IŞIK
advertisement
Elektromanyetik Işıma Electromagnetic Radiation (EMR) • Elektromanyetik ışıma (ışık) bir enerji şeklidir. • Işık, Elektrik (E) ve manyetik (H) alan bileşenlerine sahiptir. Light is a wave, made up of oscillating electric and magnetic fields. • Özellikleri – Dalgaboyu (l) Wavelength – Frekans (ν) Frequency –Genlik (A) Amplitude – Hız (c) Speed of light • Dalgaboyu (l): İki tepe noktası arasındaki mesafedir. • Frekans (n): Bir saniyede belirli bir noktadan geçen dalga sayısıdır Frekans azalır Dalgaboyu artar n1 < n2 < n3 l1 > l2 > l3 Birim: 1/s birim: uzunluk (m) • Dalgaboyu ve frekans çarpımı sabittir (l)(n) = c Işık hızı c = 3 x 108 m/s (vakumda) Işığın sınıflandırılması Işığın dalga yapısı Engelde bir delik varsa Açıklayabilir: 1. 2. Kırınım (diffraction) Girişim (interference) Açıklayamaz: 1. 2. 3. Siyah cisim ışıması Fotoelektik Olay Compton saçılması Kırınım Su dalgası engeldeki bir delikten (veya yarıktan) geçerken, delik bir ışık kaynağı gibi davranır. Engelde iki delik varsa Girişim Koyu çizgi: dalganın maksimumu Açık çizgi : dalganın minimumu Işık ve enerji • 1900 yılı önceleri enerji ve maddenin farklı şeyler olduğu düşünülüyordu. • Planck, akkor halindeki katıların yaydığı ışınları incelemiştir. Bir katı cisim ısıtıldığında, • Işıma şiddeti artar • λmax daha küçük dalgaboyuna kayar Klasik fizik bu gözlemi açıklayamaz ! “The Ultraviolet Catastrophe” Flamanı ısıtırsak rengi nasıl değişir? Sıcaklık arttıkça dalgaboyu azalır Siyah Cisim Işıması (Blackbody Radiation) Siyah cisim ideal bir cisimdir. 1. Üzerine düşen bütün ışınları absorblar. 2. Her dalga boyunda ışıma yapar. 3. Işıma şiddeti ve spektrumu sıcaklığa bağlıdır. Siyah cisim örnekleri T=2.73 K Güneş , T = 6000 K Mavi fotonlar, hν = 3eV (12000 K) Akkor filaman, T < 6000 K Kor (ateş), T 2000 K İnsan vücudu, T = 310 K ( IR gece görüşü ) Evren (yıldız ve galaksiler), T=3 K Cosmic Background Radiation Cisimler niçin ışıma yapar? Mutlak sıfırdan yüksek sıcaklıktaki bütün cisimler elektromanyetik ışıma yaparlar – ısı enerjisi Isı, molekül hareketlerinin (öteleme, dönme, titreşim) ortalama kinetik enerjisinden kaynaklanır Cisimlerin top-yay modeli Cisimler atomlardan meydana gelmiştir Titreşen atomlar ışıma yaparlar. Klasik Fizik Klasik Fizik Kuantum Fiziği Klasik fizik – atomlar her frekansta salınım yapabilir Planck (1900) – atomlar sadece belirli frekanslarda salınım yapabilirler. Klasik fizik, siyah cisim ışımasını sadece büyük dalga boylarında açıklayabilir. Plank’ın Çözümü Planck’s Solution Planck sıcak cismin soğurken enerjisini ışık halinde ve tamsayı katları şeklinde kaybettiğini öngörmüştür. En = nhn n = 1, 2, 3 …. E = enerji n = kuantum sayısı, tamsayı (integers) h = Plank sabiti (Planck’s constant) n = frekans h = 6.626 x 10-34 J.s Işığın kuantlaşması Quantization of Light Einstein, ışığın foton adı verilen enerji paketlerinden oluştuğunu ileri sürmüştür. Efoton = hn Örnek: 500 nm dalgaboyundaki fotonun enerjisi nedir? n = c/l = (3x108 m/s)/(5.0 x 10-7 m) n = 6 x 1014 1/s E = h n =(6.626 x 10-34 J.s)(6 x 1014 1/s) = 4 x 10-19 J Fotoelektrik Olay The Photoelectric Effect Metal yüzeyine gelen ışık elektron koparır. Buna fotoelektrik olay denir. Fotoelektrik olay klasik fizik ile açıklanamaz. Fotoelektrik Olay Gelen ışığın frekansı belirli bir eşik değerin (no ) altında ise elektron koparamaz, elektronların kopması ışığın şiddetine bağlı değildir. Gelen ışığın frekansı arttıkça kopan elekronların kinetik enerjisi artar; elektronların kinetik enerjisi ışığın şiddetine bağlı değildir. Gelen ışığın şiddeti arttıkça kopan elektron sayısı artar. Eşik frekans değerleri FOTOELEKTRİK OLAY ÇİZELGESİ Dalga Tanecik Sonuç Hız Artar Artar Artar KE Artar Değişmez Değişmez Hız Değişmez Artar Artar KE Değişmez Artar Artar Işık şiddeti arttıkça Işık frekansı arttıkça Fotoelektrik olay’ın açıklanması (Einstein 1905, Nobel Ödülü 1921) 1 2 men hn photon 2 e- ların kinetik enerjisi Gelen ışık enerjisi İş fonksiyonu veya eşik enerjisi = iş fonksiyonu (work fuction) e- kopması için gereken en düşük enerji SONUÇ : Işık tanecik gibi davranır ÖRNEK : Na için = 4.4 x 10-19 J dür. Eşik frekansına (no ) karşılık gelen dalgaboyu nedir? 0 1 2 men hn photon 2 hn = = 4.4 x 10-19 J hc/l = 4.4 x 10-19 J 6.626x1034 J.s3x10 8 m /s hc l 19 4.4 x10 J 4.4 x1019 J l = 4.52 x 10-7 m = 452 nm Walker Problem 25, pg. 1008 Zinc and cadmium have photoelectric work functions given by WZn = 4.33 eV and WCd = 4.22 eV, respectively. (a) If both metals are illuminated by UV radiation of the same wavelength, which one gives off photoelectrons with the greater maximum kinetic energy? Explain. (b) Calculate the maximum kinetic energy of photoelectrons from each surface if l = 275 nm. IŞIK: Dalga mı ? Tanecik mi ? 1. Newton – ışık tanecik gibi davranır. Yansıma (reflection) 2. Kırınım (diffraction) ve girişim (interference) ışığın dalga özelliği ile açıklanır. 3. Fotoelektrik olaya göre ışık taneciktir. CEVAP : Her ikisi ! ÖZET Dalga- tanecik ikiliği (Wave – Particle Duality) Nasıl ölçüldüğüne (veya etkileştiğine) bağlı olarak ışık hem dalga hem de tanecik gibi davranır GENEL KURAL Işık uzayda yol alırken dalga gibi davranır. Işık madde ile etkileşirken tanecik gibi davranır. ….. atomlar da benzer özellik gösterirler mi? Atomların dalga özelliğini başka bir mekanik tanımlar. KUANTUM MEKANİĞİ ! Compton saçılması (1923) (Compton scattering) lf > l i • Duran bir atom veya elektron üzerine gönderilen ışık saçılmaya uğrar. • Saçılan ışınların dalga boyları gönderilen ışığın dalga boyundan büyüktür. • Saçılma açısı büyüdükçe saçılan ışığın dalga boyu artar. Klasik fizik Compton sacılmasını açıklayamaz. Fotonlar enerji taşıyorsa, momentum da taşıyabilirler. E = hn ise, foton momentumu P = hν/c = h/l dir. Bu çarpışmada enerji ve momentum korunum yasaları geçerli olmalıdır. Energy Conservation hf hf ' K Momentum Conservation h l h cos pe cos l Klasik teoriye göre, saçılan ışınların dalga boyu gelen ışığın dalga boyuna eşit olmalıdır. Kuantum teorisine göre ,saçılan foton daha düşük enerjiye ve bu nedenle daha uzun dalga boyuna sahip olmalıdır.
