Dalgaboyu, Frekans, Hız ve Genlik

BÖLÜM 3
ELEKTRONLAR ve
ATOMLAR
12.03.2007
1
Kapsam
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
2
1.0 Radyasyon Enerjisinin Doğası ve Karakteristiği
2.0 Fotoelektrik Etki
3.0 ER: Dalga Özelliği
4.0 Dalgaboyu, Frekans, Hız ve Genlik
5.0 Elektromanyetik Spektrum
6.0 Planck Kuantum Teori
7.0 Atomik Spektra
12.03.2007
1
1.0 Radyasyon Enerjisinin Doğası ve Karakteristiği
ƒ Isaac NEWTON (1642 – 1727) İngiliz
ƒ Işık tanecikli yapıdadır.
ƒ Christian HUYGENS (1629 – 1695) Hollandalı
ƒ Işık bir nevi dalga hareketidir.
ƒ James Clerk MAXWELL (1831 – 1879) İskoç
ƒ Bütün ışık türlerinin uzayda elektromanyetik dalgalar
halinde yayıldığını kanıtladı.
ƒ Max Ludwig PLANCK (1858 – 1947) Alman
ƒ Sıcak bir cismin yaydığı ışık ve ısıyı incelemiştir.
3
12.03.2007
2.0 Fotoelektrik Etki
ƒ 1905’de Einstein çözmüştür.
ƒ Bu yüzden 1921 de Fizik dalında Nobel Ödülü
almıştır.
ƒ Metal yüzeylere ışık çarptığında elektronlar
uyarılır.
ƒ Uyarılan elektron sayısı ışık şiddeti (A) ile doğru
orantılı olarak değişir.
ƒ Işık tanecikli yapıdadır.
ƒ Bir foton malzeme yüzeyine çarptığında
malzemenin dış elektronları enerji soğurur eğer
elektronların bağ enerjisi fotonun enerjisinden daha
az ise yüzeyden elektronlar salınmaya başlar.
ƒ Eşik Frekansı, νo, çizilen grafikten
ekstrapolasyonla bulunur.
4
12.03.2007
2
Fotoelektrik Etki
Foton bir ışık “taneciği”dir.
hν = KE + BE
KE = hν - BE
5
12.03.2007
Fotoelektrik Etkinin Pratik Kullanım Alanları
ƒ Elektronik sistemli kapılarda
ƒ Şehir ışıklarının otomatik olarak yanıp
sönmesinde
ƒ Kameraların pozlandırma ayarlarında
6
12.03.2007
3
3.0 ER: Dalga Özelliği
ƒ Elektromanyetik dalgalar birbirine ve dalganın hareket yönüne dik olarak
salınan elektrik ve manyetik alanlardan oluşur.
Düşük ν
Yüksek ν
7
12.03.2007
ER: Dalga Özelliği
ƒ Elektrik ve Manyetik Alanlar
uzayda ya da herhangi bir madde
içerisinde dalgalar halinde
yayılır.
ƒ Elektromanyetik Dalgalar enerji
taşır.
ƒ Dalgalar daima bir kaynaktan
dışarıya doğru yayılır.
ƒ Bir doğru boyunca hareket
ederler.
8
12.03.2007
4
4.0 Dalgaboyu, Frekans, Hız ve Genlik
ƒ Dalgaboyu (λ):
ƒ Dalgadaki iki tepe veya iki çukur arasında kalan bölüme
verilen addır.
ƒ Tepe: Orta çizgiden itibaren en üst nokta
ƒ Çukur: Orta çizgiden itibaren en alt nokta
ƒ Dalgaboyu ve frekans ters orantılıdır.
ƒ Birimi: metre - m.
Yüksek Frekans, kısa Dalgaboyu
υ
λ
Düşük Frekans, uzun Dalgaboyu
υ
λ
9
12.03.2007
Asker bölükleri yürüyüşte
İki bölük aynı hızda
hareket ediyor.Hangi
bölüğün frekansı daha
büyüktür?Hangi
bölüğün dalgaboyu
daha büyüktür?
10
12.03.2007
5
Dalgaboyu, Frekans, Hız ve Genlik
Dalgaboyu
(iki tepe arası)
Dalgaboyu
(iki çukur arası)
11
12.03.2007
Dalgaboyu, Frekans, Hız ve Genlik
ƒ Frekans (‫)ע‬:
ƒ Birim zamanda belirli bir noktadan geçen tepe veya çukur sayısı
ƒ Birimi saniye-1 (s-1) veya (ν) Hertz – Hz.
12
12.03.2007
6
Dalgaboyu, Frekans, Hız ve Genlik
ƒ Hız (v): dalgaboyu ile frekansın çarpımı hızı verir.
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
v=λxν
c=λxν
λ=c/ν
ν=c/λ
c (vakumdaki hız) = 2.997925 x 108 m s-1.
= 3.00 x 108 m.s-1
ƒ E (Foton enerjisi) = h x ν
ƒ h (Planck Sabiti) = 6.63 x 10-34 J.s
13
12.03.2007
Problem1. Dalgaboyu ve Frekans
ƒ Bir diş hekimi x-ışınlarını kullanarak diş filmi çekerken (λ =
1.00Ao) hastası gökyüzünü (λ = 473nm) izleyerek radyo (λ =
325cm) dinlemektedir. Her bir kaynağın frekansını ışık hızını
3.00x108m/s alarak hesaplayınız?
PLAN:
c = λν
Dalgaboyu verilen birimler
1Ao = 10-10m
1cm = 10-2m
1nm = 10-9m
Dalgaboyu, m
ν = c/λ
Frekans (s-1 or Hz)
14
ÇÖZÜM:
1.00A
10-10m = 1.00x10-10m
1A
3x108m/s
= 3x1018s-1
ν=
1.00x10-10m
10-9m
= 473x10-9m
1nm
3x108m/s = 6.34x1014s-1
ν=
473x10-9m
-2m
10
325cm
= 325x10-2m
1cm
3x108m/s
= 9.23x107s-1
ν=
325x10-2m
12.03.2007
473nm
7
Problemler
ƒ 2. Sodyum buhar lambası sarı ışığının dalgaboyu 589 nm dir.
Frekansı nedir?
ƒ 3. Kırmızı LED’lerden (light-emitting diodes) oluşan ışığın
dalgaboyu 690 nm dir. Frekansı nedir?
ƒ 4. Açık Radyo FM İstasyonunun frekansı 94.9
megahertz(MHz) dir. Dalgaboyu nedir?
ƒ 5. UV ışığın dalgaboyu aralığı 230–290 nm dir. Enerjisi nedir?
ƒ NOT: ışık hızını 3.00x108m/s olarak hesaplamalarınızı yapınız.
15
12.03.2007
Dalgaboyu, Frekans, Hız ve Genlik
ƒ Genlik (A):
ƒ Bir dalganın yüksekliği genliği verir. Dalganın enerjisi ve ışığın
parlaklığı A2 ile doğru orantılıdır.
16
12.03.2007
8
5.0 ELEKROMANYETİK SPEKTRUM
17
12.03.2007
ELEKROMANYETİK SPEKTRUM
18
12.03.2007
9
MİKRODALGA FIRIN
19
12.03.2007
5.1 ROYGBIV
Red
700 nm
Orange
Yellow
450 nm
Green
Blue
Indigo
Violet
20
12.03.2007
10
Wilhelm Conrad
Röntgen
Wilhelm Conrad Röntgen X-ışınlarını 1895’te keşfetti. 1901’de Nobel
Fizik Ödülü ile onurlandırıldı. 1995’te Alman Federal Posta Servisi W.
C. Röntgen’e ithaf edilen pul çıkardı.
21
12.03.2007
6.0 Planck Kuantum Teori
ƒ Karacisimler her frekansta enerji yayar.
ƒ Atomlar enerjiyi “paketler” ya da “kuant” lar halinde yayar veya soğurur.
ƒ Bunlara aynı zamanda foton adı da verilir.
• Bir kuantumun enerjisi:
E = hν
h = 6.626 × 10-34 J.s ⇒ Planck st.
• Salınan ya da soğurulan enerji
hν nun tam katları halinde
yayılır. (hν , 2hν , 3hν )
• Bu buluşu ile Planck 1918 Nobel
Fizik ödülü ile onurlandırıldı.
22
12.03.2007
11
Problem 6.
ƒ
Oksijenin foto ayrışmasına neden olan en uzun dalga boyu 242.4 nm dir.
ƒ (a) bir fotonun enerjisini
ƒ (b) bir mol fotonun enerjisini hesaplayınız.
ƒ
Çözüm
ƒ a)
ƒ b)
ƒ
Not: Bu büyüklükteki bir enerji 10 L suyun sıcaklığını 11.8 °C arttırır.
23
12.03.2007
Problem 7.
ƒ Bir aşçı mikrodalga fırında yemek yapmaktadır. Oluşan
radyasyonun dalgaboyu 1.20cm olduğuna göre bir fotona karşılık
gelen enerji miktarını hesaplayınız.
ƒ Çözüm:
E=hν
E=
E=
24
(6.626 × 10
−34
c= νλ
hc
λ
) (
)
J .s × 3 × 10 8 m / s
= 1.66 × 10 − 23 J
m
1.20cm ×
100cm
12.03.2007
12
Problemler
ƒ 8. Ozon tabakasının koruyucu etkisi 230-290 nm aralığında UV
radyasyonu soğurmasına bağlı olarak oluşur. Bu dalga boyu
aralığında soğurulan enerji kJ/mol cinsinden ne kadardır?
ƒ 9. Klorofil ışığı 3.056x10–19 J/foton ve 4.414x10–19 J/foton
enerjilerinde soğurur. Hangi renk ve frekans aralığına karşılık
gelir?
25
12.03.2007
BEYAZ IŞIK SPEKTRUMU
Prizmadan geçen beyaz ışığın spektrumu kırmızıdan mora kadar sürekli bir
spektrumdur.
26
12.03.2007
13
Işığın Kırılması
27
12.03.2007
7.0 Atomik Spektra
ƒ
ƒ
Robert BUNSEN (1811 – 1899), Alman Fizikçi, ilk spektroskopu bulmuştur.Kirchhoff
ile birlikte tuz karışımının yakılmasıyla renklenen alevi spektroskoptan geçirmeyi
önermiştir. Spektroskop; bir spektrum gözlemek anlamına gelir.
Gustav KIRCHHOFF(1824-1887), Alman Fizikçi, Bunsen ile birlikte
ƒ 1860 yılında sezyum adlı elementi bulmuştur. (L. cassesius, gök mavisi)
spektrumda mavi ışıma yapmasından dolayı bu isim verilmiştir.
ƒ 1861 yılında rubidyum elementini bulmuştur. (L. rubidius, en koyu kırmızı)
spektrumda koyu kırmızı ışıma yapmasından dolayı bu isim verilmiştir.
ƒ
ƒ
Helium (Gr. Helios, güneş) güneşin spektrum analizi sayesinde bulunmuştur.
Yeryüzünde bilinmeyen bir element güneşte bulunmuş ve güneş elementi anlamına
gelen Helyum ismi verilmiştir. Yeryüzünde Helyum 27 sene sonra bulunmuştur.
1885 yılında, Johann Balmer (İsviçreli öğretmen) deneme yanılma yöntemi ile
spektral çizgilerin dalgaboyu için:
ƒ ν = 3.2881 x 1015 s-1 (1/22 -1/n2)
ƒ n > 2 olmak koşulu ile tam sayıları, ν ise frekansı belirtmektedir.
n = 3 ise kırmızı
n = 4 ise yeşilimsi mavi renk gözlenir.
28
12.03.2007
14
Alev Testi
Stronsiyum 38Sr
Bakır 29Cu
29
12.03.2007
Alev Testi
30
Lityum
Sodyum
Potasyum
Kırmızı
Sarı
Leylak
Havai Fişek
12.03.2007
15
Hidrojenin Çizgi Spektrumu
Her elementin kendine özgü
diğer elementlerden farklı bir
çizgi spektrum kümesi vardır.
Bu renkli çizgiler
yalnızca belirli
dalgaboylarındaki
ışımalardır.
31
12.03.2007
Çizgi Spektrumun Oluşumu
Elektron
Yörüngeleri
Elektronlar çekirdeğin
etrafında sabit
uzaklıklarda bulunan
yörüngelerde döner.
(Revolution)
Yörünge içindeki her elektronun
ayrı(belirli) bir enerjisi vardır.
Çekirdek
32
12.03.2007
16
Çizgi Spektrumun Oluşumu
Elektron
Yörüngeleri
Elektron yüksek enerji
düzeyinden düşük enerji
düzeyine düştüğünde bir
paket enerji (kuantum) ışık
olarak yayılır.
Yayılan ışığın rengi çizgi
spektrumdaki çizgilerden
birine karşılık gelir.
Çekirdek
33
12.03.2007
Çizgi Spektrumun Oluşumu
Elektron
Yörüngeleri
Spektrumda her çizgi farklı
bir elektron atlayışına
karşılık gelir.
Çekirdek
34
12.03.2007
17
Çizgi Spektrumun Oluşumu
Elektron
Yörüngeleri
Yayılan ışık sürekli
değildir, kuanta (tekil:
kuantum) adı verilen
belirli paketler halinde
yayılır.
Çekirdek
35
12.03.2007
Çizgi Spektrumun Oluşumu
Elektron
Yörüngeleri
E1
E2
Bir
elektron
bulunduğu
yörüngeye bağlı olarak olası
enerjilerden birine sahiptir.
E3
Çekirdek
36
12.03.2007
18
Hidrojen Atomunun Çizgi Spektrumu
37
12.03.2007
Hidrojen Atomunun Çizgi Spektrumu
38
12.03.2007
19
Hidrojen Atomunun Çizgi Spektrumu
39
12.03.2007
Çeşitli Elementlerin Çizgi Spektrumu
40
12.03.2007
20
Atomik Spektra
41
12.03.2007
Yayılma spektrumu ile soğurma
spektrumu arasındaki fark
42
12.03.2007
21
Spektrometrenin Ana Bileşenleri
Mercekler ve yarıklar;
ışığı daraltıp bir çizgi
halinde toplar.
Kaynak; belirli bir
dalgaboyunda ışık yayar.
Örnek (küvet içinde);
farklı dalgaboylarında gelen
ışığı soğurur.
Monokromatör
(dalgaboyu seçici);
belirlenmiş
dalgaboylarındaki ışığın
geçmesine izin verir.
43
Bilgisayar; sinyalleri
görsel verilere çevirir.
Dedektör; örnekten
yayılan ışığı elektrik
sinyallerine dönüştürür.
12.03.2007
Güneş
44
12.03.2007
22