Kwantowa natura promieniowania Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne – wyrzucanie elektronów z powierzchni ciała stałego pod wpływem promieniowania – fotoemisja elektronowa. Ekmax=eUh. Uh nie zależy od natężenia światła. Z teorii falowej wynika, że: 1. Ek fotoelektronów powinna rosnąć ze wzrostem energii fali 2. Zjawisko fotoelektryczne powinno występować dla dowolnej częstotliwości Wyjaśnienie – kwantowa teoria światła. Energia fotonu padającego na powierzchnię metalu zostaje pochłonięta przez elektron. Część na oderwanie się od metalu – praca wyjścia, pozostała część – energia kinetyczna elektronu: hn=f+Ekmax. hno=f, Einstein. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne – wzrost przewodnictwa kryształu w efekcie wzrostu liczby swobodnych elektronów i dziur pod wpływem światła. Dualizm światła Falowa natura – dyfrakcja, interferencja, polaryzacja; korpuskularna natura – zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne: światło ma jednocześnie własności falowe i kwantowe 12. Kwantowa natura światła

Dualizm światła Falowa natura materii Fotony – cząstki o określonych wartościach pędu i masy. Energia: E=hn, m=E/c2=hn/c2, p=mc=hn/c, h = 6,626 069 57(29)·10–34J*s. Zjawiska, w których biorą udział fotony podlegają prawom zachowania energii i pędu. Foton nie ma masy spoczynkowej, v=c → mo=0 1 elektronovolt jest pracą wykonaną przez pole elektryczne o napięciu 1 wolta przy przejściu przez to pole elektronu: 1 eV=1.6*10-19C*1V=1.610-19 J Falowa natura materii 1924 de Broglie - materia powinna wykazywać własności falowe: Davisson i Germer wywołali w 1927 r. zjawiska dyfrakcji i interferencji fal materii potwierdzając hipotezę de Broglie’a Materia wykazuje, podobnie jak promieniowanie – dualizm falowo-cząstkowy. Fale materii – mechanika kwantowa (falowa) opisuje falowe własności materii. Zastosowanie: badanie budowy atomów, cząsteczek i kryształów. 12. Kwantowa natura światła, falowa natura materii

Falowe własności materii Każdej poruszającej się cząstce materialnej można przypisać fale materii, której długość jest określona wzorem de Broglie’a. Niewielka długość – trudne do zarejestrowania. 12. Kwantowa natura światła, falowa natura materii

Zasada nieoznaczoności Konsekwencja falowo-cząstkowej natury materii: Iloczyn niepewności pomiaru pędu i pomiaru położenia cząstki jest zawsze nie mniejszy od stałej Plancka h=6.6262*10-34 [J*s] Chcąc zwiększyć dokładność pomiaru y musimy zmniejszyć szerokość szczeliny, co prowadzi do zwiększenia szerokości prążków dyfrakcyjnych, kąta q, czyli zwiększenia niepewności pomiaru Dpy. Poszerzenie szerokości szczeliny prowadzi do zmniejszenia niepewności Dpy, kosztem zwiększenia niepewności Dy. Ograniczenie dokładności pomiarów w zasadzie nieoznaczoności wynikiem falowej natury cząstek. Cząstki nie podlegają prawom mechaniki klasycznej, lecz prawom mechaniki kwan- towej. Iloczyn niepewności pary wielkości fizycznych kano- nicznie sprzężonych jest nie mniejszy od stałej Plancka 12. Mechanika kwantowa

Równanie Schrodingera Funkcja falowa, y - funkcja współrzędnych i punktu y (x, y, z, t), może przyjmować wartości zespolone. Kwadrat modułu funkcji falowej jest równy gęstości prawdopodobieństwa p(x, y, z, t) znalezienia cząstki w chwili t w punkcie (x, y, z). Funkcja falowa opisuje zachowanie się cząstek statystycznie. Jest rozwiązaniem równania Schrodingera Przykłady. Cząstka swobodna (U=0). Cząstka w jamie potencjalnej. 12. Mechanika kwantowa

Równanie Schrodingera Energia cząstki znajdującej się w jamie potencjalnej jest skwantowana. Poziomy energetyczne – dozwolone wartości energii, n – liczba kwantowa. n=1 n=2 n=3 Przejście cząstki przez barierę potencjału. E<Uo, 12. Mechanika kwantowa

Przejście przez barierę potencjału Efekt tunelowy (rozpad jąder atomowych). Absorpcja i emisja światła Emisja i absorpcja fotonu mają miejsce w efekcie procesów zachodzących wewnątrz atomów. Pochłonięcie fotonu – absorpcja: energia atomu wzrasta o energię fotonu i atom przechodzi do stanu wzbudzonego. Stany te nie mogą mieć energii dowolnej, nie każdy foton może być przez atom pochłonięty. Rozkład częstości fotonów pochło- niętych przez atom – widmo absorpcji, które jest charakterystyczne dla danego atomu. Lasery. 12. Mechanika kwantowa

Fluorescencja, fosforescencja Pobudzenie ciała do świecenia pod wpływem padającego na nie promieniowania. Średni czas, w jakim atom pozostaje w stanie wzbudzonym - czas życia stanu. Zwykle 10-7-10-9 s. Stany o dłuższym czasie życia – metastabilne. W ośrodku ze stanami metastabilnymi możliwa jest fosforescencja – gdy świecenie nie ustaje po przerwaniu naświetlania. Fluorescencja, fosforescencja – luminescencja; katodoluminescencja, termolumine- scencja, radioluminescencja, tryboluminescencja, chemoluminescencja. Luminofor – substancja wykazująca silne własności luminescencyjne. Świetlówki, lampy kineskopowe, defektoskopia fotoluminescencyjna. Scyntyla- tory – detekcja promieniowania jądrowego. Analiza luminescencyjna – stężenie hormonów. 12. Luminescencja

Emisja wymuszona. Laser 12. Lasery