meghatározott irányba verik vissza.
• Visszaverődés törvénye: a beesési szög ugyanakkora, mint a visszaverődési szög. Tükröző felületek közül a tükör a legkiemelkedőbb, mert a ráeső fény közzel 100% visszaveri, emiatt képalkotásra képesek.
  • Síktükör: látszólagos kép, tárgyal azonos méretű, azonos állású a kép de a tárgyak bal és jobb oldala felcserélődik.
  • Gömbtükör: homorú, domború

2. tétel

Fényelektromos jelenség:

Ha negatív töltéssel feltöltött fémlapot, fénnyel megvilágítunk akkor az, elveszíti töltését. Ha a pozitív töltéssel feltöltött lemezt világítunk meg, akkor töltése megmarad. Következtetés Einstein: A negatív töltésű fémlemezt elektronok hagyják el fény hatására. A fény energiával rendelkező részecskékből, úgynevezett fotonokból áll. Ezek fotonoknak az energiája csak a frekvenciától függ. Ha a fénysugarakat fotonok áramának gondoljuk, akkor azok képesek az atomok elektronjaival ütközve, azoknak az energiájukat átadni. Az átadott energia egy része az atomból való elektron kiszakadáshoz szükséges, másik része pedig az elektron mozgási energiáját növeli. Az elektron kiszakadáshoz szükséges energia a kilépési munka. A fényre úgy tekintünk, mint amely képes részecskeként és hullámként is viselkedni, attól függően, hogy mivel kerül kölcsönhatásba. Droglie elméletileg feltételezte és Germer kísérletileg is, bebizonyította hogy az elektron is képes interferenciára, tehát bizonyos feltételek között elektromágneses hullámként viselkedik. Miután az elektronnál nagyobb részecskékkel is kimutatták az interferencia képességet, feltételezzük, hogy ez egyetemes anyagi tulajdonság.

4. tétel

Természetes radioaktivitás

• Becquerel francia fizikus véletlenül fedezte fel a radioaktivitást. Az urán szurokérccel is végzett kísérleteket, azt tapasztalta, hogy akkor is sugároz, hogy ha nem sugározta előtte. Ezt nevezték el radioaktív sugárzásnak. A 20. század elején kiderítették milyen részecskéből állnak ezek a sugarak.
• a-sugár 4He (2p2n) b-sugár elektronokból áll. g-sugár elektromágneses sugárzás. A radioaktív sugárzások atommag átalakulások következményei. Ezeket az atommag átalakulásokat radioaktív bomlásnak nevezzük.
• a-bomlás: során két proton és két neutron lép ki, ennek következtében olyan új kémiai elem képződik, amelynek a rendszáma kettővel, a tömegszáma pedig néggyel kisebb, mint az elbomló atomé.
• b-bomlás: az atommagban proton alakul át neutronná, vagy fordítva neutron alakul át protonná, miközben más elemi részecskéket is kisugároz. A b-bomlások is rendszámváltozással járnak: új kémiai elem képződik.
• b-bomlás: az atommagban a neutron átalakul protonná és kisugároz egy elektront, a b-bomlás után a képződő kémiai elem rendszáma eggyel nagyobb, tömegszáma pedig ugyanannyi, mint a kiindulási elemnek.
• b-bomlás: az atommag protonja alakul át neutronná, miközben egy proton sugároz ki. A töltést kivéve, az elektronnal mindenben megegyező részecske (antirészecske).
• Elektron-befogás: az atommag egyik protonja befog egy elektront és neutronná alakul. A rendszám csökken eggyel, a tömegszám pedig változatlan. Az elektron-befogást nem követi részecske kisugárzás.
• g-bomlás: leggyakrabban a b-bomlásokat kíséri, önmagában nem lép fel. A b-bomlás során képződő nukleon, miközben kisebb energiájú héjra kerül, a két héj energia különbségét g-foton formájában kisugározza.
• Felezési-idő: radioaktív bomlásokat jellemezzük a felezési idővel és az aktivitással. A felezési-idő az az időtartam, amely alatt a radioaktív izotópok fele elbomlik.

5. tétel

Rutherford kísérlete és atommodellje

Vékony aranylemezt a-részecskével bombázta. A fólián az a-részecskék nagy része irányváltoztatás nélkül átmegy, nagyon ritkán a részecskék 180-os elferdülést szenvednek. A kísérletből levonható következtetések: az atom nem tömör szerkezetű, tömegének nagy része nagyon kicsi helyre koncentrálódik. Ezt a részt nevezte el atommagnak, ami a kísérlet tanulsága szerint pozitív töltésű. Az atommag körül tetszőleges sugarú pályákon keringenek az elektronok, a g-mag » 10^-14 nagyságrendű g-atom 10 mol nagyságrendű. Rutherford atommodellt Bohr fejleszti tovább.

Bohr-féle atommodell

• Annyiban különbözik az előzőtől az elektronok csak meghatározott sugarú pályákon, keringhettek. A H atomban az elektron az atompályának a sugara. Bármelyik gerjesztett állapotú atompálya sugara, az alapsugár n szerese, ahol n a pozitív egész számot jelenti, ezeket nevezte el kvantumszámnak. Ez a kvantumszám adja meg a gerjesztett elektronok atompálya energiáját.
• A Bohr-féle atommodell alapján értelmezhetők az atommag kibocsátási és elnyelési színképei. A Bohr-féle atommodell helyességét a H színkép vonalai bizonyították, ugyanis az ebben megjelenő színkép-vonalak energiája pontosan megegyezett a Bohr-féle atommodellből kiszámított atompályák energiakülönbségeivel. Sommerfield kiegészítette a Bohr-féle atommodellt, azzal, hogy az elektronok az atommag körül nem csak kör alakú, hanem ellipszis alakú atompályán is mozoghatnak. Azt fejezte ki, hogy: vesszük n = 2 energiaszintet. Ehhez tartozik egy kör alakú és egy ellipszis alakú atompálya is. Az atompálya alakját is elnevezték, ami megszabja az atompályák energiáját és sugarát, n = 2 főkvantumszám. Mellékkvantumszám /e/ befolyásolja az atompálya energiáját. A mellékkvantumszám értéke: 0 és n-1 közzé esik. Annyiféle értéket vesz fel, mint a főkvantumszám. A nem kör alakú atompályák csak bizonyos irányban helyezkednek el. Ez szükségessé tette a harmadik kvantumszám bevezetését, a mágneses kvantumszámot.
• Mágneses kvantumszám: az atompályák lehetséges elhelyezkedésének a számát adja meg. A három kvantumszámon kívül, három szabály figyelembevételével bármilyen atom elektronjainak elhelyezkedése leírható.
• Energiaminimum-elv: az elektronok a lehető legkisebb energiájú atompályákon helyezkednek el.
• Pauli-elv: egy atompályán legfeljebb két elektron lehet.
• Hund-szabály: az alhéjon az elektronok egymástól a lehető legtávolabb helyezkednek el.

6. tétel

Röntgen-sugárzás:

• Az elektromágneses hullám egy csoportja. Nagy energiájú elktrohullámú sugárzás, mikro és a g-sugárzás között található. A Röntgen-sugárzást előállítani úgy lehet, hogy valamilyen nagy rendszámú atomot, nagy energiájú elektronokkal bombáznak. Ezek az elektronok valamelyik atommaghoz közeli héjról elektront löknek ki. Az üresen maradt helyre a felette lévő héjról belép egy elektron, és a két héj energiakülönbsége Röntgen-foto formájában kisugárzik.
• Gyakorlati megvalósítása a Röntgen-csövekben történik, ami egy katódsugárcső.
• Röntgensugár tulajdonságai:
• elektromágneses nagy energiájú sugárzás
• nagy áthatoló képességű sugárzás, az anyagokon való áthaladás közben a sugárzás intenzitása csökken, ez az intenzitás csökkenés függ az anyagvastagságtól, és az anyagot felépítő atomok rendszámától.
• A Röntgen-sugárzás legnagyobb felhasználása: az orvosi diagnosztika.