Kwantowy opis efektu fotoelektrycznego Marta Musiał Fizyka techniczna, WPPT „ Zjawiska fotoelektrycznego po prostu nie da się zrozumieć bez fizyki kwantowej”

Plan prezentacji Zjawisko fotoelektryczne – w skrócie. W czym tkwi problem? Czym są „kwanty” ??? Początki i rozwój mechaniki kwantowej. Planck i model promieniowania ciała doskonale czarnego. Rozumowanie Einsteina. Sukcesy i porażki teorii Einsteina. Podsumowanie. 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!

Za co w 1921 roku podarowaliśmy mu Nagrodę Nobla  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.

Rozwój mechaniki kwantowej 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

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!

Co było dalej? 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.

„Zjawisko fotoelektryczne ( „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 Halliday, Resnick, Walker „Podstawy fizyki” tom 5 (39.3) R. Eisberg, R. Resnick „ Fizyka kwantowa atomów, cząsteczek, ciał stałych, jąder i cząstek elementarnych” , (2.3) http://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_fotoelektryczny http://pl.wikipedia.org/wiki/Cia%C5%82o_doskonale_czarne http://pl.wikipedia.org/wiki/Prawo_Rayleigha-Jeansa http://pl.wikipedia.org/wiki/Mechanika_kwantowa

„Żadna liczba eksperymentów nie może dowieść, że mam rację: jeden eksperyment może pokazać, że jej nie mam.” Albert Einstein Dziękuje za uwagę!