dr. seres istván

OP

TIK

A

Dr. Seres István

Fénykibocsátás mechanizmusa

fényforrás típusok

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 2 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Ernest Rutherford (1911)

Rutherford alfa részecskéket tanulmányozott 1898-tól (ő fedezte fel

őket). 1909-ben egy kísérlet során nagyon meglepő kísérleti

eredményeket kapott, amit meg kellett magyaráznia

Ernest Rutherford

Történeti áttekintés

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 3 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

A Rutherford kísérlet

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 4 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Kisméretű, pozitív töltésű atommag

negatív töltésű elektronok relatíve nagy

térfogatban eloszolva

Rutherford következtetése

Naprendszer modell: az elektronok úgy keringenek

az atommag körül, mint a bolygók a Nap körül.

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 5 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Probléma a Rutherford modellel….

A 20. század elején felfedezték, hogy az

anyag által kibocsátott illetve elnyelt fény

nem folytonos spektrumú, hanem csak

bizonyos frekvenciákat tartalmaz.

A gyorsuló töltés sugároz (röntgen

sugárzás)

Hélium

Oxigén

Xenon

A Rutherford kísérlet

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 6 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Bohr modell

Niels Bohr (1922)

Niels Bohr Rutherford felfedezte az atommagot, és

igazolta, hogy negatív töltésű elektronok

keringenek körülötte.

Bohr ezt azzal egészítette ki, hogy az elektronok csak

bizonyos pályákon keringhetnek. Igazolta, hogy a külső

pályákon több elektron lehet mind a belsőkön, és hogy a

külső pályák határozzák meg a kémiai tulajdonságokat.

1922-ben Nobel díjat kapott az atom struktúrájának

meghatározásában végzett munkájáért.

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 7 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

r

vm

r

eZek

2

2

2

hnmvr

nh

kZe2)n(v

2

Rutherford

Bohr

A két egyenletből r és v kiszámolható:

2

22

2

nkZe4m

h)n(r

Bohr modell

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 8 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

)n(r

eZekmv

2

1)n(E 2

n

1

h

kZe2)n(v

2

A két értékből az energia kiszámolható:

22

222

22

4222

n

1

h

Ze4mkZe

n

1

h

eZk4m

2

1)n(E

2

22

2

nkZe4m

h)n(r

Bohr modell

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 9 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

22

4222

n

1

h

eZk4m

2

1)n(E

2

4222

0h

eZk4m

2

1E

Tehát az elektron energiája az atomban:

E0 –ra az alábbi jelölést bevezetve:

2

0

n

E)n(E

Bohr modell

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 10 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

2

4222

0h

eZk4m

2

1E

2

0

n

E)n(E

Energiaszintek

H atom

07m07an1.mov

H atomra (Z=1):

eV6.13J1018.2E 18

0

Bohr modell

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 11 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

eV1.121

1

3

16.13

n

1

n

1EEEE

222

i

2

f

1if

Bohr modell

Mennyi energiát kell egy elektronnal közölni, hogy

az E1 energiaszintről az E3 energiaszintre

ugorhasson?

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 12 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Bohr modell

Mikor bocsát ki elektromágneses hullámot (pl. fényt)

az atom?

Ha az elektronja gerjesztett állapotból visszatér

alapállapotba.

Gerjesztési módok:

•Termikus gerjesztés (izzószál)

•Ütközési gerjesztés (fénycső, kompakt fénycső)

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 13 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Fényforrás

Rés Prizma

Vörös

IbolyaFeh

ér f

ény

Ernyő

Folytonos színkép

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 14 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusokA

tom

ált

al

kib

ocs

áto

tt s

pek

tru

m (

pl.

izzó

gá

z)

Atomi

fényforrás

Prizma

Ernyő

Rés

Vonalas színkép

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 15 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Planck

Planck-féle kvantumfeltétel:

e = hf

Planck állandó Frekvencia

(6.63 x 10-34 J s)

Egy foton energiája

(s-1)

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 16 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Bohr modell és Planck feltétel együtt

Energiaszintek közötti különbség megegyezik a

kibocsátott energiával:

22

0

m

1

n

1

h

Ef

hfm

1

n

1EE

220

Innét a kibocsátott frekvencia:

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 17 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Bohr modell

A Hidrogén spektruma

410.1 nm

434.0 nm

486.1 nm 656.3 nm

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 18 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

A látható fény tartományába eső színképvonalakat

Balmer sorozatnak nevezzük.

En

erg

ia

Ultraibolya

Lyman

Infravörös

PaschenLátható

Balmer

65

3

2

1

4

n

Hidrogén spektruma a Bohr modell alapján

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 19 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Hidrogén spektruma a Bohr modell alapján

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 20 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Emissziós színképek

Hélium

Oxigén

Xenon

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 21 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Xenon emissziós színképe

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 22 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Színkép elemzés

Folytonos színkép

Emissziós színkép (hidrogén gáz)

Abszorpciós színkép (hidrogén gáz)

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 23 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

A Nap színképe

Színkép elemzés

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 24 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

A Nap színképe

Színkép elemzés

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 25 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Elmélet: abszolút fekete test

Definíció: minden ráeső sugárzást elnyel.

modellje: üreg

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 26 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Elmélet: Planck-féle sugárzási törvény

1e

1hc2T,J

kT

hc5

2

T hőmérsékletű testegységnyi felületéről

időegység alatt kisugárzott energia :

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 27 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Elmélet: Planck-féle sugárzási törvény

deCdT,J T

C

5

1

2

/Az eltérés < 1%, ha T < 3000mm∙K/

Ha , akkor a törvény az alábbi alakot

veszi fel: 1e T

C2

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 28 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Elmélet: Planck-féle sugárzási törvény

deCdT,J T

C

5

1

2

Hol van (mekkora esetén) a függvény

maximuma? /Ahol a deriváltja nulla/

0

d

)eC(d

d

)T,J(d T

C

5

1

2

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 29 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Elmélet: Wien-féle eltolódási törvény

Hol van (mekkora esetén) a függvény

maximuma? /Ahol a deriváltja nulla/

0T

C5eC 2T

C

6

1

2

0

T

Cee5C

d

)eC(d

d

)T,J(d2

2T

C

5T

C

6

1

T

C

5

122

2

mK 10898,2CT 3

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 30 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Elmélet: Wien-féle eltolódási törvény

mK 108978,2C5T 3

2

•Melegített vas színe változik

•Kék színű csillagok melegebbek

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 31 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Elmélet: Stefan Boltzmann törvény

42

84

Km

W 1067,5 ahol ,TAP

Kibocsátott összteljesítmény:

függvény görbe alatti terület

(parciális integrálás)

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 32 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Fényforrások

Természetes fény

Nap spektruma:

(T ~ 5800 K)

mK 10898,2T 3

max

max 5·10-7 m = 500 nm

A légkörön kívül

A felszínen

Hullámhossz (mm)

Be

su

gá

rzá

si in

ten

zitá

s (

W/m

2m

m)

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 33 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Fényforrások

mK 10898,2T 3

max

Izzószálas égő

Fekete test sugárzása:

Wien-féle eltolódási

törvény

http://www.egglescliffe.org.uk/physics/astronomy/blackbody/Image21b.gif

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 34 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Fényforrások

Neon Hélium Xenon Kripton Argon

Fénycsövek színe fényporozás nélkül

Fénycső, kompakt fénycső

Ütközési gerjesztés a nagy feszültégre gyorsított

gázionok segítségével beépített transzformátor

Fénycső: 50 Hz villog!!!

Kompakt fénycső 30 000 Hz egyenletes fény

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 35 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Fényforrások

LED

http://www.hazi-mozi.hu/cikkshow.php?aid=3&cid=678

pn átmenet nyitóirányú

kapcsolása

A rekombinálódó

elektronok a felesleges

energiájukat fotonok

formájában adják le.

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 36 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Fényforrások

LED

http://www.hazi-mozi.hu/cikkshow.php?aid=3&cid=678

LED lámpák színskála

lefedettsége.

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 37 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Fényforrások

Lézer

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 38 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Fényforrások

Lézer

Spontán és indukált emisszió

Normál populáció,

Inverz populáció

tükörrezonátor

http://www.mozaik.info.hu/mozaweb/feny/FY_lezer.htm

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 39 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Fényforrások

He-Ne Lézer

Normál populáció,

Inverz populáció

tükörrezonátor

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 40 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Fényforrások

félvezető lézer

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 41 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Fényforrások

Lézerfény tulajdonságai

•Monokromatikus (1 színképvonal)

•Koherens

•párhuzamos nyaláb

•Nagy energiasűrűség

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 42 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Lézerfény hatásai

•Hőhatás, ionizáció, fluoreszcencia, fotokémiai reakciók

elsősorban a hőhatás elvén működnek: Például a CO2 lézer:

vízben szinte tökéletesen elnyelődő 10.6 mm –es infravörös

a kék vagy zöld színű argonlézer csak a pigmentált részen

nyelődik el. a szem részein minden károsító hatás nélkül

keresztülhalad, ugyanakkor az erősen pigmentált retina

elnyeli.

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 43 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Holográfia

OP

TIK

A –

me

cha

tron

ika s

zak

.

Seres István 44 http://fft.szie.hu

Fénykibocsátás mechanizmusa,

fényforrás típusok

Folytatás a következő héten!