1
Światło fala, czy strumień cząstek? Teoria falowa wyjaśnia: Odbicie Załamanie Interferencję Dyfrakcję Polaryzację Efekt fotoelektryczny Efekt Comptona Teoria korpuskularna wyjaśnia: Odbicie Załamanie Interferencję Dyfrakcję Polaryzację Efekt fotoelektryczny Efekt Comptona 2
A t T Częstotliwość fali f=1/t nie ma związku z energią fali. Energia fali jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy A 2 3
Fotoelektrony fotoanoda fotokatoda światło Efekt fotoelektryczny z oświetlanej powierzchni metalu (fotokatody) emitowane są elektrony (fotoelektrony). Rożnica potencjału pomiędzy fotokatodą a fotoanodą przyspiesza fotoelektrony. 4
E max natężenie prądu wysokie natężenie światła niskie natężenie światła V h napięcie potencjał hamowania Maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów nie zależy od natężenia światła tylko od jego częstoliwości. E max e V h 5
Cechy efektu fotoelektrycznego: Brak emisji fotoelektronów dla częstotliwości niższych niż częstotliwość progowa f c (charakterystycznej dla materiału). Według teorii falowej światła emisja powinna zachodzić dla każdej częstotliwości światła przy wystarczjąco wysokim natężeniu. Maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów (czyli potencjał hamujący) nie zależy od natężenia światła. Według teorii falowej fala o wiekszym natężeniu niesie większą energię. Maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów rośnie wraz rosnącą częstotliwości światła. Teoria falowa nie przewiduje związku pomiędzy energią fotoelektronu a częstotliwością światła. Brak opóźnienia w emisji fotoelektronów. Według teorii falowej elektron powinien potrzebować pewnego czasu aby skumulowć energię pozwalającą na opuszcenie powierzchni metalu. 6
Energia fali elektromagnetycznej emitowana i pochłaniana jest w porcjach (kwantach energii). Kwant energii światła nazywamy fotonem. Energia pojednynczego fotonu wynosi: E hf h stała Plancka h=6.626 10-34 Js f częstotliwość światła Podczas padania światła na powierzchnię metalu jeden foton przekazuje całą swoją energię jednemu elektronowi. Aby elektron mógł wydostać się z metalu musi wykonać pracę (tzw. pracę wyjścia). Pozostała energia unoszona jest przez elektron (jako energia kinetyczna) W praca wyjścia E max maksymalna energia kinetyczna fotoelektronu hf W E max Nagroda Nobla z fizyki dla Einsteina w 1921 za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego 7
Brak emisji fotoelektronów dla częstotliwości niższych niż częstotliwość progowa f c (charakterystycznej dla materiału). Dla częstotliwości niższych niż częstotliwość progowa energia fotonu jest niższa niż praca wyjścia, więc elektrony nie mogą wydostać się z metalu. Maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów (czyli potencjał hamujący) nie zależy od natężenia światła. Zmieniając natężenie zmieniamy nie energię fotonów ale ich ilość. Maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów rośnie wraz rosnącą częstotliwości światła. Wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie energia fotonów, a co za tym idze rośnie maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów. Brak opóźnienia w emisji fotoelektronów. Elektron nie kumuluje energii. Energia fotonu jest przekazywana w całości elektronowi i emisja następuje natychmiast. 8
Praca wyjścia elektronu zależy od rodzaju substancji (jest stałą materiałową). Jest to najmniejsza energia jaką należy dostarczyć elektronowi aby wydostał się z metalu i stał się elektronem swobodnym (elektronem nie związanym z atomem) Metal praca wyjścia (ev) 1 elektronowolt (ev) - energia jaką uzyskuje elektron po przyspieszeniu różnicą potencjałów jednego wolta. 1 ev = 1 e 1 V 1.602 10-19 J 9
fotokomórka noktowizor ogniwo słoneczne 10
elektoron Promieniowanie elektromagnetyczne o dużej energii, czyli małej długości fali (promienie X, promienie gamma) jest rozpraszane nieelastycznie (zderzenie niesprężyste) na elektronach. W efekcie rozproszenia zmienia się długość fali padającej. W rozpraszaniu Comptona zachowane są pęd i energia układu (podobnie podczas zderzenia dwóch cząstek) h 0 1 m c m e masa elektronu długość fali rozproszonej 0 długość fali padającej - kąt rozproszenia e cos Comptonowska długośc fali: h mec 0.00243nm Efekt Comptona dowód na korpuskularną naturę światła 11
Światło w niektórych doświadczeniach (efekt fotoelektryczny, efekt Comptona) zachowuje się jak strumień cząstek. W innych (dyfrakcja, interferencja) zachowuje się jak fala. Czy światło to fala elektromagnetyczna czy strumień cząstek -fotonów? Ani pojęcie fali ani cząstki nie opisuje w pełni tego czym jest światło. Światło ma naturę korpuskularno-falową (jest jednocześnie i falą elektromagnetyczną i cząstką). 12
Skoro fotony mają cechy zarówno fali jak i cząstki, to może wszystkie cząstki mają cechy fali? Energia fotonu: E hf hc Louis de Broglie (1892-1987) Nagroda Nobla (1929) za odkrycie falowej natury elektronów Pęd fotonu: p E c hc c Długość fali związanej z fotonem: h h / p Hipoteza de Broiglie a: Z każdą cząstką związana jest fala (tak zwana fala materii) o długości =h/p. Według hipotezy dualizmu korpuskularno-falowego de Broglie'a każdy obiekt materialny może być opisywany na dwa sposoby: jako zbiór cząstek, albo jako fala (materii). 13
Z elektronem (m e =9.1110-19 kg) poruszającym się z prędkością 110 7 m/s związana jest fala materii o długości: h 6 11 p 34.62610 Js 19 7 9.1110 kg 110 m / s 7.310 Z piłką do tenisa (m=5.710-2 kg) poruszającym się z prędkością 60 m/s związana jest fala materii o długości: m h 6 34 p 34.62610 Js 2 5.7 10 kg 60m / s 210 m Obiekty makroskopowe (o dużej masie i dużym pędzie) nie ujawniają swoich własności falowych ponieważ długość fali materii im odpowiadająca jest niemierzalnie mała. 14
Doświadczenie Davissona- Gemera Dyfrakcja elektronów na krysztale niklu C. J. Davisson (1881-1971) Nagroda Nobla (1937) za odkrycie dyfrakcji elektronów 15
Dyfrakcja elektronów na sieci krystalicznej (stała sieci rzędu 10-10 m) 16
Skaningowy mikroskop elektronowy wykorzystuje elektrony o długości fali znacznie mniejszej od długości fali świetlnej. 17