ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE

Podobne dokumenty
Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

Kwantowa natura promieniowania

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Podstawy fizyki kwantowej

Promieniowanie cieplne ciał.

Wykład 7 Kwantowe własności promieniowania

Podstawy fizyki kwantowej. Nikt nie rozumie fizyki kwantowej R. Feynman, laureat Nobla z fizyki

Wykład FIZYKA II. 11. Optyka kwantowa. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Falowa natura materii

Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

Podstawy fizyki kwantowej

Podstawy fizyki kwantowej

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Rozładowanie promieniowaniem nadfioletowym elektroskopu naładowanego ujemnie, do którego przymocowana jest płytka cynkowa

WYZNACZENIE STAŁEJ STEFANA - BOLTZMANNA

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Rozdział 1. Światło a fizyka kwantowa

Podstawy fizyki kwantowej

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA NA PODSTAWIE PRAWA PLANCKA PROMIENIOWANIA CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -1

Rysunek 3-19 Model ciała doskonale czarnego

Techniczne podstawy promienników

Efekt fotoelektryczny

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

Elementy optyki kwantowej. Ciało doskonale czarne. Teoria Wiena. Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek

Wykład 32. ciało doskonale czarne T = 2000 K. wolfram T = 2000 K

Wstęp do astrofizyki I

Wstęp do astrofizyki I

Falowa natura materii

Stałe : h=6, Js h= 4, eVs 1eV= J nie zależy

Światło fala, czy strumień cząstek?

BADANIE PROMIENIOWANIA CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 39 ATOM WODORU. PROMIENIOWANIE. WIDMA TEST JEDNOKROTNEGO WYBORU

Fizyka współczesna. Pracownia dydaktyki fizyki. Instrukcja dla studentów. Tematy ćwiczeń

Problemy fizyki początku XX wieku

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

Temat XXXVI. Mechanika kwantowa - źródła

WFiIS. Wstęp teoretyczny:

Analiza spektralna widma gwiezdnego

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

FALOWY I KWANTOWY OPIS ŚWIATŁA. Światło wykazuje dualizm korpuskularno-falowy. W niektórych zjawiskach takich jak

FALOWA NATURA MATERII

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Mateusz Winkowski, Jan Szczepanek

Podstawy fizyki sezon Dualizm światła i materii

wymiana energii ciepła

BADANIE EFEKTU FOTOELEKTRYCZNEGO ZEWNĘTRZNEGO

Fizyka. dr Bohdan Bieg p. 36A. wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

Efekt fotoelektryczny. 18 października 2017

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -2

BADANIE ZEWNĘTRZNEGO ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNEGO

WYZNACZENIE STAŁEJ PLANCKA NA PODSTAWIE CHARAKTERYSTYKI DIODY ELEKTROLUMINESCENCYJNEJ

Rysunek 3-23 Hipotetyczne widmo ciągłe atomu Ernesta Rutherforda oraz rzeczywiste widmo emisyjne wodoru w zakresie światła widzialnego

Efekt cieplarniany i warstwa ozonowa

PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdffactory

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

Widmo promieniowania

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Tak określił mechanikę kwantową laureat nagrody Nobla Ryszard Feynman ( ) mechanika kwantowa opisuje naturę w sposób prawdziwy, jako absurd.

Promieniowanie X. Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie Budowa lampy rentgenowskiej Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania X

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

SCENARIUSZ LEKCJI. Streszczenie. Czas realizacji. Podstawa programowa. Cele kształcenia wymagania ogólne:

WYKŁAD 2 Podstawy spektroskopii wibracyjnej, model oscylatora harmonicznego i anharmonicznego. Częstość oscylacji a struktura molekuły Prof. dr hab.

Ciało doskonale czarne ćwiczenie w Excelu

32 Światło a fizyka kwantowa

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

p.n.e. Demokryt z Abdery. Wszystko jest zbudowane z niewidzialnych cząstek - atomów (atomos ->niepodzielny)

Wstęp do astrofizyki I

FIZYKA Podręcznik: Fizyka i astronomia dla każdego pod red. Barbary Sagnowskiej, wyd. ZamKor.

Zjawiska korpuskularno-falowe

FOTOKOMÓRKA. CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE FOTOKOMÓRKI PRÓŻNIOWEJ

W3. Mechanika klasyczna objekty klasyczne

SPRAWDZANIE PRAWA STEFANA BOLTZMANNA

Sprawdzanie prawa Ohma i wyznaczanie wykładnika w prawie Stefana-Boltzmanna

Zakres wykładu. Detekcja światła. Zakres wykładu. Zakres wykładu

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Kwantowa teoria promieniowania

CIEPLNE I MECHANICZNE WŁASNOŚCI CIAŁ

Ćwiczenie 375. Badanie zależności mocy promieniowania cieplnego od temperatury. U [V] I [ma] R [ ] R/R 0 T [K] P [W] ln(t) ln(p)

Wielcy rewolucjoniści nauki

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

Ładunek elektryczny jest skwantowany

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

FIZYKA-egzamin opracowanie pozostałych pytań

Optyka kwantowa wprowadzenie. Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej

Wydajność konwersji energii słonecznej:

Metody analizy pierwiastków z zastosowaniem wtórnego promieniowania rentgenowskiego. XRF, SRIXE, PIXE, SEM (EPMA)

Wykład 17: Elementy fizyki współczesnej

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

Optyka. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat. Dyfrakcja. Laser. Uniwersytet Rzeszowski, 17 stycznia 2018

Termodynamika. Część 11. Układ wielki kanoniczny Statystyki kwantowe Gaz fotonowy Ruchy Browna. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

Wstęp do astrofizyki I

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Transkrypt:

ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE Źródła światła Prawo promieniowania Kirchhoffa Ciało doskonale czarne Promieniowanie ciała doskonale czarnego Prawo promieniowania Plancka Prawo Stefana-Boltzmanna Prawo przesunięć Wiena Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne Politechnika Opolska Opole University of Technology www.po.opole.pl Wydział InżynierIi Produkcji i Logistyki Faculty of Production Engineering and Logistics www.wipil.po.opole.pl

ŹRÓDŁA ŚWIATŁA Dowolne ciało ogrzane do dostatecznie wysokiej temperatury może stać się źródłem promieniowania widzialnego (temperatura ~ natężenie promieniowania). Proces wysyłania promieniowania przez ciało zachodzi w każdej temperaturze wyższej od zera bezwzględnego (T > 0K) i nosi nazwę promieniowania cieplnego. Promieniowanie jest wynikiem wysyłania przez ciało fal elektromagnetycznych.

PRAWO PROMIENIOWANIA Kirchhoff (1859) - stosunek zdolności emisyjnej do zdolności absorpcyjnej jest taki sam dla wszystkich ciał o tej samej temperaturze i jest równy zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego w tej temperaturze (ciało tym intensywniej promieniuje, im intensywniej pochłania). E ν, T A ν, T = ε ν, T = R T f. Kirchhoffa E λ, T A λ, T = ε λ, T = R T KIRCHHOFFA WIDMOWA ZDOLNOŚĆ EMISYJNA C.D.CZ. TEMPERATURA PROMIENIOWANIA CIAŁ powierzchnia Słońca ok. 6000 K lampa łukowa ok. 4000 K włókno żarówki max. 3000 K

CIAŁO DOSKONALE CZARNE Ilość wysyłanego przez dane ciało promieniowania o danej długości fali określa widmowa zdolność emisyjna: ΔP ΔS Δλ Całkowita zdolność emisyjna (R T ) - moc promieniowania w całym zakresie długości fal, wysyłanego z jednostki powierzchni ciała: R T R λ 0 Ciało doskonale czarne - wyidealizowane ciało, które całkowicie pochłania padające nań promieniowanie niezależnie od λ. Ciało doskonale czarne w każdej temperaturze ma maksymalną zdolność emisyjną. Zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego zmienia się wraz z temperaturą, ale nie zależy od rodzaju materiału, kształtu i jego wielkości. R λ dλ ΔP - moc promieniowania ΔS - jednostka powierzchni ciała Δλ - jednostkowy przedział długości fal otwór promieniowanie zaciemniona wnęka

widmowa zdolność emisyjna c.d.cz. PROMIENIOWANIE C.D.CZ. Wien (1893) - dopasowanie (poprzez analogię rozkładu prędkości cząsteczek w gorącym ciele stałym do rozkładu prędkości Maxwella) empirycznego wzoru do krzywej doświadczalnej zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego. Rayleigh-Jeans (1900) - niezgodna z doświadczeniem teoria stworzona na gruncie mechaniki klasycznej (ścisłe i nie budzące wątpliwości założenia absurdalne i przeczące zasadzie zachowania energii wyniki w zakresie fal krótkich). wyniki Planck dośw. Wien Rayleigh-Jeans (katastrofa w nadfiolecie) długość fali R T = C 1 λ 5 1 e C 2 wz. Wiena λt R T = 8π λ 4 kt wz. Rayleig ha Jeansa R T = C 1 λ 5 1 e C 2 λt 1 wz. Plancka C1 = 2πc 2 h, C 2 =hc / k odpowiednio pierwsza i druga stała emisyjna

PRAWO PROMIENIOWANIA PLANCKA Założenia teorii Plancka (1900): emitujące/absorbujące promieniowanie atomy lub cząsteczki ciała doskonale czarnego są zbiorem harmonicznych oscylatorów kwantowych; energia oscylatorów atomowych nie może przybierać dowolnych wartości i podlega rozkładowi Boltzmanna; promieniowanie nie ma charakteru ciągłego, tylko dyskretny; emisja i absorpcja promieniowania przez atomy i cząsteczki substancji może zachodzić tylko małym porcjami energii (kwantami): E n h dopóki oscylator pozostaje w jednym ze swoich stanów kwantowych (stany stacjonarne), dopóty ani nie emituje, ani nie absorbuje energii; kwanty energii promieniowania elektromagnetycznego nazywamy fotonami. Prawo promieniowania wyprowadzone przez Plancka: k - stała Boltzmanna c - prędkość światła w próżni R T 2 c 5 λ 2 e h hc kt 1 n = 1, 2, 3, - liczba kwantowa h = 6,626196 10-34 [J s] - stała Plancka ν - częstość oscylatora hc kt hc kt 1 1 (wz. Wiena) (wz. Rayleigha Jeansa)

FUNKCJA PLANCKA FUNKCJA PROMIENIOWANIA PLANCKA T1 = 5500 K (słońce) T2 = 4500 K T3 = 3000 K (włókno żarówki) Wielobarwna powierzchnia reprezentuje obszar wrażliwości oka ludzkiego. Całkowita moc promieniowania C.D.CZ. z powierzchni S ogrzanej do temperatury T : ( Prawo Stefana-Boltzmanna ) Maksyma w każdej temperaturze T odpowiadają długości fali λ max : ( Prawo Przesunięć Wiena )

PRAWO STEFANA - BOLTZMANNA Całkowita zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego jest proporcjonalna do czwartej potęgi jego temperatury bezwzględnej. R Dla dowolnego ciała rzeczywistego emisja promieniowania ma mniejszą wartość: T σt 4 R AσT T 4 * A - zdolność absorpcyjna (stopień szarości) R T dla ciała doskonale czarnego A = 1 dla ciał rzeczywistych 0 < A < 1 dla ciał doskonale odbijających A = 0 R T = σ T 4 * σ = 5,67 10-8 [W/m 2 K 4 ] stała Stefana - Boltzmanna T

PRAWO PRZESUNIĘĆ WIENA Wraz ze wzrostem temperatury maksimum promieniowania ciała przesuwa się w stronę fal krótszych (zmiana barwy ciała ogrzewanego do wysokiej temperatury). T λ max = b * b = 2,898 10-3 [m K] stała Wiena

energia kinetyczna (E kmax = e U h ) ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWN. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na emisji elektronów z powierzchni ciała stałego (metalu) pod wpływem padającego nań promieniowania (ultrafiolet). Równanie Einsteina dla Z.F.Z.: hν hν 0 E kmax W eu h h - stała Plancka ν 0 - częstotliwość progowa W - praca wyjścia E k max - energia kinetyczna najszybszych elektronów e - ładunek elektronu U h - napięcie hamujące I I 3 I 2 energia promieniowania kwarcowa bańka próżniowa I 3 > I 2 > I 1 I 1 energia promieniowania emitowane elektrony ν 0 dodatnia elektroda zbierająca elektrony źródło prądu metalowa elektroda emitująca elektrony miernik prądu U h U 0 powierzchnia metalu częstotliwość światła (ν)

ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWN. Cechy zjawiska fotoelektrycznego w rozstrzygający sposób pokazują, że światło wykazuje własności korpuskularne (kwantowe), których nie można wyjaśnić na gruncie falowej teorii światła (fizyki klasycznej): natychmiastowa reakcja na oświetlenie (czas, jaki upływa od włączenia oświetlenia do emisji pierwszych elektronów, nie zależy ani od jasności padającego światła, ani od jego częstotliwości); energia elektronów wyraźnie zależy od częstotliwości światła (efekt jest znacznie silniejszy przy użyciu promieniowania nadfioletowego lub fioletowego niż czerwonego); liczba elektronów wybijanych w jednostce czasu jest proporcjonalna do natężenia światła (większa ilość światła powoduje wybicie większej liczby elektronów o tej samej energii kinetycznej); maksymalna energia wybijanych elektronów nie zależy od natężenia światła (silniejsze pole elektryczne dla jaśniejszego światła nie powoduje zwiększenia prędkości elektronów); dla każdego rodzaju powierzchni istnieje charakterystyczna częstotliwość progowa ν 0 (dla częstotliwości mniejszych niż efekt fotoelektryczny nie występuje, niezależnie od tego, jak silne będzie oświetlenia).