Kvantna priroda svjetlosti

1. Kvantna priroda svjetlosti

2. 14.12.1900. Kvanti energije – Max Planck • 1905. Fotoelektrični efekt – Albert Einstein • 1923. Raspršenje fotona na elektronima – A.H. Compton

3. Problem crnog tijela! Idealno crno tijelo potpuno apsorbira sve upadno zračenje. Idealno crno tijelo ne postoji, ali najbolja aproksimacija je izotermna šupljina s malim otvorom. Kada je izotermna šupljina ugrijana na neku temperaturu T, iz njezina otvora izlazi zračenje kontinuirane raspodjele valnih duljina, od neke minimalne do maksimalne. Krajem pretprošlog stoljeća, nakon što je izmjeren spektar crnog tijela, pokušao se objasniti oblik krivulje spektra za pojedine temperature i dobiti kvantitativna ovisnost energije zračenja o valnoj duljini. Međutim…

4. Ultraljubičasta katastrofa Oko 1900. godine Rayleigh i Jeans su pretpostavili da se zračenje unutar šupljine sastoji od stojnih elektromagnetskih valova. Izračunali su broj tih valova u određenom intervalu frekvencija, pomnožili s prosječnom energijom vala i tako odredili energiju u šupljini.

5. Međutim, nisu svi zakoni klasične fizike bili neuspješni! Stefan-Boltzmannov zakon i Wienov zakon Jožef Štefan (eksperimentalno) i Boltzmann (teorijski) došli do istog rezultatat i odredili izraz za ukupni intenzitet zračenja crnog tijela:

6. T Rayleigh-Jeans m Wienov zakon pomaka kaže da je valna duljina koja odgovara maksimumu izračene energije obrnuto proporcionalna apsolutnoj temperaturi:

7. Planckov zakon zračenja za crno tijelo. Kvanti svjetlosti Planckov zakon Važne pretpostavke pri ovom izvodu su da oscilator koji emitira svjetlost može poprimiti samo određene vrijednosti energije, odnosno energija je kvantizirana!!! Oscilator može izračiti cijeli kvant svjetlosti energije, jedan foton čija je energija E=h.

8. Fotoelektrični efekt (Heinrich Rudolf Hertz, 1887. godine otkrio, a ne i objasnio fotoelektrični efekt) je bio zagonetka u fizici do početka 20. stoljeća, a njegovo otkriće je odigralo ključnu ulogu u razvoju moderne fizike jer je nedvosmisleno pokazao kvantnu prirodu procesa u mikrosvijetu. Imenom fotoelektričnog efekta je nazvana pojava kada svjetlost određene valne dužine padne na površinu metala (npr. cinka ili natrija) iz njega izbija elektrone.

9. Najvažnija osobina fotoelektričnog efekta je povezana sa ovisnošću fotoelektričnog efekta o valnim dužinama i intenzitetu svjetlosti kojom se osvjetljava metalna ploča: ako je valna dužina manja od neke granice (koja ovisi o vrsti tvari) intenzitet efekta (količina el. naboja koji se pojavljuje na ploči) raste sa povećanjem intenziteta. Međutim, ako valna dužina svjetlosti prelazi tu granicu, fotoelektričnog efekta nestaje, bez obzira koliko intenzivna bila svijetlost. Ovakvo ponašanje nije se moglo objasniti dotadašnjim poznavanjem fizike: teorija o svjetlosti kao valu nije mogla objasniti zašto veća količina energije ne može izazvati fotoelektrični efekt, jer je ta teorija predviđala da iste količine energije moraju imati iste efekte.

10. Shema uređaja za mjerenje fotoelektričnog efekta.

11. Eksperiment je pokazao da za svaki metal postoji najmanja, tzv. granična frekvencija svjetlosti takva da se manjom od nje ne može izazvati fotoelektrični efekt ma kako velika bila jakost upadne svjetlosti.

12. Fotoelektrični efekt je objasnio (i zato 1921. godine dobio Nobelovu nagradu) Albert Einstein 1905. godine. Planckovoj hipotezi Einstein je dodao i pretpostavku da je za izlazak elektrona iz metala potrebna energija koja je ista za sve elektrone, koju je on nazvao izlazni rad. W

13. Treba dodati da je tome doprinijelo i otkriće da su nosioci električnog naboja u metalu električki negativno nabijeni elektroni. Kombinirajući sva tada moderna znanja i hipoteze Einstein je dao jednadžbu koja opisuje fotoelektrični efekt:

14. Comptonov efekt Pri raspršenju X-zraka na elektronima u grafitu A.H.Compton opazio je da raspršeno zračenje ima dvije komponente: prva ima valnu duljinu kao upadni snop, a druga malo veću komponentu. Razlika valnih duljina tih dviju komponenti ovisi o kutu raspršenja.

15. Pri sudaru fotona i elektrona, foton izgubi dio svoje energije i zato mu se poveća valna duljina. h/’ mv  h/

16. Kirchhoffov zakon Problem sivog tijela; neka se u posudi čiji zidovi imaju temperaturu T nalazi crno tijelo. Snga koju tijelo predaje posudi u ravnoteži je jednaka nuli te je apsorbirani tok energije jednak emitiranom toku: e = a = u Ako zamjenimo crno tijelo sivim, mijenja se apsorbirani tok: a = (1-)u = u Omjer emitiranog toka sivog tijela i crnog tijela pri jednakoj temperaturi zovemo faktorom emisije, . Rekacija za emisionu moć: fst(,T) = fct(,T) = fct(,T) Jednakost faktora emisije i faktora apsropcije: () = () zove se Kirchhoffov zakon.