Úvod do moderní fyziky

1. Úvod do moderní fyziky • Co je to „moderní“ fyzika? • Čím se tato věda zabývá? • Čím se budeme zabývat my? Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Pro projekt „Cesta k vědě“ (veda.gymjs.net) vytvořil V. Pospíšil (gdermog@seznam.cz). Modifikace a šíření dokumentu podléhá licenci CC-BY-SA.

2. Úvod do moderní fyziky Přednášky kurzuÚvod do moderní fyziky • Úvod – historie pohledu na svět • Klasická mechanika • Newtonovská kinematika • Newtonovská dynamika • Mechanika soustav částic • Mechanika tuhého tělesa • Mechanika kontinua • Kmitání a vlnění • Lagrangeův formalizmus • Hamiltonův formalizmus • Speciální teorie relativity • Elektřina a magnetizmus • Elektrostatika • Stacionární elektrické pole a elektrický proud • Stacionární magnetické pole • Elektromagnetické pole a vlny

3. Úvod do moderní fyziky Přednášky kurzuÚvod do moderní fyziky • Kvantová mechanika • Základní pojmy • Nerelativistická kvantová mechanika • Relativistická kvantová mechanika • Kvantová teorie pole • Atomová a jaderná fyzika • Modely atomu • Bohrův model atomu a atomová spektra • Stavba atomového jádra, vazebná energie • Jaderné síly a modely jádra • Radioaktivita • Jaderné reakce • Částicová fyzika • Vlastnosti elementárních částic • Úvod do standarního modelu

4. Úvod do moderní fyziky Přednášky kurzuÚvod do moderní fyziky • Interakce záření s látkou • Interakce těžkých nabitých částic s látkou • Interakce lehkých nabitých částic s látkou • Interakce fotonů s látkou • Interakce neutronů s látkou • Základní pojmy z dozimetrie a radiační ochrany

5. Chemie Biologie Medicína Fyzika Aplikace Matematika Fyzika v kontextu přírodních věd

6. Fyzika Matematika 100 kg = 20 x větší = 50 x menší Spotřeba na známou plochu Fyzikální práce • Popis přírody • Nejzákladnější jevy a procesy v přírodě • Vlastní zkušenost • Matematické modely

7. Teoretický popis tvorba matematického modelu Fyzikální práce • Teoretická fyzika • Experimentální fyzika Pozorování a experiment ověření matematického modelu

8. Isaac Newton (1642 - 1727) • První ucelená fyzikální teorie – Mechanika • Philosophiae naturalis principia mathematica • Prezident Královské společnosti • První vědec povýšený do šlechtického stavu Známí teoretičtí fyzici

9. James Clerk Maxwell (1831 - 1879) • Sjednocení teorií popisujících elektrické a magnetické jevy • Maxwellovy rovnice – komplexní popis elektromagnetizmu • Předpověď elektromagnetických vln • Předpověď konstantní rychlosti světla nezávisle na pozorovateli Známí teoretičtí fyzici

10. Albert Einstein (1879 - 1955) • Opuštění představy absolutního času a prostoru - STR • Jediná teorie vysvětlující gravitaci - OTR • Práce v oblasti kvantové mechaniky – Nobelova cena • Celoživotní mírové snahy Známí teoretičtí fyzici

11. Galileo Galilei (1564 - 1642) • Nezávislost gravitačního zrychlení na hmotnosti • Vlastnosti kyvadla • Astronomie – konstrukce prvního dalekohledu • Zastánce heliocentrické soustavy • Spory s katolickou církví • Dialog o dvou systémech světa Známí experimentální fyzici

12. Joseph John Thompson (1856 - 1940 ) Ernest Rutherford (1874 - 1937 ) • Objev elektronu • Objev atomového jádra Známí experimentální fyzici

13. Albert A. Michelson (1852 – 1931) • Důkaz nezávislosti rychlosti světla na rychlosti pozorovatele • Rychlost světla Známí experimentální fyzici

14. Ohlédnutí za historií Starověk V hindském pojetí vesmíru spočívá země na hřbetě čtyř slonů, stojící na obrovské želvě Raně řecká představa ploché Země, plovoucí na vodě

15. Vesmír - makrosvět Antika a středověk Ptolemaios Aristoteles Geocentrická soustava

16. Geocentrická soustava • Nebeské sféry • Pohyby po ideálních kružnicích • Epicykly – viz simulace

17. Heliocentrická soustava Novověk Mikuláš Koperník Galileo Galilei

18. Vznik „smyček“ v pohybu planet

19. Vznik „smyček“ v pohybu planet

20. Vznik „smyček“ v pohybu planet

21. Vznik „smyček“ v pohybu planet

22. Vznik „smyček“ v pohybu planet

23. Vznik „smyček“ v pohybu planet

24. Vznik „smyček“ v pohybu planet

25. Vznik „smyček“ v pohybu planet

26. Statický vesmír Je vesmír statický, nekonečný a rovnoměrně zaplněn hvězdnými systémy?

27. Edwin Hubble (1889 - 1953) Vesmír se rozpíná Důkaz rozpínání vesmíru

28. Alessandro Volta 1745 - 1827 James Clerk Maxwell 1831 - 1879 Elektromagnetizmus

29. Prostor a čas jsou pevně svázány! Albert Einstein (1879 – 1955) Hendrik Lorentz (1853 – 1928) Speciální teorie relativity

30. Obecná teorie relativity

31. Mikrosvět Demokritos 460 – 370 př.n.l. Isaac Newton 1643 – 1727 Pierre Gassendi 1592 – 1655 Myšlenka, že látka není spojitá, má strukturu a skládá se z atomů pochází z antiky. Propagovali ji filozofové jako Demokritos, Epikuros a další. Na antický atomismus navazovali mnozí filozofové a fyzikové novověku, např. francouzský matematik a astronom Pierre Gassendi nebo Isaac Newton. Pro své domněnky však neměli jediný důkaz.

32. Chemický atomizmus O C O C O John Dalton 1766 – 1844 Joseph L. Proust 1754 – 1826 CO CO2 V devatenáctém století nastupuje atomismus chemický. Francouzský chemik J. Proust při studiu redukčně-oxidačních reakcí zjistil, že látky se slučují jen v určitých hmotnostních poměrech. Anglický chemik J. Dalton dále zjistil, že některé chemické prvky se mohou slučovat i ve více poměrech. Obě tyto zákonitosti (Zákon stálých poměrů slučovacích, Zákon násobných poměrů slučovacích) lze vysvětlit tak, že prvky se skládají z atomů a sloučeniny z molekul – spojení několika atomů.

33. Chemický atomizmus Joseph L. Gay-Lussac 1778 – 1850 Amadeo Avogadro 1776 – 1856 Hypotézu atomů potvrdily i další objevy. Francouzský fyzik J. L. Gay-Lussac přišel na další zákon chemického slučování. Zjistil, že slučují-li se některé plyny, vstupují do reakce vždy jejich stejné nebo násobné objemy. To se dá vysvětlit tak, že ve stejných objemech různých plynů je stejný počet atomů. Ve zbylých případech se objem plynů mění – např. při slučování jednoho dílu chloru a jednoho dílu vodíku vznikají dva díly chlorovodíku. Tuto nejasnost vysvětlil italský fyzik a chemik Avogadro zákonem který říká, že ve stejných objemech různých plynů je při stejném tlaku a teplotě vždy stejný počet molekul. Přitom předpokládal, že některé prvky v plynném stavu nejsou jednoatomové, ale jsou tvořeny molekulami (např. H2 či Cl2, které pak dají vzniknout dvěma molekulám HCl).

34. Objev elektronu Joseph J. Thompson 1856 - 1940 J. J. Thompson je pokládán za objevitele první elementární částice, elektronu. Spolu s Millikanem určili základní vlastnosti této částice – náboj a hmotnost. Robert Millikan 1868 - 1953 J. J. Thompson roku 1897 vysvětlil katodové paprsky pomocí proudu nabitých částic, jakýchsi „částeček elektřiny“. Pro tyto částice se ujal název elektron. Ze zakřivení drah elektronů v magnetickém poli určil Thompson měrný náboj elektronu, tj. veličinu e/me . Americký fyzik R. Millikan prováděl v roce 1910 řadu pokusů k určení hodnoty elektrického náboje elektronu, tzv. elementárního náboje. Spolu s hodnotou e/m pak bylo možné usoudit na hmotnost elektronu.

35. Objev elektronu Katodové paprsky

36. Měření e/m B R e- U

37. Měření e/m

38. Millikanův experiment Olejové kapičky Nabité desky Fe Fg

39. Millikanův experiment

40. Objev atomového jádra Ernest Rutherford 1871 - 1937 e- e- e- e- e- e- e- e- Poznatek, že elektrony vyletují z atomů vyvrátil odvěkou představu o nedělitelnosti a nastolil otázku jejich struktury. J. J. Thompson se domníval, že kladný náboj je rovnoměrně rozložen v celém objemu atomu a elektrony v něm vězí jako rozinky v pudingu. Tuto hypotézu vyvrátili roku 1911 E. Rutherford a jeho spolupracovníci ve slavném experimentu rozptylu záření α na tenké zlaté fólii.

41. Rutherfordův pokus Rozptýlené α částice Proud α částic Scintilátor Tenká zlatá fólie Lehce rozbíhavý kužel Předpověď výsledku Rutherfordova pokusu, kdyby platila Thompsonova rozinková teorie stavby atomu.

42. Rutherfordův pokus Atom se skládá z malého, kladně nabitého jádra, ve kterém je soustředěna téměř veškerá hmotnost atomu, zabírá však minimální zlomek jeho celkového objemu. Kladný náboj jádra a záporný náboj elektronového obalu se navzájem ruší.

43. Planetární model atomu V návaznosti na Rutherfordův pokus byl atom popisován pomocí planetárního modelu. Jádro zde fungovalo jako slunce, kolem nějž po kruhových orbitách létaly elektrony. Jejich přitažlivost ovšem nebyla dána gravitační interakcí, nýbrž elektromagnetickou. Dle klasické elektrodynamiky nabitá částice, která se pohybuje se zrychlením, vyzařuje elektromagnetické vlny a ztrácí tak energii. Klasická fyzika tedy předpovídala, že elektrony musí velmi rychle ztratit pohybovou energii a spadnout na jádro. Tento paradox nebylo možno vysvětlit bez pomocí kvantové teorie.

44. Podivuhodný mikrosvět Max Planck 1858 - 1947 Energie se předává výhradně po přesně daných porcích – kvantech. Velikost kvanta je přímo úměrná vlnové délce. E = h.f Frekvence záření Konstanta (velmi malá), dnes známá jako Planckova „Porce“ energie v kvantu

45. Podivuhodný mikrosvět ? Vévoda Louis Victor Pierre Raymond de Broglie (1892-1987) Vlnu lze popsat jako částici Částici lze popsat jako vlnu Z čeho se skládá hmota? Z částic, nebo vlnění? Ve vesmíru jsou k nalezení mnohé symetrie. Dá se říct, že ze symetrií vycházejí základní zákony přírody.

46. Bohrův model atomu Niels Bohr 1885 - 1962 Destruktivní interference na kruhovém orbitu Stojatá vlna na kruhovém orbitu Dánský fyzik Niels Bohr v roce 1913 použil závěrů kvantové mechaniky, že částici lze popsat jako vlnu. V jeho modelu atomu se elektrony mohou držet vždy na přesně daných kruhových orbitech, a to na takových, kde mohou vytvořit stojaté vlnu. Tam, kde by výsledná interference byla destruktivní se elektrony nalézat nemohou. Proto není možné, aby po spirále spadly na jádro a atom zůstává stabilní.

47. Bohrův model atomu Na základě Bohrova modelu bylo možné vysvětlit, proč se spektra, která emitují vybuzené atomy, skládají z diskrétních čar. Na každém orbitu má elektron specifickou energii. Při přechodu mezi orbity ji musí pohltit nebo vyzářit ve formě fotonu. A jelikož jsou orbity diskrétní, rozdíly energií mezi nimi jsou přesně dané. Elektrony při přechody mezi orbity (hladinami) vyzařují nebo přijímají vždy stejné a přesně dané množství energie. V příslušných spektrech jsou pak jen určité diskrétní barvy.

48. Bohrův model atomu Plné spektrum Spektrum slunce Vodík Uhlík Hélium Sodík

49. Franck-Hertzův experiment James Franck 1882 - 1964 Gustav L. Hertz 1887 - 1975 Franck-Hertzův experiment, pro-vedený v roce 1914, byl jedním z prvních, který ověřil Bohrův model atomu a potvrdil diskrétní hodnoty energií v elektronovém obalu. V roce 1925 za něj oba fyzici dostali Nobelovu cenu.

50. Kvantověmechanický popis mikrosvěta z 0 x u u d