Am studiat pina acum propagarea, reflexia, refractia, difractia, polarizarea, imprastierea si interferenta luminii. Ne vom ocupa in continuare de producerea luminii si de modul in care aceste studii au condus in 1900 la nasterea fizicii cuantice moderne. k6i21iu
Cele mai uzuale surse de lumina sint corpurile solide incalzite si descarcarile electrice prin gaze. Exemple tipice de astfel de surse sint : filamentul de tungsten al lampii cu incandescenta si lampa cu neon. Analizind cu ajutorul unui spectrometru lumina emisa de la o sursa putem afla intensitatea radiata la diverse lungimi de unda. in figura gura 47-1 se poate vedea rezultatul unei astfel de masuratori, tipic pentru solide incalzite, in care s-a incalzit la 2 000 K o panglica de tungsten.
In ordonata (figura 47-1) a fost pusa densitatea spectrala a emitantei energetice, M? , (sau pe scurt emitanta spectrala) definita astfel ca fluxul energetic emis de unitatea de aria a radiatorului, in intervalul de lungimi de unda si ?, ?+d? sa fie M? d?. Unitatea S.I. pentru emitanta spectrala este watt pe metru patrat pe metru (W/m2 m), respectiv in unitati mai convenabile W/m2 µm (1 W/cm2 µm = 106 W/m2 m) sau W/cm2 µm (1 W/cm2 µm = 1010 W/m2 m). La masurarea lui M? se ia in consideratie toata radiatia emisa in 2p steradiani, de radiator. |
Uneori dorim sa discutam despre energia radiata in tot domeniul de lungimi de unda. In acest caz vom vorbi de emitanta energetica, Me definita ca flux de energie emis uniform de pe o suprafata cu aria unitate, unitate de masura corespunzatoare fiind W/m2. Ea poate fi obtinuta integrand radiatia emisa pe tot intervalul de lungimi de unda :

Me = d?

Ermitanta Me poate fi interpretata ca aria de sub curba M? functie de ?. In cazul ligurii 47-1, aceasta arie si deci Me, este de 23,5 x lO4 W/cm2. Se poate observa asemanarea formala ce exista intre aceasta curba si cea a distributiei Maxweliene a vitezelor, din paragraful 24-2.
Pentru orice material exista o familie de curbe de emitanta spectrala ca cea din figura 47-1, cite o curba pentru fiecare temperatura. Daca se compara asemenea familii de curbe, nu rezulta regularitati clare. Intelegerea si descrierea lor pe baza unei teorii prezinta dificultati serioase. Din fericire, este posibil sa lucram cu un corp solid ideal, incalzit, numit corp negru. Proprietatile de emisie a luminii se dovedesc a fi independente de materialul din care este construit corpul negru si depind intr-un mod simplu de temperatura. Anterior am procedat la fel, cind am studiat proprietatile unui gaz ideal si nu a infinitatilor de tipuri de gaze reale. Corpul negru este un corp ideal din punct de vedere al proprietatilor lui de emisie a luminii. Vom descrie in paragrafele urmatoare modul in care studiul teoretic al radiatiei corpului negru, a condus in 1900 pe fizicianul german Max Planck (1858—1947), la fundamen-tarea iizicii cuantice moderne

Lungimea µm
Figura 47-1. Densitatea spectrala a emitantei energetice a tungstenului Ia 2000 K. Linia intrerupta se refera la radiatia corpului negru aflat la aceeasi temperatura. 1µ. =10-6 m=104 A.

Sa luam trei bucati diferite de metal, spre exemplu tungsten, tantal si molibden. Sa executam in fiecare bucata de rnetal cite o cavitate iar prin peretii fiecaruia sa efectuam o mica gaura care sa uneasca cavitatea cu exteriorul. Sa crestem temperatura fiecarui bloc metalic la aceeasi temperatura (sa zicem de 2000 K), determinata cu ajutorul unui termometru corespunzator. In fine, sa observam emisia de lumina a celor trei bucati metalice, intr-o camera intunecoasa. Masuratorile lui Me si M? ne arata urmatoarele:
1. Radiatia ce provine din interiorul cavitatii este totdeauna mai intensa ca cea provenita de la peretii exteriori. Acest lucru se poate vedea clar, pentru tungsten. Raportul emitantelor suprafetei exterioare si a cavitatii, pentru cele trei materiale discutate, la 2 000 K este 0,259 (tungsten), 0,212 (molibden) si 0,232 (tantal).
2. Emitanta cavitatii este aceeasi pentru toate cele trei materlale (daca ele se afla la aceeasi temperatura) cu toate ca emitantele suprafe-telor exterioare este diferita. Emitanta cavitatii pentru 2 000°K este de 90,0 W/cm2
3. Spre deosebire de emitanta suprafetei exterioare, emitanta ener-getica a cavitatii Me depinde de temperatura intr-un mod simplu si anume:

Mec = sT4 unde s este o constanta universala (constanta Stefan-Boltzman) a carei valoare masurata experimental este 5,67xl0-8 W/(m2) (K4). Emitanta suprafetei exterioare variaza cu temperatura intr-un mod mult mai complicat si difera de la un material la altul. Ea se scrie uneori sub forma :

Me = e Mec = e sT4
Nu numai radiatia totala ci si distributia spectrala a ei trebuie sa fie aceeasi pentru ambele cavitati. Acest lucru poate fi aratat punind un filtru intre cele doua deschideri ale cavitatilor, astfel ales incit sa permita sa treaca o banda ingusta de frecvente. Folosind acelasi rationament, putem arata ca trebuie ca
M? A=M? B = unde M? C este emisivitatea spectrala caracteristica ambelor cavitati.

Efectul fotoelectric consta in emisia de electroni de catre o suprafata metalica datorita interactiunii acestuia cu un fascicul de radiatii incidenta pe ea. Studiul efectului fotoelectric a condus la descoperirea legilor acestui fenomen. Dintre legile efectului fotoelectric doua nu au putut fi explicate.
I. Emisia de electroni (foto electroni) au loc numai daca rad incidenta are o o energie mai mare ce depaseste energia si frecventa de prag specifica fiecarui metal.
II. Energia cinetica a fotoelectronilor emisi de suprafata creste cu frecventa incidenta dintr-o functie si este incidenta dintr-o functie si este independenta de radiatii incidente.
Explicatia celor doua legi o da A. Einstein in 1904-1905, plecand de la ipoteza cuantificarii a lui Plank. El admite ca radiatia luminoasa incidenta nu transporta energie in mod continuu, ca efectul fotoelectric corespunde transferului de energie de la un foton la un electron (ciocnire foton-electron cu anihilarea fotonului) conform bilantului de energie:
(2) unde: - lucrul mecanic de extractie; - energia cinetica a fotoelectronului; - energia foton -; electron incident.
Masurat experimental au pus in evidenta o concordanta destul de buna intre teoria cuantica a lui Einstein si legile descoperite experimental astfel ca efectul foto- electric este o noua dovada a cuantificarii energiei purtata de radiatia luminoasa. unde: m -; masa de miscare; - masa de repaus.

(3)


(4)
Daca folosim relatia (4) pentru foton vom avea in vedere ca fotonul nu exista in repaus.
; (4)ÞE=C*P; E=e=hn; hn=C*PÞ ;
(5)

Relatia (5) reprezinta legatura duala corpuscul -; unda a fotonului
In figura 47-6 este dat dispozitivul experimental folosit la studiul efectului fotoelectric. Lumina monocromatica ce cade pe placa de metal A, va elibera fotoelectroni ce pot fi detectati sub forma unui curent daca sunt atrasi de electrodul metalic B cu ajutorul unei diferente de potential V aplicata intre A si B. Acest curent fotoelectric este masurat cu galvanometrul G.
in figura 47-7 (curba a) este reprezentat curentul fotoelectric obtinut intr-o instalatie de tipul celei din figura 47-6, in functie de diferenta de potential V. Pentru valori suficient de mari ale lui V, curentul fotelectric atinge o valoare limita corespunzatoare cazului in care toti fotoelectronii emisi de placa A sint colectati de B.
Daca se schimba sensul lui V, curentul fotoelectric nu scade la zero imediat, aceasta indicind ca clectronii sint cmisi din A cu o viteza finita. Unii vor ajunge la B in ciuda faptului ca acum cimpul electric se opune miscarii lor. Totusi, daca aceasta diferenta de potential de sens invers este destul de mare, se atinge o valoare Vy (potentialul de frinare) pentru care curentul fotoelectric scade la zero. Aceasta diferenta de potential Vo, inmultita cu sarcina electronului este egala cu energia cine-tica Ec max a celor mai rapizi fotoelectroni emisi. Cu alte cuvinte
Ec max = eV0 (47-9)

Ec max este independent de intensitatea luminii dupa cum se vede din curba b din figura 47-7, pentru care intensitatea lurninii a fost redusa la jumatate.

Figura 47-7. Unele rezultate experimentale obtinute cu dispozitivul din figura 47-6. Diferenta de potential aplicata V se considera pozitiva daca electrodul metalic B este pozitiv fata de suprafata A din care sunt emisi electronii. Pentru curba b, intensitatea luminii incidente a fost redusa la jumatate fata de cea pentru curba a.

Frecventa, 1014 Hz

Figura 47-8. O reprezentare a potentialului de franare masurat de Millikan in functie de frecventa, pentru sodiu . Frecventa de prag v0 este 4.39 * 1014 Hz

In figura 47-8 este dat potentialul de frinare Vo in functie de frecventa luminii incidente pentru sodiu. Observati ca exista o anumita valoare Vo a frecventei, numita frecventa de prag, sub care efectul fotoelectric nu se mai produce. Aceste rezultate au fost obtinute de R. A. Millikan (1868—1953) a carui munca sustinuta asupra efectului fotoelectric i-a adus premiul Nobel in 1923. Deoarece efectul fotoelectric este in principal un efect de suprafata, trebuie ca pe suprafata sa nu existe strate de oxid, de grasime etc. Millikan a construit un dispozitiv cu ajutorul caruia se pot taia strate de pe suprafata metalului, in vid, obtinind astfel a suprafata curata.
Dar, teoria ondulatorie a luminii nu poate explica trei caracteristici importante ale efectului fotoelectric:
1. Conform teoriei ondulatorii energia cinetica a fotoelectronului trebuie sa creasca atunci cind intensitatea fascicului de lumina creste. Totusi, din figura 47-7 se vede ca Ec max = (eV0) este independenta de intensitatea luminii; aceasta a fost verificata pentru un domeniu de in-tensitati ce se intinde pe sapte ordine de marime.
2. Teoria ondulatorie spune ca efectul fotoelcctric trebuie sa se produca pentru orice frecventa a luminii, cu singura conditie ca sa fie suficient de intensa. Totusi, din figura 47-8 se vede ca, pentru fiecare suprafata, exista o frecventa caracteristica de prag vo. Pentru frecvente mai mici decit aceasta, efectul fotoelectric dispare indiferent de cit de intensa este iluminarea.
3. Daca energia fotoelectronului este luata de placa de metal de la unda incidenta, ne asteptam ca „suprafata efectiva de tinta" pentru un electron din metal sa fie mai mare decit citeva diametre atomice. Astfel, daca lumina este suficient de slaba, trebuie sa existe o decalare masurabila intre momentul cind lumina cade pe suprafata si cel al emisiei fotoelectronului. In acest interval de timp electronul trebuie sa extraga energie din fascicul pina ce energia acumulata de el este suficienta pentru a parasi metalul. Totusi, nu s-a putut masura nici un decalaj intre aceste doua momente. Aceasta neconcordanta intre teoric si experienta este si mai evidenta atunci cind se studiaza efectul foto-electric al unui gaz; in acest caz energia fotoelectronului trebuie sa fie luata de la fasciculul de lumina de un singur atom.

Einstein a reusit sa explice efectul fotoelectric folosind o ipoteza remarcabila si anume: a presupus ca intr-un fascicul de lumina energia este transportata prin spatiu in „portii" finite numite fotoni. Energia unui foton (vezi ecuatia 47-8) este data de

E=hv

Reamintim ca Planck considera ca lumina, desi emisa de sursa sa in mod discontinuu, se propaga prin spatiu sub forma de unda electromagnetica. Ipoteza lui Einstein considera ca lumina propagindu-se prin spatiu se comporta mai degraba ca o particula decit ca o unda. Millikan, a carui experiente au verificat ideile lui Einstein in cele mai mici detalii, califica ipoteza lui Einstein ca „indrazneata, ca sa nu spun nesabuita".
Aplicind notiunea de foton efectului fotoelectric, Einstein a scris :

hv = E0 + Ec max (47-11)

unde h este energia fotonului. Ecuatia 47-11 ne spune ca un foton transporta energia hv prin suprafata metalului. 0 parte din aceasta energie (Eo) este folosita pentru a scoate electronul prin suprafata metalului. Energia ramasa (hv -; Eo) este data electronului sub forma de energie cinetica; daca electronul la iesirea sa din metal nu pierde cnergie prin ciocniri interne, toata energia primita o va avea sub forma de energie cinetica dupa iesirea din metal. Astfel, Ec max reprezinta energia cinetica maxima pe care fotoelectronul o poate avea in exteriorul supra-fetei; in majoritatea cazurilor din cauza pierderilor interne prin ciocniri energia sa va fi mai mica decit aceasta.
Sa vedem cum ipoteza fotonica a lui Einstein rezolva cele trei obiectii ridicate impotriva interpretarii ondulatorii a efectului fotoelectric. In ceea ce priveste obiectia numarul unu (Ec max nu depinde de intensitatea luminii) exista o concordanta deplina intre teoria fotonica si experienta. Dublind intensitatea luminii, numarul de fotoni se dubleaza si astfel curentul fotoelectric se dubleaza; dar energia (=hv) fotonilor individuali sau natura procesului fotoelectric individual descris in ecuatia 47-11 nu se modifica.

Pe masura adanciri studiilor legate de structura si proprietatile atomilor, fizicienii au ajuns tot mai mult la concluzia ca greutatile si deficientele intampinate de modelul
Bohr -;Sommerfield au o cauza mai profunda. Cu alte cuvinte greutatile pe care le intampina in a descrie corect atomul se regasesc sub o forma sau alta la intelegerea oricaror fenomene de la o scara a dimensiunilor de ordinul 10-8 cm. De aici a rezultat ca trebuie cautata o descriere mai corecta , mai conforma cu realitatea tuturor fenomenelor microscopice. Concluzia este ca mecanica lui Newton nu mai poate descrie corect fenomenele la aceasta scara.

Fenomene cum ar fi efectul fotoelectric sau emisia de radiatie termica nu pot fi incadrate corect in teoria ondulatorie a luminii. La o analiza ceva mai atenta rezulta ca fenomenele care nu pot fi corect explicate ondulator corespund momentului de aparitie (nastere) sau disparitie a radiatiei luminoase, momente care presupun directa legatura intre radiatie si atom. Intr-un fel acest lucru a fost explicat de catre modelul Bohr prin introducerea postulatelor. In fond in spatele acestor postulate se ascunde cheia intelegerii fenomenelor la scara atomica.
Newton insa a observat ca fenomenele luminoase pot fi descrise foarte bine pana la un anumit punct pe o baza ondulatorie cat ti pe o baza corpusculara.
Nu pot fi explicate simultan, ondulator ti corpuscular acele fenomene care sunt conditionate de trasaturile ce deosebesc cel mai mult particulele de unde in particular deosebirea este legata de introducerea spatiala pe care o ocupa o particula sau o unda. O particula este totdeauna localizata intr-o regiune finita a spatiului, pe cand emisia radiatiilor termice ca si efectul fotoelectric presupun restrangerea si localizarea undei intr-o regiune extrem de mica (deci cu caractere corpusculare). In acest fel trebuie sa admita ori ca lumina in diverse momente este cand unda, cand particula ceea ce este deosebit de greu de inteles, ori presupune ca lumina contine in sine ambele calitati dar ca in unele momente, una dintre calitati predomina .
A doua alternativa pare mai usor de acceptat cu conditia sa putem cunoaste si explica fizica, cand, cum si de ce se comporta lumina, dominant ondulatoriu sau dominant corpuscular.
Astfel ajungem la concluzia ca lumina trebuie sa contina ambele calitati : unda si particula. In acest caz , pot fi explicate atat fenomenele de interferenta cat si cele cu caracter corpuscular, formand astfel o unitate indestructibila unda-particula numita foton.

Aplicatiile efectului fotoelectric extern

Celula fotoelectrica este alcatuita dintr-un tub de sticla vidat sau continand un gaz inert la presiune redusa care are in interior doi electrozi : catodul ( C ) format dintr-un strat subtire de metal (Cs, Na, K) depus pe o portiune din peretele tubului si anodul (A). format dintr-o retea de inel sau bobita metalica. fig.1 - Celula fotoelectrica

Sub actiunea radiatiilor electromagnetice (vizibile) fotocatodul emite electroni care sunt dirijati spre anod datorita campului electric produs de tensiunea dintre C si A si sunt captati de catre acesta stabilindu-se un curent electric, indicat de galvanometru „G”. Deci celula fotoelectrica transforma un semnal luminos intr-un semnal electric.
Celulele fotoelectrice cu vid sunt mai putin sensibile (curentul fotoelectric se stabileste la valori mai mari ale fluxului radiatiilor electromagnetice), dar sunt lipsite de inertie (intensitatea curentului fotoelectric urmareste prompt si liniar variatia fluxului luminos care cade pe catod); celulele cu gaz sunt mai sensibile dar prezinta o inertie determinata de procesele ce se produc in cazul din tub.
Fotomultiplicatorul este alcatuit dintr-un tub de sticla vidat in care se afla un catod C, un anod A si un numar oarecare de electrozi auxiliari numiti dinode (fig. 2) . O dinoda este un electrod care bombardat cu un numar de electroni emite un numar mai mare de electroni secundari. Cu ajutorul unui divizor de tensiune format cu ajutorul rezistentelor R1, R2, R3, si R4 fiecare dinoda, incepand cu cea de langa catod, se afla la un potential electric superior celei precedente.

Sub actiunea luminii, fotocatodul emite electroni care sunt accelerati spre dinoda D1 pe care o bombardeaza. Aceasta emite un numar mai mare de electroni care sunt accelerati spre dinoda D2- La randul ei dinoda D2 emite un numar mai mare de electroni astfel incat, in final la anod va ajunge un numar amplificat de electroni. Prin rezistorul Rs din circuitul anodului se stabileste un curent electric de 106 -;107 ori mai mare decat in cazul unei celule fotoelectrice.
Dispozitivele opto-electrice descrise prezinta o multitudine de utilizari in diferite domenii ale tehnici , ne vom opri doar asupra folosirii acestor dispozitive la releul fotoelectric.
Releul fotoelectric este un electromagnet care poate comanda inchiderea si deschiderea unui circuit electric. In cazul releului fotoelectric (fig. 3) lumina cade pe fotocatod si determina aparitia unui camp electric care dupa amplificare strabate electromagnetul al carui camp produce inchiderea circuitului comandat.
Avand comenzi comode, sigure si rapide, releul fotoelectric se foloseste la numararea unor obiecte in miscare, la intreruperea automata a functionarii unor masini-unelte cand operatorul a intrat intr-o zona unde este pericol de accidentare, la conectarea automata a retelei de iluminat in momentul intunecari etc.