Začiatky kvantovej mechaniky

Do korovírusovej doby pokračujem v svojich neaktuálnych blogoch o hmote. Dostal som sa trochu na začiatok zaujímavého fenómenu, časticiam v priestore pre ktoré neplatí klasická mechanika. Pre tento blog je potrebná aj dosť veľká predstavivosť.

Predstavme si atóm vodíka. Ten má jadre 1 protón ktorý má kladný náboj a vo vzdialenosti re obieha okolo rýchlosťou ve elektrón. Priťahujú sa elektrostatickou silou Fqe.  Aby elektron nepadol do jadra musí mať dostatočnú odstredivú silu Foe.

vynásobením dostaneme vzorec

Elektróny sa pohybujú v atómoch podľa Rhuterforda po eliptických dráhach podobne ako planéty. Ale Bohr vypočítal vlastnosti elektrónov ako keby sa otáčali v rovnomerných vrstvách. Energie elektrónov vo vrstvách musia byť kvantované, pretože každá vrstva má iný polomer a elektrón medzi nimi nemôže obiehať. Pri preskoku elektrónu z jednej vrstvy na druhú, jeho energia bude rovnajúcu sa rozdielom energie v orbitáloch elektrónu Ef Eo1Eo2. Znamená to, že moment hybnosti elektrónu vodíka Lpe musí byť rovný Planckovej konštante h.   Pre elektrón vo vodíku vychádza vzorec

2πr obvod kruhu čo je rovný dĺžke vlny λ.

re je polomer atómu, ve je rýchlosť elektrónu me je hmotnosť elektrónu  qe je elektrický náboj elektrónu a protónu a h je Planckova konštanta. Poznáme hodnotu me a ostané sú konštanty. Z týchto rovníc si môžeme vypočítať polomer atómu vodíka a rýchlosť elektrónu v orbitále. pre výpočet polomeru sa počíta z rovnosti síl, podľa vzorcov

vynásobením dostaneme rovnicu

úpravou rovnice na ľavej strane dostaneme vzorec

vydelením me a πdostaneme vzorec s ktorého si môžeme odvodiť polomer atómu vodíka re

rovnice pre silu upravíme na tvar

podľa vyjadrenia základného momentu hybnosti elektrónu dostaneme v vzorec

vydelením h dostaneme vzorec pre rýchlosť elektrónu v orbitále vodíka

Elektróny sa pohybujú v orbitaloch ktoré môžu mať 7 energetických hladín n a atómy majú Z protónov. Vzorec pre polomer elektrónu v danej hladine rne kde atóm má Z protónov  je

podobne pre rýchlosť rne platí vzorec

Z týchto vzorcov si môžeme odvodiť vzorce pre energie, kde poznáme konštanty a hmotnosť elektrónu. Pre kinetickú energiu elektrónu je vzorec Eke

Pre elektrostatickú energiu elektrónu Eqe má vzorec záporné znamienko, pretože pôsobí proti kinetickej energii, vzorec je

Celková energia elektrónu vo vodíkovomo atóme má vzorec

Po dosadení dostaneme výsledný vzorec

Môžeme si to predstaviť ako vlniaci mrak okolo jadra, pretože elektrón je zároveň častica ale aj vlnenie. Elektrón musíme uvažovať ako statickú vlnu okolo jadra. Elektróny obiehajú v orbitáloch. V každom orbitále môžu byť iba dva elektróny. orbitálov sú 4 druhy s p d f, ktoré sa líšia tvarom resp. koľko orbitálov môže byť v jednej vrstve. s orbitál môže byť iba jeden vo vrstve, p má 3 orbitály d 5 orbitálov f 7 orbitálov.  Číslo pred orbitálom udáva v ktorej vrstve sa nachádza.  v 7 vrstvách 1K 2L 3M 4N  5O 6P 7Q.  počet orbitálov vo vrstvach 1K 1s, 2L 2s 2p, 3M 3s 3p 3d, 4N 4s 4p 4d 4f, 5O 5s 5p 5d 5f, 6P 6s 6p 6d7Q 7s 7p, ostatné orbitály nie sú obsadené. Dole na grafe vidno medzi ktorými orbitálmi môže preskočiť elektrón. Poradie je 1s; 2s; 2p->3s; 3d->4p->5s; 4f->5d->6p->7s; 5f->6d->7p. Elektrón preskakuje z nižšej vrstvy na vyššiu, do orbitálu ktorý má o 4 elektrony menej. Na grafe je zakreslené  šípkami. Vedľa sú znázornené stojacie vlny orbitálov.

Dokopy môžu byť až 118 elektrónov tzn. že najťažší prvok má protónové číslo 118. Tento prvok bol už umelo vytvorený, nazvali ho Osmium.

Z rovnice momentu hybnosti si môžeme určiť hybnosť elektrónu pe a vlnovú dĺžku λe elektrónu podľa rovnice

Energiu môžeme prepočítať aj na energiu fotónu

z toho môžeme určiť aj zdanlivú hybnosť fotónu pf

Tieto vzorce môžeme použiť aj na iné častice. Častice môžeme urýchliť aj na rýchlosť blízku rýchlosti svetla, potom ale musíme zarátať aj relativistickú hmotnosť častice do vzorca, m=γm0. Úplný vzorec pre de Broglieho vlny je

λ je vlnová dĺžka častice m hmotnosť častice a v je rýchlosť častice. Znamená to, že častica je zároveň aj vlna, má svoju vlnovú dĺžku λ.  Tieto vzorce boli mnoho krát dokázané. Prvý krát na princípe rozptýlenia, (difrakcii pomalých elektrónu pri dopade na kryštály niklu. Meranie vzdialenosti difrakčných čiar na tienidle potvrdilo správnosť výpočtov. Tým bolo potvrdené, že aj elektróny sa šíria aj ako vlny resp. že elektrón je vlna a zároveň častica. Bol to správny predpoklad, že všetky častice včítane molekúl sa môžu šíriť duálne. Dnes na tom princípe pracujú napr. elektrónové mikroskopy.

Využitie jadrových síl III

13.11.2023

Pokračujem v predchádzajúcich blogoch. Dúfam, že mi prepáčite, že nepíšem o politike. Pred vojnou v Nemecku bolo objavené štiepenie uránu. Po objavení kritického množstva, začali Nemeckí vedci zlúčení okolo Heisenberga uvažovať ako by sa dala využiť energia, ktorá sa uvoľní pri lavínovej reťazovej reakcii vo vojenskej oblasti. Uvedomovali si, že môžu vyrobiť [...]

Využitie jadrových síl II

08.11.2023

Pokračujem v predchádzajúcom blogu o jadrových o využití jadrových síl. Keď dopadne na atóm uránu 235U neutrón s malou energiou, tak ho pohlti a vznikne izotop 236U. Jadro atómu 236U sa rozpadne na 2 jadrá ktoré majú menšiu atómovú hmotnosť a od seba odletia. Pri tom sa uvoľnia aj 2 alebo 3 neutróny s vyššou energiou. Predstavme si, že máme oproti sebe 2 rovnaké [...]

Využitie jadrových síl

01.11.2023

Do tejto prepolitizovanej doby chcem napísať blog ktorý je mimo diania okolo nás. Napíšem niečo z histórie fyziky. Jadrá atómov drží pokope tzv. silná jadrová sila. Je taká silná, že dokáže udržať pokope aj protóny medzi ktorými pôsobia veľmi silné elektrostatické odpudivé sily. Jadrová sila pôsobí len na veľmi malé vzdialenosti. Jadrá atómov sú preto veľmi [...]

inverzia, Devínska Kobyla, mReportér

Bratislava sa ponorila do totálnej hmly. Pozrite sa na ňu z modernej rozhľadne

14.11.2024 05:00

Zábery zachytil mReportér Martin Špaček.

kapitol, kongres, USA

Republikáni si podľa prognóz udržia väčšinu v Snemovni reprezentantov

13.11.2024 23:13

Víťazstvo republikánov v kongresových voľbách do snemovne sa predpokladalo už skôr.

taraba salvini

Taraba rokoval so Salvinim o migrácii aj Európskej zelenej dohode

13.11.2024 22:19

Salviniho zároveň pozval na Slovensko.

Donald Trump, Marco Rubio

Americkým ministrom zahraničia bude Marco Rubio, do čela spravodlivosti si Trump vybral Matta Gaetza

13.11.2024 21:11, aktualizované: 23:00

53-ročný Rubio bude podľa Trumpa "neohrozeným bojovníkom, ktorý nikdy neustúpi našim nepriateľom".

Štatistiky blogu

Počet článkov: 48
Celková čítanosť: 187606x
Priemerná čítanosť článkov: 3908x

Autor blogu

Kategórie