II osa Kvantoptika (0)

II osa Kvantoptika
T 02.05.2006 12. Valgus kui footonite voog .
20.sajandi algul oli füüsikas 2 probleemi, mis olid seotud valgusega : 1) ei osatud selgitada fotoefekti ehk elektronide väljalöömist metallist valguse abil ehk fotovoolu tekkimist valguse toimel ja 2) ei osatud selgitada tahkete hõõguvate kehade kiirgusspektreid.
1. Milline oli 1900.a. Saksa füüsiku Max Plancki tööhüpotees valguse kiirgumise kohta aatomeist? Valgus ei kiirgus aatomeist lainena, vaid energiaportsjonite ehk kvantide kaupa. Ladina keeles quantum on portsjon.
2. Kirjuta Max Plancki valem valgusosakese ehk footoni energia leidmiseks. E = hf, kus h on Plancki konstant ja f valguse sagedus.
3. Mida näitab Plancki konstant ja kui suur ta on? h = E/f näitab, et valguse sagedusühiku kohta tulevat kvandi energiat ja see on h = 6,6.10-34J/s
4. Millise füüsika aluseks sai Plancki tööhüpotees footonitest? Kvantfüüsika.
5. Millise 20.sajandi alguse füüsika probleemi lahendas Max Planck , mille eest ta sai ka Nobeli preemia? Ta lahendas kehade soojuskiirguse teoreetilise kirjeldamise probleemi.
Lahenda ülesanded 1-5 lk.81-82. Vastata küsimused 1 ja 2 lk 82
13. Fotoefekt . 13.1. Fotoefekti katsed
6. Mida nimetatakse fotoefektiks? Elektronide väljalöömist ainest (metallist, pooljuhist) valguse toimel.
7. Analüüsi elektroni välja löömist metallist valguse toimel, kui metall on + laenguga ja kui metall on – laenguga. + laenguga metall tõmbab väljalöödud elektroni tagasi, -laenguga metalli puhul aga seda ei juhtu.
8. Joonista fotoefekti uurimisseadme skeem. Vt joonis 13.3 lk 84
9. Kes uuris selle skeemi abil esimesena fotoefekti seaduspärasusi juba 1888.a.? Vene füüsik A. Stoletov (1839-1896)
10. Kes selgitas fotoefekti 1905.aastal ja sai selle töö ja lisaks valguse kvantteooria eest 1921.a. Nobeli preemia? Albert Einstein .
11. Joonista fotovoolu graafik sõltuvalt katoodi ja anoodi vahelisest pingest . Vt joonis 13.4 lk 85
18. Selgita graafiku osi: vool enne 0 pinget, vool peale 0 pinget ja küllastusvool. Enne 0 on pinge negatiivne ja mingil pingel fotovoolu ei teki, siis 0 juures on fotovool olemas ka ilma pingeta anoodi ja katoodi vahel, edasi positiivne pinge suurendab fotovoolu ja alates mingist pingeväärtusest jõuavad ka kõik valguse poolt negatiivselt laetud katoodist välja löödud elektronid positiivselt laetud anoodile
13.2. Fotoefekti teooria
19.Fotoefekti seaduspärasused. 1) muutumatu valguse intensiivsuse korral oleneb tekkiva fotovoolu tugevus rakendatud pingest katoodi ja anoodi vahel; 2) fotovoolu tugevus sõltub valguse lainepikkusest.
20. Mis on fotoefekti punane piir? Pikemate lainete (spektri punases osas) juures ei jätku kvandi energiast elektroni ainest välja löömiseks ja fotoefekti ei teki, siis nimetus kas punane piir või pikalaineline piir.
21. Mis on väljumistöö? Et elektrone hoiavad aines kinni kristallvõre tippudes olevad + ioonid , siis on vaja teha tööd elektriliste tõmbejõudude ületamiseks ja seega kulub fotoelektroni väljumistöö nende jõudude ületamiseks ja elektronile kineetilise energia andmiseks .
22. Einsteini valem fotoefekti jaoks ja selle seletus. hf = A + mv2/2, kus h on pealelangeva valguse sagedus, kokku hf on valguskvandi energia, mis muutub fotoelektroni antud ainest väljumise tööks A ja energia ülejäägi saab elektron kaasa kineetilise energia mv2/2 näol, kus m on elektroni mass ja v tema kiirus ainest välja tulemisel.
23. Kirjuta fotoefekti punase piiri sageduse valem. f = A/h
24. Kirjuta fotoefekti punase piiri lainepikkuse valem.  = c/f = ch/A, kus  (loe lambda ) 0n valguse lainepikkus ja c = 300 000km/s = 3.108 m/s on valguse kiirus vaakuumis, f valguse sagedus ja A elektroni väljumistöö ainest.
Kirjuta vihikusse näidisülesanne lk 86 ja lahenda ülesanded 1-9 lk 87-88 ja vasta paragrahvi lõpus toodud küsimustele
R 05.05.2006 Fotoefekti rakendused 14.1 Fotoelement ja fotokordisti
1. Mis juhtub fotoelemendis pealelangeva valgusega? Valguse toimel tekib elektrivool ehk valguse energia muundatakse elektrienergiaks.
2. Joonista fotoelemendi skeem. Selgita töö põhimõtet. Fotoelement on õhutühi kolb , mille sisemine pind on osaliselt kaetud metallikihiga, mille väljumistöö on väike. See on katoodiks. Kolvi keskel on traatsilmus— anood , kuhu siirduvad katoodilt väljalöödud elektronid, mis loovad fotovoolu. Mida tugevam vool, seda intensiivsem valgus langes.
3. Fotoelektronkordisti skeem. Selgita töö põhimõtet. Nõrga valguse mõõtmiseks juhitakse katoodist väljalöödud elektronid teisele elektroodile + dünoodile, kust lüüakse valgustundlikust kihist välja uusi elektrone, need suunatakse järgmisele +dünoodile jne—elektronide arv mitmekordistub, kuni valgussignaal on mõõdetav.
4. Kus kasutatakse fotoelemente? Tänavavalgustuse sisse ja välja lülitamine, detailide loendajad konveieris, metroos, kinos, fotograafias, televisioonis, automaatikas ja telemehaanikas. Sisemise fotoefektiga pooljuhtidel töötavad veel fototakistid, fotodioodid, päikesepatareid.
5. Mis erinevus on sisemisel ja välisel fotoefektil? Sisemine fotoefekt on pooljuhtides, kus valgus ei löö elektrone ainest välja nagu välise fotoefekti korral, vaid lihtsalt vabastab elektronid aatomitest, et elektronid saaksid siis elektrivälja toimel liikuma hakata.
14.2 Päikesepatarei.
6. Millest koosneb päikesepatarei? Koosneb tervest hulgast üksikutest pooljuhtdioodidest--fotoelementidest., mis on omavahel elektriliselt ühendatud suurteks patareideks.
7. Kus kasutatakse päikesepatareid? Et Päike annab Maale igas sekundis 3.1010MJ energiat, mis võrdub mitme miljoni hiidhüdroelektrijaama energiaga, siis töötab selle energia arvel Maal juba mitmeid elektrijaamu, mille võimsus ulatub kümnete megavattideni. Kosmoselaevad, sidesatelliidid töötavad kõik päikesepatareidega.
Lahenda ülesanded 1-4 lk 92 ja vastata küsimustele lk.93
T 09.05. 2006 15. Footonid.
1. Kuidas nimetatakse valguseosakesi ehk valguskvante? Footonid.
Kirjuta kodus vihikusse näidisülesanne lk.93
2. Kas footonil on seisumass? Ei
3. Millises olekus footon saab eksisteerida? Ainult liikuvas olekus, kiirusega 300 000 km sekundis.
4. Tuleta valem footoni massi arvutamiseks, kasutades kvandi energia ja Einsteini valemit mistahes keha energia arvutamiseks. E=hf ja E=mc2 m= hf/ c2 Kirjuta kodus vihikusse näidisülesanne lk.94
5. Kirjuta footoni impulsi ehk liikumishulga valem. p=mc
6. Avalda footoni impulss lainepikkuse kaudu, kasutades valguse kiiruse, sageduse ja lainepikkuse omavahelise seose valemit. c= f m=h/f Lahenda ülesanded 1-6 lk.95 Vasta küsimustele 1-4 lk.95
R 12.05.2006 16. Nähtusi, kus avaldub valguse kvantiseloom. 16.1 Valguse rõhk
1. Miks avaldab valgus rõhku? Rõhk tekib sellest, et põrkudes vastu anuma seina, antakse footoni impulss üle seinale. Et lugemiseks vajaliku valgustatuse puhul langeb raamatulehe igale ruutsentimeetrile sekundis 1013 -1014 footonit, siis koos nad tekitavadki märgatava rõhu.
2. Kes mõõtis esimesena 1900.a. valguse rõhku? Vene füüsik P. Lebedev. Katseseadmeks oli peenikese kvartsniidi otsa riputatud kerge vardake, otstes õhukesed kettakesed, mis asus õhutühjas anumas. Ühe kettakese valgustamisel varras pöördus ja pöördenurga järgi sai määrata jõu. Jagades jõu kettakese pindalaga sai Lebedev valguse rõhu.
3. Millega on valguse rõhk võrdeline? Intensiivsusega—mida rohkem footoneid ajaühikus pinnaühikule langeb , seda suurem on valguse rõhk. Kirjuta kodus vihikusse näidisülesanne lk 96- 97
16.2 Comptoni efekt
4. Millal avalduvad valguse kvantomadused paremini? Röntgenikiirguse korral
5. Milles seisneb Comptoni efekt? Ameerika füüsik, avastas 1922, 1927 Nobeli preemia. Röntgenikiirguse hajumisel metallidelt (vabadelt elektronidelt) suureneb kiirguse lainepikkus (väheneb sagedus) ehk põrkudes elektroniga ANNAB FOOTON TALLE OSA OMA ENERGIAST JA SEEGA FOOTONI ENERGIA VÄHENEB (SAGEDUS VÄHENEB JA LAINEPIKKUS SUURENEB).
16.3 Fotokeemilised reaktsioonid.
6. Milliseid reaktsioone nimetatakse fotokeemilisteks? Toimuvad ainult valguse osavõtul.
7. Nimeta fotokeemilisi reaktsioone. Fotosüntees, osooni tekkimine. (02+ hf --02´ +02—O3+O)
Osa keemilisi reaktsioone, mis muidu nõuaksid reaktsioonis osalevate ainete kuumutamist mitme tuhande kraadini.
Kirjuta kodus vihikusse näidisülesanne lk. 99
16.4 Fotograafia
8. Kirjuta pildistamisel valguse toimel filmis tekkiv reaktsioon. AgBr +hf—AgBr´--Ag+Br
9.Mis toimub filmi ilmutamisel? Nähtava kujutise saamiseks tuleb film ilmutada ja ilmutamise käigus eraldub filmi katvast emulsioonist atomaarne hõbe. Alles jäävad Br aatomid , mis neelavad valgust ja tekitavad negatiivkujutise. Et see ei reageeriks rohkem valgusele , film kinnistatakse.
Kinnistamisel lahustatakse allesjäänud AgBR kirstallid ja pestakse need emulsioonist välja. Saadakse filmi negatiiv, kus enam valgustatud kohad on tumedad ja vähem valgustatud kohad heledad.
Pärast tuleb positiivi saamiseks valgustada fotopaberit läbi negatiivi ja jälle ilmutada ja kinnistada.
Lahenda ülesanded 1-7 lk 101. Vasta küsimustele 1-5 lk. 101
T 16.05.2006 17. Valguse dualistlik käsitlus.
1. Milliseid nähtusi seletatakse valguse laineteooriaga? Difraktsioon , interferents , murdumine ja dispersioon. Valgus ise on elektromagnetlaine.
2. Milliseid nähtusi seletatakse valguse kvantteooriaga? Fotoefekt, valguse neeldumine ja kiirgumine . Valgus on kui footonite voog, mis kiirguvad ja neelduvad kui osakesed, mille energia on võrdeline valguslaine sagedusega.
3. Miks me ei erista raadiolainete puhul elektromagnetvälja kvante? Sagedusel 1MHz on ühe kvandienergia nii väike, et signaali tekitamiseks peab antenni jõudma 1010kvanti sekundis. Neid tuleb niipalju, et moodustavad raadiolained , mida aga kõrv ei erista.
4. Miks me ei erista gammakiirguse korral (kõige lühilainelisem elektromagnetiline kiirgus looduses, tekib aatomite tuumades radioaktiivsel lagunemisel) lainelisi omadusi? Siin on juba ühel kvandil niipalju energiat, et võib esile kutsuda märgatavaid efekte . Näiteks võib tuumareaktsioon tekkida nii neutroni, prootoni kui gammakvandi toimel.
5. Millises lainealas on aga elektromagnetvälja kvantidel nii lainelised kui korpuskulaarsed omadused? Valgusel, mille sagedus jääb gamma kiirguse ja raadiolainete vahele, on mõlemad omadused.
6. Millise maailma—mikro- või makromaailma seadused—ja miks kehtivad valguse jaoks? Et valgus tekib aatomite sees, siis on tegu mikromaailmaga, kus kehtivad teised seadused kui makromaailmas.
Vasta küsimusele 1 lk. 104.
R 19.05.2006
Arvestustöö Kvantoptika
T 23.05.2006
Üldine kordamine. Praktikum . Ülesannete lahendamine.
R 26.05.2006
Üldine kordamine. Praktikum. Ülesannete lahendamine
T 30.05
Üldine kordamine. Praktikum. Ülesannete lahendamine
R 02.06
Üldine kordamine. Praktikum. Ülesannete lahendamine. Hinnete panemine .
2