Budowa atomu i poziomy energetyczne

Budowa atomu jest kluczowym zagadnieniem w fizyce atomowej. Atom składa się z jądra zawierającego protony i neutrony oraz elektronów krążących wokół jądra na różnych poziomach energetycznych.

Definicja: Poziom energetyczny to określony stan energetyczny elektronu w atomie.

Teoria pasmowa opisuje strukturę energetyczną materiałów, dzieląc je na:

• Przewodniki: posiadają częściowo zapełnione pasmo przewodnictwa
• Izolatory: mają dużą przerwę energetyczną między pasmem walencyjnym a przewodnictwa
• Półprzewodniki: charakteryzują się małą przerwą energetyczną

Highlight: Zakaz Pauliego stanowi, że na jednym poziomie energetycznym mogą znajdować się najwyżej dwa elektrony.

Energia elektronu na n-tym poziomie w atomie wodoru jest opisana wzorem: En = -13,6 eV / n², gdzie n to główna liczba kwantowa.

Example: Dla pierwszego poziomu energetycznego $n=1$ energia wynosi E₁ = -13,6 eV, co stanowi poziom podstawowy atomu wodoru.

Przejścia elektronów między poziomami energetycznymi wiążą się z emisją lub absorpcją energii w postaci fotonów, zgodnie z drugim postulatem Bohra.

Jonizacja i fotoefekt

Energia jonizacji to kluczowe pojęcie w fizyce atomowej, określające ilość energii potrzebnej do usunięcia elektronu z atomu.

Definicja: Jonizacja to proces usuwania co najmniej jednego elektronu z atomu, prowadzący do powstania jonu.

Sposoby jonizacji atomu obejmują:

1. Zderzenie z innym elektronem
2. Naświetlenie fotonem o odpowiedniej energii
3. Podniesienie temperatury atomu

Serie widmowe, takie jak seria Lymana, Balmera i Paschena, opisują przejścia elektronów między różnymi poziomami energetycznymi w atomie wodoru.

Vocabulary: Seria Lymana - przejścia na poziom n=1, seria Balmera - przejścia na poziom n=2, seria Paschena - przejścia na poziom n=3.

Fotoefekt to zjawisko emisji elektronów pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Wyróżniamy:

• Fotoefekt zewnętrzny - wybijanie elektronów z metalu przez światło o odpowiedniej częstotliwości
• Fotoefekt wewnętrzny - przejście elektronów na wyższe poziomy energetyczne w półprzewodnikach

Example: W fotokomórce wykorzystuje się zjawisko fotoefektu zewnętrznego do generowania prądu elektrycznego pod wpływem światła.

Energia kinetyczna wybitego elektronu w fotoefekcie zewnętrznym jest opisana równaniem: Ek = hf - W₀, gdzie W₀ to praca wyjścia charakterystyczna dla danego metalu.

Półprzewodniki i diody

Fizyka atomowa znajduje praktyczne zastosowanie w elektronice, szczególnie w dziedzinie półprzewodników i diod.

Dioda to urządzenie elektroniczne służące do prostowania prądu elektrycznego. Składa się z dwóch rodzajów półprzewodników:

• Typu n - z nadmiarem elektronów $np. domieszkowany fosforem$
• Typu p - z niedoborem elektronów, tzw. przewodnictwo dziurowe $np. domieszkowany borem$

Highlight: Dioda przewodzi prąd tylko w jednym kierunku, co jest kluczowe dla jej zastosowań w elektronice.

Struktura diody oznaczana jest jako $n|p$, gdzie:

• Kierunek przewodzenia: niski opór, prąd płynie swobodnie
• Kierunek zaporowy: wysoki opór, prąd praktycznie nie płynie

Example: Tranzystor typu npn to bardziej zaawansowane urządzenie, umożliwiające sterowanie prądem w obwodzie.

Zastosowania diód obejmują:

1. Prostowniki w zasilaczach
2. Detektory sygnałów radiowych
3. Diody świecące $LED$ w oświetleniu i wyświetlaczach
4. Fotodiody w czujnikach światła

Fizyka atomowa wzory i fizyka atomowa zadania często dotyczą obliczeń związanych z poziomami energetycznymi, jonizacją i fotoefektem, co jest istotne dla zrozumienia działania półprzewodników i diod.

Fale elektromagnetyczne i korpuskularna natura światła

Fizyka atomowa zajmuje się badaniem struktury i właściwości atomów oraz ich oddziaływań z promieniowaniem elektromagnetycznym. Kluczowym elementem jest zrozumienie natury fal elektromagnetycznych i ich widma.

Widmo fal elektromagnetycznych obejmuje szeroki zakres, od fal radiowych o najniższej częstotliwości, przez mikrofale, podczerwień, światło widzialne $380-750 nm$, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie, aż po promieniowanie gamma o najwyższej częstotliwości.

Definicja: Widmo fali elektromagnetycznej to uszeregowanie fal według malejącej częstotliwości i wzrastającej długości lub odwrotnie.

Prędkość światła w próżni wynosi c = 3·10⁸ m/s i jest związana z częstotliwością i długością fali zależnością: c = λf.

Światło wykazuje dualną naturę falowo-korpuskularną, co oznacza, że może zachowywać się zarówno jak fala, jak i strumień cząstek $fotonów$.

Highlight: Zjawiska falowe światła obejmują odbicie, załamanie, dyfrakcję i interferencję.

Energia fotonu jest opisana równaniem: Ef = hf, gdzie h to stała Plancka $6,63·10⁻³⁴ J·s$.

Vocabulary: Spektroskop - przyrząd do obserwacji widm, spektrograf - do rejestracji widm na kliszy fotograficznej, spektrometr - do pomiaru długości fal.