1 Elementy fizyki kwantowej i budowy materiiWYKŁAD 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 czarneGustaw 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 czarneCiało 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 czarneW 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 czarneDługość fali [Å]

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

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

13 Ciało doskonale czarneUWAGA Prawo Stefana-Boltzmanna: Prawo przesunięć Wiena:

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

15 Ciało doskonale czarneCałkowita 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 czarneWzględna czułość oka ludzkiego Widmo Słońca

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

18 Efekt fotoelektrycznyW 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 fotoelektrycznyPodstawowe 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 fotoelektrycznyZależność przedstawiająca energię kinetyczną fotoelektronów od częstości padającego światła (dla litu). Robert Millikan Nagroda Nobla w 1923r.

21 Efekt fotoelektrycznyPodstawowe 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 fotoelektrycznyW 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 0odrzucony 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-GerlachaW 1921r. Otto Stern i Walter Gerlach wykonali eksperyment polegający na przepuszczeniu skolimowanej wiązki atomów srebra przez niejednorodne pole magnetyczne. Ekran

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