1.Teoria magnetyczna Ampere'a- Podstawą teorii Ampere'a jest założenie, że własności magnetyczne ciał są uwarunkowane obecnością elementarnych zamkniętych obwodów elektrycznych wewnątrz tych ciał. Według obecnych poglądów tymi elementami obwodami są orbity elektronów krążących wokół jąder atomowych i obracających się wokół własnej osi(kręty orbitalne i kręty własne). Wewnątrz magnesu prądy w sąsiadujących z sobą częściach obwodów elementarnych mają kierunki przeciwne, więc znoszą się. Nie znoszą się jednak prądy płynące w częściach zewnętrznych elementarnych obwodów połażonych na obwodzie przekroju, dając jakby wypadkowy prąd opływający zewnętrzny obwód przekroju.Prądy powierzchowne wywołują takie same efekty magnetyczne jak obwody z prądem nawinięte na sztabkę. Strumienie magnetyczne wytwarzane przez te prądy dodają się geometrycznie, tworząc wypadkowy strumień indukcji magnetycznej.
2.Moment magnetyczny zamkniętego obwodu płaskiego-Rozpatrzmy ramkę w postaci prostokąta o bokach a=AD=BC oraz b=AB=DC, znajdującą się w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji magnetycznej B. Normalna do powierzchni ramki tworzy z kierunkiem indukcji magnetycznej kąt λ. Gdy natężenie w ramce wynosi І wtedy na boki AB i CD ramki działają siły Lorentza, które są zawsze prostopadłe do indukcji magnetycznej B. Przy ustawieniu ramki jak na rysunku siły te są skierowane na zewnątrz ramki. Wartość siły działającej na boki ABiCD wynosi:F=ІbB siły te tworzą parę sił której moment jest równy:M= axFw czyli M=ІabBsinλ. Maksymalny moment pary sił M=ΙabB=ΙSB uzyskany gdy powierzchnia ramki S=ab będzie równoległa do B. Iloczyn natężenia prądu przez powierzchnię ramki pm=ΙS nazywany momentem magnetycznym ramki definicja ta jest słuszna dla obwodu płaskiego o dowolnym kształcie. W przypadku solenoidu momenty sił z poszczególnych zwojów sumują się i dają wypadkowy moment sił: M=NΙSBsinλ.
3.Indukcja elektromagnetyczna- Zmiana strumienia indukcji magnetycznej przechodzącego przez powierzchnię objętą przewodnikiem powoduje powstanie w tym przewodniku indukowanej siły elektromotorycznej która jest źródłem prądu elektrycznego. Prąd ten nazywamy prądem indukcyjnym.Dla ilościowego opisu tego zjawiska rozpatrzymy przewodnik w kształcie ramki umieszczony w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji B, skierowanym prostopadle do płaszczyzny ramki. Bok AD ramki jest ruchomy. Podczas jego przesuwania z prędkością V na swobodne elektrony w przewodniku AD działa siła:
F=e(VxB)-wektor nad FViB, która wywołuje ruch elektronów od D do A(e-ładunek elektronu).Przemieszczając elektron na odcinku długości L siła ta wykonuje pracę: W=eVBL skutkiem czego energia elektronu który przebędzie drogę L wzrasta o eVBL. W ramce zatem płynie prąd. Energia jaką nabywają elektrony na odcinku L obliczana na jednostkę ładunku ma wymiar napięcia i nazywa się silą elektromotoryczną indukcji:E=LVB. Siła elektromotoryczna powstaje niezależnie od tego czy obwód z przewodami poruszający się w polu magnetycznym jest zamknięty czy nie. W obwodzie zamkniętym o oporze R płynie prąd o natężeniu: Ι=E/R. W obwodzie otwartym powstaje napięcie U=E . W opisanym doświadczeniu przewodnik porusza się z prędkością V=ds./dt .Ruch ten powoduje zwiększenie powierzchni ramki S, a tym samym zwiększenie strumienia ф indukcji magnetycznej przechodzącej przez powierzchnię ramki. Ponieważ strumień indukcji jest równy: ф=BS to dф/dt=BLds/dt Według wzoru iloczyn BLds/dt=BLV jest równy E, zatem: E=dф/dt. Siła elektromotoryczna indukowana w obwodzie zamkniętym jest równa szybkości zmian strumienia indukcji magnetycznej B objętego tym obwodem. Jest to treść Prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya.Kierunek siły elektromotorycznej E, czyli kierunek prądu indukowanego, określa reguła Lenza- prąd indukowany ma taki kierunek, że przeciwstawia się przyczynie, która ten prąd wywołała. Przyczyną powstawania siły elektromotorycznej E jest:a) ruch przewodnika w polu magnetycznym b) zmiana strumienia magnetycznego w spoczywającym obwodzie zamkniętym. W pierwszym przypadku kierunek prądu indukowanego jest taki, że siła elektrodynamiczna, działająca w polu magnetycznym na poruszający się przewodnik z prądem, hamuje ruch przewodnika. W drugim przypadku indukowany prąd ma taki kierunek, że jego własne pole magnetyczne jest skierowane przeciwnie do pola pierwotnego B gdy ono narasta, a jest skierowane zgodnie z polem pierwotnym, gdy ono maleje. Prawo Faradaya i reguła Lenza wynikają z zasady zachowania energii. Uwzględniając regułę Lenza, wzór na indukowaną siłe elektromotoryczną zapisujemy w postaci: E= - dф/dt . Jeżeli zmiany strumienia indukcji magnetycznej zachodzą w cewce zawierającej N zwojów , wówczas samoczynna siła elektromotoryczna wynosi: E= - N dф/dt.
4.Prądy wirowe- prądy powstające wskutek indukcji elektromagnetycznej w masywnych przewodnikach poruszających się w polu magnetycznym nazywamy prądami wirowymi. Jeżeli np. tarcza metalowa wiruje tak, że jej część przecina linie pola magnetycznego B, wówczas wewnątrz tarczy powstają prądy wirowe. Prądy wirowe mają zgodnie z regułą Lenza taki kierunek, że hamują ruch tarczy. Hamowanie wskutek prądów wirowych można zademonstrować na wahadle Waltenhofena. W technice pomiarowej wykorzystuje się działanie hamujące prądów wirowych do tłumienia niepożądanych drgań wskazówek przyrządów pomiarowych.
5.Współczynnik indukcji wzajemnej-Rozpatrzmy 2 cewki:1 i 2. W cewce 1 Płynie prąd elektryczny, który daje strumień indukcji magnetycznej ф1. Część tego strumienia ф1', proporcjonalna do natężenia prądu І1 w pierwszej cewce ф1'=L12 І1 przechodzi przez cewkę 2. Współczynnik L12 zależy od wzajemnego położenia cewek i przenikalności magnetycznej μ. Współczynnik L12 nazywamy współczynnikiem indukcji wzajemnej cewki2 względem cewki1.Według wzoru siła elektromotoryczna E2 indukowana w cewce 2 przy zmianie natężenia prądu w cewce 1 jest równa: E2= - d ф1'/dt= - L12 dІ1/dt. Siła elektromotoryczna E2 jest więc proporcjonalna do szybkości zmian prądu І1. Analogicznie związki otrzymamy dla przypadku, gdy w cewce 2 płynie prąd zmienny. Jego zmiana powoduje indukowanie się siły elektromotorycznej w cewce1.2 uwagi na symetrię: L12=L21=L, stąd E2= - L d І1/dt E1= - LdІ2/dt Jednostką współczynnika indukcji jest henr [H]. Współczynnik indukcji wzajemnej wynosi 1[H], jeżeli przy zmianie natężenia prądu w jednym obwodzie (w cewce1) o 1A/S w drugim obwodzie(cewce 2) indukuje się siła elektromotoryczna 1V. Współczynnik indukcji wzajemnej silnie wzrasta, gdy obie cewki nawiniemy na wspólnym rdzeniu o przenikalności magnetycznej μ. Strumień wytworzony przez cewkę 1 jest równy: ф1= μ0 μ? N1 І1/L*S i przechodzi przez cewkę 2 indukując E2= - N2*d ф1/dt= - μ0 μr*N1N2/L*S*d І1dt stąd: L= μ0 μr *N1N2/L*S, N1-liczba zwojów cewki1, І1-natężenie prądu w cewce 1 , L- dł. Cewki 1i2 , S-przekrój cewki 1i2.
6.Współczynnik indukcji głównej- Zmiana prądu w cewce powoduje nie tylko powstawanie siły elektromotorycznej w innych cewkach znajdujących się w pobliżu, lecz również powstawanie siły elektromotorycznej w jej własnych uzwojeniach. To oddziaływanie prądu na własny obwód nazywamy indukcją własną Samoindukcją. Siła elektromotoryczna samoindukcji jest równa: E= - L* dІ/dt gdzie L-współcz. Samoindukcji, współczynnik samoindukcji jest równy: L= μ0 μr*N2/L*S
7.Energia magnetyczna cewki Zmiana natężenia prądu w cewce powoduje powstawanie w niej siły elektromotorycznej o wartości bezwzględnej E=L* dІ/dt, a więc źródło prądu musi dostarczyć dodatkowej mocy: P=EІ=L*dІ/dt*І, Energia dostarczona przez źródło prądu w czasie dt wynosi:dW=Pdt=L *dt*І,, zaś cała energia dostarczona w czasie narastania prądu od wartości zerowej do wartości maksymalnej І wynosi:W=L*І0∫ І Іd Іczyli: W=1/2L* І2. Energia ta idzie na wytworzenie pola magnetycznego cewki. Po rozwarciu obwodu pole magnetyczne zanika i energia nagromadzona w polu powraca z powrotem do obwodu, powodując indukowanie się siły elektromotorycznej. Energia ta może np. spowodować powstanie łuku w wyłączniku w czasie przerywania obwodu zawierającego cewkę.
8.Zasada działania prądnicy-Zasadę działania prądnicy(generatora elektrycznego). Ramka prostokątna obraca się wokół osi00, prostopadłej do wektora indukcji magnetycznej B. Końce ramki są położone sztywno z pierścieniami stykowymi ustawionymi koncentrycznie z osią 00, obracającymi się razem z ramką. Po pierścieniach tych ślizgają się szczotki, które łączą ramkę z obwodem zewnętrznym. Wartość strumienia indukcji magnetycznej przechodzącego przez ramkę wynosi:ф=BScosλ gdzie λ jest kątem między normalną n do powierzchni ramki S a kierunkiem Bw. Przy obrocie ramki o kąt dλ w czasie dt indukuje się w niej siła elektromotoryczna:E= - dф/dt=BSsinλ*dλ/dt=BSwsinλ, gdzie dλ/dt=w. Siła elektromotoryczna przyjmuje wartość maksymalną E gdy ramka przechodzi przez położenie prostopadłe do kierunku B (λ=90o) E0=BSw, zerową zaś, gdy powierzchnia ramki jest prostopadła do B (λ=0o)stąd: E=E0sinλ*2π/T*t. Siła elektromotoryczna zmienia się sinusoidalnie. Obracająca się w polu magnetycznym ramka jest najprostszym generatorem prądu zmiennego. Przez zastosowanie komutatora można zbudować generator prądu stałego. W obwodzie zewnętrznym otrzymujemy pulsującą jednokierunkową siłę elektromotoryczną.
9.Obwód prądu zmiennego, natężenie i napięcie skuteczne prądu zmiennego.- W obwodzie zewnętrznym do którego jest przyłożone napięcie U=U0sinώt płynie prąd sinusoidalny o natężeniu I=I0sin(ώt+φ) φ-stała fazowa.Natężeniem skutecznym prądu zmiennego Isk nazywamy takie natężenie prądu stałego, który wydziela w tym samym czasię tę samą ilość energii co dany prąd zmienny. Wzory do wykresu: I2=I02sin2Δt, I=I0sinΔt; opis wykresu: Pole zakreskowane przedstawia wartość ciepła wydzielonego przez prąd zmienny w ciągu jednego okresu w przewodzie o oporze 1Ω. Tą samą ilość ciepła wydzieli prąd stały o natężeniu Isk jeżeli powierzchnia prostokąta Isk2*T będzie równa powierzchni zakreskowanej: S= 0∫TI02sin2ώt*dt=I02/2*T(powierzchnia zakreskowana),S=Isk2T(powierzchnia prostokąta), stąd Isk=I0/√2=0,707*I0, w podobny sposób otrzymamy Usk=U0/√2=0,707*U0; między maksymalnymi a skutecznymi wartościami natężenia prądu i napięcia zachodzą związki: I0=Isk√2=1,41*Isk, U0=Usk√2=1,41*Usk
10.Elementy RLC w obwodzie prądu zmiennego. Impedancja-Gdy do obwodu włączymy zmienne napięcie:U=U0sinώt wówczas w obwodzie popłynie prąd zmienny. Prąd ten powoduje powstanie w cewce siły elektromotorycznej samoindukcji:E= - L* dI/dt Równocześnie między okładkami kondensatora wytwarza się napięcie Uc=Q/C napięcie między końcówkami rezystora wynosi: Ur=IR, Prąd I(t) płynący w danej chwili w obwodzie jest wywołany wypadkowym działaniem U,E,Uc,Ur. Zgodnie z Drugim prawem Kirchoffa dla rozpatrywanego obwodu mamy: U0sinώt=L*dI/dt+IR+Q/C po zróżniczkowaniu tego równania i podstawieniu dQ/dt=I mamy: U0ώcosώt= L*d2I/dt+R*dI/dt+I/C Jest to równanie drugiego rzędu Jego rozwiązaniem jest funkcja I(t)= U0/√R2+(ώL-1/ώc)2*za kreską ułamkowąsin (ώt+φ) Oznaczając wartość maksymalną prądu przez I0 można napisać:I(t)= I0sin(ώt+φ). Między natężeniem I(t) prądu zmiennego a jego napięciem U=U0sinώt istnieje różnica faz φ, natomiast częstotliwość zmian napięcia i natężenia prądu jest taka sama. Wyrażenie:Z=pierw.z R2+(ώL- 1/ώc)2 nosi nazwę impedancji. Impedancja Z w obwodzie prądu zmiennego odpowiada oporowi omowemu R w obwodzie prądu stałego. Z rozwiązania równania otrzymujemy również zależność: tgφ= - ώL-1/ώc/Rr jest pod kreską która umożliwia obliczenie różnicy faz φ między napięciem a natężeniem prądu zmiennego: φ=arctg(- X/R) gdzie x= ώL- 1/ώc
11. Opór indukcyjny, pojemnościowy i omowy w obwodzie prądu zmiennego.a) W przypadku obwodu zawierającego opór omowy R i cewkę o samoindukcji L (obwód RL) równanie różniczkowe i jego rozwiązanie mają postać: U0ώcosώt=L* d2I/dt2+R* dI/dt, I=U0/Pierwiastek z: R2+ώdo kwadratu*L2 to wszyst. * sin(ώt+φ), zatem:Z= Pierwiastek z: R2+ώdo kwadratu*L2, φ= arctg(- ώL/R) w przypadku granicznym gdy R=0: Z=ώL , φ= - π/2, oznacza to że napięcie na końcach cewki:UL=U0sinώt wyprzedza w fazie natężenie prądu o π/2: I=I0sin(ώt- π/2) b) Dla obwodu RC równanie różniczkowe ma postać U0ώcosώt= R* dI/dt+I/c a jego rozwiązanie I= U0/Pierwiastek z: R2+1/ώdo kwadratu*c2 to wszyst. * sin(ώt+φ) zatem:Z= Pierwiastek z: R2+1/ώdo kwadratu*c2, φ= arctg*1/ώcR, w przypadku granicznym gdy R=0 przesunięcie fazowe φ=π/2, co oznacza że prąd płynący w obwodzie wyprzedza napięcie na okładkach kondensatora o kąt π/2:Uc=U0sinώt, I=I0sin(ώt+π/2) c)Najprostszą postać przyjmuje równanie gdy w obwodzie prądu zmiennego występuje tylko opór omowy R: U0ώcosώt=R*dI/dt zatem: I=U0/R sinώt w tym przypadku φ=0- różnica faz między napięciem a natężeniem prądu nie występuje.
12. Podstawowe prawa elektrodynamiki. Równania Maxwella w postaci całkowitej. W polu o zmiennej indukcji magnetycznej całkowity strumień indukcji magnetycznej objętej obwodem wyraża się całką: ф=∫BdS. Korzystając ze wzoru UAB=∫ABEds i zastępując napięcie siłą elektromotoryczną E: E=фEds. Prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya można zapisać w postaci: фEds=- d/dt∫BdS, w polu elektrostatycznym dla każdej krzywej zamkniętej mamy фEds=0, co oznacza, że pole elektrostatyczne jest polem bezwirowym. Pole elektryczne powstaje wokół zmieniającego Się pola magnetycznego jest polem wirowym. Linie tego pola są zamknięte a ich kierunek jest prostopadły do kierunku pola magnetycznego. Stwierdzenie powyższe jest uogólnieniem prawa indukcji Faradaya definiowanego uprzednio dla obwodu złożonego z przewodnika umieszczonego w zmiennym polu magnetycznym. Wirowe pole elektryczne indukuje się w przestrzeni niezależnie od obecności przewodnika. Podobne uogólnienie można zdefiniować dla wirowego pola magnetycznego, tworzącego się wokół poruszających się ładunków elektrycznych. Uzupełniając ruch ładunków tzw. ”prądem przesunięcia” Maxwell otrzymał związek:фdHs=∫(бE+E*dE/dt)*ds. gdzie: dE/dt-szybkość zmiany pola magnetycznego, s-powierzchnia, H-wektor natężenia pola magnetycznego, E- wektor natężenia pola elektrycznego. Powyższe wzory noszą nazwę równań Maxwella w postaci całkowej. Każda zmiana pola elektrycznego wywołuje wirowe pole magnetyczne. Każda zmiana indukcji magnetycznej wywołuje wirowe pole elektryczne. Dowolne zaburzenie pola elektrycznego lub magnetycznego wywołuje zaburzenie obu pól, rozchodzące się w postaci fali elektromagnetycznej. Maxwell obliczył że prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej jest równa: c=1/√μE- równa prędkości rozchodzącego się światła które jest ruchem fal elektromagnetycznych μ –przenikalność magnetyczna μ0- przenikalność magnetyczna w próżni.
13. Drgania elektryczne, fale elektromagnetyczne. Obwód drgający drgania zanikające.
Rozpatrzymy obwód składający się z cewki o samoindukcji L i z kondensatora o pojemności C, połączonych szeregowo. Jeśli początkowo kondensator był naładowany do napięcia U to na okładkach kondensatora zgromadził się ładunek Q=UC. Po zamknięciu obwodu kondensator się rozładowuje i przez obwód płynie prąd . Energia naładowanego kondensatora jest równa 1/2CU2. Przy rozładowywaniu ładunek i napięcie kondensatora maleje. Równocześnie płynący przez uzwojenie cewki L prąd powoduje wzrost jej energii magnetycznej- energia elektryczna ½ CU2 zamienia się w energię magnetyczną cewki 1/2LI2 . Po rozładowaniu kondensatora prąd w obwodzie nie przestaje płynąć bo jest podtrzymywany przez siłę elektromotoryczną samoindukcji. Prąd ten ponownie ładuje kondensator przy czym powstaje między okładkami pole elektryczne ma zwrot przeciwny. Po naładowaniu kondensator ponownie się rozładowuje i opisany proces powtarza się cyklicznie. Zjawiska okresowe zachodzące w obwodzie nazywamy drganiami elektrycznymi a obwód obwodem elektrycznym drgającym lub generatorem drgań. Jeżeli oporu omowego cewki nie można pominąć to drgania te są drganiami zanikającymi(tłumionymi) wskutek ciągłej straty energii elektrycznej w postaci ciepła na oporze R.
II prawo Kirchhoffa dla rozpatrywanego obwodu: Q/C + I*R + L * dI/dt = 0
Po zróżniczkowaniu względem czasu i pomnożeniu przez C: I + R*C dI/dt +L*C*d2I/dt2 = 0
Wprowadzając oznaczenia: R/L= 2β 1/LC=Wo2 mamy: d2I/dt2 + 2β * dI/dt + Wo2 I = 0 (20.23)
Rozwiązanie tego równania ma postać: I = Io *e-β *t sin(Wt + γ) (20.24)
i przedstawia drgania elektryczne tłumione o częstotliwości: W=pod pierwiastkiem Wo2 – β2 = pod pierwiastkiem1/LC (1- R2*C / 4L)
i amplitudzie: A= Io *e-β *t malejącej wykładniczo. Amplituda A maleje tym szybciej, im większe jest β= R/2L
W przypadku gdy R jest bardzo małe β ~ 0 , W= Wo = 1/pod pierwiastkiemLC , T=2Πpod pierwiastkiemLC
W obwodzie powstają wówczas drgania elektryczne niezanikające I= Iosin (Wt + γ) lub bardzo wolno zanikające. Czwestotliwość drgań można zmieniać przez dobór wartości L i C w granicach od kilku herców do kilku milionów herców (Hz→MHz).
20.7.4. Drgania wymuszone. Rezonans.
Podobnie jak w przypadku drgań mechanicznych, w obwodach elektrycznych mogą występować drgania wymuszone oraz rezonans. Drgania wymuszone powstają wtedy, gdy układ o częstotliwości własnej Wo zostaje pobudzony do drgań wskutek tego, że znalazł się w pobliżu układu generującego drgania elektryczne o tej samej częstotliwości Wo (rys.) Oba układy można zestroić – w obwodzie II powstają drgania wymuszone, których amplituda jest maksymalna gdy oba obwody są w rezonansie W= Wo . Maksimum krzywej rezonansu jest tym ostrzejsze, im mniejszy jest opór R obwodu (rys.)
20.7.6 Rozchodzenie się fal elektromagnetycznych. Oscylator Hertza
Układ pokazany na rysunku nazywamy liniowym oscylatorem harmonicznym ( oscylatorem Hertza, dipolem Hertza).
Linie pola elektrycznego w pobliżu oscylatora zaczynają się na jednym końcu oscylatora, a kończą się na drugim końcu. Linie pola magnetycznego są okręgami współosiowymi wokół oscylatora jako osi.
W pobliżu oscylatora powstają coraz to nowe linie pola elektrycznego i magnetycznego, a powstałe wcześniej linie oddalają się. Linie pola elektrycznego powstałe wcześniej odrywają się od oscylatora i tworzą linie zamknięte. Pole elektryczne i magnetyczne przemieszcza się zatem w przestrzeni, a wraz z nim energia. Tego rodzaju obwód promieniujący energię na zewnątrz nazywa się obwodem otwartym, w odróżnieniu od obwodu zamkniętego (np.LC), w którym przepływ energii zachodzi tylko w obrębie samego obwodu.
Prześledźmy przebieg linii pola wokół oscylatora liniowego w ciągu jednego okręgu T. Jeżeli dla t= T/8 linie pola zamykają się przez oscylator i zajmują coraz większą przestrzeń wokół oscylatora (rys.) Po upływie czasu t= T/4 linie pola SA nadal powiązane z oscylatorem i są maksymalnie rozwinięte w przestrzeni. Po upływie czasu T/2 oscylator przechodzi przez stan zerowy, a linie pola elektrycznego oderwane od oscylatora oddalają się w postaci zamkniętych linii pola elektrycznego. Przy dalszym narastaniu czasu, wokół oscylatora powstają nowe linie związane z oscylatorem i zorientowane przeciwnie w stosunku do linii poprzednich. Po upływie 3/4T są w pełni rozwinięte. Po upływie T odrywają się od oscylatora i tworzą w przestrzeni linie zamknięte.
Linie pola magnetycznego są prostopadłe do linii pola elektrycznego i obejmują dipol w postaci okręgów współosiowych. Co pół okresu zmieniają zwrot na przeciwny. W przestrzeni rozchodzi się zatem fala elektromagnetyczna.
21. Prąd eklektyczny w elektrolitach i gazach.
21.1. Prawa elektrolizy Faradaya
Roztwory wodne kwasów, zasad lub soli są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego. Są to przewodniki drugiego rodzaju. W obwodzie złożonym ze źródła napięcia, przewodników pierwszego rodzaju (metale) i elektrolitu (rys.) płynie prąd elektryczny. Doświadczalnie stwierdzono, że przepływowi prądu elektrycznego przez elektrolit towarzyszy zawsze wydzielanie się substancji na elektrodach- katodzie i anodzie. Zjawisko przepływu prądu elektrycznego przez elektrolity oraz zachodzące przy tym procesy chemiczne noszą nazwę elektrolizy.
Dysocjacją elektrolityczną nazywamy proces rozpadu obojętnych cząsteczek kwasów, zasad i soli w roztworach na jony dodatnie dodatnie i ujemne
Jony dodatnie nazywamy kationami (np. Na+, Ca2+i inne)
Jony ujemne nazywamy anionami (np. Cl-, SO42- i inne).
Zjawisko elektrolizy zostało zbadane przez M. Faradaya (1833r.)
Wyniki tych badań ujmują dwa prawa:
a) Pierwsze prawo Faradaya- masa m dowolnej substancji wydzielonej na katodzie podczas elektrolizy jest proporcjonalna do całkowitego ładunku elektrycznego Q, jaki przepłynął przez elektrolit m=k*Q lub m= k*I*t (21.1)
Współczynnik proporcjonalności k nazywa się równoważnikiem elektrodynamicznym. Jest on równy masie substancji wydzielonej na katodzie przy przepływie ładunku elektrycznego 1 kulomba.
b) Drugie prawo Faradaya- równoważniki elektrochemiczne pierwiastków są wprost proporcjonalne do ich równoważników chemicznych. Równoważnikiem chemicznym danego pierwiastka nazywamy stosunek jego ciężaru do atomowego A do wartościowości w. Drugie prawo Faradaya zapisujemy w postaci: k= 1/F * A/W (21.2) gdzie: F- stała Faradaya.
Łącząc (21.1) i (21.2) otrzymujemy: m=1/F *A/W * Q (21.3)
Gdy F=Q, wówczas m= A/W. Stała Faradaya oznacza więc taki ładunek elektryczny, jaki należy przepuścić przez elektrolit w celu dzielenia na elektrodzie jednego równoważnika chemicznego danego pierwiastka: F= 96 484 [C].
21.2 Prąd elektryczny w gazach
Do doświadczalnego badania „wyładowania” elektrycznego w gazach rozrzedzonych można użyć rury szklanej, na końcach której są wtopione elektrody (rys.). Wewnątrz rury znajduje się zawsze pewna liczba jonów dodatnich i ujemnych, wywołanych np. promieniowaniem kosmicznym. Przy niskich ciśnieniach, gdy droga swobodna jonów staje się duża, jony dodatnie przyspieszane duża różnicą potencjału (kilka tys.V) uzyskują w pobliżu katody dużą energię i wybijają z niej elektrony. Elektrony, lecąc ku anodzie, uzyskują (wskutek małej masy) tak duże prędkości, że jonizują obojętne atomy gazu. Równocześnie przy zderzeniach jonów przeciwnego znaku zachodzi zjawisko rekombinacji- powstają atomy obojętne, które nadmiar energii wypromieniowują w postaci światła charakterystycznego dla atomów danego gazu.
Strumień lecących do anody elektronów nazywa się promieniami katodowymi.
Strumień lecących do katody jonów dodatnich nazywa się promieniami kanalikowymi.
22. Optyka geometryczna
22.1. Podstawowe prawa optyki geometrycznej.
Optyka geometryczna zajmuje się zagadnieniami związanymi z rozchodzeniem się światła w różnych ośrodkach, przy czym zakłada się, że światło rozchodzi się po liniach prostych. Według korpuskularnej teorii rozchodzenia się światła promień świetlny jest torem lotu fotonów. W teorii ffalowej przez promień świetlny rozumie się kierunek prostopadły do powierzchni falowej.
Optyka geometryczna rozważa na ogół te przypadki, w których przegrody, szczeliny lub otwory, przez które przechodzi światło, są duże w stosunku do długości fal świetlnych. Przy przeszkodach o rozmiarach rzędu 10-6 m zachodzi dyfrakcja- odstępstwo od prostoliniowego biegu światła.
Prawa optyki geometrycznej:
a) prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła (rys.)
b) zasada Fermata- światło biegnąc od punktu A do punktu B wybiera taką drogę, by czas jej przebycia był ekstremalny
c) prawo odwracalności biegu promieni (rys.)
Promieniowanie padające na dane ciało jest częściowo odbijane częściowo absorbowane i częściowo przepuszczane.
22.2. Zjawisko odbicia . Ciała porowate których nierówności powierzchni są duże w porównaniu z długością fal świetlnych odbijają światło przez rozproszenie. Ciała te są dzięki temu widzialne ze wszystkich stron. Gdy promienie świetlne padają na powierzchnię o nierównościach bardzo małych w porównaniu z długością fal świetlnych, wówczas zachodzi regularne(zwierciadlane) odbicie światła. Każdy promień padający zostaje odbity w kierunku wyznaczonym prawem odbicia- kąt padania jest równy kątowi odbicia oraz promień padający, promień odbity i prosta prostopadła do płaszczyzny padania( normalna ) leżą w tej samej płaszczyźnie. Powierzchnia gładka oświetlona wąską wiązką promieni słonecznych jest widoczna tylko pod kątem odbicia.
22.3. Powstawanie obrazu: Jeżeli rozbieżną wiązkę promieni wychodzących z punktu świecącego A zamieniamy w jakiś sposób(np. przy użyciu soczewki skupiającej) na wiązkę zbieżną, wówczas punkt A` w którym przecinają się promienie tej wiązki nazywamy obrazem rzeczywistym punktu A. Punkt A` może być uwidoczniony na ekranie. Jeżeli wiązką rozbieżną wychodzącą z punktu A zawrócimy(np. przez odbicie lub używając soczewki rozpraszającej) na inną wiązkę rozbieżną wówczas punkt A` w którym przetną się przedłużenia (wstecz) promieni tej wiązki nazywamy obrazem pozornym punktu A. Obrazu pozornego nie można uwidocznić na ekranie. Rozważania te odnoszą się również do przestrzennego źródła światła, złożonego z wielkiej ilości punktów świecących. Obraz przedmiotu świecącego może być: rzeczywisty lub pozorny a oprócz tego: powiększony pomniejszony lub równy przedmiotowi, odwrócony lub prosty.
22.4.1 Zjawisko załamania światła: na granicy dwóch ośrodków izotopowych 1 i 2, w których światło rozchodzi się z różnymi prędkościami V1i V2 promień świetlny wchodząc z ośrodka 1 do ośrodka 2 zmienia kierunek swego biegu- część promieni świetlnych ulegnie odbiciu a część utworzy wiązkę załamaną. Promień padający promień załamany i normalna do powierzchni promicznej leżą w jednej płaszczyźnie, przy czym: sinλ/sinβ= V1/V2= const
Związek ten wyraża prawo załamania ośrodka 2 względem ośrodka 1 i oznaczany n21. Jeżeli stosunek prędkości c rozchodzenia się światła w próżni do prędkości światła w ośrodku 1 oraz 2 oznaczamy odpowiednio przez: n1=c/V1i n2=c/V2 i n1 nazywamy współczynnikiem załamania ośrodka 1 a n2 współczynnikiem załamania ośrodka 2 wówczas zależność przyjmuje postać: sinλ/sinβ= V1/V2=n2/n1=n21 lub n1 sinλ=n2 sinβ współczynniki n1 i n2 nazywamy bezwzględnymi współczynnikami załamania.
22.4.2 Rozszczepianie światła w pryzmacie : promień światła białego przechodząc przez pryzmat ulega rozszczepieniu (dyspersji), ponieważ współczynnik załamania światła jest dla światła czerwonego mniejszy niż dla fioletowego. Barwa światła zależy od długości fali (ok. 400nm do ok. 800nm). Wynika stąd że każdej długości fali świetlnej odpowiada inny współczynnik załamania.
22.4.3 Zjawisko całkowitego odbicia światła: Gdy promień świetlny przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego(woda, szkło) o współczynniku załamania n do ośrodka rzadszego (powietrze) o współczynniku załamania n`, to zgodnie z prawem Snellinsa zachodzi równość nsinλ =n` sinβ a ponieważ n`
22.5 wady odwzorowania soczewek: aberracja sferyczna, aberracja chromatyczna, astygmatyzm
22.6 przyrządy optyczne: aparat foto. Oko, lupa, luneta, mikroskop.
23.5 interferencja światła: Jeśli do jakiegoś punktu ośrodka docierają równocześnie duże wiązki fal świetlnych wówczas podobnie jak dla fal świetlnych, fale te interferują ze sobą. Warunkiem występowania zjawiska interferencji jest koherentność (spójność) spotykających się wiązek światła. Istnieje wiele sposobów otrzymywania koherentnych wiązek światła, np. użycie dwóch wąskich szczelin. Na ekranie ustawionym w odległości 1 od szczelin obserwujemy wówczas prążki interferencyjne w postaci ciemnych i jasnych punktów równoległych do szczelin S1 i S2. W punkcie M powstaje środkowy prążek jasny. Ciemne prążki powstają gdy różnica dróg promieni interferujących ∆S=AS2-AS1 wynosi nieparzystą wielokrotność λ/2 czyli:AS2-AS1=(2k+1) λ/2 k=0,1… prążki jasne zaś gdy różnica dróg jest wielokrotnością długości fali: AS2-AS1=2k λ/2=kλ , k=0,1… Dla prążków jasnych dsinλ=kλ, dla prążków ciemnych: dsinλ= (2k+1) λ/2 . Dla kolejnych wartości k=0,1,2… na ekranie powstają na przemian prążki jasne i ciemne przy czym dla k=1 uzyskujemy prążki І rzędu, dla k=2 uzyskujemy prążki 2rzędu itd. W środku obrazu zawsze powstaje prążek jasny.
23.6.2 Pierścienie Newtona- jeżeli na szczotkę płasko wypukłą która wypukłą stroną leży na szklanej płycie pada prostopadle równolegle wiązka światła to wokół punktu styku obu powierzchni powstają tzw. Pierścienie Newtona Obraz interferencyjny w świetle odbitym powstaje następująco: promienie świetlne odbijające się od górnej powierzchni płyty szklanej oraz wklęsłej powierzchni soczewki interferują ze sobą. Różnica dróg ∆S obu promieni jest zależna od grubości klinowej warstwy powietrza zawartej między powierzchniami płyty i soczewki. W miejscu styku obu powierzchni powstaje ciemna plamka otoczona prążkami kołowymi na przemian ciemnymi i jasnymi. Promień rk k- tego pierścienia Newtona odpowiadający grubości dk klina powietrza jest związany z promieniem krzywizny R soczewki związkiem: R2 == rk2+(R-dk)2= rk2+R2-2Rdk+dk2 dk<
23.8.5. Siatka dyfrakcyjna- zbiór dużej liczby równoległych wąskich szczelin oddzielonych równymi przerwami nieprzezroczystymi. Odległość d równa sumie szerokości szczeliny i nieprzezroczystej przerwy nazywa się stałą siatki. Równoległa wiązka światła padając prostopadle na powierzchnię siatki zostaje ugięta na jej szczelinach. Różnica dróg między promieniami sąsiednich szczelin: AB=dsinφ między pierwszym a trzecim AC= 2dsinφ między pierwszym i (n+1) promieniem równa ndsinφ jeżeli promienie sąsiednie interferując dają max to wtedy wszystkie promienie sprowadzone do jednego punktu po zastosowaniu soczewki wzmocnią się dadzą silne max dla promieni ugiętych pod kątem φ max otrzymuje się gdy dsinφ=kλ, k=N liczbę k nazywa się pogrubionym rzędem max lub widma. Dla wiązki światła zawierającej różne długości fali max danego rzędu powstają pod różnymi kątami, w zależności od długości fali.27.Teoriawzgledności Einsteina-opiera się na postulacie stalej wartości prędkości światla c we wszystkich kierunkach i dla wszystkich obserwatorów,niezależnie od ich stanu ruchu. 27.4 Równoważność masy i energii wg. Einsteina masa ciała rośnie z prędkością V ciała: m=m0/pierw1-β2 a każdej masie przypisuje się energię E=mc2 25.1. Promieniowanie elektromagnetyczne- widmo fal elektromagnetycznych ładunki elektryczne poruszające się z przyspieszeniem lub wykonujące ruch drgający są źródłem fal elektromagnetycznych. Wg. Elektromagnetycznej teorii promieniowania różne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego mają tą samą naturę i różnią się między sobą jedynie długością fal. Fale elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni z tą samą prędkością co światło niezależnie od długości fali. Promieniowanie podczerwone, świetlne i UV powstaje wskutek zmian energetycznych zachodzących w elektronowej powłoce zewnętrznej atomów lub cząsteczek. Promieniowanie x powstaje przez hamowania w polu kulombowskim jader atomowych sztucznie wytworzonej związki rozpędzonych elektronów lub wskutek przejść energetycznych zachodzących w wewnętrznych powłokach elektronowych atomów. Promieniowanie γ powstaje przy przejściach energetycznych wewnątrz wzbudzonych jąder atomowych.
25.2 Promieniowanie cieplne- ciepło może się rozchodzić w próżni przez tzw. Promieniowanie cieplne- elektromagnetyczne wysyłane przez ciało/a o dowolnej temperaturze ze wzrostem temperatury wzrasta ilość wypromieniowanej przez ciało energii i zmienia się skład widmowy emitowanego promieniowania. Gdy ciało podgrzane stygnie to z chwilą osiągnięcia temperatury otoczenia nie przestaje emitować promieniowania choć jego temperatura nie opada dalej. Dzieje się tak gdyż inne ciała z otoczenia promieniują, a dane ciało pochłania część tego promieniowania całkowita zdolność emisji B(T)-¬ ilość energii wysyłana w ciągu jednej sekundy 1 m2 powierzchni ciała w kąt przestrzenny 2π[B]=j/m2s spektralna zdolność emisji B(λ, T)dλ- energia która zostaje wypromieniowana w ciągu sekundy przez metr kwadratowy powierzchni w temperaturze T w kąt przestrzenny 2π w zakresie długości fali(λ, λ+d λ), przy czym B(T)= ∫∞ B(λ, T) dλ λ=0 (25.1) Zdolność absorpcji A( λ, T) danego ośrodka wyraża się stosunkiem energii padającej: A( λ, T)= energia zaabsorbowana / energia padająca ≤1
25.3 Prawo Kirchhoffa
Ciało umieszczone wewnątrz osłony zamkniętej o podwyższonej temperaturze, przyjmie ostatecznie temperaturę osłony. Wówczas ilość energii wypromieniowanej przez ciało równa się ilości energii zaabsorbowanej przez ciało. Wynika stąd, że ciało, które jest dobrym emiterem musi być również dobrym absorbentem, słaby absorbent zaś jest również słabym emiterem.
Doświadczenie można stwierdzić, że zdolność emisji danego ciała jest proporcjonalna do zdolności absorpcji tego ciała. Jest to treść Prawa Kirchhoffa:
B(λ, T) / A( λ, T) = -B(λ,T) (25.2)
Gdzie -B(λ,T) jest stałą uniwersalną, jednakową dla wszystkich ciał.
Zdolność emisji B(λ, T) ciała, które absorbuje całą padającą nań energię promieniowania, dla którego zatem A( λ, T) =1, równa się -B(λ,T) . Ciała całkowicie pochłaniające widma nazywa się doskonale czarnymi.
25.4.1 Promieniowanie ciała doskonale czarnego
Na rys. przedstawiono wykresy zależności -B(λ,T) od λ dla różnych temperatur. Wykres zależności -B(λ,T)leży wyżej od odpowiednich wykresów dla ciał rzeczywistych (rys.). Funkcja -B(λ,T) została wyznaczona teoretycznie przez Plancka:
-B(λ,T)= C1 / λ5 1 / eC2 / λ T – 1
gdzie:
h= 6,62 * 10 -34 J*s – stała Plancka
c= 2,997 * 108 h1 / s -prędkość światła
k= 1,38 * 10-23 J/K stała Boltzmanna
c1= 2*Π*h*c2
c2 = h*c / k
25.4.2 Prawo Stefana – Boltzmanna
Wartość całkowitej energiiwypromieniowanej przez ciao doskonale czarne otrzymamy całkując wzór Plancka:
-B(T)= ∫∞ - B(λ, T) dλ = б * T4 (25.4)
Powyższy wzór jest treścią prawa Stefana- Boltzmanna б= 5, 67 * 10-8 J/ m2*s*k4
25.4.3 Prawo przesunięć Wiena
Ze wzrostem temperatury maksima krzywych -B(λ,T) przesuwają się w kierunku fal krótszych. Wien wykazał, że między długością λmax fali dla której przypada maksimum energii, a temperaturą bezwzględną T ciała doskonale czarnego zachodzi związek: λmax* T= 2898 [μm* K]
28.3.2 Wytwarzanie promieni Roentgena
Promienie Roentgena powstają zawsze tam, gdzie wiązka promieni katodowych uderza o pewną substancję i zostaje zahamowana. Do wytworzenia promieni X w skali technicznej służą lampy rentgenowskie (rys.) W lampach tych zogniskowana wiązka promieni katodowych, tzn. swobodnych elektronów o dużej o dużej energii, uderza w metalową anodę, zwaną również antykatodową.
28.3.3 Dyfrakcja promieni Roentgena
Ze względu na bardzo małą długość fali promieniowania X, naturalną przestrzenną siatką dyfrakcyjną dla promieni rentgenowskich są kryształy, w których odległości między atomami są rzędu 10-10 m. Atomy lub grupy atomów są rozłożone w krysztale bardzo regularnie, w periodycznie powtarzających się odstępach. Odstępy płaszczyzn atomowych d1, d2…są cechą charakterystyczną dla danego kryształu (rys.).
Rys. przedstawia schematycznie spektrometr Bragga. Doświadczenie pokazuje, że tylko przy pewnym ściśle określonym kącie θ, jaki tworzą promienie padające z powierzchnia kryształu, na kliszy powstaje zaczerwienienie w postaci jednego lub kilku równoległych prążków.
Wiązki promieni X odbite od kilku równoległych płaszczyzn kryształu interferują ze sobą i wzmacniają się lub osłabiają w zależności od różnicy dróg DS (rys.). Ponieważ CB=BD=d*sin θ , więc: ∆s= 2d* sin θ
Gdzie θ- kąt odbłysku.
Wzmocnienie występuje wówczas, gdy różnica dróg ∆s jest wielokrotnością długości fali λ:
2d* sin θ = n*λ n=1,2… (28.10)
Związek 28.10 nazywa się równaniem Bragga. Nie wystepują inne maksima (czarne slady na kliszy) prócz tych, dla których spełniony jest warunek Bragga.
Dyfrakcja promieni X na kryształach jest wykorzystywana do badania ich struktury.
28.5 Zjawisko fotoelektryczne
Zjawisko fotoelektryczne polega na tym, że promieniowanie krótkofalowe padając na powierzchnię metalu wybija z niej elektrony. Zjawisko fotoelektryczne może być badane za pomocą urządzenia odstawionego schematycznie na rys.
Dla danego metalu zjawisko fotoelektryczne może być wywołane promieniowaniem o częstotliwości V większej lub równej pewnej częstotliwości minimalnej V0≤V zwanej częstotliwością progową. Dla światła o częstotliwości mniejszej od V0 zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi.
Zależność natężenia prądu fotoelektronów od napięcia między elektrodami układu doświadczalnego przedstawiono na rys. Z wykresu wynika, że:
- liczba fotoelektronów jest proporcjonalna do natężenia światła (rys.)
- napięcie odcięcia -V0 nie zależy od natężenia światła padającego na fotokatodę, a zależy wyłącznie od częstotliwości V użytego światła (rys.)
Zależność napięcia odcięcia -V0 od częstotliwości V światła padającego została zbadana dla różnych metali przez Millikana (1916). Jest to zależność liniowa (rys.) opisana równaniem:
V0 e= ½ mV2max= h(V-V0) (28.11)
Tangens kąta nachylenia prostej V0 e= h(V-V0) jest równy stałej Plancka h.
Równanie (28.11) można zapisać również w postaci ½ m mV2max= hV- W
Gdzie:
m- masa elektronu
Vmax- prędkość maksymalna elektronu
W- praca wyjścia
Powyższe równanie nazywa się równaniem Einsteina (1905),. Praca wyjścia W oznacza minimalna energię, jaką musi mieć elektron, aby mógł opuścić powierzchnię danego metalu. W zjawisku fotoelektrycznym cała energia fotonu hV zostaje przekazana elektronowi, przy czym część tej energii idzie na uwolnienie elektronu z danego materiału, reszta zaś stanowi jego energię kinetyczną.
Przy wyprowadzeniu wzoru (28.11) Einstein założył, że energia świetlna nie jest rozłożona równomiernie i w sposób ciągły wzdłuż czoła fali, lecz jest niesiona z prędkością światła w postaci porcji energii, tzw. Kwantów lub fotonów. Każdy foton ma określoną energię hV, która nie zależy od natężenia światła, a jedynie od jego częstotliwości. Zjawisko fotoelektryczne świadczy o kwantowej naturze światła i może być wytłumaczone jedynie w ramach teorii kwantowej.
28.6. Zjawisko Comptona
Przy oddziaływaniu promieni X z materią stwierdzono, że prócz zjawiska rozproszenia któremu nie towarzyszy zmiana długości fali, zachodzi zjawisko rozproszenia promieni X połączone ze zmianą długości fali promieniowania rozproszonego jest większa niż promieniowania padającego. Compton (1922) wytłumaczył to zjawisko stosując zasadę zachowania energii i pędu do zderzenia elektronu z fotonem promieni X. Zjawisko rozproszenia promieni X lub γ, któremu towarzyszy zmiana długości fali zostało nazwane zjawiskiem (efektem) Comptona.
Według Comptona kwant o energii hV i pędzie hV/ c zderzając się ze swobodnym elektronem znajdującym się w spoczynku doznaje odchylenia o kąt φ. Energia rozproszonego kwantu wynosi hV’ < hV , zaś jego pęd hV’/ c. Elektron uzyskuje prędkość V i porusza się w kierunku tworzącym kąt θ z pierwotnym kierunkiem fotonu (rys.). Jeśli długość fali fotonu przed zderzeniem jest równa λ , a po zderzeniu λ’> λ to:
∆λ= λ’- λ=h/m0c (1- cosφ) (28.14)
m0 – masa elektronu]
Jest to wzór Comptona. Schemat aparatury do doświadczalnego sprawdzenia efektu Comptona i wyniki pomiarów przedstawiono na rys.
28.7. Własności falowe cząstek
28.7.1 Hipoteza de Broglie’a
W zjawisku fotoelektrycznym i w zjawisku Comptona występują wyrażnie kwantowe własności promieniowania. Zjawiska dyfrakcji, interferencji i polaryzacji świadczą natomiast o falowej naturze promieniowania elektromagnetycznego.
Długość fali λ wyznacza się z doświadczeń nad interferencja i dyfrakcją. Równocześnie ma dwoistą naturę- cząstek i fal, przy czym w danym doświadczeniu objawia się tylko jedna z tych cech: albo falowa, albo korpuskularna.
W 1924r. L. de Broglie wysunął hipotezę, że dwoista naturę ma nie tylko promieniowanie, lecz również poruszające się cząstki elementarne i mikrocząstki.
Korzystając z relacji Einsteina E=mc 2 energie fotonu E=h*V można zapisać jako
mc2 = hV, zatem fotonowi w ruchu można przypisac masę: m= hV/ c2 (28.16.)
Ponieważ foton porusza się z prędkością światła, więc pęd fotonu p=m*c= h*V/ c= h/λ Stad otrzymujemy związek między długością fali fotonu a jego pędem λ= h/p
Korzystając z tego wzoru, każdej cząsteczce o pędzie p=m można przypisać długość fali λ zgodnie ze wzorem λ= h/ m (28.17)
Hipoteza de Broglie’a o falowych właściwościach materii została potwierdzona doświadczalnie przez Davissona i Germera (1927) oraz przez Thomsona (1928) w doświadczeniach nad dyfrakcja elektronów oraz przez Sterna nad dyfrakcja cząsteczek wodoru i helu.
28.8. Zasada nieokreśloności Heisenberga
Cząstki elementarne, podobnie jak światło, mają dwoistą naturę- wykazuja własności korpuskularne i falowe. Z własnościami korpuskularnymi cząstki łączy się pojęcie toru lub współrzędnych położenia cząstki. Jeżeli jednak cząstkę identyfikujemy z poruszającą się falą, wówczas trudno przypisać cząstce określone położenie w przestrzeni. W tym przypadku cząstkę uważamy za paczkę fal, rozciągającą się w pewnym małym obszarze przestrzennym o wymiarze liniowym ∆x. Powiązanie cząstki z paczka fal oznacza, że jej położenie w danej chwili nie może być wyznaczone z dowolnie dużą dokładnością.
Na podstawie powyższych założeń Hiesenberg sformułował zasadę nieokreśloności:
Nieokreśloność ∆x przy pomiarze współrzędnej położenia i nieokreśloność ∆px przy równoczesnym pomiarze składowej pędu px cząstki są związane relacją: ∆x*∆px ≥h (28.26) gdzie h- stała Plancka.
29.2 Budowa atomu
Atom każdego pierwiastka jest zbudowany z jądra i powłok elektronowych. Jadro atomu jest zbudowane z nukleonów , protonów i neutronów. Rozmiary atomu są rzędu 10-10m a rozmiary jądra 10-15 m. Jednostką masy atomowej jest (j.m.a) jest masa 1/12 masy izotopu węgla 12C, przy czym 1 j.m.a.= 1,6606 * 10-27 kg. W atomowych jednostkach masy masa protonu i neutronu wynosi odpowiednio: masa protonu mp=1,007276 j.m.a masa neutronu, mn=1,008665 j.m.a dla pierwiastków lekkich liczba protonów Z w jądrze jest równa liczbie neutronów N, czyli N/Z= 1. Dla jąder pierwiastków z końca układu okresowego N/Z ~1,6. Liczba Z nazywa się liczbą atomowa albo liczbą porządkową i określa ładunek dodatni jądra Z*e+ oraz liczbę elektronów w atomie. Liczba nukleonów A= N+Z w jadrze nazywa się liczba masową i określa w przybliżeniu masą danego pierwiastka. Zapis symboliczny pierwiastka: AZX np.126C
29.4. Teoria Bohra budowy atomu wodoru
Bohr wprowadził następujące postulaty budowy atomu wodoru: 1. Elektron nie może krążyć po dowolnej orbicie wokół jądra, lecz tylko po tych, dla których moment pędu (kręt) elektronu jest wielokrotnością h/2Π=h . Każdej orbicie odpowiada inny atom energetyczny atomu. Znajdując się na orbicie dozwolonej elektron nie promieniuje energii. Orbity dozwolone zostały nazwane stacjonarnymi. Zakładając, że ruch elektronu odbywa się po orbicie kołowej, pierwszy postulat Bohra można zapisać następująco: m*V*r= n* h/2Π= n* h gdzie n jest liczbą całkowitą. 2. Atom absorbuje lub emituje promieniowanie w postaci kwantu o energii h*V przechodząc z jednego stanu energetycznego En do drugiego Ek.Różnica energii tych stanów równa się energii wypromieniowanego kwantu:h*V= En - Ek (29.12) Po podniesieniu (29.11) do kwadratu i wykorzystaniu wzoru na siłę dośrodkową działającana elektron: 2*e2 / h ΠE0 r 2 = m*V2/ r gdzie r- promień odbity elektronu
Typy wiazań: jonowy (heteropolarny)(np. NaCl, LiF), kowalencyjny (homeopolarny, atomowy)(np.C-diament, SiC), metaliczny (np..Na, Fe) molekularny (van der Waalsa)(np.Ar-ciekły, CH4-ciekły), wodorowy(H2O, HF). Wszystkie typy wiązań są pochodzenia elektrostatycznego. Zasadnicza różnica między poszczególnymi rodzajami wiązań polega na rozkładzie elektronów wokół atomów i czasteczek, które tworzą sieć krystaliczną. Wiązanie jonowe występuje między atomami, z których jeden ma mała energię jonizacji a drugi dużą energię powinowactwa elektronowego(wydzieloną podczas połączenia przez atom elektrony zewnętrznego). Im większa energia powinowactwa elektronowego, tym silniej jest związany dołączony do atomu elektron dodatkowy. Wiazanie takie powstaje najczęściej między halogenkami(F,Cl,Br) a metalami alkalicznymi(Li,Na,K,Rb,Cs). Kryształ KCl: jony Cl- są rozmieszczone w rogach i środkach płaszczyzn sześcianu jony K+ są między jonami Cl-. Wiązanie ma charakter bezkierunkowy. Wiązanie kowalencyjne powstaje wskutek koncentracji elektronów wzdłuż linii łączącej sąsiednie jądra. Rozkład gęstości elektronów wokół 2 jonów: (rys) Wynika on z rozwiązania równania Schrdingera dla układu: 2 naładowane dodatnio jądra i 1 ujemny elektron. Wiazania kowalencyjne powstają jeżeli odpowiednie maksima gęstości prawdopodobieństwa elektronów w atomach sąsiednich zachodzą na siebie. Powstają wiązania skierowane, odznaczające się silnymi właściwościami kierunkowymi. Atomy dażą do uzyskania stabilnej konfiguracji elektronowej gazu szlachetnego. Struktura kyształu diamentu: Atom węgla ma 4 elktrony walencyjne.Każdy atom biorący udział w wiązaniu dostarcza po jednym elektronie 4 atomom sąsiednim. Wiązanie metaliczne - nienasycone wiązanie kowalencyjne. Atomy metalu oprócz zapełnionejpowłoki 5, maja najczęściej puste powłoki p i d, których energie różnią się tylko nieznacznie od energii stanu S. Zbliżenie atomu do cząsteczki MZ powoduje przyłączenie go wiązaniem kowalencyjnym bez naruszania zakazu Pouliego. Elektrony walencyjne należą do całego zespołu jonów i tworzą parę swobodnych elektronów. Wiązania metaliczne występują dla pierwiastków, które maja mało elektronów walencyjnych w atomie. W kryształach cząsteczkowych węzłami sieci krystalicznej są cząsteczki tak trwałe, że nie tracą indywidualności przy łączeniu się w kryształy, dzięki siłom Van der Waalsa przyciągania międzycząsteczkowego. Wiązanie wodorowe- 1 atom H z tylko dwoma atomami pierwiastka silnie elektroujemnego (np. O,N). Wiązanie ma w duzym stopniu charakter wiązania jonowego.
Krystaliczne(polikrystaliczne:z przypadkowym ułożeniemkrystalitów, z uporządkowanym ułożeniem krystalitów), amorficzne(bezpostaciowe, szkliste) (krystality: 10-100μm granice zmian) Budowa krystaliczna- ułożenia atomów jest regularnie i powtarzalne, wystepuje uporządkowanie dalejkiego zasiegu. Budowa amorficzna- atomy SA ułożone w sposób nieregularny- brak uporządkowania dalekiego zasięgu, może jednak wystapowć uporządkowanie bliskiego zasięgu.
= rk2+(R-dk)2= rk2+R2-2Rdk+dk2 dk<
23.8.5. Siatka dyfrakcyjna- zbiór dużej liczby równoległych wąskich szczelin oddzielonych równymi przerwami nieprzezroczystymi. Odległość d równa sumie szerokości szczeliny i nieprzezroczystej przerwy nazywa się stałą siatki. Równoległa wiązka światła padając prostopadle na powierzchnię siatki zostaje ugięta na jej szczelinach. Różnica dróg między promieniami sąsiednich szczelin: AB=dsinφ między pierwszym a trzecim AC= 2dsinφ między pierwszym i (n+1) promieniem równa ndsinφ jeżeli promienie sąsiednie interferując dają max to wtedy wszystkie promienie sprowadzone do jednego punktu po zastosowaniu soczewki wzmocnią się dadzą silne max dla promieni ugiętych pod kątem φ max otrzymuje się gdy dsinφ=kλ, k=N liczbę k nazywa się pogrubionym rzędem max lub widma. Dla wiązki światła zawierającej różne długości fali max danego rzędu powstają pod różnymi kątami, w zależności od długości fali.27.Teoriawzgledności Einsteina-opiera się na postulacie stalej wartości prędkości światla c we wszystkich kierunkach i dla wszystkich obserwatorów,niezależnie od ich stanu ruchu. 27.4 Równoważność masy i energii wg. Einsteina masa ciała rośnie z prędkością V ciała: m=m0/pierw1-β2 a każdej masie przypisuje się energię E=mc2 25.1. Promieniowanie elektromagnetyczne- widmo fal elektromagnetycznych ładunki elektryczne poruszające się z przyspieszeniem lub wykonujące ruch drgający są źródłem fal elektromagnetycznych. Wg. Elektromagnetycznej teorii promieniowania różne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego mają tą samą naturę i różnią się między sobą jedynie długością fal. Fale elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni z tą samą prędkością co światło niezależnie od długości fali. Promieniowanie podczerwone, świetlne i UV powstaje wskutek zmian energetycznych zachodzących w elektronowej powłoce zewnętrznej atomów lub cząsteczek. Promieniowanie x powstaje przez hamowania w polu kulombowskim jader atomowych sztucznie wytworzonej związki rozpędzonych elektronów lub wskutek przejść energetycznych zachodzących w wewnętrznych powłokach elektronowych atomów. Promieniowanie γ powstaje przy przejściach energetycznych wewnątrz wzbudzonych jąder atomowych.
25.2 Promieniowanie cieplne- ciepło może się rozchodzić w próżni przez tzw. Promieniowanie cieplne- elektromagnetyczne wysyłane przez ciało/a o dowolnej temperaturze ze wzrostem temperatury wzrasta ilość wypromieniowanej przez ciało energii i zmienia się skład widmowy emitowanego promieniowania. Gdy ciało podgrzane stygnie to z chwilą osiągnięcia temperatury otoczenia nie przestaje emitować promieniowania choć jego temperatura nie opada dalej. Dzieje się tak gdyż inne ciała z otoczenia promieniują, a dane ciało pochłania część tego promieniowania całkowita zdolność emisji B(T)-¬ ilość energii wysyłana w ciągu jednej sekundy 1 m2 powierzchni ciała w kąt przestrzenny 2π[B]=j/m2s spektralna zdolność emisji B(λ, T)dλ- energia która zostaje wypromieniowana w ciągu sekundy przez metr kwadratowy powierzchni w temperaturze T w kąt przestrzenny 2π w zakresie długości fali(λ, λ+d λ), przy czym B(T)= ∫∞ B(λ, T) dλ λ=0 (25.1) Zdolność absorpcji A( λ, T) danego ośrodka wyraża się stosunkiem energii padającej: A( λ, T)= energia zaabsorbowana / energia padająca ≤1
25.3 Prawo Kirchhoffa
Ciało umieszczone wewnątrz osłony zamkniętej o podwyższonej temperaturze, przyjmie ostatecznie temperaturę osłony. Wówczas ilość energii wypromieniowanej przez ciało równa się ilości energii zaabsorbowanej przez ciało. Wynika stąd, że ciało, które jest dobrym emiterem musi być również dobrym absorbentem, słaby absorbent zaś jest również słabym emiterem.
Doświadczenie można stwierdzić, że zdolność emisji danego ciała jest proporcjonalna do zdolności absorpcji tego ciała. Jest to treść Prawa Kirchhoffa:
B(λ, T) / A( λ, T) = -B(λ,T) (25.2)
Gdzie -B(λ,T) jest stałą uniwersalną, jednakową dla wszystkich ciał.
Zdolność emisji B(λ, T) ciała, które absorbuje całą padającą nań energię promieniowania, dla którego zatem A( λ, T) =1, równa się -B(λ,T) . Ciała całkowicie pochłaniające widma nazywa się doskonale czarnymi.
25.4.1 Promieniowanie ciała doskonale czarnego
Na rys. przedstawiono wykresy zależności -B(λ,T) od λ dla różnych temperatur. Wykres zależności -B(λ,T)leży wyżej od odpowiednich wykresów dla ciał rzeczywistych (rys.). Funkcja -B(λ,T) została wyznaczona teoretycznie przez Plancka:
-B(λ,T)= C1 / λ5 1 / eC2 / λ T – 1
gdzie:
h= 6,62 * 10 -34 J*s – stała Plancka
c= 2,997 * 108 h1 / s -prędkość światła
k= 1,38 * 10-23 J/K stała Boltzmanna
c1= 2*Π*h*c2
c2 = h*c / k
25.4.2 Prawo Stefana – Boltzmanna
Wartość całkowitej energiiwypromieniowanej przez ciao doskonale czarne otrzymamy całkując wzór Plancka:
-B(T)= ∫∞ - B(λ, T) dλ = б * T4 (25.4)
Powyższy wzór jest treścią prawa Stefana- Boltzmanna б= 5, 67 * 10-8 J/ m2*s*k4
25.4.3 Prawo przesunięć Wiena
Ze wzrostem temperatury maksima krzywych -B(λ,T) przesuwają się w kierunku fal krótszych. Wien wykazał, że między długością λmax fali dla której przypada maksimum energii, a temperaturą bezwzględną T ciała doskonale czarnego zachodzi związek: λmax* T= 2898 [μm* K]
28.3.2 Wytwarzanie promieni Roentgena
Promienie Roentgena powstają zawsze tam, gdzie wiązka promieni katodowych uderza o pewną substancję i zostaje zahamowana. Do wytworzenia promieni X w skali technicznej służą lampy rentgenowskie (rys.) W lampach tych zogniskowana wiązka promieni katodowych, tzn. swobodnych elektronów o dużej o dużej energii, uderza w metalową anodę, zwaną również antykatodową.
28.3.3 Dyfrakcja promieni Roentgena
Ze względu na bardzo małą długość fali promieniowania X, naturalną przestrzenną siatką dyfrakcyjną dla promieni rentgenowskich są kryształy, w których odległości między atomami są rzędu 10-10 m. Atomy lub grupy atomów są rozłożone w krysztale bardzo regularnie, w periodycznie powtarzających się odstępach. Odstępy płaszczyzn atomowych d1, d2…są cechą charakterystyczną dla danego kryształu (rys.).
Rys. przedstawia schematycznie spektrometr Bragga. Doświadczenie pokazuje, że tylko przy pewnym ściśle określonym kącie θ, jaki tworzą promienie padające z powierzchnia kryształu, na kliszy powstaje zaczerwienienie w postaci jednego lub kilku równoległych prążków.
Wiązki promieni X odbite od kilku równoległych płaszczyzn kryształu interferują ze sobą i wzmacniają się lub osłabiają w zależności od różnicy dróg DS (rys.). Ponieważ CB=BD=d*sin θ , więc: ∆s= 2d* sin θ
Gdzie θ- kąt odbłysku.
Wzmocnienie występuje wówczas, gdy różnica dróg ∆s jest wielokrotnością długości fali λ:
2d* sin θ = n*λ n=1,2… (28.10)
Związek 28.10 nazywa się równaniem Bragga. Nie wystepują inne maksima (czarne slady na kliszy) prócz tych, dla których spełniony jest warunek Bragga.
Dyfrakcja promieni X na kryształach jest wykorzystywana do badania ich struktury.
28.5 Zjawisko fotoelektryczne
Zjawisko fotoelektryczne polega na tym, że promieniowanie krótkofalowe padając na powierzchnię metalu wybija z niej elektrony. Zjawisko fotoelektryczne może być badane za pomocą urządzenia odstawionego schematycznie na rys.
Dla danego metalu zjawisko fotoelektryczne może być wywołane promieniowaniem o częstotliwości V większej lub równej pewnej częstotliwości minimalnej V0≤V zwanej częstotliwością progową. Dla światła o częstotliwości mniejszej od V0 zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi.
Zależność natężenia prądu fotoelektronów od napięcia między elektrodami układu doświadczalnego przedstawiono na rys. Z wykresu wynika, że:
- liczba fotoelektronów jest proporcjonalna do natężenia światła (rys.)
- napięcie odcięcia -V0 nie zależy od natężenia światła padającego na fotokatodę, a zależy wyłącznie od częstotliwości V użytego światła (rys.)
Zależność napięcia odcięcia -V0 od częstotliwości V światła padającego została zbadana dla różnych metali przez Millikana (1916). Jest to zależność liniowa (rys.) opisana równaniem:
V0 e= ½ mV2max= h(V-V0) (28.11)
Tangens kąta nachylenia prostej V0 e= h(V-V0) jest równy stałej Plancka h.
Równanie (28.11) można zapisać również w postaci ½ m mV2max= hV- W
Gdzie:
m- masa elektronu
Vmax- prędkość maksymalna elektronu
W- praca wyjścia
Powyższe równanie nazywa się równaniem Einsteina (1905),. Praca wyjścia W oznacza minimalna energię, jaką musi mieć elektron, aby mógł opuścić powierzchnię danego metalu. W zjawisku fotoelektrycznym cała energia fotonu hV zostaje przekazana elektronowi, przy czym część tej energii idzie na uwolnienie elektronu z danego materiału, reszta zaś stanowi jego energię kinetyczną.
Przy wyprowadzeniu wzoru (28.11) Einstein założył, że energia świetlna nie jest rozłożona równomiernie i w sposób ciągły wzdłuż czoła fali, lecz jest niesiona z prędkością światła w postaci porcji energii, tzw. Kwantów lub fotonów. Każdy foton ma określoną energię hV, która nie zależy od natężenia światła, a jedynie od jego częstotliwości. Zjawisko fotoelektryczne świadczy o kwantowej naturze światła i może być wytłumaczone jedynie w ramach teorii kwantowej.
28.6. Zjawisko Comptona
Przy oddziaływaniu promieni X z materią stwierdzono, że prócz zjawiska rozproszenia któremu nie towarzyszy zmiana długości fali, zachodzi zjawisko rozproszenia promieni X połączone ze zmianą długości fali promieniowania rozproszonego jest większa niż promieniowania padającego. Compton (1922) wytłumaczył to zjawisko stosując zasadę zachowania energii i pędu do zderzenia elektronu z fotonem promieni X. Zjawisko rozproszenia promieni X lub γ, któremu towarzyszy zmiana długości fali zostało nazwane zjawiskiem (efektem) Comptona.
Według Comptona kwant o energii hV i pędzie hV/ c zderzając się ze swobodnym elektronem znajdującym się w spoczynku doznaje odchylenia o kąt φ. Energia rozproszonego kwantu wynosi hV’ < hV , zaś jego pęd hV’/ c. Elektron uzyskuje prędkość V i porusza się w kierunku tworzącym kąt θ z pierwotnym kierunkiem fotonu (rys.). Jeśli długość fali fotonu przed zderzeniem jest równa λ , a po zderzeniu λ’> λ to:
∆λ= λ’- λ=h/m0c (1- cosφ) (28.14)
m0 – masa elektronu]
Jest to wzór Comptona. Schemat aparatury do doświadczalnego sprawdzenia efektu Comptona i wyniki pomiarów przedstawiono na rys.
28.7. Własności falowe cząstek
28.7.1 Hipoteza de Broglie’a
W zjawisku fotoelektrycznym i w zjawisku Comptona występują wyrażnie kwantowe własności promieniowania. Zjawiska dyfrakcji, interferencji i polaryzacji świadczą natomiast o falowej naturze promieniowania elektromagnetycznego.
Długość fali λ wyznacza się z doświadczeń nad interferencja i dyfrakcją. Równocześnie ma dwoistą naturę- cząstek i fal, przy czym w danym doświadczeniu objawia się tylko jedna z tych cech: albo falowa, albo korpuskularna.
W 1924r. L. de Broglie wysunął hipotezę, że dwoista naturę ma nie tylko promieniowanie, lecz również poruszające się cząstki elementarne i mikrocząstki.
Korzystając z relacji Einsteina E=mc 2 energie fotonu E=h*V można zapisać jako
mc2 = hV, zatem fotonowi w ruchu można przypisac masę: m= hV/ c2 (28.16.)
Ponieważ foton porusza się z prędkością światła, więc pęd fotonu p=m*c= h*V/ c= h/λ Stad otrzymujemy związek między długością fali fotonu a jego pędem λ= h/p
Korzystając z tego wzoru, każdej cząsteczce o pędzie p=m można przypisać długość fali λ zgodnie ze wzorem λ= h/ m (28.17)
Hipoteza de Broglie’a o falowych właściwościach materii została potwierdzona doświadczalnie przez Davissona i Germera (1927) oraz przez Thomsona (1928) w doświadczeniach nad dyfrakcja elektronów oraz przez Sterna nad dyfrakcja cząsteczek wodoru i helu.
28.8. Zasada nieokreśloności Heisenberga
Cząstki elementarne, podobnie jak światło, mają dwoistą naturę- wykazuja własności korpuskularne i falowe. Z własnościami korpuskularnymi cząstki łączy się pojęcie toru lub współrzędnych położenia cząstki. Jeżeli jednak cząstkę identyfikujemy z poruszającą się falą, wówczas trudno przypisać cząstce określone położenie w przestrzeni. W tym przypadku cząstkę uważamy za paczkę fal, rozciągającą się w pewnym małym obszarze przestrzennym o wymiarze liniowym ∆x. Powiązanie cząstki z paczka fal oznacza, że jej położenie w danej chwili nie może być wyznaczone z dowolnie dużą dokładnością.
Na podstawie powyższych założeń Hiesenberg sformułował zasadę nieokreśloności:
Nieokreśloność ∆x przy pomiarze współrzędnej położenia i nieokreśloność ∆px przy równoczesnym pomiarze składowej pędu px cząstki są związane relacją: ∆x*∆px ≥h (28.26) gdzie h- stała Plancka.
29.2 Budowa atomu
Atom każdego pierwiastka jest zbudowany z jądra i powłok elektronowych. Jadro atomu jest zbudowane z nukleonów , protonów i neutronów. Rozmiary atomu są rzędu 10-10m a rozmiary jądra 10-15 m. Jednostką masy atomowej jest (j.m.a) jest masa 1/12 masy izotopu węgla 12C, przy czym 1 j.m.a.= 1,6606 * 10-27 kg. W atomowych jednostkach masy masa protonu i neutronu wynosi odpowiednio: masa protonu mp=1,007276 j.m.a masa neutronu, mn=1,008665 j.m.a dla pierwiastków lekkich liczba protonów Z w jądrze jest równa liczbie neutronów N, czyli N/Z= 1. Dla jąder pierwiastków z końca układu okresowego N/Z ~1,6. Liczba Z nazywa się liczbą atomowa albo liczbą porządkową i określa ładunek dodatni jądra Z*e+ oraz liczbę elektronów w atomie. Liczba nukleonów A= N+Z w jadrze nazywa się liczba masową i określa w przybliżeniu masą danego pierwiastka. Zapis symboliczny pierwiastka: AZX np.126C
29.4. Teoria Bohra budowy atomu wodoru
Bohr wprowadził następujące postulaty budowy atomu wodoru: 1. Elektron nie może krążyć po dowolnej orbicie wokół jądra, lecz tylko po tych, dla których moment pędu (kręt) elektronu jest wielokrotnością h/2Π=h . Każdej orbicie odpowiada inny atom energetyczny atomu. Znajdując się na orbicie dozwolonej elektron nie promieniuje energii. Orbity dozwolone zostały nazwane stacjonarnymi. Zakładając, że ruch elektronu odbywa się po orbicie kołowej, pierwszy postulat Bohra można zapisać następująco: m*V*r= n* h/2Π= n* h gdzie n jest liczbą całkowitą. 2. Atom absorbuje lub emituje promieniowanie w postaci kwantu o energii h*V przechodząc z jednego stanu energetycznego En do drugiego Ek.Różnica energii tych stanów równa się energii wypromieniowanego kwantu:h*V= En - Ek (29.12) Po podniesieniu (29.11) do kwadratu i wykorzystaniu wzoru na siłę dośrodkową działającana elektron: 2*e2 / h ΠE0 r 2 = m*V2/ r gdzie r- promień odbity elektronu
Typy wiazań: jonowy (heteropolarny)(np. NaCl, LiF), kowalencyjny (homeopolarny, atomowy)(np.C-diament, SiC), metaliczny (np..Na, Fe) molekularny (van der Waalsa)(np.Ar-ciekły, CH4-ciekły), wodorowy(H2O, HF). Wszystkie typy wiązań są pochodzenia elektrostatycznego. Zasadnicza różnica między poszczególnymi rodzajami wiązań polega na rozkładzie elektronów wokół atomów i czasteczek, które tworzą sieć krystaliczną. Wiązanie jonowe występuje między atomami, z których jeden ma mała energię jonizacji a drugi dużą energię powinowactwa elektronowego(wydzieloną podczas połączenia przez atom elektrony zewnętrznego). Im większa energia powinowactwa elektronowego, tym silniej jest związany dołączony do atomu elektron dodatkowy. Wiazanie takie powstaje najczęściej między halogenkami(F,Cl,Br) a metalami alkalicznymi(Li,Na,K,Rb,Cs). Kryształ KCl: jony Cl- są rozmieszczone w rogach i środkach płaszczyzn sześcianu jony K+ są między jonami Cl-. Wiązanie ma charakter bezkierunkowy. Wiązanie kowalencyjne powstaje wskutek koncentracji elektronów wzdłuż linii łączącej sąsiednie jądra. Rozkład gęstości elektronów wokół 2 jonów: (rys) Wynika on z rozwiązania równania Schrdingera dla układu: 2 naładowane dodatnio jądra i 1 ujemny elektron. Wiazania kowalencyjne powstają jeżeli odpowiednie maksima gęstości prawdopodobieństwa elektronów w atomach sąsiednich zachodzą na siebie. Powstają wiązania skierowane, odznaczające się silnymi właściwościami kierunkowymi. Atomy dażą do uzyskania stabilnej konfiguracji elektronowej gazu szlachetnego. Struktura kyształu diamentu: Atom węgla ma 4 elktrony walencyjne.Każdy atom biorący udział w wiązaniu dostarcza po jednym elektronie 4 atomom sąsiednim. Wiązanie metaliczne - nienasycone wiązanie kowalencyjne. Atomy metalu oprócz zapełnionejpowłoki 5, maja najczęściej puste powłoki p i d, których energie różnią się tylko nieznacznie od energii stanu S. Zbliżenie atomu do cząsteczki MZ powoduje przyłączenie go wiązaniem kowalencyjnym bez naruszania zakazu Pouliego. Elektrony walencyjne należą do całego zespołu jonów i tworzą parę swobodnych elektronów. Wiązania metaliczne występują dla pierwiastków, które maja mało elektronów walencyjnych w atomie. W kryształach cząsteczkowych węzłami sieci krystalicznej są cząsteczki tak trwałe, że nie tracą indywidualności przy łączeniu się w kryształy, dzięki siłom Van der Waalsa przyciągania międzycząsteczkowego. Wiązanie wodorowe- 1 atom H z tylko dwoma atomami pierwiastka silnie elektroujemnego (np. O,N). Wiązanie ma w duzym stopniu charakter wiązania jonowego.
Krystaliczne(polikrystaliczne:z przypadkowym ułożeniemkrystalitów, z uporządkowanym ułożeniem krystalitów), amorficzne(bezpostaciowe, szkliste) (krystality: 10-100μm granice zmian) Budowa krystaliczna- ułożenia atomów jest regularnie i powtarzalne, wystepuje uporządkowanie dalejkiego zasiegu. Budowa amorficzna- atomy SA ułożone w sposób nieregularny- brak uporządkowania dalekiego zasięgu, może jednak wystapowć uporządkowanie bliskiego zasięgu.
Treść zweryfikowana i sprawdzona
Zgodnie z misją, Redakcja serwisu dokłada wszelkich starań, aby dostarczać rzetelne i sprawdzone treści edukacyjne.
Dodatkowe oznaczenie "Sprawdzona treść" wskazuje, że dany materiał został zweryfikowany przez Redakcję lub ekspertów współpracujących z serwisem.
Weryfikacja tekstu odbywa się na następujących poziomach:
1. Sprawdzenie tekstu pod kątem ewentualnych błędów ortograficznych, stylistycznych, interpunkcyjnych lub innych.
2. Weryfikacja tekstu pod kątem błędów rzeczowych.
3. Sprawdzenie materiału pod kątem ich aktualności.
Dodatkowe oznaczenie "Sprawdzona treść" wskazuje, że dany materiał został zweryfikowany przez Redakcję lub ekspertów współpracujących z serwisem.
Weryfikacja tekstu odbywa się na następujących poziomach:
1. Sprawdzenie tekstu pod kątem ewentualnych błędów ortograficznych, stylistycznych, interpunkcyjnych lub innych.
2. Weryfikacja tekstu pod kątem błędów rzeczowych.
3. Sprawdzenie materiału pod kątem ich aktualności.