KURZUS: Műszaki fizika alapjai

MODUL: X. modul: Foton. Részecske-hullám dualizmus. Kvantumfizika alapjai

25. lecke: A fény, mint részecske

| Feldolgozandó:
Jegyzet: Az abszolút fekete test sugárzási törvénye Jegyzet: A fényelektromos jelenség és a foton Jegyzet: A Compton-effektus és a foton impulzusa Jegyzet: Hullámok vagy részecskék? "Bevezetés az atomfizikába" előadás prezentáció Példatár: 29. lecke Fénykvantumok és anyaghullámok
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. Egy 100 W teljesítményű fényforrás 5,89(10-7 m hullámhosszúságú monokromatikus fényt sugároz. Hány fotont bocsát ki a fényforrás 1 s alatt?
| 2,9×1023
| 6×1023
| 1,6×1019
| 2,9×1020
6. 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
Ha a lecke feldolgozásában elakad, kérje a tutor segítségét!