Transcript PP - GosKli
Slide 1
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
EFEKT FOTOELEKTRYCZNY
Wielu eksperymentatorów prowdziło badania tego zjawiska:
Hallwachs 1883, 1888
Rymanów
15 kwietnia 2005
Hertz 1886, 1887
Stoletow
Lenard 1899-1902
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Często znajdziemy informację, że zjawisko to odkrył Hertz,
podczas, gdy sam Hertz zawsze odpowiadał: „Hallwaschs był pierwszy”.
Slide 2
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
(1883) … Wilhelm Hallwachs … (1887)
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Żródło: www.acolytescience.co.uk/origins/herz.html
Slide 3
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Soczewka skupiająca
- kwarcowa
Lampa łukowa
(źródło światła ultrafioletowego)
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Płytka
cynkowa
Elektroskop
Wypolerowana, naładowana ujemnie płytka cynkowa
traci ładunek pod wpływem naświetlania promieniowaniem
ultrafioletowym ŁADUJE SIĘ DODATNIO
Slide 4
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
(1883 )… Wilhelm
Hallwachs … (1888)
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Elektrometr Hankel’a
Żródło: www.acolytescience.co.uk/origins/herz.html
Slide 5
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Slide 6
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
EFEKT FOTOELEKTRYCZNY
ma trzy podstawowe cechy,
Rymanów
których nie można wyjaśnić
15 kwietnia 2005
na gruncie
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
klasycznej falowej teorii światła
Slide 7
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
1. Z falowej teorii światła wynika, że amplituda
oscylującego pola elektrycznego E fali świetlnej
wzrasta, gdy wzrasta natężenie wiązki światła.
Ponieważ siła działająca na elektron jest równa eE,
z zależności tej wynika, że energia kinetyczna
fotoelektronów również powinna wzrosnąć,
gdy zwiększamy natężenie wiązki światła.
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Tymczasem:
Maksymalna energia kinetyczna elektronów
nie zależy od natężenia padającego promieniowania
(jest niezależna od natężenia światła).
Slide 8
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
2. Zjawisko fotoelektryczne powinno występować dla każdej
częstotliwości światła, pod warunkiem, że natężenie światła
jest wystarczająco duże, aby dostarczona została energia
konieczna do uwolnienia elektronów.
Okazuje się, ze dla każdej powierzchni istnieje pewna
charakterystyczna częstotliwość graniczna.
Tymczasem:
Rymanów
15 kwietnia 2005
Dla częstotliwości światła mniejszej
od częstotliwości granicznej efekt
fotoelektryczny nie występuje,
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
niezależnie od tego, jak silne jest
oświetlenie powierzchni.
Slide 9
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
3. Według teorii klasycznej energia świetlna jest jednorodnie
rozłożona na całej powierzchni falowej.
Zatem gdy wiązka światła jest dostatecznie słaba,
powinno występować mierzalne opóźnienie czasowe
pomiędzy chwilą, kiedy światło zaczyna padać na
powierzchnię płytki, a momentem uwolnienia z niej
elektronu.
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
W tym właśnie czasie elektron powinien absorbować
energię z wiązki światła aż do momentu, gdy
nagromadzona energia będzie wystarczająca,
by elektron mógł wydobyć się z metalu.
Jednak nigdy nie stwierdzono żadnego mierzalnego
opóźnienia czasowego.
Slide 10
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
W 1905 r. A. Einstein zakwestionował
słuszność klasycznej teorii światła.
Zaproponował nową teorię.
Rymanów
Założył, że energia jest skwantowana,
skoncentrowana w oddzielnych
porcjach - kwantach światła,
które później nazwano fotonami.
15 kwietnia 2005
Przyjął – za Planckiem – że energia
fotonu wynosi:
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Za teoretyczne wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego A. Einstein
otrzymał nagrodę Nobla w 1922 - za 1921 rok.
Slide 11
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Foton wg Einsteina
Hipotetyczna cząstka, która jest prawdziwie obojętna:
Rymanów
15 kwietnia 2005
nie posiada masy spoczynkowej
(m=0);
nie posiada ładunku elektrycznego
(q=0);
nie posiada momentu magnetycznego;
jest tożsama ze swą antycząstką;
porusza się z prędkością światła w próżni c;
posiada energię
posiada pęd
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
E = hn
p = E/c
Slide 12
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Fotony:
biorą udział tylko w procesach uwarunkowanych
przez oddziaływania elektromagnetyczne,
stanowią zarazem nośnik tego rodzaju oddziaływania,
Rymanów
są kwantami promieniowania elektromagnetycznego.
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Nie podlegają upływowi czasu.
Są ponadczasowe (wieczne).
Slide 13
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Czym jest światło naprawdę?
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Falą czy gradem fotonów?
Fot. Stanisław Strzyżewski © www.bieszczady.pl
Slide 14
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Trudność, przed którą stoimy, jest zupełnie
nowego rodzaju.
Mamy dwa obrazy rzeczywistości.
Rymanów
15 kwietnia 2005
Żaden z nich wzięty z osobna nie wyjaśnia
w pełni zjawisk świetlnych.
Ale razem - wyjaśniają!
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
„By rozwiązać problem sprzeczności nauka każe nam
tworzyć nowe pojęcia, nowe teorie.”
A.Einstein
Slide 15
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
TERMINOLOGIA
Rymanów
teorii falowej
teorii kwantów
Światło jednorodne ma
określoną długość fali
Światło jednorodne zawiera
fotony o określonej energii
Długość fali jest dla
czerwonego krańca widma
dwa razy większa
niż dla krańca fioletowego
Energia fotonu jest dla
czerwonego krańca widma
dwa razy mniejsza
niż dla krańca fioletowego
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Źródło: Albert Einstein, Leopold Infeld, EWOLUCJA FIZYKI
Slide 16
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Inna materia
Bo jest jeszcze przecież
inna materia!
Ta, z której zbudowane są
(…)
promienie słońca...
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
I odbicie w lustrze
zdziwione
niepewne
(…)
J.Rybowicz
Slide 17
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
FIZYKA OŚWIECA ŚWIAT
Physics enlightens the world
18 / 19 kwietnia 2005
W
Rymanów
50. rocznicę śmierci Alberta Einsteina
+ 18 kwietnia 1955 (Prinston, USA)
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Sztafeta światła obiegająca ziemski glob w ciągu jednej nocy
Slide 18
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Fizyka oświeca świat - 18 / 19 kwietnia 2005
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Autorzy: Max E. Lippitsch & Sonja Draxler
Slide 19
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
EFEKT FOTOELEKTRYCZNY
Wielu eksperymentatorów prowdziło badania tego zjawiska:
Hallwachs 1883, 1888
Rymanów
15 kwietnia 2005
Hertz 1886, 1887
Stoletow
Lenard 1899-1902
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Często znajdziemy informację, że zjawisko to odkrył Hertz,
podczas, gdy sam Hertz zawsze odpowiadał: „Hallwaschs był pierwszy”.
Slide 2
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
(1883) … Wilhelm Hallwachs … (1887)
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Żródło: www.acolytescience.co.uk/origins/herz.html
Slide 3
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Soczewka skupiająca
- kwarcowa
Lampa łukowa
(źródło światła ultrafioletowego)
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Płytka
cynkowa
Elektroskop
Wypolerowana, naładowana ujemnie płytka cynkowa
traci ładunek pod wpływem naświetlania promieniowaniem
ultrafioletowym ŁADUJE SIĘ DODATNIO
Slide 4
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
(1883 )… Wilhelm
Hallwachs … (1888)
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Elektrometr Hankel’a
Żródło: www.acolytescience.co.uk/origins/herz.html
Slide 5
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Slide 6
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
EFEKT FOTOELEKTRYCZNY
ma trzy podstawowe cechy,
Rymanów
których nie można wyjaśnić
15 kwietnia 2005
na gruncie
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
klasycznej falowej teorii światła
Slide 7
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
1. Z falowej teorii światła wynika, że amplituda
oscylującego pola elektrycznego E fali świetlnej
wzrasta, gdy wzrasta natężenie wiązki światła.
Ponieważ siła działająca na elektron jest równa eE,
z zależności tej wynika, że energia kinetyczna
fotoelektronów również powinna wzrosnąć,
gdy zwiększamy natężenie wiązki światła.
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Tymczasem:
Maksymalna energia kinetyczna elektronów
nie zależy od natężenia padającego promieniowania
(jest niezależna od natężenia światła).
Slide 8
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
2. Zjawisko fotoelektryczne powinno występować dla każdej
częstotliwości światła, pod warunkiem, że natężenie światła
jest wystarczająco duże, aby dostarczona została energia
konieczna do uwolnienia elektronów.
Okazuje się, ze dla każdej powierzchni istnieje pewna
charakterystyczna częstotliwość graniczna.
Tymczasem:
Rymanów
15 kwietnia 2005
Dla częstotliwości światła mniejszej
od częstotliwości granicznej efekt
fotoelektryczny nie występuje,
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
niezależnie od tego, jak silne jest
oświetlenie powierzchni.
Slide 9
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
3. Według teorii klasycznej energia świetlna jest jednorodnie
rozłożona na całej powierzchni falowej.
Zatem gdy wiązka światła jest dostatecznie słaba,
powinno występować mierzalne opóźnienie czasowe
pomiędzy chwilą, kiedy światło zaczyna padać na
powierzchnię płytki, a momentem uwolnienia z niej
elektronu.
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
W tym właśnie czasie elektron powinien absorbować
energię z wiązki światła aż do momentu, gdy
nagromadzona energia będzie wystarczająca,
by elektron mógł wydobyć się z metalu.
Jednak nigdy nie stwierdzono żadnego mierzalnego
opóźnienia czasowego.
Slide 10
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
W 1905 r. A. Einstein zakwestionował
słuszność klasycznej teorii światła.
Zaproponował nową teorię.
Rymanów
Założył, że energia jest skwantowana,
skoncentrowana w oddzielnych
porcjach - kwantach światła,
które później nazwano fotonami.
15 kwietnia 2005
Przyjął – za Planckiem – że energia
fotonu wynosi:
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Za teoretyczne wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego A. Einstein
otrzymał nagrodę Nobla w 1922 - za 1921 rok.
Slide 11
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Foton wg Einsteina
Hipotetyczna cząstka, która jest prawdziwie obojętna:
Rymanów
15 kwietnia 2005
nie posiada masy spoczynkowej
(m=0);
nie posiada ładunku elektrycznego
(q=0);
nie posiada momentu magnetycznego;
jest tożsama ze swą antycząstką;
porusza się z prędkością światła w próżni c;
posiada energię
posiada pęd
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
E = hn
p = E/c
Slide 12
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Fotony:
biorą udział tylko w procesach uwarunkowanych
przez oddziaływania elektromagnetyczne,
stanowią zarazem nośnik tego rodzaju oddziaływania,
Rymanów
są kwantami promieniowania elektromagnetycznego.
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Nie podlegają upływowi czasu.
Są ponadczasowe (wieczne).
Slide 13
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Czym jest światło naprawdę?
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Falą czy gradem fotonów?
Fot. Stanisław Strzyżewski © www.bieszczady.pl
Slide 14
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Trudność, przed którą stoimy, jest zupełnie
nowego rodzaju.
Mamy dwa obrazy rzeczywistości.
Rymanów
15 kwietnia 2005
Żaden z nich wzięty z osobna nie wyjaśnia
w pełni zjawisk świetlnych.
Ale razem - wyjaśniają!
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
„By rozwiązać problem sprzeczności nauka każe nam
tworzyć nowe pojęcia, nowe teorie.”
A.Einstein
Slide 15
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
TERMINOLOGIA
Rymanów
teorii falowej
teorii kwantów
Światło jednorodne ma
określoną długość fali
Światło jednorodne zawiera
fotony o określonej energii
Długość fali jest dla
czerwonego krańca widma
dwa razy większa
niż dla krańca fioletowego
Energia fotonu jest dla
czerwonego krańca widma
dwa razy mniejsza
niż dla krańca fioletowego
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Źródło: Albert Einstein, Leopold Infeld, EWOLUCJA FIZYKI
Slide 16
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Inna materia
Bo jest jeszcze przecież
inna materia!
Ta, z której zbudowane są
(…)
promienie słońca...
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
I odbicie w lustrze
zdziwione
niepewne
(…)
J.Rybowicz
Slide 17
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
FIZYKA OŚWIECA ŚWIAT
Physics enlightens the world
18 / 19 kwietnia 2005
W
Rymanów
50. rocznicę śmierci Alberta Einsteina
+ 18 kwietnia 1955 (Prinston, USA)
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Sztafeta światła obiegająca ziemski glob w ciągu jednej nocy
Slide 18
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Fizyka oświeca świat - 18 / 19 kwietnia 2005
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]
Autorzy: Max E. Lippitsch & Sonja Draxler
Slide 19
Fotony Alberta Einsteina
czyli o efekcie fotoelektrycznym
Dr Małgorzata Klisowska, Instytut Fizyki, Uniwersytet Rzeszowski
Rymanów
15 kwietnia 2005
http://klisowska.aq.pl
[email protected]