KURZUS: Mérnöki fizika

MODUL: Atom- és magfizika

16. lecke: A fény, mint részecske

A fény, mint részecske

A jegyzet feldolgozandó fejezetei:

  • Az abszolút fekete test sugárzási törvénye
  • A fényelektromos jelenség és a foton
  • A Compton-effektus és a foton impulzusa
  • Hullámok vagy részecskék?

Tanulási célok:

A lecke anyagának feldolgozása után Ön képes lesz:

  • Megfogalmazni, miért fekete testek sugárzását vizsgálták a kutatók.
  • Felrajzolni az abszolút fekete testek színképét (intenzitást a frekvencia függvényében) különböző hőmérsékletek esetére.
  • Felírni és értelmezni a fotonok energiáját megadó összefüggést.
  • Elmondani a fényelektromos jelenség lényegét, kvalitatíve megadni, hogyan függ a kilépő elektronok száma és sebessége a beeső sugárzás adataitól.
  • A fény darabosságának feltételezésével megmagyarázni az előző pontbeli jelenségeket és megadni a kapcsolatot a beeső fény frekvenciája és a kilépő elektronok sebessége közt.
  • Ismertetni a Compton-effektust, felírni és értelmezni a fotonok lendületét és tömegét megadó összefüggéseket.
  • A fotonok paramétereivel (energia, tömeg, lendület, stb.) kapcsolatos számítási problémákat megoldani.
  • Ismertetni de Broglie ötletét a részecskék hullámtermészetével kapcsolatban, egyszerű esetekben meghatározni a de Broglie hullámhosszat.

Támpontok a tanuláshoz

Ez a fejezet a fény részecske természetének megismerését részben történeti oldalról mutatja be. Ennek a szemléletnek az a célja, hogy a hallgató betekintést nyerjen abba a folyamatba, ahogyan a hétköznapi tapasztalatokkal látszólag ellentmondó eredmények a kísérletek egyetlen lehetséges értelmezéseként adódtak. Mindemellett nem a személyek és időpontok a lényegesek, hanem a megismerés folyamata.

A fekete testek sugárzásának jellemzéséül szolgáló színképek önálló felrajzolására fordítson figyelmet, mert az, hogy a hőmérséklet változásával hogyan változnak ezek a görbék, több mindennapi jelenség magyarázatául is szolgál. A fotonok energiáját megadó összefüggés és ezen görbék kapcsolata nincs ebben a részben kifejtve, mert a levezetés által használt matematikai apparátus meghaladja tárgyunk kereteit.

A fotonok energiájával kapcsolatos feladatok végigszámolása során figyeljen oda a mindennapi tapasztalatokkal való összhangra: kiderül, hogy még a leggyengébb fényforrások is olyan mennyiségben ontják a fotonokat, hogy a fény darabos természetét érzékszerveink nem tudják megmutatni.

A fotoeffektus esetén a kilépő elektronok energiája a belépő foton frekvenciájának függvényében egyszerű gondolatmenettel megadható. Ezt a levezetést részleteiben is meg kell értenie és a végeredményt számítási feladatokban felhasználnia.

A Compton-effektusról szóló részben a levezetést nem kell tudni önállóan megismételni, a fotonok lendületére és tömegére vonatkozó összefüggéseket viszont tudni kell egyszerű számítási feladatokban felhasználni.

Érdemes itt felfigyelni, mennyivel kisebb a fotonok tömege nemcsak a hétköznapi tárgyakénál, hanem az elemi részecskéknél is.

A részecskék hullámtermészetével kapcsolatos eszmefuttatás látszólag ellentmond a tapasztalatnak, de figyeljen fel arra, hogy a hétköznapi tárgyak esetén adódó hullámhosszak kimérhetetlenül kicsik lesznek.

Ellenőrző kérdések
1. Az abszolút fekete test által kibocsátott sugárzás intenzitása a test hőmérsékletének hányadik hatványával arányos?
első.
második.
harmadik.
negyedik.
2. Melyik állítás igaz a fotoeffektus időbeli lefolyását illetően?
Ha a fényerősség kicsi, a fotoeffektus bekövetkeztére akár napokig is várakozni kell.
Nagy intenzitású fény esetén mindig azonnal bekövetkezik a jelenség.
Csak adott frekvenciánál nagyobb frekvenciájú fény esetén észlelhetünk fotoeffektust, viszont ekkor azonnal bekövetkezik a jelenség a fény intenzitásától függetlenül.
Intenzitástól és frekvenciától függetlenül mindig észlelhetünk fotoeffektust, ha a műszereink elég érzékenyek.
3. Az alábbi jelenségek közül melyikben nem a fény részecsketermészete dominál?
Fotoeffektus.
Compton-szórás.
Színkép előállítás optikai ráccsal.
4. A rubídium esetén a kilépési munka értéke 3,5*10-19 J. Egy narancsszínű foton hullámhossza vákuumban 600 nm, egy zöldeskék fotoné 490 nm. Melyik esetben kapunk fényelektromos jelenséget, ha a rubídium katódot az előbb említett fotonokkal világítjuk meg?
Mindkét fény fényelektromos jelenséget idéz elő.
Egyik esetben sem kapunk fényelektromos jelenséget.
Csak narancsszínű fény esetén kapunk fényelektromos jelenséget.
Csak zöldeskék fény esetén kapunk fényelektromos jelenséget.
5. Mekkora egy 2*106 m/s sebességgel mozgó proton de Broglie-hullámhossza?
3,78*10-10 m.
5,91*10-19 m.
4,67*10-6 m.
1,98*10-13 m.