1. Elektromagnetisk strålning

Transkript

1 1. Elektromagnetisk strålning Kursens första del behandlar olika aspekter av den elektromagnetiska strålningen. James Clerk Maxwell formulerade lagarnas som beskriver strålningen år Uppkomst och egenskaper L1 Elektromagnetisk strålning skapas av accelererande laddningar. Oscillerande elektriska laddningar skapar elektromagnetiska vågor. Den elektromagnetiska strålningen består av elektromagnetiska vågor som rör sig med hastigheten m/s i vakuum litet långsammare i andra medium. 1.2 Det elektromagnetiska spektret Den elektromagnetiska strålningen indelas i olika grupper beroende på hur mycket energi den innehåller. Hur mycket energi som finns i strålningen beror på vågornas våglängd, dvs. hur långt avståndet är mellan vågtopparna.de olika grupperna är radiovågor, mikrovågor, infraröd strålning, synligt ljus, ultraviolett strålning, röntgenstrålning, och gammastrålning. Det elektromagnetiska spektret: program.gr/img/figures/emrinfo_1_en.jpg 1

2 1.3 Plancks hypotes Man kom under 1800 talets gång underfund med att alla föremål utstrålar energi i form av elektromagnetisk strålning. Man beskriver detta fenomen med hjälp av svartkroppstrålning, en modell för hur strålningen utsänds Svartkroppstrålning En svartkropp är en teoretisk modell av ett föremål. Svartkroppen absorberar all elektromagnetisk strålning som träffar den, och emitterar i något skede även ut all absorberad strålning. Det visar sig att föremålets temperatur påverkar strålningens intensitetskurva; då temperaturen ökar, strålar föremålet mer på högre frekvenser. Detta kan ses i figuren här bredvid Den ultravioletta katastrofen L1 De klassiska modellerna (baserade på klassisk "newtonsk" fysik) klarade inte av att beskriva detta beteende det verkade som om kroppar skulle stråla oändlig energi vid höga frekvenser. Detta kunde inte stämma, det var en katastrof för den klassiska fysiken. Det behövdes en ny modell för den elektromagnetiska strålningens egenskaper. Modellen presenterades som en hypotes av Den österrikiske fysikern Max Planck. Observerad Klassisk modell 2

3 1.3.3 Plancks hypotes; kvanta Den klassiska modellen antog att strålningens intensitet kunde minskas i all oändlighet, att energin var kontinuerlig. Planck föreslog att den elektromagnetiska strålningen var kvantiserad. Det innebär att man inte kan hitta "oändligt små" energimängder, utan att energin kommer i "paket", som kallas kvanta.strålningen är alltså inte kontinuerlig, som man tidigare trodde, utan det finns en "minsta energimängd" som överförs av strålningen. Numera kallas dessa kvanta fotoner. Strålningens energiinnehåll, eller intensitet, beror på hur många fotoner strålningen innehåller Fotonens energi Klassiska modellen Plancks modell Högre intensitet Lägre intensitet Högre intensitet Lägre intensitet Fotonerna kan betraktas som partiklar utan vilomassa. De är den elektromagnetiska strålningens energipaket. En enskild foton har energin (1) h är en konstant, som kallas Plancks konstant. f betecknar den elektromagnetiska strålningens frekvens. Vi kan använda oss av vågrörelsens grundekvation v = λf för att ge energin i en annan form: (2) 3

4 Ex. 1 Rött ljus är elektromagnetisk strålning med den givna frekvensen. Beräkna energin och våglängden hos fotonen. 4

5 1.3.5 Fotonens rörelsemängd Fast fotonerna inte har massa i traditionell mening, har de en rörelsemängd p. Då de reflekteras från ett material, har de överfört en del av sin rörelsemängd till ämnet. Detta kan utnyttjas i solsegel i rymdfarkoster. Fotonens rörelsemängd ges av uttrycket (3) Ex. 2 Beräkna rörelsemängden för en foton med frekvensen 1,10 EHz. Läs sid Uppgifter: 1 5, 1 6, 1 7,1 8 OBS! Tisdag 12.10: Läs sidorna och skriv en uppsats som förklarar vad som menas med fotoelektrisk effekt och var man kan använda den i praktiken. Uppsatsen inlämnas måndag