KVANTOPTIKA Kvantoptika Fotoefekt 08 mai 2006 Aivar Saarela

KVANTOPTIKA Kvantoptika. Fotoefekt 08. mai 2006 © Aivar Saarela

Kvantoptika käsitleb valgust, kui FOOTONITE VOOGU See füüsika haru hakkas tekkima, kui saksa füüsik H. Herz 1887. a. uuris raadiolainete tekitamist elektrisädeme abil. Ta pani tähele et elektrisäde tekkis paremini kui elektroode valgustati. Asja edasisel uurimisel tehti kindlaks, et VALGUS VABASTAB METALLIST ELEKTRONE metall, millel on palju vabu elektrone Kui laeng puudub, siis tõmmatakse elektron tagasi Kvantoptika. Fotoefekt 08. mai 2006 Kui on positiivne laeng, siis tõmmatakse elektron tagasi © Aivar Saarela Kui on neg. laeng, siis tõukejõud “aitab” elektronil väljuda 2

FOTOEFEKT Fotoefektiks nimetatakse elektronide “väljalöömist” ainest valguse toimel Korraldame katse: Anname tsinkplaadile neg. laengu ja valgustame seda (valgustatavaks aineks tuleb valida metall, sest sellel on “vabu elektrone” Tsinkplaadi negatiivne laeng väheneb Asetame valgusvihu vahele klaasi MIS JUHTUB? Tsinkplaadi laeng enam ei muutu MIKS? Põhjus on selles, et klaas neelab suurema sagedusega (lühema lainepikkusega) valgust Siit järeldus: MITTE IGASUGUNE VALGUS EI TEKITA FOTOEFEKTI. Kvantoptika. Fotoefekt 08. mai 2006 © Aivar Saarela 3

Fotoefekt Enamike ainete puhul tekitab fotoefekti ultravalgus (violetne ja sinine) Fotoefekti ei tekita punane valgus. Siit tuleneb mõiste FOTOEFEKTI PUNAPIIR. Kui välja löödud elektron ei saa piisavat energiat tõmmatakse ta ainesse tagasi FOTOEFEKTI PUNAPIIR – suurim lainepikkus, mille puhul veel tekib fotoefekt Fotoefekti seaduspärasused: I seadus: Kiirguse poolt väljalöödud elektronide maksimaalne kineetiline energia ei sõltu kiirguse intensiivsusest vaid sõltub kiirguse sagedusest (lainepikkusest) ja elektroodi materjalist II seadus: Fotoefekti punapiir sõltub ainult elektroodi materjalist ega sõltu kiirguse intensiivsusest Kvantoptika. Fotoefekt 08. mai 2006 © Aivar Saarela 4

Fotoefekti seaduspärasusi uuris põhjalikumalt vene füüsik Aleksander Stoletov Ta valmistas järgmise katseseadme: Õhutühja ballooni on paigutatud kaks elektroodi (katood – K ja anood – A ; Katoodi ja anoodi vahelist pinget U saab muuta ja mõõta. Valguse toimel katoodist väljalöödud elektronid, mida kutsutakse fotoelektronideks, liiguvad anoodile. Tekib el. vool Tekkinud fotovoolu tugevust saame mõõta milliampermeetriga Kvantoptika. Fotoefekt 08. mai 2006 © Aivar Saarela 5

Fotoefekt Fotovoolu tugevuse sõltuvus katoodi ja anoodi vahelisest pingest Graafikult loeme, et teatud pinge väärtuseni voolutugevus kasvab, siis tekib nn. KÜLLASTUSVOOL (kõik väljalöödud elektronid jõuavad anoodile. Edasi saab voolutugevust tõsta ainult rohkemate elektronide väljalöömisega (peame tõstma valguse intensiivsust e. suurendama footonite arvu Fotoefekti III seadus: Kvantoptika. Fotoefekt Küllastusvool on võrdeline elektroodile langeva valgusvooga 08. mai 2006 © Aivar Saarela 6

Fotoefekti teooria Fotoefekti ei saa seletada valguse laineteooria järgi. Kui valgust käsitleda elektro-magnetlainetusena, siis u. 1 h suudaks elmagnetlainest elektroni “välja kiigutada” Mõõtmised aga näitavad, et valgusel kulub elektroni välja löömiseks 10 -9 s. Fotoefektile andis seletuse A. Einstein 1905. a. Ta täiendas Planki kvanthüpoteesi: valgus ei kiirgu aatomeist lainena, vaid energia portsjonite (kvantide e. footonite) kaupa Einstein väitis: valguskvant saab neelduda ainult tervikuna (kui elektron neelab footoni, siis tema energia suureneb täpselt h*f võrra) Fotoefekti teooria loomise eest sai Einstein 1921. a. Nobeli füüsika preemia Kvantoptika. Fotoefekt 08. mai 2006 © Aivar Saarela 7

Fotoefekti teooria Ainele langev footon peab fotoefekti tekitamiseks tegema tööd (positiivsete ioonide tõmbejõudude ületamiseks. Seda tööd nim. VÄLJUMISTÖÖKS Väljumistöö on alati võrdne vähima energiahulgaga, mis on vajalik elektroni ainest välja viimiseks, Et elektron aine pinnalt eemalduks on vaja (lisaks väljumistööle) anda elektronile ka kineetiline energia mv 2/2 Kvantoptika. Fotoefekt 08. mai 2006 © Aivar Saarela 8

Fotoefekti teooria Energia jäävuse seaduse kohaselt kulub footoni energia: kus A – väljumistöö; m – elektronimass; footoni energia v – elektroni liikumiskiirus h*f A+mv 2/2 h*f = A + mv 2/2 Einsteini valem fotoefekti kohta Saame järeldada: - Iga footon suudab vabastada ühe elektroni (väljalöödud elektronide arv sõltub valguse intensiivsusest). - Valguse intensiivsus määrab fotovoolu tugevuse - Vabanenud elektroni kiiruse määravad valguse sagedus (lainepikkus) ja väljumistöö Kvantoptika. Fotoefekt 08. mai 2006 © Aivar Saarela 9

Fotoefekti teooria Fotoefekt saab toimuda ainult juhul, kui hf > A (ainult sellisel juhul jagub energiat elektronile kineetiliseenergia andmiseks) Kui tekib olukord, kus hf = A nimetatakse seda FOTOEFEKTI PUNAPIIRIKS Siit avaldub punapiir fp = A/h Kvantoptika. Fotoefekt 08. mai 2006 © Aivar Saarela 10

Fotoefekti teooria Väljumistöö oleneb ainest, ainest sellepärast ongi punapiir erinevatel aintel erinev. Tbl 13. 1 Ainete väljumistööd ja punapiirile vastavad lainepikkused Näide: Leida, millise kiiruse omandab naatriumist ultravalguse (l=300 nm) toimel väljalöödud elektron. Antud: Lahendus: l=300 nm=3*10 -7 m Fotoelektroni kiiruse leidmiseks kasutame Einsteini valemit: h*f = A + mv 2/2 h= 6, 6*10 -34 J*s c= 3* 108 m/s Valguse sageduse saame valemist: l = c/f >>> f = c/ l Ana= 3, 7*10 -19 J Asendame sageduse arvutamise valemi Einsteini valemisse h * c/l = A + mv 2/2 melektron= 9, 1*10 -31 kg E= ? Kvantoptika. Fotoefekt Paneme andmed asemele ja arvutame footoni energia ( Vastus: 0, 8 * 106 ms). 08. mai 2006 © Aivar Saarela 11

Lõpp Kvantoptika. Fotoefekt 08. mai 2006 © Aivar Saarela 12