Transcript tutaj
KORPUSKULARNY CHARAKTER PROMIENIOWANIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO (efekt fotoelektryczny i efekt Comptona, światło jako fala prawdopodobieństwa) D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki t.5, PWN, Warszawa 2003 http://aneksy.pwn.pl/podstawy_fizyki/ 1 EFEKT FOTOELEKTRYCZNY Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002 Halliday, Resnick, Walker, Podstawy fizyki, Copyright © Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2003 2 EFEKT FOTOELEKTRYCZNY, wyniki I I Fotoprąd I w funkcji częstości Fotoprąd I w funkcji natężenia światła P Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002 3 EFEKT FOTOELEKTRYCZNY, wyniki Charakterystyka I(V) w funkcji częstości ν Napięcie hamujące Vstop w funkcji częstości ν Vstop Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002 Halliday, Resnick, Walker, Podstawy fizyki, Copyright © Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2003 4 EFEKT FOTOELEKTRYCZNY, interpretacja Vstop BILANS ENERGETYCZNY 2 mvmax h W 2 eVstop h W Napięcie hamujące Vstop w funkcji częstości ν Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002 h Vstop VA e W e VA 5 EFEKT FOTOELEKTRYCZNY, interpretacja h niepodzielna porcja energii (foton) przekazywanej elektronom ośrodka materialnego przez pole elektromagnetyczne A. Einstein, Nobel 1905 Czy foton ma pęd? Jeśli tak, to foton ma dwie cechy przypisywane cząstkom materialnym, energię i pęd 6 Jaki byłby pęd fotonu? Klasycznie, siła „pchająca” elektron ośrodka w kierunku padającej fali e-m, poruszany poprzecznie polem E tej fali, i, wskutek tego, poruszający się z prędkością v, pochodzi od pola B tej fali: FB qvB FB siła ta kiepsko pracuje ale dobrze przekazuje pęd, przynajmniej w porównaniu do siły FE dpB E 1 1 dWE 1 qvB qv qE v FE v dt c c c dt c Całkując po czasie otrzymamy: p B WE c a także: WB WE v c gdzie pB i WE to pęd i energia przekazana elektronom ośrodka przez odpowiednio pole B i E fali e-m. Pęd i energia przekazana masywnym naładowanym cząstkom ośrodka (jony dodatnie) może być pominięta Średni w czasie pęd przekazany przez pole E jest zero Średnia w czasie energia przekazana przez pole B jest znacznie mniejsza od energii przekazanej przez pole E (w stosunku v/c) 7 Pęd fotonu powinien zatem być równy: W h h p c c Pierwszy eksperyment weryfikujący oba wzory: E h i h p to rozpraszanie nieelastyczne fal e-m, zwane zjawiskiem Comptona 8 ZJAWISKO COMPTONA Arthur Holly Compton, 1892 – 1962 Uniwersytet Waszyngtona w St. Louis Nagroda Nobla 1927 Halliday, Resnick, Walker, Podstawy fizyki, Copyright © Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2003 Mierzymy detektorem natężenie wiązki rozproszonej i jej długość fali λ’ A Compton na okładce TIME 1936 from Wikimedia Commons λ = 71,1 pm 9 ZJAWISKO COMPTONA, wyniki Linia niezmodyfikowana może być zinterpretowana klasycznie: rozpraszanie elastyczne na elektronach w próbce rozpraszającej, zjawisko Thomsona (Rayleigha dla światła widzialnego) Obie linie, zmodyfikowana i niezmodyfikowana, można wytłumaczyć kwantowo jako rozpraszanie nieelastyczne fotonów na swobodnych i związanych elektronach C 1 cos λC: komptonowska długość fali Halliday, Resnick, Walker, Podstawy fizyki, Copyright © Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2003 10 TRÓJKĄT MNEMOTECHNICZNY Równanie na masę relatywistyczną: m m0 1 v c 2 2 m 2c 4 m 2 v 2c 2 m 02c 4 mc 2 2 pc m 0c 2 E pc 2 2 2 E0 Ek mc m 0c 2 2 2 2 11 TRÓJKĄT MNEMOTECHNICZNY Dla fotonu: E2 pc 2 m 02c4 pc 2 E pc E h h h p c c cT hc E pc 12 Zjawisko Comptona, wyprowadzenie wzoru E h hc Halliday, Resnick, Walker, Podstawy fizyki, Copyright © Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2003 i p h h c 13 Zasada zachowania pędu, foton i elektron: h 2 h 2 h h 2 2 cos p 2 2 0 1 0 1 14 Trójkąt mnemotechniczny dla elektronu p 2 1 c 2 E 2 2 4 m 0c 2 2 m 0c 2 1 1 2m 0hc 0 1 2 h h 1 2h m 02c2 0 1 0 1 2 15 1 1 1 1 cos 2m0hc 2h 0 1 0 1 2 h 1 cos 0 C 1 cos 1 0 m0c C 1 cos C h m 0c komptonowska długość fali. Dla swobodnego elektronu: C 0.002426nm Dla elektronów związanych m0 zastępujemy masą atomu rozpraszającej próbki; linia „niezmodyfikowana” 16 Światło jako fala e-m i fala prawdopodobieństwa Doświadczenie Younga w wersji tradycyjnej (Young 1801) i w wersji jednofotonowej (G.I. Taylor 1909) w układzie pomiędzy źródłem światła i ekranem znajduje się w danej chwili czasu tylko jeden foton) Prędkość zliczeń fotonów proporcjonalna do natężenia fali e-m Halliday, Resnick, Walker, Podstawy fizyki, Copyright © Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2003 Prawdopodobieństwo detekcji fotonu jest proporcjonalne do natężenia fali em w tym punkcie (elemencie objętości) Czy foton jest podzielny? Czy może być klasyczną paczką falową, która przechodzi jednocześnie przez obie szczeliny? 17 Doświadczenie Younga w wersji szerokokątowej, Lai, Diels 1992 D – detektor fotonów Przesuwanie detektora D w poziomie zmienia różnicę dróg i szybkość zliczeń zgodnie ze wzorem interferencyjnym Halliday, Resnick, Walker, Podstawy fizyki, Copyright © Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2003 WNIOSEK: Światło nie jest zbiorem fotonów w postaci paczek klasycznych fal świetlnych wysyłanych pojedynczo w kierunku szczelin; foton jest niepodzielny. Światło jest emitowane przez cząsteczkę S i rejestrowane w detektorze D w postaci niepodzielnych fotonów; zaś rozchodzi się w postaci fali prawdopodobieństwa, która może się poruszać jednocześnie torami 1 i 2. Jeśli sprawdzimy, którym torem porusza się foton (stwierdzimy, że jest lub go nie ma) to interferencja zniknie 18