Atomfizika

      1.2.      Fotoemissziós kísérlet: elvárások és eredmények

A fotoeffektus jelenségét Hallwachs német fizikus fedezte fel 1888-ban, pontos méréseket Fülöp Lénárd végzett. A kísérlet során egy légritkított búra anódját és katódját az üvegburán kívül párhuzamosan kapcsolt kondenzátorhoz és ideális voltmérőhöz kapcsolunk, majd a katódot megvilágítjuk. A fény hatására a katódból elektronok lépnek és jutnak át az anódra egészen addig amíg az elektromos térerősségből származó potenciális energia el nem éri a kilépő elektronok mozgási energiáját. A voltmérő egy bizonyos feszültségértéket jelez, ezt nevezzük telítettségi feszültségnek.

  A klasszikus fizika elgondolásai alapján az erősebb fény több elektron kilépését eredményezné, nagyobb lenne a telítettségi feszültség. Ezzel szemben a kísérleti tapasztalat azt mutatta, hogy a telítettségi feszültség a fény erősségétől független, az csak a kialakulás sebességét befolyásolja.

A klasszikus fizika szerint a gyenge kék és az erős piros színű megvilágítás fényintenzitása azonos, ezért azonos számú elektront kellene kiváltaniuk, és így azonos telítettségi feszültséget létrehozniuk.

Ezzel szemben a kísérletek azt mutatták, hogy a telítettségi feszültség csak a frekvenciától függ.

Minden katód anyagra jellemző egy adott határfrekvencia, amely alatt nem lépnek ki elektronok, az elektronok delokalizációjához ugyanis energia kell. A fotoemissziót azonnalinak érzékeljük.

2. Einstein-féle értelmezés

A beérkező fény kvantumokban/fotonokban hordozza az energiát, ez adja át az energiáját az elektronoknak. A foton energiája az elektronok delokalizációjára és a mozgási energiájuk növelésére fordítódik. A kilépési munka az az energiamennyiség, ami ahhoz szükséges, hogy egy elektron a fém kristályrácsából kilépjen.

  Az Einstein féle értelmezés magyarázatot adott a klasszikus fizika dilemmáira. A telítettségi feszültség a frekvenciától függ, mivel a fotonok energiájából származik a kilépő elektronok energiája. A határfrekvencia annak a fotonnak az energiája, amely éppen fedezi az adott katód kilépési munkáját. Mivel a beérkező fotonok száma nagyon nagy, ezért a fotoeffektust azonnalinak érzékeljük.

A kilépő elektronok mozgási energiája a fény frekvenciájának függvényében egy h meredekségű egyenest ad. Az egyenes meghosszabbításának energiatengellyel való metszete a katód kilépési munkájával egyezik meg.  

3. Fényelem

A félvezető fényelemek a fotoeffektust használják energiatermelésre, a termelt elektromos energia a fény energiájának és a kilépési munkának a különbsége

4. A foton részecske jellege

A foton impulzusának létezése elméletileg a Planck összefüggés és a Einstein féle energia-tömeg ekvivalencia következménye.

4.1. Compton kísérlet

A Compton kísérletben röntgensugarakat irányítottak parafintömbökre. A kölcsönhatás során a röntgensugarak szöggel eltérültek. A szórt sugarak frekvenciája az eltérülés szögétől függően megváltozott.

Ennek magyarázata, hogy a foton és a parafintömb egy elektronja egymással rugalmasan ütközött.

 

4.2. A hullám részecske kettős modell

1)      Az elektromágneses hullám terjedési tulajdonságai általában a hullámmodell alapján érthetők meg.

2)      Az elektromágneses hullámok kölcsönhatás során általában részecskeként viselkednek.

3)      Vannak olyan jelenségek, mint például a fénynyomás, amely mindkét modell alapján értelmezhető.

5. Az elektron felfedezése

      5.1.      Thompson kísérlet

J.J. Thompson 1897-ben a katódsugaraknak mágneses és elektromos térben való elhajlásából arra következtetett, hogy a katódsugarakat negatív töltésű részecskék alkotják, amelyeket elektronnak nevezett el.

Az elhajlási kísérlet alapján sikerült meghatároznia az elektron fajlagos töltését.

      5.2.      Millikan kísérlet

Robert Millikan 1913-ban határozta meg az elemi töltés nagyságát porlasztott olajcseppek semleges, majd elektromos térbe lőtt be, és a két esetben fellépő gravitációs, felhajtó, közegellenállási, illetve a második esetben fellép Coulomb erő egyensúlyából határozta meg az elektron töltését.

      5.3.      A de Broglie féle anyaghullámok

Louis de Broglie francia fizikus 1924-ben megfogalmazott sejtését, miszerint az elektron a fotonhoz hasonlóan a hullám részecske kettős modellel jellemezhető. E szerint, ha egy elektron p impulzussal rendelkezik, akkor az ahhoz tartozó de Broglie hullámhosszon sugárzást bocsát ki. 

5.4. Az elektron hullámtermészetének kísérleti igazolása

Davisson és Germev, de Broglie filozofikus felvetése után 1927-ben megismételték korábbi katódsugárcsöves kísérletüket, amelyet az elektron hullámtermészetével tudtak értelmezni. A kísérlet lényege, hogy egy katódsugárcsőben U feszültségen felgyorsított elektronokat ülepített grafittömbön lőttek át, és így a katódsugárcső másik végén sötét és világos karikagyűrűkből álló interferenciaképet kaptak.