Fotony mají částicový i vlnový charakter. Na základě experimentů bylo zjištěno, že částicový charakter fotonů se projevuje tím výrazněji, čím menší je vlnová délka elektromagnetického záření. Mezi jevy potvrzující korpuskulární charakter elektromagnetického záření patří:
- Fotoelektrický jev
- Comptonův jev
- Záření absolutně černého tělesa
3.1. Fotoelektrický jev
Korpuskulární vlastnosti záření se výrazně projevují při fotoelektrickém jevu u kovů (vnější fotoelektrický jev) a polovodičů (vnitřní fotoelektrický jev).
Podstata jevu spočívá v tom, že dopadá-li na povrch kovu či polovodiče elektromagnetické záření, předávají fotony svou energii elektronům v povrchové vrstvě kovu, a tyto elektrony se uvolňují a jsou emitovány do okolí (vnější fotoefekt) nebo zůstávají v látce a zvyšují její vodivost (vnitřní fotoefekt).
Dále se budeme věnovat vnějšímu fotoelektrickému jevu.
Obr. 9 – vnější fotoelektrický jev
Na kovovou katodu na obrázku číslo 9 dopadá elektromagnetické záření a uvolňuje z ní elektrony. Ty jsou přitahovány k anodě a obvodem začne procházet fotoelektrický proud.
Fotoefekt vysvětlil v roce 1905 Albert Einstein a za své vysvětlení obdržel v roce 1921 Nobelovu cenu. Proto také rovnice popisující fotoelektrický jev nese jeho jméno.
3.1.1. Einsteinova rovnice pro fotoefekt
Foton, který dopadá na povrch kovu, předá svoji energii právě jednomu elektronu z povrchové vrstvy. Předpokládáme-li, že foton a elektron tvoří izolovanou soustavu těles, bude rovnice pro fotoelektrický jev vyjadřovat zákon zachování energie. Energie dopadajícího fotonu (levá strana rovnice) je rovna energii, kterou přijme elektron (pravá strana rovnice). Elektron tuto energii částečně spotřebuje na uvolnění z kovu (výstupní práce Wv) a zbytek si ponechá ve formě kinetické energie Ek.
`E_f = W_v + E_k `
`h * f = W_v + 1/2 * m_e * v^2 `
Pro výstupní práci platí:
`W_v = h * c/λ_m = h * f_m `
fm ……….mezní frekvence je minimální frekvence, kterou foton musí mít, aby nastal fotoefekt
λm ………mezní vlnová délka je maximální vlnová délka dopadajícího fotonu, při které nastává fotoefekt
Může nastat fotoelektrický jev při dopadu viditelného světla na zinek? Výstupní práce elektronů ze zinku je 4 eV a nejkratší vlnová délka viditelného světla 390 nm.
3.1.2. Výsledky experimentu
Na základě experimentů s elektromagnetickým zářením, dopadajícím na povrch kovu, můžeme jednoznačně formulovat následující závěry:
- K fotoefektu dochází, jestliže frekvence dopadajícího záření je rovna nebo větší než tzv. mezní frekvence, kterou má každý kov jinou. (vlnová délka dopadajících fotonů naopak musí být menší nebo rovna než mezní vlnová délka pro daný kov) Mohou nastat tři případy:
| FREKVENCE | VLNOVÁ DÉLKA | FOTOEFEKT | ROVNICE |
| f > fm | λ < λm | Proběhne |
`h * f = W_v + 1/2 * m_e * v^2 ` |
| f = fm | λ = λm | Proběhne |
`W_v = h * c/λ_m = h * f_m ` |
| f < fm | λ > λm | Neproběhne | - |
- Množství elektronů uvolněných z katody je přímo úměrné počtu dopadajících fotonů. Jeden foton předává energii právě jednomu elektronu.
- Rychlost emitovaných elektronů závisí jen na materiálu katody a na frekvenci dopadajících fotonů.
- Energie elektronů závisí na materiálu katody a na energii dopadajících fotonů.
3.1.3. Využití fotoelektrického jevu v praxi
Fotoefekt má v současné době velké technické využití. Na jeho základě jsou konstruovány fotometry a expozimetry, zařízení automatické ochrany, využívá se v televizních kamerách v zejména CCD panelech, v kopírkách, fotočlánky se užívají ve slunečních bateriích a ve sluneční energetice (solární panely). Ve vojenství na principu fotoefektu pracuje dalekohled pro noční vidění.
Obr. 10 – solární panely
Obr. 11 – fotorezistor
Kvantová fyzika
Testové otázky
3.2. Comptonův jev
Experimentálně dokazuje správnost Einsteinovy rovnice pro fotoefekt. Je vyjádřením zákona zachování hybnosti. Za jeho objevení získal v roce 1927 Artur Holly Compton Nobelovu cenu. Je vyjádřením zákona zachování hybnosti.
Comptonův jev (též označovaný jako Comptonův rozptyl, anglicky Compton scattering) je fyzikální děj, který spočívá ve srážení atomů s elektromagnetickým zářením. Při srážce předá foton část své energie elektronu a v důsledku toho se mění vlnová délka rozptýleného záření. Vlnová délka rozptýleného záření λ' je větší než vlnová délka λ záření dopadajícího. Frekvence i energie rozptýleného záření jsou tedy menší než původní hodnoty dopadajícího záření.
Obr. 12 – Comptonův jev
Odlišnost Comptonova jevu od fotoelektrického jevu je v tom, že při fotoefektu je pohlcena veškerá energie, foton tím zaniká a je uvolněn pouze elektron (v tomto případě se mu říká fotoelektron). U Comptonova jevu je spotřebována pouze část energie, foton tedy nezaniká a společně s elektronem se uvolňuje i rozptýlený foton s větší vlnovou délkou.
3.3. Záření absolutně černého tělesa
Látky všech skupenství vyzařují elektromagnetické záření různých vlnových délek. Vznik tohoto záření je způsoben neuspořádaným pohybem elektricky nabitých částic v obalech atomů. Takové záření nazýváme tepelné záření. Lidské oko je však schopné vidět jen úzkou část spektra elektromagnetického záření. Pokud je teplota tělesa nižší než 525°C, vyzařují tělesa záření infračervené, které je pro nás neviditelné. Kromě vyzařování mohou tělesa záření i odrážet nebo pohlcovat. Pohlcené záření se mění na tepelnou energii a její množství závisí na barvě a materiálu, ze kterého je těleso vyrobené.
Pro popis těchto vlastností byl zaveden model absolutně černého tělesa.
Obr. 13 – absolutně černé těleso
Záření absolutně černého tělesa vzniká v uzavřené dutině, jejíž stěny jsou ohřáty. Po určitém čase nastane v dutině rovnováha mezi vyzařováním a pohlcováním záření stěnami, přičemž se záření může od stěn mnohonásobně odrážet. Nahlížíme-li do dutiny malým otvorem, je možné pozorovat celé spektrum elektromagnetického záření, přičemž tento otvor se nemusí jevit černým.
Absolutně černým tělesem je i Slunce, jehož rovnovážné záření odpovídá teplotě řádově 5500°C. Slunce je možné považovat za absolutně černé těleso proto, že jeho objem, v němž záření vzniká, je obrovský v porovnání s povrchem, kterým se záření dostává ven. Povrch Slunce tedy představuje jakýsi „otvor do dutiny“.