FALE I CZĄSTECZKI

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne

Doświadczenie 1.

Do czułego elektroskopu mocujemy płytkę cynkową dokładnie oczyszczoną z warstwy tlenku cynku. Płytkę Zn oświetlamy mocnym strumieniem światła z łuku elektrycznego.

Naświetlenie płytki powoduje natychmiastowe ładowanie się elektroskopu. Można stwierdzić, ze elektroskop naładował się dodatnio.

Doświadczenie 2.

Tym razem płytkę cynkową ładujemy ładunkiem ujemnym, a następnie naświetlamy. Obserwujemy, że po naświetleniu płytka się rozładowała.

Doświadczenie 3.

Powtarzamy doświadczenie 1. Jednak światło pochodzące z łuku elektrycznego czy lampy kwarcowej przepuszczamy przez szklaną płytkę. Pomimo długiego czasu naświetlania nie obserwujemy żadnych efektów. Listki elektroskopu pozostają nie rozchylone.

WNIOSKI

Promieniowanie nadfioletowe jest silnie pochłaniane przez szkło. Światło łuku elektrycznego czy lampy kwarcowej po przejściu przez płytkę szklaną, nie tracąc prawie nic z intensywności w zakresie części widzialnej widma, jest pozbawione składowej nadfioletowej. Nadfioletowa składowa widma światła, a zatem składowa, której odpowiadają fale krótsze od fal świetlnych, wywołuje emisję elektronów z powierzchni cynku. Emisja elektronów zależy zatem od długości fali światła padającego na płytkę.

Elektrony uwalniane z powierzchni substancji przez światło nazywamy fotoelektronami, a sam fakt ich uwalniania nazywamy zjawiskiem fotoelektrycznym lub fotoemisją.

Energia wyrzuconych z powierzchni metalu elektronów nie zależy od natężenia padającego nań promieniowania, a tym samym nie zależy od amplitudy fali.

Jedynym wytłumaczeniem zjawiska fotoelektrycznego jest przyjęcie założenia, że światło jest nie tylko emitowane w porcjach o określonej energii jak to przyjął Planck, ale jest również porcjami absorbowane. Jeżeli przyjmiemy, tak jak uczynił w 1905r. Einstein, że każdy wysyłany w zjawisku fotoelektrycznym elektron pochłonął energię jednego kwantu promieniowania równą

E = hν

Problem zjawiska fotoelektrycznego wydaje się być rozwiązany.

Przykład 1.

Ile razy energia kwantu światła o barwie czerwonej (długość fali λ₁ = 700 nm) jest mniejsza od energii niesionej przez kwant promieniowania nadfioletowego o długości fali λ₂ = 150 nm?

Zgodnie z podanymi wcześniej zależnościami energię poszczególnych kwantów można przedstawić następująco:

E₁ = hν₁ = hc/λ₁

E₂ = hν₂ = hc/λ₂

skąd stosunek

E₂/E₁ = hc/λ₂ : hc/λ₁ = λ₁/λ₂ ,

λ₁/λ₂ = 700 nm/150 nm = 4,7.

DWA PRAWA DOTYCZĄCE ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNEGO BRZMIĄ NASTĘPUJĄCO:

Energia elektronów emitowanych w trakcie naświetlania płytki metalowej nie zależy od natężenia promieniowania, a jedynie od jego długości fali.

Liczba elektronów emitowanych z płytki jest proporcjonalna do natężenia padającego na nią promieniowania.

Interpretacja zjawiska fotoelektrycznego,

wprowadzenie pojęcia fotonu

Zgodnie z hipotezą Einsteina, światło to strumień szczególnych cząstek - fotonów, z których każdy niesie bardzo małą, ściśle określoną porcję energii - kwant energii. Foton światła o energii:

E = hν = hc/λ

oddziałując z elektronem przekazuje mu całą energię. Jeżeli energia ta jest wystarczająca do pokonania sił, jakimi elektron jest związany z metalem, istnieje skończone prawdopodobieństwo wyrwania elektronu z powierzchni metalu.

Energia kinetyczna elektronu jest zatem równa energii fotonu pomniejszonej o pracę potrzebną na wyrwanie elektronu z powierzchni metalu (tzw. pracę wyjścia W₀).

Równanie Einsteina-Millikana:

E_k = hν - W₀ .

Zastosowanie zjawiska fotoelektrycznego

Zjawisko fotoelektryczne znalazło szerokie zastosowanie zarówno w technice jak i w życiu codziennym. Jednym z przykładów jest komórka fotoelektryczna.

Rozróżniamy dwa typy fotokomórek: próżniowe lub wypełnione gazem.

Komórki fotoelektryczne znalazły szerokie zastosowanie w urządzeniach liczących elementy oraz do precyzyjnego wyznaczania czasu. W tym ostatnim przypadku fotokomórkę sprzęga się z zegarem kwarcowym. Za pomocą takich właśnie urządzeń mierzy się czas trwania biegu czy zjazdu sportowca z dokładnością tysięcznych części sekundy.

Jednym z najpopularniejszych zastosowań fotokomórki jest odtwarzanie dźwięku w trakcie filmu. Z boku taśmy filmowej znajduje się zapis dźwięku w postaci wąskiej ścieżki o różnym stopniu zaciemnienia. Światło po przejściu przez „ścieżkę dźwięku” pada na fotokomórkę powodując przepływ prądu o różnym natężeniu. Po wzmocnieniu prąd ten podawany jest na głośnik odtwarzający dźwięk.

Powszechnie stosuje się fotokomórkę w systemach alarmowych zabezpieczających pomieszczenia przed włamaniem itp.

Właściwości fotonu

Dla cząstek mających różną od zera masę spoczynkową m₀ (czyli masę, jaką ma cząstka będąca w spoczynku) energia całkowita jest sumą energii spoczynkowej E = m₀c² oraz energii kinetycznej cząsteczki

E = m₀c² + E_k ,

gdzie m₀ - masa spoczynkowa cząstki, E_k - energia kinetyczna cząstki (relatywistyczna).

Wyznaczanie masy fotonu:

hν_f = m_f c² ,

m_f = hν_f / c² = h / cλ_f .

Wyznaczanie pędu fotonu:

p_f = m_f c = h / λ_f = E_f / c .

Masa poruszającego się z prędkością światła fotonu związana jest wyłącznie z unoszoną przez niego energią. Jego masa spoczynkowa jest równa zeru.

Dualizm korpuskularno-falowy. Teoria de Broglie'a

De Broglie kontynuował dociekania Plancka, Einsteina i Comptona. De Broglie wyszedł z następującego rozumowania: jeżeli promieniowanie elektromagnetyczne, które traktowaliśmy jako falę, wykazuje również cechy korpuskularne, czyli ma naturę dualną (podwójną), to czy cząstki materialne nie powinny mieć również natury dualnej, czyli wykazywać także cech falowych? Inaczej mówiąc, jeżeli fotonowi będącemu najmniejszą porcją energii elektromagnetycznej, można przypisać masę i pęd, to nic nie stoi na przeszkodzie, aby cząstce materialnej, na przykład elektronowi przypisać określoną długość fali.

Cząstce materialnej o pędzie równym

p_c = m_c ν_c

można przypisać długość fali

λ_c = h / p_c = h / m_c ν_c ,

gdzie m_c - masa cząstki, ν_c - prędkość cząstki.

Fale odpowiadające cząstkom nazywa się falami materii albo falami de Broglie'a.

Trzeba pamiętać o tym, że nie są to fale elektromagnetyczne. Prędkość fal materii jest równa prędkości poruszającej się cząstki.

Hipoteza de Broglie'a o dualizmie falowo-korpuskularnym wszelkich obiektów świata atomowego została całkowicie potwierdzona doświadczalnie. Stanowi ona podstawę współczesnej teorii zjawisk wewnątrzatomowych - mechaniki kwantowej.

---