Fotoelektrisk effekt og E = hf
Den fotoelektriske effekten er at lys slår løs elektroner fra en metalloverflate, men bare hvis lyset har høy nok frekvens. Svakt blått lys kan slå løs elektroner der sterkt rødt lys ikke klarer det i det hele tatt. Det stemmer ikke med et bølgebilde, der mer intenst lys burde gi mer energi. Einstein løste dette ved å si at lys kommer i pakker, fotoner, hver med energien E = hf, der h er Plancks konstant og f frekvensen. Et enkelt må alene ha nok energi til å frigjøre et elektron, så det er frekvensen, ikke intensiteten, som avgjør.
Slik uttrykker du det
I den fotoelektriske effekten slås elektroner løs fra metall bare hvis lyset har høy nok frekvens, uansett hvor sterkt det er. Det forklares ved at lys kommer i fotoner med energi E = hf. Ett må alene ha nok energi til å frigjøre ett elektron. Derfor er det frekvensen som avgjør, ikke intensiteten. Sterkere lys gir bare flere fotoner, ikke mer energi per foton.
Frekvensen avgjør, fordi hvert foton har energien E = hf.
Energien i et foton blått lys
Blått lys har bølgelengde rundt 450 nm. Hvor mye energi har ett ? Vi bruker Js og m/s.
· 3,00·1 / 450·1 = 4,4·1 J.
Det er et bittelite tall, men nok til å frigjøre et elektron fra mange metaller. Et rødt lys (lengre bølgelengde, lavere frekvens) ville hatt mindre energi og kanskje ikke klart det.
Slik uttrykker du det
Jeg bruker · 3,00·1 / 450·1 = 4,4·1 J. Det er en svært liten energi, men nok til å rive løs et elektron fra mange metaller. Rødt lys har lengre bølgelengde og lavere frekvens, så hvert der har mindre energi og klarer det kanskje ikke.
J for blått lys.
Bohrs atommodell og linjespekter
Bohr forklarte hvorfor atomer bare sender ut lys ved helt bestemte bølgelengder. I modellen hans kan elektronene bare ligge på visse energinivåer, ikke hvor som helst. Når et elektron hopper fra et høyt til et lavt nivå, sendes overskuddsenergien ut som ett med akkurat den energien som svarer til forskjellen mellom nivåene. Siden nivåene er faste, blir bare visse fotonenergier mulige, og vi ser et som er som et fingeravtrykk for hvert grunnstoff.
Slik uttrykker du det
Bohr sa at elektronene bare kan ligge på bestemte energinivåer. Når et elektron hopper ned til et lavere nivå, sendes forskjellen ut som ett med energi lik nivåforskjellen. Siden bare visse nivåer finnes, kan bare visse fotonenergier sendes ut, og vi ser et med skarpe linjer. Mønsteret er unikt for hvert grunnstoff, nesten som et fingeravtrykk.
Faste energinivåer gir et linjespekter unikt for hvert grunnstoff.
Bølge-partikkel-dualitet
Hvis lys kan oppføre seg som partikler, kan partikler oppføre seg som bølger? De Broglie foreslo at ja, en partikkel med p har en bølgelengde λ = h/p. For hverdagsobjekter er denne bølgelengden så ufattelig liten at vi aldri merker den, men for elektroner er den stor nok til at de gir interferensmønstre, akkurat som lys. Dette er grunnlaget for elektronmikroskopet.
Slik uttrykker du det
De Broglie foreslo at også partikler har en bølgelengde, λ = h/p, der p er bevegelsesmengden. For store hverdagsting er bølgelengden så liten at vi aldri ser den. Men for elektroner er den stor nok til at de gir interferensmønstre på samme måte som lys. Det viser at skillet mellom bølge og partikkel ikke er absolutt, og det er prinsippet bak elektronmikroskopet.
Partikler har en bølgelengde λ = h/p, merkbar for elektroner.
Klassisk fysikk så på lys som en bølge, men noen forsøk lot seg ikke forklare slik. Einstein viste at lys kommer i pakker, fotoner, hver med energien E = hf. Det er energien til det enkelte fotonet, altså frekvensen, som avgjør om noe skjer, ikke hvor sterkt lyset er.
Bohr forklarte hvorfor atomer bare sender ut bestemte bølgelengder, og de Broglie viste at partikler også kan oppføre seg som bølger. Til sammen gir dette bølge-partikkel-dualiteten, kjernen i kvantefysikken.