KVANTNA PRIRODA SVETLOSTI

STRUKTURA ATOMA I MOLEKULA-ENERGETSKI NIVOI

Kvantna teorija o strukturi atomaNils Bor 1913.

Elektroni pri kretanju po stacionarnim putanjama ne emituju niti

apsorbuju energiju

1. Prvi Borov postulatelektron se može kretati u atomu samo po

putanjama određenog poluprečnika za koje važi uslov da je

moment količine kretanja elektrona L jednak celobrojnom

umnošku veličine h/2

2. Drugi Borov postulatobjašnjava prelazak

elektrona sa jednog energetskog nivoa na drugi.

,..3,2,1 ,2

nh

nrvmL nne

mn EEhE

Jsh 3410626.6

Struktura atomskog omotača i raspored

energetskih nivoa

Atomski energetski nivoi

Molekulski energetski nivoi

ENERGETSKI NIVOI MOLEKULA

Energija molekula se sastoji od energije elektrona,

energije oscilovanja atoma i molekula i energije rotacije

molekula. Razlika energija dva nivoa se sastoji od tri

energetska dela:

gde je razlika energija elektrona, razlika

energija oscilovanja atoma i molekula, razlika

energije rotacije molekula.

Trakasti spektri

roe EEEE

eE oE

rE

FLUORESCENCIJA I

FOSFORESCENCIJA

1. Elektron se vraća direktno na početni nivo

2. Prvo prelazi na osnovno stanje energetskog nivoa S1 a zatim na

stanje S0 Energija emitovanog kvanta manja od

upadnog. Nevidljivo EM zračenje u vidljivo. Najpogodniji fluori

fluorescencija.

3. Metastabilni nivo T2 od drugog molekula. Verovatnoća prelaza

elektrona sa metastabilnog nivoa na S0 mala fosforescencija.

Elektron se vraća na S1 pa zatim na S0 −odložena

fluorescencija.

.10 do 10 815 s

.10 do 10 48 s

s 1 do 10 4

Cepanje energetskih nivoa

molekula usled oscilacija atoma u

molekulu, i oscilacija i rotacija

samog molekula, što omogućava

elektronske prelaze kojih nema u

atomima.

Fluoroscentno kamenje

Fosforoscentni materijal

Pod vidljivom svetlošću Pod UV svetlošću U mraku

Primene fluorescencije: fluorescentno obeležavanje, fluorescentne lampe, biološki detektori, fluorescentna spektroskopija, forenzika (npr. otisci prstiju detektuju se fluorescentnim ninhidrinom).

Primene fosforescencije: znaci za izlaz, označavanje puteva

STIMULISANA EMISIJA SVETLOSTI. LASERI

Prelaz elektrona sa jednog na drugi energetski nivo u dva smera:

Stimulisana apsorpcija sa nižeg na viši energetski nivo.

Prelaz elektrona sa višeg na niži nivo uz spontanu emisiju kvanta zračenja: spontana emisija.

Stimulisana emisija 1917 Ajnštajn: pobuđeni atom može biti stimulisan da pređe u niže energetsko stanje upadnim fotonom, čija energija je jednaka energiji prelaza. Emituje se foton iste energije i faze.

Materijali koji se koriste kao laserski medijumi su oni kod kojih se atomi duže zadržavaju u pobuđenom (metastabilnom) stanju (inverzna populacija). To se dobija postupkom koji se naziva optičko pumpanje.

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

PRINCIP RADA

Laserski zrak se može proizvesti jedino ako je stimulisana emisija izraženija u odnosu na apsorpciju i spontanu emisiju zračenja. To se postiže inverzijom naseljenosti atoma (ili elektrona) u laserskom medijumu: broj atoma u pobuđenom stanju mora biti veći od broja atoma u osnovnom stanju.

Svetlosni snop je monohromatski

Svetlosni snop je koherentan

Laserski snop je snažan i izvanredno kolimisan mW-1 MW,

dok veličina spota ima dimenziju 0.1-1 mm.

Ako se radna supstanca lasera spolja osvetli svetlošću blic-lampe velike

snage, apsorpcijom svetlosti većina atoma se može prevesti u pobuđeno

stanje. Time se, optičkim pumpanjem, postiže inverzna naseljenost

energijskih nivoa u atomima. Pobuđeni atomi spontano, u svim pravcima

emituju fotone. Ovi fotoni mogu izazvati stimulasanu emisiju, a oni fotoni

koji se kreću u pravcu normalnom na ogledala višestruko prolaze kroz

radnu supstancu i dolazi do njihovog kaskadnog umnožavanja. Tako

pojačan svetlosni snop delom izlazi kroz jedno, delimično propustljivo

ogledalo, koje obično propušta nekoliko procenata ukupnog inteziteta

svetlosti, a preko 90% reflektuje. Fotoni emitovani u drugim pravcima

ostvaruju neznatno pojačanje i izlaze iz radne supstance. Ovako dobijen

laserski snop ima dve važne osobine: veliku snagu i veliku uređenost.

Ref: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=577575

Šema lasera:

1: laserski medij;

2: energija za pobuđivanje medija;

3: 100% reflektirajuće ogledalo;

4: 99% reflektirajuće ogledalo;

5: laserski zrak.

Za merenje velikih rastojanja (Zemlja-Mesec)

U metalurgiji za sečenje metala

Laserski štampači

Za očitavanje cena na proizvodima u supermarketima

Light-show

Dekodiranje signala u elektronskim centralama

Analiza materijala, precizna merenja, dobijanje holograma

Štetni efekti: biološki i hemijski

Osobina laserske svetlosti da razara biološka tkiva povezana sa efektom koagulacije belančevina omogućuje fine hirurške zahvate bez krvarenja.

Laserska pinceta (laser twessers) je instrument

koji koristi jako fokusiran laserski snop zra-

čenja u cilju formiranja privlačne ili odbojne

sile (tipično reda veličine piko Njutna), u za-

visnosti od relativnog indeksa prelamanja, i na

taj način fizički drži ili pomera mikroskopske

dielektrične objekte.

KORPUSKULARNA PRIRODA SVETLOSTI

Kada detaljnije razmatramo procese apsorpcije, emisije i

rasejanja elektromagnetnog zračenja uočavamo sasvim

drugačije aspekte svetlosti. U tim slučajevima primećujemo

da je energija EM kvantovana odnosno ona se emituje i

apsorbuje u paketima energijefotoni. (Ajnstajn 1905.god)

Fenomen koji je bacio senku na talasnu prirodu svetlosti

je fotoelektrični efekat u kojem materijal emituje

elektrone kada je osvetljen.

Komptonov efekat

2

2mvAh

Fotoelektrični efekat: Heinrich Rudolf Hertz je 1887.

godine otkrio, ali nije i objasnio fotoelektrični efekat koji je

ostao zagonetka u fizici do početka 20. veka. Njegovo otkriće i

objašnjenje su odigrali ključnu ulogu u razvoju moderne

fizike jer je nedvosmisleno pokazao kvantnu prirodu procesa

u mikrosvetu.

Fotoelektrični efekat je pojava kada svetlost određene talasne

dužine padne na površinu metala (npr. cinka ili natrijuma)i

iz njega izbija elektrone.

KLASIĈNA TEORIJA ELEKTROMAGNETNOG ZRAĈENJA

(TALASNA TEORIJA) PREDVIĐA SLEDEĆE:

1. kinetička energija fotoelektrona treba da raste sa

povećanjem intenziteta svetlosti,

2. elektrone iz fotokatode treba da izbaci bilo koja svetlost

adekvatnog intenziteta,

3. elektronu treba relativno dugo vremena da dobije energiju

iz upadne svjetlosti pa da napusti fotokatodu.

A u eksperimentima se dešavalo sledeće:

1. kinetička teorija fotoelektrona ne zavisi od intenziteta

(fluksa) svjetlosti,

2. samo svetlost veće frekvencije (manje talasne dužine) od

neke granične može izazvati fotoefekat,

3. fotostruja se uspostavlja trenutno.

DIJAGRAM ZAVISNOSTI MAKSIMALNE KINETIĈKE ENERGIJE ELEKTRONA

ZN-A (CINKA) OD FREKVENCIJE SVETLOSTI

Na osnovu izučavanja zavisnosti fotostruje I, obrazovane

elektronima emitovanim sa katode pod dejstvom svetlosti, od

napona U između elektroda, različitih materijala u vakuumu, za

različite frekvencije upadnog zračenja, utvrđena su tri osnovna

zakona spoljašnjeg fotoefekta:

1. Stoletov zakon: pri fiksiranoj vrednosti frekvencije upadne

svetlosti, broj fotoelektrona, istrgnutih u jedinici vremena,

proporcionalan je intenzitetu svetlosti (jačina fotostruje zasićenja

proporcionalna je energetskoj osvetljenosti katode);

2. Maksimalna početna brzina (maksimalna kinetička energija)

fotoelektrona ne zavisi od intenziteta upadne svetlosti, već je

određena samo njenom frekvencijom;

3. Za svaki materijal postoji crvena granica fotoefekta, tj. minimalna

frekvencija svetlosti (koja zavisi od hemijske prirode materijala i

stanja njegove površine), ispod koje je fotoefekat nemoguć.

Fotoelektrični efekat ima široku primenu

Digitalne kamere i noćni dvogled (night vision scopes)

konvertuju svetlost u električni signal koji se rekonstruiše u

sliku

Svetlost udara u ploču i pri tome se izbacuju elektroni koji prolaze kroz tanak

disk u kojem se nalazi milion tankih kanala. Struja u svakom kanalu se

pojačava i usmerava na ekran koji svetli kada se pogodi elektronom.

X ZRAĈENJE Rendgenski zraci ili Х-zraci (iks-zraci) su deo elektromagnetnog spektra sa frekvencijama od

3×1016 do 3×1019 herca, odnosno talasna dužina im je reda 0,1 do 10 nanometra (0,1×10-9 do

1×10-8 m). Zraci su jonizujući i zbog velike energije koriste se u radiologiji (u medicini), kao i

u kristalografiji za određivanje strukture kristala. Rendgenski zraci su dobili ime po svom

pronalazaču Vilhemu Konradu Rendgenu koji ih je otkrio 1895. godine sa aparaturom

sličnom na slici

Anoda proizvodi jednim delom

X-zrake usporavajući elektrone

Bremsstrahlung (kontinualno

zračenje) i pri prelazu elektrona

u atomima anode na niže

energetske nivoe (karakteristično

zračenje)

PRIMENA X-ZRAĈENJA

Xzračenje ima puno praktičnih primena u medicini i

industriji

Velika energija, mogućnost prodiranja u čvrstu materiju

do nekoliko centimetara.

Vizualizacija unutrašnje građe materije (slomljene kosti,

strukturna građa)

Objekat se postavi između izvora X zračenja i detektora

(fotografski film)

Kosti su bolji apsorberi od tkiva tako da su one na slici

pojavljuju kao svetlije površine.

CT skener (computed tomography)

izvor X-zračenja proizvodi tanak, lepezast snop

zraka koji se detektuje na suprotnoj strani

objekta sa nekoliko stotina povezanih u liniju

detektora. Svaki detektor meri apsorpciju

duž tanke linije. Cela aparatura se rotira oko pacijenta u

ravni zraka, i promena brzine detekcije upadnih fotona u

detektor se digitalno zapisuje.Kompjuter procesuira dobijene

podatke i rekonstruiše sliku celog preseka pacijenta. Razlike

u apsorpciji oko 1% i manje mogu biti detektovane ovim

skenerom, i u tom smislu se tumori i ostale anomalije mogu

primetiti na ovaj način.

Xzračenje prouzrokuje oštećenje živih organizama. Xfotoni

se apsorbuju u tkivu, kidaju molekuske veze i na taj način

stvaraju opasne slobodne radikale (H i OH) koji mogu da

naruše hemijsku strukturu proteina i genetskog materijala.

Brzorastuće i ćelije koje su u razvoju su posebno osetljive,

zbog toga se ovo zračenje koristi za selektivnu destrukciju

ćelija raka.

Kada pištolj opali, dim iz cevi se

širi (GSR-gunshot residue).

Emisioni X-spektar čestica

dima sadrži karakteristične

pikove atoma olova (Pb),

antimona (Sb) i barijuma (Ba).

Ako uzorak uzet sa kože

osumljičenog ili odela emituje

spektar X-zračenja sa ovim

karakterističnim linijama, to

ukazuje da je osumljičeni u

skorije vreme pucao iz pištolja.

FORENZIKA

TALASNA PRIRODA ĈESTICE. ELEKTRONSKI TALAS

1924, godine francuski fizičar i Nobelovac Princ Luj de

Brolj došao je do izuzetnog otkrića o prirodi materije.

Njegov rezon, slobodno parafraziran je glasio:

Priroda voli simetriju. Svetlost je dualističke prirode, u nekim situacijama se ponaša kao talas dok u nekim kao čestica. Ako je priroda simetrična, ova dualnost takođe može da se odnosi i na materiju. Elektoni i protoni, koji spadaju u čestice, mogu u nekim prilikama da se ponašaju kao talasi.

TALASNA PRIRODA ĈESTICE

De Broljeva talasna dužina čestice

Frekvencija po de Brolju je povezana sa energijom

čestice kao i kod fotona

Nekoliko godina nakon publikacije de Broljeve ideje

eksperimentalni rezultati difrakcije elektrona su

potvrdili talasnu prirodu čestice.

Ako je de Broljeva hipoteza tačna, da materija

poseduje talasna svojstva, zašto taj fenomen ne

primećujemo u svakodnevnom životu?

mv

h

p

h

hE

Kolika je talasna dužina zrna peska mase i poluprečnika

0.07 mm koje pada kroz vazduh sa konačnom brzinom od 0.4 m/s ?

Talasna dužina nemerljiva, manja od dimenzije atoma

kgm 10105

m

s

mkg

Js

p

h 24

10

34

103

102

10626.6

ELEKTRONSKI MIKROSKOP

Elektronski mikroskop pruža interesantan i važan

primer talasne i čestične prirode elektrona.

Trajektorija elektrona može biti prelomljena podvrgava-

jući se zakonima refleksije i prelamanja, kao i korišće-

njem električnog i magnetnog polja. Sa druge strane

snop može da konvergira upotrebom sočiva i ogledala ili

električnog/magnetnog polja.

Zašto je elektronski

mikroskop superiorniji od

optičkog mikroskopa?

rezolucija

ELEKTRONSKI MIKROSKOP

o Šematski dijagram TEM

(transmission electron microscope)

mikroskopa.

o Snop elektrona prolazi kroz više

magnetnih sočiva

o Objectiv i projection lens igraju

ulogu objektiva i okulara

o Konačna slika se projektuje na

fluorescentnom ekranu ili

fotografiše

o Cela aparatura mora biti u

vakuumu. Zašto?

o Ako je talasna dužina elektrona

0.01nm, može se očekivati da će i

rezolucija biti 0.01nm