II.
KWANTY A ELEKTRONY

II.1. PROMIENIE KATODOWE

Promienie katodowe są przyczyną fluorescencji. Odegrały one bardzo ważną rolę w odkryciu elektronów.
Skład promieniowania katodowego stanowią cząstki elektrycznie naładowane. Dzięki elektroskopowi można było stwierdzić, że cząstki te są ujemne.

Plücker w swoim doświadczeniu badał wyładowania elektryczne w rozrzedzonych gazach poddanych działaniu silnego pola elektrycznego.

S – powłoka fluorescencyjna Z – Zawór K – Katoda A – Anoda D – Diafragma (kolimator) G – Galwanometr HV – Wysokie napięcie

Kolimator (przeszkoda) może przyjmować różne kształty – promieniowanie rozchodzi się po liniach prostych.

Doświadczenie Plückera ukazuje, że barwa świecących gazów jest charakterystyczna dla danego gazu. I tak:

• wodór – fioletowy
• neon – czerwony
• hel – bladoniebieski
• wodór + rtęć – fioletowy

Jeżeli to znika kolorowe jarzenie, ale galwanometr dalej wskazuje na przepływ prądu, pojawia się zjawisko fluorescencji.

J.Thomson (1856 – 1940) – stosując zmodyfikowaną rurkę Plückera wyznaczył – stosunek ładunku do masy.

E – pole elektryczne
B – wektor indukcji magnetycznej
d – odległość między okładkami kondensatora
&delta – kąt pomiędzy promieniem biegnącym gdy pole elektryczne jest równe 0, a promieniem przechodzącym przez niezerowe pole elektryczne.
L – długość kondensatora

gdzie:
F_E – siła elektryczna
q – ładunek elektryczny
V – potencjał

Siła F_E powoduje odchylenie cząstki, która trafia do O₁ (cząstka porusza się ruchem jednostajnie przyspieszonym)

gdzie:
a – przyspieszenie cząstki
t – czas

gdzie:
m – masa cząstki

gdzie:
t – czas działania siły F_E,
l – długość kondensatora
v – prędkość

gdzie:
W – geometryczne wzmocnienie odchylenia

Odchylenie po wyjściu z kondensatora:

Thomson umieścił rurkę w polu magnetycznym i dobrał tak wartość tego pola, żeby plamka nie była odchylona.

Warunkiem tego jest, żeby: , stąd:

– taki wynik uzyskał Thomson w swoim doświadczeniu.

Założenie Thomsona: m – bardzo małe.

Współczesna wartość stosunku e/m wynosi:

Jon	H +	Cu 2+	Ag+

K – promienie katodowe

W celu identyfikacji promieniowania katodowego należy wyznaczyć m i q.
Łatwiej było wyznaczyć ładunek promieni katodowych:

Doświadczenie Millikana (1908) – jeżeli rozpylimy ciecz,cząsteczki cieczy mają ładunek elektryczny.

Kulka jest nieruchoma, gdy:

Warunek równowagi:

Lepkość cieczy pozwala wyznaczyć masę.

Jeżeli ciało porusza się w jakimś płynie, to działa siła tarcia. Jest nią siła Stokes'a Fs

Wzór Stokes'a

gdzie:
&eta – współczynnik lepkości

Warunek równowagi (ogólnie):

Ładunek może przyjmować tylko wartości dyskretne, ładunki są skwantowane.

gdzie:
e – ładunek elementarny

Elektrony są integralną częścią materii, każdego atomu.

II.2. ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE (1887, HERTZ)

Zjawisko fotoelektryczne to zjawisko uwalniania przez światło elektronów z powierzchni metali.
Sposoby pobudzania metali do emisji elektronów:

• bombardowanie metali jonami gazu, aby otrzymać strumień elektronów
• termoemisja – zjawisko emitowania elektronów pod wpływem energii termicznej poprzez rozżarzoną katodę
• fotoemisja (fotoefekt) – emisja elektronów z powierzchni metalu pod wpływem promieniowania

Jeśli f > f_min, to pojawi sie prąd elektryczny (i ≠ 0, a nawet gdy HV = 0).

Lenard (1900)
Zmierzył stosunek cząstek w efekcie fotoelektrycznym i udowodnił, że są one elektronami.

EF – efekt fotoelektryczny
Nośniki prądu płyną od katody (K) do anody (A)
W szczególności badano charakterystyki prądowo – napięciowe.

II.3. CHARAKTERYSTYKA PRĄDOWO – NAPIĘCIOWA

II.3.1. Wpływ natężenia

U⁰ – napięcie hamujące
i – fotoprąd
&Phi – natężenie światła

1. po przekroczeniu pewnej wartości U' natężenie prądu jest stałe.
2. napięcie hamujące nie zależy od strumienia światła

Wniosek:
U₀ jest związane z maksymalną energią kinetyczną.

II.3.2. Wpływ częstości światła

Z rys.II.11. wynika że im większa częstość, tym większy potencjał hamujący.

II.3.3. Wpływ materiału

Metal	[10-13 Hz]	[A]	Zakres fal
Na Al	51,5 63	5830 4770	żółte fioletowe
Zn Sn Cn	80 83 100	3760 3620 3000	UV

Doświadczenie
Szyba – zatrzymuje promieniowanie UV emitowane przez lampę rtęciową.
Po usunięciu szyby przechodzi UV, został wywołany efekt fotoelektryczny – elektroskop się rozładowuje.

II.4. TEORIA EINSTEINA (1905)

Einstein założył, że światło jest strumieniem fotonów.
Foton o energii:

– fotony oddziałując z elektronami całkowicie przekazują im swoją energię
Efekt fotoelektryczny występuje, gdy spełniony jest następujący warunek:

&Delta E – Energia potrzebna na przeniesienie elektronu na powierzchnię i uwolnienie go z tej powierzchni.

gdzie:
E_K – energia kinetyczna emitujących elektronów

Maksymalna energia kinetyczna dana jest następującym wzorem:

W – praca wyjścia – energia, jaką należy dostarczyć elektronowi powierzchniowemu, aby oderwać go od tej powierzchni.

Równanie (II.4.3), to równanie Einsteina. Na jego podstawie można wyjaśnić dlaczego nachylenie prostej na rys.II.12. nie zależy od materiału (kąt nachylenia zależy tylko od stałych uniwersalnych).

A z przecięcia się tej prostej z osią U₀ można wyznaczyć pracę wyjścia.

Wartości pracy wyjścia W dla różnych materiałów: