Úvod do moderní fyziky
description
Transcript of Úvod do moderní fyziky
Úvod do moderní fyziky
• Co je to „moderní“ fyzika?
• Čím se tato věda zabývá?
• Čím se budeme zabývat my?
Pro projekt „Cesta k vědě“ (veda.gymjs.net) vytvořil V. Pospíšil ([email protected]). Modifikace a šíření dokumentu podléhá licenci CC-BY-SA.
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme
do vaší budoucnosti
Úvod do moderní fyziky
Přednášky kurzu Úvod 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
Úvod do moderní fyziky
Přednášky kurzu Úvod 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
Úvod do moderní fyziky
Přednášky kurzu Úvod 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
Fyzika v kontextu přírodních věd
Matematika
Fyzikální práce
MatematikaFyzika• Popis přírody
• Nejzákladnější jevy a procesy v přírodě
• Vlastní zkušenost
• Matematické modely
100 kg
= 20 x větší
= 50 x menší
Sp
otř
eba n
a
znám
ou p
loch
u
Fyzikální práce
• Teoretická fyzika
• Experimentální fyzika
Teoretický popis
tvorba matematického modelu
Pozorování a experiment
ověření matematického modelu
Známí teoretičtí fyzici
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
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
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 experimentální fyzici
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
Joseph John Thompson (1856 - 1940 )
• Objev elektronu
Ernest Rutherford (1874 - 1937 )
• Objev atomového jádra
Známí experimentální fyzici
Albert A. Michelson (1852 – 1931)
• Důkaz nezávislosti rychlosti světla na rychlosti pozorovatele
• Rychlost světla
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
Vesmír - makrosvět
Antika a středověk
Ptolemaios
Aristoteles
Geocentrická soustava
Geocentrická soustava
• Nebeské sféry
• Pohyby po ideálních kružnicích
• Epicykly – viz simulace
Heliocentrická soustava
Novověk
Mik
ulá
š K
op
ern
ík
Galile
o G
alile
i
Vznik „smyček“ v pohybu planet
Vznik „smyček“ v pohybu planet
Vznik „smyček“ v pohybu planet
Vznik „smyček“ v pohybu planet
Vznik „smyček“ v pohybu planet
Vznik „smyček“ v pohybu planet
Vznik „smyček“ v pohybu planet
Vznik „smyček“ v pohybu planet
Statický vesmír
Je vesmír statický, nekonečný a rovnoměrně
zaplněn hvězdnými systémy?
Vesmír se rozpíná
Důkaz rozpínání vesmíru
Edwin Hubble (1889 - 1953)
Elektromagnetizmus
Alessandro Volta1745 - 1827
James Clerk Maxwell1831 - 1879t
EjB
t
BE
B
D
000rot
rot
0div
div
Speciální teorie relativity
Albert Einstein (1879 – 1955)Hendrik Lorentz (1853 – 1928)
Prostor a čas jsou pevně svázány!
Obecná teorie relativity
Mikrosvět
Demokritos460 – 370 př.n.l.
Myšlenka, že látka není spojitá, má strukturu a skládá se z atomů pochází z antiky. Propagovali ji filozofové jako Demokritos, Epikuros a další.
Pierre Gassendi1592 – 1655
Isaac Newton1643 – 1727
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.
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.
Joseph L. Proust1754 – 1826
John Dalton1766 – 1844
Anglický chemik J. Dalton dále zjistil, že některé chemické prvky se mohou
slučovat i ve více poměrech.
O C CO
O C CO2O
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.
Chemický atomizmus
Joseph L. Gay-Lussac1778 – 1850
Amadeo Avogadro1776 – 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).
Chemický atomizmus
Joseph J. Thompson1856 - 1940
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 .
Robert Millikan1868 - 1953
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.
J. J. Thompson je pokládán za objevitele první elementární částice, elektronu. Spolu s Millikanem určili
základní vlastnosti této částice – náboj a hmotnost.
kgm
Ceq
e
e
31
19
10110.9
10602.1
Objev elektronu
Objev elektronu
Katodové paprsky
e-
R
B
Uv
BR
m
qBvq
R
vmF
...
2
m
UqvUqmvEk
..2.
2
1 2 22.
.2
BR
U
m
q
Měření e/m
Měření e/m
FeFg
Olejové kapičky
Nabité desky
Millikanův experiment
Millikanův experiment
Ernest Rutherford1871 - 1937
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.
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
Tuto hypotézu vyvrátili roku 1911 E. Rutherford a jeho
spolupracovníci ve slavném experimentu rozptylu záření α
na tenké zlaté fólii.
Objev atomového jádra
Proud α částic
Tenká zlatá fólie
Rozptýlené α částice
Scintilátor
Lehce rozbíhavý kužel
Předpověď výsledku Rutherfordova pokusu, kdyby platila Thompsonova rozinková teorie stavby atomu.
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.
Rutherfordův pokus
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.
Planetární model atomu
E = h.f
„Porce“ energie v kvantu
Konstanta (velmi malá), dnes známá
jako Planckova
Frekvence záření
Podivuhodný mikrosvět
Max Planck1858 - 1947
Energie se předává výhradně po přesně daných porcích – kvantech. Velikost
kvanta je přímo úměrná vlnové délce.
Z čeho se skládá hmota? Z částic, nebo vlnění?
Vévoda Louis Victor Pierre Raymond de Broglie (1892-1987)
Ve vesmíru jsou k nalezení mnohé symetrie. Dá se říct, že ze symetrií vycházejí základní zákony přírody.
Vlnu lze popsat
jako částici
Částici lze popsat jako
vlnu
Podivuhodný mikrosvět
Niels Bohr1885 - 1962
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.
Stojatá vlna na kruhovém orbitu
Destruktivní interference na kruhovém orbitu
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.
Bohrův model atomu
Bohrův model atomu
Plné spektrum
Spektrum slunce
Vodík
Uhlík
Hélium
Sodík
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.
z
x
2
0
2
Kvantověmechanický popis mikrosvěta
zyxmt
i2
2
2
2
2
2
2
1
uu
d
Dnešní pohled na vesmír
Kvantová mechanikaObecná teorie relativity
Atomová fyzika
Jaderná fyzika
Částicová fyzika
Astronomie
Kosmologie
Kvantová teorie gravitace