Ljus, fotoner och vågor

Report
Ljus, fotoner och vågor
Gullviva Gymnasium
Temperaturstrålning
• Glödlampor, smält stål och solen utstrålar
värme och lyser därför att de är varma.
• Ett föremål börjar lysa svagt rött vid omkring
550 oC.
• Vad är det som lyser och hur kan
värmestrålningen förklaras?
Svartkroppsstrålning
• Absorption och emission av temperaturstrålning
störst från en svartkroppsstrålare.
• Förklaring: En stråle som tränger in genom ett
litet hål (som upplevs svart utifrån) har liten
sannolikhet att reflekteras tillbaka genom samma
hål.
• Temperaturstrålningens våglängdsberoende
kunde dock inte förklaras av den klassiska fysiken
i slutet på 1800-talet.
Stefan-Boltzmanns lag
• Lagen anger vilken total effekt (emittans) en
svartkroppsstrålare med temperaturen T
(Kelvin) avger per ytenhet (W/m2):
• M=sT4
• s=5,67053∙10-8 W/m2/K4
• Josef Stefan upptäckte lagen experimentellt
och Ludwig Boltzmann visade den teoretiskt
år 1884 (kan härledas genom integrering av
Plancks lag nedan).
Max Planck (1858-1947)
• Tysk fysiker, professor vid universiteten i Kiel,
Berlin och Wien.
• Utforskade och förklarade värmestrålningen med
Plancks strålningslag år 1900.
• Antog att strålningen utgörs av elektromagnetisk
kvantiserad energi som utsänds som fotoner.
• Grundare av kvantfysiken.
• Fick nobelpriset i fysik 1918 för kvantteorin. Läs
mer!
Kvantteorin och fotoner
• Enligt klassisk fysik kan läges- och
rörelseenergi anta alla värden.
• Kvantteorin innebär att strålningsenergi
endast kan anta vissa värden – energin är
kvantiserad.
• Elektromagnetisk strålning utsänds som
fotoner – vågpaket med viss energi (Ef) som
beror av strålningens frekvens.
Plancks strålningslag
Plancks strålningskurva
Wiens förskjutningslag
• Wilhelm Wien (1864-1928) visade teoretiskt
hur våglängden l för strålningsmax beror av
temperaturen T (kan härledas genom
bestämning av maxpunkt i Plancks lag).
• Wien fick nobelpriset i fysik år 1911.
Fotoeffekten
• Ljus som träffar den negativa elektroden
(katod) skapar en ström genom att slå loss
elektroner som träffar den positiva kollektorn
(anod).
• Strömmen ökar för UV-ljus.
• Observerades först av Henrich Hertz år 1887.
Fotoeffekten utforskas
• Wilhelm Hallwachs (1888) och Philip Lenard
(1902, nobelpris 1905) utforskar fotoeffekten.
År 1902 var följande känt:
• Antalet frigjorda elektroner beror av
ljusstyrkan (intensiteten).
• Elektronernas fart ökar med ljusets frekvens.
• Under en viss gränsfrekvens (f0) frigörs inga
elektroner, oavsett ljusstyrkan.
• Föklaring saknas dock.
Einstein förklarar fotoeffekten
• Albert Einstein använder Plancks kvant- och
fotonhypotes för att förklara fotoeffekten:
• Antar att elektroner upptar fotonenergi i odelbara
kvanta.
• Fotonen kan endast avge hela sin energi (EF=hf) till en
elektron.
• En del av fotonenergin åtgår till att frigöra elektronen
från ytan, det s k utträdesarbetet (Eo).
• Resten av energin ger den frigjorda fotoelektronen
rörelseenergi (Ek).
• Dessa hypoteser sammanfattade han i…
…Einsteins fotoelektriska ekvation
• hf=E0+Ek
• där ljusets gränsfrekvens fo för uträdesarbetet
ges av: hfo=E0
• Albert Einstein presenterar sin fotoelektriska
ekvation år 1905 och fick nobelpriset för detta
1921.
Fotoeffekten i bild
Ljus – partiklar eller vågor…
• Omkring år 1700 ansåg Newton att ljus består
av partiklar (korpuskler), medan Huygens
(1690) hävdade att ljuset var en longitudinell
vågrörelse.
• År 1801 påvisade Thomas Young interferens i
dubbelspalt, vilket antyder att ljus är en
vågrörelse.
…eller både och?
• James Clerk Maxwell (1831-1879) beskrev på
1860-talet ljus som en elektromagnetisk
vågrörelse.
• I början på 1900-talet beskrevs ljuset åter som
en ström av partiklar – fotoner (se ovan).
• Läs om Maxwells ekvationer.
Comptoneffekten
• Arthur Compton (1892-1962, nobelpris 1927)
visade definitivt ljusets partikelegenskaper
med comptoneffekten 1923 – fotoner
kolliderar med elektroner enligt mekanikens
lagar.
• Röntgenstrålning som ”kolliderade” med
grafitatomer ändrade våglängd.
• Detta kan endast förklaras med en
partikelmodell för ljus.
Ljusets partikel-våg-dualism
• Idag betraktas ljus (elektromagnetisk
strålning) med ett dualistiskt synsätt - både
som partiklar och vågor, beroende på
sammanhanget.
Fotonens rörelsemängd
• •Comptoneffekten antyder att fotoner är
partiklar med rörelsemängd (p).
• •Antag att den masslösa fotonen har massan m.
• •Fotonens energi: Ef=mc2 (1)
• •Fotonens energi: Ef=hf
(2)
• •Fotonens rörelsemängd: p=mc (3)
• •Sätt samman (1) och (2) och eliminera m med
(3):
Partiklars vågegenskaper
• •Kan fotonen vara både partikel och våg,
borde väl partiklar kunna betraktas som vågor?
• •År 1924 presenterade Louis de Broglie (18921987, nobelpris 1929) en teori för materievågor.
• •Teorin bekräftades 1927 av Clinton Davidsson
(1881–1958, nobelpris 1937) och Lester Germer
(1896–1971) med elektroner som skapade ett
interferensmönster då de passerade ett
kristallgitter.
• •Materievågens våglängd l
(de Broglie-våglängd):
Kvantmekaniken – modern fysik
• Fotonen och energins kvantisering markerar en
brytning runt år 1900 mellan klassisk och modern
fysik.
• År 1926 presenterade Erwin Schrödinger (1887–
1961, nobelpris 1933) kvantmekaniken, där en
vågfunktion (se Schrödinger-ekvationen)
beskriver ”små” partiklars uppförande.
• Vågfunktionen (Y) anger bl a sannolikheten att
finna en partikel i ett visst område.
Heisenbergs osäkerhetsrelation
• Werner Heisenberg (1901-1976, nobelpris
1932) formulerade 1927 osäkerhetsrelationen
för partiklar:
• Innebörd:
Ökar säkerheten i partikelns läge (Dx) ökar
osäkerheten i dess rörelsemängd (Dp).
• Osäkerhetsrelationen är en konsekvens av
kvantmekaniken.

similar documents