ν=c/λ E=hν Repeta z wykładu nr 1 Detekcja światła Radiometria Promieniowanie termiczne

Transkrypt

1 Repeta z wykładu nr Detekja światła Sebastian Maćkowski Instytut Fizyki Uniwersytet Mikołaja Kopernika Adres pozty elektroniznej: makowski@fizyka.umk.pl Biuro: 365, telefon: zakres wykładu, warunki zalizenia, itp. - krótki przegląd detektorów - omówienie (skrótowe) oka oraz fotografii - prezentaja pięiu przykładów zastosowań detektorów światła w badaniah własnośi optyznyh nanostruktur Konsultaje: zwartek 3-6 Radiometria Promieniowanie termizne dziedzina nauki zajmująa się pomiarem wielkośi promieniowania elektromagnetyznego ν/λ ν - zęstość promieniowania m/s prędkośćświatła w próżni promieniowanie termizne to najbardziej powszehna forma emisji promieniowania, T>0K E E - energia fotonu h Js stała Planka dla promieniowania o długośi fali µm (podzerwień) zęstość promieniowania wynosi Hz, a energia fotonu to 0-9 J

2 Promieniowanie termizne Promieniowanie termizne promieniowanie termizne jest promieniowaniem równowagowym po upływie dostateznie długiego zasu ustala się stan równowagi pomiędzy pohłanianiem a emisją zaburzenie równowagi pomiędzy absorpją a emisją prowadzi do wzrostu lub obniżenia temperatury widmowa zdolność emisyjna - mo promieniowania jednostki powierzhni w jednostkowym przedziale zęstośi w języku długośi fali λ: mo promieniowania z jednostki powierzhni w przedziale zęstośi ν, ν + ν Promieniowanie termizne Ciało doskonale zarne ałkowita zdolność emisyjna (emisyjność) iało doskonale zarne pohłania ałkowiie padająe promieniowanie, niezależnie od długośi fali; rozkład widmowy promieniowania zależy jedynie od temperatury termin wprowadzony przez Gustava Kirhhoffa w 860r. analogiznie: widmowa zdolność absorpyjna harakteryzuje zdolność iał do pohłaniania padająego na nie promieniowania na skutek wielokrotnyh odbić światło nie wydostaje się na zewnątrz sfery efekt iemnego pokoju

3 Model Rayleigha-Jeansa Model Rayleigha-Jeansa Rayleigh-Jeans - opis promieniowania iała doskonale zarnego w opariu o elektrodynamikę klasyzną promieniowanie związane jest z drganiem atomów: πν ( ν, T ) R KATASTROFA W NADFIOLECIE opis Rayleigha-Jeans a zgodny z eksperymentem dla małyh zęstośi, dla dużyh zęstośi strumień promieniowania dąży do nieskońzonośi (R~ν ) Model Wiena Prawo Planka Wien zaproponował model empiryzny, w którym dwie stałe otrzymywane były doświadzalnie: 3 βν R( ν, T ) αν exp( ) T opis Wiena zgadzał się dla krótkih długośi fali, rozbieżnośi pojawiały się natomiast dla fal długih, poza tym nie został wyprowadzony z pierwszyh zasad......i to drażniło Maxa Karla Ernsta Ludwiga Planka Historia rozwoju fizyki kwantowej (prawdziwa): Max Plank: the relutant revolutionary, Plank w 93 roku napisał: the introdution of energy quanta in 900 was "a purely formal assumption and I really did not give it muh thought exept that no matter what the ost, I must bring about a positive result".

4 Prawo Planka Prawo Planka hipoteza: elementarne źródło promieniowania w proesie emisji może traić energię w określonyh porjah E równyh wielokrotnośi drgań własnyh E zyli: energie osylatorów harmoniznyh nie tworzą widma iągłego, a mogą przyjmować jedynie dyskretne wartośi E n n, n0,,,3,... h - stała Planka zakładają rozkład Boltzmana: p n n Aexp( ) średnia energia osylatora: lub: E prawdopodobieństwo osylatora o energii n w temperaturze T E x( + x + 3x +...) 3 + x + x + x +... n n exp( ) n 0 pnn n 0 n exp( ) n 0 Prawo Planka Prawo Planka wykorzystują własnośi szeregów: + x + 3x +... ( x) exp( ) ( x) E x + x + x 3 + x +... x exp( ) w warunkah równowagi termodynamiznej strata energii związana z promieniowaniem jest skompensowana energią zaabsorbowaną 3 π R( ν, T ) πν ( ν, T ) R rozkład promieniowana iała doskonale zarnego exp( ) E πh R( λ, T ) 5 λ h exp( ) λ

5 Prawo Planka Prawo Stefana-Boltzmanna 3 π R( ν, T ) exp( ) >> asymptotyzny wykładnizy zanik intensywnośi grania Wiena, zyli światło żarówki (~700 K) nie powoduje opalenizny << relaja Rayleigha-Jeansa, ponieważ exp(/)- /, zyli: πν ( ν, T ) R ałkowita mo promieniowania wyemitowanego przez iało doskonale zarne R( T ) R ( λ, T ) dλ πh dλ h λ exp( ) λ λ R π k 5 h ( T ) T σt 3 σ- stała Stefana-Boltzmanna σ W/m K 4 Prawo przesunięć Wiena długość fali odpowiadająa maksymalnej intensywnośi promieniowania zależy odwrotnie proporjonalnie od temperatury 898 λm T emisja elektronów z powierzhni iała oświetlanego promieniowaniem elektromagnetyznym pierwsza obserwaja 887 r. Heinrih Rudolf Hertz stwierdził zwiększenie proesu rozładowywania elektryznego przy oświetleniu światłem nadfioletowym poszukują potwierdzenia dla teorii Maxwella, według której musiała istnieć fala elektromagnetyzna brak wyjaśnienia, ale zdaniem Hertza: a phenomenon so remarkable alled for loser investigation

6 prostsze podejśie: Wilhelm FranzLudwig Hallwahs w 888 r. uzeń Hertza płytka ynkowa moowana na izolująym stojaku połązona z okładką elektroskopu - ujemnie naładowana powolne rozładowanie, jednak pod wpływem oświetlenia lampą łukową zy paląym się magnezem rozładowanie następowało natyhmiast - dodatnio naładowana brak wpływu oświetlenia na szybkość rozładowania na wyjaśnienie trzeba było zekać prawie dekadę 897 r. Sir Joseph John Thomson wyznaza stosunek ładunku do masy elektronu i dwa lata później stwierdza, że z katody wybijane są elektrony interpretaja efektu fotoelektryznego AD osylująe pole elektryzne światła padająego na metal pobudza do drgań elektrony w atomah - w końu niektóre z elektronów się uwolnią i opuszzą warstwę metalizną e/m.7 0 C/kg takie myślenie miało jednak swoje konsekwenje...

7 Konsekwenja numer : światło o większej intensywnośi powinno silniej rozbujać elektrony wobe zego powinno się zaobserwować większą lizbę elektronów o średnio większej energii Konsekwenja numer : oświetlanie światłem o większej zęstotliwośi musiało spowodować szybsze rozbujanie elektronów, wobe zego elektrony powinny być wybijane szybiej podobnie słabe oświetlenie powinno prowadzić do wydłużenia zasu potrzebnego na rozbujanie elektronu weryfikaja eksperymentalna??? Philipp Eduard Anton von Lénárd w 90 r. przeprowadził eksperyment, w którym zmieniał natężenie padająego światła mierzą energię wybijanyh elektronów (negatywnie naładowany kolektor stanowił barierę potenjału) wynik: lizba wybijanyh elektronów zależy wprost proporjonalnie od natężenia światła, ale ih energia NIE jeszze jeden krok naprzód: typowa konfiguraja eksperymentu Lénárd zauważył także, że maksymalna energia wybijanyh elektronów zależy od długośi fali padająego światła: dla światła o większej zęstotliwośi wartość ta była większa interpretaja efektu fotoelektryznego AD 900 obalone AD 90 elektrony wylatują z różnymi o do wartośi prędkośiami

8 Hipoteza Einsteina Hipoteza Einsteina fala elektromagnetyzna o zęstotliwośi ν jest strumieniem ząstek (fotonów) o energii E h ν A + E k, max elektron uzyskuje energię E, jeżeli energia ta jest większa od pray wyjśia A, to elektron może opuśić katodę i w układzie płynie prąd wzrost oświetlenia powierzhni katody powoduje wzrost lizby elektronów, a tym samym rośnie wartość prądu nasyenia różnię energii elektron unosi w postai energii kinetyznej E k,max ev stop pomiar fotoprądu w funkji energii padająego światła metoda wyznazenia stałej Planka Millikan kontratakuje Galeria sław Robert Andrews Millikan przez 0 lat prowadził eksperymenty mająe obalić model Einsteina Lord Rayleigh Philipp Lénárd J.J. Thomson 9 - Wilhelm Wien 98 - Max Plank 9 - Albert Einstein 93 - Robert A. Millikan wynik: liniowa zależność napięia hamująego od energii światła