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

Podobne dokumenty
OPTYKA FALOWA. W zjawiskach takich jak interferencja, dyfrakcja i polaryzacja światło wykazuje naturę

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

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

Kwantowa natura promieniowania

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

Światło fala, czy strumień cząstek?

Podstawy fizyki kwantowej

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

ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE

Podstawy fizyki kwantowej

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

Podstawy fizyki kwantowej

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

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

Falowa natura materii

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

Modele atomu wodoru. Modele atomu wodoru Thomson'a Rutherford'a Bohr'a

Podstawy fizyki kwantowej

Wczesne modele atomu

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

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

Wstęp do astrofizyki I

Wykład 7 Kwantowe własności promieniowania

Podstawy fizyki sezon Dualizm światła i materii

39 DUALIZM KORPUSKULARNO FALOWY.

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -1

Promieniowanie cieplne ciał.

Problemy fizyki początku XX wieku

Zjawiska korpuskularno-falowe

III. EFEKT COMPTONA (1923)

Atom wodoru. Model klasyczny: nieruchome jądro +p i poruszający się wokół niego elektron e w odległości r; energia potencjalna elektronu:

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

Wykład 17: Dr inż. Zbigniew Szklarski. Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok

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

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

Modele atomu wodoru. Modele atomu wodoru Thomson'a Rutherford'a Bohr'a

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

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

Model Bohra budowy atomu wodoru - opis matematyczny

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

FIZYKA-egzamin opracowanie pozostałych pytań

Temat: Promieniowanie atomu wodoru (teoria)

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Wykład Budowa atomu 1

Wykład 17: Optyka falowa cz.2.

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

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Ćwiczenie nr 13 POLARYZACJA ŚWIATŁA: SPRAWDZANIE PRAWA MALUSA

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

Analiza spektralna widma gwiezdnego

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -2

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

Podstawy fizyki sezon 2 8. Fale elektromagnetyczne

Rozdział 1. Światło a fizyka kwantowa

41P6 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - V POZIOM PODSTAWOWY

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Wstęp do astrofizyki I

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

IV. TEORIA (MODEL) BOHRA ATOMU (1913)

Atom wodoru i jony wodoropodobne

Prawa optyki geometrycznej

Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

Ćwiczenia z mikroskopii optycznej

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

Ładunek elektryczny jest skwantowany

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Kwantowa teoria promieniowania

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

Rysunek 3-19 Model ciała doskonale czarnego

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

WYDZIAŁ.. LABORATORIUM FIZYCZNE

Wstęp do astrofizyki I

POLARYZACJA ŚWIATŁA. Uporządkowanie kierunku drgań pola elektrycznego E w poprzecznej fali elektromagnetycznej (E B). światło niespolaryzowane

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)

Foton, kwant światła. w klasycznym opisie świata, światło jest falą sinusoidalną o częstości n równej: c gdzie: c prędkość światła, długość fali św.

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

BADANIE EFEKTU FOTOELEKTRYCZNEGO ZEWNĘTRZNEGO

Falowa natura materii

Widmo fal elektromagnetycznych

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

Ćwiczenie 363. Polaryzacja światła sprawdzanie prawa Malusa. Początkowa wartość kąta 0..

Podstawy fizyki wykład 8

Polaryzatory/analizatory

Fala elektromagnetyczna o określonej częstotliwości ma inną długość fali w ośrodku niż w próżni. Jako przykłady policzmy:

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

WFiIS. Wstęp teoretyczny:

GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

II.1 Serie widmowe wodoru

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

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

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Fale elektromagnetyczne w dielektrykach

II. KWANTY A ELEKTRONY

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

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

Problemy optyki falowej. Teoretyczne podstawy zjawisk dyfrakcji, interferencji i polaryzacji światła.

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

Transkrypt:

FALOWY KWANTOWY OPS ŚWATŁA Dualizm korpuskularno - falowy Światło wykazuje dualizm korpuskularno-falowy. W niektórych zjawiskach takich jak interferencja, dyfrakcja i polaryzacja ma naturę falową, a w innych takich jak np. efekt fotoelektryczny czy też rozproszenie comptonowskie wykazuje naturę korpuskularną. Omówimy kilka zjawisk, które świadczą o dualnym charakterze promieniowania elektromagnetycznego. Polaryzacja światła W ubiegłym semestrze opisywaliśmy światło uważając je za falę elektromagnetyczną. Światło przedstawialiśmy jako drgające pole elektryczne i prostopadłe do niego pole magnetyczne. Fala E-M jest falą poprzeczną, jej pola elektryczne i magnetyczne są Z prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. W świetle naturalnym wszystkie kierunki drgań np. pola elektrycznego są równoprawdopodobne i takie światło nie jest spolaryzowane. Światło jest spolaryzowane, jeśli drgania wektora natężenia pola elektrycznego E są w pewien sposób uporządkowane ( ukierunkowane ). Sposób uporządkowania drgań pola E pozwala na rozróżnienie rodzajów polaryzacji. Polaryzacja liniowa ( płaska ) jest to rodzaj polaryzacji, przy której drgania wektora E ( oraz B: E = B vf ) zachodzą w jednej płaszczyźnie obecnie nazywanej płaszczyzną polaryzacji. E x E= E e + E e t kz+ ( 0x 0 ) cos ( 0) x y y ω ϕ z y

Polaryzacja eliptyczna koniec wektora E porusza się po linii śrubowej o osi będącej kierunkiem rozchodzenia się wiązki światła. Może być otrzymana przez złożenie dwóch drgań prostopadłych spolaryzowanych płasko i przesuniętych w fazie o 90 np. E = E e cos t kz+ ± E e sin t kz+. ( ω ϕ) ( ω ϕ ) ox x oy y W przypadku znaku ( ) polaryzacja jest prawoskrętna, a przy znaku ( + ) mamy polaryzację lewoskrętną. Kiedy E 0x = E0y mamy do czynienia z polaryzacją kołową. Światło naturalne przedstawia się niekiedy tak, jak pokazuje poniższy rysunek. Z Z Światło może być częściowo spolaryzowane, co przedstawia się, tak jak niżej Z Polaryzatory są to urządzenia służące do otrzymania światła spolaryzowanego. W przypadku polaryzatora liniowego zasadę jego działania pokazuje rysunek 0 = 0 α α α = cos ( ) Z E0 P E0 E0 P P, P - polaryzatory, - natężenie światła. 0 0 0 ( ) E, E = E cos( α), E ( α) ( α) 0 = = cos = cos. E0 (6.)

Równanie (6.) wyraża prawo Malusa. Do otrzymywania światła spolaryzowanego wykorzystuje się takie zjawiska jak:. Polaryzację światła przy odbiciu od dielektryka. Światło naturalne ulega częściowej polaryzacji podczas odbicia i załamania od powierzchni dielektryka. Przy kącie padania α nazywanym kątem Brewstera α B, światło odbite jest całkowicie spolaryzowane. Odbija się wtedy tylko składowa pola elektrycznego prostopadła do płaszczyzny padania. Przy kącie Brewstera stwierdzono, że kąt między promieniem odbitym i załamanym wynosi 90. n α B α B 90 β Z prawa Snella otrzymamy: ( αb) ( β) ( αb) ( α ) sin sin = = tg ( αb ) = n prawo Brewstera. sin sin 90 B (6.). Dwójłomność: Niektóre kryształy ( np. CaCO 3 kalcyt ) podwójnie załamują światło. Jedna wiązka załamanego światła nazywana jest wiązką zwyczajną ( o ), a druga wiązka wiązką nadzwyczajną ( e ). Wiązki e i o są Z CaCO3 e o spolaryzowane liniowo wzajemnie prostopadle i mają różne współczynniki załamania. 3. Dichroizm: Polega na tym, że niektóre ( np. turmalin ) selektywnie Z kryształy pochłaniają światło w zależności od jego polaryzacji. 3

Promieniowanie ciała doskonale czarnego Ciało doskonale czarne to ciało, które doskonale ( całkowicie ) absorbuje i emituje promieniowanie elektromagnetyczne. Żadne inne ciało nie jest lepszym emiterem i absorberem promieniowania. Dobrym modelem ciała doskonale czarnego może być pusty zbiornik z małym otworem w ściance umieszczony w termostacie utrzymującym jednorodny rozkład temperatury T. Zaglądając przez otwór do zbiornika ( przy niewysokiej temperaturze ) zobaczymy doskonałą czerń. W wysokiej temperaturze T przez otwór wydobywa się promieniowanie widzialne. Jeśli przez gęstość spektralną promieniowania u ( λ ) oznaczymy ilość energii tego promieniowania przypadającą na przedział długości fali dλ i na jednostkę objętości dv to otrzymane doświadczalnie krzywe rozkładu u ( λ) w funkcji długości fali λ mają przedstawioną na rysunku postać. u(λ) j. w. x 00000 Rozkład Plancka 6 5 4 T=3000 K 3 T=5000 K 0 0,00E+00,00E-06,00E-06 3,00E-06 4,00E-06 λ [m] W ramach fizyki klasycznej nie potrafiono opisać poprawnie tych krzywych. Dopiero Planck w 900 r. podał wzór opisujący w całym przedziale długości fal promieniowanie ciała doskonale czarnego: u ( λ) = 5 8π hc hc, λ kt e λ (6.3) 4

34 gdzie: h = 6,63 0 J s stała Plancka, c - prędkość światła, k - stała Boltzmanna. Aby otrzymać wyrażenie (6.3) Planck założył, że wymiana energii między ścianką i wnęką zbiornika odbywa się skończonymi porcjami kwantami energii c E = hv = h. λ Promieniowanie ciała doskonale czarnego spełnia:. Prawo Wiena 3 λmax T = const, const =,9 0 K m, (6.4) gdzie λ max oznacza długość fali, przy której krzywa rozkładu promieniowania w temperaturze T osiąga maksimum.. Prawo Stefana Boltzmanna 4 8 W ( λ) λ σ, σ 5,7 0, 4 K 0 c P= u d = T = 4 m (6.5) gdzie P oznacza moc wypromieniowaną przez jednostkę powierzchni we wszystkich kierunkach. Efekt fotoelektryczny FK hν A FK - fotokatoda A - anoda Efektem fotoelektrycznym nazywamy zjawisko emisji elektronów pod działaniem światła ( Hertz 887 r. ). Badając to zjawisko stwierdzono szereg faktów sprzecznych z falową naturą światła, np. energia wybijanych elektronów nie wzrastała ze wzrostem natężenia światła. Nie stwierdzono także opóźnienia między chwilą włączenia światła a momentem pojawienia się 5

fotoprądu. Wykazano także doświadczalnie istnienie częstotliwości granicznej ν, poniżej której fotoprąd nie pojawiał się bez względu na wartość natężenia światła. g f f = const > λ λ= const U λ λ < λ U E kmax U h U h = eu h ν - fotoprąd, - natężenie swiatla, f ν - częstotliwosć, U - napięcie, λ - dlugosć fali, E - maksym. enrgia kinet. elektronów k max Φ ν g Fotoefekt został objaśniony przez Einsteina w 905 roku. Einstein założył, że światło w tym zjawisku składa się z fotonów o energii E = hν. Foton może zostać pochłonięty przez elektron w metalu i uzyskana przez elektron dodatkowa energia może wystarczyć, aby mógł on opuścić metal. Energia fotonu E = hν zostaje więc zużyta na wyrwanie elektronu z metalu czyli na wykonanie pracy wyjścia Φ i na nadanie elektronowi energii kinetycznej, maksymalnie E : k max hν = E k max +Φ. (6.6) Ponieważ doświadczenie pokazuje, że emisję można zatrzymać stosując napięcie wsteczne hamujące to U h 6

E = eu e ładunek elektronu. (6.7) kmax h, Z równań (6.6) i (6.7) otrzymamy eu h = hν Φ. (6.8) Dla częstotliwości granicznej ν g zachodzi hν = Φ. (6.9) g Z równania (6.8) wynika przedstawiona na rysunku wyżej zależność napięcia hamowania od częstotliwości światła. Z nachylenia wykresu Miliken w 96 r. wyznaczył wartość stałej U h Plancka h. Zjawisko Comptona Zjawisko to zostało odkryte w 93 roku przez Comptona podczas badania rozproszenia promieni rentgenowskich przez różne substancje. Compton zaobserwował w promieniowaniu rozproszonym obok promieniowania o takiej samej długości fali λ jak promieniowanie padające promieniowanie o większej długości fali λ, tak, że Δ λ = λ λ zależy tylko od kąta ϑ między wiązką pierwotną i rozproszoną natężenie λ ϑ λ λ λ λ λ Wzór na Δ λ, opisujący wyniki doświadczalne, można uzyskać zakładając korpuskularną naturę promieniowania 7

p p p e ϑ Zakłada się, że foton zderza się z praktycznie nieruchomym elektronem rozpraszacza oraz, że zachodzą prawa zachowania pędu (6.0) i energii (6.). Ponieważ pęd fotonu: h ν h p = ep = ep c λ to h h e = p + e λ λ p e p, (6.0) hc hc + mc = + c pe + m c λ λ, (6.) gdzie: m- masa elektronu. p e - pęd rozproszonego elektronu. Ostatnie równanie dzielimy przez c, podnosimy do kwadratu i zapisujemy w postaci pe + m c = h + m c hmc. + + λ λ λλ λ λ Z zasady zachowania pędu (6.0) mamy pe = h + cos( ϑ ). λ λ λλ Po porównaniu ostatnich dwóch równań otrzymamy h + c + hmc = h + os( ϑ) λ λ λλ λ λ λ λ λλ, h mc = ( cos( ϑ) ), λ λ λλ h λ λ = ( cos( ϑ) ), mc ( ) Δ λ = λ C cos( ϑ ), (6.) h gdzie λc = =,43 0 m - comptonowska długość fali. mc 8

Model atomu wodoru Bohra Na początku 0. wieku było wiadomo, że atomy składają się z elektronów i ładunku dodatniego skupionego w jądrze o małych rozmiarach rzędu szacowano natomiast na Rozmiary atomu Eksperymenty wykazywały, że atomy wysyłają lub pochłaniają światło o określonych długościach fal charakterystycznych dla każdego rodzaju atomów. Fizyka klasyczna nie była w stanie objaśnić tego liniowego charakteru świecenia atomów, a nawet nie potrafiła objaśnić faktu stabilności układu ładunków, jaki stanowi atom. Teoria Bohra (93r.) była pierwszą teorią, która odniosła sukces w opisie najprostszego atomu, jakim jest atom wodoru. Model Bohra opiera się na dwóch postulatach o naturze kwantowej: 0 0 m. 5 0 m. postulat: Elektron o masie m krąży z prędkością v wokół nieruchomego protonu po orbicie kołowej o takim promieniu h /( π ) r, że jego moment pędu jest całkowitą wielokrotnością mvr = n, n =,,3 (6.3) postulat: Atom promieniuje lub absorbuje foton o energii hν tylko wtedy, kiedy przechodzi z jednej orbity na drugą hc hν = = E. m E n (6.4) λ Korzystając z powyższych postulatów możemy obliczyć promień n - tej orbity i energię elektronu na n - tej orbicie: Siła Coulomba jest siłą dośrodkową mv ke n n ke r r mr m r r 4πε 0 r = n = n, kme me =, oraz v= m = 9

oznaczając r 4πε = = = me 0 0 0,53 0 m 0,53 Ǻ, r = r = rn n. (6.5) Na energię elektronu uzyskamy wzór E n 4 ke ke ke ke k me mvn rn rn rn rn n = = = = 4 me = = E, 3πε 0 n n = (6.6) gdzie 4 me E = = 3πε0 9 3,6 ev, ev=,6 0 J. Korzystając z drugiego postulatu Bohra uzyskamy wzór na długości fal promieniowania emitowanego przez atom wodoru hc E E = = E, λ m n n m E = R, = λ hc n m n m (6.7) gdzie R = 7,097 0 /m to stała Rydberga. Dla n = wzór (6.7) został odgadnięty już w 9. wieku przez Balmera z dopasowania do znanych linii widmowych wodoru w obszarze widzialnym. Emitowane lub absorbowane przez wodór linie widmowe można usystematyzować w serie widmowe. Jeśli w wyrażeniu (6.7) podstawimy: n=, m=,3, 4, otrzymamy serię Lymana n=, m= 3, 4,5, otrzymamy serię Balmera n= 3, m= 4,5, 6, otrzymamy serię Paschena 0

n= 4, m= 5,6,7, otrzymamy serię Bracketta Serie widmowe przedstawione są niżej na wykresie poziomów energii: E n n=5 n=4 n=3 n= E = 0 E E 5 4 E 3 E Lyman Balmer Paschen Brackett α α β α β γ α β γ δ n= E = 3,6 ev Linie przerywane oznaczają granice serii widmowych ( m ). Teoria Bohra zawodzi w przypadku innych atomów np. nie opisuje już widma helu.