Kontrolní otázky14 Flashcards
V učebnicích naleznete, že světlo má duální charakter. Chová se jako elektromagnetická vlna nebo jako soubor částic - fotonů. Za jaké situace se jeho chování popisuje vlnovou teorií a za jaké jako soubor fotonů?
Jde o to, zda světlo s látkou interaguje tzv. pasivně nebo aktivně. Jako pasivní interakci rozumíme elastickou interakci. Tedy takovou, kde nedochází k výměně energie. Jedná se o jevy spojené např. s ohybem na hraně, interferencí na tenké vrstvě, lomem světla v látce bez absorpce světla v látce atd. V těchto situacích považujeme světlo za elektromagnetické vlnění. Pokud však dochází k výměně energie mezi látkou a světlem, pak mluvíme o aktivní interakci světla s látkou. Jevy spojené s aktivní interakcí světla s látkou lze vysvětlit pomocí částicového charakteru světla – absorpce fotonů, emise, stimulovaná emise.
Tělesa kolem sebe neustále emitují tzv. tepelné záření. Tento jev je popsán Planckovým vyzařovacím zákonem a někdy je označován jako sálání. Existují objekty, které tepelné záření neemitují?
Aby těleso negenerovalo tepelné záření, tak by muselo mít buď nulovou emisivitu, nebo nulovou termodynamickou teplotu. Obě podmínky jdou velmi obtížně splnit.
Jako černé těleso se označuje ideální objekt, který by měl hodnotu emisivity rovnu 1. Říká se, že by dané těleso pak ideálně absorbovalo elektromagnetické záření a také je ideálně emitovalo. Proč se tedy danému tělesu říká černé? Proč jej vidíme černé a ne naprosto jasné?
Pokud těleso absorbuje veškeré viditelné záření, pak je vidíme jako černé. Proto se tomuto ideálnímu objektu říká černé těleso. Jeho ideální emisní vlastnosti nejsou za běžných podmínek patrné, protože za pokojové teploty tělesa emitují v infračerveném intervalu (Wienův posunovací zákon). Pokud bychom dané těleso sledovali pomocí infračervené kamery, tak by nebylo černé, ale naopak by velmi jasně zářilo.
Vysvětlete proč, když zahříváte kov, tak začne nejprve s rostoucí teplotou temně rudě zářit a následně se intenzita jeho záření zvyšuje a barva posouvá od červené do žluté.
Tento jev je spojen se spektrálním průběhem tepelného záření (Planckův vyzařovací zákon a Wienův posunovací zákon). S rostoucí teplotou se vyzařovací spektrum posouvá k nižším vlnovým délkám a roste výkon emitovaného záření. Zahřívaný objekt tedy stále intenzivněji vyzařuje a emitované spektrum se posouvá z infračervené oblasti do viditelné přes červenou a dále viditelným spektrem. Velmi rozžhavený kov může zářit až bíle. Tento jev také například určuje barvu hvězd.
Přestože Albert Einstein dal světu mnoho fyzikálních teorií, Nobelovu cenu dostal za vysvětlení principu vnějšího fotoelektrického jevu. Co bylo na jeho vysvětlení tak zlomové? Proč nejde vnější fotoelektrický jev vysvětlit pomocí klasické teorie elektromagnetického pole?
Vnější fotoelektrický jev (také označovaný jako fotoefekt) je jev, při kterém dopadající světlo může vyvolat emisi elektronů z dané látky do okolí. Tento jev nelze vysvětlit pomocí klasické teorie. S látkou totiž neinteraguje elektromagnetická vlna jako celek, ale prostřednictvím částic světelné energie - fotonů. Každý jeden foton světla předává při dopadu na látku svou energii právě jednomu elektronu látky. Tento kvantový pohled na interakci světla s látkou vedl k vysvětlení celého jevu.
Proč se kinetická energie emitovaných elektronů při fotoelektrickém jevu definuje pomocí tzv. brzdného napětí?
Měření kinetické energie elektronů není obecně jednoduché. Nicméně se dá měřit pomocí jejich zpomalování ve vnějším elektrostatickém poli. Elektrony emitované z látky pomocí vnějšího fotoelektrického jevu vylétávají k protilehlé elektrodě. Obě elektrody jsou propojeny vodičem přes zařízení na měření elektrického proudu, který dopad elektronu na protilehlou elektrodu zaznamená. Proti letu elektronu může působit brzdné elektrické pole. Zesilováním brzdného napětí dochází k odebírání kinetické energie elektronu. Hraniční hodnota napětí, při které již nezaznamenáme dopad elektronu na protilehlou elektrodu, odpovídá situaci, kdy brzdné pole plně zastavilo vylétávající elektron. Práce brzdného pole se za této situace rovná původní kinetické energii emitovaných elektronů. Kinetická energie elektronu je tedy rovna brzdnému napětí vynásobenému elementárním nábojem.
Existuje i vnitřní fotoelektrický jev?
Ano. Jedná se o jev, při kterém foton předá energii elektronu v látce, ale není jí dost, aby došlo k jeho emisi z látky. Dojde pouze ke zvýšení pohyblivosti elektronu v látce (dojde k růstu vodivosti látky). Tento jev je základem detekce světla dopadajícího na látku. Na tomto principu fungují digitální fotoaparáty v mobilních telefonech (CCD a CMOS technologie), ale i detekce světla v drtivé většině jiných zařízení.
Jaký je hlavní rozdíl mezi fotonem emitovaným pomocí spontánní a stimulované emise generované mezi stejnými stavy?
Oba fotony mají stejnou energii a tedy i vlnovou délku a frekvenci. Zásadně se však liší směrem šíření. Spontánní emise je všesměrová. Daný foton se tedy se stejnou pravděpodobností vyzáří do libovolného směru. Foton generovaný stimulovanou emisí letí stejným směrem jako foton, který danou emisi vyvolal (stimulující foton).
Rentgenové záření je složeno z brzdné a charakteristické části. Je poloha charakteristických čar/píků ve spektru záření závislá na energii dopadajících elektronů nebo je spojena s látkou, která je bombardována elektrony?
Charakteristické rentgenové záření je spojeno s přechody elektronů mezi stavy v látce. Je tedy spojeno s danou látkou a je pro tuto látku specifické. Analýza charakteristického záření se dokonce využívá k elementární analýze různých látek v elektronových mikroskopech.
Jakým způsobem se využívá rentgenové záření v krystalografii?
Rentgenové záření se dá využít v rámci mnoha aplikací. Jedna z nejdůležitějších je v krystalografii. Můžeme je totiž použít k měření mřížkových konstant v krystalických látkách. Toto záření se odráží od jednotlivých atomových vrstev a vzájemně interferuje (podobně jako interference odražených vln od tenké vrstvy). Na základě polohy interferenčních maxim můžeme určit vzdálenost atomových vrstev a tím mřížkových konstant v krystalické látce. K tomuto měření nelze použít viditelného světla, protože pro efektivní interferenci musí být velikost překážky srovnatelná s vlnovou délkou světla. Překážky, které jsou menší než vlnová délka světla, světlo ‘‘nevidí‘‘.
