1. Cuante de radiatii. Efectul fotoelectric. Efectul compton.

Un atom poate emite radiatii de lumina.

Orice corp incalzit la o anumita temperatura, poate emite un amestec de radiatii cu lungimile de unda din cele mai diferite.

Emisia acestor radiatii cu lungimile de unda diferite intre ele, se datoreste vibratiilor mai mult s-au mai putin intense ale particulelor corpului incalzit in functie de valoarea temperaturii la care este supus corpul.

Cu cat incalzim mai mult corpul respectiv (bucata de fier), cu atat radiatia sa termica devine mai intensa, iar corpul incepe sa devina incandescent, el radiaza intr-o masura tot mai mare lumina vizibila.

La fiecare grad de temperatura exista o distributie perfect determinanta a lungimilor de unda.

Cu ajutorul corpului negru care reprezinta acel corp care in comparatie cu toate celelalte, emite si absoarbe cel mai intens radiatii la o temperatura data. Astfel, se poate masura si reprezenta grafic cateva curbe de energie.

In cazul acesta, se poate vedea ca, la 10000^oC maximul de energie este radiatia cu o lungime de unda de 2,4 nm², iar numai o mica portiune de la capatul din stanga al curbei reprezinta lumina vizibila.

In anul 1900 Max Plank a plecat de la ideea ca, radiatia este provocata de niste oscilatori liniari, adica de niste entitati atomice oscilante de cea mai simpla speta.

Fiecare unitate de oscilator, oscileaza cu o frecventa perfect definita, exact ca un pendul in miniatura.

Un pendul poate fi impins mai slab sau mai puternic si i se poate comunica in felul acesta orice cantitate de energie dorim.

In felul acesta, putem concepe orice gradatie, oricat de fina, de energie.

In conceptia lui Plank era, ca fiecare dintre acesti oscilatori poate sa contina numai multipli intregi ai unei anumite cantitati minime de energie pe care le-a numit, cuante elementare sau mai simplu, cuanta.

De unde rezulta ca, cuantele sunt cantitatile cele mai mici, indivizibile, de energie pe care le contine un sistem oscilant sau o radiatie de o anumita frecventa.

Cand vorbim de multipli intregi, intelegem ca, un oscilator poate sa contina exact o cuanta, doua cuante si asa mai departe, dar niciodata o fractiune de cuanta, ori oscilatorul poate sa nu contina nici o cuanta, atunci el sta pe loc.

Max Plank cu ajutorul formulei sale relative la radiatii a calculat energia unei astfel de cuante.

Energia este produsul dintre marimea constanta h si frecventa n a radiatiei considerate.

Cuanta elementara de energie este E = hn.

Unitatea de masura a energiei E este ergul, iar cea a frecventei n este Hertul (Hz), constanta h are unitatea de masura erg _. sec, adica dimensiunile unei actiuni, care se numeste constanta de actiune a lui Plank: h = 6,623 ^. 10^-27 erg _. sec si reprezinta cea mai mica actiune care exista in natura, fotonul fiind o particula a actiunii.

Lumina era acceptata ca un fenomen ondulatoriu, un proces oscilatoriu care strabate spatiul. Se compara, undele de lumina cu undele care se propaga pe suprafata unui lac in care se arunca o piatra, cunoscuta sub denumirea de principiul lui Huyghens.

Cele mai importante manifestari ale luminii sunt: reflexia, refractia, dispersia, interferenta, defractia, polarizarea care pot fi explicate usor pe baza ideii de unda si pot fi imitate in mod sugestiv cu ajutorul undelor de apa.

Totusi exista o teorie mai veche a lui Newton, teoria a emisiunii, dupa care lumina era conceputa ca fiind formata din corpuscule individuale care se imprastie cu mare viteza.

In 1887 Hallwachs a pus pe un electroscop o placa de zinc amalgamata (a) si a incarcat instrumentul cu electricitate negativa, cu ajutorul unui baston de ebonita ( b).

Acul indicator a fost deviat. Asupra placii s-a indreptat o lumina puternica a unei lampi cu arc (c), acul indicator a revenit la starea initiala, ceea ce a indicat ca, instrumentul a pierdut sarcina electrica negativa.

Astfel, s-a dovedit ca, sub influenta razelor de lumina, electroni parasesc in masa placa de metal.

Ulterior H. Hertz a cercetat acelasi fenomen si a constatat ca, daca un fascicul de lumina cade pe suprafata unui metal din metal sunt smulsi electroni, denumiti si fotoelectroni.

Daca o sfera sau o placa de zinc sunt iradiate cu raze ultraviolete sau X, un electrometru in contact cu zincul va indica o crestere in sarcini electrice.

Daca zincul este neutru initial (a) se constata ca, dupa iradiere, o incarcare electrica pozitiva (b).

Daca zincul este incarcat electric negativ, se constata o reducere sau micsorare a sarcinilor electrice negative.

Daca zincul este incarcat electric pozitiv se constata dupa iradiere o crestere a sarcinilor electrice pozitive.

Fenomenul descoperit la zincul iradiat cu raze ultraviolete a fost numit efect fotoelectric extern, spre al deosebi de alte efecte asemanatoare (efectul fotoelectric intern sau efectul fotovoltaic).

Cercetari ulterioare au ajuns la concluzia ca, energia acestor fotoelectroni nu depind de intensitatea luminii, ci numai de frecventa sa. Aceasta la condus pe Einstein la explicatia ca lumina este alcatuita din corpuscule individuale, numite fotoni. Fiecare din acestia poarta cu el energia E=hn, adica tocmai o cuanta de radiatie, pe care Max Planck o calculase cu putin timp inainte (1900).

Max Planck dezvoltase o teorie din care rezulta ca, energia nu poate fi absorbita sau emisa in mod continuu, asa cum curge apa de la robinet si ca, ea este absorbita sau emisa prin salturi, prin unitati bine definite pentru fiecare fel de energie, asa cum curge apa, picatura cu picatura, de la un robinet aproape inchis.

Exista un fel de atomi de energie care se manifesta in transformarile lor, intocmai dupa cum exista atomi de elemente chimice care se manifesta in transformarile chimice. In transformarile de energie, ca si in cele chimice, intervine totdeauna un numar intreg de atomi de energie.

Astfel, energia si materia e granulata si se numeste cuante, particule de energie.

Dar, cel mai interesant aspect il constituie faptul ca, teoria cuantelor se aplica tuturor felurilor de radiatii electromagnetice cunoscute: electrice, optice, termice, X etc.

Marimea cuantelor de energie variaza de la un fel de energie la altul si anume este cu atat mai mare cu cat si frecventa felului de energie dat este mai mare.

Daca acest foton se ciocneste cu un electron slab legat al atomului de metal, energia poate fi suficienta pentru a elibera electronul din legatura sa, adica pentru a ioniza atomul.

Astfel, efectul fotoelectric consta in eliberarea de electroni din atom, datorita energiei fotonilor incidenti.

Fotonul genereaza doua cantitati de energie:

- energia necesara pentru eliberarea electronului din atom,

- energia cinetica a electronului eliberat in acest mod si care se departeaza de atom are o anumita viteza.

De unde rezulta ecuatia: energia fotonului = lucrul mecanic de iesire + energia cinetica a fotoelectronului.

De aici, se pot trage anumite concluzii;

- efectul fotoelectric nu se poate produce cand energia hn a fotonului este mai mica decat, lucrul mecanic de iesire a electronului.

- electronul nu poate fi eliberat din atom cand lungimea de unda l a luminii incidente este prea mare, deoarece frecventa n este prea mica, oricat de mare ar fi intensitatea luminii.

- emisia de electroni incepe imediat, chiar la cea mai slaba lumina cu conditia ca frecventa n sa fie suficient de mare.

A.H. Compton in anul 1922 studiaza imprastierea radiatiilor X sau Rontgen de o anumita lungime de unda l de catre un cristal.

Imprastierea radiatiilor se poate explica simplu prin conceptia ondulatorie, dar faptul ca, frecventa radiatiei imprastiate este mai mica decat a celei incidente ramanea neexplicata.

Scaderea frecventei este cu atat mai mare cu cat unghiul de imprastiere este mai mare.

Compton constata ca, variatia frecventei nu depinde de natura substantei pe care cade fasciculul de radiatii. Variatia frecventei n  are influentã doar asupra raportului dintre intensitatea radiatiei deviate si a celei incidente.

Cuanta de radiatie X sau Rontgen, contine energia E=hn si reprezinta o particula de actiune, un foton.

Fotonul se ciocneste ca o bila de biliard de unul dintre electronii pe care ii contine atomul, pe care-l arunca intr-o parte, dar si fotonul este deviat in lateral.

Fotonul prin ciocnirea cu electronul pierde o cantitate de energie care este cu atat mai mare cu cat, el deviaza mai mult de la directia initiala.

Aceasta pierdere de energie a fotonului se manifesta printr-o scadere a frecventei n, astfel incat, dupa ciocnire energia lui este E' = hn'.

Cantitatea de energie care lipseste s-a transferat electronului de recul.

De unde rezulta ca, efectul Compton consta in ciocnirea unei cuante de lumina, foton  cu un electron, cu care prilej fotonul este deviat lateral, micsorandu-si frecventa n, iar electronul de recul primeste cantitatea de energie suficienta pentru a parasi invelisul electronic al atomului, energie pe care o pierde fotonul.

Din cele prezentate rezulta ca, radiatiile electromagnetice sunt de natura corpusculara.