Mszaki fizika alapjai A fny rszecsketermszete Az anyaghullmok

Műszaki fizika alapjai A fény részecsketermészete Az anyaghullámok Dr. Giczi Ferenc Széchenyi István Egyetem, Fizika és Kémia Tanszék Győr, Egyetem tér 1. 1

Hőmérsékleti sugárzás Tapasztalatok: 1. Az anyag melegítés hatására izzani kezd, miközben EM sugárzást bocsát a környezetbe. 2. A sugárzás erőssége a test hőmérsékletével igen erősen nő. Emisszió képesség (e): felületegységről 1 s alatt egységnyi térszögbe kisugárzott energia 2

Hőmérsékleti sugárzás Abszorpció képesség (a): a testre eső sugárzási energiának az a törtrésze, amelyet a test elnyel. Áteresztő képesség (d) Reflektáló képesség (r) a+d+r=1 3

Az abszolút fekete test megvalósítása Azt a testet, amely a ráeső bármely hullámhosszúságú sugárzást teljesen elnyeli (a=1), abszolút fekete testnek nevezzük. Az abszolút fekete test sugárzásának forrásául állandó hőmérsékleten tartható, rendszerint elektromosan izzított üreg nyílását használják. 4

Az abszolút fekete test sugárzásának törvényei Spektrális intenzitás ( ) az I intenzitás frekvencia szerinti eloszlása. Wien-féle eltolódási törvény Az abszolút fekete test maximális emisszió képességéhez tartozó hullámhossz az abszolút hőmérséklettel fordítva arányos. 5

A látható fény színképtartománya 6

Feladat Határozzuk meg a Nap felszíni hőmérsékletét, ha a Napot abszolút fekete testnek tekintjük, és ha tudjuk, hogy a Nap színképében a maximális intenzitáshoz tartozó hullámhossz λm = 5· 10 -5 cm. 7

Az abszolút fekete test sugárzásának törvényei Stefan-Boltzmann törvény Az abszolút fekete test sugárzásának intenzitása a test abszolút hőmérsékletének negyedik hatványával arányos. 8

Feladat Határozzuk meg a napsugarakra merőlegesen elhelyezett fekete lemez hőmérsékletét, ha az csak hősugárzással veszíthet energiát. A Napról érkező sugárzás intenzitása IN = 0, 1396 J/cm 2 ·s. 9

A Planck-féle sugárzási törvény HIPOTÉZIS: HIPOTÉZIS Az EM sugárzás energiája nem folytonosan nyelődik el. 10

Fényelektromos jelenségek Elektroszkóppal összekötött negatív töltésű fémlap ultraibolya sugarak hatására elveszti töltését. Fény hatására a fémből elektronok válnak ki. (Lénárd Fülöp, 1899. ) 11

Kísérletek fotocellával 1. Az elektronok sebessége csak a fény frekvenciájától (nem az intenzitástól) függ. 2. A sebesség a frekvenciával nő. A katódról kilépő elektronok száma (fotoáram) arányos a katódra eső fény intenzitásával. 3. A fény frekvenciáját csökkentve egy határfrekvencia alatt nincs fotoeffektus. 4. Az elektronok kilépése a megvilágítás után 10 -8 s belül bekövetkezik. 12

A fotonhipotézis A fény diszkrét, h nagyságú energiamennyiségekből, az un. fotonokból áll, amelyek egyenes vonalban terjednek. A foton az energiáját átadja az elektronnak. 13

Feladat Tantál fémre a legnagyobb hullámhossz, amely még fotoelektront képes kiváltani 2974 angström. Számítsuk ki a kilépési munkát. (1 angström = 10 -10 m) 14

A Compton-effektus (1922) hullámhosszúságú röntgensugárzás esik grafit vagy paraffin darabra. A szórt nyalábban a hullámhosszúságú röntgen-sugárzáson kívül kimutatható egy -val nagyobb hullámhosszúságú röntgensugárzás is. A eltolódás a szóródási szöggel nő, a -tól és a szóró anyag minőségétől független. 15

A Compton-effektus (1922) Feltevés: Az elemi folyamat egy beeső röntgen fotonnak és a szóró anyag egyik lazán kötött elektronjának rugalmas ütközése 16

Feladat Compton-szóródásnál a -foton szóródási szöge 450. Határozzuk meg a szórt és a primér sugárzás hullámhossz-különbségét. 17

A fény kettős természete A fény a jelenségek egy nagy csoportjában hullám tulajdonságokat mutat. Pl. interferencia, elhajlás A fény a jelenségek egy másik nagy csoportjában részecske tulajdonságokat mutat. Pl. abszorpció és emisszió 18

A fény kettős természete A fény valójában nem részecske és nem is hullám, hanem az anyagnak olyan formája, amelynek összes tulajdonsága nem írható le egyetlen olyan egyszerű modellel, mint amilyen a makroszkopikus jelenségek nyomán kialakult részecske és hullámmodell. 19

Feladat Egy fényforrás 100 W teljesítménnyel 4· 10 -7 m hullámhosszúságú fotonokat sugároz. a. / Hány foton hagyja el másodpercenként? b. / Ha 3 m-re állunk tőle, hány foton lép 1 s alatt be egy szemünk pupilláján, ha a pupilla átmérőjét 3 mm-nek vesszük? 20

A mikrorészecskék kettős természete Anyaghullámok L. De Broglie hipotézise (1924) Minden mozgó részecskéhez hullám rendelhető, amelynek hullámhossza és frekvenciája ugyanolyan kapcsolatban van , mint a fény hullámhossza és frekvenciája a foton impulzusával és energiájával. 21

Feladat Mekkora a 4· 105 m/s sebességgel haladó protonhoz rendelhető de Broglie-hullámhossza? A proton tömege 1, 672· 10 -27 kg. 22

Az anyaghullámok kísérleti bizonyítékai Davisson és Germer interferencia kísérlete (1927) Mérésekkel igazolták. A diffrakciós maximumok távolsága változik, ha változtatjuk a katódsugárcső gyorsítófeszültségét 23

Vége 24