Elektrony, kwanty, fotony

Transkrypt

1 Wstęp. Elktrony, kwanty, fotony dr Janusz B. Kępka Sir Isaa Nwton (angilski fizyk i filozof, ) w swym znakomitym dzil Optiks (170 r.) rozważał zarówno korpuskularny jak i falowy araktr światła, z wskazanim natury korpuskularnj. W 1801 r. Tomas Young (lkarz i fizyk angilski, ) odkrył zjawisko intrfrnji światła, o jdnoznazni okrśla falową naturę światła. Z koli, w 1808 r. Étinn Louis Malus (fizyk franuski, ) opisał zjawisko polaryzaji światła, o z koli wskazuj, ż światło ma araktr fali poprzznj, podobni jak fala na wodzi. W roku 1887, Hinri Rudolf Hrtz (fizyk nimiki, ) wykazał doświadzalni, ż prominiowani lktromagntyzn (ultrafiolt) ułatwia przskok iskry lktryznj. I odwrotni, w rok późnij wykazał, ż przskok iskry lktryznj powoduj misję prominiowania lktromagntyzngo. Obni, znan to jst jako fkt fotolktryzny. W ksprymnta Hrtza można było bzpośrdnio wykazać stan polaryzaji prominiowania. W r Willm Ludwig Franz Hallwas (fizyk nimiki, ), uzń H.R. Hrtza, zauważył, ż świżo wypolrowana płytka ynkowa, oświtlana światłm ultrafioltowym, trai ładunk, jśli była naładowana ujmni. Natomiast stan nalktryzowania płytki ni zminia się, gdy płytka była naładowana dodatnio. Takż odkrył on, ż ni naładowana płytka ładuj się dodatnio w wyniku naświtlania prominiowanim lktromagntyznym. Najwidoznij światło powodowało wypirani z płytki ładunku ujmngo. Alksandr Grigoriwiz Stoltow (fizyk rosyjski, ) wykazał w 1890 r., ż między płytką i siatką (rys. obok) następuj iągły przpływ prądu lktryzngo Prąd fotolktryzny płynął nawt w najlpszj możliwj do osiągnięia próżni. Wywnioskowano stąd, ż przpływ prądu był spowodowany przz ru nośników ładunku ujmngo. Odkryi przz Röntgna (Willm onrad, fizyk nimiki, ) prominiowania X (1895 r.), prawi bzpośrdnio wskazywało możliwość gnraji fal lktromagntyzny przz poruszają się ząstki matrialn. Dopiro w 193 r. udowodnił to doświadzalni fizyk rosyjski Pawił Alksjjwiz zrnkow ( ), o znan jst jako prominiowani zrnkowa. W 1891 r. Gorg Jonston Stony (fizyk irlandzki, ) wprowadzil nazwę lktron dla lmntarnj jdnostki lktryznośi ujmnj w prosi lktrolizy. Poniważ światło moż wybijać lktrony z powirzni katody (fkt fotolktryzny), i odwrotni, lktrony mogą powodować misję światła, to w 1895 r. Sir Josp Jon Tomson ( , fizyk angilski) doszdł do wniosku, ż prominiowani katodow jst struminim ząstk o ujmnym ładunku, podobni jak w prosi lktrolizy.

2 Janusz B. Kępka Elktrony, kwanty, fotony I. Kwanty nrgii. 1 grudnia 1900 r. Max Karl Ludwig Plank (fizyk nimiki, ) przdstawił wyprowadzni prawa prominiowania iała doskonal zarngo (tortyzni: iało ałkowii połaniają padają na ni prominiowani lktromagntyzn, nizalżni od tmpratury tgo iała, kąta padania i widma padajągo prominiowania), i podał słynn równani [1]: ν 1 1 E( ν ) = = (1) 3 ν xp 1 xp 1 kt kt obni zwan prawm Planka dla iała doskonal zarngo, gdzi: E(ν) ilość nrgii proministj przypadająj na daną powirznię (radianja spktralna zęstotliwośiowa w kirunku prostopadłym do powirzni); stała Planka; ν zęstotliwość fal lktromagntyzny; = ν prędkość światła in vauo; k stała Boltzmanna; T tmpratura iała doskonal zarngo. W powyższym, wartość nrgii E = ν Max Plank nazwał kwantm (ła. quantum ilość). Zwykl jst wskazywan, ż prawo Planka wynika z założnia, ż osylator (obikt gnrująy ru falowy w danym ośrodku) o zęstotliwośi ν moż połaniać lub traić nrgię E tylko porjami równymi: E = ν = () W tzw. litraturz przdmiotu wprost przdstawia się, ż ytujmy: Wdług Planka nrgia osylatora o zęstośi ν mogła być równa jdyni ałkowitym wilokrotnośiom ν. Wilkość ν, stanowiąą podstawową jdnostkę nrgii, nazwał Plank kwantm. Nowa stała fizyzna ma wymiar nrgia zas, albo inazj, wymiar pęd droga. (A.P. Frn Zasady fizyki współzsnj, Państwow Wydawnitwo Naukow, str. 10). Al zaraz dalj, zytamy tam (str. 107): Ni wynika stąd bynajmnij, ż prominiowani w wnętrzu osłony składa się z oddzilny pakitów, i sam Plank takigo wniosku ni wyiągnął., koni ytatu. Pytani: to jak to było wdług Planka? ałkowit wilokrotnośi, al ni oddziln pakity? Poniważ powyższ jst podstawą tzw. maniki kwantowj i z koli fizyki kwantowj, i z koli podstawą słynnj torii Albrta Einstina, ż światło to latają fotony o masa m, to rozpatrzmy powyższ bardzij szzgółowo. Jżli stała ma araktr stałj fizyznj, to równani () wprost wskazuj, ż nrgia E jst prostą funkją zęstotliwośi ν : E ~ ν. I ni ma tu oddzilny pakitów, jak to słuszni zauważył Max Plank, a potwirdził doświadzalni Robrt Andrws Millikan [] (fizyk amrykański, ). Ponadto, R.A. Millikan ksprymntalni wyznazył wartość stałj /. Jst to bzpośrdni wskazani związku między lmntarnym ładunkim lktryznośi oraz nrgią prominiowania lktromagntyzngo (światła) wdług zalżnośi (1), w prosi oddziaływania wzajmngo lktronów i prominiowania lktromagntyzngo. Tak wię, z zalżnośi () ni wynika, ż nrgia E jst ałkowitą wilokrotnośią ν.

3 Janusz B. Kępka Elktrony, kwanty, fotony 3 Ozywiśi, okrślonj wartośi zęstotliwośi ν odpowiada okrślona wartość (quantum ilość) nrgii E. W przypadku oddziaływania wzajmngo prominiowania lktromagntyzngo (światła) z lktronami, różnia długośi fali padająj oraz fali odbitj jst taka, ż: o znan jst jako zjawisko (fkt) omptona [3]. W powyższym: zwan jst omptonowską długośią fali. Z powyższgo, mamy tż: i r i = ( 1 osψ ) = ( 1 osψ ) (3) m = = m m = m = onstant = p = onstant () Wskazuj się, ż poniważ w zalżnośi (3) występuj stała Planka (), to światło (prominiowani lktromagntyzn) ma araktr korpuskularny (np. E.H. Wiman, Fizyka kwantowa, PWN 1976, str. 17). Al uzni w piśmi ni zauważają, ż p = m jst pędm lktronu o masi m, poruszajągo się z prędkośią światła in vauo. Z tgo właśni względu, stała Planka () okrśla momnt pędu lktronu względm prominiowania lktromagntyzngo o długośi fali. Poniważ: ν = onstant, to mamy równiż: = r ν = = m A z powyższgo: E = m = = ν = onstant (5) o okrśla kwant nrgii wdług równania () Maxa Planka. Nalży tu zaznazyć, ż w zalżnośia () oraz (5) prędkość ma podwójn znazni: jst to prędkość światła in vauo, i jdnozśni jst to prędkość lktronu o masi inrjalnj m. Ni nalży z tgo wyiągać naukawgo wniosku, ż lktron to jst to samo o prominiowani lktromagntyzn (światło). Z wilu doświadzń, w tym z ksprymntu R.A. Millikana, wprost wynika, ż oddziaływani wzajmn lktronów z prominiowanim lktromagntyznym zaodzi dla dowolnj zęstotliwośi ν, zyli dla dowolnj długośi tgo prominiowania. Dlatgo zalżność () możmy przpisać w postai: = m = m v = p = onstant (6) gdzi: v prędkość lktronu w oddziaływaniu wzajmnym z prominiowanim lktromagntyznym o długośi fali. Zalżnośi (5) oraz (6) podan są tutaj po raz pirwszy w litraturz przdmiotu.

4 Janusz B. Kępka Elktrony, kwanty, fotony Na poniższym rysunku przdstawiony jst rozkład spktralny nrgii prominiowania E iała doskonal zarngo, w funkji długośi fali, wg zalżnośi (1) i dla tmpratury T = 310 K, zyli tmpratury iała ludzkigo. Maksimum nrgii prominiowania iała doskonal zarngo wynosi ok. E( ) = 10 nm. Poniżj podajmy orintayjn zakrsy prominiowania lktromagntyzngo: gamma: rntgnowski: ultrafiolt: zakrs widzialny: zakrs prominiowania podzrwongo: fal radiow (Hrtza): od ok nm do ok nm; od 10 5 nm do 80 nm; od 10 nm do 00 nm; od 00 nm (fiolt) do 700 nm (zrwiń); od ok. 700 nm do mm = 10 6 nm; od ok. kilku mm do kilkunastu km. Ozywiśi, np. iało ludzki (tmp. 310 K) ni jst iałm doskonal zarnym. Badania wykazują, ż maksimum nrgii prominiowania iała ludzkigo występuj dla długośi fali 3 = 9,36µ m = 9,36 10 nm 10 nm, zyli w zakrsi prominiowania podzrwongo. Zwykl używan kamry trmowizyjn mają zakrs ok. 0,3 10 nm 0,5 10 nm ( 3 5 µ m ). Tak wię, zakrs spktralny ty kamr w bardzo niwilkim stopniu objmuj zakrs misji iała ludzkigo, i lży dalko poza maksimum widma iała ludzkigo. To wyjaśnia, dlazgo strażay Państwowj Straży Pożarnj ni mogli znalźć, za pomoą używanj przz ni kamry trmowizyjnj (donisinia prasow), np. zaginiongo dzika. Otóż, zakrs spktralny używany kamr (TALISMAN IRG) był niwłaśiwy II. Fotony Albrta Einstina. W 1905 r. Albrt Einstin ( ) przdstawiał [], ż światło składa się z oddzilny kwantów świtlny. Jst to skrzyżowani kwantów Maxa Planka z wzśnijszym wskazanim Isaaa Nwtona, ż światło moż mić araktr korpuskularny. Louis Vitor Pirr Raymond d Brogli (fizyk franuski, ) wyobrażał sobi istnini w fali świtlnj punktów, w który skupiona jst nrgia, bardzo mały korpuskuł, który ru jst śiśl związany z przmiszzanim się fali [5].

5 Janusz B. Kępka Elktrony, kwanty, fotony 5 Jst to odnisini do ruu falowgo w matrii, np. w powitrzu (fal akustyzn). Otóż, wyobrażano sobi, ż światło jst zaburznim szzgólngo rodzaju ośrodka zwango trm. A tr, podobni jak powitrz, (ponoć) powinin składać się z oddzilny korpuskuł. Al ni udało się zidntyfikować korpuskuł tru. Nazwę foton wprowadził w 196 r. Gilbrt Nwton Lwis (fizykomik amrykański, ) dla ipottyzngo nowgo lmntu atomu [6]. Wdług Lwisa foton ni jst światłm, lz odgrywa zasadnizą rolę w każdym prosi prominiowania. Powyższ ipottyzn wyobrażnia Louis d Brogli a oraz Gilbrta N. Lwisa twórzo rozwinął Albrt Einstin wskazują, ż właśni foton jst światłm, i jst to korpuskuła o masi m o, która tym samym oddziaływuj grawitayjni z innymi iałami matrialnymi, np. z Słońm. A takż z Albrtm Einstinm, ozywiśi. Poniważ prędkość światła wynosi, to nrgia instinowskigo fotonu o masi m o jst dokładni równa: E = m o, i jst równa nrgii kwantu światła wg zalżnośi (5). Możmy wię, a nawt powinniśmy, napisać: I mamy: m = m. o o ( m ) m m = ν = ν = Powyższ wprost oznaza, ż instinowski foton o masi m o i poruszająy się (zawsz!) z prędkośią światła in vauo, to jst to dokładni lktron o masi m. I rzzywiśi. Z równania (5) wprost wynika, ż E = m jst nrgią lktronu poruszajągo się z prędkośią światła. Jst to nrgia dokładni równa nrgii E = ν prominiowania lktromagntyzngo o zęstotliwośi ν i omptonowskij długośi fali. W tzw. litraturz przdmiotu jst to nizwykl staranni ukrywan, poniważ Albrt Einstin nakazał, ż żadna ząstka matrialna, próz fotonu, ni moż poruszać się z prędkośią światła. I w tn oto prosty sposób, a wskazany wyżj, lktron stał się fotonm! A światłość wikuistą dał mu Pan Einstin. I stał się światłm! Foton, ozywiśi. Amn. Litratura. 1. M. Plank, Vr. Duts. Pys. Gs.,, 37 (1900), a takż: Übr das Gstz dr Enrgivrtilung in Normalspktrum, Annaln dr Pysik,, 553 (1901).. R.A. Millikan, A dirt Potoltri Dtrmination of Plank s, Pys. Rw., 7, 355 (1916). 3. A.H. ompton, T Sptrum of Sattrd X-rays, Pys. Rv., 09 (193).. A. Einstin, Übr inn di Erzugung und Vrwandlung ds Lits btrffndn uristisn Gsitspunkt, Annaln dr Pysik, 17, 13 (1905) 5. Louis d Brogli, Sur l parallélism ntr la dynamiqu du point matéril t l optiqu géomtri, J. Pys. Rad. 7, 1 (196). 6. G. N. Lwis, Natur, 118, 87 (196).