Energia niesiona przez światło jest kwantowana, czyli przesyłana w kwantach energii, zwanych fotonami. Energia pojedynczego fotonu jest wprost proporcjonalna do częstotliwości światła i wyraża się wzorem:
h – stała Plancka (h=6,63·10-34J·s)
ν – częstotliwość fali świetlnej
Częstotliwość fali świetlnej jest odwrotnie proporcjonalna do jej długości:
c – prędkość światła w próżni (c = 3·108m/s)
λ – długość fali świetlnej
Światło, zgodnie z dualizmem korpuskularno-falowym, jest jednocześnie falą elektromagnetyczną i strumieniem cząstek, zwanych fotonami. Fot. pixabay.com
Zależność ta wyraża się wzorem:
c – prędkość światła w próżni,
λ – długość fali
Zależnie od energii promieniowania elektromagnetycznego i sposobu jego powstawania rozróżnia się fotony (rozpoczynając od najwyższej energii fotonu):
- promieniowania gamma (γ),
- promieni X (rentgenowskich),
- nadfioletu,
- światła widzialnego,
- podczerwieni,
- mikrofali,
- promieniowania radiowego (fale radiowe).
Wszystkie rodzaje promieniowania mają jednakową naturę z fizycznego punktu widzenia.
Energia fotonu jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali świetlnej. By Heron (This file was derived from: Light-wave.svg) [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons
- podczas przejścia danego układu, np. atomu lub jądra atomowego ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii,
- podczas zmiany pędu cząstki naładowanej (tzw. promieniowanie hamowania),
- w wyniku anihilacji par elektron-pozyton – oddziaływania cząstki z odpowiadającą jej antycząstką, podczas którego cząstka i antycząstka zostają zamienione w dwa fotony o energii równoważnej ich masom; zachodzi proces zamiany materii na promieniowanie elektromagnetyczne.
Absorpcja fotonu przez atom lub cząsteczkę może powodować:
- fluorescencję – zjawisko emitowania światła przez wzbudzony atom lub cząsteczkę, przy przejściu elektronu ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego część energii zostaje rozproszona w postaci fali promieniowania (światła) o dłuższej fali niż fala światła pochłoniętego;
- opuszczenie atomu lub cząsteczki przez wzbudzony elektron i przyjęcie go przez cząsteczkę akceptora elektronów (np. w procesie fotosyntezy);
- zjawisko fotoelektryczne lub fotoefekt jądrowy – zjawisko polegające na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu.
Odkrycie efektu fotoelektrycznego przyczyniło się do rozwoju teorii dualizmu korpuskularno-falowego światła. Wyjaśnienie i opis tego zjawiska przedstawione przez Alberta Einsteina oparte jest na założeniu, że energia fali świetlnej pochłaniana jest w postaci kwantów światła (zwanych fotonami) o energii równej hν. Usunięcie elektronów z powierzchni przedmiotu (metalu lub substancji) wymaga wykonania pracy, zwanej pracą wyjścia, a pozostała energii jest unoszona przez emitowany elektron.
Zależność tą można przedstawić wzorem:
h – stała Plancka (h=6,63·10-34J·s)
ν – częstotliwość fali świetlnej
W – praca wyjścia
Eₖ - maksymalna energia kinetyczna emitowanych elektronów
Za odkrycie praw rządzących zjawiskiem fotoelektrycznym Albert Einstein otrzymał w 1921 r. Nagrodę Nobla.
Badania Einsteina prowadzone były niezależnie od badań Plancka nad promieniowaniem ciała doskonale czarnego. Próby teoretycznego wyjaśnienia tego zjawiska w zależności od częstotliwości promieniowania doprowadziły do sformułowania pojęcia kwantu energii promieniowania.
1. Rozproszenie fotonów (zjawisko Comptona, rozpraszanie comptonowskie) – polegające na rozpraszaniu krótkofalowego promieniowania elektromagnetycznego (rentgenowskiego lub γ) w postaci wysokoenergetycznych fotonów na swobodnych elektronach;
W wyniku zderzenia pojedynczego fotonu z elektronem część energii oraz pędu fotonu zostaje przekazana elektronowi, co powoduje zwiększenie się długości fali (zmniejszenie energii fotonu i zmiana jego kierunku). Fotony podczas oddziaływań zachowują się jak cząstki, a powstałe układy foton-elektron w zderzeniach zachowują pęd i energię.
Fotony (kwanty promieniowania elektromagnetycznego) mogą poruszać się z prędkością absolutną, czyli prędkością światła w próżni (c = 3·108m/s). Mimo tego, że fotony charakteryzują się zerową masą spoczynkową, posiadają pęd, który wynosi:
h – stała Plancka (h=6,63·10-34J·s),
λ – długość fali świetlnej
Po wyjaśnieniu kwantowej natury zjawiska fotoelektrycznego był to kolejny dowód na istnienie fotonów. Za odkrycie tego zjawiska A.H. Compton otrzymał w 1927 r. Nagrodę Nobla.
2. Odwrotne zjawisko Comptona (odwrotne rozpraszanie Comptona) – rozpraszanie promieniowania elektromagnetycznego na elektronach relatywistycznych (tzn. o prędkościach bliskich prędkości światła w próżni), polega na zderzeniu elektronu o wysokiej energii z fotonem o niskiej energii, co skutkuje zwiększeniem się energii fotonu); jeden z procesów prowadzących do powstawania promieniowania X (rentgenowskiego) i gamma (γ) np. po wybuchach supernowych.
Zjawisko Comptona/Wikipedia
Bibliografia
- Zdzisława Otałęga (red. nacz.); “Encyklopedia biologiczna T. III”; Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1998;
- “Nowa Encyklopedia Powszechna PWN”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1997;
- David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker; “Podstawy fizyki T. 2”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015;
- Igor W. Sawieliew,; “Wykłady z fizyki, tom 2. Elektryczność i magnetyzm, fale, optyka ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2013;
- Igor W. Sawieliew, ; “Wykłady z fizyki, tom 3. Optyka kwantowa, fizyka atomu, fizyka ciała stałego, fizyka jądra atomowego i cząstek elementarnych, ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2013;
- promil
