Fotonen

Från Wikiskola
Hoppa till navigering Hoppa till sök

NoK Heureka Fysik 2: kap 12, s 232-240


Plancks konstant

Planck fick ju fram konstanten h genom att anpassa en ekvation till uppmätt spektral emittans från en svart kropp vid en viss temperatur. Nu ska vi se fler exempel på hur man kan bestämma h experimentellt och hur det möjliggör fler sätt att beskriva ljus och partiklar.

Elektromagnetisk strålning kan även beskrivas som en ström av partiklar, fotoner. Fotonen har energin [math]\displaystyle{ E = h f }[/math] där h är Plancks konstant.

[math]\displaystyle{ h = 6.626 \: 10^-34 Js }[/math]

Ljuset har partikelegenskaper

Einsteins beskrivning av den fotoelektriska effekten och Comptons experiment är två exempel på hur ljuset, fotonen kan beskrivasa som en partikel

Comptons experiment

Fotoelektrisk effekt

Fotoelektrisk effekt: Inkommande elektromagnetisk strålning slår ut elektroner ur metallen.

Om man lyser med högfrekvent ljus på en metall kommer det skickas ut elektroner från metallen. Det beror på att ljusets fotoner har hög energi och slår loss elektroner från atomerna. Detta kallas den fotoelektriska effekten.

[math]\displaystyle{ h f = E_u + E_k }[/math]

Där [math]\displaystyle{ E_u }[/math] är utträdesenergin och [math]\displaystyle{ E_k }[/math] är elektronens kinesiska energi.

Den fotoelektriska effekten fick sin förklaring av Albert Einstein 1905 och för det tilldelades han nobelpriset . Samma år publicerade han ytterligare två arbeten med avgörande betydelse, det om Brownsk rörelse och det om relativitetsteorin. Wikipedia: Albert_Einstein#1905_.E2.80.93_Annus_Mirabilis_papers

Ljus, som består av fotoner, lämnar alltså över all sin energi i en enda stöt när den väl träffar på en elektron i metallen. Principen ”allt eller inget” gäller. I samma stund som detta sker, upphör fotonen att existera. När fotonen träffar en elektron kan tre fall tänkas ske:

  • Fotonens energi är mindre än utträdesarbetet: Elektronen får inte tillräckligt med energi för att slås ut från metallen.
  • Fotonens energi är lika med utträdesarbetet: Elektronen får nätt och jämnt energi till att slås ut, men inget kvar till rörelseenergi Ek.
  • Fotonens energi är större än utträdesarbetet: Elektronen slås ut och får en rörelseenergi Ek = hf - W0.

Notera också följande viktiga punkter:

  • En ökning av intensiteten påverkar inte fotonens energi.
  • Antalet fotoelektroner som frigörs är proportionellt mot belysningen på metallytan samt mot ljusets intensitet.
  • Fotonen har ingen vilomassa (den är en masslös partikel) och färdas med ljusets hastighet, c.

Våg och partikel

Elektromagnetisk strålning kan både beskrivas som vågor och partikklar. Vid låga frekvenser är vågegenskapen tydligast. Vid höga frekvenser är partikelegenskapen tydligast.

Enheten elektronvolt, 1 eV, är den rörelseenergi som en elektron får vid acceleration av en spänning på 1 V. Det gäller alla partiklar med elementarladdningen.

1 eV = 1.602 10^-19 J.

Partikelns vågegenskaper

En partikel har våglängden

[math]\displaystyle{ \lambda = \frac{h}{p} }[/math]

där h är Plancks konstant och p är rörelsemängden.

Fotonen är ett energikvanta, intte en partikel i vanlig mening. Den saknar massa.

de Broglie

NoK Heureka Fysik 2: kap 12, s 241-248


Om en våg kan ha partikelegenskaper borde det omvända gälla: en partikel har vågegenskaper.

Om [math]\displaystyle{ \lambda = \frac{h}{p} }[/math] gäller för en partikel med massa m och rörelsemängden p = mv så gäller

[math]\displaystyle{ \lambda = \frac{h}{mv} }[/math]

Ju högre massa och hastighet en partikel har desto kortare evåglängd har den. h är som tidigare Plancks konstant

Wikipedia: Louis_de_Broglie

Akira Tonomuras dubbelspaltexperiment

One electron double slit experiment by Akira Tonomura
Double-slit experiment with electrons
Double-slit experiment with electrons
Electron buildup over time
Electron buildup over time

Wikipedia:Double-slit_experiment

Presentation av hans forskning på Hitachis hemsida.

Akira Tonomuras dog 2012.

[[Wikipedia: Akira_Tonomura}. Den här artikeln är en stubbe. Det står till exempel inte alls om dubbelspaltexperimentet. På svenska saknas artikeln helt.]]

Tillämpningar

NoK Heureka Fysik 2: kap 12, s 241-248


Läs själv om tillämpningar av elektromagnetisk strålning.