Zjawisko fotoelektryczne Kwanty energii Natura światła

Zjawisko fotoelektryczne
Pod koniec XIX wieku fizycy wiedzieli już, że materia składa się z cząstek,
a światło z fal elektromagnetycznych. Znali też wszystkie równania opisujące te
dwa światy. I wydawać by się mogło, że świat został już całkowicie poznany,
opisany i zrozumiany.
Jednak pewne eksperymenty, zwłaszcza przeprowadzone przez Heinricha
Hertza w 1887 roku, nie pozwalały wytłumaczyć zachodzących zjawisk za
pomocą falowej natury światła. W szkolnych warunkach eksperyment Hertza
można przeprowadzić w sposób pokazany na rysunku. Oświetlamy płytkę z
cynku promieniami z lampy kwarcowej (promieniowanie nadfioletowe, powstałe
przez przyłożenie pola elektrycznego do par rtęci). Okazuje się, że elektroskop
się wychyla – jest naładowany. Dodatkowe badania pozwalają stwierdzić, że elektroskop ładuje się dodatnio, to
znaczy, że promieniowanie z lampy „wybija” z płytki elektrony! Dalsze badania ujawniają jeszcze inne ważne
zależności: każdy metal ma pewną najniższą częstotliwość światła poniżej której nie zachodzi emisja
elektronów, ilość wybijanych elektronów jest proporcjonalna do natężenia światła, energia kinetyczna
wybijanych elektronów nie zależy od natężenia lecz od częstotliwości! Te stwierdzenie były w XIX wieku
bardzo niepokojące (i nie do wytłumaczenia) dla fizyków. Zgodnie z falowym opisem światła, im wyższe
natężeniem światła, tym większe energie (prędkości) wybijanych elektronów. A co ciekawsze – można było
oświetlać płytkę, światłem o bardzo dużym natężeniu i nic się nie działo, dopóki nie miało ono odpowiedniej
częstotliwości!
Kwanty energii
W fizyce od dość dawna znane było pojęcie ciała doskonale czarnego, które pochłania całkowicie
padające na nie dowolne promieniowanie (nic się od niego nie odbija). Jeżeli natomiast ciało doskonale czarne
będziemy podgrzewać, to wychodzące z niego promieniowanie (kolor światła) będzie zależeć tylko od
temperatury – im wyższa temperatura, tym jaśniejszy kolor. Ilustracją tego zjawiska jest np. kolor
podgrzewanego metalu: od czarnego, poprzez czerwony i żółty, aż po kolejne odcienie widma. Teoretyczne
równania zupełnie nie odzwierciedlały fizycznych pomiarów i przy dużych częstotliwościach światła
dochodziło do tzw. katastrofy w nadfiolecie – zupełna niezgodność równań teoretycznych z obserwowanymi
własnościami materii. W 1905 roku Max Planck zaproponował nowe rozwiązanie, oparte o porcje
promieniowania, które nazwał kwantami. Stwierdził, że energia może być wypromieniowywana z ciała
tylko w postaci niewielkich „paczek”, o wartości h·ν, gdzie h – stała Plancka, a ν – częstotliwość.
Tą teorię wykorzystał w 1905 roku Albert Einstein do wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego. Skoro
energia emitowana jest w „paczkach”, to być może elektron w płytce pochłania ją i to pozwala „wyrwać” mu
się z płytki i musi być jej jakaś wartość minimalna. A skoro wielkość tej „paczki” zależy tylko od
częstotliwości (Planck), więc wyjaśnione zostały wszystkie dotychczasowe wątpliwości fizyków.
h·ν=W+Ek - energia fotonu - hν idzie na tzw. „pracę wyjścia” potrzebną na wyrwanie elektronu z
płytki – W, a pozostała część przekształca się na energię kinetyczną, związaną z prędkością - Ek.
Teoria Einsteina wywołała „burzę” wśród fizyków i przez kilka lat trwały gorące dyskusje. Dopiero
Robert Millikan wykonał serię doświadczeń, która potwierdziła teoretyczne rozważania Einsteina. W fizyce
rozpoczęła się nowa era – fizyki kwantowej, w której rozchodzenie się światła należało traktować również, jak
rozchodzenie się fotonów – cząstek niosących energię o wartości hν, a opisując zderzenie fotonu z elektronem
można traktować je jak zderzenie kul bilardowych - mamy do czynienia z zasadą zachowania energii i pędu.
Natura światła
Czym więc jest światło? Falą, czy strumieniem cząstek? Aby wyjaśnić zjawisko fotoelektryczne
potrzebny jest model kwantowy. Aby wyjaśnić zjawiska dyfrakcji i interferencji posługujemy się modelem
falowym. Obecny stan wiedzy pozwala stwierdzić, że oba te zjawiska się wzajemnie uzupełniają i mówimy o
dualizmie korpuskularno-falowym. Foton uderzający w płytkę ujawnia naturę kwantową. Zbiór wielu
fotonów docierających do tej płytki, jako światło podlega zjawiskom falowym. W jednych zjawiskach
ujawniają się bardziej zjawiska falowe w innych doświadczeniach zjawiskach korpuskularne (cząsteczkowe,
kwantowe). W życiu codziennym najbardziej widać to na przykładzie aparatu fotograficznego, w którym
zjawiska zachodzące na soczewkach opisujemy optyką falową, a powstający obraz na błonie fotograficznej,
płytce krzemowej (matrycy światłoczułej) opisujemy wzorami optyki kwantowej.
W roku 1927 Luis de Broglie przedstawił wyniki swoich rozważań, z których wynikało, że każda
materia przejawia swój dualizm - również i własności falowe. Nawet dla poruszającego się człowieka można
wyznaczyć odpowiedni poziom promieniowania falowego.