Transcript modern_fizika

Klasszikus fizika





Mechanika
Hőtan
Elektromosságtan
Mágnesesség
Fénytan (Optika)
A 19. század végéig
hatalmas fejlődés
Kezdetben:
Elméleti összefüggések
Kísérletek
Később: A matematika fejlődésével
párhuzamosan.
Jelenségek megfigyelése
Elméleti összefüggések
 (Pl.Uránusz)
A modern fizika alapjai



A klasszikus fizikában volt néhány tapasztalat, amit
nem lehetett összeegyeztetni a newtoni mechanika és
maxwell-i elektromágnesesség alapelveivel.
Ezek az ellentmondások olyan területekhez
kapcsolódnak, ahol az embernek nincs lehetősége
érzékszervi tapasztalatokat szerezni.
(pl. Fénysebesség közelében)
A klasszikus fizika világképe
fénysebesség közelében nem
alkalmazható!
Modern fizika 1. szakasz
A relativitás elmélet születése
1. Megoldatlan kérdés: mihez viszonyítva terjed a
fény c=300.000 km/s sebességgel.
A vonat fénysebességgel halad
A tetején menetiránnyal megegyezően szaladunk v
sebességgel
A sebességünk a - Földhöz képest- fénysebességnél
nagyobb??
1. kérdés feloldása:
Speciális relativitáselmélet
Einstein szerint:
A fény bármilyen
inerciarendszerhez
képest c=300.000 km/s
sebességgel terjed.
Albert Einstein(1879-1955)
német fizikus
2. kérdés
A transzverzális, mechanikai
hullámok közvetítéséhez
szükséges egy rugalmas
közeg.
A fény transzverzális hullám.
Mi közvetíti?
Létezik egy a fény terjedését biztosító, világmindenséget
kitöltő rugalmas anyag: az éter??
Minden kísérlet, ami az éter kimutatására irányult
eredménytelennek bizonyult.

Einstein szerint: nincs éter
Speciális relativitáselmélet további eredményei
Tömeg-energia ekvivalencia egyelet:
Ahol :
E - egy tetszőleges test összenergiája,
m - a test tömege,
c - a vákuumbeli fénysebesség
Eszerint, ha egy testnek nő az energiája, a tömege is nő.
A tömegből származó energia nagy része már nyugalmi
állapotban is a testekben van.
Speciális relativitáselmélet következményei:
Hosszúság-kontrakció
Egy nyugvó rendszerben l hosszúságú test egy v
sebességgel mozgó koordinátarendszerben
megrövidül.
Hosszúsága az eredeti hosszúság
lesz.
-szorosa
Ez a jelenség hosszúságmérő eszközökkel nem
bizonyítható, mivel azok is hosszúságkontrakciót szenvednek.
Speciális relativitáselmélet következményei:
Idő-dilatáció

Egy nyugvó rendszerben Δt idő alatt lejátszódó
esemény egy v sebességgel mozgó
koordinátarendszerben hosszabb ideig tart:
∆t
Max Planck német fizikus
A 20. századi fizika egyik
elindítója volt, aki nem hitte
el, hogy már mindent
felfedeztek.
„a tudományos igazságok előbb-utóbb érvényre
jutnak, de nem úgy, hogy belátják a tévedésüket
azok, akik korábban ellenezték, hanem úgy, hogy
lassan kihal az a generáció, amely nem volt képes
az új gondolatokat befogadni.”

A kvantumelmélet születése
A Nap látható, ultraibolya,
infravörös (elektromágneses )
hullámok formájában érkezik a
Földre.
De kevésbé forró testeknek is van
hősugárzása.
Az erősebben felmelegedő testek
Az abszolút fekete test
pedig látható fényt is
kibocsátanak: először vörös, majd energia kibocsátása a
egyre fehérebb izzással.
hullámhossz függvényében
(Planck-görbe)
Hőmérsékleti sugárzás

A testek hőmérsékletétől függő erősségű és
összetételű elektromágneses sugárzást
hőmérsékleti sugárzásnak nevezzük.
A hőmérsékleti sugárzás tapasztalati törvényeit a
klasszikus fizika törvényeivel nem tudták
megmagyarázni.
Max Planck
1900-ban olyan matematikai összefüggést vezetett le, amely
pontosan összhangba volt a tapasztalatokkal.
Feltételezte, hogy a testek hőmérsékleti sugárzásának
energiája kis adagokból, úgynevezett kvantumokból
tevődik össze.
Egy kvantum energiája:
E=h*f
f- a rezgés frekvenciája,
h - Planck állandónak nevezünk.
Planck-hipotézis
A kvantum energiája egyenes
arányban áll a hullám frekvenciájával.


Newton: „A természet nem csinál ugrásokat”
A fényelektromos jelenség
Fotoeffektus
•Nagy frekvenciájú fény hatására a negatív töltésű
cink lemezt elektronok hagyják el
•A lemez pillanatszerűen elveszíti negatív töltését.
A jelenség független a fény intenzitásától.
nagy frekvenciájú fény
Ez a jelenség a fotoeffektus.
1888. A. Sztoljetov
( orosz )
és W. Hallwachs
( német )
Magyarázata




Albert Einstein 1905.
Planck kvantumhipotéziséből kiindulva: ezek az
energiakvantumok fénysebességgel repülnek és
önálló részecskéknek tekinthetők.
A fény kvantumjai: fotonok
Egy foton energiája egyenesen arányos a fény
frekvenciájával.
Az alkáli fémek ( Li, Na, K, Rb,…) esetében ez a jelenség már
látható fény hatására is létrejön. Ezen alapszik a fotocella
működése.
Látható fény hatására az alkálifém katódról elektronok lépnek ki
az anód gyűjtőhurok felé, melyeket az anód be is gyűjt.
Az anód és a katód között potenciálkülönbség alakul ki, melyet
aztán egy áramkörben hasznosítanak.
1905. Albert Einstein
A fotoeffektus magyarázata.
Azt a legkisebb energiát, amely az elektronnak a fémből való
kiléptetéséhez szükséges, kilépési munkának nevezzük.
Ezek után
Ahol
  W ki 
1
2
mev
2
Ez az ún. fényelektromos
egyenlet
  h 
a foton energiája
W ki
kilépési munka
1
2
m ev
2
az elektron mozgási energiája
AZ ATOM FOGALOM
FEJLŐDÉSE
Az atom görög szó, jelentése: oszthatatlan.
•
•
Demokritosz ( i.e. 460 – 370 ):
Az atomisták vezetője
•
Az anyag nagyszámú, parányi, tovább
már nem osztható részecskéből áll.
1. atommodell: PUDING MODELL
1904. J. J. Thomson:
„Mazsolás puding modell” (≈ 10-10 méter)
A pozitív töltésű atomban
a negatív töltésű
elektronok elszórtan
helyezkednek el.
2. atommodell: NAPRENDSZER MODELL
1909. (Sir) E. Rutherford ( angol ): aranyfüst fóliát
bombázott α részecskékkel. Az He ionok nagy
része változatlanul áthaladt a fólián, viszont
néhány esetén nagyfokú eltérülést tapasztalt.
Magyarázat


Az atom belseje majdnem teljesen üres.
Az atom tömegének nagy része egy igen kicsi
térfogatú központi részben az atommagban
található.
Atommag felfedezése: nucleus
( r ≈ 10 -14 m)
Az atommag pozitív töltésű!
1911. E. Rutherford:
bolygók + Nap ≈ atommag + elektronok
Kémiai elemek



Olyan anyagok, amelyek egyféle,
kémiai szempontból azonos
atomokból épülnek fel.
Atommagjukban azonos számú
protont tartalmaznak.
Rendszerük: Periódusos rendszer
Z- protonok száma, rendszám
A- tömegszám (protonok+neutronok száma)
N- neutronok száma
Izotópok

Az azonos protonszámú, de különböző
neutronszámú atomok
Hidrogén izotópjai
1 proton
1proton
1 proton
0 neutron
1 neutron
2 neutron
Hidrogén
Deutérium
Trícium
3. modell: Bohr-féle
atommodell
1. Az atom elektronjai
csak meghatározott
pályákon keringhetnek
a mag körül.
2. Az elektron nem
sugároz. ()
3. Minden héjon csak
meghatározott számú
elektron tartózkodhat.
Kvantumszámok


Főkvantumszám Az atommag és az elektronfelhő
átlagos távolságára ad felvilágosítást.
Jele: n
Értéke: 1, 2, 3…(pozitív egész számok)
Mellék-kvantumszám Az elektronfelhő alakjára ad
felvilágosítást.
Jele: l
Értékei: 0, 1, 2…(n-1)


Mágneses-kvantumszám Az azonos alakú, tehát
azonos mellék-kvantumszámú pályák irányára ad
felvilágosítást.
Jele: m
Értékei: -l, (-l+1)…..0…..+l
Spinkvantumszám Az elektronfelhő
impulzusmomentumára, mágneses tulajdonságára
ad felvilágosítást.
Jele: ms
Értéke: +1/2 vagy –1/2
Pauli-féle kizárási elv

Az atom nem lehet olyan állapotban, amelyben két
vagy több elektronjának mind a négy
kvantumszáma megegyezik.
Energia (Foton) kibocsátás
Az atom csak akkor sugároz, ha az elektron
az egyik pályáról a másikra ugrik.
,
Foton
atommag
elektron
Energia (foton) elnyelés

Az atom csak olyan
foton befogására
képes, amelynek
energiája éppen
egyenlő két
pályaenergia
különbségével.
elektron
Foton
A fény kettős természete
A fény az elektronhoz hasonlóan viselkedik
Ha a fény valamely közegben terjed
HULLÁM
A fény kisugárzása és elnyelése
közben
RÉSZECSKE
Foton és elektron
A. Compton
Tapasztalat:
A szórt fotonra
és az elektronra
érvényes az
impulzusmegmaradás
törvénye.

paraffin
Foton tömege
Az előző kísérlet alapján kiderült, hogy a fotonnak
van tömege és lendülete.
Planck-hipotézis: E=h*f, ahol h-Planck állandó
Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia:
E=m*c2

m*c2=h*f
Foton lendülete
I=m*c=h*f/c=h/
c-fénysebesség
-hullámhossz
f-frekvencia
m-foton tömege
Eredmények
Az elektromágneses mezőnek van tömege,
lendülete, energiája.
Az elektromágneses mező az anyag egyik
megjelenési formája.
Az elektron
A fény kettős természetű:


elektromágneses hullám
részecske
Az elektron, mint részecske:
Tömege: m=9,1*10-31 kg;
Töltése:
e=-1,6*10-19 C
Vajon egy elektron is rendelkezik hullám
tulajdonságokkal?
Igen
Az elektron, mint hullám

De Broglie:
Az anyagi részek mozgása is leírható
hullámtulajdonságokkal.
Egy v sebességgel mozgó elektron hullámhossza:
I=h/=m*v
=h/(m*v)
Ahol
h-Planck –állandó
m-elektron tömege
Heisenberg-féle határozatlansági
reláció


Az atomi részecskék mozgástörvényei
valószínűségiek.
Egy részecske helyét és lendületét nem lehet teljes
pontossággal meghatározni.
∆x* ∆I ≥ h/4
4. modell: Hullámmodell
Jellemzői:
1. Az elektronok hullámtermészetét is figyelembe
veszi.
2. Az atom elektronállapotát az atommag
vonzásterében kialakuló De Brolie hullámokkal írja
le.
3. A modell végre összhangban van a kísérleti
eredményekkel.
ATOMMAGFIZIKA
Atommag részei

Proton
Tömege:
mproton=1,67*10-27kg
Töltése: e=1,6*10-19 C
Száma:

Z db (rendszám)
Neutron
Tömege: mprotonmneutron
Töltése: nincs
Száma: N db
Tömegszám (A)
Nukleonok száma:
A=Z+N
Atommag tömege:
Mmag=A*mproton
Ahol
A-atommag tömegszáma
Nukleáris kölcsönhatás

A pozitív töltésű protonok elektromos kölcsönhatása:
taszító!
A magon belül lennie kell
egy vonzó jellegű kölcsönhatásnak .
Ez a nukleáris kölcsönhatás
Más néven: erős kölcsönhatás, magerő.
A nukleáris kölcsönhatás tulajdonságai
1. Rövid hatótávolságú, csak a szomszéd nukleonok
között hat.
2. Százszor erősebb,mint az elektromos
kölcsönhatás.
3. Töltés független
Atommagok kötési energiája


Kötési energia: az a munka amely ahhoz
szükséges, hogy az atommagot alkotórészeire
bontsuk szét.
Az atommagok kötési energiáját megadja az
Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia
képlet:
E=m*c2
Az atommagok tömeghiánya

Az atommagok tömege mindig kisebb, mint az
alkotóelemek tömegeinek összege.
A hiányzó tömeg
m=Z*mp+(A-Z)*mn-mmag
mp- proton tömege
mn- neutron tömege
A hiányzó tömeg mérésével a kötési energia
kiszámítható:
Ekötési=m*c2
Egy nukleonra jutó kötési energia
Átlagos kötési
energia
Nukleonok száma

A vas környéki atommagok kötése a legerősebb.
„VAS-tó”
Energia az atommagból
Két féle módon nyerhető:
1. A könnyű atommagok egyesítésével: magfúzió,
Például: csillagok
2. Nehéz atommagok hasításával:
fisszió
Például: atomerőművek
Radioaktivitás
1. Henri Becquerel
Radioaktivitás felfedezése: uránszurokérc
2. Marie Curie, Pierre Curie:
Rádium, polónium felfedezése.
Kísérletek alapján:
1. A radioaktív sugárzás atommagok bomlásakor
keletkezik.
2. A sugárzó elemek atommagjai átalakulnak.
Radioaktív sugárzások fajtái
a) -sugárzás (He++ ionok)


Egy papírlap is elnyeli.
A tömegszám 4-el csökken.
b) -sugárzás (nagy E-jú e--k)
Kb. 30 lap nyeli el
n0=>p++e-
c)
-sugárzás (nagy E-jú
elektromágneses sugárzás)

Vastag ólomréteg is csak részben nyeli el.

Mindig -sugárzás vagy -sugárzás után
következik be.
A gerjesztett atommag
kibocsát egy  fotont.
Aktivitás: időegységre eső bomlások száma
jele: A
N
mértékegysége: Bq
A 
t
λ:bomlásállandó
N:a t idő múlva jelenlévő
bomlatlan atomok száma
A   N
 Felezési
idő: az az idő, amely
alatt az atommagok fele
elbomlik

jele: T1/2
N1/2 
N
2
0
N (t) :a t időpillanatban
jelenlévő bomlatlan
atommagok száma
N (0) : kezdeti bomlatlan
t

atommagok száma
N (t )  N (0)  2 T
Átlagos élettartam:
A bomlásállandó reciproka.
t 
1

Wilson-féle ködkamra
A kamrában alkohol telített gőze van,
a sugárforrásból kilépő részecskék
ionokat hoznak létre,
körülöttük a gőz lecsapódik.
Charles Thomson Wilson
1869-1959
Geiger-Müller számláló – GM-cső
anód: W-szál
katód:Cu-henger
Anód-katód közötti feszültség:500-2000V
Töltőanyag: szerves oldószer gőze,
nemesgáz
A belépő radioaktív részecskék ionokat
Hans Geiger
hoznak létre a gázokban,
ez áramlökést hoz létre.
1882-1945



Nehéz atommagok hasítása.
A természetben előforduló legnagyobb
protonszámú atommag: urán.
Protonszáma: 92
Két fajta „stabil” urán atommag is van: a 235U
és a 238U
235U:
92db proton+143 db
neutron
238U:
92 db proton+146
db neutron
A természetes uránban az arányuk 1:140,
azaz minden 140-edik uránmag 235U, a többség pedig
238U.
A maghasadás
jelensége:
neutron+ 235U
két kisebb atommag
+ 3 neutron
+ energia
Az atomreaktor elve
maghasadás
A láncreakció (Szilárd Leó ötlete): a maghasadáskor
keletkezett neutronokat újabb maghasadás kiváltására
használjuk,
így
a
számuk
gyorsan megsokszorozódik.
A legtöbb atommag (a 238U is) csak
elnyeli a neutronokat, de nem hasad
el.
Csak a 235U ilyen különleges !
DE: Nem minden neutron hasítja
el a 235U-t sem! El is nyelődhet, és van, amelyik csak
„elrepül” mellette.
Annál valószínűbb a hasadás,
minél hosszabb ideig tartózkodik a mag közelében!!

A maghasadáskor keletkezett neutronok
részesülnek a felszabaduló nagy energiából,
tehát nagyon gyorsak.
Nagy sebesség : rövid ideig van a mag mellett!
NEM JÓ !
Megoldás: neutronok lelassítása.
Moderátor anyag (víz, nehézvíz (Paks), grafit)
Atomerőmű felépítése
Atomreaktor fontos részei
• üzemanyag (dúsítás..)
• moderátor
• szabályozó elemek
• hűtő- és hőhordozó közeg
(energia)
• sugárvédelmi fal (radioaktivitás)
Az atomerőművek előnyei
1) Sűrű energia: maghasadáskor sokmilliószor annyi energia szabadul
fel, mint a szén, olaj, vagy földgáz elégetésekor
Következmények:
a) Bányászat olcsó,
kisebb kockázatú
b)
Szállítás
olcsó
szén
c) Nagy tartalék készletek halmozhatók fel: olaj
Független energia- urán
ellátás
d) Hulladék kisebb
mennyiségű
~2 millió tonna
(21000 vasúti
kocsi)
~1,3 millió
tonna
(10
~30 millió
tonna UO2
hordó)
(1 vasúti kocsi)
Az atomerőművek előnyei
2) Környezetbarát: atomerőművekben nem keletkezik üvegházhatást
okozó gáz (széndioxid).
Kyotó Egyezmény vállalásai csak atomerőművekkel teljesíthetők
3) Olcsó: az összes többi energiatermelési móddal összehasonlítva
az egyik legolcsóbb (a földgáztüzelésű erőművek kb. ilyen olcsók
4) Földrajzi adottságoktól függetlenül telepíthető:
pl. vízerőmű, szélerőmű, napenergiával működő erőmű nem ilyen
5) Pillanatnyi klimatikus hatásoktól függetlenül működik:
pl. szélerőmű, napenergiával működő erőmű nem ilyen
még)
A nukleáris üzemanyag-ciklus járulékos problémái
Aki dúsítani tud, az 90%-ra
dúsított uránt is tud készíteni
(atomfegyver készítése)
Normál üzem/üzemzavar
Nukleáris balesetek
Az újrafeldolgozás során
plutónium is kinyerhető!
(bomba)
Hosszú időre
biztonságosan
kellene megoldani
Atomerőművek radioaktív kibocsátása
Többszintű védelem:
Pasztillák (megkötik a keletkező anyagokat)
Üzemanyag pálcák (hermetikusan lezárva)
Nyomásálló reaktor-tartály
Biológiai védelem
(konténment)
Atomerőművek biztonsága
Láncreakció megszaladása elleni védelem:
a láncreakcióhoz moderátor szükséges!
Ha víz a moderátor, akkor biztonságos, hiszen:
Ha növekszik a láncreakció sebessége…
…növekszik a hőmérséklet…
…elforr a víz, nem lesz moderátor…
…leáll a láncreakció.
Önmagától, közbe sem kellett avatkozni !!
(nem tud „elromlani”)
Atomerőművek biztonsága
Ha ilyen jó, akkor mi történt Csernobilban?
Csernobilban a moderátor
grafit volt, mint az első
atommáglyánál
Grafitmoderátoros, vízhűtésű reaktor
A víz csak hűtést (energiaszállítást) végzett, és ezért nem volt
moderátor szerepe, de valamennyi neutront elnyelt !!!
Atomerőművek biztonsága
Ha grafit a moderátor és vízzel hűtünk (Csernobil) akkor:
Ha növekszik a láncreakció sebessége…
…növekszik a hőmérséklet…
…elforr a víz, nem nyel el annyi neutront
(a grafit moderátor ott marad!)…
…a láncreakció még
gyorsabbá válik !!
Instabil üzemállapot !!
Ez sem volt azonban atombomba-robbanás,
„csak” hőrobbanás (kazán)
Radioaktív hulladékok elhelyezése
Kis- és közepes aktivitású, rövid felezési idejű hulladékok (felszín
közeli)