Διπλή φύση της ακτινοβολίας και της ύλης – Σημαντικά θέματα
Η ύλη χαρακτηρίζεται από ιδιότητες όπως ταχύτητα, μέγεθος, μάζα κ.λπ., ενώ τα κύματα χαρακτηρίζονται από ιδιότητες όπως μήκος κύματος, ταχύτητα κύματος κ.λπ. Ο όρος δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου ή η ιδέα του Η διπλή φύση της ακτινοβολίας και της ύλης αναφέρεται στον τρόπο με τον οποίο ένα σωματίδιο συμπεριφέρεται σαν κύμα ή το αντίστροφο υπό ορισμένες συνθήκες. Η φύση αγαπά τη συνοχή και την ομοιομορφία. Εάν το φως μπορεί να παρουσιάσει δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου, θα πρέπει επίσης να εκτίθεται από την ύλη. Η έκθεση του Αϊνστάιν του φωτοηλεκτρικού φαινομένου οδήγησε στον ντε Μπρόλι να βρει τη δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου. Μετά από αυτό, ένας νέος ορίζοντας άνοιξε για τη διπλή φύση της ακτινοβολίας και της ύλης.
Εκπομπή ηλεκτρονίων
Όλα τα μέταλλα έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια, αλλά δεν μπορούν να ξεφύγουν από την επιφάνεια του μετάλλου λόγω ιοντικής δύναμης. Ωστόσο, εάν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια παρέχονται με την κατάλληλη ενέργεια, θα διαφεύγουν (εκπέμπουν) από την μεταλλική επιφάνεια. Η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για αυτή την εκπομπή ονομάζεται συνάρτηση εργασίας του μετάλλου (φ0). Είναι διαφορετικό για διαφορετικά μέταλλα. π.χ., το Na έχει συνάρτηση εργασίας 2,75 eV, ενώ το Pt έχει 5,65 eV.
Αυτή η ενέργεια (>ϕ0) μπορεί να παρασχεθεί στη μεταλλική επιφάνεια με κατάλληλη θέρμανση (Θερμιονική εκπομπή), δίνοντας ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο (εκπομπή πεδίου) ή κατάλληλη συχνότητα φωτός (Φωτοηλεκτρική εκπομπή).
Φωτοηλεκτρικό εφέ
Προέρχεται από τη διπλή φύση της ακτινοβολίας και της ύλης. Τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται από μια μεταλλική επιφάνεια όταν φωτίζονται με κατάλληλη συχνότητα φωτός. αυτό το φαινόμενο ονομάζεται φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια ονομάζονται φωτοηλεκτρόνια και η ελάχιστη συχνότητα φωτός κάτω από την οποία δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί αυτή η εκπομπή ονομάζεται συχνότητα κατωφλίου. Διαφέρει από μέταλλο σε μέταλλο. Για παράδειγμα, οι Zn, Cd, Mg έχουν οριακή συχνότητα στην υπεριώδη περιοχή, ενώ τα αλκαλικά μέταλλα (Li, Na, K είναι ευαίσθητα στο ορατό φάσμα)
Η φωτοηλεκτρική ενέργεια επηρεάζεται από
Η ένταση του φωτός:
Το φωτοηλεκτρικό ρεύμα αυξάνεται γραμμικά με την αύξηση της έντασης του φωτός.
2. Δυνατότητα συλλεκτικής πλάκας:
Εάν η πλάκα συλλέκτη (A) βρίσκεται σε θετικό δυναμικό από την πλάκα εκπομπής (C) και το δυναμικό είναι αυξημένο, το φωτορεύμα θα αυξηθεί και μετά από κάποιο χρονικό διάστημα θα φτάσει στο μέγιστο όριο, που ονομάζεται ρεύμα κορεσμού . Από την άλλη, αν αλλάξουμε την τρέχουσα πολικότητα, το φωτορεύμα θα μειωνόταν σημαντικά και τελικά θα σταματήσει. Επομένως, το ελάχιστο αρνητικό δυναμικό που εφαρμόζεται στην πλάκα συλλέκτη (A) για φωτορεύμα να είναι μηδέν (0) ονομάζεται δυναμικό διακοπής.
Σωματιδιακή φύση της ακτινοβολίας:Φωτόνια
Η κυματική φύση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας δεν μπορεί να εξηγήσει το φαινόμενο της εκπομπής ηλεκτρονίων. Το 1905 ο Αϊνστάιν πρότεινε ότι η ακτινοβολία (ή το φως) δεν είναι απλώς ένα κύμα, αλλά είναι η ροή σωματιδίων με κβαντισμένη ενέργεια. Αυτά τα σωματίδια ονομάζονται φωτόνια. Σύμφωνα με την πρόταση του Αϊνστάιν, κάθε κβάντο ενός φωτεινού κύματος συχνότητας f, ενός φωτονίου, φέρει την ενέργεια του
E =hf
όπου h =Σταθερά Planck =6,62607004 × 10-34 J . s
Ο Αϊνστάιν πρότεινε επιπλέον ότι εάν τα ηλεκτρόνια αποκτήσουν αυτήν την ενέργεια φωτονίων και υπερβεί τη συνάρτηση εργασίας του (ϕ0), τότε θα εκπέμπει από τη μεταλλική επιφάνεια με τη μέγιστη κινητική ενέργεια του
Kmax =hf – ϕ0; Εδώ, η f είναι μεγαλύτερη από την οριακή συχνότητα αυτού του μετάλλου.
Αυτή είναι η εξίσωση που είναι γνωστή ως φωτοηλεκτρική εξίσωση του Αϊνστάιν.
Σύμφωνα με τον Sir Einstein, αυτή η απορρόφηση της φωτεινής ενέργειας συμβαίνει σε ατομικό επίπεδο. Όταν το φως απορροφάται από το άτομο, η ενέργεια του φωτονίου μεταφέρεται σε αυτό. Εάν ένα αντικείμενο έχει πολλά άτομα, η μεταφορά ενέργειας εξακολουθεί να συμβαίνει ως κβαντισμένη ποσότητα ενός φωτονίου.
Κυματική φύση της ύλης:Ύλη-κύμα
Η φύση αγαπά τη συμμετρία. Εάν το κύμα έχει σωματιδιακή φύση, τα σωματίδια (ύλη) μπορεί επίσης να έχουν κυματική φύση, σωστά; Το 1924, ο φυσικός Louis De Broglie έκανε μια παρόμοια πρόταση. Εάν η ακτινοβολία έχει σωματιδιακή φύση, τότε μια δέσμη κινούμενων σωματιδίων μπορεί να έχει κυματική φύση. Αυτό το κύμα ονομάζεται Κύμα Ύλης. Σύμφωνα με τον Louis De Broglie, το μήκος κύματος της ύλης-κύματος,
λ =hp
Τολ ονομάζεται μήκος κύματος De Broglie,
h είναι σταθερά Planck
p είναι η ορμή ενός σωματιδίου
Από αυτό, μπορούμε να δούμε (μαθηματικά) κυματική φύση (μήκος κύματος λ) και σωματιδιακή φύση (ορμή p) σε μια ενιαία εξίσωση.
Το 1927, ο C.J.Davisson και ο L.H. Germer επαλήθευσαν πειραματικά την πρόταση του De Broglie. Τα ηλεκτρόνια είναι υποατομικά σωματίδια, αλλά μια δέσμη ηλεκτρονίων έδειξε ένα μοτίβο παρεμβολής στο πείραμα. Παρόμοια σχέδια μπορούν να φανούν με τα νετρόνια, τα πρωτόνια και άλλα άτομα.
Αλλά γιατί δεν μπορούμε να δούμε ένα κινούμενο λεωφορείο ή ταξί που δείχνει τη φύση των κυμάτων;
Ξέρουμε, p=mv
p =ορμή σωματιδίου/αντικειμένου
m =μάζα σωματιδίου/αντικειμένου
v=ταχύτητα σωματιδίου/αντικειμένου
από την εξίσωση De Broglie, μπορούμε να γράψουμε
λ =hmv
Μπορούμε να δούμε ότι για μεγαλύτερα αντικείμενα (λεωφορείο, ταξί ή άλλα μακρο-αντικείμενα), η μάζα στον παρονομαστή της δεξιάς πλευράς της εξίσωσης είναι τόσο μεγάλη ώστε το μήκος κύματος που προκύπτει ( λ ) γίνεται πολύ μικρό. Έτσι, στην πραγματικότητα, δεν μπορούμε να δούμε την κυματική φύση αυτών των αντικειμένων.
Παράδειγμα διπλής φύσης ακτινοβολίας και ύλης –
Φωτοηλεκτρικά στοιχεία
Τα φωτοηλεκτρικά κύτταρα δεν είναι παρά μια πλάκα συλλέκτη (Anode) και μια ημικυλινδρική πλάκα εκπομπού (Κάθοδος) σε ένα σωλήνα κενού που συνδέεται με ένα στοιχείο. Μεταφέρει φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Έχει διάφορες εφαρμογές, από τη δημιουργία ήχου σε ταινίες έως τη φωτοτηλεγραφία.
Μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (STM)
Ένα οπτικό μικροσκόπιο λειτουργεί κάτω από ορατό φως ή υπεριώδες φως (f=300 nm), επομένως δεν μπορούμε να δούμε μικρότερες διαστάσεις <300 nm. Το STM έρχεται να μας βοηθήσει εδώ χρησιμοποιώντας διοχέτευση ηλεκτρονίων μέσω πιθανών φραγμών.
Συμπέρασμα
Οι επιστήμονες έχουν πολλαπλές παρατηρήσεις σχετικά με τη διπλή φύση της ύλης και της ακτινοβολίας. Για παράδειγμα, οι C.H.Davisson και L.H.Germer μετέφεραν ότι τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται σαν κύματα με μήκος κύματος που αναγνώριζε τον τύπο που πρότεινε ο De Broglie. Η εξίσωση Αϊνστάιν και οι εξισώσεις De Broglie αποδεικνύουν τη διπλή φύση της ακτινοβολίας και της ύλης.
