Kwantowy opis efektu fotoelektrycznego
Marta Musiał
Fizyka techniczna, WPPT
„ Zjawiska fotoelektrycznego po prostu nie da się zrozumieć bez fizyki kwantowej”
Plan prezentacji
1.
Zjawisko fotoelektryczne – w skrócie.
2.
W czym tkwi problem?
3.
Czym są „kwanty” ???
4.
Początki i rozwój mechaniki kwantowej.
5.
Planck i model promieniowania ciała doskonale czarnego.
6.
Rozumowanie Einsteina.
7.
Sukcesy i porażki teorii Einsteina.
8.
Podsumowanie.
9.
Literatura
Zjawisko fotoelektryczne
- emisja elektronów z powierzchni materiału pod wpływem oświetlania promieniowaniem elektromagnetycznym o odpowiedniej
częstotli-wości, zależnej od rodzaju przedmiotu
- emitowane w ten sposób elektrony nazywa się fotoelektronami.
Przy czym:
Energia kinetyczna fotoelektronów nie
zależy od natężenia światła a jedynie od jego częstotliwości!
W czym tkwi problem ???
Wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego jest niemożliwe na gruncie fizyki klasycznej zakładającej, że światło
jest falą elektromagnetyczną
należałoby wtedy oczekiwać, że
energia fotoelektronów zależy od
natężenia fali świetlnej!
Wyjaśnienie i matematyczny opis efektu fotoelektrycznego
zawdzięczamy Albertowi Einsteinowi.
Za co w 1921 roku podarowaliśmy mu Nagrodę Nobla
Ale czym są kwanty ???
KWANT – najmniejsza porcja, jaką może przyj- mować lub o jaką może się zmieniać dana wielkość fizyczna.
MECHANIKA KWANTOWA – opisuje obiekty o małych rozmiarach i masach w mikroświecie
Zasady mechaniki kwantowej określają sposób patrzenia na wszelkie zjawiska fizyczne i chemiczne.
Naukowcy Za co są odpowiedzialni : Max Planck
1900 energia w procesie absorpcji i
emisji jest skwantowana Albert Einstein
1905 promieniowanie e-m jest
skwantowane, fotony: E = hν Niels Bohr
1913 skwantowanie poziomów
energetycznych w atomie wodoru
Arthur H. Compton
1922 korpuskularny charakter
światła Louis de Broglie
1924
teoria fal materii Erwin Schrödinger
1926 kwantowa mechanika falowa
Werner Heisenberg 1927
zasada nieoznaczoności Paul Dirac
1927 połączył MK z STW
John von Neumann 1932
matematyczne sformułowanie MK
Richard Feynman lata 40- te XXw
teoria pól kwantowych, ostateczna forma MK
Rozwój mechaniki kwantowej
Planck i jego odkrycie
Prawo Kirchhoffa dla promieniowania temperaturowego 1862
Prawo Rayleigha-Jeansa 1900
Prawo Wiena
14 grudnia 1900 rok – poprawka wprowadzona przez Placka.
Uzasadnienie – „oscylatory wy- twarzające promieniowanie cie- plne mogą przyjmować tylko pe- wne wybrane stany energety- czne, a emitowane przez nie pro- mieniowanie może być wysyłane tylko określonymi porcjami”
Annalen der Physik, vol. 4, p. 553 ff (1901). Max Planck, "On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum"
Rozumowanie Einsteina
Założenie:
energia wiązki światła pochłaniana jest w postaci porcji (kwantów) równych hν, gdzie h jest stałą Plancka a ν oznacza częstotliwość fali.
Tok rozumowania:
elektrony utrzymywane są wewnątrz materiału (tarczy) siłami elektrycznymi
Aby elektron mógł uwolnić się z powierzchni musi otrzymać pewną minimalną energię Ф nz. pracą wyjścia.
Jeśli foton przekaże elektronowi energie większą od pracy wyjścia (hν > Ф ) to zostanie on uwolniony!
Równanie Einsteina:
Omówiony tok rozumowania Einstein przedstawił w
poniższym równaniu:
gdzie: - stała Plancka - częstość
- energia kinetyczna max
- praca wyjścia
http://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_fotoelektryczny
Przepiszmy równanie Einsteina w następujący sposób:
Zatem teoria Einsteina przewiduje liniową zależność
napięcia hamującego V0 od częstotliwości .
Zgadza się to w zupełności z wynikami doświadczalnymi.
Sukcesy równania Einsteina
Znalezienie odpowiedzi na dwa podstawowe pytania
dotyczące efektu fotoelektrycznego:
Dlaczego bez względu na natężenie promieniowania padającego wybite
fotoelektrony mają takie same energie???
Dlaczego zjawisko fotoelektryczne nie
występuje, jeśli częstość światła jest niższa od pewnej częstości progowej (również bez względu na to jak intensywne jest światło padające)???
Dodatkowo w teorii Einsteina można odnaleźć
wyjaśnienie na brak opóźnienia czasowego emisji
elektronów:
Foton jest natychmiast absorbowany
przez atom, w wyniku czego następuje
natychmiastowa emisja fotoelektronu.
Odstępstwa od teorii Einsteina:
Światło zazwyczaj oddziałuje z elektronami znajdującymi sie na powierzchni katody, ale niektóre fotony mogą wnikać głębiej.
Wówczas uwolniony elektron, zanim opuści katodę, może wytracić część energii na
zderzenia wewnątrz katody!
W przypadku bardzo dużych natężeń światła spójnego (z lasera) mogą zachodzić procesy wielofotonowe, co oznacza, że jeden elektron może zaabsorbować energie kilku fotonów!
Otrzymane równanie zostało
zweryfikowane doświadczalnie i potwierdzone w słynnym
eksperymencie przeprowadzonym w roku 1915 przez Millikana.
Równanie to pozwala też, po dokonaniu odpowiednich pomiarów, wyznaczyć
wartość stałej Plancka, co również zostało uczynione przez Millikana.
Co było dalej?
„Zjawisko fotoelektryczne (...)
dostarcza zupełnie niezależnego od praw promieniowania ciała doskonale
czarnego dowodu słuszności
fundamentalnego założenia teorii kwantowej, a mianowicie założenia o
nieciągłej emisji energii
absorbowanej przez elektrony atomu z (...)
fal.”
R. A. Millikan
Literatura
1) Halliday, Resnick, Walker „Podstawy fizyki” tom 5 (39.3)
2) R. Eisberg, R. Resnick „ Fizyka kwantowa atomów, cząsteczek, ciał stałych, jąder i cząstek
elementarnych” , (2.3)
3) http://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_fotoelektryczny
4) http://pl.wikipedia.org/wiki/Cia
%C5%82o_doskonale_czarne
5) http://pl.wikipedia.org/wiki/Prawo_Rayleigha-Jeansa
6) http://pl.wikipedia.org/wiki/Mechanika_kwantowa
