Elemente de fizica cuantica

Pe masura adanciri studiilor legate de structura si proprietatile atomilor, fizicienii au ajuns tot mai mult la concluzia ca greutatile si deficientele intampinate de modelul

Bohr -Sommerfield au o cauza mai profunda. Cu alte cuvinte greutatile pe care le intampina in a descrie corect atomul se regasesc sub o forma sau alta la intelegerea oricaror fenomene de la o scara a dimensiunilor de ordinul 10^-8 cm. De aici a rezultat ca trebuie cautata o descriere mai corecta , mai conforma cu realitatea tuturor fenomenelor microscopice. Concluzia este ca mecanica lui Newton nu mai poate descrie corect fenomenele la aceasta scara.

Fenomene cum ar fi efectul fotoelectric sau emisia de radiatie termica nu pot fi incadrate corect in teoria ondulatorie a luminii. La o analiza ceva mai atenta rezulta ca fenomenele care nu pot fi corect explicate ondulator corespund momentului de aparitie (nastere) sau disparitie a radiatiei luminoase, momente care presupun directa legatura intre radiatie si atom. Intr-un fel acest lucru a fost explicat de catre modelul Bohr prin introducerea postulatelor. In fond in spatele acestor postulate se ascunde cheia intelegerii fenomenelor la scara atomica.

Newton insa a observat ca fenomenele luminoase pot fi descrise foarte bine pana la un anumit punct pe o baza ondulatorie cat ti pe o baza corpusculara.

Nu pot fi explicate simultan, ondulator ti corpuscular acele fenomene care sunt conditionate de trasaturile ce deosebesc cel mai mult particulele de unde in particular deosebirea este legata de introducerea spatiala pe care o ocupa o particula sau o unda. O particula este totdeauna localizata intr-o regiune finita a spatiului, pe cand emisia radiatiilor termice ca si efectul fotoelectric presupun restrangerea si localizarea undei intr-o regiune extrem de mica (deci cu caractere corpusculare). In acest fel trebuie sa admita ori ca lumina in diverse momente este cand unda, cand particula ceea ce este deosebit de greu de inteles, ori presupune ca lumina contine in sine ambele calitati dar ca in unele momente, una dintre calitati predomina .

A doua alternativa pare mai usor de acceptat cu conditia sa putem cunoaste si explica fizica, cand, cum si de ce se comporta lumina, dominant ondulatoriu sau dominant corpuscular.

Astfel ajungem la concluzia ca lumina trebuie sa contina ambele calitati : unda si particula. In acest caz , pot fi explicate atat fenomenele de interferenta cat si cele cu caracter corpuscular, formand astfel o unitate indestructibila unda-particula numita foton.

DOVADA A CUANTIFICARII ENERGIEI

Efectul fotoelectric consta in emisia de electroni de catre o suprafata metalica datorita reactiunii acestuia cu un fascicul de radiatii incidenta pe ea. Studiul efectului fotoelectric a condus la descoperirea legilor acestui fenomen. Dintre legile efectului fotoelectric doua nu au putut fi explicate.

I. Emisia de electroni (foto electroni) au loc numai daca rad incidenta au o frecventa ce depaseste o anumita frecventa si frecventa de prag specifica fiecarui metal.

II. Energia cinetica a fotoelectronilor emisi de suprafata creste cu frecventa incidenta dintr-o functie si este incidenta dintr-o functie si este independenta de radiatii incidente.

Explicatia celor doua legi o da A. Einstein in 1904-1905, plecand de la ipoteza cuantificarii a lui Plank. El admite ca radiatia luminoasa incidenta nu transporta energie in mod continuu, ca efectul fotoelectric corespunde transferului de energie de la un foton la un electron (ciocnire foton-electron cu anihilarea fotonului) conform bilantului de energie:

(2) unde: - lucrul mecanic de extractie; - energia cinetica a fotoelectronului; - energia foton - electron incident.

Masurat experimental au pus in evidenta o concordanta destul de buna intre teoria cuantica a lui Einstein si legile descoperite experimental astfel ca efectul foto- electric este o noua dovada a cuantificarii energiei purtata de radiatia luminoasa.

unde: m - masa de miscare; - masa de repaus.

(3)

(4)

Daca folosim relatia (4) pentru foton vom avea in vedere ca fotonul nu exista in repaus.

; (4)TE=C*P; E=e=hn hn=C*PT;

(5)

Relatia (5) reprezinta legatura duala corpuscul - unda a fotonului.

Aplicatiile efectului fotoelectric extern

Celula fotoelectrica este alcatuita dintr-un tub de sticla vidat sau continand un gaz inert la presiune redusa care are in interior doi electrozi : catodul ( C ) format dintr-un strat subtire de metal (Cs, Na, K) depus pe o portiune din peretele tubului si anodul (A). format dintr-o retea de inel sau bobita metalica.

      fig.1 - Celula fotoelectric

Sub actiunea radiatiilor electromagnetice (vizibile) fotocatodul emite electroni care sunt dirijati spre anod datorita campului electric produs de tensiunea dintre C si A si sunt captati de catre acesta stabilindu-se un curent electric, indicat de galvanometru "G". Deci celula fotoelectrica transforma un semnal luminos intr-un semnal electric.

Celulele fotoelectrice cu vid sunt mai putin sensibile (curentul fotoelectric se stabileste la valori mai mari ale fluxului radiatiilor electromagnetice), dar sunt lipsite de inertie (intensitatea curentului fotoelectric urmareste prompt si liniar variatia fluxului luminos care cade pe catod); celulele cu gaz sunt mai sensibile dar prezinta o inertie determinata de procesele ce se produc in cazul din tub.

Fotomultiplicatorul este alcatuit dintr-un tub de sticla vidat in care se afla un catod C, un anod A si un numar oarecare de electrozi auxiliari numiti dinode (fig. 2) . O dinoda este un electrod care bombardat cu un numar de electroni emite un numar mai mare de electroni secundari. Cu ajutorul unui divizor de tensiune format cu ajutorul rezistentelor R1, R2, R3, si R4 fiecare dinoda, incepand cu cea de langa catod, se afla la un potential electric superior celei precedente.

Sub actiunea luminii, fotocatodul emite electroni care sunt accelerati spre dinoda D1 pe care o bombardeaza. Aceasta emite un numar mai mare de electroni care sunt accelerati spre dinoda D2- La randul ei dinoda D2 emite un numar mai mare de electroni astfel incat, in final la anod va ajunge un numar amplificat de electroni. Prin rezistorul R_s din circuitul anodului se stabileste un curent electric de 10⁶ -10⁷ ori mai mare decat in cazul unei celule fotoelectrice.

Dispozitivele opto-electrice descrise prezinta o multitudine de utilizari in diferite domenii ale tehnici , ne vom opri doar asupra folosirii acestor dispozitive la releul fotoelectric.

Releul fotoelectric este un electromagnet care poate comanda inchiderea si deschiderea unui circuit electric. In cazul releului fotoelectric (fig. 3) lumina cade pe fotocatod si determina aparitia unui camp electric care dupa amplificare strabate electromagnetul al carui camp produce inchiderea circuitului comandat.

Avand comenzi comode, sigure si rapide, releul fotoelectric se foloseste la numararea unor obiecte in miscare, la intreruperea automata a functionarii unor masini-unelte cand operatorul a intrat intr-o zona unde este pericol de accidentare, la conectarea automata a retelei de iluminat in momentul intunecari etc.