Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Nie wszystkie zjawiska optyczne można wytłumaczyć na gruncie falowej teorii światła. Ważną rolę w rozwoju poglądów na naturę światła odegrało zjawisko fotoelektryczne. Zjawisko utraty ładunku z ujemnie naładowanej płytki, pod działaniem światła, związane z uwalnianiem elektronów nazywa się zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym (fotoefektem zewnętrznym). Podstawowe prawa tego zjawiska są następujące:

• prędkość elektronów wylatujących z ciała w czasie fotoefektu zależy wprost proporcjonalnie od częstotliwości padającego światła, a nie zależy od natężenia światła.

• liczba wybijanych elektronów w jednostce czasu jest wprost proporcjonalna do natężenia padającego światła

• zjawisko zajdzie wtedy, gdy energia padającego fotonu h*ν będzie równa lub większa od pracy wyjścia W elektronów z powierzchni metalu.

Lub:

λ₀ - krótkofalowa granica zjawiska fotoelektrycznego.

Zjawisko fotoelektryczne można ująć w równanie, zwane równaniem Einsteina - Millikana

Lub:

h*ν - energia padającego fotonu świetlnego

W - praca wyjścia elektronu z powierzchni metalu

mV²/2- energia kinetyczna wybitego elektronu

h = 6,62*10^-34 J*s - stała Plancka

ν - częstotliwość światła

m = 9,11 * 10^-31kg - masa elektronu

c - prędkość światła w próżni

Związek między falowym

a kwantowym opisem światła.

Zachowanie się światła nie da się opisać za pomocą jednej teorii, czy to falowej, czy to korpuskularnej (fotonowej). Zjawiska: interferencji i dyfrakcji świadczą o falowej naturze światła, a polaryzacja o tym, że jest to fala poprzeczna, natomiast zjawiska: fotoelektryczne i Comptona świadczą o korpuskularnej naturze światła. Oba opisy światła - falowy i korpuskularny (fotonowy), a również i całego promieniowania elektromagnetycznego, służą do wyjaśnienia zjawisk towarzyszących jego rozchodzeniu się i oddziaływaniu z substancją. W pewnych przypadkach promieniowanie elektromagnetyczne zachowuje się jak fala o częstotliwości  i długości λ, a w innych jak zbiór fotonów o energii:

I pędzie:

I masie spoczynkowej:

Obraz falowy opisuje wystarczająco dobrze rozchodzenie się fal radiowych, a zjawiska świetlne wymagają posługiwania się już dwoma opisami. Jednak wraz ze zmniejszeniem długości fali (zwiększeniu częstotliwości), słabną jego właściwości falowe, a efekty korpuskularne przejawiają się coraz silniej i opis korpuskularny jest niezbędny.

Przejście od obrazu falowego do korpuskularnego dają wzory:

I:

po porównaniu stron:

Z lewej strony równania mamy wielkość dotyczącą opisu falowego, a z prawej - korpuskularnego

h*ν - energia padającego fotonu świetlnego

E - energia

mV²/2- energia kinetyczna wybitego elektronu

h = 6,62*10^-34 J*s - stała Plancka

ν - częstotliwość światła

m = 9,11 * 10^-31kg - masa elektronu

c - prędkość światła w próżni

p - pęd

 - długość fali

Fale de Brogile'a.

W roku 1924 Lubwik de Broglie wysunął hipotezę, że dualizm korpuskularno-falowy jest zjawiskiem powszechnym i że z każdą cząstką materialną poruszającą się ruchem jednostajnym prostoliniowym jest skojarzona fala płaska, której parametry falowe ν i λ są związane z wielkościami mechanicznymi cząstki E i p wzorami analogicznymi do tych jakie zostały odkryte w zjawiskach optycznych dla fotonu. Jak wiemy energia wyraża się wzorami:

I:

Po porównaniu stronami:

Ale pęd:

To:

Lub:

Lub:

Powyższe wzory przedstawiają długość fali skojarzonej z cząstką o masie m. Załóżmy, że ładunek q porusza się w polu elektrycznym o napięciu U. Energia kinetyczna nabyta przez ładunek jest równa pracy pola elektrycznego.

Podstawiamy do wzoru na długość fali, skojarzonej z ładunkiem q:

Ostatecznie:

E - energia

h = 6,62*10^-34 J*s - stała Plancka

m = 9,11 * 10^-31kg - masa elektronu

c - prędkość światła w próżni

p - pęd

 - długość fali

V - prędkość światła w danym ośrodku

q - ładunek elektryczny

U - napięcie

Zjawisko Comptona.

Doświadczenie Comptona (1922r.) nad rozpraszaniem promieni X (rentgenowskich) przez substancje składające się z atomów lekkich pierwiastków, pokazały, że promienie rozproszone mają większą długość fali λ niż padające λ₀. Różnica:

Zależy od właściwości substancji długości fali padającego promieniowania i kąta rozproszenia ϕ:

λ_c=2,43*10^-12m - comptonowska długość fali

λ_c =2h/m₀C; m₀ - masa spoczynkowa elektronu

Wytłumaczenie tego zjawiska podali równocześnie Compton i Debye, opierając się na korpuskularnym pojmowaniu promieniowania, tzn. traktując foton i elektron jak dwie kulki doskonale sprężyste.

Zasada zachowania energii

Zasada zachowania pędu

Foton padający o energii h*ν₀ zderza się ze spoczywającym elektronem. W skutek tego elektron zostaje odrzucony z prędkością V pod kątem α do pierwotnego kierunku fotonu, foton zaś zbacza o kąt ϕ od swego pierwotnego kierunku. Przy zderzeniu foton padający oddaje część swego pędu i energii elektronowi.

m - masa elektronu

A więc:

Powyższe rozumowanie jest prawdziwe dla przypadku, gdy foton zderza się z elektronem swobodnym lub słabo związanym z atomem.

h = 6,62*10^-34 J*s - stała Plancka

m = 9,11 * 10^-31kg - masa elektronu

c - prędkość światła w próżni

 - długość fali

V - prędkość światła w danym ośrodku

Fale i cząsteczki

Fale i cząsteczki

8

7