Pohyb elektronu a emise fotonu: Vysvětlení

Světlo a ostatní druhy elektromagnetického záření lze vnímat jako proud částic - proud fotonů. S fotony se člověk setkával již odpradávna, neboť vnímal světlo. Fyzikálně se je podařilo objevit až ve 20. století. Jejich objev souvisí s historií výzkumu podstaty světla.

Interakce ionizujícího záření s hmotou

Při průchodu ionizujícího záření hmotou dochází k interakci mezi částicemi nebo fotony záření a strukturami okolních atomů, tedy jádrem a elektronovým obalem. K interakci dochází v jádru a jeho elektromagnetickém poli nebo v obalu atomu. Interakce obou druhů záření (RTG a γ) jsou si velmi podobné, liší se místem vzniku (RTG z obalu, γ z jádra) a frekvencí.

Fotoelektrický jev

Fotoelektrický jev (fotoefekt) je jednou ze tří možných interakcí γ záření s elektronovým obalem atomu. Z těchto tří interakcí má foton zpravidla nejslabší energii. Je to fyzikální jev, při němž jsou elektrony uvolňovány (vyzařovány, emitovány) z látky (nejčastěji z kovu) v důsledku absorpce elektromagnetického záření látkou. Elektrony emitované z jaderného obalu jsou pak označovány jako fotoelektrony. Za objevitele fotoelektrického jevu je považován Heinrich Hertz, který si při svých pokusech (roku 1887), jejichž cílem bylo experimentální prokázání existence Maxwellem předpovězených elektromagnetických vln, všiml, že ozáření jiskřiště ultrafialovým zářením usnadňuje přeskok jiskry - tj. Roku 1899 Joseph John Thomson udělal rozhodující krok k objasnění podstaty jevu.

Fotoelektrický jev nastává, když se celá energie kvanta záření γ předává některému elektronu z elektronového obalu absorbujícího materiálu nebo případně volnému elektronu (např. v kovech). Část energie se spotřebuje na uvolnění elektronu (vykonáním tzv. výstupní práce Wv) a část se přemění na kinetickou energii Ek vzniklého fotoelektronu. (Volné místo po elektronu je zaplněné jiným elektronem, který sem přeskočil z jiné slupky atomového obalu. Při tomto přeskoku se vyzáří energie ve formě charakteristického záření. Místo charakteristického záření může dojít k alternativnímu jevu - energie se předá některému elektronu na vyšší slupce, který se pak uvolní a vyzáří jako tzv.

Foton interaguje s elektronem na slupkách K, L a M. Tedy s elektrony, které leží blízko jádru atomu.

Čtěte také: Význam pohybu pro organismy

Podle představ klasické fyziky by elektronům měla být předána kinetická energie dopadajícího elektromagnetického vlnění. Energie elektromagnetických vln souvisí s intenzitou záření, tzn. energie vyzařovaných elektronů by měla záviset na intenzitě dopadajícího záření. Pro každý kov existuje určitá mezní frekvence f0 taková, že elektrony se uvolňují pouze při frekvenci f0 a frekvencích vyšších. Na frekvenci použitého elektromagnetického záření závisí také energie emitovaných elektronů.

V roce 1905 Albert Einstein vyšel z Planckovy kvantové hypotézy a z představy, že elektromagnetická vlna o frekvenci f a vlnové délce λ se chová jako soubor částic (světelných kvant), z nichž každá má svou energii a hybnost. Tyto částice mají zvláštní vlastnosti, především se stále pohybují rychlostí světla a nelze je žádným způsobem zastavit, zpomalit ani urychlit. Podle teorie relativity musí mít nulovou klidovou hmotnost. Světlo při dopadu na povrch látky předává energii povrchovým elektronům zkoumané látky. K uvolnění elektronu z vazby v atomu je potřeba tzv. ionizační energie. Tato nutná energie k uvolnění elektronu může vzniknout, jestliže je vlnová délka světla dostatečně malá. V tom případě může frekvence a energie dosáhnout dostatečně vysoké hodnoty. Předáním takové energie elektronům je možné překonat tzv. fotoelektrickou bariéru k uskutečnění výstupní práce.

Fotoelektrický jev hraje významnou úlohu na poli biofyziky. Příkladem je uplatnění těchto jevů při radiačních vyšetřeních pacienta. Rentgenové snímky vznikají na principu obráceného fotoelektrického jevu, kdy se povrch ostřeluje elektrony a uvolňují se paprsky X. Různé tkáně mají jinou absorbci, proto můžeme na snímcích rozeznat struktury. Elektron zcela pohltí foton a Rtg foton zaniká. Absorbce fotoelektrického jevu je na rozdíl od Comptonova rozptylu, který probíhá také, žádoucí.

Comptonův rozptyl

Comptonův rozptyl popisuje srážku fotonu s např. V roce 1905 zavedl Albert Einstein myšlenku korpuskulárně vlnového charakteru částic pro vysvětlení fotoelektrického jevu. Roku 1922 se rozhodl tuto teorii prověřit Arthur Holly Compton. Vytvořil experiment s rozptylem rentgenového záření na volných elektronech.

Vlnově-částicový dualismus

Některé jevy (odraz, lom) bylo možné vysvětlit z hlediska obou teorií. Z hlediska Newtonovy teorie se jednalo o částice, které se prostě při dopadu na rozhranní dvou prostředí odráží nebo jím procházejí (jsou natolik malé, že projdou). Analogicky bylo možné pomocí Newtonovy teorie vysvětlit disperzi světla: bílé světlo je složeno z částic („kuliček“) různých druhů (barev), které vnímáme spolu dohromady jako barvu bílou. Při disperzi se pak částice jednotlivých barev od sebe oddělí proto, že mají nepatrně jiné vlastnosti (např.

Čtěte také: Tipy na aktivity v přírodě s dětmi z MŠ

V 19. století však došlo k zásadnímu zvratu a byla všeobecně přijata teorie vlnová. Young a Fresnel prováděli pokusy s difrakcí světla (ohybem světla). Ohyb nastává na malých překážkách či otvorech (srovnatelných s vlnovou délkou světla), na hraně, vlasu, tenkém drátku, jedné či více štěrbinách, na mřížce. Ve všech těchto případech procházející světelné vlny vzájemně interferují, v některých směrech se vzájemně zesilují, v jiných se zase zeslabují a vytvářejí tak na stínítku charakteristický ohybový obrazec.

J. C. Maxwell později dokázal, že světelné vlnění není vlněním éteru, jak se do té doby soudilo, ale že se jedná o zvláštní případ vlnění elektromagnetického. Na základě toho vypracoval celou teorii elektromagnetického pole, která velice dobře souhlasila s již zjištěnými (a ověřenými) fakty a zákony (Ohmův zákon, Kirchhoffovy zákony, …). Na druhé straně Planckova kvantová hypotéza vysvětlující spektrum rovnovážného záření, Einsteinova teorie fotoefektu a Comptonův jev nás přesvědčují o tom, že světlo má částicový (korpuskulární) charakter.

Tím ale vzniká rozpor neřešitelný v rámci klasické makroskopické fyziky: Je-li světlo proud částic (fotonů), jak je možné vysvětlit jeho difrakci na dvou štěrbinách? Částice přece může projít jen jednou štěrbinou a přítomnost druhé štěrbiny nemůže mít na průběh experimentu žádný vliv.

Bylo by možné si představit, že vlnění nastává, pohybuje-li se současně velké množství fotonů, podobně jako vznikají vlny v plynech nebo kapalinách. Proto byly prováděny pokusy s velmi slabým zářením a dlouhými expozičními dobami, kdy do difrakčního systému vstupoval jeden foton po druhém. Každý takový foton vyvolal samozřejmě zčernání jen jednoho bodu fotografické desky v místě, kam náhodně dopadl. Po delší době však zčernalé body začaly opět vytvářet difrakční obrazec jako v případě vlny dopadající současně na obě štěrbiny.

Proto je nutné připustit, že foton se chová jako částice a zároveň jako vlna. Interferenčními metodami je možné měřit jeho frekvenci a vlnovou délku, pozorujeme-li jeho ohyb na překážkách a štěrbinách. Popisujeme tedy chování fotonu jako vlnu. Na druhé straně při fotoefektu a Comptonově jevu se chová foton jako částice - sráží se s elektrony a předává jim část své energie analogicky jako jedna kulečníková koule předává energii jiné kouli při vzájemné srážce. Při dopadu na fotografickou desku vyvolá každý foton zčernání v určitém místě jako důsledek chemické reakce. Uvedený rozpor se nazývá korpuskulárně vlnový dualismus (částicově vlnový dualismus).

Čtěte také: Klíčové aspekty pohybu v živé přírodě

Mnoho fyziků již vedlo spory o tom, jak si představit částici, která se chová jako vlna, a vlnu, která se chová jako částice. Je to ale nesprávně položená otázka. Z naší běžné makroskopické zkušenosti jsme zvyklí buď na pohyb částic, těles (letící kulka, jedoucí automobil, pohybující se planeta, …) a nebo na pohyb vlny (zvukové vlnění, vlna na vodní hladině, …). Foton je objekt mikrosvěta a pohybuje se prostě jinak, než jak jsme zvyklí si představovat. Není možné prostě určit jeho trajektorii a stanovit místo jeho dopadu např. na fotografické desce. Je možné stanovit pouze pravděpodobnost, s níž dopadne do daného místa.

Typy emisí a absorpcí

Atom může setrvávat delší dobu jen v tzv. stacionárních stavech s určitou hodnotou energie (na určitých energetických hladinách). Atom přijímá nebo vyzařuje energii pouze při přechodu z jedné energetické hladiny na druhou. Při přechodu z vyšší energetické hladiny na nižší atom vyzáří foton, jehož energie Ef je rovna rozdílu těchto energií. Bohrův model aspoň přibližně objasňoval vlastnosti atomu nejjednoduššího prvku - vodíku. Situace v atomech je ale mnohem komplikovanější a popisují ji složité rovnice kvantové mechaniky.

• Spontánní emise (samovolná emise) - přechod z vyššího energetického stavu do stavu nižšího s energií, při kterém atom (resp. molekula) vyzáří foton o frekvenci splňující podmínku. Jednotlivé atomy při ní vyzařují nekoordinovaně, emitované fotony mají různou fázi a vznikající elektromagnetické záření je nekoherentní.
• Absorpce - je opačný proces, při kterém atom (resp. molekula) v nižším energetickém stavu pohltí foton odpovídající frekvence a přejde do vyššího stavu, přičemž platí. Rozdíl energií musí atom resp. molekula získat najednou!
• Stimulovaná emise - při tomto procesu foton s frekvencí dopadá na atom (resp. molekulu) ve vyšším energetickém stavu a přiměje ho k přechodu do nižšího stavu za vyzáření dalšího fotonu. Původní foton se přitom nepohltí a oba fotony se pohybují společně dále stejným směrem, jako foton, který emisi vyvolal. Jsou synchronizovány, mají stejnou frekvenci a stejnou fázi. Jedná se tedy o koherentní záření (koherentní vlnění). Záření se tak zesiluje a proces se může lavinovitě opakovat s dalšími atomy (resp.

tags: #pohyb #elektronu #emise #fotonu #vysvětlení

Oblíbené příspěvky:

• Environmentální politika
• Tábor v přírodě pro mládež
• Tipy pro práci v přírodě
• Likvidace odpadu v hotelích u moře
• Nakládání s odpady – přehled