Kvantoptika Fotoefekt H Hertz R A Millikan A

Kvantoptika Fotoefekt ( H. Hertz, R. A. Millikan, A. Einstein) Metall: Vabad elektronid on potentsiaaliaugus. Valgus on laine metall A vaakum A on väljumistöö s. o. energia, mis tuleb elektronile anda tema viimiseks vaakumi. mv 2/2 Energiat mõõdetakse elektrovoltides: 1 e. V = 1, 6 10 -19 J Lainemudel. Fotoefekt ei sõltu valguse lainepikkusest Elektroni kin. energia peab olema võrdeline valguse intensiivsusega Fotoefekt on inertne

K U – anoodi potentsiaal katoodi suhtes i A i U 2 U 0 Eksperiment: Maks. kin. energia ei sõltu valguse intensiivsusest Fotoefekt eksisteerib vaid lp-st lühematel lainepikkustel Fotoefekt on silmapilkne I 2 > I 1 l < lmax 1 l > lmax U Voolu tekitavad vaid need elektronid, mille kin. energia U 0 n 0 =c/lmax n 0 n Valgust kiiratakse (ja neelatakse) kvantide (footonite) kaupa h = 6, 62 10 -34 Js E = hn = A+ mv 2/2 lmax = hc/A

Fotoefekti kasutamine Footon Fotokatood Dinoodid Anood Elektron 1. 2. Fotokordisti võib lugeda üksikuid footoneid Fotokordisti võimendus võib olla kuni 108 3. Fotokordistite ajaline lahutus 10 -12 s. 4. Fotokordistid töötavad laias lainepikkuste vahemikus (120 -1700 nm) A Pingejagur Pingeallikas Tööpõhimõte: fotoefekt + elektronide sekundaaremissioon Pooljuhtmaterjalidest fotokatoodid

Kiirguse teke Aatom Energeetiline esitus: Ruumis: E E 3 E 2 E 1 Üleminekud ühelt energianivoolt teisele võivad olla kiirguslikud

Kiirgumise mehhanism E 2, N 2 E 1, N 1 Klassika: Dipool kiirgab sumbuva laine Seisundite eluead: 2 &1 ∞ Heisenbergi määramatuse seos Sellele vastava spektri laius Kvantoptika annab sama tulemuse

Kiirgumine ja neeldumine: „kahenivooline“ aatom 1 E 2, N 2 Aja dt jooksul väheneb seisundi 2 hõive vabakiirguse (spontaanse kiirguse ) tõttu E 1, N 1 Footonite levikusuunad on suvalised Aatomid on kiirgusväljas r(n) = Nf hn (Jm-3); 2 E 2, N 2 Nf E 1, N 1 3 Nf Aja dt jooksul väheneb seisundi 2 hõive sundkiirguse (stimuleeritud kiirguse ) tõttu Footonid on identsed E 2, N 2 Aja dt jooksul kasvab seisundi 2 hõive neeldumise tõttu E 1, N 1

Kiirgustihedus r(n) termodünaamilise tasakaalu puhul Detailse tasakaalu printsiip: otseste ja pöördprotsesside kiirused on võrdsed: Termodünaamiline tasakaal Boltzmanni jaotus Ni exp(-Ei/k. T) E 2 -E 1 = hn Musta keha kiirgavus (Plancki valem) vt. Radiomeetria

Mittetasakaaluline kiirgus: NU U Pumpamine (ergastamine) A 1 Tavaliselt: kuna A 2 siis on tegemist peamiselt spontaanse kiirgusega Pumpamise tulemusena tekitatakse seisundis U hõive NU. Tinglik järelhelenduse klassifikatsioon: A 1 väike kustumine aeglane luminestsents A 1 suur kustumine kiire fluorestsents Järelhelenduse kustutamine: A 2 >>A 1

Hajumine + neeldumine + pumpamine + ? ? Tühine hajumine, neeldumine, pumpamine Oluline hajumine Neeldumine, pumpamine Pooljuhid: p-n siire LED (light emitting diode) Voolu suund 1 SILM 0, 8 0, 6 0, 4 0, 2 0 350 aukjuhtivus elektronjuhtivus 450 550 650 750 „Valge“ LED: Ga. N LED (465 nm) + Ce 3+: YAG fosfoor, (500– 700 nm)

Neeldumine ja võimendus I 0 I d. I = -a Idz I dz z d. W 2 I 1 Spontaanse kiirguse osatähtsus on väike: d. W/4 p (neeldumine) (sundkiirgus)

Termodünaamiline tasakaal: Mittetasakaaluline keskkond Boltzmanni jaotus pöördhõive Termodünaamilise tasakaalu puhul on alumises energeetilises seisundis alati rohkem aatomeid kui ülemises Neeldumine: d. I(n) < 0 Võimendus d. I(n) > 0

Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation E 4 N 2 > N 1 E 1 Võimendus: I = I 0 exp(+az) N Generaator = võimendus + positiivne tagasiside Võimsusvõimendi P 2 P 1 b Positiivne tagasiside Võimendus K=P 2/P 1 Generatsioon Kb = 1

Laser Pöördhõive I = I 0 exp(az) R 1 = 1 R 2 < 1 d z 0 P E 2, N 2 sp st E 1, N 1 Kui I , siis (N 2 -N 1) st võimendus küllastub I(z) generatsioon z

R 1 = 1 R 2 < 1 z d 0 Cd 643. 8 1 GHz 2. Generatsioon on võimalik vaid nende moodide puhul, mis on spektrijoone laiuses no-n 3. Peeglite vahel tekkiva mitmekiirelise interferentsi maksimumide laius on määratud peegelduskoefitsiendiga 4. Moodi laius on 105 ja rohkem kordi väiksem kui spektrijoone oma koherentsuse teepikkus on suur

Footon & elektromagnetlaine 1. Valgus on laine: 2. Kiirgumine ja neeldumine toimub diskreetselt - footonite kaupa. He/Ne laser, 3 m. W, l = 633 nm s-1

The world is not a clock, it is a game, a game of chance and choice: Footoni käitumine on tõenäosuslik, E 02 annab tõenäosuse, et footon satub ekraanil antud kohta. N= 100; 3000; 20000; 70000.

Habemenoa printsiip ehk: kõik üleliigne tuleb ära lõigata (ld k lex parsimoniae) William Ockham (1287 -1347) Probleemilahenduse printsiip: kui on mingit nähtust seletavad konkureerivad hüpoteesid, siis tuleb valida see, mille puhul tehakse vähim arv eeldusi. Albert Einstein Nobeli preemia 1921: for his services to Theoretical Physics and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect Max Karl Ernst Ludwig Planck Nobeli preemia 1918: in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta