💡 Kvantová fyzika a atom

Fotoefekt

O čem to je

Kolem roku 1900 fyzici mysleli, že rozumí skoro všemu. Pak narazili na pokusy, které nedávaly smysl: silné červené světlo nevyrazí z kovu ani jeden elektron, slabé ultrafialové ano. Vysvětlení změnilo pohled na svět – světlo přichází po kouscích.

Na kvantové fyzice stojí solární panely, fotoaparát v mobilu, lasery, LED i všechna elektronika.

Nové pojmy

FotonNejmenší „balíček“ světla. Světlo přichází po fotonech, jako déšť po kapkách. Energie jednoho fotonu závisí jen na frekvenci (barvě): E = h · f.Fialový foton nese víc energie než červený.
Planckova konstanta hh = 6,63 · 10⁻³⁴ J·s. Nepatrné číslo – proto si „zrnitosti“ světla v běžném životě nevšimneme.
Elektronvolt (eV)Malá jednotka energie pro atomy: 1 eV = 1,6 · 10⁻¹⁹ J.
Fotoelektrický jev (fotoefekt)Světlo vyráží elektrony z povrchu kovu.
Výstupní práce W_vEnergie potřebná k vytržení elektronu z kovu. Pro zinek asi 4,3 eV.

Pokus se zinkem

Svítíš na zinkovou desku červeným světlem – i velmi silným. Nic.
Svítíš ultrafialovou lampou – i slabou. Elektrony vyletují.
Zesílíš UV – vyletuje víc elektronů, ale nejsou rychlejší.
Použiješ UV s vyšší frekvencí – elektrony jsou rychlejší.

Vysvětlení (Einstein, 1905): jeden foton předá energii jednomu elektronu. Když má foton méně energie než je výstupní práce, elektron neuvolní – a nepomůže, že fotonů je hodně. Silnější světlo = víc fotonů = víc elektronů. Vyšší frekvence = energičtější foton = rychlejší elektron.

Porovnej energii fotonů s výstupní prací zinku. Který foton elektron uvolní?

Žádný viditelný – na zinek musí ultrafialové. Energetická bilance: h · f = W_v + E_k (energie fotonu = výstupní práce + pohybová energie elektronu).

Foton s energií 5 eV dopadne na kov s výstupní prací 2 eV. Jakou nejvyšší kinetickou energii má elektron?
E_k = 5 − 2 = 3 eV.

Atom má schody

Elektron v atomu nemůže mít libovolnou energii – jen určité hodnoty, energetické hladiny, jako schody. Když seskočí na nižší schod, vyzáří foton s energií přesně rovnou výšce schodu. Proto svítící plyn nedává duhu, ale jen několik barevných čar – čárové spektrum.

Elektron ve vodíku seskočí z hladiny −3,4 eV na −13,6 eV. Jakou energii má vyzářený foton?
Rozdíl: −3,4 − (−13,6) = 10,2 eV (ultrafialový foton).

Vlna, nebo částice?

Světlo interferuje jako vlna, ale při fotoefektu se chová jako částice. A obráceně: elektrony, „zaručené částice“, při průchodu krystalem interferují jako vlny. Tomu se říká dualismus vlna–částice.

Ve vzorcích: hladiny vodíku E_n = −13,6 eV / n² (n = 1, 2, 3…), vlnová délka částice s hybností p je λ = h / p (Louis de Broglie). Kvantum energie objevil Max Planck, model atomu s hladinami Niels Bohr.

✗Když fotoefekt nenastává, stačí světlo zesílit.
✓Je potřeba zvýšit frekvenci (posunout barvu k UV), ne intenzitu.

Každý foton jedná sám za sebe. Tisíc slabých fotonů nemůže spojit síly a vyrazit jeden elektron.

Světlo přichází po fotonech s energií E = hf. Fotoefekt závisí na frekvenci, ne na intenzitě: hf = W_v + E_k. Atom má hladiny energie, přechody dávají čárové spektrum.

Vztahy

O čem to je

Astronomové z čar ve spektru hvězdy poznají, z čeho je složená. Inženýři počítají, jaké světlo zachytí solární článek. Elektronový mikroskop vidí detaily, na které světelný nestačí. Vše stojí na několika kvantových vztazích.

Nové pojmy

Kvantum a fotonKvantum = nejmenší dávka energie. Max Planck (1900) zjistil, že těleso vyzařuje energii po dávkách E = h · f. Foton je kvantum světla.
Planckova konstanta hh = 6,63 · 10⁻³⁴ J·s.
Výstupní práce W_vNejmenší energie potřebná k uvolnění elektronu z kovu (eV). Z ní plyne mezní frekvence: nižší frekvence fotoefekt nevyvolá.
Hybnost pHmotnost krát rychlost. Mají ji i fotony a podle ní se určuje vlnová délka částic.
Energetická hladinaDovolená hodnota energie elektronu v atomu. Číslujeme je n = 1, 2, 3, … (n = 1 je nejnižší, základní stav).

Vztahy

CoVztah
energie fotonuE = h · f = h · c / λ
Einsteinova rovnice fotoefektuh · f = W_v + E_k
de Broglieho vlnová délka částiceλ = h / p
hladiny atomu vodíku (Bohr)E_n = −13,6 eV / n²
foton při přechoduh · f = E_vyšší − E_nižší
Foton o frekvenci 5 · 10¹⁴ Hz – jakou má energii?
E = h · f = 6,63 · 10⁻³⁴ · 5 · 10¹⁴ = 33,15 · 10⁻²⁰ ≈ 3,3 · 10⁻¹⁹ J (asi 2,1 eV).
Jaká je energie elektronu ve vodíku na hladině n = 2?
E₂ = −13,6 / 2² = −13,6 / 4 = −3,4 eV.

Graf ukazuje hladiny vodíku (v absolutní hodnotě). Výška schodu mezi n = 2 a n = 1 je 13,6 − 3,4 = 10,2 eV. Najdi i schod mezi n = 3 a n = 2.

Elektron přejde z n = 2 na n = 1. Energie fotonu?
E = E₂ − E₁ = −3,4 − (−13,6) = 10,2 eV.

Dualismus a neurčitost

Světlo i částice mají vlnové i částicové vlastnosti (dualismus). Louis de Broglie navrhl, že každá částice má vlnovou délku λ = h/p – elektrony proto interferují a ohýbají se. Werner Heisenberg ukázal (relace neurčitosti), že polohu a hybnost částice nelze současně určit libovolně přesně. Niels Bohr sestavil model atomu s hladinami.

✗E_k = h · f (celá energie fotonu jde do pohybu elektronu).
✓E_k = h · f − W_v.

Část energie fotonu se spotřebuje na vytržení elektronu z kovu (výstupní práce). Zbytek je pohybová energie elektronu.

E = hf, hf = W_v + E_k, λ = h/p, vodík E_n = −13,6 eV/n². Přechod mezi hladinami = foton s energií rozdílu hladin.