Otázka: Kvantová fyzika
Předmět: Fyzika
Přidal(a): Denisa
Historie
- Koncem 19. století = byly zkoumány optické jevy, které nelze vysvětlit jen vlnovými vlastnostmi světla – vznikli nové fyzikální teorie, které jsou součástí kvantové fyziky
- Zakladatel Kvantové teorie = Max Planck
- V roce 1900 dospěli k závěru, že zářící těleso nevyzařuje svoji energii spojitě, ale po určitých dávkách tzv. kvantech (Planckova kvantová hypotéza). Pro označení této dávky zavedl název kvantum.
- Dále dospěli k závěru, že kvantum energie závisí na frekvenci záření nebi na vlnové délce
- Energie kvanta – E = h.f h=c/λ
- f= frekvence záření
- h= planckova konstanta, h= 6,626x 10−34 J.S
- 1905 = A. Einstein vysvětlil zákonitost Fotoelektrického jevu (viz níže)
Rozdíl
- Klasická fyzika = světlo je vlněni
- Kvantová optika = světlo má vlastnosti částic, z nichž každá má zcela určitou energii
Fotoelektrický jev
- při nízkých teplotách se uvolňují atomy z kovu
- = jestliže dopadá na povrch světelné záření s dostatečně velkou frekvencí, jsou zcela z povrchu uvolněny elektrony = fotoelektrický jev
- Fotoelektrický jev posuzujeme hlavně u pevných látek
- Rozdělení: Vnější/vnitřní
- Vnější fotoelektrický jev: elektrony vystupují z povrchu kovu a pohybují se v okolním plynu nebo vakuu
- Vnitřní fotoelektrický jev: uvolněné elektrony zůstávají uvnitř látky (polovodiče), zvyšuje se vodivost polovodiče
- Některé polovodiče jsou za pokojové teploty nevodivé
- dopadne-li záření – uvolní se elektrony z atomů – polovodičem prochází proud
- =užití fotočlánky
- = jestliže f je větší nebo rovno fo = fotoelektrický jev = uvolní se elektrony
- = jestliže f je menší než fo – neuvolní se elektrony
- Pro každý kov existuje mezní frekvence fo, při níž dochází k fotoemisi – je to nejmenší frekvence dopadající ho elektromagnetického záření při němž u dané látky ještě dochází k fotoemisi
- Pokud nastane fotoelektrický jev, potom je elektrický proud (počet emitovaných elektronů) přímoúměrný intenzitě dopadajícího záření
- Energie (a tím i rychlost) emitovaných elektronů je přímoúměrná frekvenci dopadajícího záření, závisí na materiálu katody nezávisí na intenzitě dopadajícího záření
Einsteinova teorie fotoelektrického jevu
- Zdroje energie nevyžadují energii spojitě, ale nespojitě po částech tzv. kvantech
- Kvanta zářivé energie se chovají jako částice záření a šíří se rychlostí světla
- C= 3x 108 m/s -> nazývají se fotony (od roku 1926)
Fotony
- Liší se od látkových částic (elektrony, protony)
- Vždy se šíří rychlostí c (látkové částice v<c)
- Jejich energie závisí na frekvenci
- Nemohou existovat v klidu (látkové částice mohou)
- Při fotoelektrickém jevu každý foton předá svou veškerou energii jen jednomu elektronu, a tím zanikne.
- Část této energie elektron spotřebuje na vykonání výstupní práce Wv – to je práce potřebná k uvolnění elektronu z kovu. Zbytek energie využije na zvýšení své kinetické energie.
- E = Wv + Ek = h.f= h.fo + 1/2me x v2
- E = energie fotonu me= 9,1×10-31 kg
- Wv = výstupní práce f= c/λ
- Ek = kinetická energie fotonu h. c/λ = h. c/λo + 1/2me . v2
Einsteinova rovnice
Je-li:
- h.f < Wv FJ nenastane
- h.f = Wv mezní frekvence
- h.f > Wv FJ nastane
Mezní vlnová délka = největší vlnová délka dopadajícího záření při níž u dané látky dochází ještě k fotoemisi λo
Energie se v atomové fyzice udává v eV = 1,602.10^19J
Využití FJ:
- fotočlánky = přímá energie přeměněná ze solární energie na elektrickou
- Fotodioda
- Fototranzistor
- Polovodiče citlivé na světlo
Příklady:
- Výstupní práce elektronu z platiny je E,29eV. Vypočítejte mezní kmitočet a mezní vlnovou délku, při které nastane FJ
- Výstupní práce elektronu je 2,1eV a vlnová délka dopadajícího záření je 3.10-7m. určete kinetickou energii uvolněných elektronů
- Srovnejte energie fotonu rádiové vlny délky 50 m, světla o vlnové délce 500nm a rentgenového záření o vlnové délce 1.10-12 m.
Kvantová teorie
Světlo
- Za určitých okolností se chová jako vlnění
- Za jiných jako proud částic
- Dualismus vlna = částice (neboli vlnově korpuskulární dualismus)
EM záření
- Dlouhé vlnové délky λ…… fotony mají malou energii E=h.f = h.c/λ
- převládá vlnový charakter
- Krátké vlnové délky λ …… převládá částicový charakter (FJ)
Je foton vlna nebo částice?
- Je to objekt mikrosvěta, který má částicovité a vlnové vlastnosti, ale není ani jedno
- Nemůžeme přesně určit jeho trajektorii, místo dopadu (např. jedoucího auta), můžeme jen pouze určit pravděpodobnost, s níž dopadne na určité místo
- 1924 – Louis de Broglie = pohybující se částice mají vedle částicovité povahy i vlnovou povahu
- Přiřazuje každé částici o hmotnosti m pohybující se rychlostí v vlnovou délku
- λ= h/p = h/m.v p= m.v = hybnost
- Důkaz: Američtí vědci Davisson a Germer nechali dopadnout svazek elektronů na monokrystal niklu – nastal ohyb – vytvořil se typický interferenční obraz
- Elektron není vlna ani částice = objet mikrosvěta = vlnové a částicovité vlastnosti.
