záření černého tělesa - animace tepelné záření záření černého tělesa - animace

V absolutně černém tělese je v rovnováze Elektromagnetické záření vydávají všechna tělesa. Chladná vyzařují infračervené záření okem neviditelné, tělesa zahřátá nad 500 °C září viditelně. V absolutně černém tělese je v rovnováze vyzařování a pohlcování záření Pozorujeme-li rozžhavené absolutně černé těleso, jeví se nejprve jako černé, červené, se vzrůstající teplotou jako oranžové, žluté a bílé.

Stefanův-Boltzmannův zákon Energie vyzařovaná absolutně černým tělesem roste úměrně čtvrté mocnině termodynamické teploty.

Spektrální hustota vyzařování Pro konstantní T Hλ = f (λ , T)

Wilhelm Wien Wienův posunovací zákon b =2,9.10-3m.K

Pokus o výklad experimentálně naměřených hodnot 1896 – Wienův zákon – platí v krátkovlnné oblasti a pro nízké teploty 1900 – Rayleigh, Jeans – odvodili zákon, který platí v dlouhovlnné oblasti a pro vysoké teploty Lord Rayleigh

Max Planck – otec kvantové fyziky 14.12.1900 - svou kvantovou hypotézou vyslovil předpoklad, že záření vydávané a pohlcované jednotlivými atomy zahřátého tělesa nemůže mít libovolnou energii, ale vždy je vyzařováno nebo pohlcováno v určitých dávkách energie, kterým dal jméno kvanta

ε = h.f Energie kvanta záření závisí na frekvenci záření podle vztahu: h – Planckova konstanta f – frekvence záření h = 6,626.10-34 J.s Závěr – energie elektromagnetického záření se nevyzařuje, nešíří a nepohlcuje spojitě, ale po kvantech

FOTOELEKTRICKÝ JEV

Fotoelektrický jev Vnější – dochází k emisi elektronů z povrchu kovu Vnitřní – elektrony se uvolňují v látce ( polovodiči ), zvyšuje se vodivost

Stručný přehled historie fotoelektrického jevu 1888 Hertz objev jevu 1887 → Hallwachs systematické studium jevu; Stoletov ozařují: Zn, Na, K, Rb, … zjišťují vybíjení/nabíjení izolovaných vodičů, detekují fotoproud 1899 Thomson objev podstaty jevu; uvolňování elektronů z povrchu ozařovaného vodiče 1902 Lenard experimentální studium kinetické energie fotoelektronů

Heinrich Hertz Wilhelm Hallwachs Alexandr Stoletov

Hertzův experiment, který vedl k objevu fotoelektrického jevu.

1905 Einstein výklad jevu na základě předpokladu existence světelných kvant 1906 Millikan experimentální studium kinetické energie fotoelektronů s cílem vyvrátit Einsteinův výklad 1914 – 16 Millikan experimentální potvrzení Einsteinova předpokladu

Přestože Hallwachs a Stoletov – nezávisle na sobě – detailně prozkoumali základní vlastnosti fotoelektrického jevu, nikdo z nich se jej nepokusil fyzikálně vyložit. Rozhodující krok k nalezení jeho podstaty učinil roku 1899 Joseph John Thomson (1856–1940), který experimentálně identifikoval v nositelích záporného náboje unikajících z ozařovaného kovového vzorku elektrony, které sám – o dva roky dříve – objevil. Základní komentář fyzikální interpretace fotoelektrického jevu se opírá o jednoduchou představu skokové změny potenciální energie elektronu na rozhraní mezi kovem a vnějším prostředím.

Joseph John Thomson

Pokusy s vyčerpanými trubicemi – experimentální uspořádání

Philipp Lenard Schéma Lenardova experimentálního uspořádání

Snaha o klasický výklad

Zákonitosti Pro každý kov existuje 1) mezní frekvence f0 , při níž dochází k fotoemisi. Je-li f < f0 , k fotoelektrickému jevu nedochází. Je-li f>f0 emise elektronů nastane okamžitě i při malé intenzitě záření 2) Nastane-li fotoelektrický jev, pak elektrický proud (počet emitovaných elektronů) je přímo úměrný intenzitě dopadajícího záření. 3)  Kinetická energie ( rychlost ) emitovaných elektronů je přímo úměrná frekvenci dopadajícího záření, závisí na materiálu katody a nezávisí na intenzitě dopadajícího záření.

1905 – Albert Einstein – výklad fotoelektrického jevu Při fotoelektrickém jevu každé kvantum záření předá svou energii právě jednomu elektronu, který ji využije k uvolnění z kovu (výstupní práce WO) a na zvýšení své kinetické energie Ek Energie kvanta záření - fotonu

Fotoelektrický jev prokázal, že světelná kvanta mají energii, jejíž velikost závisí na frekvenci záření. Mají fotony hmotnost ? Mají fotony hybnost ? Odpověď na tyto otázky dá částečně teorie relativity a hlavně Comptonův jev.

Rozptyl fotonů na elektronech COMPTONŮV JEV Rozptyl fotonů na elektronech V roce 1922 prováděl pokusy s rozptylem rentgenového záření na elektronech. ( Rentgenové záření nechal procházet přes uhlíkovou destičku ). Arthur Holly COMPTON (1892 – 1962)

Animace Comptonova rozptylu

Detektor zachytil elmg. záření původní vlnové délky, ale i větší!!! Velikost závisí jen na pozorovacím úhlu , ne na materiálu a původní vlnové délce . Experimentální výsledky

Šikovnější studenti si jistě snadno propočtou následující řešení.

Závěr : - Comptonův jev prokazuje, že fotony mají nejen energii, ale také hybnost. - u Comptonova jevu foton předá část své energie, ale existuje dál (rozptýlený foton má menší frekvenci – větší vlnovou délku), kdežto při fotoelektrickém jevu zanikne - bez použití zákona o zachování hybnosti by nebylo možné jev vysvětlit. - rozptyl je pozorován u RTG záření a ne u světla. Proč? RTG záření má malou vlnovou délku a její změna Δλ je srovnatelná s vlnovou délkou. - Světlo má velkou vlnovou délku a její změna Δλ je nepozorovatelná.