تبیان، دستیار زندگی

نظریه کوانتومی

در سالهای پایانی سده ی نوزدهم میلادی دانشمندان پدیده هایی را مشاهده کردند که دیگر با فیزیک کلاسیک قابل توجیه نبودند. امروزه به مجموعه ی نظریه ها و قانون هایی که به توجیه این پدیده ها می پردازد. فیزیک جدید (یا نوین) می گویند. شالوده ی فیزیک جدید را نظریه های «نسبیت» و «کوانتوامی» تشکیل می دهد. نظریه ی نسبیت مربوط به مطالعه ی پدیده ها در سرعتهای بسیار زیاد و نزدیک به سرعت نور است و نظریه کوانتومی به مطالعه ی پدیده ها در مقیاس های بسیار کوچک مانند مولکوها ، اتم ها و ذره های زیر - اتمی می پردازد.

نظریه ی نسبیت را برای اولین بار انیشتین عرضه کرد. نظریه کوانتوامی نتیجه پژوهش های فیزیکدانان بسیاری از جمله پلانک، انیشتین، بور، شرودینگر و .... بوده است.

تابش از سطح اجسام :

اجسام در دماهای بالا از سطح خود نور مرئی گسیل می کنند. از سطح همه ی اجسام در هر دمایی موج های الکترو مغناطیسی گسیل می شوند. گسیل موج های الکترومغناطیسی از سطح اجسام را تابش گرمایی می نامند. این تابش را می توان به رنگ های مختلف تجزیه کرد و طیف آن را به دست آورد. اگر بین طول موج هایی که در یک طیف وجود دارد فاصله ای نباشد آن طیف را طیف پیوسته می گوییم.

آزمایش نشان می دهد که تابش گسیل شده از هر جسم به دمای آن و برخی خصوصیات سطح آن بستگی دارد و در آن همه ی طول موج ها از فروسرخ، مرئی و فرابنفش به صورت یک طیف پیوسته وجود دارد.

اجسام در دمای معمولی مثل دمای اتاق یا کمی بالاتر موج هایی در ناحیه فروسرخ گسیل می کنند. اما وقتی دمای جسم به اندازه کافی بالا رود از آن نور قرمز رنگ و در دمای بالاتر حتی نور سفید رنگ گسیل می شود.

ضریب جذب

نسبت مقدار انرژی تابشی جذب شده توسط هر جسم به انرژی تابش فرودی را جذب کند، جسم سیاه نام دارد یعنی برای جسم سیاه می باشد. (برای همه طول موج ها)

شدت تابشی

شدت تابشی یک جسم برابر است با مقدار کل انرژی موج های الکترومغناطیسی که درباره زمانی یک ثانیه از واحد سطح آن جسم گسیل می شود.

هر چه ضریب جذب جسم بالاتر باشد، شدت تابشی آن نیز بالاتر خواهد بود پس جسم سیاه دارای بالاترین شدت تابش در هر دمایی است جسم سیاه بهترین گسیلنده ی موج های الکترومغناطیسی و بهترین جذب کننده ی این موج هاست.

تابندگی

مقدار تابش گسیل شده را با کمیتی به نام تابندگی مشخص می کنند. تابندگی یک جسم در هر طول موج برابر است با مقدار انرژی موج های الکترومغناطیسی با طول مج های بین و که در واحد زمان از واحد سطح جسم گسیل می شود.

هر چه دمای جسم سیاه بیشتر باشد، تابندگی جسم سیاه بیشتر خواهد بود. هر چه بسامد موج گسیل شده بشتر باشد، تابندگی بیشتر خواهد بود. هر چه طول موج موج گسیل شده بیشتر باشد تابندگی کمتر خواهد بود.

بنابر نظریه ی پلانک مقدار انرژی که جسم به صورت موج های الکترومغناطیسی گسیل می کند. همواره مضرب درستی از یک مقدار پایه است و این مقدار پایه به بسامد موج الکترومغناطیسی بستگی دارد.

n یک عدد صحیح مثبت ، h ثابت پلانک و بسامد موج و E انرژی موج الکترومغناطیسی است. مقدار  و یا می باشد.

مقدار کوانتوم انرژی تابشی گسیل شده با بسامد  است و n تعداد کوانتوم ها (عدد کوانتوامی) است.

فوتون 

ناتوانی فیزیک کلاسیک در تفسیر پدیده ی فوتوالکتریک

فیزیک کلاسیک در تفسیر نتیجه های تجربی مربوط به پدیده ی فوتوالکتریک با دو شکل رو به رو شد.

1- بنابراین قانون های فیزیک کلاسیک ، با افزایش شدت نور فرودی با الکترود A، و در نتیجه افزایش میدان الکتریکی مربوط به موج الکترو مغناطیسی ، می توانیم Kmax (بیشینه انرژی جنبشی الکترون) را افزایش دهیم. در حالی که در منحنی ها دیدیم که V. و در نتیجه Kmax مستقل از شدت نوری است که بر الکترود می تابد.

2- اگر شدت نور برای گسیل فوتو الکترون ها از الکترود A کافی باشد، اثر فوتوالکتریک باید در هر بسامدی رخ دهد. در حالی که دیدیم اگر بسامد نوری که بر A فرود می آید کمتر از بسامد قطع باشد، اثر فوتوالکتریک رخ نمی دهد.

انیشتین در سال 1905 میلادی برای تفسیر پدیده فوتوالکتریک، با استفاده از فرضیه ی پلانک فرض کرد که هر موج الکترو مغناطیسی با بسامد  از بسته های متمرکز یا کوانتوام های انرژی تشکیل شده است که آنها را فوتون می نامند.

فوتون های موج الکترو مغناطیسی با طول موج های مختلف، انرژی های یکسان ندارند. اگر بسامد یک موج الکترو مغناطیسی  باشد، انرژی فوتون آن برابر خواهد بود با

براساس پیشنهاد انیشتین انرژی یک موج الکترو مغناطیسی با بسامد  تنها می تواند مضرب درستی از انرژی یک فوتون باشد، در این صورت انرژی موج الکترو مغناطیسی که ازn فوتوت تشکیل شده است برابر خواهد بود با

انیشتین همچنین فرض کرد که در اثر فوتو الکتریک ، یک فوتون با انرژی h.n به طور کامل توسط الکترون جذب می شود و انرژی خود را به الکترون می دهد. در نتیجه انرژی جنبشی الکترون هنگام خروج از سطح فلز برابر است با :

K=hv-w

W برابر است با کار لازم برای غلبه بر نیروهای داخلی وارد بر الکترون در فلز. برخی از الکترون ها در فلز کمتر مقیداند، انرژی سریعترین فوتوالکترون های گسیل شده از آن برابر است با

w₀حداقل کار لازم برای خارج کردن یک الکترون از فلز است.  W₀  را تابع کار فلز می نامند و بسامد قطع را می توان از رابطه ی زیر به دست آورد.

طیف اتمی

طیف جذبی