Atomfizika

1. Atomfizika

2. Mottó: „Őrült beszéd, de van benne rendszer…” ( Shakespeare: Hamlet )

3. Az atom fogalom fejlődéseAz atom görög szó, jelentése: oszthatatlan. • Demokritosz ( i.e. 460 – 370 ): • - Az atomisták vezetője • - Az anyag nagyszámú, parányi, • tovább már nem osztható részecskékből áll. • - Természetfilozófiai elmélet • XVIII. század: • D. Bernoulli ( svájci ) és Lomonoszov ( orosz ) kémikusok: A hőtani jelenségeket az atomok mozgásával hozták kapcsolatba • Ez már természettudományos hipotézis.

4. Kémia: • • 1801. P. Proust (francia ) • Állandó súlyviszonyok törvénye: egy kémiai vegyületben az alkotórészeknek, illetve elemeknek a súlyviszonya szigorúan állandó. • • 1808. J. Dalton ( angol ) • Többszörös súlyviszonyok törvénye: ha két elem ( pl. A és B ) többféle súlyviszony szerint alkot vegyületet akkor az egyik elemnek azok a mennyiségei, amelyek a másik elemnek azonos súlyú mennyiségével egyesülnek, úgy viszonyulnak egymáshoz, mint a kis egész számok. Pl. a nitrogén ( N ) és az oxigén ( O ) által alkotott N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5 vegyületekben az egy súlyrész nitrogénre jutó oxigén súlya úgy aránylik egymáshoz, mint 1:2:3:4:5. • • 1808. J. L. Gay-Lussac( francia ): gáztörvény • 1811. A. Avogadro( olasz ) : NA = 6 · 1023

5. Fizika • 1827. R. Brown( skót ): Brown-féle mozgás • A XIX. század közepe: • R. Clausius( német ), J. Maxwell( skót )ésL. Boltzmann( osztrák ) • Kinetikus gázelmélet: a gáz nagyszámú részecskékből áll, amelyek rendszertelenül, igen nagy sebességgel végzik mozgásukat, miközben ütköznek egymással, és az őket bezáró edény falával. Mozgásukat a klasszikus mechanika törvényei szerint végzik, de érvényesek valószínűségi illetve statisztikai jellegű meggondolások, illetve törvények is. • 1869. D. I. Mengyelejev( orosz ) • A növekvő atomsúly szerint rendszerezett elemek bizonyos kémiai és fizikai tulajdonságai szakaszosan ismétlődnek. Ezután létrehozta az atomok periódusos rendszerét.

6. Az atomszerkezet megismerése: Előzmény: 1859. J. Plücker( német ): felfedezi katódsugarakat A fizika négy „aranyéve”: 1895. W. C. Röntgen ( német ): X-ray felfedezése ( N. 1901. – az első Nobel-díj )1896. H. A. Becquerel, Marie Curie, Pierre Curie( franciák ): radioaktivitás, radioaktív sugárzás felfedezése ( N. 1903. ) 1897. J. J. Thomson( angol ): Az e- felfedezése ( N. 1906. ) 1898. Marie Curie( lengyel-francia ): A rádium felfedezése ( N. 1911. kémiai )

7. 1904. J. J. Thomson: „Mazsolás puding modell” (≈ 10-10 méter)

8. 1909. (Sir) E. Rutherford ( angol ): aranyfüst fóliát bombázott α részecskékkel, s nagyfokú eltérülést tapasztalt Atommag felfedezése: nucleus ( r ≈ 10 -14 m)

9. 1911. E. Rutherford: bolygók + Nap ≈ atommag + elektronok  elektrodinamika

10. 1913. Niels Bohr ( dán ): a ma is érvényes atommodell posztulátumai:·        Az elektronok a mag körül meghatározott pályán mozognak s eközben nem sugároznak, s így energiájuk a mozgás során változatlan.·        Minden diszkrét sorozatot képező E1, E2,… energia állapothoz más-más sugarú pálya tartozik.·        Gerjesztéskor az elektronok nagyobb sugarú pályára ugranak, amihez a szükséges energiát a a két energiaállapot közötti energiakülönbség szabja meg, a Bohr-féle frekvenciafeltétel segítségével:·       Ha nagyobb energiájú állapotból visszalép az elektron kevésbé gerjesztett állapotba, akkor az atom a Bohr-féle frekvenciafeltétellel megadott energiájú fotont sugároz ki. 1920. E. Rutherford: a proton felfedezése ( protosz = ős, ősi )

11. A „legújabb” vívmányok: 1927. W. Heisenberg ( német ) : kvantummechanika megalkotása ( N. 1932. 1933. ) 1931. W. Pauli ( osztrák ) : neutrinohipotézis ( N. 1945. ) 1932. J. Chadwick ( angol ) : neutron felfedezése ( N. 1935. ) 1934. március 12. Szilárd Leó szabadalmaztatja a magfizikai láncreakció elméletét 1938. Otto Hahn és Fritz Strassman ( németek ) : a maghasadás felfedezése ( N. 1944. ) 1942. december 2. Chicago. E. Fermi ( olasz ) és Szilárd Leó : Az első magfizikai láncreakció megvalósítása 1944. Hevesy György: radioizotópos nyomkövetés

12. 1945. augusztus 6. Hirosima „Little boy” 1945. augusztus 9. Nagasaki „Fat man” 1954. június 27. Obnyinszk.Beindul a világ első atomerőműve 1971. Gábor Dénes: holográfia 1971. M. Gell-Mann ( amerikai ): kvarkhipotézis 1986. április 26. Csernobili reaktorbaleset 1995. A top-kvark felfedezése

13. Magyar Nobel díjasaink • 1905. Lénárd Fülöp • 1914. Bárány Róbert • 1925. Zsigmondy Richard • 1937. Szent-Györgyi Albert • 1944. Hevesy György • 1961. Békésy György • 1963. Wigner Jenő • 1971. Gábor Dénes • 1976. Milton Friedman • 1976. Carleton Gajdusek • 1986. Polányi János • 1986. Wiesel Elie • 1994. Harsányi János • 1994. Oláh György • 2002. Kertész Imre • 2004. Herskó Ferenc

14. 1905. Lénárd Fülöp Fizikai Nobel-díj „a katódsugarakkal kapcsolatos vizsgálataiért”

15. 1914. Bárány Róbert Orvosi Nobel-díj „az egyensúlyszerv fiziológiájával és kór-tanával kapcsolatos munkáiért”

16. 1925. Zsigmondy Richard Adolf Kémiai Nobel-díj „a kolloid oldatok heterogén természetének magyarázatáért, és a kutatásai során alkalmazott, a modern kolloidkémiában alapvető jelentőségű módszereiért" (az ultramikroszkóp felfedezéséért)

17. 1937. Szent-Györgyi Albert Orvosi Nobel-díj „a biológiai égés-folyamatok terén, különösen a C-vitamin vonatkozásában tett felfedezéseiért”

18. 1944. Hevesy György Kémiai Nobel-díj „a kémiai folyamatok kutatása során az izotópok indikátorként való alkal-mazásáért” azaz a radio-izotópos nyomkövetés mód-szerének kidolgozásáért

19. 1961. Békésy György Orvosi Nobel-díj „a fül csigájában létrejövő ingerületek fizikai mechanizmusának a felfedezéséért”

20. 1963. Wigner Jenő Fizikai Nobel-díj „az atommagok és az elemi részek elméletének fejlesztéséért, kivált az alapvető szimmetria-elvek felfedezéséért és alkal-mazásáért” azaz a kvantummechanika törvényeinek atommagokra történő átírásáért

21. 1971. Gábor Dénes Fizikai Nobel-díj „a holográfiai módszer felfedezéséért és a fejlesz-téséhez való hozzájárulásá-ért”

22. 1976. Milton Friedman Közgazdasági Nobel-díj „ a fogyasztói analízis, a pénzügy történet és pénzügy elmélet területén elért eredményeiért”

23. 1976. Carleton Gajdusek Orvosi Nobel-díj „a fertőző betegségek eredetével és terjedésével kapcsolatos új módszerek felfedezéséért”

24. 1986. Polányi János Kémiai Nobel-díj „az elemi kémiai folyamatok dinamikájával kapcsolatos felfedezéseiért” azaz a molekulák energia-állapotának kémiai reakciók során bekövetkező változásai-nak vizsgálataiért

25. 1986. Wiesel Elie Béke Nobel-díj „egyik legfontosabb vezéralak és szellemi vezető azokban az időkben, amikor az erőszak, az elnyomás és a fajgyűlölet rányomta bélyegét a világ arculatára”

26. 1994. Harsányi János Közgazdasági Nobel-díj „a korlátozott vagy nem teljes információjú játékok elméletéért” azaz a szovjet-amerikai leszerelési tárgyalások eredményes előkészítésé-ben nyújtott munkásságá-ért.

27. 1994. Oláh György Kémiai Nobel-díj „a karbokationok kémiájában elért alapvető eredményeiért” azaz az ólommentes benzin felfedezéséhez vezető kutatá-sokért

28. 2002. Kertész Imre Irodalmi Nobel-díj „egy írói munkásságért, amely az egyén sérülékeny tapasztalatának szószólója a történelem barbár önkényével szemben”

29. 2004. Herskó Ferenc Kémiai Nobel-díj „a sejtek egyik legfontosabb ciklikus folyamatának, a fehérjék lebontási mechanizmusának a felfedezéséért”

30. A „marslakók” legendája, avagy „ Hát Kármán Tódornak mégis eljárt a szája!” Franklin D. Roosevelt - Szilárd Leó Harry Truman - Kármán Tódor Dwight Eisenhower - Neumann János Richard Nixon - Neumann Marina Jimmy Carter – Kemény János Ronald Reagen – Teller Ede

31. A kvantummechanika születése A XIX.század végeletisztult fizika 1876. Max Planckaz izzó testek üregeiből kilépő elektromágneses sugárzás energiájának a frekvenciafüggését vizsgálta.

33. Albert Einstein ( N. 1921. ) a hűtéskor bekövetkező mólhő csökkenésből arra következtetett, hogy a kristály egy-egy atomjának az energiája nem választható akármilyen kicsi értéknek. Planck és Einstein: az elektromágneses sugárzások, valamint a kristályok az energiát kicsi, nullától különböző energiaadagokban ( ún. kvantumokban) adják át egymásnak. Megszületett a kvantummechanika Newton: „A természet nem csinál ugrásokat”

34. Az elektron töltése és tömege I. Az elektron görög szó, jelentése borostyánkő. Az elektromos töltés kvantumos természetét, azaz az elemi töltést az elektrolízis Faraday-féle törvényeinek vizsgálata során fedezték fel: Mérhető az áramerősség ( I ), az idő ( t ) és a kivált anyag tömegéből következtethetünk a kivált ionok számára ( N ), így a kivált ionok töltése számolható. A mérések alapján minden ion töltése e = 1,6·10-19 C-nak vagy annak egész számú többszörösének adódott.

35. Az elektrolízis

36. „Ha elfogadjuk az elemek atomjainak létezését, akkor elkerülhetetlenül arra a következtetésre jutunk, hogy az elektromosság – mégpedig mind a pozitív, mind a negatív elektromosság – meghatározott elemi részekből áll, amelyek az elektromosság atomjainak tekinthetők.” ( H. Helmholtz 1881. )

37. II.Joseph John Thomson ( N. 1906. ) Katódsugárcsővel végzett mérései során, a katódról kilépő sugarakat elektromos illetve mágneses mezővel próbálta eltéríteni.

39. J. J. Thomson ( 1897. ) megállapította, hogy a katódsugarakban a katód anyagától függetlenül mindig azonos részecskék lépnek ki, melyek negatív elektromos töltést hordoznak és elektromos ill. mágneses mezőben is eltéríthetők.

40. A körmozgás dinamikai feltétele: Az energiamegmaradás törvénye: A két egyenletből kifejezhető a részecske fajlagos töltése: Ezt a részecskét nevezzük elektronnak.

41. III. R. A. Millikan( amerikai ) ( N. 1923. ) Kondenzátorlemezek közé 10-7 – 10-8 m átmérőjű olajcseppeket porlasztott, amelyek a dörzsölődéstől feltöltődtek. A feltöltött olajcseppekre már hatott a kondenzátorlemezek közötti elektromos mező. A lemezek közötti U feszültséget beállítva elérte, hogy a cseppekre ható erők kiegyenlítsék egymást. Ebből az egyenletből a csepp töltését számolni tudta. Minden olajcsepp töltése 1,6·10-19 C-nak ( = elemi töltés ) vagy annak egész számú többszörösének adódott.

43. Az elektron töltéséből és a fajlagos töltéséből kiszámítható az elektron tömege: Tehát a felfedezett új részecske, az elektron adatai: Az elektron az elemi töltésnek a legkisebb tömegű hordozója, oszthatatlan egység.

44. 1895. W. C. Röntgen ( N. 1901.) Gyors elektronok lefékezésekor olyan sugárzás tapasztalt, amely sem elektromos, sem mágneses mezőben nem terül el, s a fényérzékeny lemezt megfeketítette. Mivel a nagyobb rendszámú elemek ( pl. Ca ) jobban elnyelik a sugárzást, mint a kisebb rendszámú elemek ( pl. H, O ), így a csontok másképpen nyelik el a sugárzást, mint a hússzövet. Emiatt a röntgen sugárzást leginkább az orvosi diagnosztikában használják. ( Nagy E-jú a sugárzás, ezért ionizál !!! ).

48. A röntgensugarak közegbeli gyengülése: ( divergencia, szóródás, abszorpció ) • Koherens szóródás:  állandó és csak az irány változik. ( 0 – 30 keV ) • Compton szórás: ( A. Compton N. 1927. ) a röntgenfoton lazán kötött elektronnal ütközik, így lágyul a sugárzás ( E csökken ), és az elektron ionizál. ( > 30 keV ) • Fotoelektromos effektus: a röntgenfoton a teljes energiáját átadja egy belső elektronnak, így az elektron ionizál. ( 0 – 30 keV ) • Párképződés: a kemény röntgenfoton az atommaggal kerül kölcsönhatásba, így elektron + pozitron pár keletkezik, s ezután jön létre az ionizáció. ( > 1 Mev )

49. A fény 1. XVII. század: Huygens, Fresnel, Newton.       - olajfolt szivárvány => interferencia - optikai rés vagy rács => elhajlás Ezek a jelenségek arra mutatnak, hogy a fény elektromágneses hullám. Maxwell ( 1862. ) egyenletekkel írta le az elektromágneses mezőt. 2. Az újabb problémákat azonban hullámtulajdonságokkal megmagyarázni nem lehetett: - hőmérséklet sugárzás (fekete test sugárzás) ε = h· - 500 WATT-os csillár 500 WATT-os kvarclámpa eltérő biológiai hatás 500 WATT-os röntgencső        - 1964. A. Penzias és R. Wilson ( N. 1978. ) A Tokiói Olimpia televíziós közvetítése kapcsán felfedezik a kozmikus háttérsugárzás kvantumos természetét. (  2,7 K hőmérsékletű fekete test )

50. 1888. A. Sztoljetov ( orosz ) és W. Hallwachs ( német ) Nagy frekvenciájú fény hatására a negatív töltésű Zn lemezt elektronok hagyják el => a lemez pillanatszerűen elveszíti negatív töltését. Ez a jelenség a fényelektromos hatás vagy fotoeffektus.  nagy frekvenciájú fény