Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 18 dotazů obsahujících »relativistické«
11) Elektrony v atomových slupkách
13. 01. 2004
Dotaz: Není mi zcela jasné, jak si představit atom a jeho vrstvy. Elektrony ve vrstvách
obíhají v několika orbitalech, které tvoří různé prostorové tvary. Jak je ale
možné zařadit elektron do určité slupky, když se např. valenční elektron může
vyskytovat i v blízkosti jádra při pohybu ve vyšších orbitalech? (Janicka)
Odpověď: Stručně: slupka = energetická hladina. Různé slupky v atomu nelze
chápat jako nějaké části prostoru, kde by se elektrony výlučně nacházely,
ale jako různé hladiny energie elektronů.
Slupky K, L, M, ... jsou synonymem pro hlavní kvantové číslo n = 0, 1, 2,
..., které určuje energii elektronu na dané slupce (alespoň u atomu vodíku
v nerelativistické kvantové mechanice, u složitějších atomů a v
relativistickém popisu závisí energie též na vedlejším kvantovém čísle l)
Elektrony neobíhají v žádných vrstvách, mohou se nacházet takřka kdekoli
kolem jádra. Orbital je vlastně funkce, která nám říká, jak často se
elektron v různých místech nachází. Elektron obíhat, ve smyslu jak to
známe třeba u planet, ani nemůže, neboť nemůžeme zároveň přesně říci, kde
je a jakou má rychlost.
Máte zcela pravdu v tom, že i elektron ve valenčním orbitalu se může
nacházet v blízkosti jádra. Je sice pravda, že s rostoucí energií se
zvětšuje vzdálenost, ve je možné elektron nalézt, ale ten se stále může
nacházet kdekoli.
Není na tom nic divného, neboť při ionizaci se
fyzicky "nesetře" nejvzdálenější elektron, ale dojde k vyražení elektronu,
kterému dodaná energie stačí na opuštění atomu. Protože mají valenční
elektrony nejvyšší energii nad základním stavem, tj. mají nejmenší
vazbovou energii v atomu, je nejsnazší vyrazit právě je.
Na druhou stranu je také pravda, že s rostoucí energií se zvětšuje
nejpravděpodobnější poloměr, kde je možné elektron nalézt.
Uzavřené (tj. plně obsazené) slupky mají navíc symetrické elektronové
hustoty, a tak o prostorovém rozložení elektronového oblaku kolem atomu
rozhodují právě elektrony z vnějších nezaplněných slupek.
Dotaz: Pokud jsou dvě hvězdy od sebe velmi vzdálené, mají
stejnou hmotnost a jedna se srazí s tělesem a svou hmotnost změní, změní se
působící gravitační síla této hvězdy na druhou až po určité době. Žádná
informace se totiž nemůže šířit rychleji než legendárních 299
792 458 m/s a okamžitá změna by vlastně znamenala nekonečnou rychlost přenosu
informace.
Chci se zeptat: 1. Jak je potom možné, že se dvě častíce od sebe
vzdálené mohou ovlivnit okamžitě? Je to něco jako nelokální transformace.
Anebo 2. Co kdyby se ta informace o zmněně gravitačního pole přenesla z jedné
hvězdy na druhou přes červí díru (neboli skrz hyperprostor) a změna by se
udála najednou? (Mark D.)
Odpověď: Nejsem specialista v této oblasti, takže jen náznakem:
Částici míníte zřejmě kvantovou, nikoli makroskopickou. Popis
kvantových částic je však mnohem složitější, než jak se pro názornost
prezentuje, když se mluví o "částici". V kvantové teorii je "částice"
popsána např. svou vlnovou funkcí (nebo i jinak, např. stavovým vektorem -
ekvivalentním vlnové funkci, anebo maticí hustoty, jde-li o tzv. smíšený
stav) a její "poloha" není jejím prostým atributem, jako je tomu u částice
klasické, ale čímsi, čeho střední hodnota či pravděpodobnost výsledku
měření se z vlnové funkce (stavového vektoru, matice hustoty) počítá jako
výsledek působení oprátoru polohy částice, vyjádřeného způsobem
odpovídajícím zápisu vlnové funkce (stavového vektoru, matice hustoty). Za
obvyklých sitauací nejsou proto Vámi zmíněné relativistické efekty středem
zájmu a neuvažují se. (Asi jako když máte v elektronice ideové schéma
zvukového předzesilovače s filtry atd., na začátku máte slabý signál ze
snímací hlavy, na konec upravený a silnější signál postoupený dál.
Samozřejmě to nenarušuje zákon zachování energie, protože ten
předzesilovač je nějak napájený atd., ale Vás zajímá spíš jen osud signálu
a jeho změny než skutečnost, že se i zde zachovává energie.)
Pokud je mi známo, tak dosud není vytvořena vnitřně konzistentní teorie
zahrnující i kvantovou teorii, i obecnou teorii relativity; přesto pokládám
za přijatelné, že obě teorie jsou ve svých pracovních oborech natolik
správné (= v souladu s experimentem, s vnitřní konzistencí a se schopností
predikovat), že jsou prakticky použitelné a používané.
Dotaz: Nedovedu si vysvětlit jeden relativistický paradox: pokud se nějaké auto
pohybuje po síti, jejíž oka jsou v klidu stejně velká jako je rozměr auta,
pak při relativistických rychlostech se z pohledu sítě auto zkrátilo a mělo
by propadnout oky. Z pohledu auta se však zkrátila oka a auto propadnout
nemůže. Tuším, že snad za tím bude relativnost současnosti, ale nedokážu
přijít na to, jak. (Karel)
Odpověď: Tento paradox se často uvádí jako "poklop od kanálu". Snad Vám pomůže
následující výklad.
Nemůžeme si dovolit, aby poklop letěl napřed vodorovně a pak nad
kanálem skočil dolů; to by jednak nebyl rovnoměrný přímočarý pohyb, jednak
by jeho vodorovná složka rychlosti během skoku byla nulová a byla by věta
po kontrakci.
Představte si tedy, že poklop letí ke kanálu šikmo pod malým úhlem.
Poklop byl vodorovný, když stál, a se svou budoucí dráhou tedy svíral malý
úhel fí. Namalujte si to jako obrázek!!! Nyní pošleme poklop v "dárkovém
balení" - v pravoúhlé krabici, která má základnu rovnoběžnou se směrem
letu, a výšku na ni kolmou. (Dokreslete si krabici tak, že v ní poklop
vlastně tvoří uhlopříčku). Tato krabice - až se spolu s poklopem uvnitř
bude pohybovat - bude tedy zkrácená, ovšem výhradně ve směru svého pohybu,
a nikoli ve směru kolmém. Teď je vidět, co se stane s poklopem, který tvoří
uhlopříčku v (zkrácené) krabici. Jednak je kratší ve směru rovnoběžném s
letem, ale ve směru kolmém k letu se nezměnil. Je tedy šikmo! Pokud by při
pomalém, nerelativistickém pohybu těsně škrtal současně vpředu i vzadu, pak
zřejmě při rychlém, relativistickém letu bude škrtat taky, ale protože je
šikmo, škrtne si napřed vzadu, poté vepředu.
No a jak se to jeví človíčku v krabici s poklopem? Podobně. On a
poklop stojí, ale řítí se na něj silnice s otvorem. Když si zase podobně
dokreslíme krabici pro dárkové balení (ačkoliv posílat někomu dárkem díru v
silnici ...), pak je zřejmé, že i teď poklop škrtne těsně, ale z hlediska
silnice napřed vepředu, poté vzadu. Inu, současnost je relativní, tedy
závisí na systému, ze kterého dva "současné" děje v různých bodech prostoru
pozoruji ...
Dotaz: Chtěl bych se zeptat, zda je dnes považován za fyzikálnío
negramota někdo, kdo uznává hypotetický éter, který by
vysvětloval jak relativistické jevy (dilataci času a přírůstek
hmotnosti v závislosti na rychlosti atd), tak problém tzv.
zánikového rudého posuvu, kdy se kvasar vzdaluje rychlostí
4,3c a není třeba složitě měnit Hubbleovy rovnice.
Že se nepodařilo éter experimentálně prokázat, může být také
tím, že hmotnost jeho částice je řádově 10^-24. (Ondřej Loptar)
Odpověď: Za správnou otázku nepovažuju to, kdo je fyzikální negramot,
ale jaké hypotézy byly již ověřeny či vyvráceny. Éter ve
smyslu konce předminulého století asi vyvrácen byl, vákuum
má ovšem netriviální vlastnosti a do jisté míry se na ně
můžete dívat jako na "éter". Upřesněte, jaké
teorie máte přesně na mysli a obrátíme se na kolegy, kteří
mají k relativitě a astrofyzice blíže.
Dotaz: Jede auto a váží 300Kg a jede rychlostí 70 Km/h. Řidič usne za volantem a rovnou to napálí do skály. A nyní je tu otázka: Jakou hmotnost mělo to auto ,když zrovna narazilo do skály (jelo 70 Km/h)? Prosím ,zašlete mi vzorec na tento příklad. A chci se ještě zeptat.Bude se ten vzorec hodit i na výpočet hmotnosti, když třeba to auto narazí do náklaďáku, který jede proti němu a ten náklaďák jede 50 Km/h a váží 800 Kg.. (Tomáš Rosička)
Odpověď: Milý pane, když při Vámi zmíněných rychlostech narazí
auto do skály, má pořád tu samou hmotnost jako v klidu
(relativistické efekty jsou v této situaci zanedbatelné). Jde
vám asi o něco jiného, jde o to, jak moc se to auto a řidič
rozbije. Ke zvládnutí podobných otázek fyzikové vynalezli
šikovnou veličinu, které říkají hybnost, a její vztah k
síle. Hybnost se spočítá podle vzorce hybnost =
hmotnost.rychlost. Aby se hybnost změnila, musí na těleso
působit síla, pak (změna hybnosti)/(doba změny) = průměrná
působící síla. Pak hybnost vašeho auta je 70 km/h. 300 kg =
21000 km.kg/h, v obvyklejších jednotkách 5830 kg.m/s (to vaše
auto je nějaké lehké, normální osobák má tak kolem
tuny...). Když je auto velmi pevné a nesnadno deformovatelné a
narazí do tvrdé skály, tak se může zastavit za velmi
krátkou dobu, například za setinu sekundy, pak průměrná
síla je 583 kN, tedy zhruba dvěstěkrát tíha auta. Je jasné,
že řidič tohle těžko přežije.
Když se auto deformuje snáze (tj. déle, udělá se to tak, že
přední část vozu je zkonstruována a připravena pro
deformaci a pohlcení energie), pak se šance na přežití
posádky trochu zvětší. V 70 km/h a při nárazu do skály
jsou ale šance posádky v jakémkoli autu asi malé.
Když jede zmíněný osobák proti náklaďáku, bude hybnost
osobáku zmíněných 21 000 km.kg/h, hybnost náklaďáku z
druhé strany 40 000 km.kg/h. Celková hybnost se v takovýchto
srážkách zachovává, takže ono sražené souautí se bude
pohybovat ve směru náklaďáku (jeho hybnost převládla) s
hybností 40 000 - 21 000 = 19 000 km.kg/h a bude mít celkovou
hmotnost 800+500=1300 kg, tedy podle vzorce pro hybnost bude mít
sražené souautí rychlost 14,6 km/h. Zkuste si spočítat už
sám, jaká byla změna hybnosti obou aut, k silám byste se
dostal, kdybyste uvažoval deformační vlastnosti obou aut. S
velkou pravděpodobností se zemře při všech vašich
příkladech. Chcete-li tomu rozumnět lépe, začtěte se do
nějaké fyziky resp. mechaniky, dívejte se na kapitoly o
hybnosti, energii, Newtonových zákonech ....
