Referat Lumina Si Fizica Cuantica

Mai jos puteti citi fragmente din Referat Lumina Si Fizica Cuantica si de asemenea puteti face Download Referat Lumina si fizica cuantica

Citeste fragmente din Referat Lumina Si Fizica Cuantica

Am studiat pînă acum propagarea, reflexia, refracţia, difracţia, polarizarea, împrăştierea şi interferenţa luminii. Ne vom ocupa în continuare de producerea luminii şi de modul în care aceste studii au condus în 1900 la naşterea fizicii cuantice moderne. Cele mai uzuale surse de lumină sînt corpurile solide încălzite şi descărcările electrice prin gaze. Exemple tipice de astfel de surse sînt : filamentul de tungsten al lămpii cu incandescenţă şi lampa cu neon. Analizînd cu ajutorul unui spectrometru lumina emisă de la o sursă putem afla intensitatea radiată la diverse lungimi de undă. în figura gura 47-1 se poate vedea rezultatul unei astfel de măsurători, tipic pentru solide încălzite, în care s-a încălzit la 2 000 K o panglică de tungsten. In ordonată (figura 47-1) a fost pusă densitatea spectrală a emitanţei energetice, Mλ , (sau pe scurt emitanţa spectrală) definită astfel ca fluxul energetic emis de unitatea de aria a radiatorului, în intervalul de lungimi de undă şi λ, λ+dλ să fie Mλ dλ. Unitatea S.I. pentru emitanţa spectrală este watt pe metru pătrat pe metru (W/m2 m), respectiv în unităţi mai convenabile W/m2 µm (1 W/cm2 µm = 106 W/m2 m) sau W/cm2 µm (1 W/cm2 µm = 1010 W/m2 m). La măsurarea lui Mλ se ia în consideraţie toată radiaţia emisă în 2π steradiani, de radiator. | Uneori dorim să discutăm despre energia radiată în tot domeniul de lungimi de undă. In acest caz vom vorbi de emitanţa energetică, Me definită ca flux de energie emis uniform de pe o suprafaţă cu aria unitate, unitate de măsură corespunzătoare fiind W/m2. Ea poate fi obţinută integrând radiaţia emisă pe tot intervalul de lungimi de undă : dλ Ermitanţa Me poate fi interpretată ca aria de sub curba Mλ funcţie de λ. În cazul ligurii 47-1, această arie şi deci Me, este de 23,5 x lO4 W/cm2. Se poate observa asemănarea formală ce există între această curbă şi cea a distribuţiei Maxweliene a vitezelor, din paragraful 24-2. Pentru orice material există o familie de curbe de emitanţă spectrală ca cea din figura 47-1, cîte o curbă pentru fiecare temperatură. Dacă se compară asemenea familii de curbe, nu rezultă regularităţi clare. Înţelegerea şi descrierea lor pe baza unei teorii prezintă dificultăţi serioase. Din fericire, este posibil să lucrăm cu un corp solid ideal, încâlzit, numit corp negru. Proprietăţile de emisie a luminii se dovedesc a fi independente de materialul din care este construit corpul negru şi depind într-un mod simplu de temperatură. Anterior am procedat la fel, cînd am studiat proprietăţile unui gaz ideal şi nu a infinităţilor de tipuri de gaze reale. Corpul negru este un corp ideal din punct de vedere al proprietăţilor lui de emisie a luminii. Vom descrie în paragrafele următoare modul în care studiul teoretic al radiaţiei corpului negru, a condus în 1900 pe fizicianul german Max Planck (1858—1947), la fundamen-tarea îizicii cuantice moderne Lungimea µm Figura 47-1. Densitatea spectrală a emitanţei energetice a tungstenului Ia 2000 K. Linia întreruptă se referă la radiaţia corpului negru aflat la aceeaşi temperatură. 1µ. =10-6 m=104 Â. Să luăm trei bucăţi diferite de metal, spre exemplu tungsten, tantal şi molibden. Să executăm în fiecare bucată de rnetal cîte o cavitate iar prin pereţii fiecăruia să efectuăm o mică gaură care să unească cavitatea cu exteriorul. Să creştem temperatura fiecărui bloc metalic la aceeaşi temperatură (să zicem de 2000 K), determinată cu ajutorul unui termometru corespunzător. În fine, să observăm emisia de lumină a celor trei bucăţi metalice, într-o cameră întunecoasă. Măsurătorile lui Me şi Mλ ne arată următoarele: 1. Radiaţia ce provine din interiorul cavităţii este totdeauna mai intensă ca cea provenită de la pereţii exteriori. Acest lucru se poate vedea clar, pentru tungsten. Raportul emitanţelor suprafeţei exterioare şi a cavităţii, pentru cele trei materiale discutate, la 2 000 K este 0,259 (tungsten), 0,212 (molibden) şi 0,232 (tantal). 2. Emitanţa cavităţii este aceeaşi pentru toate cele trei materlale (dacă ele se află la aceeaşi temperatură) cu toate că emitanţele suprafe-telor exterioare este diferită. Emitanţa cavităţii pentru 2 000°K este de 90,0 W/cm2 3. Spre deosebire de emitanţa suprafeţei exterioare, emitanţa ener-getică a cavităţii Me depinde de temperatură într-un mod simplu şi anume: Mec = σT4 unde σ este o constantă universală (constanta Stefan-Boltzman) a cărei valoare măsurată experimental este 5,67xl0-8 W/(m2) (K4). Emitanţa suprafeţei exterioare variază cu temperatura într-un mod mult mai complicat şi diferă de la un material la altul. Ea se scrie uneori sub forma : Me = ε Mec = ε σT4 Nu numai radiaţia totală ci şi distribuţia spectrală a ei trebuie să fie aceeaşi pentru ambele cavităţi. Acest lucru poate fi arătat punînd un filtru între cele două deschideri ale cavităţilor, astfel ales încît să permită să treacă o bandă îngustă de frecvenţe. Folosind acelaşi raţionament, putem arăta că trebuie ca Mλ A=Mλ B = unde Mλ C este emisivitatea spectrală caracteristică ambelor cavităţi. Efectul fotoelectric constă în emisia de electroni de către o suprafaţă metalică datorită interacţiunii acestuia cu un fascicul de radiaţii incidenţă pe ea. Studiul efectului fotoelectric a condus la descoperirea legilor acestui fenomen. Dintre legile efectului fotoelectric două nu au putut fi explicate. Emisia de electroni (foto electroni) au loc numai dacă rad incidentă are o o energie mai mare ce depăşeşte energia şi frecventă de prag specifică fiecărui metal. Energia cinetică a fotoelectronilor emişi de suprafaţă creşte cu frecvenţa incidentă dintr-o funcţie şi este incidentă dintr-o funcţie şi este independentă de radiaţii incidente. Explicaţia celor două legi o dă A. Einstein în 1904-1905, plecând de la ipoteza cuantificării a lui Plank. El admite că radiaţia luminoasă incidentă nu transportă energie în mod continuu, că efectul fotoelectric corespunde transferului de energie de la un foton la un electron (ciocnire foton-electron cu anihilarea fotonului) conform bilanţului de energie: - energia foton – electron incident. Măsurat experimental au pus în evidenţă o concordanţă destul de bună între teoria cuantică a lui Einstein şi legile descoperite experimental astfel că efectul foto- electric este o nouă dovadă a cuantificării energiei purtată de radiaţia luminoasă. - masa de repaus. (3) (4) Dacă folosim relaţia (4) pentru foton vom avea în vedere că fotonul nu există în repaus. ; (5) Relaţia (5) reprezintă legătura duală corpuscul – undă a fotonului În figura 47-6 este dat dispozitivul experimental folosit la studiul efectului fotoelectric. Lumina monocromatică ce cade pe placa de metal A, va elibera fotoelectroni ce pot fi detectaţi sub forma unui curent dacă sunt atraşi de electrodul metalic B cu ajutorul unei diferenţe de potenţial V aplicată între A şi B. Acest curent fotoelectric este măsurat cu galvanometrul G. în figura 47-7 (curba a) este reprezentat curentul fotoelectric obţinut într-o instalaţie de tipul celei din figura 47-6, în funcţie de diferenţa de potenţial V. Pentru valori suficient de mari ale lui V, curentul fotelectric atinge o valoare limită corespunzătoare cazului în care toţi fotoelectronii emişi de placa A sînt colectaţi de B. Dacă se schimbă sensul lui V, curentul fotoelectric nu scade la zero imediat, aceasta indicînd că clectronii sînt cmişi din A cu o viteză finită. Unii vor ajunge la B în ciuda faptului că acum cîmpul electric se opune mişcării lor. Totuşi, dacă această diferenţă de potenţial de sens invers este destul de mare, se atinge o valoare Vy (potenţialul de frînare) pentru care curentul fotoelectric scade la zero. Această diferenţă de potenţial Vo, înmulţită cu sarcina electronului este egală cu energia cine-tică Ec max a celor mai rapizi fotoelectroni emişi. Cu alte cuvinte Ec max = eV0 (47-9) Ec max este independent de intensitatea luminii după cum se vede din curba b din figura 47-7, pentru care intensitatea lurninii a fost redusă la jumătate. Figura 47-7. Unele rezultate experimentale obtinute cu dispozitivul din figura 47-6. Diferenta de potential aplicata V se considera pozitiva daca electrodul metalic B este pozitiv fata de suprafata A din care sunt emisi electronii. Pentru curba b, intensitatea luminii incidente a fost redusa la jumatate fata de cea pentru curba a. Frecventa, 1014 Hz Figura 47-8. O reprezentare a potentialului de franare masurat de Millikan in functie de frecventa, pentru sodiu . Frecventa de prag v0 este 4.39 * 1014 Hz „Ô ^„Ô ‰ grăsime etc. Millikan a construit un dispozitiv cu ajutorul căruia se pot tăia strate de pe suprafaţa metalului, în vid, obţinînd astfel a suprafaţă curată. Dar, teoria ondulatorie a luminii nu poate explica trei caracteristici importante ale efectului fotoelectric: 1. Conform teoriei ondulatorii energia cinetică a fotoelectronului trebuie să crească atunci cînd intensitatea fascicului de lumină creşte. Totuşi, din figura 47-7 se vede că Ec max = (eV0) este independentă de intensitatea luminii; aceasta a fost verificată pentru un domeniu de in-tensităţi ce se întinde pe şapte ordine de mărime. 2. Teoria ondulatorie spune că efectul fotoelcctric trebuie să se producă pentru orice frecvenţă a luminii, cu singura condiţie ca să fie suficient de intensă. Totuşi, din figura 47-8 se vede că, pentru fiecare suprafaţă, există o frecvenţă caracteristicâ de prag vo. Pentru frecvenţe mai mici decît aceasta, efectul fotoelectric dispare indiferent de cît de intensă este iluminarea. 3. Dacă energia fotoelectronului este luată de placa de metal de la unda incidentă, ne aşteptăm ca „suprafaţa efectivă de ţintă" pentru un electron din metal să fie mai mare decît cîteva diametre atomice. Astfel, dacă lumina este suficient de slabă, trebuie să existe o decalare măsurabilă între momentul cînd lumina cade pe suprafaţă şi cel al emisiei fotoelectronului. In acest interval de timp electronul trebuie să extragă energie din fascicul pînă ce energia acumulată de el este suficientă pentru a părăsi metalul. Totuşi, nu s-a putut măsura nici un decalaj între aceste două momente. Această neconcordanţă între teoric şi experienţă este şi mai evidentă atunci cînd se studiază efectul foto-electric al unui gaz; în acest caz energia fotoelectronului trebuie să fie luată de la fasciculul de lumină de un singur atom. Einstein a reuşit să explice efectul fotoelectric folosind o ipoteză remarcabilă şi anume: a presupus că într-un fascicul de lumină energia este transportată prin spaţiu în „porţii" finite numite fotoni. Energia unui foton (vezi ecuaţia 47-8) este dată de E=hv Reamintim că Planck considera că lumina, deşi emisă de sursa sa în mod discontinuu, se propagă prin spaţiu sub formă de undă electromagnetică. Ipoteza lui Einstein consideră că lumina propagîndu-se prin spaţiu se comportă mai degrabă ca o particulă decît ca o undă. Millikan, a cărui experienţe au verificat ideile lui Einstein în cele mai mici detalii, califica ipoteza lui Einstein ca „îndrăzneaţă, ca să nu spun nesăbuită". Aplicînd noţiunea de foton efectului fotoelectric, Einstein a scris : hv = E0 + Ec max (47-11) unde h este energia fotonului. Ecuaţia 47-11 ne spune că un foton transportă energia hv prin suprafaţa metalului. 0 parte din această energie (Eo) este folosită pentru a scoate electronul prin suprafaţa metalului. Energia rămasă (hv – Eo) este dată electronului sub formă de energie cinetică; dacă electronul la ieşirea sa din metal nu pierde cnergie prin ciocniri interne, toată energia primită o va avea sub formă de energie cinetică după ieşirea din metal. Astfel, Ec max reprezintă energia cinetică maximă pe care fotoelectronul o poate avea în exteriorul supra-feţei; în majoritatea cazurilor din cauza pierderilor interne prin ciocniri energia sa va fi mai mică decît aceasta. Să vedem cum ipoteza fotonică a lui Einstein rezolvă cele trei obiecţii ridicate împotriva interpretării ondulatorii a efectului fotoelectric. In ceea ce priveşte obiecţia numărul unu (Ec max nu depinde de intensitatea luminii) există o concordanţă deplină între teoria fotonică şi experienţă. Dublînd intensitatea luminii, numărul de fotoni se dublează şi astfel curentul fotoelectric se dublează; dar energia (=hv) fotonilor individuali sau natura procesului fotoelectric individual descris în ecuaţia 47-11 nu se modifică. Pe măsura adânciri studiilor legate de structura şi proprietăţile atomilor, fizicienii au ajuns tot mai mult la concluzia că greutăţile şi deficienţele întâmpinate de modelul Bohr –Sommerfield au o cauză mai profundă. Cu alte cuvinte greutăţile pe care le întâmpină în a descrie corect atomul se regăsesc sub o formă sau alta la înţelegerea oricăror fenomene de la o scară a dimensiunilor de ordinul 10-8 cm. De aici a rezultat că trebuie căutată o descriere mai corectă , mai conformă cu realitatea tuturor fenomenelor microscopice. Concluzia este că mecanica lui Newton nu mai poate descrie corect fenomenele la această scara. Fenomene cum ar fi efectul fotoelectric sau emisia de radiaţie termică nu pot fi încadrate corect în teoria ondulatorie a luminii. La o analiză ceva mai atentă rezultă că fenomenele care nu pot fi corect explicate ondulator corespund momentului de apariţie (naştere) sau dispariţie a radiaţiei luminoase, momente care presupun directa legătură între radiaţie si atom. Într-un fel acest lucru a fost explicat de către modelul Bohr prin introducerea postulatelor. În fond în spatele acestor postulate se ascunde cheia înţelegerii fenomenelor la scară atomică. Newton însă a observat că fenomenele luminoase pot fi descrise foarte bine până la un anumit punct pe o bază ondulatorie cât ţi pe o bază corpusculară. Nu pot fi explicate simultan, ondulator ţi corpuscular acele fenomene care sunt condiţionate de trăsăturile ce deosebesc cel mai mult particulele de unde în particular deosebirea este legată de introducerea spaţială pe care o ocupă o particulă sau o undă. O particulă este totdeauna localizată într-o regiune finită a spaţiului, pe când emisia radiaţiilor termice ca şi efectul fotoelectric presupun restrângerea şi localizarea undei intr-o regiune extrem de mică (deci cu caractere corpusculare). În acest fel trebuie să admită ori că lumina în diverse momente este când undă, când particulă ceea ce este deosebit de greu de înţeles, ori presupune că lumina conţine în sine ambele calităţi dar că în unele momente, una dintre calităţi predomină . A doua alternativă pare mai uşor de acceptat cu condiţia să putem cunoaşte şi explica fizica, când, cum şi de ce se comportă lumina, dominant ondulatoriu sau dominant corpuscular. Astfel ajungem la concluzia că lumina trebuie să conţină ambele calităţi : undă şi particulă. În acest caz , pot fi explicate atât fenomenele de interferenţă cât şi cele cu caracter corpuscular, formând astfel o unitate indestructibilă undă-particulă numită foton. Aplicaţiile efectului fotoelectric extern Celula fotoelectrică este alcătuită dintr-un tub de sticlă vidat sau conţinând un gaz inert la presiune redusă care are în interior doi electrozi : catodul ( C ) format dintr-un strat subţire de metal (Cs, Na, K) depus pe o porţiune din peretele tubului şi anodul (A). format dintr-o reţea de inel sau bobiţă metalică. fig.1 - Celula fotoelectrică Sub acţiunea radiaţiilor electromagnetice (vizibile) fotocatodul emite electroni care sunt dirijaţi spre anod datorită câmpului electric produs de tensiunea dintre C şi A şi sunt captaţi de către acesta stabilindu-se un curent electric, indicat de galvanometru „G”. Deci celula fotoelectrică transformă un semnal luminos într-un semnal electric. Celulele fotoelectrice cu vid sunt mai puţin sensibile (curentul fotoelectric se stabileşte la valori mai mari ale fluxului radiaţiilor electromagnetice), dar sunt lipsite de inerţie (intensitatea curentului fotoelectric urmăreşte prompt şi liniar variaţia fluxului luminos care cade pe catod); celulele cu gaz sunt mai sensibile dar prezintă o inerţie determinată de procesele ce se produc in cazul din tub. Fotomultiplicatorul este alcătuit dintr-un tub de sticlă vidat în care se află un catod C, un anod A şi un număr oarecare de electrozi auxiliari numiţi dinode (fig. 2) . O dinodă este un electrod care bombardat cu un număr de electroni emite un număr mai mare de electroni secundari. Cu ajutorul unui divizor de tensiune format cu ajutorul rezistenţelor R1, R2, R3, şi R4 fiecare dinodă, începând cu cea de lângă catod, se află la un potenţial electric superior celei precedente. Sub acţiunea luminii, fotocatodul emite electroni care sunt acceleraţi spre dinoda D1 pe care o bombardează. Aceasta emite un număr mai mare de electroni care sunt acceleraţi spre dinoda D2- La rândul ei dinoda D2 emite un număr mai mare de electroni astfel încât, în final la anod va ajunge un număr amplificat de electroni. Prin rezistorul Rs din circuitul anodului se stabileşte un curent electric de 106 –107 ori mai mare decât în cazul unei celule fotoelectrice. Dispozitivele opto-electrice descrise prezintă o multitudine de utilizări în diferite domenii ale tehnici , ne vom opri doar asupra folosirii acestor dispozitive la releul fotoelectric. Releul fotoelectric este un electromagnet care poate comanda închiderea şi deschiderea unui circuit electric. În cazul releului fotoelectric (fig. 3) lumina cade pe fotocatod şi determină apariţia unui câmp electric care după amplificare străbate electromagnetul al cărui câmp produce închiderea circuitului comandat. Având comenzi comode, sigure şi rapide, releul fotoelectric se foloseşte la numărarea unor obiecte în mişcare, la întreruperea automată a funcţionării unor maşini-unelte când operatorul a intrat într-o zonă unde este pericol de accidentare, la conectarea automată a reţelei de iluminat în momentul întunecări etc. PAGE PAGE 10 쥁@