Ondersoek die fotoelektriese effek, verstaan die deeltjie-golf-dualiteit van lig, en verken die eienskappe van die elektromagnetiese spektrum.
Elektromagnetiese (EM) straling bestaan uit ossillerende elektriese en magnetiese velde wat as dwarsgolwe teen die spoed van lig in 'n vakuum beweeg:
| Simbool | Grootheid | Eenheid |
|---|---|---|
| E | Energie van een foton | Joule (J) |
| h | Planck se konstante | J·s |
| f | Frekwensie van straling | Hz (s⁻¹) |
| λ | Golflengte | meter (m) |
| c | Spoed van lig in vakuum | m·s⁻¹ |
Alle EM-golwe beweeg teen c, maar verskil in frekwensie (en golflengte). In volgorde van toenemende frekwensie (afnemende golflengte):
| Streek | Frekwensie (Hz) | Golflengte | Belangrikste gebruike |
|---|---|---|---|
| Radiogolwe | 10³–10⁹ | km–cm | Uitsending, kommunikasie |
| Mikrogolwe | 10⁹–10¹² | cm–mm | Kook, radar, selfone |
| Infrarooi (IR) | 10¹²–4×10¹⁴ | mm–700 nm | Hittelampe, afstandbeheerders, termiese beelding |
| Sigbare lig | 4×10¹⁴–7,5×10¹⁴ | 700–400 nm | Sig, fotografie |
| Ultraviolet (UV) | 7,5×10¹⁴–10¹⁷ | 400–10 nm | Sterilisering, fluoressensie, sonbrand |
| X-strale | 10¹⁷–10¹⁹ | 10–0,01 nm | Mediese beelding, sekuriteitskandering |
| Gammastrale | >10¹⁹ | <0,01 nm | Kankerbehandeling, sterilisering, kernmedisyne |
Wanneer lig op 'n metaaloppervlak skyn, word elektrone uitgestoot — maar slegs as die frekwensie van die lig gelyk aan of hoër as 'n minimum drempelfrekwensie f₀ is. Dit kan nie deur golfteorie verklaar word nie — dit vereis 'n deeltjiemodel.
Einstein se verduideliking (1905): Lig beweeg in diskrete pakkies genaamd fotone, elk met energie E = hf. 'n Elektron word slegs uitgestoot as een foton genoeg energie het om die bindingsenergie van die metaal (die werkfunksie) te oorkom.
Elektrone in atome bestaan by diskrete energievlakke. Wanneer 'n elektron van 'n hoër na 'n laer energievlak val, straal dit 'n foton met 'n spesifieke frekwensie uit: E = hf = E₂ − E₁.
Lig gedra soos 'n golf (diffraksie, interferensie) ÉN soos 'n deeltjie (fotoelektriese effek, Compton-verstrooiing). Dit is golf-deeltjie-dualiteit. de Broglie het dit uitgebrei: alle deeltjies (elektrone, protone) het ook 'n golflengte:
Laser = Ligversterking deur Gestimuleerde Emissie van Straling. Eienskappe: monochromaties (een golflengte), koherent (alle golwe in fase), gekollimeer (parallelle bundel). Gebruike: chirurgie, sny, strepieskodeleser, veseloptika, CD/DVD-lesers.
Compton-verstrooiing: Wanneer 'n hoë-energie-foton (X-straal/gammastraal) met 'n vry elektron bots, verloor die foton energie en sy golflengte neem toe (Δλ = h/mc × (1 − cosθ)). Hierdie momentumoordrag bewys dat fotone soos deeltjies met momentum p = h/λ = hf/c gedra.
de Broglie-golflengteberekeninge: 'n Elektron (m = 9,11 × 10⁻³¹ kg) wat teen v = 2 × 10⁶ m/s beweeg, het λ = h/mv = 6,63×10⁻³⁴ / (9,11×10⁻³¹ × 2×10⁶) = 3,64 × 10⁻¹⁰ m — in die X-straal-reeks, bevestig deur elektrondiffraksie-eksperimente.
Heisenberg se Onsekerheidsbeginsel (kwalitatief): Dit is onmoontlik om terselfdertyd beide die presiese posisie en presiese momentum van 'n deeltjie te ken: Δx·Δp ≥ h/4π. Dit is nie 'n meetfout nie — dit is 'n fundamentele eienskap van kwantumstelsels. Hoe presieser ons die posisie ken, hoe minder presies kan ons die momentum ken, en andersom.
| Frekwensie, f (×10¹⁴ Hz) | Ek(maks) (×10⁻¹⁹ J) |
|---|---|
| 6.0 | 0.66 |
| 8.0 | 1.99 |
| 10.0 | 3.31 |
| 12.0 | 4.64 |