II. Fotonen. II.1. Svartkroppsstrålning. En så kallad svartkropp absorberar all strålning som faller på den, utan att reflektera något.

Relevanta dokument
FyU02 Fysik med didaktisk inriktning 2 - kvantfysik

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

1. Elektromagnetisk strålning

Kvantfysikens grunder. Mikael Ehn Period III, 2017

Fotoelektriska effekten

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin Föreläsning 7 Kvantfysik, Atom-, Molekyl- och Fasta Tillståndets Fysik

3.7 γ strålning. Absorptionslagen

Milstolpar i tidig kvantmekanik

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801) Lördag 15 december 2012,

Parbildning. Om fotonens energi är mer än dubbelt så stor som elektronens vileoenergi (m e. c 2 ):

Räkneövning 5 hösten 2014

Kvantmekanik. Kapitel Natalie Segercrantz

Prov Fysik B Lösningsförslag

6. Kvantfysik Ljusets dubbelnatur

Materiens Struktur I. Atomers och molekylers struktur

16. Spridning av elektromagnetisk strålning

Relativistisk kinematik Ulf Torkelsson. 1 Relativistisk rörelsemängd, kraft och energi

Kvantfysik - introduktion

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

ANDREAS REJBRAND Statistisk fysik Wiens förskjutningslag: hur snäll är solen?

Relativistisk energi. Relativistisk energi (forts) Ekin. I bevarad energi ingår summan av kinetisk energi och massenergi. udu.

7. Atomfysik väteatomen

F2: Kvantmekanikens ursprung

Vågfysik. Ljus: våg- och partikelbeteende

Kapitel 1. Kvantmekanik

Tentamen Fysikaliska principer

WALLENBERGS FYSIKPRIS

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 1

Varje uppgift ger maximalt 3 poäng. För godkänt krävs minst 8,5 poäng och

Innehåll. Fysik Relativitetsteori. fy8_modernfysik.notebook. December 19, Relativitetsteorin Ljusets dualism Materiens struktur Kärnfysik

Vågrörelselära och optik

BFL 111/ BFL 120 Fysik del B2 för Tekniskt Basår/ Bastermin

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

Innehåll. Fysik Relativitetsteori. fy8_modernfysik.notebook. December 12, Relativitetsteorin Ljusets dualism Materiens struktur Kärnfysik

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

Kvantmekanik - Gillis Carlsson

1.7. Superposition av två vågor med något olika frekvens

NFYA02: Svar och lösningar till tentamen Del A Till dessa uppgifter behöver endast svar anges.

Lösningar del II. Problem II.3 L II.3. u= u MeV = O. 2m e c2= MeV. T β +=

Tentamen Fysikaliska principer

Re(A 0. λ K=2π/λ FONONER

12 Elektromagnetisk strålning

Dopplereffekt och lite historia

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

Svar och anvisningar

Föreläsning 2. Att uppbygga en bild av atomen. Rutherfords experiment. Linjespektra och Bohrs modell. Vågpartikel-dualism. Korrespondensprincipen

Kapitel: 32 Elektromagnetiska vågor Maxwells ekvationer Hur accelererande laddningar kan ge EM-vågor

Rörelsemängd och energi

PLANCKS KONSTANT.

Relativitetsteorins grunder, våren 2016 Räkneövning 6 Lösningar

Lösningsförslag. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 120 / BFL 111

Kvantmekanik. Kvantmekaniken: De naturlagar som styr förlopp i den mikroskopiska världen (och i den makroskopiska!) Kvantmekanik.

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Tentamen Fysikaliska principer

7 Comptonspridning. 7.1 Laborationens syfte. 7.2 Materiel. 7.3 Teori. Att undersöka comptonspridning i och utanför detektorkristallen.

1 Den Speciella Relativitetsteorin

1.5 Våg partikeldualism

Materiens Struktur. Lösningar

Lösningar Heureka 2 Kapitel 14 Atomen

Föreläsning 3. Radioaktivitet, alfa-, beta-, gammasönderfall

WALLENBERGS FYSIKPRIS

Uppgift 1. Bestämning av luftens viskositet vid rumstemperatur

Lösningar del II. Problem II.3 L II.3. u u MeV O. 2m e c2= MeV T += MeV Rekylkärnans energi försummas 14N

Tentamen Fysikaliska principer

Torsdag 30 oktober. Brownsk rörelse, svartkroppsstrålning (Arne, Janusz)

Tentamen i FysikB IF0402 TEN2:

Kaströrelse. 3,3 m. 1,1 m

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 2

TEORETISKT PROBLEM 2 DOPPLERKYLNING MED LASER SAMT OPTISK SIRAP

Vågrörelselära och optik

Upp gifter. är elektronbanans omkrets lika med en hel de Broglie-våglängd. a. Beräkna våglängden. b. Vilken energi motsvarar våglängden?

Miljöfysik. Föreläsning 2. Växthuseffekten Ozonhålet Värmekraftverk Verkningsgrad

FK Elektromagnetism och vågor, Fysikum, Stockholms Universitet Tentamensskrivning, måndag 21 mars 2016, kl 9:00-14:00

4-1 Hur lyder Schrödingerekvationen för en partikel som rör sig i det tredimensionella

Strålningsfält och fotoner. Våren 2013

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 3

Fysik del B2 för tekniskt basår / teknisk bastermin BFL 120/ BFL 111

Preliminärt lösningsförslag till Tentamen i Modern Fysik,

Miljöfysik. Föreläsning 1. Information om kursen Miljöfysik Viktiga termodynamiska storheter Jordens energibudget

Tentamen i Fysik för π,

DEN FOTOELEKTRISKA EFFEKTEN

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk mekanik för F3

@

Bohrs atommodell. Uppdaterad: [1] Vätespektrum

Strålningsfält och fotoner. Våren 2016

Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 120 / BFL 111

Tentamen Fysikaliska principer

Kvantbrunnar -Kvantiserade energier och tillstånd

Fysik del B2 för tekniskt basår / teknisk bastermin BFL 120/ BFL 111

Kapitel 33 The nature and propagation of light. Elektromagnetiska vågor Begreppen vågfront och stråle Reflektion och brytning (refraktion)

Lösningsförslag. Universitetet i Linköping Institutionen för Fysik och Mätteknik Arno Platau. Tentamen för "BFL 110, Tekniskt Basår, Fysik del 3"

Fysik TFYA68. Föreläsning 11/14

Lösningsförslag - Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 122 / BFL 111

Föreläsning 5 Att bygga atomen del II

Theory Swedish (Sweden)

Alla svar till de extra uppgifterna

Utveckling mot vågbeskrivning av elektroner. En orientering

Mer om E = mc 2. Version 0.4

EXPERIMENTELLT PROBLEM 2 DUBBELBRYTNING HOS GLIMMER

Transkript:

II. Fotonen Vi kommer i detta kapitel att behandla den allra tidigaste bakgrunden till kvantfysiken, nämligen svartkroppsstrålning och energins kvantisering. Materiens Struktur I, 213 1 II.1. Svartkroppsstrålning En så kallad svartkropp absorberar all strålning som faller på den, utan att reflektera något. Av denna anledning kallas svartkroppen också för en perfekt absorbator. Den enda strålning som kommer från en svartkropp är dess värmestrålning (temperaturstrålning), som endast beror av temperaturen och därför har en universell matematisk form. Ett exempel på en reell svartkropp är en låda med ett litet hål. Hålet tillåter strålning att komma in i lådan, men förhindrar effektivt (men inte helt och hållet) att strålningen läcker tillbaka ut. Denna låda är naturligtvis inte en alldeles perfekt absorbator, men den är en mycket god approximation. Av denna anledning kallas också svartkroppsstrålningen för hålrumsstrålning. Vi börjar med några allmänna definitioner. Strålningsemittans (i enheter av energi per tid och area, eller effekt per area, eller intensitet) definieras som M(T) = M ν (T)dν (II.1) där M ν är spektralemissivitet. Notera: [M] = W/m 2 = J/(m 2 s), så [M ν ] = W/(m 2 Hz) = J/m 2. Materiens Struktur I, 213 2

Enligt Stefan-Boltzmanns lag från 1884 gäller för alla svartkroppar att M b (T) = M b ν (T)dν = σt4 (II.2) där σ = 5,67 1 8 W/(m 2 K 4 ) och indexet b betecknar svartkroppen (blackbody). Tidigare har spektralemissiviteten M ν uttryckts som en funktion av frekvensen ν och Kelvintemperaturen T. Vi härleder nu spektralemissiviteten som funktion av våglängden λ, λ = c/ν : M(T) = = = =c/ =c/ M ν (T)dν M ν (T) dν dλ dλ M ν (T) ( cλ 2 ) dλ Materiens Struktur I, 213 3 = c M λ 2 ν (T)dλ Vi har alltså att spektralemissiviteten som funktion av våglängden är M λ (T)dλ M λ = c λ 2M ν(t) (II.3) Man kan härleda (övningsuppgift) Wiens förskjutningslag λ m T = 2,898 1 3 Km (II.4) där λ m är den våglängd för vilken spektralemissiviteten M λ är maximal. Materiens Struktur I, 213 4

Man kan härleda spektralemissiviteten uttryckt med hjälp av den spektrala energidensiteten u ν inne i hålrummet (se Brehm & Mullin): Notera: [u ν ] = Js/m 3. M ν (T) = c 4 u ν(t) Den totala energidensiteten i hålrummet kan uppskattas med hjälp av den utstrålade som U(T) = u ν (T)dν = 4 c M ν (T)dν = 4 c σt4 = at 4 (II.5) (II.6) Materiens Struktur I, 213 5 I vilken form förekommer denna energi? Vi minns att en svartkropp under lämpliga förhållanden kan betraktas som ett hålrum som inte är något mer än en volym innesluten av ett skal. I ett sådant hålrum kan man generera stående elektromagnetiska vågor, i vilka energi kan lagras. I detta fall kan energidensiteten skrivas u ν (T) = N ν V ǫ ν (II.7) där N ν är totalantalet moder (stående vågor) med medelenergin ǫ ν per mod, i volymen V. I de två följande sektionerna kommer vi att härleda N ν och ǫ ν. Materiens Struktur I, 213 6

II.2. Stående elektromagnetiska vågor Vi antar att vår svartkropp (lådan med ett litet hål i) är en ihålig kub med kanten L. Villkoret för en godtycklig, tredimensionell stående våg kan splittras upp i tre villkor, nämligen stående endimensionella vågor i de tre riktningarna x, y och z. Notera: k = 2π/λ. I en dimension: 1 λ = L, första moden (II.8) 2 λ = L, andra moden (II.9) 3 λ = L, tredje moden 2 (II.1)... (II.11) För en given mod med indexet n, våglängden λ, frekvensen nu och vågvektorn k har vi nu Materiens Struktur I, 213 7 n = 2L λ = 2L c ν = L k, n = 1,2,3,... π (II.12) Allmänt i tre Cartesiska dimensioner: n i = L π k i, i = 1,2,3 (II.13) En godtycklig tredimensionell stående våg (en mod för hålrummet) har då vågvektorn k = k = k1 2 + k2 2 + k2 3 = π n 2 1 L + n2 2 + n2 3 = π L n = π L n (II.14) Varje punkt n = (n 1,n 2,n 3 ) i det abstrakta n-rummet svarar mot en mod med vågvektorn k i hålrummet. Energin för en mod beror på vågvektorns storlek k = k = (π/l)n, inte dess riktning. Det finns många punkter (n 1,n 2,n 3 ) i n-rummet som alla ger samma n-värde. Alla dessa punkter ligger på en sfäriskt yta med radien n. Eftersom n 1,n 2,n 3 är arean av denna sfäriska yta 1/8 4πn 2. Materiens Struktur I, 213 8

Totalantalet moder kan nu skrivas I differentialform har vi alltså N tot.mod. = ν = n N(ν) 1 8 4πn2 dνn(ν) dn 1 8 4πn2 (II.15) N(ν)dν = 1 8 4πn2 dn (II.16) = L3 k 2 2π 2 dk = L3 4π 2 ν 2 2π 2 c 2 2π c dν = 4πL3 ν 2 c 3 dν (II.17) Materiens Struktur I, 213 9 då λ = c/ν = 2π/k ger k = 2πν/c. Vi skriver L 3 = V och beaktar att vi har två oberoende polarisationsriktningar (frihetsgrader) för de elektromagnetiska vågorna. 1 Vi erhåller slutligen N ν = 8πV c 3 ν2 (II.18) som antalet moder i hålrummet. 1 En godtycklig vågs polarisation är en linjärkombination av två grundläggande ortogonala polarisationer. Materiens Struktur I, 213 1

Rayleigh-Jeans antog att varje mod hade medelenergin 2 1 2kT = kt (enligt ekvipartitionsprincipen), då den har två frihetsgrader (två polarisationsriktningar). k är Boltzmanns konstant, som har det ungefärliga värdet 1,38 1 23 J/K. Vi erhåller den spektrala energidensiteten i hålrummet som u ν = N ν V ǫ ν = 8π c 3 ν2 kt Den spektrala emissiviteten M ν (T) blir enligt ekvation II.5 2π c 2 ν2 kt (II.19) (II.2) Ekvation II.19 är Rayleigh-Jeans lag. Problemet med denna är att den anger att antalet moder växer med frekvensen. T.ex. borde svartkroppen innehålla oändligt antal moder med oändligt hög frekvens (noll våglängd)... Detta kallas för den ultravioletta katastrofen. Det fysikaliskt mera rimliga är att antalet moder sjunker mot noll då frevensen stiger över alla gränser. Med andra ord måste Rayleigh-Jeans lag på sin höjd gälla bara för små värden på frekvensen ν. Materiens Struktur I, 213 11 Figur 1: Svartkroppsstrålningens fördelning enligt Plancks och Rayleigh-Jeans lagar. Materiens Struktur I, 213 12

II.3. Kvanthypotesen Då energierna ǫ fördelar sig på olika diskreta frekvenser ν n,n =,1,2,... enligt en fördelning f(ǫ) kan man beräkna medelenergin ǫ som ǫ = n= ǫ nf(ǫ) n= f(ǫ) Max Planck föreslog att moderna i hålrummet har en kvantiserad energi enligt ǫ n = nhν = n ω, n N = {1,2,3,...} (II.21) (II.22) där h är en konstant som kallas Plancks konstant och som har det ungefärliga värdet 6,63 1 34 Js. Notera: = h/(2π) och vi definierade vinkelfrekvensen ω = 2πν. Materiens Struktur I, 213 13 Som fördelningsfunktionen f(ǫ) väljer vi den kanoniska (NVE) ensemblens fördelningsfunktion: f(ǫ) = e ǫ n/kt = e nhν/kt (II.23) Insättning i ekvation (II.21) ger ǫ = = kt n= nhνe nhν/kt n= e nhν/kt n= nhν kt e nhν/kt n= e nhν/kt = kt x n= ne nx n= e nx ktx ds G (x) dx S G (x) där x = hν/kt och Materiens Struktur I, 213 14

S G (x) = e nx = 1 + e x + e 2x +... = n= (geometrisk serie, faktorn e x är < 1, så serien konvergerar) som ger hν ǫ = e hν/kt 1 Vi kan nu skriva uttrycket för hålrummets energidensitet som 1 1 e x (II.24) (II.25) u ν = N ν V ǫ ν = 8πh ν 3 c 3 e hν/kt 1 (II.26) Detta är Plancks lag. Wiens och Stefan-Boltzmanns lagar kan härledas från denna. Se övningsuppgifterna. Materiens Struktur I, 213 15 II.4. Den fotoelektriska effekten När ljus med en frekvens som ligger över ett visst tröskelvärde träffar till exempel en metallyta, så frigörs elektroner från ytan. Detta fenomen kallas för den fotoelektriska effekten (fotoeffekten). Fotoeffekten upptäcktes år 1887 av bland andra Heinrich Hertz. Einstein gav den teoretiska förklaringen till fenomenet år 195. Enligt Einstein uppträder ljuset vid den fotoelektriska effekten som en ström av partiklar. Dessa partiklar döptes till fotoner. Energibalansen då en foton träffar metallytan kan skrivas som hν = W + K max (II.27) där W är utträdesarbetet. Detta är den minsta energimängd som behövs för att få ut en elektron ur materialet i fråga. K max = 1/2mv 2 max är den största möjliga kinetiska energi som elektronen kan få i denna process. Materiens Struktur I, 213 16

Om den belysta metallplattan finns inne i ett evakuerat rör som man kan pålägga en spänning φ så kan K max bestämmas från villkoret K max = eφ. Spänningen φ som bromsar upp elektronerna kallas även för spärrspänning. Figur 2: Den fotoelektriska strömmen som funktion av den pålagda spännigen φ Materiens Struktur I, 213 17 II.5. Röntgenstrålning Det finns två typer av röntgenstrålning, kontinuerlig (bromsstrålning) och diskret (karakteristisk) strålning. Kontinuerlig röntgenstrålning avges vid jämn inbromsning, och beror av att en accelererande eller deaccelererande laddning avger strålning. Diskret strålning förekommer i samband med elektronövergångar i atomen. Låt oss ta ett röntgenrör för att illustrera. Elektroner avges från katoden och accelereras mot anoden med en spänning φ. Inne i anodmaterialet bromsas elektronerna gradvis upp och energin avges i form av bromsstrålning, vilken bildar ett kontinuerligt spektrum. Då elektronen avger sin sista kvarvarande kinetiska energi i form av en foton gäller eφ = K e = hν max = hc λ min Detta förklarar varför det finns en minimal våglängd i spektret från ett röntgenrör. (II.28) Materiens Struktur I, 213 18

Varför är då inte hela spektret diskret, om elektronerna alltid förlorar sin energi i diskreta paket? Notera att (1) spektret är ett medeltal för många elektroner, inte bara en elektron, och (2) under inbromsningen kan elektronerna fritt avge energi i olika processer (kollisioner med varandra, växelverkan med andra elektroners fotoner, etc). Materiens Struktur I, 213 19 II.6. Comptoneffekten Situationen: En foton kommer in mot en elektron i vila och växelverkar med denna. Fotonen sprids och elektronen får sig en knuff i en viss riktning. (Egentligen förklarar man Comptoneffekten så, att en foton absorberas och en annan emitteras i växelverkningsprocessen.) p γ p γ θ p e Figur 3: Comptonspridning. Materiens Struktur I, 213 2

Då kollisionen är elastisk bevaras energin och rörelsemängden. Fotonen har vilomassan, så formeln för relativistisk energi E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4 ger p γ = E γ c (II.29) Hela kollisionen är elastisk vilket betyder att energin och rörelsemängden bevaras. För fotonen är dock kollisionen inelastisk, då energin i allmänhet inte bevaras separat för fotonen. 1. Vi skriver rörelsemängdens bevarande som Omgruppering och kvadrering ger p γ + = p γ + p e (II.3) p 2 γ 2p γp γ + p 2 γ = p 2 e (II.31) Materiens Struktur I, 213 21 så att ( ) hν 2 2 hν hν ( hν ) 2 c c c cosθ + = E2 e c c 2 m2 e c2 (II.32) h 2 ν 2 2h 2 νν cosθ + h 2 ν 2 + m 2 e c4 = E 2 e (II.33) 2. Energins bevarande kan skrivas som hν + m e c 2 = hν + E e (II.34) Omgruppering och kvadrering ger h 2 (ν ν ) 2 + 2h(ν ν )m e c 2 + m 2 e c4 = E 2 e (II.35) Insättning i ekvation (II.33) ger Materiens Struktur I, 213 22

h 2 ν 2 2h 2 νν cosθ + h 2 ν 2 + m 2 c 4 = h 2 (ν 2 2νν + ν 2 ) + 2h(ν ν )m e c 2 + m 2 e c4 (II.36) 2h 2 νν cosθ = 2h 2 νν + 2h(ν ν )m e c 2 hνν cosθ = hνν (ν ν )m e c 2 (II.37) (II.38) hνν (1 cosθ) = (ν ν )m e c 2 (II.39) ν ν νν = h m e c2(1 cosθ) (II.4) Vi erhåller slutligen Materiens Struktur I, 213 23 λ λ = h (1 cosθ) m e c (II.41) Detta är Comptons formel för en spridning av en foton från en elektron. λ är våglängden för den inkommande fotonen och λ våglängden för den spridda. Uttrycket h/(m e c) kallas för Comptonvåglängden. Materiens Struktur I, 213 24

II.7. Parbildning Högenergetisk EM-strålning (t.ex. γ-strålning) förekommer i den kosmiska strålningen, men den produceras även i olika kärn- och partikelreaktioner. Relativitetsteorin visar att energi kan omvandlas till materie och experimentellt har man funnit att högenergetisk γ-strålning i närheten av fältet av en kärna kan övergå i materie och antimaterie. Denna process hade även en stor betydelse vid uppkomsten av materien i ett tidigt skede av universums utveckling. Not: Energins och rörelsemängdens konservering kräver närvaron av en massiv partikel, därför behövs t.ex. en atomkärna i detta fall. Detta hänger samman med att man måste kunna göra en koordinattransformation till ett vilosystem. Eftersom fotonen inte har en en vilomassa kan denna inte ensam möjliggöra en dylik transformation. hν > e - atomkärna > e + Figur 4: Parbildning nära en atomkärna. Materiens Struktur I, 213 25 Det lättaste paret av partikel (materie) - antipartikel (antimaterie) som kan bildas är ett elektron (e ) - positron (e + ) - par. 2 Positronen har samma massa som elektronen, m e = m e +. Tröskelenergin för denna reaktion är 2m e c 2 = 1,22 MeV. Vi kan energetiskt studera parbildningen med en relativistisk beräkning. En foton med energin hν ger uppkomst till en elektron och en positron; till detta krävs energin 2m e c 2. överskottsenergin går till partiklarnas kinetiska energi K och K +. Vi får hν = K + K + + 2m e c 2 (II.42) Vid tröskelenergin (K = K + = ) har strålningen frekvensen ν min = 2m e c 2 /h. Motsvarande våglängd är λ max = c ν min = h 2m e c (II.43) Parbildningen är den dominerande effekten vid växelverkan mellan en foton och materie vid fotonenergier över 5 MeV. 2 Positronen upptäcktes år 1932 av C.D.Anderson i den kosmiska strålningen. Materiens Struktur I, 213 26

Då en elektron möter en positron bildar de för en kort stund ett bundet system, positronium med livstiden 1 1 s. Efter detta annihilerar elektronen och positronen varandra och två fotoner utsänds i motsatta riktningar (rörelsemängden måste ju bevaras). Fotonernas enskilda energier är e - > > + e hν Figur 5: Annihilation X hν hν = 2m ec 2 1,22 MeV = = 511 kev (II.44) 2 2 Materiens Struktur I, 213 27 II.8. Strålningens växelverkan med materien Elektromagnetisk strålning växelverkar med materia på olika huvudsakliga sätt. Den kan ge upphov till (1) Rayleighspridning (elastisk för fotonerna), (2) Comptonspridning (generellt inelastisk för fotonerna), (3) fotoelektrisk effekt, och (4) parbildning. Vid låga energier för den inkommande strålningen (lång väglängd) dominerar Rayleighspridning, och vid höga dominerar parbildning. Tvärsnittet uttrycker sannolikheten för en reaktion och kan jämföras med en träffyta som beror av såväl den inkommande strålningen (dess våglängd) som det bestrålade ämnet. Exempelvis kan antalet fotoelektriska effekter i ett ämne uttryckas som N F = σ F In (II.45) där I antalet fotoner i den inkommande strålen och n antalet atomer i ämnet. Tvärsnittet σ F varierar med ämnet, och är i huvudsak beroende av atomnumret (antalet elektroner). Materiens Struktur I, 213 28

Vi härleder ett uttryck för intensiteten I som beroende av djupet x i ett visst material beskrivet av den konstanta densiteten ρ. Antalet atomer av ämnet i en tunn skiva med bredden dx är proportionellt mot ρdx. Antalet reaktioner som inträffar i denna skiva är [tvärsnitt] [antal fotoner] [antal atomer] σi(x)ρdx (II.46) Antalet fotoner i strålen minskar, då de sprids och reagerar med ämnets atomer. Förlusten (därav minustecknet) är direkt relaterad till antalet reaktioner: Differentialekvationen är trivialt separerbar: di = σiρdx (II.47) I I di I = x σρdx Antagandet om konstant densitet gör att vi kan plocka ut σρ från under integrationstecknet. (II.48) Materiens Struktur I, 213 29 Vi erhåller I = I e σρx I e µx I e x/λ (II.49) där I är intensiteten vid ämnets yta (den inkommande strålningens intensitet), µ = σρ ämnets massabsorptionskoefficient, och Λ = 1/(σρ) ämnets attenuationsfaktor. Storheter som Λ definieras typiskt utifrån differentialekvationen enligt följande princip: di I = σρdx = dx Λ (II.5) Notera att detta innebär att Λ avser det avstånd x från ytan då I sjunkit med en faktor 1/e, d.v.s. från I till I e 1 : I e x /Λ = I e 1 (II.51) Materiens Struktur I, 213 3

Figur 6: Den totala massabsorptionskoefficienten µ = σρ för γ-strålningens absorption i bly. Materiens Struktur I, 213 31 Uppgifter [1] Beräkna hur stor strålningseffekt från Solen som når Jorden, Solens totala utstrålade energi samt Solens temperatur. Följande data ges S = 135W/m 2 solkonstanten r J = 6,37 1 6 m Jordens radie R = 1,5 1 11 m Jordbanans radie r S = 6,96 1 8 m Solens radie Vid vilken våglängd kan man förvänta sig toppen i Solens energispektrum? (B & M 2.2). [2] Uppskatta antalet fotoner som emitteras per sekund från en 1 W lampa genom att anta att ljusets våglängd har medelvärdet 5 nm. På vilket avtsånd från källan är fotonflödet 1 fotoner per sekund och kvadratcentimeter? (B & M 2.16). [3] Härled Wiens förskjutningslag λ max T = konstant ur Plancks lag samt ange ett värde för konstanten. [4] Härled Stefan-Boltzmanns lag för den utsrålade intensiteten M(T) = σt 4 utgående från Materiens Struktur I, 213 32

Plancks lag. Här bör man beakta att den energidensitet u ν som anges i Plancks lag gäller för energidensiteten inne i en kavitet. Sambandet mellan den utstrålade totala intensiteten och energin inne i kaviteten är M = c 4 U. Vid integreringen behövs integralen x 3 dx e x 1 = π4 15. Beräkna även konstanten σ. [5] Strålningen fråen svart kropp med temperaturen 5 K träffar en metallyta, vars utträdesarbete är,214 ev. Bestäm vid vilken våglängd strålningsspektret har sitt maximum samt beräkna den längsta våglängd som förmår lösgöra fotoelektroner från metallytan. Vilken andel av svartkroppsstrålningens totala emittans M(T) har en möjlighet att producera fotoelektroner från metallytan? Visa även uträkningen som en dimensionslös integral över Planckfördelningen. (B & M 2.19). [6] Med en ultraviolett ljuskälla med effekten 4 W och våglängdn 248 nm belyses en magnesiumyta 2 m från källan. Bestäm antalet fotoner som emitteras från källan per sekund och det antal som per ytenhet och sekund trffar Mg-ytan. Magnesiumet har uttrdesarbetet 3,68 ev. Beräkna den kinetiska energin hos de snabbaste elektronerna som emitteras från ytan. Bestäm även den högsta våglngden med vilken fotoelektroner kan emitteras från magnesium. (B & M 2.18). [7] En γ-stråle med våglangden,62 nm träffar en elektron i vila. Elektronen får vid växelverkan rekylenergin 6 kev. Vilken energi (i kev) har den spridda γ-strålen och i vilken riktining rör den sig? (B & M 2.21). Materiens Struktur I, 213 33