POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE II

Transkript

1 POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE II FOTOELEKTRICKÝ JEV

2 VNĚJŠÍ FOTOELEKTRICKÝ JEV na intenzitě záření závisí jen množství uvolněných elektronů, ale nikoliv energie jednotlivých elektronů energie elektronů závisí na frekvenci pro každý kov existuje mezní frekvence f 0 (při nižší frekvenci se elektrony neuvolňují) energie elektronů roste lineárně s frekvencí

3 VNĚJŠÍ FOTOELEKTRICKÝ JEV 1905 Einstein: Světlo se při interakci s hmotou projevuje jako proud částic (světelných kvant, fotonů), které se pohybují rychlostí světla a které nemohou existovat v klidu. Při interakci s kovem předá foton svou energii vždy jednomu elektronu pro fotony platí: E = hf, p = E c = hf 1921 Nobelova cena c = h λ

4 VYSVĚTLENÍ FOTOELEKTRICKÉHO JEVU Energie fotonů roste s frekvencí záření při frekvencích f < f 0 nemá foton dost energie, aby se elektron mohl uvolnit při vyšších frekvencích se elektrony uvolňují. vetší intenzita záření víc dopadajících fotonů víc energie na uvolnění elektronů všechny elektrony získají od fotonů stejně energie a stejné množství spotřebují na únik z kovu stejně energie jim zbude větší frekvence záření větší energie fotonů elektronům víc energie zbude E e = E f W = hf W

5 VNĚJŠÍ FOTOEFEKT VZOREC A PŘÍKLAD Einstein napsal takto: hf = W v + E k, kde W v je výstupní práce (pro únik z kovu) a E k je kinetická energie elektronu po opuštění kovu Př: Mezní frekvence stříbra je 1136 THz. Urči výstupní práci pro tento kov. Jakou energii bude mít elektron, který se ze stříbra uvolní po ozáření UV zářením 200nm? Jaké nejmenší napětí na mřížce tyto elektrony zastaví? Všechny hodnoty energií uveď také v ev.

6 VNITŘNÍ FOTOELEKTRICKÝ JEV uvolňování elektronů z krystalické mřížky polovodiče, vznik vodivostních párů a zvyšování vodivosti využití: fotorezistor fotodioda fotometry a expozimetry, zařízení automatické ochrany, ovládání mechanismů a počítání výrobků, využívá se v televizních kamerách (zejména CCD panely), v kopírkách, fotočlánky se užívají ve slunečních bateriích na palubě umělých družic a ve sluneční energetice. dalekohled pro noční vidění zpracování naměřených dat z experimentů v částicové fyzice se využívá fotonásobič

7 NÁBOJ ELEKTRONU 1910 Millikan zkoumal pohyb malých olejových kapiček ve svislém elektrostatickém poli kapičky sbírají náboj, který vzniká ionizací vzduchu rentgenovými paprsky při vypnutém el. poli kapičky kvůli odporu vzduchu klesají => můžeme určit jejich poloměr po zapnutí pole se projeví nasbíraný náboj kapiček a kapičky začnou stoupat => z rozměru a rychlosti pohybu můžeme spočítat jejich náboj překvapivé výsledky náboj kapiček není libovolný

8 NÁBOJ ELEKTRONU všechny hodnoty náboje jsou násobky hodnoty (1,5924±0,0014) C (přibližně o 1% méně než hodnota uznávaná dnes) změření náboje elektronu vedlo k určení dalších konstant (hmotnost elektronu, protonu, ) přímo změřené kvantování elektrického náboje pomohlo při přijetí kvantování v jiných oblastech

9 OBJEV ATOMOVÉHO JÁDRA 1911 Rutherford některé radioaktivní prvky vyzařují částice α, jde o kladné částice s nábojem 2e a hmotností 4 vodíkových jader částice použijeme k prozkoumání kladného pudinku (tvoří většinu objemu a hmotnosti atomu) ostřeloval částicemi α velmi tenkou zlatou fólii a registroval, jak se mění jejich dráha po průchodu zlatem

10 OBJEV ATOMOVÉHO JÁDRA - POKUS Př: Nakresli předpokládanou další dráhu částic α na obou obrázcích. Vlevo vyplňuje kladná hmota celý objem atomu, vpravo je veškerá kladná hmota soustředěna do malých kousků.

11 OBJEV ATOMOVÉHO JÁDRA Na částice α působí z obou stran přibližně stejné množství náboje => částice se vychylují málo a nebo vůbec Částice α letící dál od kladného náboje se vychylují málo, ale ty, které se ocitnou blízko se mohou vychýlit o velký úhel, vzácně se mohou odrazit

12 VÝSLEDKY POKUSU částice se vychylovaly daleko více než předpokládal pudinkový model, některé se odrážely zpět jediné vysvětlení : veškerý náboj a téměř veškerá hmotnost atomu jsou soustředěny v malé oblasti = jádro atomu přesnější analýza ukázala: jádro má řádově m (cca stotisícina atomu) kdyby měl atom průměr 100 m, tak jádro by mělo 1mm

13 PLANETÁRNÍ MODEL ATOMU hmotnost a kladný náboj v malém jádře (Slunce) okolo obíhají záporné elektrony (planety) elektrony na oběžné dráze udržuje elektrická síla Proč nemůže být model správný?

14 BOHRŮV MODEL ATOMU 1913: N. Bohr částečně vysvětluje stabilitu atomu a spektrální čáry vodíku Elektrony i jádro jsou klasické částice. Platí tři pravidla: 1. atom je stabilní soustava složená z kladného jádra a elektronového obalu, ve kterém elektrony obíhají okolo jádra 2. atom se může nacházet pouze v určitých (stacionárních) stavech s danou hodnotou energie. V takovém stavu atom nevydává ani nepřijímá energii a nemění se ani rozložení elektronů v obalu 3. při přechodu ze stavu s energií E n do stavu s nižší energií E m se vyzáří foton o frekvenci, která splňuje podmínku hf nm = E n E m. Naopak při pohlcení fotonu o frekvenci f nm atom přejde ze stavu s energií E m do stavu s vyšší energií E n.