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.
E = h · f.Fialový foton nese víc energie než červený.h = 6,63 · 10⁻³⁴ J·s. Nepatrné číslo – proto si „zrnitosti“ světla v běžném životě nevšimneme.1 eV = 1,6 · 10⁻¹⁹ J.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).
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.
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.
Každý foton jedná sám za sebe. Tisíc slabých fotonů nemůže spojit síly a vyrazit jeden elektron.
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.
E = h · f. Foton je kvantum světla.h = 6,63 · 10⁻³⁴ J·s.| Co | Vztah |
|---|---|
| energie fotonu | E = h · f = h · c / λ |
| Einsteinova rovnice fotoefektu | h · f = W_v + E_k |
| de Broglieho vlnová délka částice | λ = h / p |
| hladiny atomu vodíku (Bohr) | E_n = −13,6 eV / n² |
| foton při přechodu | h · f = E_vyšší − E_nižší |
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.
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.
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.