Elektromanyetik Işıma Electromagnetic Radiation (EMR)

• Elektromanyetik ışıma (ışık) bir enerji şeklidir.• Işık, Elektrik (E) ve manyetik (H) alan bileşenlerine sahiptir.

• Özellikleri

– Dalgaboyu () Wavelength – Frekans (ν) Frequency–Genlik (A) Amplitude– Hız (c) Speed of light

Light is a wave, made up of oscillating electric and magnetic fields.

• Dalgaboyu (): İki tepe noktası arasındaki mesafedir.• Frekans (): Bir saniyede belirli bir noktadan geçen dalga sayısıdır

Dalgaboyu artar

1 > 2 > 3

birim: uzunluk (m)

Frekans azalır

1 < 2 < 3

Birim: 1/s

• Dalgaboyu ve frekans çarpımı sabittir

()() = c Işık hızı c = 3 x 108 m/s (vakumda)

Işığın sınıflandırılması

Işığın dalga yapısı

Açıklayabilir:

1. Kırınım (diffraction)2. Girişim (interference)

Açıklayamaz:

1. Siyah cisim ışıması2. Fotoelektik Olay3. Compton saçılması

Su dalgası engeldeki bir delikten(veya yarıktan) geçerken, delik bir ışık kaynağı gibi davranır.

Kırınım

Girişim

Engelde iki delik varsa

Koyu çizgi: dalganın maksimumuAçık çizgi : dalganın minimumu

Engelde bir delik varsa

Işık ve enerji

Bir katı cisim ısıtıldığında,

• Işıma şiddeti artar

• λmax daha küçük dalgaboyuna kayar

Klasik fizik bu gözlemi açıklayamaz !

• 1900 yılı önceleri enerji ve maddenin farklı şeyler olduğu düşünülüyordu.

• Planck, akkor halindeki katıların yaydığı ışınları incelemiştir.

“The Ultraviolet Catastrophe”

Flamanı ısıtırsak rengi nasıl değişir?

Sıcaklık arttıkça dalgaboyu azalır

Siyah Cisim Işıması (Blackbody Radiation)

Siyah cisim ideal bir cisimdir.

1. Üzerine düşen bütün ışınları absorblar.2. Her dalga boyunda ışıma yapar.3. Işıma şiddeti ve spektrumu sıcaklığa bağlıdır.

Güneş , T = 6000 K

Mavi fotonlar, hν = 3eV (12000 K)

Akkor filaman, T < 6000 K

Kor (ateş), T 2000 K

İnsan vücudu, T = 310 K ( IR gece görüşü )

Evren (yıldız ve galaksiler), T=3 K

Siyah cisim örnekleri T=2.73 K

Cosmic Background Radiation

Cisimler niçin ışıma yapar?

Cisimler atomlardan meydana gelmiştir

Mutlak sıfırdan yüksek sıcaklıktaki bütün cisimler elektromanyetik ışıma yaparlar – ısı enerjisi

Titreşen atomlar ışıma yaparlar.

Cisimlerin top-yay modeli

Isı, molekül hareketlerinin (öteleme, dönme, titreşim) ortalama kinetik enerjisinden kaynaklanır

Klasik fizik – atomlar her frekansta salınım yapabilir

Planck (1900) – atomlar sadece belirli frekanslarda salınım

yapabilirler.

Klasik fizik, siyah cisim ışımasını

sadece büyük dalga boylarında açıklayabilir.

Klasik Fizik

Klasik Fizik

Kuantum Fiziği

Planck sıcak cismin soğurken enerjisini ışık halinde ve tamsayı katları şeklinde kaybettiğini öngörmüştür.

En = nh n = 1, 2, 3 ….

E = enerji n = kuantum sayısı, tamsayı (integers)

h = Plank sabiti (Planck’s constant)

= frekans

h = 6.626 x 10-34 J.s

Plank’ın Çözümü Planck’s Solution

Efoton = h

Örnek: 500 nm dalgaboyundaki fotonun enerjisi nedir?

= c/ = (3x108 m/s)/(5.0 x 10-7 m)

= 6 x 1014 1/s

E = h =(6.626 x 10-34 J.s)(6 x 1014 1/s) = 4 x 10-19 J

Işığın kuantlaşmasıQuantization of Light

Einstein, ışığın foton adı verilen enerji paketlerinden oluştuğunu ileri sürmüştür.

Fotoelektrik Olay The Photoelectric Effect

Metal yüzeyine gelen ışık

elektron koparır.

Buna fotoelektrik olay denir.

Fotoelektrik olay klasik fizik ile açıklanamaz.

Fotoelektrik Olay

Gelen ışığın frekansı belirli bir eşik değerin (o ) altında ise elektron koparamaz, elektronların kopması ışığın şiddetine bağlı değildir.

Gelen ışığın frekansı arttıkça kopan elekronların kinetik enerjisi artar; elektronların kinetik enerjisi ışığın şiddetine bağlı değildir.

Gelen ışığın şiddeti arttıkça kopan elektron sayısı artar.

Eşik frekans değerleri

FOTOELEKTRİK OLAY ÇİZELGESİ

Dalga Tanecik Sonuç

Işık şiddeti arttıkça

Hız Artar Artar Artar

KE Artar Değişmez Değişmez

Işık frekansı arttıkça

Hız Değişmez Artar Artar

KE Değişmez Artar Artar

1

2me

2 h photon

= iş fonksiyonu (work fuction) e- kopması için gereken en düşük enerji

SONUÇ : Işık tanecik gibi davranır

Fotoelektrik olay’ın açıklanması(Einstein 1905, Nobel Ödülü 1921)

e- ların kinetik enerjisi Gelen ışık enerjisi İş fonksiyonuveya

eşik enerjisi

ÖRNEK : Na için = 4.4 x 10-19 J dür. Eşik frekansına (o ) karşılık gelen dalgaboyu nedir?

1

2me

2 h photon 0

h = = 4.4 x 10-19 J

hc = 4.4 x 10-19 J

hc

4.4x10 19J

6.626x10 34 J.s 3x108m /s 4.4x10 19J

= 4.52 x 10-7 m = 452 nm

Walker Problem 25, pg. 1008

Zinc and cadmium have photoelectric work functions given by WZn = 4.33 eV and WCd = 4.22 eV, respectively. (a) If both metals are illuminated by UV radiation of the same wavelength, which one gives off photoelectrons with the greater maximum kinetic energy? Explain. (b) Calculate the maximum kinetic energy of photoelectrons from each surface if = 275 nm.

IŞIK: Dalga mı ? Tanecik mi ?

3. Fotoelektrik olaya göre ışık taneciktir.

1. Newton – ışık tanecik gibi davranır.

Yansıma (reflection)

2. Kırınım (diffraction) ve girişim (interference) ışığın dalga özelliği ile açıklanır.

CEVAP : Her ikisi !

ÖZET Dalga- tanecik ikiliği (Wave – Particle Duality)

Atomların dalga özelliğini başka bir mekanik tanımlar.

KUANTUM MEKANİĞİ !

Nasıl ölçüldüğüne (veya etkileştiğine) bağlı olarak ışık hem dalga hem de tanecik gibi davranır

GENEL KURALIşık uzayda yol alırken dalga gibi davranır.

Işık madde ile etkileşirken tanecik gibi davranır.

….. atomlar da benzer özellik gösterirler mi?

Compton saçılması (1923) (Compton scattering)

• Duran bir atom veya elektron üzerine gönderilen ışık saçılmaya uğrar.

• Saçılan ışınların dalga boyları gönderilen ışığın dalga boyundan büyüktür.

• Saçılma açısı büyüdükçe saçılan ışığın dalga boyu artar.

f > i

Klasik fizik Compton sacılmasını açıklayamaz.

coscos

onConservati Momentum

'

onConservatiEnergy

ephh

Khfhf

Klasik teoriye göre, saçılan ışınların dalga boyu gelen ışığın dalga boyuna eşit olmalıdır.

Kuantum teorisine göre ,saçılan foton daha düşük enerjiye ve bu nedenle daha uzun dalga boyuna sahip olmalıdır.

Fotonlar enerji taşıyorsa, momentum da taşıyabilirler. E = h ise, foton momentumu P = hν/c = h/ dir.Bu çarpışmada enerji ve momentum korunum yasaları geçerli olmalıdır.