dr inż. Monika Lewandowska Fizyka III dr inż. Monika Lewandowska

Promieniowanie elektromagnetyczne – podsumowanie Doświadczenia Huygensa, Younga stwierdzające falową naturę światła Maxwell: źródłem jest przyśpieszony dowolnie ładunek elektryczny Koniec XIX w.: wprowadzenie pojęcia fale elektromagnetyczne (Maxwell) Równania Maxwella: fala elektromagnetyczna spełnia równanie falowe: (y – zaburzenie, v – prędkość w ośrodku) Przełom XIX i XX wieku: promieniowanie elektromagnetyczne ma również charakter cząstkowy (dualizm korpuskularno-falowy) wprowadzenie pojęcia fotonu (Einstein). Źródło: Wikipedia

Widmo fal elektromagnetycznych Źródło: Wikipedia Przykładowe źródła promieniowania elektromagnetycznego: oscylacja dipola elektrycznego (Hertz, fale radiowe) przyspieszanie cząstek naładowanych w akceleratorach (promieniowanie synchrotronowe) hamowanie elektronów w polu jądra atomowego (promieniowanie Röntgena) oscylatory atomowe (promieniowanie termiczne)

Promieniowanie termiczne Dwie wielkości opisują emisję i absorpcję promieniowania przez ciało o temperaturze T: Zdolność emisyjna e(λ,T) – ilość energii emitowanej w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni ciała, w przedziale długości fal: λ, λ+dλ [e] = W/m2μm Zdolność absorpcyjna a(λ,T) - stosunek mocy pochłoniętej do mocy padającej; wielkość bezwymiarowa. Całkowita moc emitowana z jednostki powierzchni ciała [R] = W/m2 Prawo Kirchhoffa (1860) Dla dowolnego ciała (f uniwersalna funkcja λ i T) Ciało doskonale czarne (cc) – ciało modelowe, które całkowicie pochłania padające na nie promieniowanie T Model cc – otwór we wnęce o stałej temperaturze T

Jak badamy promieniowanie ciała doskonale czarnego? Stefan, 1879; Boltzmann, 1884; dla ciała doskonale czarnego: , gdzie dla ciał rzeczywistych: , gdzie 0 < a < 1 Wien, 1893 dla ciała doskonale czarnego: , gdzie Przykłady: T = 310 K lmax = 935 nm (podczerwień) R = 524 W/m2 T = 5780 K lmax = 501 nm (światło zielone) R = 63.3 MW/m2

Jak opisać i wyjaśnić widmo promieniowania ciała doskonale czarnego ? Prawo Rayleigha – Jeansa (1900, 1905): Empiryczne prawo Wiena (1896): Prawo Plancka (1900) – narodziny mechaniki kwantowej; Nobel 1918 Max Planck ok. 1900 r. Z Prawa Plancka można otrzymać jako przypadki graniczne prawo Rayleigha-Jeansa (dla E0/kT << 1) oraz prawo Wiena (dla E0/kT >> 1) Porównanie zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego o temperaturze 6000K obliczonej na podstawie praw: Plancka, Wiena i Rayleigha-Jeansa

Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego c.d. Źródło: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/bbrc.html Przykład: Mikrofalowe promieniowanie tła (promieniowanie reliktowe) Widmo opisane jest rozkładem Plancka dla T = (2,725 ± 0,001) K Odkrycie: Penzias, Wilson, 1965; Nobel: 1978 Zbadanie: COBE (NASA, 1989); Mather i Smoot; Nobel 2006 Źródło: http://arcade.gsfc.nasa.gov/cmb_spectrum.html

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne Robert Millikan 1923 Prawidłowości występujące w zjawisku fotoelektrycznym P. Lenard (1902), R.A. Millikan (1905-1915), nagroda Nobla 1923 R/H/W Rys. 39.1. Aparatura używana do badania zjawiska fotoelektrycznego. Padająca wiązka światła oświetla elektrodę T, uwalniając z niej elektrony, które następnie zbierane są przez kolektor K.

Zjawisko fotoelektryczne c.d. Einstein (1905); nagroda Nobla 1921 Maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów zależy od energii fotonów światła padającego - praca wyjścia Liczba wybijanych fotonów jest proporcjonalna do liczby fotonów (natężenia) padającego światła Dla każdego materiału istnieję pewna graniczna długość fali, powyżej której zjawisko nie zachodzi A. Einstein początek XX w max Metal W [eV] lgr [nm] Li Na K Rb Cs Cu Pt 2,46 2,28 2,25 2,13 1,94 4,48 5,36 504 543 551 582 639 277 231 gr R/H/W rys. 39.2 Zależność potencjału hamującego od częstotliwości światła padającego na elektrodę z sodu (dane R.A. Millikan 1916) Metoda pomiaru stałej Plancka

Zjawisko fotoelektryczne c.d. Inne zjawiska oparte na zasadzie efektu fotoelektrycznego: z.f. wewnętrzne (wzrost przewodnictwa w półprzewodnikach i izolatorach pod wpływem oświetlenia); z.f. jądrowe (wzbudzenie jądra atomowego z emisją nukleonów) Zastosowania: fotokomórka, fotopowielacz, fotodioda półprzewodnikowa, baterie słoneczne, noktowizor, elementy CCD w aparatach cyfrowych, Źródło: Wikipedia

Promienie X Röntgena Własności promieni X: W.C. Röntgen 1895, pierwsza nagroda Nobla z fizyki 1901 Wilhelm C. Röntgen Schemat lampy wytwarzającej promieniowanie X Źródło: Wikipedia Widmo promieniowania X dla anody wykonanej z molibdenu przy różnych wartościach napięcia Ua. Źródło: M.R Wehr, J.A. Richards: Fizyka atomu, PWN 1963 Własności promieni X: Widmo ciągłe – promieniowanie hamowania (Bremsstrahlung) Widmo charakterystyczne – zależy od Z materiału anody energia: 103 – 105 eV; długość fali: 10−9 – 10−11 m (10 Å – 0,1 Å); częstość: 5·1017 – 5·1019 Hz; mają własności falowe (dyfrakcja na kryształach); mają własności cząstkowe (np. efekt Comptona)

Promienie X Röntgena c.d. Mechanizm powstawania promieniowania hamowania Granica krótkofalowa promieniowania X R/H/W Rys. 41.15

Zjawisko Comptona A.H. Compton 1922, nagroda Nobla 1927 Arthur H. Compton 1936 R/H/W Rys. 39.3 Schemat aparatury Comptona. Wiązka promieni X o długości fali l0 = 71.1 pm pada na grafitowa tarczę T. Natężenie i długość fali promieniowania rozproszonego są mierzone przez detektor pod różnymi kątami względem wiązki padającej R/H/W Rys. 39.4 Wyniki doświadczenia Comptona dla czterech wartości kąta rozpraszania f. Promieniowanie rozproszone ma dwie składowe o długościach fali l= l0 i l= l0 + Dl. Przesunięcie Comptona Dl zwiększa się wraz ze wzrostem kata rozpraszania.

Zjawisko Comptona c.d. Energia i pęd fotonu: Energia i pęd fotonu: Zasada zachowania energii: Zasada zachowania pędu: Przesunięcie Comptonowskie: Comptonowska długość fali R/H/W Rys. 39.5. Foton promieniowania rentgenowskiego o długości fali l0 oddziałuje z nieruchomym elektronem. Zostaje on rozproszony pod kątem f i jego długość fali l się zwiększyła. Elektron po zderzeniu porusza się z prędkością v pod kątem q.