Tartalom Elõzõ Kõvetkezõ Tárgymutató

A foton

Az elektromágneses sugárzás (azaz hullám) részecske természetû energiadagját fotonnak nevezzük. A foton energiája $\nu$ frekvenciájával arányos, az arányossági tényezõ az un. Planck állandó $h=6.625\, 10^{-34}Joule*sec$ .

$E=h\, \nu$

A Planck állandó éppúgy alapvetõ természeti állandó mint pl. a fénysebesség, vagy az univerzális gravitációs állandó, stb. Kvantummechanika, atomfizika, atommagfizika, molekulafizika, lézerfizika, szilárdtestfizika, sztatisztikus fizika (kvantumstatisztikák), sugárzáselmélet, stb kiterjedten használják.

A foton csak fénysebességgel haladó állapotban létezik. A tömeg-energia ekvivalenciát megfogalmazó Einstein féle $E=mc^{2}$ összefüggéssel a fotonhoz tömeget is rendelhetünk $m_{f}=h\, \nu /c^{2}$ . Ezt a tömeget relatív tömegnek nevezzük, a fotonnak nyugalmi tömege nincs (mint ahogy nyugalmi állapota sincs). Két jelenségkörben játszott szerep alapján kétféle tömegrõl beszélünk, gravitációs kölcsönhatásban a súlyos tömeg, a sebességváltozás, lendületváltozás, ütközések címszavakkal jellemezhetõ jelenségcsoportban pedig a tehetetlen tömeg játszik szerepet.

Mint ahogy a Földön eldobott kõ parabola pályán mozog a Föld vonzása miatt, vagy az üstökösök pályája Nap közelében erõsen görbült lesz, ugyanúgy a Nap közelében elhaladó fénysugár pályája is elhajlik. A jelenség a foton tömegének gravitációs, vagy ha úgy tetszik, súlyos oldalát mutatja.

A foton nevû ``részecske'' p impulzusa - lendülete - $p\, =\, h\, \nu /c\, =\, h/\lambda$ formában adható meg. Ezen részecske impulzusa igen jelentõs fizikai következményekkel jár. Ahogy azt az ideális gázoknál láttuk, a tárolóedény faláról visszapattanó molekulák a lendületváltozás során nyomást fejtenek ki az edény falára, ugyanígy mind az elnyelõdõ, mind pedig a visszavert (tükrözött) fotonok is nyomást hoznak létre az érintett felületeken. Ez a nyomás ugyan hétköznapi viszonyok között alig mutatható ki, azonban a csillagok -így a Nap- egyensúlyában is a hõmérsékleti sugárzás fotonjaitól származó nyomásnak centrális szerepe van. A korosodó csillagok hidrogén üzemanyagának csökkenése folytán bekövetkezõ gravitáció - sugárzási nyomás egyensúly megbomlása látványos csillagrobbanásokhoz, nova és szupernóva jelenségekhez vezet.

A foton, perdülete (impulzusnyomatéka ) alapján az un. egész spinû (perdületû ) részecskék családjába tartozik. Ezek perdületét  $L_{z}=n\: h/2\pi$ összefüggéssel lehet megadni ahol n egész szám. Az ilyen részecskékbõl álló sokrészecske rendszerek statisztikus viselkedését Bose és Einstein írták le, ezért az egész spinû részecskéket bozonoknak is szokás nevezni.

Fotoeffektus

A megvilágított fémfelületbõl a megvilágítás hatására elektronok lépnek ki, s az elektronkilépés azonnal követi a megvilágítást. A jelenség ugyan szigetelõ felületen is lejátszódik, de mivel a kiütöttt elektronokat az anyag belseje felõl semmilyen vezetési mechanizmus nem pótolja, a kialakuló pozitív felületi töltéssürûség -elektronhiány- megakadályozza a további elektronkilépést. Fenntartható folyamatként fotoeffektus -fényelektromos hatás- tehát csak vezetõknél figyelhetõ meg. Azt a jelenséget, hogy a rosszul vezetõ felületek a megvilágítás látens (rejtett) képét felületi töltéseloszlás formájában képesek hosszabb, rövidebb ideig megõrizni, a mindennapi használatunkban levõ lézernyomtatók, fénymásolók hasznosítják.

A jelenséget külsõ fotoeffektusnak nevezik, föltehetõen azért, mert ennek során az elektron elhagyja a megvilágított felületet. Belsõ fotoeffektus jelenségében a megvilágított szigetelõk, félvezetõk elektromos vezetõképessége megnövekszik. A jelenség annak tulajdonítható, hogy a megvilágítás hatására a mozgásra képes töltéshordozók koncentrációja növekszik meg a megvilágítás idõtartamára.

A folyamatot kiváltó megvilágítást két adattal jellemezzük, a megvilágító fény színe, vagy általánosabb esetben spektrális összetétele, valamint a megvilágítás intenzitása (erõssége). Amikor azt mondjuk, hogy a megvilágítás erõsségét növeljük, akkor hozzágondoljuk, hogy ezt változatlan spektrális összetétel mellett tesszük.

A folyamat során bekövetkezõ elektronkilépést két adattal jellemezhetjük: a kilépõ elektronok (mozgási) energiájával - energiaeloszlásával, valamint az idõegységenként kilépõ elektronok számával. A kisérletek azt tanúsítják, hogy az intenzitás növelése nem befolyásolja a kilépõ elektronok energiáját, ekkor csupán a idõegységenként kilépõ elektronok száma növekszik meg. A kilépõ elektronok energiája, a megvilágító fény frekvenciájától függ adott fotokatód esetén. Einstein képlete szerint a foton $h\, \nu$ energiája egyetlen lépésben elnyelõdik, ez egyrészt fedezi az adott anyagra jellemzõ, az elektron kiléptetéséhez szükséges $W_{kilep.}$ munkát, a maradék energia a kilépõ elektron mozgási energiájában jelenik meg. Einstein fényelektromos hatásra vonatkozó összefüggése a következõ:

$$h\, \nu =W_{kilep.}+W_{mozg.}$$

Meg kell jegyeznünk, hogy a fenti forma csak a legnagyobb energiájú elektronokra áll fönn, általánosabb a $h\, \nu \geq \cdots$ egyenlõtlenséggel felírt alak. Az egyenlõtlenség azt jelenti, hogy nem csak a fém legnagyobb energiaállapotben levõ elektronjai léphetnek ki a fotoeffektus folytán, hanem a mélyebb energiaszintekrõl is történhet kilépés. A továbbiakban számításainkat a legnagyobb energiájú elektronokra végezzük el, azaz az egyenlõséget fogjuk használni.

Ha a megvilágítást kisebb frekvenciájú fénnyel követjük el, akkor a jobboldalon, csak a kilépõ elektron mozgási energiája csökkenhet, mivel a kilépési munkát a megvilágított felület anyaga meghatározza. A mozgási energia legkisebb értéke nulla, így egy küszöbfrekvencia alatt a fényelektromos jelenség már nem figyelhetõ meg. A küszöbfrekvenciánál a fotonenergia éppen fedezi a kilépési munkát.

$$h\, \nu _{k}=W_{kilep.}$$

Elektronkilépés csak ezen küszöbfrekvencia fölött van.

A fotoeffektus során kilépõ elektronokat egy ráccsal gyûjtjük ki, ezen töltések árama az un. fotoáram. Ha a rácsra negatív U feszültséget kapcsolunk, akkor csak azok az elektronok képesek az elektródára feljutni -így a fotoáramhoz hozzájárulni- amelyek kezdeti mozgási energiája nagyobb vagy éppen egyenlõ az elektromos tér ellen végzendõ qU munkánál. Ha ezt az U ellenteret fokozatosan növeljük, akkor elérhetünk egy olyan feszültségértéket, amelynél a fotoáram éppen eltûnik. Ekkor a legnagyob energiájú elekronok energiájára fönnáll Wk=qU. Vagyis az elektronok mozgási energiáját mérni tudjuk. Ez lehetõvé teszi a h Planck-féle állandó viszonylag egyszerû laboratoriumi meghatározását. Ha ugyanis egy $\nu _{1}$ frekvenciájú fénynél U1 a fotoáramot megszüntetõ ellenfeszültség, és $\nu _{2}$ frekvenciánál fénynél U2, akkor fönnállnak a következõk:

$$h\, \nu _{1}=W_{kilep.}+qU_{1}$$

$$h\, \nu _{2}=W_{kilep.}+qU_{2}$$

Kivonás után kapjuk:

$$h=q\frac{U_{2}-U_{1}}{\nu _{2}-\nu _{1}}$$

Itt értelemszerûen q az elemi töltést jelöli.

A jelenség egykori fontossága abban van, hogy a fényelektromos hatás csak a fény részecske természetû oldalával magyarázható.

Van még néhány olyan jelenség amely elektronkilépéshez vezet, s e jelenségek némelyike igen fontos alkalmazási területeket is talált.

Termikus elektronemisszió

Izzó fémek, fémoxidokkal bevont vezetõ felületek elektronokat bocsátanak ki. A jelenség az elektronok energiaeloszlása, illetve impulzus eloszlása alpján magyarázható, s leginkább a folyadékok párolgásához hasonlítható. Számítógép monitorok, TV készülékek képcsöveinek elektronágyúi manapság is e jelenség alapján mûködnek de az 1950-60 -as évekig az egész elektronikai ipar a termikus elektronemisszió alpján mûködõ vákuumcsövekre épült.

Téremisszió

Tudnunk kell, hogy az elektrosztatikus térerõsség kis görbületi sugarú élek, hegyek mentén lehet igen nagy. Nagy külsõ térerõ esetén a hideg felületbõl is történhet elektronkilépés, se jelenséget nevezzük téremissziónak. Az emisszió folyamatában fontos szerepet játszik az un. alagúteffektus.

Másodlagos elektronkilépés.

Ha felgyorsított elektronokat kis kilépési munkával jellemezhetõ fémfelületbe, vagy speciális bevonatú vezetõbe ütköztetünk, akkor a beesõ primer elektron energiájától függõen több elektron is kiléphet a felületbõl. Számos eszköz alkalmazza az elektrosokszorozás elvét, amikoris e másodlagos elektronokat újra és újra gyorsítva ismételten lejátszatjuk különbözõ elektródafelületeken -egyre növekvõ számú elektronnal- a jelenséget, így a primer elektronok számával arányos felerõsített elektromos jelet kapunk. Képerõsítõk, nukleáris detektorok alkalmazzák.

Tartalom Elõzõ Kõvetkezõ Tárgymutató