III.
EFEKT COMPTONA

III.1. Efekt Comptona

Zjawisko zmiany długości fali promieniowania roentgenowskiego rozpraszanego na swobodnych elektronach.
Zjawisko to stoi u podstaw mechaniki kwantowej.

Compton badał rozpraszanie promieniowania roetgenowskiego na tarczy.

I – natężenie promieniowania roentgenowskiego po przejściu przez folię metalową

– nie zależy od długości fali
promieniowanie Rtg – jego energia 10000 – 100000eV
– rozpraszanie ma miejsce na elektronach swobodnych (tzw. elektronach przewodzenia lub walencyjnych) Siły wiązań metalicznych – elektron swobodny odrywa się od atomu, tworzy gaz elektronowy.

Równanie Comptona:

&Lambda – comptonowska długość fali

= 0,0242 Å

Compton światło traktował jak strumień fotonów.

– pęd elektronu, który uzyskuje po zderzeniu z fotonem

– prawo zachowania pędu:

(III.1.3) z prawa cosinusów: (III.1.3)

– prawo zachowania energii:

dla fotonu:

(masa spoczynkowa)

Wyprowadzimy równania Comptona z zależności (III.1.7):

Z (III.1.4) i (III.1.7c) wynika:

Na podstawie postulatu Plancka:

Otrzymaliśmy równanie (III.1.1a):

Rozpraszanie na elektronach związanych.

Dualna natura światła – w różnych warunkach obserwujemy jego naturę:

• falową (dyfrakcja, interferencja)
• światło zachowuje się jak strumień cząstek.

Doświadczenie Comptona potwierdza fakt, że materia składa się z elektronów. Powstał problem struktury atomu. Stwierdzono , że atomy składają się co najmniej z elektronów, wykazano również jaki jest ładunek elektronu. Z drugiej strony wiedziano, że atom jest elektrycznie obojętny, wynikało z tego, że muszą istnieć cząstki dodatnie wchodzące w skład atomu.

III.2. KONCEPCJA BUDOWY ATOMU.

– Problem ładunku dodatniego (gdzie jest zlokalizowany, co go stanowi) – problem masy ( gdzie jest zlokalizowana i co stanowi masę atomu )

– jest zbyt mały, by wytłumaczyć masę atomu

Model Thomsona
– równomiernie naładowana sfera ładunkiem dodatnim z elektronami

Weryfikacja modelu
Rutherford (1911) – poprzez swoje doświadczenie (rozpraszanie cząstek &alpha) wykluczył model Thomsona.

Cząstki α
Becquerel odkrył, że rudy uranu wysyłają "tajemnicze" promieniowanie.
– Składową naładowaną elektrycznie można zidentyfikować badając nań wpływ pola lub

g – emitowane zawsze gdy jądra atomowe są w stanie wzbudzonym
To samo można zrobić w polu magnetycznym ,.
Różnica jest taka, że odchylenie następuje w płaszczyźnie prostopadłej do kartki.
Rutherford badał prawdopodobieństwo rozproszenia cząstek &alpha .

Ra – rad K – kolimator D – detektor (ZnS)

– cząstki rozproszone do tyłu

– niemożliwe, żeby cząstka została rozproszona do tyłu, gdyby model Thomsona był rzeczywisty, z tego wynika, że model atomu Rutherforda jest lepszym
– koncepcja jądra atomowego – ulokowane w centralnej części atomu
– masa atomu związana z ładunkiem dodatnim

Rutherford wyprowadził następującą formułę:

Liczba cząstek &alpha rozproszonych pod kątem w kąt bryłowy .
t – grubość tarczy
M &ndash Masa cząstki &alpha
=>
v – jej prędkość

Doświadczenie wykonywał stosując różne źródła cząstek α (dzięki czemu dysponował cząstkami &alpha o różnej energii kinetycznej) oraz tarcze o różnej grubości.
Eksperymentalnie stwierdził, że:

Na podstawie otrzymanych wyników wyliczył ładunek jądra i stwierdził, że jest on równy liczbie porządkowej w tablicy Mendelejewa.

Nierozwiązany problem: rozmiar jądra atomowego.
Rutherford oszacował rozmiar jądra atomowego:

,

D – odległość najbliższego zbliżenia (zderzenie centralne)
R jest równe D gdy cząstka jest rozproszona do tyłu ()
Dla
– jądro atomu jest 10 tys. razy mniejsze od całego atomu.

Ra – promień atomu, R – promień jądra – atom jest pusty (praktycznie cała materia skupiona jest w jądrze) analogia: pestka wiśni na środku stadionu piłkarskiego

Problemem nie rozwiązanym przez Rutherforda była lokalizacja elektronów. Nie mogą być one ulokowane w jądrze ani na jego powierzchni, bo atom byłby bardzo mały.
Przypuszczał, że elektrony mogą być rozmieszczone na orbitach.
Gdyby elektrony sie nie poruszały, to siła kulombowska przyciągnęłaby je do jądra, natomiast gdy się poruszają, ładunek doznaje przyspieszenia, a więc traci energię,czyli prędzej czy później spadałyby emitując promieniowanie o ciągłym widmie.
Mimo, iż Rutherford przypuszczał, że elektrony są na orbitach, nie rozwiązał problemu stabilności atomu.