Kavantoptika Optkia uurib valguseid ja muid kiirguseid. Kvatoptika uurib valguse kvantide omadusi. Peale kvantoptika on veel laineoptika, geomeetrilineoptika, fotomeetria jne. Fotoefekt Tähendab elektroni välja löömist ainest valguskvandi poolt. Avastas H.Hertz. fotoefekti seaduse avastas A.Stoletov: 1) fotoelektronide hulk on võrdeline valgusvooga. 2) fotoelektronide kiirus on pöördvõrdeline lainepikkusega. 3)punakiir on suurim kiir mis tekitab fotoefekti. A.Einstein tuletas fotoefekti võrrandi, mille lühim kuju on E=A+Ek E-(valgus)kvandi energia E=hf ,kus f-valguse sagedus, ühik on 1Hz(hertz). Js plancki konstant. Kuna valguse kiirus vaakumis , siis . Kus -lainepikkus (m) , m/s. A-elektroni väljumistöö SJ-süst ühik 1J (dzaul) kasutusel ka 1eV (elektronvolt) s.o energia mille elektron saab lõigu läbimisel kui pinge selle oststel on 1V
Iga footoni energia on võrdeline valguse sagedusega. E ühe footoni energia f sagedus h planki konstant ( 6,62 * 10-34 J * s ) E=h*f Fotoeffekt Kiirgus langedes metallipinnale, võib sealt välja lüüa elektrone. f - metallikiht Seadused: 1) Valguse poolt metalli pinnast ühes sekundis eraldunud eletronide arv on võrdeline valguslaine intensiivsusega. 2) Fotoelektronide maksimaalne lineetiline energia kasvab võrdeliselt valguse sagedusega ja ei sõltu valguse intensiivsusest
Footon-valgusosake. Omadused: Puudub seisumass, kiirus c=3*108, soojus neeldub, peegeldub, murdub. Footoni energia võrdub plancki konstandi ja valguslaine sageduse korrutisega. Fotoefekti tekitamiseks on vajalik metallplaat ja valgusallikat. Metallplaat võib olla ühendatud elektroskoobiga. Fotoelektronide kiirus oleneb Fotoefekt on elektronide väljalöömine ainest valguse toimel. Fotoefekti kasutatakse: fotoelemendis(valguse toimel elektri tootmisel), Päikesepatareides, fotosilmades. Kvantfüüsikat uurisid: Albert Einstein ja A.Stoletov A-valguse tehtav töö Punapiir- minimaalne lainepikkus või sagedus, mille korral tekib aines veel fotoefekt. (fp*h=A) Nähtused mida selgitab laineteooria: interferents, difraktsioon, dispersioon, murdumine, peegeldumine
Fotoefekt elektronide väljalöömine ainest valguse toimel; avastas Hertz. 1) Zn plaat laadimata, ei teki elektrilaengut 2)plaat positiivselt laetud, laeng ei muutu valguse toimel 3)plaat negatiivselt, laeng kaob valguse toimel 4)negatiivselt plaadi ette klaas, laeng ei kao. Stoletov´i katse mõõdeti fotovoolu tugevust pingest. F seaduspärasused: 1)küllastusvoolu tugevus oleneb katoodile langeva valguse intensiivsusest 2) fotoelektronide kiirus oleneb valguse sagedusest; mida suurem valguse sagedus, seda suurem elektronide kineetiline energia. 3)iga metalli jaoks esineb valguse sageduse pii, punapiir, millest väiksema sagedusega valgus ei põhjusta enam fotoefekti; sel juhul läheb valgusenergia vaid metalli soojenemisele. Küllastusvool pingest sõltumatu voolutugevus, mille korral kõik katoodil väljalöödud elektronid jõuavad anoodile. Oleneb valguse tugevusest. Energiakvant: Max Planck. Footon valgusosake. E=h*f
Siin võib kasutada ka valguse lainepikkust f , kus c=3·10 8 m s on valguse kiirus vaakumis. Valgusel on omadus ainest elektrone välja lüüa. Seda nähtust nimetatakse fotoefektiks. Fotoefektil on kaks seaduspärasust: 1) Ainest ajaühikus välja löödud elektronide arv on võrdeline valguse intensiivsusega. See tähendab, et intensiivsem valgus sisaldab rohkem valguse osakesi ehk valguskvante ehk footoneid ja iga kvant lööb ühe elektroni välja. 2) Välja löödud elektronide ehk fotoelektronide energia ei sõltu valguse intensiivsusest vaid on määratud valguse sagedusega. Seega suurema sagedusega valguskvandid on suurema energiaga ja suudavad ka elektronidele rohkem energiat anda. Fotoefekti tekitamiseks peaks aine olema laetud negatiivselt. Sel juhul hakkab välja löödud elektron kehast elektrilise tõukejõu mõjul eemalduma ja keha laeng väheneb. Ka peab ainele langema piisavalt suure sagedusega valgus, et selle kvandid suudaksid ainest elektroni välja lüüa
fotovoolu UV kiirgus b)fotovoolu tugevus sõltub kondensaatori negativse pooluse valgustusega c) valguse mõjul vabanevad negatiivsed laengud (hiljem tõestasid P.Lenardi ja J.Thompsoni katsed 1899, et nendeks on elektronid) 1. 19.sajandi lõpul uuriti fotoefekti väga põhjulikult, avastati nn punapiir st max lainepikkus, millal veel fotoefekti saab kindlast ainest esile kutsuda ja rvutati fotoelektronide kiirus. Ülesandekogus on antud elektroni väljumistööd (selle ainest välja löömiseks vajalik energia) mitme aine kohta: Hõbe - 4,7 eV kaalium - 2,22 eV kaltsiumoksiid -2eV liitium -2,38 eV Naatrium -2,28 eV tseesium -1,94 eV tsink - 4,27 eV volfram - 4,34 eV 1eV = 1,6*10-19C*V= 1,6*10-19J 1. Tehti kindlaks, et fotoelektrinide kiirus ei sõltu valguse intensiivsusest vaid segedusest
kvantide kaupa. Kvanti käsitletakse,kui ühte energia portsionit. Fotoefekt:kiirguse langedes metallipinnale võib sealt välja lüüa elektrone. Tekkimise tingimus: ühe footoni energia peab võrduma elektronide väljumistööga. E = A. E=ühe footoni energia, A=elektronide väljumistöö. Fotoefekti seaduspärasused:Valguse poolt metalli pinnast ühes sekundis eraldunud eletronide arv on võrdeline valguslaine intensiivsusega(mida suurem on kiirus,seda rohkem eraldub elektrone). Fotoelektronide maksimaalne kineetiline energia kasvab võrdeliselt valguse sagedusega ja ei sõltu valguse intensiivsusest(elektronide eraldumise kiirus sõltub kiirguse sagedusest). Energia jäävuse seadus fotoefektikohta:ühe footoni energia peab võrduma elektronide väljumistööga ja fotoelektroni kineelilise energia summaga.h*f = A+m*v2/2. m=9,11*10-31kg. E = A+K. Ühe footoni energia=h=6,62*10-34 J*s.Footonid:on kiirguse kvant,mida iseloomustab: 1.energia võrdeline kiirguse
E=A+K
5. Footonite massi, impulsi ja energia sõltumine sagedusest ja lainepikkusest.
Energia, mass ja impulss on võrdelised sagedusega ja pöördvõrdelised? lainepikkusega.
E=h*f eV J
M=E/c2 =h*f/c2 kg
P=m*c=h*f/c kg*m/s
6. Fotoefekti seaduspärasused
valguse poolt metalli pinnast 1sekundis välja löödud elektronide arv on võrdeline valguslaine intensiivsusega.
fotoelektronide maksimaalne kineetiline energia kasvab võrdeliselt valguse sagedusega ja ei sõltu valguse intensiivsusest.
7. Selgita Comptoni efekti tekkimist
Footon annab elektroniga põrkudes osa oma energiast elektronile, mistõttu elektroni energia suureneb ja footoni energia väheneb. Energia
vähenemine tähendab sageduse vähenemist, see omakorda lainepikkuse suurenemist.
>0
f
- See sõltub punapiirist, pikemad lained ei ole suutelised ainest elektrone vabastama. 17. Mis on punapiir? - Sagesuse seisukohast: Mida väiksem on valguse sagedus seda halvemini vabanevad elektronid. - Lainepikkuse seisukohast: Mida pikemad lained seda halvemini vabanevad elektronid. - Fp= A/h 18. Kas elektronide kiirus sõltub kasutatava vaguse intensiivsusest? Miks? - Jah, sõtub. Mida intensiivsem on valgus, seda kiiremini elektronid eralduvad. 19. Kas fotoelektronide kiirus sõltub kasutatava valguse intensiivsusest? Miks? - Ei sõltu. Fotoelektronidel on oma kiirus, mis ei ole mõjutatav. Kiirus sõltub hoopis sagedusest ja väljumistööst. 20. Kus ja milleks kasutatakse fotoefekti? - fotograafias, fotoaparaatides. - Päikesepatarei, energia tootmiseks. 21. Kas violetne valgus tekitab rauas fotoefekti? - Jah, tekitab küll. Violetsel valgusel on kõige suurem sagedus ja seega tekitab ka kõige intensiivsemalt ka fotoefekti. 22
3. Fotoeffekti I seadus. Selgita, kuidas selleni jõuti. Valguse poolt ühest sekundis väljalöödud elektronide arv on võrdeline valguse intensiivsusega e. Heledusega. Stoletov muutis katoodile langeva valguse värvust, koos sellega sagedust. Sellest tingituna muutus tõkke pinge suurus. Mida suurem sagedus, seda suurem tõkkepinge. 4. Fotoeffekti II seadus. Selgita, kuidas selleni jõuti. Fotoelektronide max. Kineetiline energia kasvab võrdeliselt valguse sagedusega ja ei sõltu valguse intensiivsusest. 5. Mis on küllastusvool? Milline tingimus on selle korral täidetud? Kui pinget tõsta, siis voolutugevus kasvab teatud väärtuseni, mida nim. Küllastusvooluks. ( Jk ) Küllastusvoolu tugevus ei sõltu pingest. Siis jõuavad kõik valguse poolt väljalöödud elektronid anoodile. 6. Mis on tõkkepinge?
NT: Raadiolained levivad kõikjale v.a. metalli, valgust tunnetame silmaga, infrapunast kiirgust kehapinnaga, ülejäänusid aga mitte. 8. Mis on fotoefekt? – jagunemine, iseloomustus, näited Fotoefektiks nim. ainest elektronide väljalöömist valguse poolt. Seda nähtust saab seletada siis, kui vaadata valgust kui osakeste voogu. Seadused: Valguse poolt väljalöödud elektronide arv on võrdeline valguse intensiivsusega Fotoelektronide väljalennus kineetiline energia sõltub valgusallika sagedusest, mitte valusallika intensiivsusest (UV-kiirgusega parem fotoefekt) Jagunemine: Väline fotoefekt – toimub elektronide otsene väljalend aine pinnast (Kastuamine : ööbinokkel) Sisemine fotoefekt – lüüakse elektronid aatomitest välja aine sees [Kasutamine: fotosüntees, valgustundlikud keemilised ained (fotopaber), pooljuhid] 9
Pikemalaineline kiirgus (näiteks punane valgus või soojuskiirgus) ei suuda elektrone ainest välja lüüa. Piiri, millest lühema lainepikkusega kiirgus on võimeline fotoefekti tekitama, nimetatakse punapiiriks. Punapiir on aineti erinev ja ei sõltu pinnale langeva valguse intensiivsusest. Kui nõrk ultravioletne valgus tekitab fotoefekti, siis isegi väga ere punane valgus seda ei tee. Ainest valguse poolt väljalöödud fotoelektronide energia on erinev, aga pole kunagi teatud piirväärtusest suurem. Valguse intensiivsuse suurendamine ei suuda kuidagi väljunud elektronide maksimaalset kiirust (st kineetilist energiat) suurendada, küll aga teeb seda lainepikkuse vähendamine. 8. Kaasaegne aatomimudel 4 kvantarvu. - Kaasaegne aatomimudel kirjeldab elektrone aatomis kvantarvudega. Kirjeldatakse neid piirkondi, kus elektrone võib leida, st elektronide leiulainete kujusid.
toatemperatuuril. ● Ei tohi jätta sõrmejälgi peale ● Puhastamine metanooliga ja läätsede puhastuse materjalidega. ● Valguse transportimisel raskesti ligipääsetava proovi juurde kasutatakse optilisi kiude. 11.Detektorite eesmärk spektroskoopias. Fotoelektronkordisti tööprintsiip. Eesmärk: valguse intensiivsus → lihtsasti mõõdetav signaal (elektriline, nt voolutugevus, pinge) Fotoelektronkordisti - toimub fotoelektronide voolu võimendamine elektronide sekundaarse emissiooni kaudu. Fotoelektron suunatakse esimesele dünoodile. Elektroodide vahele on rakendatud kiirendav pinge suurusjärgus 100V. Elektron saab piisava energia, et dünoodi pinnaga põrkudes lüüa välja mitu sekundaarset elektroni. Viimaseid kiirendatakse elektriväljas kuni nad põrkuvad järgmise dünoodiga jne. Tulemuseks võrdlemisi tugev, mürast selgelt eristuv vooluimpulss. 12.Molekulaarse absorptsiooni spektroskoopia põhimõte
energia ❏ 1905 Einsteini fotoefekti teooria elektronide ja kvantide kaudu. Fotoefekti kasutatakse elektri tootmiseks, päikesepatareid. 3====D ❏ Fotoefekt: ❏ Tekib enamasti ultravioletse valguse toimel, sest pikemalaineline kiirgus ei suuda elektrone ainest välja lüüa. Punapiir - piiri, millest lühema lainepikkusega kiirgus on võimeline fotoefekti tekitama ❏ Ainest valguse poolt väljalöödud fotoelektronide energia on erinev, aga pole kunagi teatud piirväärtusest suurem. Suurema kiiruse annab lühem lainepikkus ❏ hf = A + mv2/2. A - elektroni metallist väljalöömiseks vajalikku tööd; väljumistöö - kui footonitel on energiat vähem, kui kulub väljumistööks, siis fotoefekti ei teki. Kui energiat rohkem, siis tekib lisaks ka teatud kineetiline energia ❏ Ekin = mv2/2. v - elektroni suurim võimalik kiirus; m - elektroni mass
9. Detektorite eesmärk spektroskoopias. Fotoelektronkordisti tööprintsiip. Detektor on kiirguse vastuvõtja ehk fotodetektor konverteerib valguse intensiivsuse mingiks lihtsasti mõõdetavaks signaaliks nt elektriliseks signaaliks (voolutugevus, pinge). Fotoelektronkordisti põhimõte on "paljundada" iga footoni poolt tekitatud elektroni, et footoni neeldumise tulemusel tekiks võrdlemisi tugev, mürast selgelt eristuv vooluimpulss. Fotoelektronkordistis toimub fotoelektronide voolu võimendamine elektronide sekundaarse emissiooni kaudu. Fotoelektron suunatakse esimesele dünoodile. Elektoodide vahele on rakendatud kiirendav pinge suurusjärgus 100V. Sellise potentsiaalide vahe läbimisel saab elektron piisava energia, et dünoodi pinnaga põrkudes lüüa välja mitu sekundaarset elektroni. Viimaseid kiirendatakse elektriväljas kuni nad põrkuvad järgmise dünoodiga. 10.Molekulaarse absorptsiooni spektroskoopia põhimõte
täielikus kooskõlas katsetulemustega. Teooria võrdlusest katsetulemusega leidis ta, et võrdetegur h peab valemis (1) olema võrdne 6,6·10-34 J·s. Aatomite energeetiline seisund saab olla vaid diskreetne aatomitel võib olla ainult selline energiahulk, mis sisaldab täisarvu elementaarseid energiaportsione h. 3. Milles seisneb fotoefekti mõistatus? Fotoefekti põhiline seaduspärasus fotoelektronide energia ei sõltu kiirgusvoo intensiivsusest, vaid kiirguse sagedusest näitab, et antud juhul ei allu ka elektromagnetiline kiirgus (röntgenkiirgus, UV kiirgus) Maxwelli klassikalisele teooriale. Viimase koha pealt peaks elektronidele üleantav energia olema just võrdeline voo intensiivsusega (laine amplituudi ruuduga). Küsimuse lahendas A Einstein valguskvantide hüpoteesi abil. Sellele hüpoteesile vastavalt ei või elektromagnetiline
annaabi.ee 
