Fizyka III

1. Fizyka III dr inż. Monika Lewandowska

2. Promieniowanie elektromagnetyczne – podsumowanie • Doświadczenia Huygensa, Younga stwierdzające falową naturę światła • Maxwell: źródłem jest przyśpieszony dowolnie ładunek elektryczny • Koniec XIX w.: wprowadzenie pojęcia fale elektromagnetyczne (Maxwell) • Równania Maxwella: • fala elektromagnetyczna spełnia równanie falowe: • (y – zaburzenie, v – prędkość w ośrodku) • Przełom XIX i XX wieku: promieniowanie elektromagnetyczne ma • również charakter cząstkowy (dualizm korpuskularno-falowy) • wprowadzenie pojęcia fotonu (Einstein). Źródło: Wikipedia

3. Widmo fal elektromagnetycznych Źródło: Wikipedia • Przykładowe źródła promieniowania elektromagnetycznego: • oscylacja dipola elektrycznego (Hertz, fale radiowe) • przyspieszanie cząstek naładowanych w akceleratorach • (promieniowanie synchrotronowe) • hamowanie elektronów w polu jądra atomowego • (promieniowanie Röntgena) • oscylatory atomowe (promieniowanie termiczne)

4. Promieniowanie termiczne • Dwie wielkości opisują emisję i absorpcję promieniowania przez ciało o • temperaturze T: • Zdolność emisyjna e(λ,T) – ilość energii emitowanej w jednostce czasu przez • jednostkę powierzchni ciała, w przedziale długości fal: λ, λ+dλ • [e] = W/m2μm • Zdolność absorpcyjna a(λ,T) - stosunek mocy pochłoniętej do mocy • padającej; wielkość bezwymiarowa. • Całkowita moc emitowana z jednostki powierzchni ciała • [R] = W/m2 • Prawo Kirchhoffa (1860) • Dla dowolnego ciała (f uniwersalna funkcja λ i T) • Ciało doskonale czarne (cc) – ciało modelowe, które całkowicie pochłania • padające na nie promieniowanie T Model cc – otwór we wnęce o stałej temperaturze T

5. Jak badamy promieniowanie ciała doskonale czarnego? • Stefan, 1879; Boltzmann, 1884; dla ciała doskonale czarnego: • , gdzie • dla ciał rzeczywistych: , gdzie 0 < a < 1 • Wien, 1893 dla ciała doskonale czarnego: , gdzie • Przykłady: T = 310 K lmax = 935 nm (podczerwień) R = 524 W/m2 • T = 5780 K lmax = 501 nm (światło zielone) R = 63.3 MW/m2

6. Jak opisać i wyjaśnić widmo promieniowania ciała doskonale czarnego ? • Prawo Rayleigha – Jeansa (1900, 1905): • Empiryczne prawo Wiena (1896): • Prawo Plancka (1900) – narodziny mechaniki kwantowej; Nobel 1918 Max Planck ok. 1900 r. Z Prawa Plancka można otrzymać jako przypadki graniczne prawo Rayleigha-Jeansa (dla E0/kT << 1) oraz prawo Wiena (dla E0/kT >> 1) Porównanie zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego o temperaturze 6000K obliczonej na podstawie praw: Plancka, Wiena i Rayleigha-Jeansa

7. Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego c.d. Źródło: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/bbrc.html Przykład: Mikrofalowe promieniowanie tła (promieniowanie reliktowe) • Widmo opisane jest rozkładem Plancka dla • T = (2,725 ± 0,001) K • Odkrycie: Penzias, Wilson, 1965; Nobel: 1978 • Zbadanie: COBE (NASA, 1989); Mather i • Smoot; Nobel 2006 Źródło: http://arcade.gsfc.nasa.gov/cmb_spectrum.html

8. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne Robert Millikan 1923 Prawidłowości występujące w zjawisku fotoelektrycznym P. Lenard (1902), R.A. Millikan (1905-1915), nagroda Nobla 1923 R/H/W Rys. 39.1. Aparatura używana do badania zjawiska fotoelektrycznego. Padająca wiązka światła oświetla elektrodę T, uwalniając z niej elektrony, które następnie zbierane są przez kolektor K.

9. Zjawisko fotoelektryczne c.d. • Einstein (1905); nagroda Nobla 1921 • Maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów • zależy od energii fotonów światła padającego • - praca wyjścia • Liczba wybijanych fotonów jest proporcjonalna • do liczby fotonów (natężenia) padającego światła • Dla każdego materiału istnieję pewna graniczna • długość fali, powyżej której zjawisko nie zachodzi A. Einstein początek XX w max gr R/H/W rys. 39.2 Zależność potencjału hamującego od częstotliwości światła padającego na elektrodę z sodu (dane R.A. Millikan 1916) Metoda pomiaru stałej Plancka

10. Zjawisko fotoelektryczne c.d. • Inne zjawiska oparte na zasadzie efektu fotoelektrycznego: • z.f. wewnętrzne (wzrost przewodnictwa w półprzewodnikach • i izolatorach pod wpływem oświetlenia); • z.f. jądrowe (wzbudzenie jądra atomowego z emisją nukleonów) • Zastosowania: fotokomórka, fotopowielacz, fotodioda półprzewodnikowa, • baterie słoneczne, noktowizor, elementy CCD w aparatach cyfrowych, Źródło: Wikipedia

11. Promienie X Röntgena W.C. Röntgen 1895, pierwsza nagroda Nobla z fizyki 1901 Wilhelm C. Röntgen Schemat lampy wytwarzającej promieniowanie X Źródło: Wikipedia Widmo promieniowania X dla anody wykonanej z molibdenu przy różnych wartościach napięcia Ua. Źródło: M.R Wehr, J.A. Richards: Fizyka atomu, PWN 1963 • Własności promieni X: • Widmo ciągłe – promieniowanie hamowania (Bremsstrahlung) • Widmo charakterystyczne – zależy od Z materiału anody • energia: 103 – 105 eV; • długość fali: 10−9 – 10−11 m (10 Å – 0,1 Å); • częstość: 5·1017 – 5·1019 Hz; • mają własności falowe (dyfrakcja na kryształach); • mają własności cząstkowe (np. efekt Comptona)

12. Promienie X Röntgena c.d. Mechanizm powstawania promieniowania hamowania Granica krótkofalowa promieniowania X R/H/W Rys. 41.15

13. Zjawisko Comptona A.H. Compton 1922, nagroda Nobla 1927 Arthur H. Compton 1936 0 R/H/W Rys. 39.3 Schemat aparatury Comptona. Wiązka promieni X o długości fali l0 = 71.1 pm pada na grafitowa tarczę T. Natężenie i długość fali promieniowania rozproszonego są mierzone przez detektor pod różnymi kątami względem wiązki padającej R/H/W Rys. 39.4 Wyniki doświadczenia Comptona dla czterech wartości kąta rozpraszania f. Promieniowanie rozproszone ma dwie składowe o długościach fali l= l0i l= l0+ Dl. Przesunięcie Comptona Dl zwiększa się wraz ze wzrostem kata rozpraszania.

14. Zjawisko Comptona c.d. Energia i pęd fotonu: Zasada zachowania energii: Zasada zachowania pędu: Przesunięcie Comptonowskie: Comptonowska długość fali 0 R/H/W Rys. 39.5. Foton promieniowania rentgenowskiego o długości fali l0oddziałuje z nieruchomym elektronem. Zostaje on rozproszony pod kątem f i jego długość fali l się zwiększyła. Elektron po zderzeniu porusza się z prędkością v pod kątem q.