WYKŁAD 3 KORPUSKULARNY CHARAKTER PROMIENIOWANIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO (efekt fotoelektryczny i efekt Comptona, światło jako fala prawdopodobieństwa) D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki t.5, PWN, Warszawa 2003 http://aneksy.pwn.pl/podstawy_fizyki/

EFEKT FOTOELEKTRYCZNY Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002 Halliday, Resnick, Walker, Podstawy fizyki, Copyright © Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2003

EFEKT FOTOELEKTRYCZNY, wyniki Fotoprąd I Fotoprąd I w funkcji w funkcji częstości natężenia światła P Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002

EFEKT FOTOELEKTRYCZNY, wyniki Charakterystyka I(V) w funkcji częstości ν Napięcie hamujące Vstop w funkcji częstości ν Vstop Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002 Halliday, Resnick, Walker, Podstawy fizyki, Copyright © Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2003

EFEKT FOTOELEKTRYCZNY, interpretacja BILANS ENERGETYCZNY Vstop Napięcie hamujące Vstop w funkcji częstości ν Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002

EFEKT FOTOELEKTRYCZNY, interpretacja niepodzielna porcja energii (foton) przekazywanej elektronom ośrodka materialnego przez pole elektromagnetyczne A. Einstein, Nobel 1905 Czy foton ma pęd? Jeśli tak, to foton ma dwie cechy przypisywane cząstkom materialnym, energię i pęd

Jaki byłby pęd fotonu? Klasycznie, siła „pchająca” elektron ośrodka w kierunku padającej fali e-m, poruszany poprzecznie polem E tej fali, i, wskutek tego, poruszający się z prędkością v, pochodzi od pola B tej fali: siła ta kiepsko pracuje ale dobrze przekazuje pęd, przynajmniej w porównaniu do siły FE Całkując po czasie otrzymamy: a także: gdzie pB i WE to pęd i energia przekazana elektronom ośrodka przez odpowiednio pole B i E fali e-m. Pęd i energia przekazana masywnym naładowanym cząstkom ośrodka (jony dodatnie) może być pominięta Średni w czasie pęd przekazany przez pole E jest zero Średnia w czasie energia przekazana przez pole B jest znacznie mniejsza od energii przekazanej przez pole E (w stosunku v/c)

Pęd fotonu powinien zatem być równy: Pierwszy eksperyment weryfikujący oba wzory: to rozpraszanie nieelastyczne fal e-m, zwane zjawiskiem Comptona

ZJAWISKO COMPTONA Arthur Holly Compton, 1892 – 1962 Uniwersytet Waszyngtona w St. Louis Nagroda Nobla 1927 Halliday, Resnick, Walker, Podstawy fizyki, Copyright © Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2003 Mierzymy detektorem natężenie wiązki rozproszonej i jej długość fali λ’ λ = 71,1 pm A Compton na okładce TIME 1936 from Wikimedia Commons

ZJAWISKO COMPTONA, wyniki λC: komptonowska długość fali Linia niezmodyfikowana może być zinterpretowana klasycznie: rozpraszanie elastyczne na elektronach w próbce rozpraszającej, zjawisko Thomsona (Rayleigha dla światła widzialnego) Obie linie, zmodyfikowana i niezmodyfikowana, można wytłumaczyć kwantowo jako rozpraszanie nieelastyczne fotonów na swobodnych i związanych elektronach λC: komptonowska długość fali Halliday, Resnick, Walker, Podstawy fizyki, Copyright © Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2003

TRÓJKĄT MNEMOTECHNICZNY Równanie na masę relatywistyczną:

TRÓJKĄT MNEMOTECHNICZNY Dla fotonu:

Zjawisko Comptona, wyprowadzenie wzoru Halliday, Resnick, Walker, Podstawy fizyki, Copyright © Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2003

Zasada zachowania pędu, foton i elektron:

Trójkąt mnemotechniczny dla elektronu

komptonowska długość fali. Dla swobodnego elektronu: Dla elektronów związanych m0 zastępujemy masą atomu rozpraszającej próbki; linia „niezmodyfikowana”

Światło jako fala e-m i fala prawdopodobieństwa Doświadczenie Younga w wersji tradycyjnej (Young 1801) i w wersji jednofotonowej (G.I. Taylor 1909) w układzie pomiędzy źródłem światła i ekranem znajduje się w danej chwili czasu tylko jeden foton) Prędkość zliczeń fotonów proporcjonalna do natężenia fali e-m Prawdopodobieństwo detekcji fotonu jest proporcjonalne do natężenia fali e-m w tym punkcie (elemencie objętości) Halliday, Resnick, Walker, Podstawy fizyki, Copyright © Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2003 Czy foton jest podzielny? Czy może być klasyczną paczką falową, która przechodzi jednocześnie przez obie szczeliny?

Doświadczenie Younga w wersji szerokokątowej, Lai, Diels 1992 D – detektor fotonów Przesuwanie detektora D w poziomie zmienia różnicę dróg i szybkość zliczeń zgodnie ze wzorem interferencyjnym WNIOSEK: Halliday, Resnick, Walker, Podstawy fizyki, Copyright © Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2003 Światło nie jest zbiorem fotonów w postaci paczek klasycznych fal świetlnych wysyłanych pojedynczo w kierunku szczelin; foton jest niepodzielny. Światło jest emitowane przez cząsteczkę S i rejestrowane w detektorze D w postaci niepodzielnych fotonów; zaś rozchodzi się w postaci fali prawdopodobieństwa, która może się poruszać jednocześnie torami 1 i 2. Jeśli sprawdzimy, którym torem porusza się foton (stwierdzimy, że jest lub go nie ma) to interferencja zniknie