ZÁŘENÍ ČERNÉHO TĚLESA

ZÁŘENÍ ČERNÉHO TĚLESA

záření černého tělesa - animace

tepelné záření

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 rosteúměrně 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

Energie kvanta záření závisí na frekvenci záření podle vztahu:

ε = h.f h – Planckova konstanta

h = 6,626.10-34 J.s

Závěr – energie elektromagnetického záření se nevyzařuje, nešíří a nepohlcuje spojitě, ale po kvantech

f – frekvence záření

FOTOELEKTRICKÝ JEV

Fotoelektrický jev Vnější – dochází k emisi elektronů z povrchu kovu

Vnitřní – elektrony se uvolňujív 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

Alexandr Stoletov

Wilhelm Hallwachs

Hertzův experiment, který vedl k objevu fotoelektrického jevu.

1905 Einstein výklad jevu na základě předpokladuexistence 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 prozkoumalizákladní vlastnosti fotoelektrického jevu, nikdo z nich sejej nepokusil fyzikálně vyložit. Rozhodující krok k nalezení jehopodstaty učinil roku 1899 Joseph John Thomson (1856–1940), kterýexperimentálně identifikoval v nositelích záporného náboje unikajícíchz ozařovaného kovového vzorku elektrony, které sám – o dvaroky dříve – objevil.Základní komentář fyzikální interpretace fotoelektrického jevu seopírá o jednoduchou představu skokové změny potenciální energieelektronu na rozhraní mezi kovem a vnějším prostředím.

Joseph John Thomson

Pokusy s vyčerpanými trubicemi – experimentální uspořádání

Schéma Lenardova experimentálního uspořádáníPhilipp Lenard

Snaha o klasický výklad

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

Zákonitosti

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 uvolněníz kovu (výstupní práce WO) a na zvýšení své kinetické energie Ek

c

hhfE 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.

c

hhfE

c

h

c

hf

c

Em

22

h

mcp

COMPTONŮV JEV

Rozptyl fotonů na elektronech

Arthur Holly COMPTON

V roce 1922 prováděl pokusy s rozptylem rentgenového záření na elektronech.( Rentgenové záření nechal procházet přes

uhlíkovou destičku ).

(1892 – 1962)

ANIMACE

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.