3.3 Fotoelekrický jav

Size: px

Start display at page:

Download "3.3 Fotoelekrický jav"

Jeffrey Greene
6 years ago
Views:

1 infraštruktúry zdravotníckej starostlivosti, znalosti technikov udržujúcich prístroj v chode, znalostí medicíny o pohybe označených molekúl v organizme. Tento úvodný článok k základom fyziky mikrosveta by nemal byť chápaný ako učebná látka, ktorú sa žiaci majú naučiť. Je to skôr návod na seminár alebo prednášku, pričom si prednášajúci môže na základe tohto článku pripraviť prezentáciu a môže si tiež stiahnuť niečo viac zo servera FYZIKUS. Odporúčame tiež, ak je to možné, vybrať sa na exkurziu do nemocnice, kde PET používajú alebo si pozvať odborníka na seminár a diskusiu. Téma na referáty (študentov) 1. Nájdite informácie o tom, aká bola história vzniku a vývoja PET. Koľko prístrojov PET je na svete, koľko na Slovensku? Aká je rozlišovacia schopnosť týchto prístrojov? (Vyhľadávače na web nájdu viacero informácií ak im zadáte na vstup Positron Emission Tomography.) 2. V súčasnosti existujú aj vylepšené metódy využívajúce to isté žiarenie ako röntgen, napr. CT-počítačová tomografia. V článku 3.1 sme spomenuli magnetickú rezonanciu. Skúste pohľadať informácie a nájsť odpovede, ako fungujú tieto moderné metódy, napr. CT-počítačová tomografia a ďalšie. Skúste ich porovnať s PET. Kde sa v tomto prípade využívajú poznatky modernej fyziky? 3.3 Fotoelekrický jav V druhej polovici 19. storočia mali fyzici v rukách dve veľmi úspešné teórie klasickú mechaniku, základom, ktorej sú Newtonove zákony, a elektrodynamiku vychádzajúcu z Maxwellových rovníc. Keďže tieto teórie významne umocnili priemyselnú revolúciu a rozvoj techniky, vo vedeckých kruhoch zavládol značne oprávnený optimizmus, že tieto teórie by mali byť schopné opísať principiálne akýkoľvek fyzikálny objekt alebo dej. JAMES CLERK MAXWELL to vyjadril vo svojej inauguračnej prednáške (1871) slovami: v niekoľkých nasledujúcich rokoch by mali byť približne odhadnuté všetky dôležité fyzikálne konštant a jedinou úlohou, ktorá zostane mužom vedy, bude vykonávanie meraní ďalších 77

2 desatinných miest. 3) Lenže niekoľko nepríjemných detailov, vtedy chápaných ako nepodstatných, narúšali tento optimizmus. Žiarenie absolútne čierneho telesa Medzi takéto detaily, ktoré koncom 19. storočia naznačili, že v mikrosvete sa z hľadiska klasickej fyziky dejú veľmi pozoruhodné veci a nemožno ich brať za nepodstatné, bol neúspech pri hľadaní vysvetlenia experimentálnych údajov o spektre žiarenia čierneho telesa. Čierne teleso je technický termín označujúci teleso, ktoré dokonale pohlcuje všetko žiarenie, ktoré naň dopadá. Ako čierne teleso sa správa napr. piecka s malým otvorom a s čiastočne pohlcujúcimi stenami, ktorá predstavovala čierne teleso aj v experimentoch. Ak piecku zahrejeme na určitú teplotu, tak cez tento malý otvor vysiela žiarenie. Toto žiarenie nazývame žiarením čierneho telesa pri danej teplote. Namiesto termínu žiarenie čierneho telesa by sme mohli hovoriť aj o žiarení telesa ohriateho na určitú teplotu. Technickým problémom je zhotovenie telesa, ktoré bude mať spolu so žiarením, ktoré je vnútri telesa rovnakú teplotu. Čierne teleso je ideál, v ktorom je tento problém vyriešený. V dobrom priblížení je žiarenie mnohých zahriatych telies týmto typom žiarenia. Aj žiarenie nášho Slnka je v dobrom priblížení žiarením čierneho telesa (s teplotou necelých C.) Lenže keď sa fyzici snažili nájsť odpoveď použitím dovtedy známej teórie, dostávali predpovede typu: ak otvoríte dvierka na rozpálenej peci, tak by mala vyžarovať toľko ultrafialového žiarenia, že jediný pohľad by znamenal spálenie sietnice, a mali by ste prísť o zrak; ak použijete teóriu dôsledne, vychádza, že v piecke reprezentujúcej čierne teleso, by pri tepelnej rovnováhe mala byť nekonečná celková energia. Každému bolo jasné, že nič také sa v skutočnosti nedeje, je to nezmysel. V zákonoch klasickej fyziky sa objavila obrovská trhlina. Vysvetlenie našiel v roku 1900 nemecký fyzik MAX PLANCK. Musel však urobiť predpoklad celkom cudzí klasickej fyzike že steny čierneho telesa môžu prijímať a vysielať žiarenie s frekvenciou f iba po 3) V origináli: in a few years, all the great physical constants will have been approximately estimated, and the only occupation be left to the men of science will be to carry these measurements to another decimals. 78

3 istých dávkach kvantách energie. Veľkosť kvanta energie E = hf, pričom h bolo zavedené ako nová prírodná konštanta. Prečo by však mal byť predpoklad o kvantovosti svetla cudzí a čudný? Na prvý pohľad vyzerá Planckov predpoklad kvantovosti dosť neškodne. Čierne teleso prijíma a vysiela energiu v kvantách. Lenže podivnosť tohto predpokladu okamžite pochopíme, ak si ešte raz uvedomíme, že v dobrom priblížení sú mnohé zahriate telesá okolo nás (napríklad žiarovka) čiernymi telesami, a ak si situáciu priblížime slovami významného fyzika minulého storočia GEORGE GAMOWA 4) : Je to to isté, ako keby ste mohli vypiť celý polliter piva alebo ani kvapku. Príroda by vám jednoducho nedovolila vypiť žiadne množstvo medzi tým. My však môžeme bezprostredne vypiť aj pol či štvrť pohára, takže hoci Planckov nápad fungoval, ale prečo by mal zodpovedať skutočnosti, prečo by malo čierne teleso energiu prijímať a vysielať v kvantách? Ako si môžete prečítať v poznámke po článku 3.4, sám Planck to považoval len za matematický trik. Na Planckove výsledky nadviazal ALBERT EINSTEIN, keď pomocou hypotézy o kvantách energie vysvetlil v roku 1905 zákonitosti fotoelektrického javu. Planckovými a Einsteinovými prácami sa začala dlhá a namáhavá cesta, zakončená o dvadsať rokov neskôr vybudovaním kvantovej teórie. Čo je to fotoelektrický jav Fotoelektrický jav fyzici objavili a experimentálne skúmali už v 19. storočí. Jav môžeme pozorovať pri jednoduchom pokuse: Na elektroskop E (obr. 3-4) pripevníme zinkovú platničku očistenú brúsnym papierom a nabijeme ju záporným nábojom. Lístky elektroskopu sa rozostúpia. Ak platničku osvetlíme elektrickým oblúkom alebo horským slnkom, lístky rýchlo poklesnú. Keď pokus zopakujeme tak, že zinkovú platničku nabijeme kladným nábojom, lístky nebudú klesať. Pokus možno vysvetliť tým, že dopadajúce žiarenie uvoľňuje z kovu elektróny, ale nie častice s kladným nábojom. Uvoľňovanie elektrónov dopadajúcim žiarením fyzikov neprekvapovalo. Žiarenie jednoducho dodá elektrónu dostatočne veľkú energiu 4) V origináli: It s as if one could drink a pint of beer or no beer at all, but were barred by a law of nature from drinking any quantity of beer between zero and one pint. 79

4 a elektrón opustí kov. Nepochopiteľná bola závislosť uvoľňovania elektrónov od frekvencie dopadajúceho žiarenia. Ukážeme to opäť v jednoduchom pokuse: Zinkovú platničku nabijeme záporným nábojom, osvetlíme horským slnkom, ale medzi zdroj žiarenia a platničku postavíme sklenú platňu pohlcujúcu ultrafialové žiarenie. Rozstup lístkov sa nemení 5). Vidíme, že ultrafialové žiarenie má schopnosť uvoľniť zo zinku elektróny, kým žiarenie z viditeľnej oblasti túto schopnosť nemá. Vzhľadom na to, že ultrafialové žiarenie má vyššie frekvencie ako viditeľné žiarenie, prichádzame k záveru, že žiarenie s vyššími frekvenciami uvoľňuje elektróny, kým žiarenie s nižšími ich neuvoľňuje. Podrobnejšie štúdium fotoelektrického javu viedlo k tomu, že pre každý kov existuje istá hraničná frekvencia f 0. Žiarenie s frekvenciou f > f 0 uvoľňuje elektróny z kovu, žiarenie s frekvenciou f < f 0 ich neuvoľňuje. Pre niektoré kovy, napríklad pre cézium, leží f 0 vo viditeľnej oblasti, pre iné, napr. pre zinok, leží f 0 v ultrafialovej oblasti. Obr. 3-4 E elektroskop, P zinková platnička, Z zdroj žiarenia. Zinková platnička nemusí stáť na elektroskope, stačí, keď je s ním spojená vodičom Fotoelektrický jav sa podrobnejšie študoval pri usporiadaní pokusu podľa obr. 3-5: Na katódu K dopadá cez okienko žiarenie, ktoré z katódy uvoľňuje elektróny (okienko je z materiálu, ktorý prepúšťa aj ultrafialové žiarenie). Galvanometrom G (citlivým ampérmetrom) sa meria prúd v elektrickom obvode. Mriežka M má nižší potenciál ako katóda a brzdí vyletujúce elektróny. Ak postupne zväčšujeme na mriežke brzdný potenciál, nakoniec mriežka neprepustí žiadny z elektrónov uvoľnených 5) Prípadný pomalý pokles je spôsobený prítomnosťou ionizovaných molekúl vzduchu. 80

5 z katódy a prúd okruhom prestane prechádzať. V usporiadaní podľa pokusu na obr. 3-5 môžeme odmerať maximálnu kinetickú energiu elektrónov uvoľnených z katódy žiarením s frekvenciou f. Obr. 3-5 Schéma experimentu na štúdium fotoelektrického javu: K katóda, A anóda, M mriežka Výsledky pokusov môžeme zhrnúť takto: 1. Pre každý kov existuje istá hraničná frekvencia f 0. Ak je frekvencia f dopadajúceho žiarenia menšia ako f 0, žiarenie nie je schopné uvoľniť elektróny z katódy. Žiarenie s frekvenciou f väčšou ako f 0 elektróny uvoľňuje. 2. Pri f > f 0 je veľkosť prúdu úmerná intenzite dopadajúceho žiarenia. 3. Energia elektrónov uvoľnených z katódy sa zväčšuje so zväčšovaním frekvencie dopadajúceho žiarenia. Energia uvoľnených elektrónov nezávisí od intenzity dopadajúceho žiarenia. Z hľadiska klasickej fyziky je prekvapujúci obsah bodu 1. Očakávali by sme totiž, že dopadajúce žiarenie elektróny v kove rozkmitá. Pri väčšej intenzite žiarenia by sa elektróny mali rozkmitať viac a pri ďalšom zvyšovaní intenzity žiarenia by mali byť schopné opustiť kov. Pri dostatočne veľkej intenzite by sa to malo podariť pri ľubovoľnej frekvencii žiarenia. Podľa bodu 1. však žiarenie s f < f 0 nemôže uvoľniť elektróny pri žiadnej intenzite. Vnútorný fotoelektrický jav Dosiaľ sme hovorili len o vonkajšom fotoelektrickom jave (elektróny sú uvoľňované von z kovu). Väčšie praktické využitie má vnútorný fotoelektrický jav. V niektorých polovodičoch sú pri izbovej teplote 81

6 všetky elektróny pri atómoch. Ak konce polovodiča priložíme k batérii, obvodom nebude prechádzať takmer žiadny prúd. Žiarenie dopadajúce na polovodič uvoľní niektoré elektróny z atómov a obvodom bude prechádzať prúd. Na obr. 3-6 je schéma citlivého expozimetra pracujúceho na princípe vnútorného fotoelektrického javu. Polovodičom je tu kryštál chemickej zlúčeniny CdS (sulfid kademnatý). 82 Obr. 3-6 Schéma expozimetra: P polovodič, B zdroj napätia, R odpor, G galvanometer Vnútorný fotoelektrický jav sa využíva v zariadeniach, ktoré zapnú alebo zastavia pri prerušení svetelného lúča určité zariadenia (dvere na výťahu, automatické zastavenie lisu po vložení ruky a pod.). Procesy blízke tomuto javu sú na začiatku dlhej a zložitej reťaze biochemických reakcií súhrnne nazvaných fotosyntéza. O nej ste sa učili v biológii. Procesy tohto typu vznikajúce pri dopade žiarenia na rozhranie polovodičov typu N a typu P sú základom práce slnečných batérií, ktoré sa používajú napríklad na družiciach. Vnútorný fotoelektrický jav sa využíva v niektorých televíznych kamerách aj v prístrojoch na xeroxovanie. Úlohy 1. Vysvetlite prečo môžeme piecku s malým otvorom, ktorá nemá dokonalo pohlcujúce steny, považovať za absolútne čierne teleso? 2. Pokúste sa nájsť jednoduchú mechanickú analógiu postupu, ktorým možno merať kinetickú energiu elektrónu v usporiadaní na obr (Napríklad kinetickú energiu guľôčky kotúľajúcej sa po vodorovnej rovine môžeme určiť z výšky, do ktorej guľôčka vystúpi na naklonenej rovine postavenej do jej dráhy.) 3. Poznáte nejaký jav, ktorý môže byť spôsobený žiarením s vyššou frekvenciou a nemôže byť spôsobený žiarením s nižšou frekvenciou? (Využite napr. skúsenosť, že za oknom sa neopálite.) 4. Pokúste sa navrhnúť zariadenie, ktoré zazvoní, ak niekto vstúpi do triedy.

7 Téma na referát 1. Vyhľadajte informácie o histórii novej konštanty h, nazývanej Planckova konštanta, akú má hodnotu, ako bola objavená, nameraná atď. Zistite aj niečo o Maxovi Planckovi, o jeho riešení žiarenia čierneho telesa. V článku spomíname Georega Gamowa, nájdite informácie aj o ňom. 2. Nájdite si v literatúre alebo na internete ako vyzerala piecka reprezentujúca čierne teleso v laboratórnych pokusoch (t. j. z čoho bola vyrobená; aké mala približne rozmery; ako sa v nej merala teplota atď.) 3.4 Einsteinova teória fotoelektrického javu Einsteinova teória z roku 1905 vysvetlila zákonitosti nájdené pri experimentálnych štúdiách fotoelektrického javu. Táto teória vychádza z predstavy, že energia žiarenia nie je rozložená v priestore spojite, ale sa skladá z konečného počtu v priestore lokalizovaných kvánt, ktoré môžu byť pohltené a vyžiarené len ako celky. Podľa Einsteinovej teórie sa pri pohlcovaní a vyžarovaní správa rovinná elektromagnetická vlna s frekvenciou f ako súbor svetelných kvánt, z ktorých každé má energiu E a hybnosť p. Energia E a veľkosť hybnosti p sú dané vzťahmi kde h je Planckova konštanta E = hf (1) E hf h p = = = (2) c c λ h 6, J s (3) Smer hybnosti svetelného kvanta je rovnaký ako smer, v ktorom sa šíri vlna. Ďalej budeme svetelné kvantá nazývať fotóny 6). Pri fotoelektrickom jave každý fotón odovzdá celú svoju energiu jedinému elektrónu z povrchu 6) Názov fotón už asi poznáte. Začal sa používať až v roku 1926; zaviedol ho americký fyzik LEWIS (ljúis). Einstein používal vo svojich prácach termín svetelné kvantum, ktorý má rovnaký fyzikálny význam ako fotón. 83

Od zmiešavacieho kalorimetra k ultra citlivej modulovanej kalorimetrii. Jozef Kačmarčík

Od zmiešavacieho kalorimetra k ultra citlivej modulovanej kalorimetrii CENTRUM FYZIKY VEĽMI NÍZKYCH TEPLÔT Ústavu experimentálnej fyziky SAV a Univerzity P.J.Šafárika Centrum excelentnosti SAV Jozef Kačmarčík