Dualizm korpuskularno-falowy



Dualizm korpuskularno-falowy

      Wiele zjawisk przemawia za tym, że fale elektromagnetyczne posiadają własności cząstek. Polegają one na tym, że przy oddziaływaniu z materią zachowują się tak, jakby posiadały pęd i energię, przy czym energia ta jest skwantowana. Kwantowanie energii polega na tym, że fala traci lub zyskuje energię będącą zawsze całkowitą krotnością pewnej elementarnej porcji, zwanej kwantem. Tę elementarną porcję fali nazywa się fotonem. Foton często traktuje się jak normalną cząstkę.
      Również inne rodzaje fal zachowują się podobnie, chociaż to podobieństwo ma pewne ograniczenia. Powodują one, że kwanty tych fal nazywa się quasi-cząstkami (prawie cząstkami). Należą do nich fale sprężyste w ciałach stałych (ich kwanty to fonony), fale magnetyzacji w ciałach ferromagnetycznych (magnony), fale gęstości ładunku (polarony) i inne.
      Istnieją też zjawiska odwrotne, gdy cząstki materialne zachowują się jak fale. Dotyczy to głównie najmniejszych cząstek materii: elektronów, nukleonów i innych. Cząstki takie mogą ulegać dyfrakcji i interferencji, a więc zjawiskom specyficznym dla fal. Falowa natura elektronów jest odpowiedzialna za budowę atomu i cząsteczki.

Foton

      W przeciwieństwie do cząstek materialnych foton nie jest zlokalizowany. Można go sobie wyobrażać jako fragment fali, ale nie jest to niczym uzasadnione.
      Energia E fotonu fali monochromatycznej jest proporcjonalna do jej częstotliwości f, przy czym współczynnik proporcjonalności nazywa się stałą Plancka h:

      E = hf .

Wartość stałej Plancka jest bardzo mała:

      h = 6,625 . 10-34  J. S

i dlatego energia pojedynczego fotonu jest znikoma. Dlatego ziarnistość fal elektromagnetycznych jest w normalnych warunkach nie do zaobserwowania).
Energię fotonu można też wyrazić przez długość fali l:

      E =            (c - prędkość światła w próżni).

Przykładowe wartości energii fotonu dla różnych fal:

fale radiowe
światło widzialne
promienie Röntgena
promienie gamma
E ť 10-21
E ť 10-19 J
E ť 10-17 J
E ť 10-15 J

      Pęd p fotonu jest odwrotnie proporcjonalny do dlugości fali:

      p=

      Związek między energią i pędem:

      E = pc

ma charakter liniowy (dla cząstek materialnych E = p2/2m, czyli związek kwadratowy).


      Zjawisko Comptona

      Podczas rozpraszania fal elektromagnetycznych na elektronach swobodnych (uwolnionych przez promieniowanie od atomów) obserwuje się zmianę (wzrost) długości fali promieniowania. Wyjaśnienie tego faktu jest bardzo proste, gdy rozważy się proces zderzenia dwóch ciał: fotonu i elektronu. W procesie tym zachowana jest energia i obie składowe pędu.

Długość fali rozproszonej l' jest mniejsza od długości fali przed zderzeniem (l) o wartość:

      Dl = l' - l =(1 - cos j).

We wzorze tym m oznacza masę elektronu, j - kąt rozproszenia.
      P r z y k ł a d.   Rozpatrzmy rozpraszanie promieni Röntgena o długości 7 . 10-11 m, których częstotliwość wynosi ok. 4 . 1018 Hz. Jeśli kąt rozproszenia wynosi 90o, to zmiana długości fali wynosi Dl = 0,24 . 10-11 m. Zmiana energii fotonu wynosi ok. 9 . 10-17 J, blisko 500 razy więcej od energii wiązania elektronu w atomie. Dlatego taki elektron jest - dla promieni rentgenowskich - elektronem prawie swobodnym.


Zjawisko fotoelektryczne

      Zjawisko fotoelektryczne polega na uwalnianiu elektronów z różnych materiałów pod wpływem oświetlenia ich powierzchni promieniowaniem o odpowiedniej długości fali (zazwyczaj ultrafioletowym, w skrócie: UV).       Uwolniony elektron może pozostać we wnętrzu materiału lub też być wyrzucony ba zewnątrz. W związku z tym  rozróżniamy dwa efekty fotoelektryczne: wewnętrzny i zewnętrzny. Wewnętrzny obserwuje się głównie w półprzewodnikach, a jego przejawem jest zmiana oporu elektrycznego i pojawienie się dodatkowego prądu elektrycznego. Efekt zewnętrzny obserwuje się zwykle przy oświetlaniu powierzchni metalicznych.
      Wyrzucenie elektronu na zewnątrz wymaga pokonania sił powierzchniowych, na którą zużyta zostaje część energii elektronu. Praca związana z barierą powierzchniową nazywa się pracą wyjścia; oznaczamy ją symbolem W  (lub j). Wartości tej wielkości podawane są zwykle w elektronowoltach (eV). Jeden elektronowolt jest energia, jaką nabywa elektron po przebyciu różnicy potencjałów równej 1 V. Zgodnie z tym,

      1 eV = 1,6 . 10-19  J.

Przykładowe wartości pracy wyjścia z różnych metali podane są w tabelce.
nikiel
złoto
aluminium
sód
cez
5,01 eV
4,82 eV
4,08 eV
2,28 eV
1,98 eV

      Proces fotoelektryczny zachodzi zgodnie z zasadą zachowania energii. Energia fotonu (hj lub hc/l) zamienia się w pracę W oraz energię kinetyczną elektronu:

       = W + .

W przeciwieństwie do zjawiska Comptona, w procesie fotoelektrycznym uczestniczy jeden foton, który w całości absorbowany jest przez elektron.
      Prędkość elektronu jest tym mniejsza, im większa jest długość fali. Osiąga ona wartość zerową dla pewnej granicznej wartości l0, która spełnia równanie:

Dodaj do swoich materiałów
Morze możliwości
na edukator.pl
Narzędzia, zasoby, komunikacja, współpraca. Zarejestruj się. Twórz, gromadź zasoby i dziel się nimi.
Morze możliwości na edukator.pl