Isnin, Februari 26, 2024

Terbitan formula spektrum hidrogen menggunakan model Bohr

By the middle of the 19th century it was well known by chemists that excited hydrogen gas emitted a distinct emission spectrum. It was noted that the same lines were always present and that the spacing between these lines became smaller and smaller.

In 1885, the first person to propose a mathematical relationship for these lines was a Swiss high school physics teacher, J.J. Balmer. We now call hydrogen's visible spectrum the Balmer series. Balmer's empirical formula exactly matched the experimentalists' observed wavelengths.
$$
\frac{1}{\lambda}=R\biggl(\frac{1}{2^{2}}-\frac{1}{n^{2}}\biggr)~\text{where}\:n\in\bigl(3,4,5,6\bigr)
$$
Where R is called the Rydberg constant and has a well-established value of 1.0974 \times 10$^{7}$ m$^{-1}$ It wasn't until 1913 that Niels Bohr developed a theory of the atom that explained why this formula worked.

In an hydrogen atom, the centripetal force is being supplied by the coulomb force between it and the proton in the hydrogen nucleus.
\begin{aligned}F_{centripetal}&=F_{electrostatic}\\\frac{m\nu_{n}^{2}}{r_{n}}&=\left|k\frac{-e\left(Ze\right)}{r_{n}^{2}}\right|\\m\nu_{n}^{2}&=k\frac{Ze^{2}}{r_{n}}\end{aligned}
Remember that $\mathbf{Z}$ represents the atomic number (the number of protons), that electrons and protons have the same magnitude charge, te, ard that a negative F electrostatic merely means that the electrostatic force is attractive. Also note that the values of $v_n$ of $r_n$ are unknowns in this equation.

As a means of evaluating these two unknowns, Bohr first hypothesized that the electron's angular momentum was quantized.
\begin{aligned}
\text{L}&=n\left({\frac{h}{2\pi}}\right) \\
\text{I}\omega&=n\left(\frac{h}{2\pi}\right) \\
mr_{n}^{2}\left(\frac{\nu_{n}}{r_{n}}\right)&=n\biggl(\frac{h}{2\pi}\biggr) \\
mv_{n}r_{n}&=n\left(\frac{h}{2\pi}\right)
\end{aligned}
Upon solving the angular momentum equation for $\mathbf{v}_{n\cdot}$ substituting it into the centripetal force equation yields the following expfession for $r_{n}$\begin{aligned}
m\nu_{\pi}^{2}&=k\frac{ze^{2}}{r_{n}} \\
m\left({\frac{nh}{2\pi mr_{n}}}\right)^{2}&=k\frac{ze^{2}}{r_{n}} \\
m\left(\frac{n^{2}k^{2}}{4\pi^{2}m^{2}r_{n}^{2}}\right)&=k\frac{ze^{2}}{r_{n}} \\
\frac{n^{2}h^{2}}{4\pi^{2}mr_{n}}&=kZe^{2} \\
\text{700}&=\frac{n^{2}h^{2}}{4\pi^{2}kmZe^{2}} \\
r_{R}&=n^{2}\left(\frac{h^{2}}{4\pi^{2}kmZe^{2}}\right)
\end{aligned}For a ground state hydrogen electron,
\begin{aligned}n&=1\:\text{and}\:Z=l\\r_1&=\frac{h^2}{4\pi^2kme^2}\\r_1&=0.53\times10^{-10}\:\text{meters}\end{aligned} or approximately half of an Angstrorn.
Bohr's second hypothesis in his model was that an eiectron only loses or reieases energy (and therefore a photon) when it goes trough de-excitation or drops from a higher energy state to a lower energy state. In order to determine the energy lost by the electron, an expression for an electron's total energy has to be developed.

Recall that the electric potential energy for an electron would equal
\begin{aligned}
E_{PE} &=qV_{abs} \\
E_{PE}& =-e\left(\frac{k(Ze)}{r_{n}}\right) \\
E_{PE} &=-\frac{k\left(Ze^{2}\right)}{r_{n}}
\end{aligned}
By extending the centripetal force relationship, an expression can also be derived for the electron's kinetic energy
\begin{aligned}
F_{centripetal}& =F_{electrostatic} \\
\frac{mv_{n}^{2}}{r_{n}}& =\left|k\frac{-e(Ze)}{r_{n}^{2}}\right| \\
m\nu_{n}^{2}& =k\frac{Ze^{2}}{r_{n}} \\
\frac{1}{2}m\nu_{n}^{2}& =k\frac{Ze^{2}}{2r_{n}} \\
KE& =k\frac{Ze^{2}}{2r_{n}}
\end{aligned}
Thus, the total energy, \(E_n\) , of an electron equals
\begin{aligned}
E_{n}& =E_{PE}+KE \\
&=-\frac{k\left(Ze^{2}\right)}{r_{n}}+k\frac{Ze^{2}}{2r_{n}} \\
&=-k\frac{Ze^{2}}{2r_{n}}
\end{aligned}
In this equation, notice that the total energy is negative. This is interpreting as meaning that the electron is trapped in an energy well about the nucleus; that is, it would take the addition of energy to ionize or free the electron.

Substituting in the value for r$_{1}$ into this total energy expression yields a ground state energy of 2.18 x 10$^{-18}$ Joules or \(-13.6 \text{eV}\) for a hydrogen atom. Using the fact that $r_n=n^2r_1$
\begin{aligned}r_n&=n^2\bigg(\frac{h^2}{4\pi^2kmZe^2}\bigg)\\r_n&=n^2r_1\end{aligned}
we can now generated the first four energy levels for hydrogen.
\begin{aligned}
&E_1 \text{= -13.6 eV} \\
&E_2 =E_1/2^2=-3.4\mathrm{~eV} \\
&E_3 =E_1/3^2=-1.51\mathrm{~eV} \\
&E_4 =E_1/4^{2}=-0.85\mathrm{eV}
\end{aligned}
Bohr's second hypothesis combined with Planck's formula for quantized energy \(E = hf\) will now allow us to derive Balmer's equation. Remember that the energy released by the electron during de-excitation equals the energy of the emitted photon.

Let's begin by assuming that an electron is falling from \(E_j\) , a high energy state, to \(E_i\) , a lower energy state.
\begin{aligned}
\Delta E& =E_{j}-E_{i} \\
\Delta E& =-k\frac{Ze^{2}}{2r_{j}}-\left(-k\frac{Ze^{2}}{2r_{i}}\right) \\
\Delta E& =-k\frac{Ze^{2}}{2}\left(\frac{1}{r_{j}}-\frac{1}{r_{i}}\right) \\
\text{where}~r_{n}& =n^{2}\left(\frac{h^{2}}{4\pi^{2}kmZe^{2}}\right) \\
\Delta E& =-k\frac{Ze^{2}}{2}\left(\frac{1}{j^{2}\left(\frac{h^{2}}{4\pi^{2}kmZe^{2}}\right)}-\frac{1}{i^{2}\left(\frac{h^{2}}{4\pi^{2}kmZe^{2}}\right)}\right) \\
\Delta E& =-k\frac{Ze^{2}}{2}\Bigg(\frac{4\pi^{2}kmZe^{2}}{h^{2}}\Bigg)\Bigg(\frac{1}{j^{2}}-\frac{1}{i^{2}}\Bigg) \\
\Delta E& =-k^{2}\frac{2\pi^{2}mZ^{2}e^{4}}{h^{2}}\Bigg(\frac{1}{j^{2}}-\frac{1}{i^{2}}\Bigg) \\
\Delta E& =k^{2}\frac{2\pi^{2}mZ^{2}e^{4}}{h^{2}}\left(\frac{1}{i^{2}}-\frac{1}{j^{2}}\right) \\
\Delta E_{\text{lost by the electron}}& =E_{\text{photon}}=hf=h\frac{c}{\lambda} \\
h{\frac{c}{\lambda}}& =k^{2}\frac{2\pi^{2}mZ^{2}e^{4}}{h^{2}}\left(\frac{1}{i^{2}}-\frac{1}{j^{2}}\right) \\
\frac{1}{\lambda}& =k^{2}\frac{2\pi^{2}mZ^{2}e^{4}}{ch^{3}}\left(\frac{1}{i^{2}}-\frac{1}{j^{2}}\right) \\
F_{or}Z& =1, \\
\frac{1}{\lambda}& =k^{2}\frac{2\pi^{2}me^{4}}{ch^{3}}\left(\frac{1}{i^{2}}-\frac{1}{j^{2}}\right) \\
\frac{1}{\lambda}& =1.097\times10^{7}\left(\frac{1}{i^{2}}-\frac{1}{j^{2}}\right) \\
\frac{1}{\lambda}& =R\left(\frac{1}{i^{2}}-\frac{1}{j^{2}}\right)
\end{aligned}
If we let \(i = 2\), and \(j\in\{3,4,5,6\}\) then we have derived Balmer's empirical formula.
Share:

Neutron dan Penyederhanaan dalam Reaktor Nuklear

Neutron yang dihasilkan semasa pembelahan nuklear biasanya cepat dan bertenaga. Walau bagaimanapun, untuk tindak balas berantai yang berterusan, neutron yang lebih perlahan adalah lebih berkesan untuk mendorong pembelahan dalam bahan boleh pembelahan seperti uranium. Di sinilah bahan sederhanaan masuk.

Air sebagai bahan Penyederhana:
  • Nukleus hidrogen: Air biasa (H₂O) mengandungi atom hidrogen, yang jisimnya hampir dengan neutron. Ini menjadikan mereka cekap dalam memperlahankan neutron pantas melalui perlanggaran anjal, memindahkan tenaga tanpa tangkapan.
  • Penyerapan neutron: Walau bagaimanapun, air juga menyerap beberapa neutron melalui tindak balas dengan proton (nukleus hidrogen): `n + p -> d + γ`, dengan `d` ialah atom deuterium (hidrogen berat) dan ` γ` ialah sinar gamma. Penyerapan ini mengehadkan keberkesanan air, terutamanya dalam reaktor yang menggunakan uranium tidak diperkaya, di mana ekonomi neutron adalah penting.

Air Berat sebagai Penyederhana Unggul:
  • Kelebihan Deuterium: Air berat (D₂O), di mana satu atom hidrogen dalam setiap molekul digantikan oleh deuterium, menawarkan peningkatan yang ketara. Nukleus Deuterium lebih dekat dalam jisim kepada neutron, meningkatkan lagi kesan memperlahankannya.
  • Penyerapan berkurangan: Lebih penting lagi, deuterium mempunyai keratan rentas serapan neutron yang jauh lebih rendah berbanding hidrogen, dengan ketara mengurangkan kadar tindak balas `n + p -> d + γ`. Ini menjadikan air berat sebagai penyederhana pilihan untuk reaktor yang menggunakan uranium semula jadi, di mana penggunaan neutron yang cekap adalah penting.
----

Kedua-dua air dan air berat boleh memperlahankan neutron, tetapi air berat secara amnya lebih berkesan kerana penyerapan neutronnya yang lebih rendah. Pilihan penyederhana bergantung pada jenis reaktor dan komposisi bahan api.

Penyerapan neutron dan tangkapan neutron adalah konsep yang berbeza: penyerapan merangkumi sebarang interaksi yang mengeluarkan neutron daripada kolam yang tersedia, manakala tangkapan merujuk secara khusus kepada pembentukan isotop baharu.
Share:

Ahad, Februari 25, 2024

Memahami Nombor Kuantum: Panduan Komprehensif

Nombor Kuantum Utama (\(n\)): Nombor ini menentukan tahap tenaga atau petala bagi elektron dalam atom. Ia boleh mengambil sebarang nilai integer positif bermula dari 1. Semakin besar nilai \(n\), semakin jauh elektron dari nukleus dan semakin tinggi tenaganya.

Nombor Kuantum Orbital (\(l\)): Nombor ini mentakrifkan bentuk orbital, dan ia boleh mengambil sebarang nilai integer dari \(0\) hingga \(n-1\). Untuk n tertentu, l menyatakan subpetala. Contohnya, jika \(l=0\), ia adalah orbital \(s\); jika \(l=1\), ia adalah orbital \(p\); jika \(l=2\), ia adalah orbital \(d\); dan jika \(l=3\), ia adalah orbital \(f\).

Nombor Kuantum Orbital Magnetik (\(m_l\)): Nombor ini menerangkan orientasi orbital dalam ruang. Ia boleh mengambil sebarang nilai integer antara -l dan +l, termasuk 0. Contohnya, orbital \(p\) (di mana \(l=1\)) boleh mempunyai tiga orientasi, jadi \(m_l\) boleh menjadi -1, 0 atau +1.Nombor Kuantum Putaran Magnetik (m_s): Nombor ini menerangkan putaran elektron, yang boleh sama ada +1/2 (keadaan putaran) atau -1/2 (keadaan putaran ke bawah).

Nombor Kuantum Putaran Magnetik (\(m_s\)): Nombor ini menerangkan putaran elektron, yang boleh sama ada +1/2 (keadaan putaran) atau -1/2 (keadaan putaran ke bawah).

Secara ringkasnya, \(n\) menentukan tahap tenaga, \(l\) menentukan bentuk orbital, \(m_l\) menentukan orientasi orbital itu, dan \(m_s\) menentukan keadaan putaran elektron. Empat nombor kuantum ini bersama-sama mentakrifkan keadaan elektron dalam atom.
Share:

Jumaat, Februari 23, 2024

Hipotesis Neutrino dan penyelesaian terhadap teori Pereputan Beta

Selama berabad-abad, sifat pereputan beta membingungkan saintis. Pemerhatian ketidakseimbangan tenaga dalam nukleus pereputan beta membawa kepada hipotesis terobosan neutrino, yang dicadangkan oleh Wolfgang Pauli pada tahun 1930. Terdapat zarah aneh yang tidak mempunyai jisim atau cas pada mulanya. Ia mengambil tenaga dan momentum yang seolah-olah hilang. Ini menyelesaikan masalah melanggar hukum keabadian.


Teori pereputan beta mempostulatkan perubahan neutron dalam nukleus kepada proton, elektron (zarah beta), dan neutrino. Proses ini mengubah nombor atom nukleus, menerangkan transformasi radioaktif yang diperhatikan. Hipotesis neutrino adalah asas fizik nuklear, kemudian disahkan oleh pengesanan neutrino pada tahun 1956.

Namun terdapat lebih banyak lanjutan daripada ini. Para saintis mendapati bahawa terdapat pelbagai jenis neutrino, yang bermaksud bahawa nukleus mempunyai interaksi yang lebih rumit. Model Piawai fizik zarah dengan kemas termasuk neutrino, memberikan jisim dan jenis yang berbeza. Penyelidikan semasa terus mengkaji ciri-ciri mereka, mempelajari lebih lanjut tentang daya asas alam semesta dan mungkin mencari fizik baharu yang tidak dijelaskan oleh Model Piawai.
Share:

Khamis, Februari 22, 2024

Eksperimen Stern Gerlach dan spin elektron

Spin Elektron: Sifat Kuantum yang Unik
Putaran elektron ialah sifat asas elektron yang menarik. Ia sering digambarkan sebagai elektron "berpusing" pada paksinya, tetapi analoginya tidak sempurna. Dalam dunia kuantum, keadaan menjadi pelik.

Ia bukan seperti berputar dalam fizik klasik. Jangan fikir yang elektron kecil adalah seperti bola yang berputar. Walaupun ia mempunyai momentum sudut (seperti objek berputar), ia bukan disebabkan oleh putaran sebenar. Putaran ialah sifat intrinsik, yang bebas daripada pergerakan elektron.

Tidak seperti objek klasik yang boleh berputar pada pelbagai kelajuan, putaran elektron hanya boleh "up" dan "down". Ini diwakili oleh nombor kuantum putaran \(+\frac{1}{2}\) dan \(-\frac{1}{2}\) masing-masing. Fikirkan ia seperti syiling yang hanya boleh mendarat di kepala atau ekor. Sistem binari sedemikian? Tetapi ada soalan lanjut. Mengapa hanya terdapat dua keadaan putaran? La adri.

Walaupun tanpa putaran fizikal, elektron berputar mencipta medan magnet yang kecil, sama seperti wayar pembawa arus. Momen magnetik ini memainkan peranan penting dalam pelbagai fenomena, termasuk kemagnetan dan kelakuan elektron dalam atom.

Eksperimen Stern Gerlach
Eksperimen Stern Gerlach adalah mengenai kewujudan putaran elektron, yang telah dijalankan pada tahun 1922. Suatu elektron yang kelihatan paradoks berputar pada paksinya. Dengan memesongkan atom perak melalui medan magnet yang tidak homogen, eksperimen mendedahkan bahawa atom berkelakuan seolah-olah mereka mempunyai momentum sudut intrinsik, bebas daripada gerakan orbitnya. Ini mengukuhkan konsep putaran elektron, satu aspek penting dalam teori atom moden. Stern Gerlach memperhalusi pemahaman atom dengan mendedahkan sifat asas elektron.



Share:

Sabtu, Februari 17, 2024

Hubungan Komposisi OOP dalam C++

Apakah Hubungan Komposisi (Composition Relationship) Objek?
- In object-oriented programming (OOP), object composition refers to building complex objects by combining simpler ones.
- Imagine assembling a mobile phone: it consists of various components like a camera, battery, screen, and sensors. Each of these components is a simpler object.
- The process of creating a mobile phone by putting together these components is an example of object composition.
Share:

Sabtu, Februari 10, 2024

Kritikan terhadap sistem merit pelajar USM - Kepincangan objektif pembangunan pelajar

Sistem meritokrasi atau lebih dikenali sebagai sistem penilaian suatu individu berdasarkan prestasi, kebolehan dan usaha yang mereka tunjukkan. Bagaimanakah kita melihat suatu sistem ini dapat memberi pembangunan yang baik bagi seorang pelajar? Misalnya di Universiti Sains Malaysia (USM), pelajar menyertai pelbagai program-program di universiti tidak lain adalah tujuannya untuk mendapatkan mata merit. Cara paling mudah untuk memperolehi mata merit adalah dengan menyertai program "talk" yang dianjurkan secara percuma oleh persatuan pelajar di universiti. Namun, ada juga persatuan pelajar yang melakukan program secara berbayar, sekurang-kurangnya RM1. Timbul pula satu naratif, jika hendak mendapatkan mata merit, perlu ia berduit; Hendak membeli merit, perlu ada duit. Persoalan penting yang perlu dibangkitkan dalam hal ini adalah seberapa berkesan sistem ini terhadap pembangunan pelajar?

Saya melihat sendiri sahabat saya, ia menyertai sekurang-kurangnya lima program dalam satu malam secara serentak. Kesemuanya program "talk" dijalankan dalam talian. Adakah sahabat saya fokus terhadap kelima-lima program? Tidak. Adakah objektif dan atribut HEBAT yang ditulis dalam kertas kerja program tercapai? Tepuk dada, tanya penganjur sendiri.

Sebahagian mahasiswa ada matlamat utama sendiri dalam menyertai suatu program iaitu demi mendapatkan merit semata-mata. Mereka ini seringkali digelar sebagai "Pemburu MyCSD (MyCSD Hunter)". Persetankan objektif lain yang ada. Anda boleh menafikan apa yang saya tuliskan ini, namun hati tidak menipu. Jika mata merit tidak dijadikan matlamat, maka tidak ada keperluan untuk anda mengisi borang penyertaan atau borang mata myCSD. Namun untuk apa mahasiswa ini berebut untuk mendapatkan merit ini? Dalam kes universiti ini, tanya mana-mana pelajar sekalipun. Mereka ingin mendapatkan merit demi memperolehi penempatan desasiswa agar mereka dapat tinggal di dalam universiti. Sepatutnya ini perkara yang sangat biasa di mana-mana universiti. Pelajar merebut mata merit. Namun, dalam kebiasaan inilah lambat laun akan berlaku kepincangan dalam mencapai objektif asalan sistem merit ini diperkenalkan kepada pelajar universiti.

Pelajar boleh memilih untuk memiliki rumah sewa diluar USM, namun ia lebih memberi kesan kepada pelajar-pelajar ini. Hidup di dalam sebuah pulau, harga sebuah rumah sewa yang agak mahal serta terhad. Bahkan ada juga yang jauh daripada kawasan universiti. Mahasiswa perlu berebut untuk mendapatkan rumah sewa daripada luar kerana penempatan desasiswa yang terhad. Menjadi buah persoalan saya, mengapa kuota yang diberikan oleh universiti ini melebihi daripada jumlah yang mampu ditanggungi oleh desasiswa-desasiswa ini? Baik, jika ini tidak sepatutnya menjadi sebuah isu. Bagaimana dengan mahasiswa yang menyertai sesebuah program tanpa memaknai hakikat objektif program itu dibuat?

Adakah silapnya pada sistem atau sikap manusia?

Sekiranya masalah penempatan pelajar ini dapat diselesaikan (misalnya, kesemua pelajar mendapat desa), maka ia akan menjadi butang set semula bagi mahasiswa ini. Kerana mereka akan mulai mempersoalkan untuk apa mereka mengejar merit ini lagi? Desa sudah dapat, apa lagi yang hendak dikejar? Bahkan pelajar sendiri tidak memahami falsafah penting dalam pembangunan merit pelajar ini kerana telah jauh terpincang daripada tujuan utama ia dibangunkan. Sebahagian pelajar mungkin sedar, namun rata-rata tidak. Ini yang saya lihat seberapa objektif yang gagal dicapai serta kepincangan matlamat dalam sistem yang ingin dibawa oleh universiti ini. Ini jugalah apa yang dihadapi oleh pendidikan negara kita sekarang, hilang UPSR dan PT3 telah memberi kesan yang besar pada motivasi pelajar-pelajar. Silapnya bukan pada pemansuhannya tetapi pada pola fikir masyarakat kita sendiri. Bahkan ada sahaja negara luar yang tidak mempunyai peperiksaan seawal umur 13 tahun, namun masih mampu melahirkan masyarakat yang membangun serta intelektual. Oleh demikian, saya melihat bahawa menyelesaikan masalah penempatan mahasiswa tidak akan membetulkan nilai falsafah yang telah hilang dalam objektif pembangunan mahasiswa secara menyeluruh dan terus. Sebaliknya ia memerlukan pelan yang komprehensif. Ia masih boleh dibetulkan dan diluruskan semula dengan seberapa langkah yang betul.

Apa yang sudah diperkenalkan oleh USM sebenarnya sudah cukup baik namun masih terdapat beberapa kelompongan yang menyahnilaikan objektif pembangunan pelajar ini sendiri. Sebuah persatuan mampu melakukan beberapa puluh program bodoh (kurang nilai intelek) dengan penulisan yang indah atas kertas kerja demi menjadi ladang merit pelajar mahasiswa.

Sungguh universiti ini telah berjaya menghasilkan pelajar yang berjaya di atas kertas dengan atribut "HEBAT"nya serta nombor-nombor kuantitatif merit yang mereka peroleh.

- hh (10:44 PM, 10/2/2024)
Share: