Τυπολόγιο - Περίληψη Φυσικής Γενικής Παιδείας Γ Λυκείου

  

 Βασικές γνώσεις από την Φυσική της Γ Λυκείου Γενικής Παιδείας

Φυσικό μέγεθος	Σύμβολο	Μονάδα μέτρησης στο S.I
Μήκος κύματος	λ	m
Συχνότητα	f	Hz
Ταχύτητα	υ ή c	m/s
Μάζα σώματος	m	Κg
Μάζα πυρήνα	m	u (amu)
Δείκτης διάθλασης	n	Καθαρός αριθμός
Ατομικός αριθμός	Ζ	Καθαρός αριθμός(αριθμός πρωτονίων πυρήνα)
Μαζικός αριθμός	Α	Καθαρός αριθμός(αριθμός ίσος  με το άθροισμα των πρωτονίων και των νετρονίων του πυρήνα)
Αριθμός νετρονίων	Ν	Αριθμός νετρονίων πυρήνα (Ν=Α-Ζ)
Σταθερά του Planck	h	J*sec
Ενέργεια	Ε	J(Joule)
Ακτίνα (απόσταση)	r	m
Τάση (διαφορά δυναμικού)	V	V(Volt)
Ένταση ρεύματος	Ι	Α
Ισχύς	P	W
Φορτίο ηλεκτρονίου(μέτρο)	e	C(Coulomb)

Βασικοί τύποι

1. Θεμελιώδης εξίσωση της κυματικής:

c=λ∙f

στο κενό ή τον αέρα  η ταχύτητα του φωτός είναι c_o =3*10⁸ m/s ανεξάρτητα από το είδος της ακτινοβολίας αν δηλαδή είναι υπέρυθρη ή ορατή υπεριώδης ή ακτίνα Χ ή γ κλπ .

Όταν το φως αλλάζει μέσο διάδοσης δεν αλλάζει  συχνότητα αλλά αλλάζει   η ταχύτητά του  αλλά και το μήκος κύματός του και μάλιστα όταν το νέο μέσο είναι οπτικώς πυκνότερο (έχει πιο μεγάλο δείκτης διάθλασης) το φως  <<κόβει >> ταχύτητα και έχει πιο μικρό μήκος κύματος ενώ όταν είναι οπτικώς αραιότερο μεγαλώνουν και η ταχύτητα και το μήκος κύματος.

Στο κενό :

cο=λο∙f

 σε υλικό με δείκτη διάθλασης n :

c=λ∙f

( πάντα c≤ c_ο με το ίσον να ισχύει στο κενό και τον αέρα)

2.   ο ορισμός του δείκτη διάθλασης :

n= cο/c

και επειδή εδώ ο παρονομαστής c είναι πάντα μικρότερος ή ίσος του αριθμητή  c_ο θα ισχύει

n≥1

         με το ίσον όταν το μέσο διάδοσης είναι το κενό ή ο αέρας.

	n= cο/c= λο∙f / λ∙f= λο/ λ     ή  λο=n∙λ   ή  λ=λο/n
3.Ενέργεια ενός φωτονίου:Ε=h∙f  ή σε συνάρτηση με το μήκος κύματος  επειδή   f=c/λ       Ε=h ∙ c/λ

Η ορατή ακτινοβολία  έχει μήκος κύματος από 400nm ως 700nm περίπου

Η υπέρυθρη ακτινοβολία έχει μήκος κύματος πιο μεγάλο από την ορατή και κυμαίνεται από 700nm ως 10⁶nm ενώ

 η υπεριώδης ακτινοβολία έχει μήκος κύματος πιο μικρό από την ορατή και κυμαίνεται από 400nm  ως 1 nm.

Με αυξανόμενη προς τα δεξιά συχνότητα  f (ή ενέργεια Ε)  η σειρά είναι :

υπέρυθρες-ορατές-υπεριώδεις- ακτίνες Χ-ακτίνες γ ενώ με την ίδια σειρά το λ  μικραίνει από τα αριστερά προς τα δεξιά..

4.Επιτρεπόμενη τροχιά στο e του ατόμου του υδρογόνου :

rn= r1∙n2

5. επιτρεπόμενη τιμή ενέργειας:

Εn= E1/ n2

όπου n ο κύριος κβαντικός αριθμός (που ταυτίζεται με τον αριθμό της στοιβάδας)

r₁ η ακτίνα του  Bohr που αντιστοιχεί στην θεμελιώδη στοιβάδα του e του υδρογόνου  για n=1 (και είναι ίση με 0.53 ∙10^-10m) και E₁ η ενέργεια του e του ατόμου του Η  στην θεμελιώδη στοιβάδα (= -13,6 eV)

6.Διέγερση του ατόμου έχουμε όταν αυτό απορροφήσει ενέργεια (είτε με κρούση όπου η κινητική ενέργεια του βλήματος είναι μεγαλύτερη ή ίση με αυτήν που απαιτείται για την μετάβαση ,είτε με απορρόφηση φωτονίου κατάλληλης ενέργειας τόσης όσης απαιτείται για την μετάβαση )και έτσι το e του θα μεταπηδήσει σε τροχιά μεγαλύτερης ενέργειας (και ακτίνας) η ενέργεια που χρειάζεται να απορροφήσει ισούται με την απαιτούμενη αύξηση ενέργειας δηλαδή με την διαφορά :

ενέργεια στοιβάδας μεγαλύτερης ακτίνας πλην ενέργεια στοιβάδας μικρότερης ακτίνας πχ πόση ενέργεια χρειάζεται να απορροφήσει το άτομο του Η για να μεταβεί το e του από την θεμελιώδη στοιβάδα στην τρίτη στοιβάδα (στην 2^η διεγερμένη κατάσταση);Δίνεται 1 eV=1,6 ∙10^-19 J

Ε= Ε₃- Ε₁= E₁/ 3²-Ε₁= E₁/ 9-Ε₁= - 8/9Ε₁= -8/9 (-13,6 eV)= 8/9 ∙13,6 eV=

8/9 ∙13,6 ∙ 1,6 ∙10^-19 J=19,34 ∙10^-19 J (αφού 8/9 ∙13,6 ∙ 1,6=19,34)

7. Αποδιέγερση του ατόμου  το διεγερμένο άτομο αποδιεγείρεται σε αμελητέο χρόνο της τάξης του 10 ^-8 sec και κάνοντας ένα ή περισσότερα άλματα επανέρχεται στην θεμελιώδη στοιβάδα (n=1) , σε κάθε άλμα χάνει ενέργεια E  ίση με την διαφορά των ενεργειών των δυο στοιβάδων (ενέργεια μεγάλης ακτίνας πλην ενέργεια μικρότερης ακτίνας ) που γίνεται 1 φωτόνιο  που εκπέμπεται από το άτομο δηλαδή ισχύει  Ε=h ∙f

άρα f=E/h ή αν θέλω το λ  E =h ∙c/λ άρα λ∙Ε= h ∙c και τελικά  λ= h ∙c/Ε

έτσι αν είναι το e στην 2^η διεγερμένη κατάσταση το

διάγραμμα των ενεργειακών σταθμών είναι το ακόλουθο:

Στο σχήμα φαίνονται τα μήκη κύματος των φωτονίων που εκπέμπονται σε κάθε δυνατό άλμα του ηλεκτρονίου.

Οι δυνατές μεταπτώσεις όπως φαίνεται είναι είτε αποδιέγερση σε 2 άλματα (μεταπτώσεις) οπότε πρώτα μεταπίπτει από την 3^η στοιβάδα στην 2^η εκπέμποντας ένα φωτόνιο με ενέργεια ίση με την ενέργεια που χάνει το άτομο δηλαδή E₃-E₂   έτσι η συχνότητα του φωτονίου θα είναι  f₃ =(E₃-E₂)/h  και μετά από την 2^η στην 1^η εκπέμποντας ακόμα ένα φωτόνιο με συχνότητα f₂ =(E₂-E₁)/h  (πιο μεγάλη από την f₁αφού είναι πιο μεγάλος ο αριθμητής), μπορεί όμως να αποδιεγερθεί με ένα μόνο άλμα απευθείας από την 3^η στην 1^η οπότε εκπέμπει μόνο ένα φωτόνιο με συχνότητα

f₁=(E₃-E₁)/h  (που βέβαια είναι μεγαλύτερη και από τις άλλες δύο δυνατές δηλαδή είναι η μέγιστη εκπεμπόμενη συχνότητα).

Αν αποδιεγείρονται πολλά άτομα ταυτόχρονα από την 2^η διεγερμένη κατάσταση τότε θα εκπέμπονται όλες οι δυνατές συχνότητες δηλαδή φωτόνια με συχνότητες f₁(μέγιστη) ,f₂ και f₃ (ελάχιστη) ενώ αν αποδιεγείρεται μόνο ένα άτομο θα εκπέμπει το  πολύ 2 φωτόνια (με συχνότητες f₃  και f₂ ) ή ένα μόνο φωτόνιο με συχνότητα  f₁.

8. Ιονισμός ατόμου

 τώρα το άτομο (e)  απορροφά την απαιτούμενη ενέργεια  ώστε να ξεφύγει από την έλξη του πυρήνα και έτσι να βρεθεί εκτός του ηλεκτρικού πεδίου του πυρήνα (όπου

 Ε∞ ≥0= Ε_κιν )και το άτομο γίνεται θετικό ιόν , η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται να απορροφηθεί ώστε να ιονιστεί το άτομο λέγεται ενέργεια ιονισμού και είναι ίση με την αντίθετη της ενέργειας που είχε το e στην στοιβάδα που ήταν πριν π.χ. αν βρισκόταν στην 1^η στοιβάδα θα είναι Ε_ιον=-Ε₁   ( αφού σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργεια θα ισχύει Ε∞= Ε_ιον +Ε₁   )

9. Ακτίνες Χ

Παράγονται όταν ηλεκτρόνια μεγάλης ταχύτητας προσπίπτουν σε μεταλικό στόχο οπότε επιβραδύνονται απότομα και η ενέργεια που χάνουν γίνεται φωτόνιο μεγάλης συχνότητας(μεγαλύτερης από τις υπεριώδεις ακτίνες )

Αποτελούνται από σύνθετο φάσμα (ένα συνεχές και ένα γραμμικό , το συνεχές  έχει μέγιστη συχνότητα ανάλογη της  ανοδικής τάσης (ισοδύναμα έχει ελάχιστο λ αντιστρόφως ανάλογο της ανοδικής τάσης)ενώ  το γραμμικό εξαρτάται μόνο από το υλικό της ανόδου)

Η μέγιστη συχνότητα εκπέμπεται όταν η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου (eV) που γίνεται  κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου μετατρέπεται σε ενέργεια ενός φωτονίου (h ∙f) άρα ισχύει h ∙f _max= eV και τελικά

f max= eV/h

 ή αν θέλουμε την λ_min     : h ∙c/λ_min=eV  άρα

λ_min ∙ eV = h ∙c  και τελικά

λmin  = h ∙c  /( e∙V)

Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που φτάνουν στην άνοδο εξαρτάται από την ένταση του ρεύματος αφού Ι= q/t =N∙e όπου Ν ο αριθμός των ηλεκτρονίων που φτάνουν στην άνοδο ανά sec ,  η ηλεκτρική ισχύς  της λυχνίας είναι P=V∙I και αν εκπέμπεται 1 φωτόνιο από κάθε ηλεκτρόνιο που πέφτει στην άνοδο θα εκπέμπονται Ν φωτόνια ανά sec  οπότε αν δεχτούμε ότι εκπέμπονται φωτόνια μιας συχνότητας τότε η ισχύς της φωτεινής δέσμης θα είναι Ν ∙Ε_φ (Watt)

Ραδιενέργεια : αποτελείται από ακτίνες α (πυρήνες Ηe) , ακτίνες β (β^- που είναι e ή ακτίνες β⁺ που είναι ποζιτρόνια δηλαδή e με θετικό φορτίο) και ακτίνες γ (που είναι φωτόνια πολύ μεγάλης ενέργειας και δεν εκτρέπονται ούτε από ηλεκτρικό ούτε από μαγνητικό πεδίο ενώ οι α και οι β εκτρέπονται ειδικά οι α και οι β^-  εκτρέπονται σε αντίθετες κατευθύνσεις από το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο και μάλιστα σε διεύθυνση παράλληλη με την ένταση του ηλεκτρικού και κάθετη με την ένταση του μαγνητικού πεδίου  αντίστοιχα )

Αρχή διατήρησης του ατομικού αριθμού : σε κάθε πυρηνική αντίδραση διατηρείται ο ατομικός αριθμός (δηλαδή Ζ_{ολικό , α μέλους} = Ζ_{ολικό ,β  μέλους} )

Αρχή διατήρησης του μαζικού αριθμού : σε κάθε πυρηνική αντίδραση διατηρείται ο μαζικός αριθμός  (δηλαδή Α_{ολικό , α μέλους} = Α_{ολικό ,β  μέλους} )

Πυρηνικά σύμβολα :

στοιχείου(ατόμου)   _ΖΧ^Α  παράδειγμα : πυρηνικός τύπος (ατόμου )άνθρακα   ₆C¹³

άρα το άτομο του C αυτό έχει Ζ=6 (ατομικός αριθμός) άρα στον πυρήνα του έχει  6 πρωτόνια και ο ατομικός του αριθμός Α είναι 13 άρα έχει Ν=Α-Ζ=13-6=7 νετρόνια μέσα στον πυρήνα του ενώ γύρω του περιφέρονται 6 ηλεκτρόνια (όσα και τα πρωτόνια του πυρήνα του αφού το άτομο είναι ουδέτερο)

ηλεκτρόνιο (ακτίνα β^-) : _-1e⁰  , ποζιτρόνιο (ακτίνα β⁺)  : _-1e⁰ ,πρωτόνιο:  ₊₁p¹

νετρόνιο : _on¹ , ακτίνα α(πυρήνας He) : ₂He⁴

1^ο παράδειγμα πυρηνικής αντίδρασης : διάσπαση α πυρήνα ₉₂U²³⁸, βρείτε τα Ζ και Α του Th.

Eδώ εκπέμπεται σωμάτιο α (₂He⁴) από τον πυρήνα ουρανίου (μητρικός)και παράγεται έτσι νέος (θυγατρικός )πυρήνας θορίου

₉₂U²³⁸  →  _ΖTh^Α + ₂He⁴  επειδή ισχύουν οι  αρχές της διατήρησης του ατομικού και του μαζικού αριθμού  θα έχουμε : 92=Ζ+ 90 και 238=Α+4 άρα  Ζ=90 και Α=228   

2^ο παράδειγμα πυρηνικής αντίδρασης : διάσπαση β^- του    ₆C¹⁴

εδώ ο μητρικός πυρήνας (άνθρακας) ξέρουμε ότι εκπέμπει ένα  _-1e⁰

και προκύπτει έτσι νέος πυρήνας σύμφωνα με το σχήμα:

 ₆C¹⁴  →  _ΖΧ^Α + _-1e⁰  τώρα μένει να βρούμε  τα Ζ και Α, επειδή ισχύουν οι  αρχές της διατήρησης του ατομικού και του μαζικού αριθμού  θα έχουμε : 6=Ζ+ (-1) και 14=Α+ο άρα  Ζ=7  και Α=14 

3^ο παράδειγμα πυρηνικής αντίδρασης: εκπομπή ακτίνων γ από διεγερμένο πυρήνα

₈₆Rn*²²²:

 ₈₆Rn*²²²  → ₈₆Rn²²² + γ (φωτόνιο)

εδώ δεν προκύπτει νέος πυρήνας απλώς αποδιεγείρεται ο διεγερμένος πυρήνας είτε αυθόρμητα (αν είναι πυρήνας φυσικού ραδιενεργού στοιχείου)είτε γιατί νωρίτερα προέκυψε από κάποια άλλη πυρηνική αντίδραση και βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση οπότε σύντομα αποδιεγείρεται εκπέμποντας ακτίνες γ. 

Εφαρμογές της ραδιενέργειας

Τα ραδιενεργά σωματίδια χρησιμοποιούνται :

1. ως ιχνηθέτες πχ το ισότοπο του οξυγόνου Ο¹⁵ εισάγεται στο ριζικό σύστημα ενός φυτού  και μετρώντας την ραδιενέργεια στα διάφορα μέρη του φυτού εξάγουμε συμπεράσματα για την πορεία του μεταβολισμού στο φυτό.
2. στην ιατρική για απεικόνιση οργάνων πχ   το Ι¹³¹ εισάγεται στο ανθρώπινο σώμα ως ενέσιμο σε μικρή συγκέντρωση σε μορφή διαλύματος ΝαΙ  και απορροφάται από τον  θυρεοειδή αδένα  οπότε απεικονίζεται το όργανο με κατάλληλη ακτινογραφία (σπινθηρογράφημα) ή ασθενή ισότοπα όπως το Ο¹⁵

            χρησιμοποιούνται για τον ίδιο λόγο(τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίου ήPET) 

3. στην ιατρική για καταστροφή  όγκων
4. στην βιομηχανία για αποστείρωση και συντήρηση τροφίμων

Βλάβες από την ραδιενέργεια :

Η ραδιενέργεια αποτελείται από ακτίνες α , β και γ και μαζί με τα ταχέως κινούμενα νετρόνια  αλλά και τα υψηλής ενέργειας φωτόνια όπως οι ακτίνες Χ αλλά και οι υπεριώδεις ακτίνες ανήκουν  στις ιονίζουσες ακτινοβολίες δηλαδή     μπορούν να ιονίσουν κύτταρά μας με συνέπεια να είτε την καταστροφή τους είτε την δημιουργία διαταραχών στο DNA των κυττάρων που αν  είναι σωματικά κύτταρα  γίνονται καρκινογόνα αφού πολλαπλασιάζονται ανεξέλεγκτα οπότε οδηγούν σε επικίνδυνες καταστάσεις για την ζωή του λήπτη ενώ αν είναι γενετικά

κύτταρα ο κίνδυνος αφορά τις επόμενες γενιές αφού η ματάλλαξη μεταφέρεται στους απογόνους του λήπτη.