Transcript Ünite 2

Elektromanyetik Işıma
Elektromanyetik ışıma (ışık) bir enerji şeklidir.
Işık, Elektrik (E) ve manyetik (H) alan bileşenlerine sahiptir.
• Özellikleri
– Dalgaboyu (λ)
– Frekans (ν)
– Genlik (A)
– Işık Hızı (c)
– Node: düğüm
Dalgaboyu (λ): İki tepe noktası arasındaki mesafedir.
Frekans (ν): Bir saniyede belirli bir noktadan geçen dalga sayısıdır
Frekans azalır
Dalgaboyu artar
n1 < n2 < n3
l 1 > l2 > l3
Birim: 1/s
birim: uzunluk (m)
Dalgaboyu ve frekans çarpımı sabittir
(λ)(ν) = c
Işık hızı c = 3 x 108 m/s (vakumda)
Elektromanyetik Spektrum
Işığın dalga yapısı
Açıklayabilir:
1. Kırınım (diffraction)
2. Girişim (interference)
Açıklayamaz:
1. Siyah cisim ışıması
2. Fotoelektik Olay
3. Compton saçılması
Engelde bir delik varsa
Kırınım
Su dalgası engeldeki bir delikten
(veya yarıktan) geçerken, delik
bir ışık kaynağı gibi davranır.
Engelde iki delik varsa
Girişim
Koyu çizgi: dalganın maksimumu
Açık çizgi : dalganın minimumu
Işık ve enerji
• 1900 yılı önceleri enerji ve maddenin farklı şeyler olduğu
düşünülüyordu.
• Planck, akkor halindeki katıların yaydığı ışınları incelemiştir.
Bir katı cisim ısıtıldığında,
• Işıma şiddeti artar
• λmax daha küçük dalgaboyuna kayar
E = hυ = hc/λ
Klasik fizik bu gözlemi açıklayamaz !
Flamanı ısıtırsak rengi nasıl değişir?
Sıcaklık arttıkça dalgaboyu azalır
Siyah Cisim Işıması
Siyah cisim ideal bir cisimdir, ve üzerine gelen tüm ışımaları soğurur .
1. Üzerine düşen bütün ışınları absorplar.
2. Her dalga boyunda ışıma yapar.
3. Işıma şiddeti ve spektrumu sıcaklığa bağlıdır.
Siyah cisimin çeşitli sıcaklıklarda ışıma şiddetinin
ışımanın dalga boyuna bağlı olması dalga kuramına
göre açıklanamaz. Çünkü dalga kuramına göre
ışımanın şiddeti genliğin karesi ile orantılıdır.
Cisimler niçin ışıma yapar?
Mutlak sıfırdan yüksek sıcaklıktaki bütün cisimler
elektromanyetik ışıma yaparlar – ısı enerjisi
Isı, molekül hareketlerinin (öteleme, dönme, titreşim)
ortalama kinetik enerjisinden kaynaklanır
Cisimler atomlardan meydana gelmiştir
Titreşen atomlar ışıma yaparlar.
Cisimlerin top-yay modeli
Klasik fizik – atomlar her frekansta salınım yapabilir
Planck (1900) – atomlar sadece belirli frekanslarda salınım yapabilirler.
Klasik fizik, siyah cisim ışımasını
sadece büyük dalga boylarında açıklayabilir.
Spektroskopi
Na, Hg, He, H emisyonları
Not: renklerin hepsi mevcut değil
Plank’ın Çözümü
Planck sıcak cismin soğurken enerjisini
ışık halinde ve tamsayı katları şeklinde kaybettiğini öngörmüştür.
En = nhν
n = 1, 2, 3 ….
E = enerji
n = kuantum sayısı, tamsayı (integers)
h = Plank sabiti (Planck’s constant)
 = frekans
h = 6.626 x 10-34 J.s
Işığın Kuantlaşması
Einstein, ışığın foton adı verilen enerji paketlerinden oluştuğunu ileri sürmüştür.
Efoton = hν
Örnek: 500 nm dalgaboyundaki fotonun enerjisi nedir?
ν = c/λ= (3x108 m/s)/(5.0 x 10-7 m)
ν = 6 x 1014 1/s
E = hν =(6.626 x 10-34 J.s)(6 x 1014 1/s) = 4 x 10-19 J
Fotoelektrik Olay
Fırlatılan elektronların enerjisi ışımanın
frekansı ile doğru orantılıdır.
Bir metalden elektron koparabilmek için
ışımanın belli bir frekansa eşit veya daha
yüksek frekansta olması lazım.
Işımanın şiddetinin artırılması, fırlatılan
elektronların sayısını artırır, fakat
enerjilerini değiştirmez.
Millikan, fotoelktrik hakkında çalışmalrı
sayesinde Nobel ödülü almıştır.
Metal yüzeyine gelen ışık elektron koparır. Buna fotoelektrik olay denir.
Fotoelektrik olay klasik fizik ile açıklanamaz.
Gelen ışığın frekansı belirli bir eşik değerin (o ) altında ise elektron koparamaz,
elektronların kopması ışığın şiddetine bağlı değildir.
Gelen ışığın frekansı arttıkça kopan elekronların kinetik enerjisi artar; elektronların
kinetik enerjisi ışığın şiddetine bağlı değildir.
Gelen ışığın şiddeti arttıkça kopan elektron sayısı artar.
Eşik frekans değerleri
Fotoelektrik Olay Çizelgesi
Dalga
Tanecik
Sonuç
Hız
Artar
Artar
Artar
KE
Artar
Değişmez
Değişmez
Hız
Değişmez
Artar
Artar
KE
Değişmez
Artar
Artar
Işık şiddeti arttıkça
Işık frekansı arttıkça
Fotoelektrik Olayın Açıklanması
(Einstein 1905, Nobel Ödülü 1921)
1
2
e- ların kinetik enerjisi
m e
2
 h
photon

Gelen ışık enerjisi
F = iş fonksiyonu (work fuction)
e- kopması için gereken en düşük enerji
SONUÇ :
Işık tanecik gibi davranır
İş fonksiyonu
veya
eşik enerjisi
ÖRNEK : Na için F = 4.4 x 10-19 J dür. Eşik frekansına (νo )
karşılık gelen dalgaboyu nedir?
0
1
2
m e
2
 h
photon

hν = F = 4.4 x 10-19 J
hc/λ = 4.4 x 10-19 J

4.4 x10
6.626 x10 J .s 3 x10


4.4 x10 J 
 34
hc
19
J
λ = 4.52 x 10-7 m = 452 nm
 19
8
m / s
IŞIK: Dalga mı ? Tanecik mi ?
1. Newton – ışık tanecik gibi davranır.
Yansıma (reflection)
2. Kırınım (diffraction) ve girişim (interference) ışığın dalga özelliği ile açıklanır.
3. Fotoelektrik olaya göre ışık taneciktir.
CEVAP : Her ikisi !
Dalga- tanecik ikiliği
Nasıl ölçüldüğüne (veya etkileştiğine) bağlı olarak ışık hem dalga hem de
tanecik gibi davranır
GENEL KURAL
Işık uzayda yol alırken dalga gibi davranır.
Işık madde ile etkileşirken tanecik gibi davranır.
….. atomlar da benzer özellik gösterirler mi?
Atomların dalga özelliğini başka bir mekanik tanımlar.
KUANTUM MEKANİĞİ !
Compton saçılması (1923)
f > i
• Duran bir atom veya elektron üzerine gönderilen ışık saçılmaya uğrar.
• Saçılan ışınların dalga boyları gönderilen ışığın dalga boyundan büyüktür.
• Saçılma açısı büyüdükçe saçılan ışığın dalga boyu artar.
Klasik fizik Compton sacılmasını açıklayamaz.
Fotonlar enerji taşıyorsa, momentum da taşıyabilirler.
E = h ise, foton momentumu P = hν/c = h/ dir.
Bu çarpışmada enerji ve momentum korunum yasaları geçerli
olmalıdır.
Klasik teoriye göre, saçılan ışınların dalga boyu gelen ışığın dalga
boyuna eşit olmalıdır.
Kuantum teorisine göre ,saçılan foton daha düşük enerjiye ve bu
nedenle daha uzun dalga boyuna sahip olmalıdır.
Atom Spektrumları
Hidrojen Emisyon Spektrumu
Hidrojen soğurma Spektrumu
1/n2 fonksiyonundan dolayı boşluklar
lineer değildir
k : 13.606 eV
2.18x10-18 J
1.097x105 cm-1
1.097x107 m-1
Tek elektronlu sistemlerin enerjisi
n = sonsuz ise , E = 0
n = tamsayı (1, 2, .)
Ry x h = -2.178 x 10-18 J (!)
H atomunun Bohr modeli
Balmer ve Rydberg formüllerini doğrular.
n arttıkça enerji seviyeleri birbirine yaklaşır.
1
l
=
R
1
n12
-
1
n22
Rydberg H atomunun spekrumunda gözlenen dalga boylarına bu
eşitliğin uyduğunu gözlemlemiştir.
R : Rydberg sabiti = 1.096776 x107 m-1
H spektrumunda 3 sari çizgi vardır:
Görünür bölge için: n1 = 2 ve n2 = 3, 4, 5, ...