» » » » » » Proprietățile fizice ale fotonilor – Efectul fotoelectric

Proprietățile fizice ale fotonilor – Efectul fotoelectric

Conul de lumină(Conul indică valori posibile ale undei 4-vectoriale a unui foton. Axa „timp” dă frecvența unghiulară (rad·s-1), iar axa „spațiu” reprezintă numărul de undă unghiular (rad·m-1). Culorile verde și indigo reprezintă polarizarea stânga și dreapta)

Compoziția: Particulă elementară
Statistica: Bozonică
Interacțiuni: Electromagnetică, slabă, gravitațională
Simbol: γ
Teoretizată de: Albert Einstein
Masa: 0, < 1×10−18 eV/c2
Timpul mediu de viață: Stabil
Sarcina electrică: 0, < 1×10−35 e
Spin: 1
Paritatea: −1
Paritatea C: −1
Condensat: I(JPC)=0,1(1−−)

Fotonii nu au masă, nici sarcină electrică și sunt particule stabile. Un foton are două stări posibile de polarizare. În reprezentarea impulsului fotonului, care este preferată în teoria câmpului cuantic, un foton este descris de vectorul său de undă, care determină lungimea de undă λ și direcția sa de propagare. Un vector de undă al unui foton nu poate fi zero și poate fi reprezentat fie ca vector spațial tridimensional fie ca vector (relativist) 4-dimensional; în ultimul caz aparține conului de lumină (cf. imaginii). Semnele diferite ale celor patru vectori denotă diferite polarizări circulare, dar în reprezentarea cu 3-vectorială trebuie să se țină seama separat de starea de polarizare; este de fapt un număr cuantic de spin. În ambele cazuri, spațiul vectorilor de undă posibili este tridimensional.

Fotoni (În această ilustrație, un foton (purpuriu) are o energie mult mai mare decât energia celuilalt (galben) Credit: NASA / Sonoma State University / Aurore Simonne)

Fotonul este bozon gauge pentru electromagnetism și, prin urmare, toate celelalte numere cuantice ale fotonului (cum ar fi numărul leptonic, numărul barionic și numerele cuantice ale aromei) sunt zero. De asemenea, fotonul nu respectă principiul excluziunii Pauli.

Fotonii sunt emiși în multe procese naturale. De exemplu, atunci când o sarcină este accelerată, se emite radiații sincrotronice. În timpul unei tranziții moleculare, atomice sau nucleare la un nivel de energie mai scăzut, vor fi emiși fotoni de diferite energii, de la unde radio la raze gama. Fotonii pot fi de asemenea emiși atunci când o particulă și antiparticula corespunzătoare sunt anihilate (de exemplu, anihilarea electron-pozitron).

În spațiul gol, fotonul se mișcă cu viteza c (viteza luminii) iar energia și impulsul său sunt legate prin E = pc, unde p este magnitudinea vectorului de impuls p. Aceasta derivă din următoarea relație relativistă, cu m = 0:

E2 = p2c2 + m2c4.

Energia și impulsul unui foton depind numai de frecvența lui (ν) sau invers, de lungimea de undă (λ):

E = ℏω = hν = hc/λ

p = ℏk,

unde k este vectorul de undă (unde numărul de undă k = | k | = 2π/λ), ω = 2πν este frecvența unghiulară, iar ℏ = h/2π este constanta redusă Planck.

Deoarece p arată în direcția propagării fotonului, magnitudinea impulsului este

p = ℏk = hν/c = h/λ.

Fotonul are, de asemenea, o proprietate numită moment de rotație unghiular, care nu depinde de frecvența sa. Mărimea spinului său este de √2 ℏ iar componenta măsurată de-a lungul direcției sale de mișcare, elicitatea sa, trebuie să fie ± ħ. Aceste două posibile elicități, numite dreaptă și stângă, corespund celor două posibile stări de polarizare circulară ale fotonului.

Pentru a ilustra semnificația acestor formule, anihilarea unei particule cu antiparticula sa în spațiu liber trebuie să ducă la crearea a cel puțin doi fotoni din următorul motiv. În centrul cadrului impulsului, antiparticulele din coliziune nu au un impuls net, în timp ce un singur foton are întotdeauna un impuls (deoarece, după cum am văzut, este determinat de frecvența sau lungimea de undă a fotonului, care nu poate fi zero). Prin urmare, conservarea impulsului (sau echivalent, invarianța translațională) necesită crearea a cel puțin doi fotoni, cu impuls zero net. (Cu toate acestea, este posibil ca sistemul să interacționeze cu o altă particulă sau câmp pentru anihilare pentru a produce un foton, ca atunci când un pozitron se anihilează cu un electron atomic legat, este posibil să se emită un singur foton, deoarece câmpul nuclear Coulomb rupe simetria translațională.) Energia celor doi fotoni sau, în mod echivalent, frecvența lor, poate fi determinată din conservarea celor patru impulsuri. Văzut altfel, fotonul poate fi considerat propria sa antiparticulă. Procesul invers, producția de perechi, este mecanismul dominant prin care fotonii cu energie înaltă, cum ar fi razele gama, pierd energie în timp ce trec prin materie. Acest proces este inversul „anihilării unui foton” permisă în câmpul electric al unui nucleu atomic.

Formulele clasice pentru energia și impulsul radiației electromagnetice pot fi re-exprimate în termeni de evenimente fotonice. De exemplu, presiunea de radiație electromagnetică pe un obiect derivă din transferul impulsului fotonului pe unitate de timp și unitate de suprafață la obiectul respectiv, deoarece presiunea este forța pe unitate de suprafață și forța este schimbarea impulsului pe unitate de timp.

Fiecare foton are două forme distincte și independente de impulsuri unghiulare ale luminii. Momentul unghiular de spin al luminii al unui anumit foton este întotdeauna +ℏ sau -ℏ. Momentul unghiular orbital al luminii al unui anumit foton poate fi orice număr întreg N, inclusiv zero.

Efectul fotoelectric

În 1905, Einstein a propus o explicație a efectului fotoelectric folosind un concept prezentat pentru prima dată de Max Planck, că undele luminoase constau din pachete mici sau pachete de energie cunoscute sub numele de fotoni sau cuante.

Efectul fotoelectric
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Photoelectric_effect_diagram.svg 

(Diagrama energiei cinetice maxime în funcție de frecvența luminii pe zinc.)

Energia cinetică maximă Kmax a unui electron ejectat este dată de

Kmax = hf – φ,

unde h este constanta Planck și f este frecvența fotonului incident. Termenul φ este lucrul mecanic de extracție (uneori denumită W, sau ϕ), care dă energia minimă necesară pentru îndepărtarea unui electron delocalizat de pe suprafața metalului. Lucrul mecanic de extracție satisface relația

φ = h f0,

unde f0 este frecvența de prag pentru metal. Energia cinetică maximă a unui electron ejectat este atunci

Kmax = h (f – f0).

Energia cinetică este pozitivă, deci trebuie să avem f > f0 pentru ca efectul fotoelectric să aibă loc.

  1. Gheorghe Adrian
    |

    Fotonul este un relief electromagnetic care luneca hidrodinamic prin spatiu cu viteza luminii in vid c. Este structura dinamica similara motorului electric liniar. Structura dinamica a fotonului este propulsata in translatie de forta electromagnetica, forta ce ar fi un efect hidrodinamic de tip Magnus, in eter. Se gaseste ca la nivelul fiecarei semiunde forta electromagnetica este egala (la echilibru) cu forta de inertie. La fel puterea mecanica este egala cu puterea electromagnetica. Acest echilibru face ca translatia fotonului prin spatiul vid sa fie uniform rectilinie si astfel fotonul sa apara ca fiind unda. Dar in spatiul vid nu poate functiona mecanismul umndelor care cere transformrea succesiva a unei forme de energie in alta. fiindca spatiul vid nu are densitate nu are inertie nu este coeziv si nu are elesticitate. De aceea in vid nici-o vibrati ci numai translatie. La interactia structurii dinamice a fotonului cu substanta, sunt puse in vibratie sarcinile electrice din substanta si asta face sa para ca lumina ar fi vibratie. situatia este comparabila cu discul de pikup, care fiind in rotatie, pune in vibratie acul dozei fara ca pe disc sa existe vre-o vibratie.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *