fotoelektrični efekt i comptonovo raspršenje

Fotoelektrični efekt i Comptonovo raspršenje

Nastupno predavanje Dr. sc. Iva Movre Šapić

19. svibnja 2015.

19.5.2015. Fotoelektrični efekt i Comptonovo raspršenje 2

Kvantna priroda svjetlosti • 14.12.1900. Kvanti energije – Max Planck • 1905. Fotoelektrični efekt – Albert Einstein 1916. Eksperiment – Robert Andrew Millikan • 1923. Raspršenje fotona na elektronima – Arthur Holly Compton

Photos: Copyright © The Nobel Foundation

Fotoelektrični efekt i Comptonovo raspršenje

• Interakcija elektromagnetskog zračenja sa tvari - apsorpcija ili raspršenje zračenja

• Valna teorija ih ne može objasniti - za objašnjenje interakcije mora se pretpostaviti čestična priroda zračenja

Planck Einstein Millikan Compton

19.5.2015. Fotoelektrični efekt i Comptonovo raspršenje

Fotoelektrični efekt •Fotoelektrični efekt = pojava u kojoj elektroni izlaze iz površine metala pod djelovanjem

elektromagnetskog zračenja – vidljiva svjetlost i ultraljubičasto zračenje (osnova za razvoj solarnih ćelija).

• 1887. Heinrich Hertz

•Otkriva fotoelektrični efekt u eksperimentima kojima se potvrđuje postojanje elektromagnetskih valova i Maxwellova teorija elektromagnetizma.

•Opaža da kada ultraljubičasto svjetlo obasjava katodu, pojačano je iskrenje između dvije elektrode.

•1888. W. Hallwachs • Potvrda Hertzovog otkrića eksperimentom s pločicom cinka.

• 1899. P. Lenard, J. J. Thompson •Eksperimentima s vakuumskim cijevima pokazali su da se pri fotoelektričnom efektu

izbacuju negativno nabijene čestice i da su to upravo elektroni.

3

19.5.2015. Fotoelektrični efekt i Comptonovo raspršenje

Fotoelektrični efekt • 1905. Albert Einstein

•Objašnjava fotoelektrični efekt primjenom Planckove hipoteze o kvantima energije; proširuje ju na kvante elektromagnetskog polja, tj. uvodi “čestice svjetlosti” - kasnije nazvane fotoni.

• Svjetlost uz valna posjeduje i čestična svojstva – dualna priroda svjetlosti.

• 1916. R. A. Millikan – eksperimentalno potvrđuje Einsteinovu teoriju.

4


Obasjavanje cinka ultraljubičastim zračenjem

P. Kulišić, V. Lopac: Elektromagnetske pojave i struktura tvari, Školska knjiga, Zagreb, 2003.

Fotoelektrični efekt



•Elektroni se u metalima gibaju slobodno unutar kristalne rešetke, ali zbog kulonske barijere ne mogu napustiti površinu metala.

•Da bi se iz metala izbio elektron, potrebna je određena energija, tzv. rad izlaza Wi.



Na što eksperiment ukazuje?

Ovisnost fotostruje I o naponu između elektroda U pri stalnom intenzitetu svjetlosti.

• Kako se napon između elektroda povećava, raste i fotostruja do zasićenja.

• Struja zasićenja ovisi o intenzitetu svjetlosti, veći intenzitet -> veća struja zasićenja.

• Ako se spoji negativan napon, struja pada do zaustavljanja, za napon Uz.

• Mjereći napon zaustavljanja mogu se odrediti

najveća brzina i kinetička energija fotoelektrona.

•Uz ne ovisi o intenzitetu svjetlosti.

2

2=e max

zm v

eU




Na što eksperiment ukazuje?

Ovisnost napona zaustavljanja o frekvenciji.

•Napon zaustavljanja (najveća energija oslobođenih elektrona) ovisi samo o frekvenciji!

•Za svaki metal postoji najmanja tzv. granična frekvencija svjetlosti νg ispod koje nema fotoelektričnog efekta koliko god bio velik intenzitet upadne svjetlosti.

•Za frekvenciju veću od granične (νg) fotoelektrični efekt nastaje i pri malom intenzitetu svjetlosti.

• Intenzitet svjetlosti utječe samo na broj emitiranih fotoelektrona.


212

ν ν= = ⋅ −z e max geU m v konst ( )



U čemu je problem?

Opažene osobine fotoelektričnog efekta nije moguće objasniti valnom prirodom svjetlosti. •Prema valnoj teoriji energija koju elektron dobije od EM vala trebala bi ovisiti o

intenzitetu svjetlosti, a eksperiment pokazuje da ovisi samo o frekvenciji!

•Također, prema valnoj teoriji fotoelektrični efekt bi se morao dogoditi za bilo koju frekvenciju ako je intenzitet EM vala dovoljno velik!



• Kad foton padne na površinu metala sudara se s elektronom i predaje mu svoju energiju (hν). Foton pri tome nestaje, apsorbira se.

• Dio dobivene energije od fotona elektron troši na svladavanje potencijalne energije kojom je vezan u metalu (rad izlaza Wi), ostatak prelazi u kinetičku energiju elektrona:

Einsteinovo objašnjenje

• Iz izvora svjetlosti izlaze kvanti svjetlosti (fotoni), svaki energije hν.

212

ν = +i e maxh W m v



212


Ako je frekvencija upadne svjetlosti takva da vrijedi: hν < Wi nema fotoelektričnog efekta jer elektron ne može izaći iz metala.

ν ν= ⇒ = ii g g

WW hh

212

ν ν= −e max gm v h( )


Comptonovo raspršenje

R. Eisberg, R. Resnick: Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles, John Wiley & Sons, 1985.

•1923. A. H. Compton u svojim eksperimentima potvrđuje korpuskularnu (čestičnu) prirodu zračenja.

•Snop rendgenskih zraka valne duljine λ pada na grafit. Mjeri se intenzitet raspršenog zračenja pod različitim kutovima θ.

• Iako upadno zračenje ima jednu valnu duljinu, kod raspršenog zračenja opažaju se maksimumi intenziteta za dvije valne duljine, jednu jednaku valnoj duljini upadnog zračenja (λ), i drugu λ´, veću od upadne valne duljine za Δλ.

•Pomak ovisi o kutu pod kojim se raspršeno

zračenje promatra. •Valna teorija ne može objasniti zašto se valna duljina dijela

zračenja nakon raspršenja nešto povećala.

∆λ λ λ′= −



• Compton je rezultate objasnio pretpostavivši da upadno rendgensko zračenje nije val frekvencije ν nego snop fotona; svaki foton ima energiju hv.

• Upadni fotoni sudaraju se sa slobodnim elektronima iz mete, fotoni izašli iz sudara čine zračenje raspršeno pod kutom θ.

• Budući da upadni foton preda dio svoje energije elektronu s kojim se sudara, raspršeni foton mora imati manju energiju E´, a time i manju frekvenciju v´= E´/ h.

• Manja frekvencija znači veću valnu duljinu što objašnjava pomak u valnoj duljini .

λ ν′ ′= c /∆λ λ λ′= −


Sudar fotona i elektrona



Kako izračunati pomak u valnoj duljini? Zakon očuvanja energije: Zakon očuvanja količine gibanja:

2 2′+ = +eE m c E mc

( )1∆λ λ λ ϑ′= − = −e

h cosm c

122 427 10λ −= = ⋅ mce

h ,m c

Comptonova valna duljina

2 21=

−em

mv c

E pc

=

′= +

ep p p

Količina gibanja fotona


Što smo danas naučili?

Elektromagnetsko zračenje = roj fotona energije hν čestična priroda svjetlosti

Fotoelektrični efekt – apsorpcija fotona u metalu izbacuje elektrone

212


Comptonovo raspršenje – raspršenje fotona na slobodnim elektronima

( )1∆λ λ λ ϑ′= − = −e

h cosm c

fotoelektrični efekt i comptonovo raspršenje

Documents