Prawa empiryczne (doświadczalne) – prawa wynikające z analizy doświadczeń, bardzo często mające charakter ekstrapolacji wyników doświadczeń

Doświadczanie Francka-Hertza (1913) polega na badaniu przepływu prądu elektrycznego przez triodę, wypełnioną parami rtęci. Rzecz dotyczy kwantów światła emitowanego lub absorbowanego przez atomy i kwantów energii, jaką otrzymują lub przekazują elektrony.

Schemat i wynik doświadczenia Francka-Herzta.

>Elektrony są emitowane z katody. Na siatkę S przykładane jest regulowane napięcie (od zera do kilkunastu V) przyspieszające elektrony, zaś pomiędzy siatką a anodą A, niewielkie, stałe napięcie zaporowe, które nie pozwala elektronom zbyt powolnym dotrzeć do anody.

>W warunkach bez zderzeń, w miarę wzrostu napięcia siatki, prąd elektronów powinien rosnąć (lub w warunkach nasycenia pozostawać stały).

>Okazuje się, że w triodzie wypełnionej parami rtęci, wzrost ten nie jest monotoniczny, a krzywa spada, kiedy elektrony (z katody) mają dostateczną energię, aby wzbudzić atom rtęci do wyższego stanu elektronowego. Czyli: atomy rtęci nie tylko emitują energię w postaci kwantów (światła) ale i absorbują energię (od swobodnych elektronów) w postaci kwantów.

Zjawisko fotoelektryczne – w wyniku oświetlenia określonym promieniowaniem elektromagnetycznym z powierzchni metalu wybijane są elektrony. Prawa zjawiska fotoelektrycznego:

I. Dla każdego metalu istnieje pewna najniższa częstotliwość światła (największa długość fali), poniżej której zjawisko nie zachodzi

II. Ilość wybijanych z powierzchni metalu elektronów jest proporcjonalna (dla częstotliwości powyżej granicznej) do natężenia światła padającego na jego powierzchnię

III. Energia kinetyczna wybijanych z powierzchni metalu elektronów nie zależy od natężenia padającego na metalową płytkę światła, lecz od jego częstotliwości

IV. Zjawisko jest natychmiastowe. Emisja elektronów z powierzchni metalu następuje po ok. 10-9s od naświetlenia płytki.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne, a teoria falowa

Wyjaśnienie wyników doświadczenia Hertza na gruncie teorii falowej okazało się nie możliwe z wzrostem natężenia światła padającego powinna wzrastać energia wybijanych z powierzchni metalu elektronów, a w doświadczeniu tak nie było.

Korpuskularna natura światłofotomu (Planck 1900)

a)światło emitowane jest w postaci określonej formy energii zwanych fotomami – kwantami promieniowania

b) energia pojedynczego atomu ma wartość:

E_f=h*V E- energia kwantu

h=6,63*10­^-34J*s

V-częstotliwość

V=$\frac{\mathbf{c}}{\mathbf{\lambda}}$ c-szybkość światła w próżni c=3*10⁸m/s

λ-długość fali

E_f= h*$\frac{\mathbf{c}}{\mathbf{\lambda}}$

Dualizm korpuskularno falowy

a)zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne wskazuje na korpuskularny charakter promieniowania elektromagnetycznego

b)zjawisko dyfrakcji i interferencji świadczą o naturze falowej tego promieniowania

c)powyższe własności dowodzą o dwoistej naturze promieniowania elektromagnetycznego

Dyfrakcja to zjawisko polegające na zaburzeniu prostoliniowego rozchodzenia się promieni świetlnych. Dyfrakcji ulega światło tylko na takich przeszkodach (szczelinach), których rozmiary są porównywalne z długością fali świetlnej

Interferencja polega na nakładaniu się fal pochodzących z różnych źródeł. Aby powstał stabilny i możliwy do zaobserwowania obraz interferencyjny, to światło pochodzące z tych źródeł musi być spójne. Takie warunki można uzyskać, kierując światło pochodzące z jednego źródła na dwie szczeliny, z których każda będzie stanowiła odrębne źródło światła spójnego.

Einstein wykorzystał teorię Plancka z 1900 roku, wg której każdy rodzaj promieniowania jest emitowany i pochłaniany porcjami energii. Porcja energii (kwant) opisana jest wzorem: E_f=h*V

Wg Einsteina, światło to strumień cząstek (tzw. fotonów), z których każda niesie porcję energii czyli kwant energii. Foton, zderzając się z elektronem, przekazuje mu swoją energię. Jeśli ta energia (Efotonu) wystarczy do pokonania sił wiążących elektron z metalem, to może on wyrwać się z powierzchni metalu (wykonać pracę wyjścia - W) i energia kinetyczna elektronu (Ekinet) jest równa energii fotonu pomniejszonej o pracę wyjścia. E_kinet = E_fotonu - W

E_f=W+E_k

E_k=$\frac{\mathbf{m*}\mathbf{r}^{\mathbf{2}}}{\mathbf{2}}$

E_f=h*V

W=e*U U-napięcie, e-ładunek

h*$\frac{\mathbf{c}}{\mathbf{\lambda}}$ =W+$\frac{\mathbf{m*}\mathbf{r}^{\mathbf{2}}}{\mathbf{2}}$

Joseph John Thomson uważał, że każdy atom jest zbudowany z jednorodnej kuli elektryczności dodatniej. Wewnątrz tej kuli znajdują się ujemne elektrony poruszające się dookoła jej środka po pewnych orbitach. Całkowita ilość ładunków ujemnych zgromadzonych na elektronach jest równa dodatniemu ładunkowi zgromadzonemu na kuli. Dostarczając energię elektronom zwiększamy ich prędkość, a tym samym orbity, po których krążą. Po dostarczeniu wystarczającej energii elektrony mogą opuścić atom.

Według Rutherforda atom składał się z malutkiego jądra, w którym zgromadzony był cały ładunek dodatni. Wokół jądra po pewnych orbitach krążą ujemne elektrony. Niektóre cząsteczki alfa mające ładunek dodatni, znalazły się bardzo blisko również dodatniego jądra. Siły działające między jądrem, a cząsteczką były wystarczająco duże, aby została ona zatrzymana i odepchnięta w przeciwnym kierunku.

Nielsen Bohr 1853-1928 – profesor uniwersytetu w Kopenhadze. W 1913 podał swoją teorię a 1922 otrzymał Nagrodę Nobla.

Model ten ostatecznie zrywał z koncepcją stosowalności zasad fizyki klasycznej w opisie zjawisk zachodzących na poziomie atomu

Postulat I - w atomie istnieją dozwolone stany stacjonarne, w których nie wypromieniowuje on energii.

Postulat II – elektron może krążyć jedynie po orbitach stacjonarnych, dla których moment pędu jest całkowitą wielokrotnością stałej Placka podzielone przez 2pi mvr=(nh)/2pi l=m*v*r – moment pędu p->=m*v-> n=1,2,3 …. N h=6,63*10^-34J*s – stała Plancka

Postulat III – w przejściu elektrony z jednego stanu stacjonarnego do drugiego towarzyszy emisja lub pochłonięciu kwantu energii E_f=h*v

Wnioski: Energia, moment pędu, promień odbity elektronu są skwantowane – przyjmują wartości dyskretne (określone)