Elementy fizyki kwantowej i budowy materii

Prezentacja na temat: "Elementy fizyki kwantowej i budowy materii"— Zapis prezentacji:

1 Elementy fizyki kwantowej i budowy materii
WYKŁAD 1 „Stara teoria kwantów”

2 Plan wykładu promieniowanie ciała doskonale czarnego,
efekt fotoelektryczny, efekt Comptona, doświadczenie Sterna-Gerlacha.

3 Gustav Robert Kirchhoff
( ) Źródło: Wikipedia

4 Ciało doskonale czarne
Gustaw Robert Kirchhoff ( ) Zdolność emisyjna E – energia emitowana przez ciało przez jednostkową powierzchnię w jednostce czasu dla danej długości fali. Zdolność absorpcyjna A – zdolność ciała do pochłaniania padającego na nie promieniowania elektromagnetycznego. Jest to stosunek energii pochłoniętej przez ciało do całkowitej energii padającej na nie dla promieniowania o częstości .

5 Ciało doskonale czarne
Ciało doskonale czarne – ciało całkowicie pochłaniające padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne niezależnie od długości fali (A=1). Dla danej długości fali stosunek =E/A jest stały dla wszystkich ciał ( - funkcja Kirchhoffa) (1859r). Gęstość energii u:

6 Ciało doskonale czarne

7 Ciało doskonale czarne

8 Ciało doskonale czarne
W 1894r. Wilhelm Wien podał postać funkcji u: gdzie: (zgodność dla wysokich częstości). W 1900r. John Rayleigh wyznaczył postać u: (zgodność dla niskich częstości) .

9 Ciało doskonale czarne
Długość fali [Å]

10 Max Planck ( ) Nagroda Nobla – 1918r. Źródło: Wikipedia

11 Ciało doskonale czarne
W 1900r. Max Planck podał postać funkcji u: gdzie h jest parametrem, który po dopasowaniu krzywej do danych eksperymentalnych wynosi: (zgodność dla całego przedziału częstości !!!).

12 Ciało doskonale czarne
Przy założeniu, że energia każdego modu pola elektromagnetycznego jest wielokrotnością pewnego (minimalnego) kwantu energii  otrzymał wyrażenie na średnią energię modu równą gdzie:

13 Ciało doskonale czarne
UWAGA Prawo Stefana-Boltzmanna: Prawo przesunięć Wiena:

14 Ciało doskonale czarne
Przykład (obliczenia szacunkowe) Powierzchnia Słońca: Odległość Ziemia-Słońce: Widmo słoneczne

15 Ciało doskonale czarne
Całkowita moc promieniowana przez Słońce: Na powierzchnię Ziemi dociera maksymalnie: Tablicowa wartość stałej słonecznej: Zapora Trzech Przełomów, Rzeka Jangcy, Chiny. Moc: MW Elektrownia Bełchatów Moc: MW

16 Ciało doskonale czarne
Względna czułość oka ludzkiego Widmo Słońca

17 Robert Andrews Millikan
Heinrich Hertz ( ) Robert Andrews Millikan ( ) Nagroda Nobla Albert Einstein ( ) Nagroda Nobla Źródło: Wikipedia

18 Efekt fotoelektryczny
W 1887r. Heinrich Hertz zaobserwował zjawisko skrócenia długości iskry elektrycznej w obwodzie wtórnym w przypadku ekranowania go przed promieniowaniem ultrafioletowym pochodzącym od iskry z obwodu pierwotnego. Obserwacja ta rozpoczęła serię badań nad zjawiskiem fotoelektrycznym.

19 Efekt fotoelektryczny
Podstawowe fakty: gdy na płytę metalową pada promieniowanie elektromagnetyczne może ona emitować elektrony (fotoelektrony), efekt fotoelektryczny występuje w przypadku, gdy na płytę pada promieniowanie o częstości większej niż pewna częstość graniczna (charakterystyczna dla danego metalu),

20 Efekt fotoelektryczny
Zależność przedstawiająca energię kinetyczną fotoelektronów od częstości padającego światła (dla litu). Robert Millikan Nagroda Nobla w 1923r.

21 Efekt fotoelektryczny
Podstawowe fakty: wartość prądu fotoelektrycznego zależy od natężenia światła, które go wywołało, energia fotoelektronów jest niezależna od natężenia źródła światła, zależy natomiast liniowo od częstości światła.

22 Efekt fotoelektryczny
W 1905r. Albert Einstein podał wyjaśnienie tego zjawiska zakładając, że fala elektromagnetyczna składa się z „cząstek” obdarzonych energią h otrzymując: W – praca potrzebna do „wyrwania” elektronu z metalu. Gdy v=vmax, wtedy W – praca wyjścia (charakterystyczna dla danego materiału)

23 Arthur Holly Compton (1892-1962)
Nagroda Nobla – 1927r. Źródło: Wikipedia

24 Efekt Comptona Zgodnie z fizyką „klasyczną” fala elektromagnetyczna padając na np. metalową folię wywołuje drgania elektronów, które stają się źródłem wtórnego promieniowania. Intensywność promieniowania wtórnego zmienia się jak i nie zależy od długości fali padającego promieniowania.

25 Efekt Comptona Arthur Compton zauważył, że promieniowanie rozproszone pod wybranym kątem składa się z dwóch składników. Pierwszego o długości fali zgodnej z długością fali promieniowania padającego, oraz z drugiego – o długości fali przesuniętej w stosunku do długości fali promieniowania padającego o wartość zależną od kąta . Compton wyjaśnił ten efekt zakładając, że światło to strumień cząstek o energii h.

26 Efekt Comptona 0.7078Å 0.7314Å 1 foton rozproszony 0
odrzucony elektron foton padający Spektrum promieniowania rozproszonego przez grafit. Długość fali promieniowania padającego: Å.

27 Efekt Comptona Wyniki teorii Comptona: gdzie Comptonowska długość fali elektronu:

28 Doświadczenie Sterna-Gerlacha
W 1921r. Otto Stern i Walter Gerlach wykonali eksperyment polegający na przepuszczeniu skolimowanej wiązki atomów srebra przez niejednorodne pole magnetyczne. Ekran

29 Doświadczenie Sterna-Gerlacha
Rezultaty doświadczenia (patrz rysunek): a) brak niejednorodności pola magnetycznego, b) przewidywania na gruncie fizyki „klasycznej”, c) wynik eksperymentu. Więcej w wykładzie poświęconym spinowi