|
Εισαγωγική Θεωρία στην Κβαντομηχανική Μελέτη φωτοηλεκτρικού φαινομένου - Υπολογισμός έργου εξαγωγής Φαινόμενο σήραγγας (flash, πρίσματα, νερό)
Εισαγωγική Θεωρία στην ΚβαντομηχανικήΜονή σχισμή Περίθλαση φωτός και η αρχή της αβεβαιότητας στην μονή σχισμή. Άμεσος πειραματισμός με τα δάχτυλα.
Σχήμα 1.
Σχήμα 2. Η περίθλαση και ο δρόμος προς την αρχή της αβεβαιότητας. Όταν ένα φωτόνιο διέρχεται από μια στενή σχισμή, η ορμή του καθίσταται αβέβαιη και το φωτόνιο μπορεί να εκτραπεί προς κάθε πλευρά. Ένα σχέδιο περίθλασης είναι το αποτέλεσμα πολλών φωτονίων που χτυπούν στην οθόνη. Το μοτίβο εμφανίζεται ακόμα κι αν υπάρχει μόνο ένα φωτόνιο κάθε φορά στο πείραμα. p1, και p2, αποτελούν τις συνιστώσες της ορμής ενός φωτονίου που χτυπά την εξωτερική άκρη του κεντρικού μέγιστου, υπό γωνία θ1. Μελέτη φωτοηλεκτρικού φαινομένου - Υπολογισμός έργου εξαγωγήςΜελέτη φωτοηλεκτρικού φαινομένου
Σχήμα 3. Φωτοηλεκτρική διάταξη
Σχήμα 4. Πειραματική Φωτοηλεκτρική διάταξη
Εξήγηση και διάταξη της συσκευής για φωτοηλεκτρικό στο λύκειο 1. Συνδέουμε συνεχή τάση 6 Volt ρυθμίζοντας το εύρος με το ποτενσιόμετρο ώστε να ελέγξουμε τη ένταση της φωτεινότητας της λάμπας, σχήμα 4.
2. Συνδέουμε επίσης συνεχή τάση 17 Volt ρυθμίζοντας το εύρος με το ποτενσιόμετρο ώστε να ελέγξουμε τη τάση μεταξύ της καθόδου και ανόδου, σχήμα 4. Συνδέουμε επίσης και ανάστροφα την τάση ώστε να διαπιστώσουμε ποτέ έχουμε αποκοπή ροής ηλεκτρονίων
Σχήμα 5. Ένταση vs Τάση
Εκπομπή φωτο-ηλεκτρονίων έχουμε μόνο όταν η συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας είναι μεγαλύτερη ή ίση μιας ορισμένης συχνότητας, η οποία είναι χαρακτηριστική για το μέταλλο. Αυτή η οριακή συχνότητα ονομάζεται συχνότητα κατωφλίου (f0). Το σχήμα 5 παριστάνει την ένταση του ρεύματος σε συνάρτηση με την τάση μεταξύ ανόδου-καθόδου στο κύκλωμα όταν η προσπίπτουσα ένταση φωτός είναι σταθερή για δύο ξεχωριστά μήκη κύματος. · Παρατηρούμε ότι για τάση μηδέν έχουμε ρεύμα, που σημαίνει ότι τα φωτο-ηλεκτρόνια εξέρχονται από την κάθοδο με κινητική ενέργεια που τους επιτρέπει να κινηθούν μέχρι την άνοδο χωρίς την υποβοήθηση ηλεκτρικού πεδίου. · Ρεύμα έχουμε επίσης και για τάσεις λίγο μικρότερες από το μηδέν. Τάση αρνητική, εδώ, σημαίνει ότι η άνοδος έχει μικρότερο δυναμικό από την κάθοδο. Στην περίπτωση αυτή το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ ανόδου - καθόδου παρεμποδίζει τα ηλεκτρόνια που εξέρχονται από την κάθοδο να φτάσουν στην άνοδο. Εφόσον για κάποιες αρνητικές τιμές της τάσης έχουμε ρεύμα, η κινητική ενέργεια ορισμένων ηλεκτρονίων, όταν εξέρχονται από την κάθοδο, είναι αρκετά μεγάλη ώστε να υπερνικήσουν το αντιτιθέμενο ηλεκτρικό πεδίο και να φτάσουν στην άνοδο. ·
Η τάση ( · Τέλος παρατηρούμε ότι ενώ αυξάνεται η τάση μεταξύ ανόδου καθόδου το ρεύμα φτάνει σε κόρο και είναι ανεξάρτητο από την τάση ανόδου-καθόδου. Αυτό συμβαίνει διότι ο ρυθμός πρόσκρουσης των εξερχομένων ηλεκτρινών στην κάθοδο καθορίζεται από τον ρυθμό εξαγωγής από την άνοδο, τουτέστιν την ένταση της συγκεκριμένης προσπίπτουσας ακτινοβολίας (ικανής φυσικά για εξαγωγή ηλεκτρονίων). Σε αυτή την περίπτωση όλα τα ηλεκτρόνια που εξέρχονται από την άνοδο αναγκάζονται από το ηλεκτρικό πεδίο να προσπίπτουν στην κάθοδο.
Φαινόμενο σήραγγας (flash, πρίσματα, νερό)Διάσπαση άλφα Κατά τη ραδιενεργό διάσπαση άλφα, ο
πυρήνας εκπέμπει ένα σωμάτιο άλφα (πυρήνας του στοιχείου ήλιόν
Μια πυρηνική αντίδραση σύντηξης πραγματοποιείται όταν δύο πυρήνες έρθουν πολύ κοντά ώστε οι ισχυρές πυρηνικές τους δυνάμεις μπορέσουν να τους κάνουν να συσσωματωθούν και να προκαλέσουν τη σύντηξη. Το πλησίασμα όμως των πυρήνων παρεμποδίζεται από τις απωστικές δυνάμεις Coulomb που τείνουν να τους απομακρύνουν. Για να επιτευχθεί η σύντηξη οι δύο πυρήνες πρέπει να διαπεράσουν το φράγμα που δημιουργείται από τις απωστικές δυνάμεις. Αυτό συμβαίνει στον Ήλιο και σε όλα τα άλλα αστέρια. Το φαινόμενο σήραγγας βρίσκει επίσης εφαρμογή στις διόδους σήραγγας, στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σήραγγας και αλλού. Ποτήρι νερό Σε ένα ποτήρι νερό δημιουργείτε στο εσωτερικό του ολική ανάκλαση κατά τέτοιο τρόπο ώστε τα δάκτυλα του χεριού να μην φαίνονται από την εξωτερική μεριά. Εάν όμως πιέσουμε το ποτήρι, τότε αυτά είναι ορατά. Αυτό είναι αποτέλεσμα του κβαντικού φαινομένου της σήραγγας, Πρίσμα Αυτό επίσης ισχύει όταν σε ένα πρίσμα έχουμε ολική ανάκλαση. Εάν πλησιάσουμε ένα άλλο πρίσμα και το πιέσουμε, τότε υπάρχει διάδοση της ακτινοβολίας σε αυτό λόγω κβαντικού φαινομένου της σήραγγας. Δίοδοι σήραγγας Όταν ένα ηλεκτρικό πεδίο εφαρμοστεί σε ένα μέταλλο το μέταλλο αυτό εκπέμπει ηλεκτρόνια. Η εκπομπή αυτή οφείλεται στο ότι με την εφαρμογή του πεδίου το δυναμικό που "βλέπουν" τα ηλεκτρόνια του μετάλλου, από μορφή φράγματος "άπειρου" εύρους, αποκτά τη μορφή πεπερασμένου φράγματος, και άρα γίνεται προσπελάσιμο από τα ηλεκτρόνια. Σαρωτικό μικροσκόπιο σήραγγας Είναι διάταξη που επιτρέπει την απεικόνιση επιφανειών με διακριτική ικανότητα της κλίμακας του ατόμου. Φέρει μια πολύ λεπτή (ατομικής κλίμακας) ακίδα από αγώγιμο υλικό. Φέρνοντας την ακίδα του μικροσκοπίου κοντά στην επιφάνεια που θέλουμε να απεικονίσουμε το δυναμικό στην περιοχή μεταξύ ακίδας και επιφάνειας παίρνει τη μορφή φράγματος, επιτρέποντας τη διέλευση ηλεκτρονίων από την επιφάνεια στο μικροσκόπιο (και αντίστροφα, αλλά με εφαρμογή κατάλληλων τάσεων ή υλικών αποτρέπεται η κατεύθυνση αυτή). Η ένταση του ρεύματος που φθάνει στην ακίδα του μικροσκοπίου από την επιφάνεια (άρα που διέρχεται από το φράγμα) εξαρτάται εκθετικά από την απόσταση ακίδας-επιφάνειας. Μετρώντας είτε ρεύμα αυτό είτε την κατακόρυφη κίνηση που θα πρέπει να κάνει η ακίδα για να δέχεται σταθερό ρεύμα, απεικονίζουμε την τοπολογία της επιφάνειας. Άλλα φαινόμενα Φαινόμενα που οφείλονται σε διέλευση σήραγγας είναι το ρεύμα σε επαφές Josephson υπεραγωγών, η ταλάντωση του αζώτου στο μόριο της αμμωνίας, η εκπομπή ακτινοβολίας από μελανές οπές κτλ.
Πηγές
|
