6.S: Photons na Matter Waves (muhtasari)

Masharti muhimu

mfyonzaji	kitu chochote kinachukua mionzi
wigo wa ngozi	wavelengths ya mionzi kufyonzwa na atomi na molekuli
Balmer formula	inaelezea wigo wa chafu ya chembe ya hidrojeni katika mbalimbali inayoonekana-mwanga
Mfululizo wa Balmer	mistari ya spectral sambamba na mabadiliko ya elektroni kwa/kutoka\(\displaystyle n=2\) hali ya atomi ya hidrojeni, iliyoelezwa na formula ya Balmer
blackbody	absorber kamilifu/emitter
mionzi ya mwili mweusi	mionzi iliyotolewa na blackbody
Bohr radius ya hidrojeni	radius ya obiti ya kwanza ya Bohr
Mfano wa Bohr wa atomi ya hidrojeni	kwanza quantum mfano wa kueleza chafu spectra ya hidrojeni
Brackett mfululizo	mistari ya spectral sambamba na mabadiliko ya elektroni kwa/kutoka\(\displaystyle n=4\) hali
Athari ya Compton	mabadiliko katika wavelength wakati X-ray inatawanyika na mwingiliano wake na vifaa vingine
Compton kuhama	tofauti kati ya wavelengths ya X-ray tukio na X-ray waliotawanyika
Compton wavelength	kimwili mara kwa mara na thamani\(\displaystyle λ_c=2.43pm\)
mzunguko wa kukatwa	mzunguko wa mwanga wa tukio chini ambayo athari photoelectric haina kutokea
kukata wavelength	wavelength ya mwanga tukio kwamba sambamba na mzunguko kata-off
Davisson-Germer majaribio	kihistoria kwanza elektroni-diffraction majaribio kwamba wazi elektroni mawimbi
de Broglie wimbi	jambo wimbi kuhusishwa na kitu chochote ambayo ina molekuli na kasi
de Broglie ya hypothesis ya mawimbi ya jambo	chembe za suala zinaweza kuishi kama mawimbi
jaribio la kuingiliwa mara mbili	Young mara mbili watakata majaribio, ambayo inaonyesha kuingiliwa kwa mawimbi
hadubini ya elektroni	hadubini ambayo inatumia mawimbi elektroni na “kuona” maelezo faini ya vitu nano-size
wigo wa chafu	wavelengths ya mionzi iliyotolewa na atomi na molekuli
mtoaji	kitu chochote kinachotoa mionzi
nishati ya photon	quantum ya nishati radiant, inategemea tu frequency photon
wigo wa nishati ya hidrojeni	seti ya nguvu kuruhusiwa kipekee ya elektroni katika atomi hidrojeni
majimbo ya nishati ya msisimko wa atomi ya H	hali ya nishati zaidi ya hali ya ardhi
mistari Fraunhofer	giza ngozi mistari katika wigo endelevu nishati ya jua chafu
hali ya ardhi ya nishati ya atomi ya hidrojeni	nishati ya elektroni katika obiti ya kwanza ya Bohr ya atomi ya hidrojeni
kasi ya kikundi	kasi ya wimbi, nishati husafiri na kasi ya kikundi
Heisenberg kutokuwa na uhakika kanuni	seti mipaka juu ya usahihi katika vipimo samtidiga ya kasi na nafasi ya chembe
Mfululizo wa Humphreys	mistari ya spectral sambamba na mabadiliko ya elektroni kwa/kutoka\(\displaystyle n=6\) hali
hidrojeni kama atomi	ionized atomi na elektroni moja iliyobaki na kiini na malipo\(\displaystyle +Ze\)
inelastic kutawanya	kutawanya athari ambapo nishati kinetic si kuhifadhiwa, lakini nishati ya jumla ni kuhifadhiwa.
ionization nishati	nishati zinahitajika kuondoa elektroni kutoka chembe
kikomo cha ionization ya atomi ya hidrojeni	ionization nishati zinahitajika kuondoa elektroni kutoka obiti kwanza Bohr
Lyman mfululizo	mistari ya spectral sambamba na mabadiliko ya elektroni kwa/kutoka hali ya ardhi
mfano wa nyuklia wa atomi	nzito chanya kushtakiwa kiini katika kituo ni kuzungukwa na elektroni, uliopendekezwa na Rutherford
Paschen mfululizo	mistari ya spectral sambamba na mabadiliko ya elektroni kwa/kutoka\(\displaystyle n=3\) hali
Pfund mfululizo	mistari ya spectral sambamba na mabadiliko ya elektroni kwa/kutoka\(\displaystyle n=5\) hali
photocurrent	katika mzunguko, sasa ambayo inapita wakati photoelectrode inaangazwa
athari photoelectric	chafu ya elektroni kutoka uso chuma wazi kwa mionzi ya umeme ya frequency sahihi
photolectrode	katika mzunguko, electrode ambayo hutoa photoelectrons
photoelektroni	elektroni lilio kutoka uso chuma mbele ya mionzi tukio
fotoni	chembe ya mwanga
Hypothesis ya Planck ya quanta ya nishati	kubadilishana nishati kati ya mionzi na kuta hufanyika tu kwa namna ya quanta ya nishati ya kipekee
postulates ya mfano wa Bohr	mawazo matatu ambayo yanaweka sura ya mfano wa Bohr
nguvu nguvu	nishati ambayo hupita kwa njia ya uso kitengo kwa wakati kitengo
uenezi vector	vector na ukubwa\(\displaystyle 2π/λ\) ambayo ina mwelekeo wa kasi ya mstari wa photon
nguvu za kupimwa	nguvu za kipekee; sio kuendelea
idadi ya quantum	index kwamba enumerates ngazi ya nishati
quantum uzushi	katika mwingiliano na jambo, photon huhamisha ama nishati zake zote au chochote
hali ya quantum ya oscillator ya Planck	mode yoyote ya vibration ya oscillator Planck, enumerated na idadi quantum
kupunguza mara kwa mara Planck ya	Planck ya mara kwa mara kugawanywa na\(\displaystyle 2π\)
Jaribio la dhahabu la Rutherford	kwanza majaribio kuonyesha kuwepo kwa kiini atomiki
Rydberg mara kwa mara kwa hidrojeni	mara kwa mara ya kimwili katika formula ya Balmer
Fomu ya Rydberg	majaribio kupatikana nafasi ya mistari spectral ya atomi hidrojeni
kutawanya angle	angle kati ya mwelekeo wa boriti waliotawanyika na mwelekeo wa boriti tukio
Stefan—Boltzmann mara kwa mara	kimwili mara kwa mara katika sheria ya Stefan
kuacha uwezo	katika mzunguko, tofauti tofauti ambayo inacha photocurrent
idadi ya wimbi	ukubwa wa vector ya uenezi
wimbi quantum mitambo	nadharia kwamba anaelezea fizikia ya atomi na chembe subatomic
wimbi-chembe duality	chembe wanaweza kuishi kama mawimbi na mionzi wanaweza kuishi kama chembe
kazi ya kazi	nishati zinahitajika detach photoelectron kutoka uso chuma
\(\displaystyle α\)-chembe	mara mbili ionized atomi ya heliamu
\(\displaystyle α\)-ray	boriti ya\(\displaystyle α\) chembe (alpha-chembe)
β-ray	boriti ya elektroni
γ-ray	boriti ya photons yenye nguvu sana

Mlinganyo muhimu

Sheria ya uhamisho wa Wien	\(\displaystyle λ_{max}T=2.898×10^{−3}m⋅K\)
Sheria ya Stefan	\(\displaystyle P(T)=σAT^4\)
Planck ya mara kwa mara	\(\displaystyle h=6.626×10−^{34}J⋅s=4.136×10^{−15}eV⋅s\)
Nishati ya kiasi cha mionzi	\(\displaystyle ΔE=hf\)
Planck ya blackbody mionzi sheria	\(\displaystyle I(λ,T)=\frac{2πhc^2}{λ^5}\frac{1}{e^{hc/λk_B^T}−1}\)
Upeo wa nishati kinetic ya photoelectron	\(\displaystyle K_{max}=eΔV_s\)
Nishati ya photon	\(\displaystyle E_f=hf\)
Uwiano wa nishati kwa picha ya picha	\(\displaystyle K_{max}=hf−ϕ\)
Mzunguko wa kukatwa	\(\displaystyle f_c=\frac{ϕ}{h}\)
Relativistic invariant nishati equation	\(\displaystyle E^2=p^2c^2+m^2_0c^4\)
Uhusiano wa kasi wa nishati kwa photon	\(\displaystyle p_f=\frac{E_f}{c}\)
Nishati ya photon	\(\displaystyle E_f=hf=\frac{hc}{λ}\)
Ukubwa wa kasi ya photon	\(\displaystyle p_f=\frac{h}{λ}\)
Photon ya linear kasi vector	\(\displaystyle \vec{p_f}=ℏ\vec{k}\)
Urefu wa Compton wa elektroni	\(\displaystyle λ_c=\frac{h}{m_0c}=0.00243nm\)
Mabadiliko ya Compton	\(\displaystyle Δλ=λ_c(1−cosθ)\)
Fomu ya Balmer	\(\displaystyle \frac{1}{λ}=R_H(\frac{1}{2^2}−\frac{1}{n^2})\)
Fomu ya Rydberg	\(\displaystyle \frac{1}{λ}=R_H(\frac{1}{n^2_f}−\frac{1}{n^2_i}),n_i=n_f+1,n_f+2,…\)
Bohr ya kwanza quantization hali	\(\displaystyle L_n=nℏ,n=1,2,…\)
Bohr ya pili quantization hali	\(\displaystyle h_f=|E_n−E_m|\)
Radi ya Bohr ya hidrojeni	\(\displaystyle a_0=4πε0_\frac{ℏ^2}{m_ee^2}=0.529Å\)
Radius Bohr ya juu ya obiti	\(\displaystyle r_n=a_0n^2\)
Thamani ya nishati ya hali ya ardhi, kikomo cha ionization	\(\displaystyle E_0=\frac{1}{8ε^2_0}\frac{m_ee^4}{h^2}=13.6eV\)
Nishati ya elektroni katika obiti	\(\displaystyle E_n=−E_0\frac{1}{n^2}\)
Hali ya chini ya nishati ya hidrojeni	\(\displaystyle E_1=−E_0=−13.6eV\)
Kisha katika obiti ya chuma kama hidrojeni	\(\displaystyle r_n=\frac{a_0}{Z}n^2\)
Kisha juu ya nishati ya chuma kama hidrojeni	\(\displaystyle E_n=−Z^2E_0\frac{1}{n^2}\)
Nishati ya wimbi la jambo	\(\displaystyle E=hf\)
wavelength de Broglie	\(\displaystyle λ=\frac{h}{p}\)
Uhusiano wa mzunguko wa wavelength kwa mawimbi ya suala	\(\displaystyle λf=\frac{c}{β}\)
Kanuni ya kutokuwa na uhakika wa Heisenberg	\(\displaystyle ΔxΔp≥\frac{1}{2}ℏ\)

 

Muhtasari

6.1 Blackbody mionzi

• Miili yote huangaza nishati. Kiasi cha mionzi ambayo mwili hutoa inategemea joto lake. Sheria ya uhamisho wa Wien ya majaribio inasema kuwa moto zaidi mwili, mfupi wavelength sambamba na kilele chafu katika Curve mionzi. Sheria ya majaribio ya Stefan inasema kwamba nguvu ya jumla ya mionzi iliyotolewa katika wigo mzima wa wavelengths kwa joto fulani ni sawa na nguvu ya nne ya joto la Kelvin la mwili wa kung'ara.
• Kunywa na uchafu wa mionzi hujifunza ndani ya mfano wa mwili mweusi. Katika mbinu ya classical, kubadilishana nishati kati ya mionzi na kuta za cavity ni kuendelea. Mbinu ya classical haina kuelezea curve mionzi ya blackbody.
• Ili kuelezea curve ya mionzi ya blackbody, Planck alidhani kuwa kubadilishana nishati kati ya mionzi na kuta za cavity hufanyika tu katika quanta ya kipekee ya nishati. Nadharia tete ya Planck ya quanta ya nishati ilisababisha sheria ya mionzi ya Planck ya kinadharia, ambayo inakubaliana na curve ya mionzi ya blackbody ya majaribio; pia inaeleza sheria za Wien na Stefan.

6.2 Athari ya picha

• Athari ya photoelectric hutokea wakati photoelectrons zinatolewa kutoka kwenye uso wa chuma kwa kukabiliana na tukio la mionzi ya monochromatic juu ya uso. Ina sifa tatu: (1) ni instantaneous, (2) hutokea tu wakati mionzi iko juu ya mzunguko wa kukatwa, na (3) nguvu za kinetic za photoelectrons kwenye uso hazijitegemea ukubwa wa mionzi. Athari ya picha haiwezi kuelezewa na nadharia ya classical.
• Tunaweza kuelezea athari ya photoelectric kwa kudhani kwamba mionzi ina photons (chembe za mwanga). Kila photon hubeba kiasi cha nishati. Nishati ya photon inategemea tu mzunguko wake, ambayo ni mzunguko wa mionzi. Juu ya uso, nishati nzima ya photon huhamishiwa kwenye photoelectron moja.
• Nishati ya juu ya kinetic ya photoelectron kwenye uso wa chuma ni tofauti kati ya nishati ya photon ya tukio na kazi ya chuma. Kazi ya kazi ni nishati ya kumfunga ya elektroni kwenye uso wa chuma. Kila chuma ina kazi yake ya kazi ya tabia.

6.3 Athari ya Compton

• Katika athari ya Compton, X-rays zilizotawanyika mbali na vifaa vingine vina wavelengths tofauti kuliko wavelength ya tukio hilo X-rays. Jambo hili halina maelezo ya classical.
• Athari ya Compton inaelezewa kwa kudhani kwamba mionzi ina fotoni zinazogongana na elektroni zilizofungwa dhaifu katika nyenzo za lengo. Wote elektroni na fotoni hutendewa kama chembe za relativistic. Sheria za uhifadhi wa nishati ya jumla na ya kasi zinatii katika migongano.
• Kutibu fotoni kama chembe yenye kasi ambayo inaweza kuhamishiwa elektroni husababisha mabadiliko ya kinadharia ya Compton ambayo yanakubaliana na mabadiliko ya wavelength yaliyopimwa katika jaribio. Hii inatoa ushahidi kwamba mionzi ina fotoni.
• Kueneza kwa Compton ni kutawanyika kwa inelastic, ambapo mionzi iliyotawanyika ina wavelength ndefu zaidi kuliko ile ya mionzi ya tukio.

6.4 Mfano wa Bohr wa Atom ya Hidrojeni

• Nafasi za mistari ya ngozi na uchafu katika wigo wa hidrojeni ya atomiki hutolewa na fomu ya majaribio ya Rydberg. Fizikia ya kawaida haiwezi kueleza wigo wa hidrojeni atomia.
• Mfano wa Bohr wa hidrojeni ulikuwa mfano wa kwanza wa muundo wa atomia kueleza kwa usahihi spectra ya mionzi ya hidrojeni atomia. Ilitanguliwa na mfano wa nyuklia wa Rutherford wa atomi. Katika mfano wa Rutherford atomi ina kiini chenye chaji chanya cha uhakika ambacho kina karibu masi nzima ya atomu na ya elektroni hasi ambazo ziko mbali na kiini.
• Mfano wa Bohr wa atomi ya hidrojeni unategemea postulates tatu: (1) elektroni huzunguka kiini katika obiti ya mviringo, (2) kasi ya angular ya elektroni katika obiti ni quantized, na (3) mabadiliko katika nishati ya elektroni jinsi inavyofanya kuruka quantum kutoka obiti moja hadi nyingine daima hufuatana na chafu au ngozi ya photon. Mfano wa Bohr ni nusu classical kwa sababu unachanganya dhana classical ya obiti elektroni (postulate 1) na dhana mpya ya quantization (postulates 2 na 3).
• Mfano wa Bohr wa atomi ya hidrojeni unaelezea spectra ya chafu na ngozi ya hidrojeni atomiki na ioni kama hidrojeni yenye idadi ndogo ya atomia. Ilikuwa mfano wa kwanza kuanzisha dhana ya namba ya quantum kuelezea majimbo atomia na kudai quantization ya mizunguko ya elektroni katika atomu. Mfano wa Bohr ni hatua muhimu katika maendeleo ya mechanics quantum, ambayo inahusika na atomi nyingi za elektroni.

6.5 De Broglie ya Matter Waves

• De Broglie hypothesis ya mawimbi jambo postulates kwamba chembe yoyote ya jambo ambayo ina kasi linear pia ni wimbi. Urefu wa wimbi la suala linalohusishwa na chembe ni inversely sawia na ukubwa wa kasi ya mstari wa chembe. Kasi ya wimbi la jambo ni kasi ya chembe.
• Dhana ya De Broglie ya wimbi la suala la elektroni hutoa mantiki ya quantization ya kasi ya angular ya elektroni katika mfano wa Bohr wa atomi ya hidrojeni.
• Katika jaribio la Davisson-Germer, elektroni zinatawanyika kwenye uso wa nickel ya fuwele. Mwelekeo wa uharibifu wa mawimbi ya suala la elektroni huzingatiwa. Wao ni ushahidi wa kuwepo kwa mawimbi ya suala. Mawimbi ya jambo yanazingatiwa katika majaribio ya diffraction na chembe mbalimbali.

6.6 Wimbi-chembe Duality

• Uwili wa chembe ya wimbi ipo katika asili: Chini ya hali fulani za majaribio, chembe hufanya kama chembe; chini ya hali nyingine za majaribio, chembe hufanya kama wimbi. Kinyume chake, chini ya hali fulani ya kimwili, mionzi ya umeme hufanya kama wimbi, na chini ya hali nyingine za kimwili, mionzi hufanya kama boriti ya photons.
• Majaribio ya kisasa ya mara mbili ya kuchapwa na elektroni yalionyesha kuwa picha za elektroni-diffraction zinaundwa kwa sababu ya asili ya wimbi la elektroni.
• Wimbi-chembe mbili asili ya chembe na mionzi haina maelezo classical.
• Nadharia ya quantum inachukua mali ya wimbi kuwa mali ya msingi ya chembe zote. Chembe huonekana kama pakiti ya wimbi la kusonga. Hali ya wimbi la chembe huweka upeo juu ya kipimo cha wakati mmoja wa msimamo wa chembe na kasi. Kanuni ya kutokuwa na uhakika wa Heisenberg huweka mipaka juu ya usahihi katika vipimo vile vya wakati mmoja.
• Uwili wa chembe ya wimbi hutumiwa katika vifaa vingi, kama vile vifaa vya malipo ya wanandoa (kutumika katika kamera za digital) au katika hadubini ya elektroni ya darubini ya elektroni ya skanning (SEM) na microscope ya elektroni ya maambukizi (TEM).