Fysik 8Modern fysik

Fysik 8

Modern fysik

• Relativitetsteorin

• Ljusets dualism

• Materiens struktur

• Kärnfysik

Innehåll

1. Relativitetsteori

Speciella relativitetsteorin

Allmänna relativitetsteorin

Two Postulates ­­ Special Relativity (1 of 5) 

<http://www.youtube.com/watch?v=WdfnRWGgbd0>

Time Dilation ­ Albert Einstein and the Theory of Relativity

<http://www.youtube.com/watch?v=KHjpBjgIMVk&feature=related>

<http://www.youtube.com/watch?v=KHjpBjgIMVk>

Pythagoras sats:

En observatör i vila anser  att tiden i ett rörligt  koordinatsystem går  långsammare. 

Tidsdilatationen

Tiden i det egna  koordinatsystemet  kallas egentid. 

Längdkontraktion

Vi mäter stavlängden med klockor i vila i respektive koordinatsystem. 

I det stillastående systemet startas klockan när stavens högra ända når  origo och stoppas klockan när den vänstra ändan passerar samma punkt. 

Klockan visar då tiden t.

Mätobjektet har sin största längd i det  koordinatsystem i vilket det befinner sig i vila.

Denna längd kallas  egenlängden.

Myoner

τ = 2,0 μs v=0,998 c s=6000 m

E=mc ²

Vilomassan hos en proton:

E=m 0 c ²    =    eV

F = ma

Uppgifter

1­3 1­6 1­7 1­8 1­10 1­11

1­12

E=mc ²

Vilomassan hos en proton:

E=m 0 c ²    =    eV

m p =1,67*10 ^­27 c 0 =3,0*10 ⁸ 1eV=0,16*10 ^­18  J

Uppgifter

1­3

1­6

1­7

1­8

1­10

1­11

1­12

Elektromagnetisk strålning

en laddad partikel

­ i vila omges av elfält

­ i konstant hastighet skapar magnetfält

­ i accelererad rörelse 

  producerar elektomagnetisk strålning

Våg

http://www.colorado.edu/physics/2000/waves_particles/wavpart4.html

Elektromagnetisk strålning

Elektromagnetiska vågor finns i olika våglängd och används för olika ändamål.

­kortare våg högre energi 

fotoelektrisk effekt

Elektromagnetisk strålning

Den elektromagnetiska strålningens partiklar kallas fotoner

­fotonens hastighet är c

­fotonen har ingen laddning

­fotonen har ingen massa

Elektromagnetisk strålning

Fotonens energi är E = hf

f är strålningens frekvens h = 6,626 × 10 ^­34  Js kallas Planks konstant

fotoelektrisk effekt

En lampa emitterar gult ljus med  våglängden 580 nm.

a) Beräkna energin för ljuskvantat.

b) Beräkna energin i elektronvolt

(1 eV = 1,60 × 10

 J)

Exempel

v=fλ c=fλ

f=c /λ

En lampa emitterar gult ljus med  våglängden 580 nm.

a) Beräkna energin för ljuskvantat.

b) Beräkna energin i elektronvolt

(1 eV = 1,60 × 10­19 J)

Exempel

Röntgenrör

Accelererar elektroner över hög spänning

arbetet W = eU blir energi Ek=½ mv

eU=½ mv

de bromsas upp och det uppkommer x­ray E = hf

hf=eU c=fλ c=f

λ

Uppgifter

2­7 2­13 1­10 1­12

Den minsta våglängden för strålning från ett röntgenrör är  1,2 nm. Hur stor är elektronens accelerationsspänning?

I ett röntgenrör accelereras elektroner med 15 kV  spänning. Beräkna den uppkomna strålningens största  frekvens.

Arbetet: W = eU Energin: E = hf

Relativitesteorin

E=mc ² E=hf

hf = mc ² c = λf

fotonens rörelsemängd

p = mv

http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=342.0

Fotoelektrisk effekt

http://www.walter­fendt.de/ph11e/photoeffect.htm http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=342.0

­

­

hf = W 0 +E k

E

f E

= hf ­ W

f

W

Fotoelektrisk effekt

Fotoelektrisk effekt

2­8 2­12

2­13

Electron Waves Unveil The Microcosmos http://www.vega.org.uk/video/programme/66 0­> ? min 27­>31.30 min

Elektronvågor

Electron Waves Unveil The Microcosmos http://www.vega.org.uk/video/programme/66 0­> ? min 27­>31.30 min

FreeScienceLectures

Dr. Quantum Explains Double Slit Experiment http://www.youtube.com/watch?v=6Q4_nl0ICao

vågpartikeldualismen gäller även materia

materiavågor / de Broglie­vågor

Exempel

e acceleras  1,5 kV beräkna våglängden

me = 9,11 * 10^­31 kg e = 1,60 * 10^­19 C U = 1,5 *10³ V

eU= ½mv²

h = 6,626 × 10^­34 Js

Det vi "talar om" (dualiteten) handlar om sannolikheter.

För många partiklar (som vi nästan alltid har att göra med) kan man förklara hur gruppen kommer att bete sig.

Jämför med kinetisk gasteori, radioaktivt sönderfall m.m.

Men vi kan aldrig beräkna var en enskild partikel kommer att hamna "eller var den är". Det vi kan göra är att beräkna sannolikheten för var den kommer att hamna.

Uppgifter

Test 1 sid 30

2­19 2­21 2­24

2­8 2­12 2­13

Spektra

spektrum, intensitet som funktion av våglängd

kontinuerligt, alla våglängder

monokromatiskt, specifik våglängd

λ I

Emissionsspektrum

E=hf

linjespektrum atomspektra

http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/index.html

Varje kemisk förening har ett karekteristiskt  molekylspektra

neon

Svartkroppsstrålning

λ I

Kontinuerligt spektrum

Tλ

 = b (b=2,898*10

 mK)

solens temperatur ?

Absorptionsspektrum

Atomerna i en gas absorberar samma våglängder som de emitterar

http://jersey.uoregon.edu/vlab/elements/Elements.html

Energinivåerna i en atom

E

E1 E2 E3

n=1 E

joniseringsenergi

Energin hos ett kvantum är skillnaden  mellan de totala energierna hos en  elektron i de olika energitillstånden

hf=E

­E

En atom kan absorbera energi endast i  form av bestämda kvanta, varvid atomen  exiteras

grundtillstånd

kvanttal n

Laser

samma fas stimmulerad emmission pumpad (exciterad) spegel

halvgenomsläpplig  spegel

samma fas samma våglängd samma riktning

http://www.colorado.edu/physics/2000/lasers/lasers4.html

Uppgifter

3­9 3­10 3­11 3­14

http://nobelprize.org/educational_games/physics/laser/

•<http://www.colorado.edu/physics/2000/lasers/lasers3.html>

•Laser

•<http://www.colorado.edu/physics/2000/lasers/lasers4.html>

Väteatomens spektrum

Johann Balmer

Rydbergs konstant R

 = 1,097 * 10

m

synligt spektrum

http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/index.html

Väteatomens spektrum

ljus utanför synligt spektrum

Exempel

Beräkna H

 (första röda) linjen m=3, n=2

http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/index.html

Rydbergs konstant R

 = 1,097 * 10

m

Vi sätter in fotonens energi i uttrycket

n är kvanttalet och bestämmer energinivåerna

hcR = 13,6 eV är atomens joniseringsenergi

hcR = 13,6 eV

Potentiella energin är noll i oändligheten och negativ närmare

Hur mycket energi bör tillföras för att lyfta  elektronen till tredje skalet ?

­13,6

­3,4

­1,5

n=1 n=2 n=3

Energinivåschema

Jul läxa,  Läs 3.4, 3.5  48­59 

3­16

3­17

3­22

fy8_likformigrorelse.pps

fy8_Langdkontraktion.pps