Transcript ZÁŘENÍ ČERNÉHO TĚLESA.

ZÁŘENÍ ČERNÉHO TĚLESA
tepelné záření
záření černého tělesa - animace
Elektromagnetické záření vydávají všechna tělesa.
Chladná vyzařují infračervené záření okem neviditelné,
tělesa zahřátá nad 500 °C září viditelně.
V absolutně černém tělese je v rovnováze
vyzařování a pohlcování záření
Pozorujeme-li rozžhavené absolutně černé těleso,
jeví se nejprve jako černé, červené, se vzrůstající
teplotou jako oranžové, žluté a bílé.
Stefanův-Boltzmannův zákon
Energie vyzařovaná absolutně černým tělesem roste
úměrně čtvrté mocnině termodynamické teploty.
Spektrální hustota vyzařování
Pro konstantní T
Hλ = f (λ , T)
Wilhelm Wien
Wienův posunovací zákon
b =2,9.10-3m.K
Pokus o výklad experimentálně naměřených hodnot
1896 – Wienův zákon – platí v krátkovlnné
oblasti a pro nízké teploty
1900 – Rayleigh, Jeans – odvodili zákon, který platí v dlouhovlnné
oblasti a pro vysoké teploty
Lord Rayleigh
Max Planck – otec kvantové fyziky
14.12.1900 - svou kvantovou hypotézou
vyslovil předpoklad, že záření vydávané
a pohlcované jednotlivými atomy
zahřátého tělesa nemůže mít libovolnou
energii, ale vždy je vyzařováno nebo
pohlcováno v určitých dávkách
energie, kterým dal jméno kvanta
Energie kvanta záření závisí na frekvenci záření podle vztahu:
ε = h.f
h – Planckova konstanta
f – frekvence záření
h = 6,626.10-34 J.s
Závěr – energie elektromagnetického záření se
nevyzařuje, nešíří a nepohlcuje spojitě, ale po
kvantech
FOTOELEKTRICKÝ JEV
Fotoelektrický jev
Vnější – dochází k emisi elektronů
z povrchu kovu
Vnitřní – elektrony se uvolňují
v látce ( polovodiči ), zvyšuje se
vodivost
Stručný přehled historie fotoelektrického jevu
1888
Hertz
objev jevu
1887 → Hallwachs
systematické studium jevu;
Stoletov
ozařují: Zn, Na, K, Rb, …
zjišťují vybíjení/nabíjení
izolovaných
vodičů, detekují fotoproud
1899
Thomson
objev podstaty jevu;
uvolňování elektronů z povrchu ozařovaného
vodiče
1902
Lenard
experimentální studium kinetické
energie fotoelektronů
Heinrich Hertz
Wilhelm Hallwachs
Alexandr Stoletov
Hertzův experiment, který vedl k objevu fotoelektrického jevu.
1905
Einstein
výklad jevu na základě předpokladu
existence světelných kvant
1906
Millikan
experimentální studium kinetické
energie fotoelektronů s cílem
vyvrátit Einsteinův výklad
1914 – 16 Millikan
experimentální potvrzení Einsteinova
předpokladu
Přestože Hallwachs a Stoletov – nezávisle na sobě – detailně prozkoumali
základní vlastnosti fotoelektrického jevu, nikdo z nich se
jej nepokusil fyzikálně vyložit. Rozhodující krok k nalezení jeho
podstaty učinil roku 1899 Joseph John Thomson (1856–1940), který
experimentálně identifikoval v nositelích záporného náboje unikajících
z ozařovaného kovového vzorku elektrony, které sám – o dva
roky dříve – objevil.
Základní komentář fyzikální interpretace fotoelektrického jevu se
opírá o jednoduchou představu skokové změny potenciální energie
elektronu na rozhraní mezi kovem a vnějším prostředím.
Joseph John Thomson
Pokusy s vyčerpanými trubicemi – experimentální uspořádání
Schéma Lenardova experimentálního uspořádání
Philipp Lenard
Snaha o klasický výklad
Zákonitosti
Pro každý kov existuje
1)
mezní frekvence f0 , při níž dochází k fotoemisi.
Je-li f < f0 , k fotoelektrickému jevu nedochází.
Je-li f>f0 emise elektronů nastane okamžitě i při
malé
intenzitě záření
2)
Nastane-li fotoelektrický jev, pak elektrický proud
(počet emitovaných elektronů) je přímo úměrný
intenzitě dopadajícího záření.
3)
záření.
Kinetická energie ( rychlost ) emitovaných elektronů je
přímo úměrná frekvenci dopadajícího záření, závisí na
materiálu katody a nezávisí na intenzitě dopadajícího
1905 – Albert Einstein – výklad fotoelektrického jevu
Při fotoelektrickém jevu každé kvantum záření předá svou
energii právě jednomu elektronu, který ji využije k uvolnění
z kovu (výstupní práce WO) a na zvýšení své kinetické energie Ek
Energie kvanta záření fotonu
c
Ehfh

Fotoelektrický jev prokázal, že světelná kvanta
mají energii, jejíž velikost závisí na frekvenci
záření.
Mají fotony hmotnost ?
E  hf  h

E hf
h
m 2  2 
c
c
c
Mají fotony hybnost ?
Odpověď na tyto otázky dá částečně teorie
relativity a hlavně Comptonův jev.
c
p  mc 
h

COMPTONŮV JEV
Rozptyl fotonů na elektronech
V roce 1922 prováděl pokusy s rozptylem
rentgenového záření na elektronech.
( Rentgenové záření nechal procházet přes
uhlíkovou destičku ).
Arthur Holly COMPTON
(1892 – 1962)
Animace Comptonova rozptylu
ANIMACE
Detektor zachytil elmg. záření
původní vlnové délky, ale i větší!!!
Velikost
závisí jen na
pozorovacím úhlu , ne na materiálu
a původní vlnové délce
.
Experimentální výsledky
Šikovnější studenti si jistě snadno propočtou
následující řešení.
Závěr :
- Comptonův jev prokazuje, že fotony mají nejen energii, ale
také hybnost.
- u Comptonova jevu foton předá část své energie, ale
existuje dál (rozptýlený foton má menší frekvenci – větší
vlnovou délku), kdežto při fotoelektrickém jevu zanikne
- bez použití zákona o zachování hybnosti by nebylo možné
jev vysvětlit.
- rozptyl je pozorován u RTG záření a ne u světla. Proč?
RTG záření má malou vlnovou délku a její změna Δλ je
srovnatelná s vlnovou délkou.
- Světlo má velkou vlnovou délku a její změna Δλ je
nepozorovatelná.