Dualisme Cahaya Sebagai Gelombang dan Partikel


Download 107.21 Kb.
Pdf ko'rish
Sana17.01.2018
Hajmi107.21 Kb.
#24735

Dualisme Cahaya Sebagai 

Gelombang dan Partikel 

Fisika Modern 

Wave Properties 

Light intensity =  ?????? ∝ ??????

2

  



Particle Properties 

Light intensity: ?????? = ??????ℎ?????? 



Quantum Theory of Light 

Under a constant frequency, the smallest 

energy unit of light is quantized.   

Fisika Modern 

For one photon 

For N photon 

I= ??????ℎ??????

 

?????? = ℎ?????? =



ℎ??????

??????


 

Fisika Modern 

Spectrum of electromagnetic radiation 

Free electrons in resonance 

Transition of bound electrons in atoms 

Nucleus 


Fisika Modern 

1.3.2 Photoelectric effect 

http://lectureonline.cl.msu.edu/~mmp/kap28/PhotoEffect/photo.htm 



Fisika Modern 

Photoelectric effect applet

 

Photoelectric effect applet



 

Fisika Modern 

Einstein’s interpretation 



h

E

Under a constant frequency, the smallest 



energy unit of light is quantized.   

One photon can at most 

release one electron, 

regardless of the photon 

energy 


Fisika Modern 

Work Function, W– the minimum energy for 

electron to escape from the metal surface 

W

K

hf



where K is the kinetic energy of the photoelectron 

Photocurrent 



nq

I

p



where 

 is the quantum efficiency, n number of 



photons striking to the electrode per second, q 

electron charge 



Fisika Modern 

The number of photons striking to the electrode is 

related to the light intensity I

L

 by 




h

A

I

n

L

Where A is the area of the electrode exposed to 



light.  

Fisika Modern 

Threshold frequency 

When K = 0, there is no photoelectrons. The 

frequency reaches the threshold frequency, i.e.  

 

W

h

o



Fisika Modern 

Stopping voltage 

The reverse biasing voltage: where the photoelectrode 

is positively biased and the other negatively biased.  

When the biasing 

voltage increases 

from zero, the 

photocurrent 

decreases. At V 

 V



S

I



= 0 


Fisika Modern 

Stopping voltage 



S

qV

K

0





v

The physical meaning is that the potential 

difference barrier is decelerating the electron, 

and finally consumes all its kinetic energy. Thus, 

the stopping voltage gives us a tool to determine 

the kinetic energy,  



mgh 

2

2



1

mv

qV

S



 

Fisika Modern 

Stopping voltage against frequency 



W

h

K

qV

S





q



W

q

h

V

S



Stopping 

Voltage

 V

S



Slope =   /



h q

o



Fisika Modern 

Observations 

• Monochromatic light is incident to one of the 

electrodes made by a particular metal. The 

induced current called photocurrent is 

collected.  

• If V is fixed, there exists a threshold frequency 

o

, below which there is no photocurrent.   



• Different electrode materials have threshold 

frequency 

o

 



Fisika Modern 

Observations 

• The photocurrent is constant above the threshold 

frequency under a constant illumination, regardless of 

the frequency. 

• The photocurrent is proportional with the intensity. 

• The energy of electron is proportional with the 

frequency. 

• For a particular electrode and frequency of light, a 

stopping voltage V

s

 exists. No photocurrent can be 

collected regardless of the intensity of light. 

• There is no measurable tie lag between the illumination 

of light and the release of photoelectrons. (10

-9

s) 


Fisika Modern 

Graphical presentations  

Energy of photoelectrons is 

proportional to the frequency

Existence of threshold frequency 

 



o

 


Fisika Modern 

Photocurrent is proportional to light 

intensity 


Fisika Modern 

Different frequency of light has different 

stopping voltage  


Fisika Modern 

Stopping voltage varies with 

(1)electrode material for the same 

frequency 

(2) increases with frequency of light for 

the same electrode 



Fisika Modern 

Example: 

 

Cahaya ultraviolet dengan panjang gelombang 350 nm dan intensitas 1 W/m



2

 

mengenai permukaan elektroda yang  “work function” nya  2.2 eV.  



a. Hitung energi kinetik elektron yang dilepas oleh elektroda tersebut. 

b. Jika 1% dari photon yang datang diubah menjadi fotoelektron, berapa jumlah 

elektron yang dilepas per detik jika luas permukaan 1 cm

2

  



Diketahui konstanta Planck =6.626x10

−34


 Js = 4.136x10

−15


 eVs 

Fisika Modern 

Failure of classical theory 

• In 1902, Philipp Eduard Anton von Lenard 

observed that the energy of the emitted 

electrons increased with the frequency of the 

light. This was at odds with James Clerk 

Maxwell's wave theory of light, which 

predicted that the energy would be 

proportional to the intensity of the radiation.  


Fisika Modern 

• Within the experimental accuracy, (about 10

-9

 

second), there is no time delay for the emission 



of photoelectrons. In terms of wave theory,  the 

energy is uniformly distributed across its 

wavefront. A period of time is required to 

accumulate enough energy for the release of 

electrons. 


Fisika Modern 

1.3.1 What is blackbody? 

• Under thermal equilibrium, an object of a finite 

temperature emit radiation (supposed to be EM 

wave). 


• It is found that an object that absorbs more also 

emits more radiation. 

• A perfect absorber is an object with black surface 

that must of the incident energy is absorbed. It is 

also expected to be a perfect radiator.  

• Consequently, a blackbody is a perfect radiation. 

 


Fisika Modern 

Phenomena for a blackbody 

• Temperature-dependence emission spectrum. 

• Reciprocal relation between wavelength at the peak 

intensity 

max 


and ambient temperature T 

• Inconsistency between observed spectrum and the 

prediction from classical theory (Reyleigh and Jeans) 

• A model suggested by Planck (quanta of light energy) 



Fisika Modern 

Inconsistency of Classical wave theory and 

experiment 

4

8



~



kT

I

1

)



/

exp(


1

8

5





kT



hc

hc





Fisika Modern 

Temperature dependence of emission 

spectrum 

http://surendranath.tripod.com/AppletsJ2.html 

http://webphysics.davidson.edu/alumni/MiLee/java/bb_mjl.htm 


Fisika Modern 

Classic: Rayleigh – Jeans Formula 

Planck Radiation 

??????  = ??????

??????

?????? 


Total Energy  in the cavity with frequency interval between v and v+dv 

?????? ?????? ???????????? =   ??????  ?????? ?????? ???????????? =  

8????????????

??????


??????

??????


3

??????


2

????????????  

??????  =

ℎ??????


exp

ℎ??????


??????

??????


?????? − 1 

 

?????? ?????? ???????????? =   ??????  ?????? ?????? ???????????? =  



8??????ℎ

??????


3

??????


3

exp


ℎ??????

??????


??????

?????? − 1

????????????  


Fisika Modern 

Inconsistency of Classical wave theory and 

experiment 

4

8



~



kT

I

1

)



/

exp(


1

8

5





kT



hc

hc





Blackbody radiation – Stefan’s Law 

An object having a surface temperature T will emit radiation power P which is 

proportional to the surface area A of the object and to the fourth power of the 

temperature. 

4

AT

P





 is the Setfan’s constant and is equal to 5.67 x 10

-8

 Wm


-2

K

-4



(Jm

-2

s



-1

K

-4



 is the emissivity of the object and is  



1

0



Fisika Modern 



Fisika Modern 

Stefan ‘s law 



The total power (area 

below a constant 

temperature curve P) 

4

AT



P





Fisika Modern 

Wein displacement Law 



Fisika Modern 

-Hitung panjang gelombang yang dipancarkan tubuh anda 

 

- Berapa energi yang dipancarkan oleh tubuh anda? 



 

Blackbody radiation and ultra-violet catastrophe 

    


as we do the integration   

Blackbody radiation and ultra-violet catastrophe 

        


From Maxwell E.M. theory we know that a dipole oscillating with frequency 

 will on average emits energy 



r

(





E



E

r

(



) = const. 

2

  



where  

 

is the average energy of the oscillating dipole. 



Rayleigh - Jean's Law 

        


Maxwell-Boltzman distribution gives the energy state number density N(E) at energy E as 

kT

E

e

E

N

/

)



(



 

total number of possible energy state  





0

)

(



dE

E

N

and    


          Total energy  



0

)



(

dE

E

EN

Hence the average energy: 



states

energy

of

number

Total

nergy

Totale

E

.

.



.

.

.





kT

e

dE

Ee

dE

E

N

dE

E

EN

kT

E

kT

E





 





0

/



0

/

0



0

)

(



)

(

r()



 

Rayleigh-Jeans 

Blackbody 

radiation 

   UV 

catastrophe 



 

Fisika Modern 



This result is in fact well known from kinetic theory where  the energy of 

vibrational degree of freedom

  

So now we have  



 

r() 


 Const. 

 

2



T

 

Rayleigh-Jeans Law describes the beginning part of the blackbody radiation correctly at 



low frequency (long wavelength) but it obviously wrong at high 

. As 



 increases 

r()

 

increases without limit, i.e.  At                   , as we do the integration          , 



r()

, the 


radiate energy goes to infinity! 

  

The energy of rotational / bending degree of freedom  



kT

2

1





kT





0

This is called UV catastrophe



Ultra-violet catastrophe 

Fisika Modern 



kT

e

dE

Ee

dE

E

N

dE

E

EN

E

kT

E

kT

E







 




0

/



0

/

0



0

)

(



)

(









0



/

0

/



0

0

0



n

kT

nE

n

kT

nE

e

e

nE

E

.....


1

.....


3

2

0



/

3

/



2

/

/



3

0

/



2

0

/



0

0

0



0

0

0



0













kT

E

kT

E

kT

E

kT

E

kT

E

kT

E

e

e

e

e

E

e

E

e

E

(

)



1

1





x

(

)



2

1





x











.....



1

.....


3

2

1



2

2

0



x

x

x

x

x

E

E

kT

E

e

x

/

0



)



1

(

0



x

x

E



)

1

1



(

0





x

E

1

/



0

0







kT

E

e

E

E

Planck's derivation of blackbody radiation 

 

Rayleigh - Jean's Law: 



 

 

This integration assume continuous distribution of energy, i.e. the oscillator can take up any value. 



Plank made the hypothesis that the oscillator will only take up discrete energies 

0, E


0

, 2E


0

, 3E


0

, .....etc. 

 

 the average energy is obtained from a summation instead of integration. 



          

 

     



Let  

 

 



 

 

Fisika Modern 



Fisika Modern 

Blackbody radiation 

http://surendranath.tripod.com/Applets.html 



Fisika Modern 

Conclusion 

• Rayleigh – Jeans ‘s derivation is only valid at 

long wavelengths (low frequencies) and fails 

at short wavelength. 

• Planck made an assumption: energy emitted 

from the radiator at a frequency 

, E = nh


where n and integer, h the Planck constant 



(energy is discretized) 

• Implication: classical theory predicts energy is 

continuous 

 

 



Download 107.21 Kb.

Do'stlaringiz bilan baham:




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling