background image

Efekt fotoelektryczny

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Q = 0

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

E

Dr Jan Szatkowski

1

Aby  elektron mógł opuścić metal należy dostarczyć mu pewną 
minimalną wartość energii którą nazywamy pracą wyjścia
Energia ta może być uzyskana np. poprzez absorpcję energii  fali 
elektromagnetycznej. Dla większości metali wartość pracy 
wyjścia jest bliska 4 eV. 

Efekt fotoelektryczny

stała częstotliwość fali

Stałe natężenie oświetlenia

Potencjał hamujący

Dr Jan Szatkowski

2

Efekt fotoelektryczny

• Właściwości fotoefektu

– Elektrony emitowane są jedynie pod wpływem „oświetlenia” 

falą o częstotliwości większej od pewnej minimalnej zwanej 

częstotliwością  progową

fotoefektu (

ν

gr

), 

a odpowiadającajej 

długość fali 

progową długością fali (długofalową granicą)

– Dla f > f natężenie fotoprądu jest proporcjonalne do wartości 

gr

gr

c

λ

ν

=

Dr Jan Szatkowski

3

– Dla f > f

gr 

natężenie fotoprądu jest proporcjonalne do wartości 

strumienia padającej fali (natężenia oświetlenia katody )

– Elektrony emitowane są natychmiast

Efekt fotoelektryczny -

wyjaśnienie

Założenie Einsteina:

Fala elektromagnetyczna o częstotliwości 

ν  

jest 

strumieniem cząstek ( 

fotonów

) o energii E=h

ν 

, każdy. 

max

k

E

A

h

,

+

=

ν

Dr Jan Szatkowski

4

Wyjaśnienie:

W wyniku  absorpcji fotonu  przez elektron uzyskuje on energię 

E=h

ν

. Jeżeli

energia ta jest większa od pracy wyjścia 

A

, elektron może opuścić powierzchnię

katody i w układzie płynie fotoprąd. 

Różnicę energii pomiędzy energią fotonu a pracą wyjścia elektron unosi w 
postaci jego energii kinetycznej. 

background image

Efekt fotoelektryczny -

wyjaśnienie

Wyjaśnienie:

Wraz ze wzrostem  natężenia oświetlenia powierzchni katody  ( tzn. wzrostem 

ilości fotonów padających w jednostce czasu na jednostkę powierzchni katody) 
rośnie ilość elektronów emitowanych z powierzchni, a tym samym wartość 

max

k

E

A

h

,

+

=

ν

Dr Jan Szatkowski

5

rośnie ilość elektronów emitowanych z powierzchni, a tym samym wartość 
fotoprądu nasycenia.  

Efekt fotoelektryczny

max

k

E

A

h

,

+

=

ν

Dr Jan Szatkowski

6

Im większa jest częstość tym większa jest wartość potencjału hamującego

A C

e V

h

A

ν

=

Efekt Comptona

Dr Jan Szatkowski

7

Efektem Comptona  nazywamy zmianę długości fali 
elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na 
swobodnych elektronach

Efekt Comptona - wyjaśnienie

• Zderzenia fotonów o pędzie p

i

i energii E=hc/

λ

i

ze spoczywającymi elektronami. 

Dr Jan Szatkowski

8

i

i

• Elektron uzyskuje pęd p

e

, a pęd fotonu zmienia się do wartości p

s

• Długość  rozpraszanej fali elektromagnetycznej zwiększa się do wartości 

λ

s

=h/p

s

2

2 2

2

e

e

e

i

s

hc

hc

m c

c m c

p

λ

λ

+

=

+

+

2 2

2

2

e

e

e

i

s

hc

hc

c m c

p

m c

λ

λ

=

+

s

i

λ

λ

>

background image

Efekt Comptona - wyjaśnienie

λ

Dr Jan Szatkowski

9

• Zderzenia fotonów o pędzie p

i

i energii E=hc/

λ

i

ze spoczywającymi elektronami. 

• Elektron uzyskuje pęd p

e

, a pęd fotonu maleje do wartości p

s

• Długość  rozpraszanej fali elektromagnetycznej zwiększa się do wartości 

λ

s

=h/p

s

• Kierunek propagacji  fali ulega zmianie o kąt 

φ

. Zmiana długości fali  jest tym 

większa , im większy jest kąt rozproszenia. Zależność zmiany długości fali od kąta 
rozpraszania wyznaczyć można wykorzystując prawa zachowania pędu i energii.

2

2

2

2

e

e

s

e

i

e

s

i

p

c

m

c

h

c

m

h

oraz

p

p

p

+

+

=

+

+

=

ν

ν

(1 cos )

s

i

e

h

m c

λ λ

θ

− =

Efekt Comptona - wyjaśnienie

h

Dr Jan Szatkowski

10

C

  (dlugosć

0.0024

 fali Compton'a )

26 nm

e

h

m c

=

λλλλ

Fale materii

Dualizm falowo-cząstkowy fali elektromagnetycznej.

W zjawiskach takich jak dyfrakcja czy interferencja fala elektromagnetyczna 

wykazuje typowe własności falowe. 

W  zjawiskach takich jak efekt Comptona czy efekt fotoelektryczny  fala 

elektromagnetyczna  wykazuje  naturę korpuskularną,  tzn. jest strumieniem 
cząstek zwanych fotonami

Hipoteza de Broglie'a

.

Hipoteza de Broglie'a

.

W 1924 roku L. de Broglie założył,  że dualizm  cząstkowo - falowy jest 

własnością charakterystyczną nie tylko dla fali elektromagnetycznej, ale 
również dla cząstek o masie spoczynkowej różnej od zera .Oznacza to, że 
cząstki takie jak np. elektrony  powinny również wykazywać własności 
falowe. Fale te nazwał on 

falami materii.

Założył, że długość fal materii 

określona jest tym samym związkiem, który stosuje się do fotonów. 

p

h

=

λ

n

Masa = 9.11 x 10

-31 

kg

prędkość = 10

6

m / s

Fale materii

Elektron

34

10

31

6

6 63 10

Joula s

7.28 10

m

(9.11 10

 kg)(10  m/s)

.

×

=

=

×

×

λλλλ

m

10

63

6

m/sec)

 

kg)(1

 

(1

sec

Joules

10

63

6

34

34

×

=

×

=

.

.

λλλλ

Piłka

n

Masa = 1 kg

prędkość = 1 m / s

background image

d

Ni

=0.215nm

m

p

eV

ba

2

2

=

Doświadczenie C.J.Davissona i L.G.Germera

Z dyfrakcji

nm

165

.

0

sin

=

=

θ

λ

d

Wzór de Broglie

nm

167

.

0

2

=

=

=

ba

meV

h

p

h

λ

Dyfrakcja na polikrystalicznej folii aluminiowej

Dyfrakcja elektronów

Dyfrakcja 
promieniowania X

Zasada komplementarności 

Fotony czy też elektrony oraz obiekty mikroświata w jednych zjawiskach
mogą zachowywać się jak fala, a w innych jak cząstka tzn. wykazują
zarówno własności falowe jak i korpuskularne. Obie te cechy uzupełniają
się wzajemnie , dając pełny opis danego obiektu.

Jaka jest długość fali 50 kg worka poruszającego się z prędkością 
100 m/s?

!

!

10

2

.

1

/

100

50

10

62

.

6

33

34

=

s

kgm

Js

λ

Długość fali elektronu poruszającego się z prędkością 100 m/s

7.1• 10

-6

m

Funkcja falowa

Zgodnie z hipotez

ą

de Broglie'a, cz

ą

stki takie jak elektron czy proton,

maj

ą

własno

ś

ci falowe.

Własno

ś

ci

falowe

cz

ą

stki

(lub

innego

obiektu)

w

mechanice

kwantowej opisuje tzw.

funkcja falowa

Ψ

(x,t)

:

zawiera w sobie wszystkie informacje o obiekcie (np. cz

ą

stce)

w ogólnym przypadku jest to funkcja zespolona współrz

ę

dnych

przestrzennych oraz czasu

przestrzennych oraz czasu

musi by

ć

 funkcj

ą

 ci

ą

ą

 , a tak

ż

e musi mie

ć

 ci

ą

ą

 pochodn

ą

Kwadrat modułu funkcji falowej 

jest g

ę

sto

ś

ci

ą

 prawdopodobie

ń

stwa znalezienia cz

ą

stki w chwili t

w pewnym punkcie przestrzeni

ψ

ψ

ψ

*

2

=

=

Ψ

Ψ

=

V

dV

V

p

1

2

2

background image

Równanie Schroedingera

Funkcj

ę

 falow

ą

,

Ψ

dla danej cz

ą

stki, lub bardziej zło

ż

onego układu 

fizycznego, otrzymujemy rozwi

ą

zuj

ą

c równanie ró

ż

niczkowe 

nazywane równaniem Schroedingera. Je

ż

eli energia potencjalna 

cz

ą

stki U nie zale

ż

y od czasu, to równanie Schroedingera jest 

równaniem niezale

ż

nym od czasu i nazywa si

ę

 

stacjonarnym 

równaniem Schroedingera

2

2

d

Ψ

)

(

)

(

)

(

2

2

2

2

x

E

x

x

U

dx

d

m

Ψ

=

Ψ

+

Ψ

Cząstka swobodna

Cząstka swobodna - na cząstkę nie działają żadne pola. 

Energia potencjalna cząstki U(x)=0.

)

(

2

2

2

2

x

E

dx

d

m

Ψ

=

Ψ

Szukamy rozwiązania w postaci 

Ψ

(x)=A sin(kx)

2

2

(

) sin(

)

sin(

)

A

k

kx

EA

kx

=

(

) sin(

)

sin(

)

2

A

k

kx

EA

kx

m

=

Funkcja 

Ψ

(x)=A sin(kx)

będzie rozwiązaniem gdy:

m

k

E

2

2

2

=

2

2

sin(

)

sin(

)

2

k A

kx

E A

kx

m

=

Cząstka swobodna - paczka falowa

=

Ψ

0

2

sin

)

(

)

(

λ

λ

π

λ

d

x

A

x

Cząstka -
makroświat

Cząstka -
mikroświat

background image

Zasada nieoznaczoności

Fizyka klasyczna

– dokładność pomiaru jest zdeterminowana jedynie jakością aparatury 

pomiarowej

– Nie ma teoretycznych ograniczeń na dokładność z jaką mogą być 

wykonane pomiary

Mechanika kwantowa

– Obowiązuje 

zasada nieoznaczoności

pewnych wielkości fizycznych 

nie można zmierzyć równocześnie z dowolną dokładnością 

Zasada nieoznaczono

ś

ci dla równoczesnego pomiaru p

ę

du i poło

ż

enia:

2

/

x

p

x

Przykład

. Pęd poruszającego się z prędkością v=5000m/s elektronu zmierzono 

z dokładnością 

±

0.003%. Z jaką maksymalną dokładnością można było 

wyznaczyć położenie tego elektronu?

mm

p

x

3

10

84

.

3

2

=

Zasada nieoznaczoności - interpretacja

Proces pomiaru zaburza stan układu

• Piłka o masie m=0.1kg  porusza się z prędkością 

v= 40 m/s

• Jej pęd p= 0.1 x 40kg = 4 kg m/s

Zasada nieoznaczoności

2

/

x

p

x

• Pęd zmierzono z dokładnością do 0.01%

∆∆∆∆

= 0.01 = 4 x 10

-4

kg m/s

• Dokładność wyznaczenia położenia:

31

1.3 10

2

x

m

p

∆ ≥

=

×

Zasada nieoznaczoności dla równoczesnego pomiaru energii i 
czasu:

2

/

τ

E

Zasada nieoznaczoności energii

Przykład:

Czas przebywania atomu sodu

Przykład:

Czas przebywania atomu sodu

w

stanie

wzbudzonym

zmierzono

z

dokładnością

t=1.6

10

-8

s. Z jaką

maksymalną dokładnością można było
wyznaczyć wartość energii tego stanu?

eV

t

h

E

8

10

2

2

background image

Cząstka w studni potencjału

1. Przypadek klasyczny

Znajdująca się w głębokiej studni
piłka może posiadać

dowolną

ener-gię

kinetyczną.

W

szczególnym

przypadku

gdy

znajduje się

w spoczynku na dnie

znajduje się

w spoczynku na dnie

studni

posiada

energię

całkowitą

równą

zeru

.

Cząstka w studni potencjału

2. Przypadek kwantowy

Energia potencjalna

−∞

=

)

,

0

(

0

)

,

(

)

0

,

(

)

(

L

x

dla

L

x

dla

x

U

Warunki brzegowe:

0

)

(

)

0

(

2

2

=

Ψ

=

Ψ

L

Równanie Schroedingera:

Ψ

=

Ψ

E

dx

d

m

2

2

2

2

Cząstka w studni potencjału

W obszarze studni                     cząstka jest cząstką swobodną. 
Szukamy wiec rozwiązania w postaci 

Ψ

(x)=A sin( kx

)

.                   

)

,

0

L

x

Warunku brzegowy dla x=0 :

spełniony  jest jedynie gdy 

α

=0

.                                        

[

]

0

)

0

sin(

)

0

(

2

2

2

=

+

=

Ψ

α

k

A

Warunku brzegowy dla x= L :

[

]

0

)

sin(

)

(

2

2

2

=

=

Ψ

L

k

A

L

Warunku brzegowy dla x= L :

spełniony  jest jedynie gdy 

kL=n

π

.                                        

[

]

0

)

sin(

)

(

2

2

2

=

=

Ψ

L

k

A

L

L

n

k

π

=

oraz

m

k

E

2

2

2

=

skąd

2

2

2

2

2

n

mL

E

π

=

= 0, 1, 2, 3, ...

Cząstka w studni potencjału -wnioski

Pytanie: 

czy może być równe zeru?

Dla n=0 energia k=0 oraz 

Ψ

(x)=A sin(0 • x)0. Oznacza to, 

ż

e prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w tym obszarze                  

0

)

(

2

=

Ψ

x

x

Wniosek: najmniejsza wartość n=1. Cząstka musi mieć 
energię różną od zera. Najmniejsza energia:

2

2

2

2

1

1

2mL

E

π

=

background image

Cząstka w studni potencjału -wnioski

2

2

2

2

2

n

mL

E

π

=

= 1, 2, 3, ...

gdzie

W nieskończonej studni potencjału energia cząstki może przyjmować 
tylko pewne ściśle określone, różne od zera wartości:

Cząstka w studni potencjału -wnioski

Funkcja falowa :

)

sin(

2

x

L

n

L

n

π

=

Ψ

Wewnątrz studni powstaje fala stojąca materii z 
węzłami na brzegach studni.

Cząstka w studni potencjału -wnioski

Przykład 1

Pyłek o masie 1 g  w studni o szerokości 1 cm

a) minimalna  energia 

eV

J

m

kg

s

J

mL

h

E

39

58

2

6

2

34

2

2

1

10

43

.

3

10

49

.

5

10

10

8

)

10

63

.

6

(

8

=

=

=

=

b) nr poziomu gdy porusza się z prędkością 3cm/s

23

1

1

2

10

2

10

05

.

9

/

10

5

.

4

2

1

=

=

=

=

=

E

E

n

E

n

E

J

mv

E

n

n

n

eV

E

n

E

E

n

n

15

1

1

10

2

.

6

)

1

2

(

+

+

=

Cząstka w studni potencjału -wnioski

Przykład 2

Elektron o masie 9.11x10

-31

g  w studni o szerokości 0.2 nm.

a) minimalna  energia 

eV

J

m

kg

s

J

mL

h

E

42

.

9

10

51

.

1

)

10

2

(

)

10

11

.

9

(

8

)

10

63

.

6

(

8

18

10

34

2

34

2

2

1

=

=

=

=

m

kg

mL

)

10

2

(

)

10

11

.

9

(

8

8

b) poziomy drugi i trzeci

eV

E

E

eV

E

E

8

.

84

9

7

.

37

4

1

3

1

2

=

=

=

=

eV

E

E

28

.

28

1

2

=

background image

Kwantowanie energii

• Energia dowolnego obiektu jest skwanowana. Obiekt

znajduje się na jednym z dozwolonych poziomów 
energetycznych

• Zmiana energii układu może odbywać się wyłącznie 

porcjami -

kwantami

W makroświecie odległość pomiędzy najbliższymi

poziomami energetycznymi jest niemierzalnie mała

Molekuła dwuatomowa - H

2

Molekuła H

2

emituje falę EM z 

zakresu podczerwieni o długości fali 

zakresu podczerwieni o długości fali 
w pobliżu 2300 nm.

eV

E

eV

E

vib

54

.

0

27

.

0

2

1

0

=

=

=

ω

Kwantowanie energii - oscylator harmoniczny

Energia potencjalna oscylatora harmonicznego:

2

2

2

1

)

(

x

m

x

U

ω

=

Równanie Schroedingera dla oscylatora :

Ψ

=

Ψ

+

Ψ

E

x

m

d

2

2

2

2

ω

Ψ

=

Ψ

+

E

dx

m

2

2

2

Funkcje falowe 

Ψ

będące rozwiązaniem tego równania muszą być 

ciągłe i posiadać ciągłe pierwsze pochodne. Takie rozwiązania istnieją 
wyłącznie wtedy gdy energia całkowita oscylatora  posiada jedną z 
wartości: 

....

,

3

,

2

,

1

)

2

1

(

=

+

=

n

gdzie

n

E

n

ω