Teoria Electromagnètica, Cos Negre i Efecte Fotoelèctric
Teoria electromagnètica i dualitat ona-corpuscle
La teoria electromagnètica pretén resoldre la qüestió de: “com és la llum i les radiacions i com és la matèria?”. Explica tots els fenòmens relacionats amb la propagació, però té dificultats per explicar:
- La interacció amb la matèria (emissió i absorció).
- L'emissió tèrmica del cos negre.
- L'efecte fotoelèctric.
- L'efecte Compton.
- L'espectre d’emissió dels elements.
Aquesta situació dóna lloc a una nova visió: la dualitat ona-corpuscle.
Radiació tèrmica i primeres idees quàntiques
Un cos desprèn radiació tèrmica quan l’energia que emet depèn només de la temperatura. Aquesta radiació està formada per ones electromagnètiques, la intensitat i la longitud d’ona de les quals depenen de la temperatura.
- En augmentar la temperatura, augmenta la quantitat d’energia i l’interval de les longituds d’ona de les radiacions.
- Les característiques de la radiació tèrmica són: la longitud d’ona, la temperatura i la naturalesa de la superfície emissora dels cossos.
El concepte de cos negre
Per simplificar l’estudi de les lleis d’emissió i d’absorció de la radiació, s'utilitza el model del cos negre (un cos ideal).
El cos negre és un sistema ideal que absorbeix tota la radiació que incideix sobre ell. Es pot imaginar com una cavitat recoberta per dins de pols negra amb un petit orifici. Tota la radiació que penetra per l’orifici es reflecteix; en cada reflexió, és absorbida una part de la radiació. Si l’orifici és petit, hi ha un gran nombre de reflexions i poca probabilitat que surti.
Característiques de la radiació del cos negre
Aquestes característiques només depenen de la temperatura (són independents de la naturalesa i la forma del cos). Les corbes s'anomenen funcions de distribució espectral, on P és la potència radiada per unitat de longitud d’ona:
- Depèn de la temperatura.
- Depèn de la longitud d’ona.
- Per a cada temperatura (T), la funció té un màxim determinat per λmàx.
Max Planck i el quàntum d'energia
Max Planck va introduir el concepte de quàntum: un paquet d’energia. L’energia emesa i absorbida pel cos negre és discontínua, en petites quantitats o quàntums.
Qualsevol quantitat d’energia emesa és un múltiple de h · ν (que només depèn de la freqüència), essent aquesta la mínima quantitat d’energia que pot emetre un cos.
L'efecte fotoelèctric
L'efecte fotoelèctric consisteix en l'emissió d’electrons produïda per un metall quan hi incideix la llum o quan s'il·lumina amb radiació ultraviolada o raigs X.
Variables i conclusions de l'experiment
Les variables principals són: Illum, f, v i Ielèctrica.
Conclusions principals:
- Cal una diferència de potencial per recollir els electrons alliberats; llavors, la intensitat deixa de créixer.
- A més intensitat de llum, més electrons són alliberats.
- No tots els electrons estan igualment units o "enganxats" a l’àtom; per això surten a velocitats diferents.
- La velocitat màxima a la qual surten els electrons d’un metall no depèn de la intensitat de la llum amb què il·luminem, sinó que depèn directament de la freqüència.