6.1 Atom
Mikrosvět
● atomy, molekuly
● starověké Řecko … atomismus jako filosofická
škola; název atom převzali přírodovědci novověku
● koncem 19. století se ukazuje, že existují menší
částice než atom … elektrony
● objevitel elektronu Joseph John Thomson usuzuje,
že elektricky nabité elektrony jsou součástí atomů
(elektricky neutrálních) a navrhuje první model
struktury atomu – tzv. pudinkový model atomu
Zrození kvantové fyziky
1900
● německý fyzik Max Planck navrhuje vysvětlení
záření černého tělesa, založené na myšlence, že
atomy mohou vyzařovat energii jen v určitých,
přesně určených porcích, tzv. kvantech, jejichž
energie je
● kde h = 6,626.10-34
J.s je Planckova konstanta
a f je frekvence záření (viz elmg. spektrum)
E = h f
Čárové spektrum atomu vodíku
● podobně jako energie fotonů (částic elmg. záření)
je kvantována také energie elektronů uvnitř atomů
● důsledkem je vznik čárových spekter atomů
● emisních (záření zahřátého plynu)
● absorpčních (pohlcování určitých frekvencí
slunečního spektra při průchodu plynem
● toto vysvětlení fyzikové odhalovali několik
desetiletí, nejprve byly experimentálně pozorovány
a jednoduchými vzorci popsány série spektrálních
čar; jako první ve viditelné a UV části spektra tzv.
Balmerova série
Čárové spektrum atomu vodíku
● frekvence záření (fotonu) vyzářeného při přechodu
mezi energetickými hladinami s hlavními kvantovými
čísly n a m vypočteme podle vztahu
● pro Balmerovu sérii m = 2 konkrétně
f =
En−Em
h
=
me
4
8e0
2
h
3  1
m
2
−
1
n
2 
f =
En−E2
h
=
me
4
8e0
2
h
3 1
2
2 −
1
n
2 
Fotoelektrický jev
● emise elektronů z atomů vlivem dopadajícího
elmg. záření
● elektrický proud je úměrný intenzitě dopadajícího
světla, ale pro frekvenci f nižší než mezní f0
nenastává fotoelektrický jev vůbec !!!
● záhadu vysvětlil Albert Einstein v roce1905
a nejen za to získal Nobelovu cenu roku 1921
E = h f = W v  Ek f 0 =
W v
h
Dualismus vlna - částice
korpuskulárně vlnový dualismus
● pozorován nejprve u světla (fotony)
●
de Broglieova hypotéza  další lehké částice
● difrakce elektronového paprsku skutečně nastává
● využití v krystalografii, v elektronovém mikroskopu
●
paradoxy kvantové mechaniky  tunelový jev
(elektrony „prochází zdí“ - energetickou bariérou)
●
Heisenbergovy relace neurčitosti  nemožnost
určit současně přesně polohu a rychlost částice
(např. polohu elektronu v atomu nelze přesně určit)
Modely atomu
vývoj představ o atomu a jeho struktuře
● atom = nedělitelná částice (malá kulička)
● Thomsonův pudinkový model (elektrony … hrozinky)
● Rutherfordův objev … malé kladné jádro
● Bohrův planetární model (miniaturní Sluneční s.)
● elektrony mají na rozdíl od planet povolené
jen některé dráhy (viz čárová spektra)
● planetární model je dodnes populární, protože
je velmi názorný, ale bohužel není přesný !!!
●
dnešní  kvantově mechanický model atomu
místo přesných drah jen pravděpodobnost výskytu
Kvantově mechanický model atomu
● stabilní soustava částic o rozměru 10-10
m
● malé kladné jádro o rozměru 10-15
m
● v jádře je skoro všechna hmotnost atomu
● elektronový obal atomu
● elektrony mají pravděpodobnost výskytu
popsanou tzv. orbitaly s různými tvary
● v jednom orbitalu může být pouze jeden
elektron, nebo jedna dvojice elektronů
s opačnými spiny (Pauliho princip)
● při přeskoku elektronu z jedné dráhy na druhou
se vždy buď vyzáří, nebo pohltí foton s energií
danou rozdílem energií příslušných orbitalů
6.2 Jádro atomu
Objev jádra atomu
● Ernest Rutherford, při ostřelování kovové fólie
částicemi a většina částic projde, ale některé se odrazí
Objev struktury jádra
● jádro se skládá z protonů a neutronů
● neutron objevil James Chadwick
Objev silné interakce (jaderných sil)
● jak je možné, že se jádro s mnoha protony nerozpadne?
● na malé vzdálenosti působí tzv. silná interakce, která je
silnější než elektrostatické odpuzování
● teoretické vysvětlení podal Hideki Yukawa
Složení jádra atomu
Částice jádra
● nukleony = protony p+
a neutrony n0
nukleonové číslo = protonové číslo + neutronové číslo
Izotopy
● stejné protonové číslo = atomové číslo (vyjadřuje
i počet elektronů v obalu; různý počet neutronů
● příklad: obyčejný vodík, těžký vodík (deuterium),
supertěžký vodík (tritium)
● izotopy mají stejné chemické vlastnosti, ale různé
fyzikální vlastnosti
A = Z  N
Izotopy, nuklidy, stabilita atomů
Nuklidy
● přírodní prvky jsou směsí různých izotopů
● skládá-li se (uměle připravená) látka jen z jednoho
izotopu, nazýváme ji nuklid
Označování izotopů a nuklidů
● atomovým a nukleonovým číslem
● pouze nukleonovým číslem
● příklady: H 1, H 2, C 12, C 14,
P32, Fe 56, U 238, U 235 … přepište prvním způsobem!
Stabilita atomů stabilní X nestabilní (radioaktivní)
Z
A
X
X A
Radioaktivita – typy záření
● radioaktivní prvky samovolně vyzařují částice
●
při záření typu a a b dochází k přeměně na jiný
chemický prvek
●
záření a je nejméně pronikavé, z radoaktivního
atomu vyletí skupina 2 protonů a 2 elektronů, tedy
jádro atomu hélia
●
záření b je proud elektronů (případně pozitronů)
b nebo
b +
●
záření g je proud fotonů, tedy elmg. záření o velmi
malé vlnové délce
2
4
a
Radioaktivita – veličiny
● poločas rozpadu T je doba, za kterou se přemění
(rozpadne) polovina atomových jader v daném vzorku
látky (může jít o minuty i o tisíce let)
● praktické užití má uhlík C 14 s poločasem rozpadu
T = 5730 roků; podle % jeho obsahu se určuje stáří
kosterních nálezů a jiných věcí organického původu
● aktivita A je počet radioaktivních přeměn vzorku
za 1 s; [A] = 1 Bq (becquerel)
● aktivita vzorku exponenciálně klesá, za dobu T klesne
na polovinu
Dozimetrické veličiny
● dávka D se měří energií pohlcenou organismem
na 1 kg hmotnosti; [D] = Gy = J.kg-1
(gray)
● dávkový ekvivalent DQ se vypočítá z dávky D
vynásobením koeficientem Q, jehož hodnota
závisí na druhu záření (částic); [DQ] = Sv
http://cs.wikipedia.org/wiki/Sievert
● měřením a zkoumáním účinků záření na lidský
organismus se zabývá dozimetrie
Historie objevování radioaktivity
● W. C. Röntgen - paprsky X (1895)
● A. H. Becquerel – radioaktivita smolince (1896)
dává podnět svým nejlepším žákům 
● P. Curie a M. Curie-Sklodowská získají ze smolince
malé množství dosud neznámých prvků, kterým dají
jména polonium (1898) a radium (1902)
● I. Curie a F. Joliot-Curie vytvořily umělé radioaktivní
izotopy – objev umělé radioaktivity
6.3 Částice a urychlovače
Látka ve Sluneční soustavě
● její stavba a fyzikální a chemické vlastnosti se dají
vysvětlit strukturou atomů a chemickými vazbami
● lze říct, že se skládá ze tří druhů částic – protonů
a neutronů v jádře a elektronů tvořících obal atomu
Moderní fyzikální pozorování a experimenty
● dokázaly, že elementárních částic je mnohem víc
●
a že ke každé částici existuje antičástice (+ / -)
● první antičástice … pozitron (kladný elektron)
objeven pozorováním v kosmickém záření r. 1932
Čtyři druhy sil mezi částicemi
Které síly (interakce) známe
● gravitační
● elektromagnetické
● silné
● slabé
Gravitační interakce
● je nejslabší, mezi malými částicemi se téměř
neuplatní, ale je univerzální a má velký vliv
v kosmickém měřítku (hvězdy a planety, galaxie,
kupy galaxií), tedy u velmi hmotných objektů
Čtyři druhy sil mezi částicemi
Elektromagnetická interakce
● je mnohem silnější než gravitační, váže elektrony
do obalu atomu, je podstatou iontové vazby, tření,
svalových pohybů
● má velký vliv v mikrosvětě i v planetárním měřítku,
ale v kosmickém měřítku se neuplatní, protože velká
kosmická tělesa jsou jako celek elektricky neutrální
Silná a slabá interakce
● se projevují jen v mikrosvětě, ve světě elementárních
částic
Čtyři druhy sil mezi částicemi
Silná interakce
● drží nukleony pohromadě v atomovém jádře, které
by se jinak muselo odpudivou elektrostatickou silou
okamžitě „roztrhat“, je tedy ještě mnohem silnější
než elektromagnetická interakce
● ale má velmi malý dosah, působí pouze na krátké
vzdálenosti, odpovídající rozměrům atomových jader
Slabá interakce
● způsobuje např. beta rozpad atomového jádra (záření
typu β )
Částicová podstata interakcí
● současná fyzika si představuje, že síly mezi částicemi
vznikají tak, že si vzájemně vyměňují jiné částice
● můžeme si je představit jako hráči přehazující si míč
● čím je „míč“ lehčí, tím má interakce větší dosah
(Házeli jste si medicinbalem?)
Výměnné částice
● silné interakce … gluony
● slabé interakce … intermed. bosony W+
, Wa
Z0
● elmg. interakce … fotony
● gravitace … gravitony (hypotetické částice)
Těžké a lehké částice
● současná fyzika si představuje, že lehké částice jsou
už opravdu elementární, nemají vnitřní strukuturu
● říká se jim leptony; patří mezi ně elektron, pozitron,
mion, tauon, neutrina
● těžké částice se skládají z kvarků (2 nebo 3) a drží
je pohromadě gluony tak silně, že samostatný kvark
nebylo zatím možné experimentálně izolovat
● ze 2 kvarků se skládají středně těžké mezony
● ze 3 kvarků těžší baryony, mezi které patří proton,
neutron, hyperony
● mezony a baryony se souhrnně nazývají hadrony
Jak se loví částice
● některé „exotické“ částice je občas možné zachytit
v kosmickém záření
● jistější je ovšem částice uměle „vyrobit“ pomocí
srážek jiných částic, urychlených na velmi vysokou
rychlost (a tedy vysokou kinetickou energii) pomocí
speciálních zařízení  urychlovače
● lineární urychlovače (statické elektrické pole)
● kruhové urychlovače
● cyklotron (statické mg. pole a střídavé
vysokofrekvenční elektrické pole)
● synchrofázotrony (synchrotrony)
Jak se loví částice
Synchrofázotrony
● používají počítačově řízená magnetická a elektrická
pole, synchronizovaná s pohybem částic tak, aby
byl zachován předem daný poloměr dráhy svazku
● využívají metodu vstřícných svazků, kdy se částice
pohybují proti sobě a „čelně“ se srážejí
● výbuchy při srážkách dávají vznik novým částicím,
„exotickým“, běžně nepozorovatelným
Zjistěte kdy a kde byl objeven
● antiproton
● intermediální bosony W+
, Wa
Z0
7.1 Sluneční soustava
Objekty
● Slunce – hvězda – centrální objekt naší soustavy
● 4 planety zemského typu … Merkur, Venuše, Země, Mars
● 4 velké planety … Jupiter, Saturn, Uran, Neptun
● zatím 3 trpasličí planety … Ceres, Pluto, Eris
● měsíce planet … Měsíc, Phobos, Deimos, Io, Ganymed,
Calisto, Europa, Charon, Nix, Hydra, …
● planetky (asteroidy) … Pallas, Juno, Vesta, ...
● komety … Enckeova, Hale-Boppova, Halleyova, Kohoutkova, …
● meteoroidy
Měření vzdáleností ve vesmíru
astronomická jednotka AU (astronomical unit)
● střední vzdálenost Země - Slunce
● 1 AU = 149 597 870 691 ± 30 m
● přibližně 1 AU ≈ 150 milionů kilometrů
parsek pc (paralaxa sekunda)
● je vzdálenost, ze které vidíme úsečku o délce 1 AU
pod úhlem o velikosti 1''
● 1 pc ≈ 206 265 AU ≈ 31 bilionů kilometrů
světelný rok ly (light year) … vypočtěte z rychlosti světla !
● je vzdálenost, kterou uletí světlo ve vakuu za 1 rok
Planety zemského typu
Merkur
● o něco větší než Měsíc, nemá atmosféru, rotuje velmi
pomalu, povrchová teplota 430 °C / - 170 °C
Venuše
● nazývaná také Jitřenka nebo Večernice, 3. nejjasnější
objekt na obloze, v dalekohledu srpek – jeví fáze
●
má velmi hustou atmosféru, povrchová t 470 °C
Mars
●
řídká atmosféra se stopami vody, t mezi – 90 °C
a 0 °C, délka dne skoro jako na Zemi; 2 měsíce
Velké planety
● nemají pevný povrch, jsou tvořeny vodíkem a heliem
Jupiter
● má mnoho měsíců, první čtyři Io, Ganymed, Callisto
a Europu objevil Galileo Galilei 1610
Saturn
● je znám svým prstencem, dobře viditelným v dalekohledu
Uran
● zajímavost: osa rotace leží v rovině oběžné dráhy
Neptun
7.2 Hvězdy a galaxie
Objekty
● Sluneční soustava „končí“ tzv. Oortovým oblakem
● poloměr Sluneční soustavy řádově 100 000 UA
● tedy průměr Sluneční soustavy je zhruba 1 pc
● nejbližší hvězda od SS: Proxima Centauri (1,3 pc)
● Galaxie (Mléčná dráha) – 1 z hvězdných ostrovů
uvnitř pustého Vesmíru, má tvar disku o průměru
28 000 pc (přibližně 100 000 světelných let)
● počet hvězd v naší Galaxii > 200 000, většina jich
je v plochém disku (obrovské CD), méně v halu
Měření vzdáleností ve vesmíru
astronomická jednotka AU (astronomical unit)
● střední vzdálenost Země - Slunce
● 1 AU = 149 597 870 691 ± 30 m
● přibližně 1 AU ≈ 150 milionů kilometrů
parsek pc (paralaxa sekunda)
● je vzdálenost, ze které vidíme úsečku o délce 1 AU
pod úhlem o velikosti 1''
● 1 pc ≈ 206 265 AU ≈ 31 bilionů kilometrů
světelný rok ly (light year) ≈ 9,46 bilionu kilometrů
1 ly ≈ 9,46 . 1015
m; 1 pc ≈ 3,262 ly
Hvězdy hlavní posloupnosti
Vývoj hvězdy
● hvězdy typu našeho Slunce vznikají společně se
svou planetární soustavou z hvězdné mlhoviny
● hlavní součástí látky v mlhovině je vodík
● při dostatečném smrštění látky a tlaku se zažehne
termonukleární reakce (vodík > helium)
● po „vyhoření“ paliva (vodíku) reakce na chvíli
vyhasne, dojde ke smrštění hvězdy, ale tím se
zažehne rekace, při níž vznikají těžší prvky (např.
uhlík, dusík, kyslík), ze Slunce se stane rudý obr
Konečná stádia vývoje hvězd
Naše Slunce
● po vyhasnutí všech termojaderných reakcí bude
chladnout, smršťovat se a skončí jako bílý trpaslík
O něco hmotnější hvězdy
● Než naše Slunce se budou smršťovat dál tak silně,
až se atomy zhroutí do jader a vznikne „superjádro“
složené ze samých neutronů … neutronová hvězda
● když neutronová hvězda vyzařuje elmg. záření
a rotuje, vnímáme to na Zemi jako radiové pulsy,
takovou zvláští hvězdu nazýváme pulsar
Konečná stádia vývoje hvězd
O hodně hmotnější hvězdy
● se hroutí ještě dál. Všechna látka se zhroutí do bodu
ve Vesmíru v němž je tak silná gravitace, že ani
fotony (částice světla) z něj nemohou uniknout.
● objekt, který vznikl se nazývá černá díra
● superhmotné černé díry jsou velmi pravděpodobně
ve středu většiny galaxií a také ve středu naší
Galaxie (Mléčné dráhy)
Typy hvězd a jejich vývoj
Typy hvězd
● jsou velmi rozmanité, my jsme se zabývali jen
hvězdami, které jsou podobné našemu Slunci
● ve Vesmíru jsou velmi časté dvojhvězdy, obecně
systémy složené z více hvězd
● dvojhvězdy mají často velmi bouřlivý vývoj
(exploze vedoucí ke vzniku nov a supernov)
Vesmír
● o Vesmíru stále mnoho nevíme ...
Určeno pro prezentaci přednášky Vybrané kapitoly z fyziky pro studenty OVP.
Byly použity materiály z http://www.musilek.eu/fyzika , které vycházejí z učebnice
Ivan Štoll: Fyzika pro netechnické obory SOŠ a SOU, Prometheus, Praha 2001