physics atom part 4

ฟสกสอะตอม 4การทดลองของฟรงกและเฮรตซ

รงสเอกซ (X – RAY)ปรากฏการณโฟโตอเลกทรก

(PHOTOELECTRIC EFFECT)

การเปลยนวงโคจรจะเกดขนเมอมการปลดปลอยหรอดดกลนคลนแมเหลกไฟฟาเปนปรมาณ hf นนคอ

E = Ei – Ef = hf

This spectrum was produced by exciting a glass tube of hydrogen gas with about 5000 volts from a transformer. It was viewed through a diffraction grating with 600 lines/mm. The colors cannot be expected to be accurate because of differences in display devices.

Electron transitions and their resulting wavelengths for hydrogen. Energy levels are not to scale.

ปญหาทฤษฎของ BOHRไมสามารถใหเหตผลวาท าไมจงมวงโคจรเสถยรและมเงอนไขวา

ไมสามารถอธบายอะตอมหนกๆทมอเลกตรอนหลายๆตว ไดถกตอง

อะตอมทอยในบรเวณทมสนามแมเหลกจะใหสเปกตรมทผดไปจากเดม คอ

สเปกตรมเสนหนงๆแยกออกเปนสเปกตรมหลายเสน(Zeeman effect)

nmvr

การแผรงสจากวตถด า (BLACK BODY RADIATION)

วตถทกชนดทมอณหภมสงกวาศนยองศาสมบรณจะแผคลนแมเหลกไฟฟา

สเปกตรมของรงสทแผออกมาจากแทงเหลกรอนจดเปนสเปกตรมตอเนอง(continuous spectrum)

วตถรอนไมเพยงแตจะแผรงสเทานน ในขณะเดยวกนยงดดกลนรงสดวย

• วตถมอณหภมสงกวาสงแวดลอม อตราการแผรงสจะมากกวาอตราการดดกลนรงส• วตถมอณหภมต ากวาสงแวดลอม อตราการดดกลนรงสจะมากกวาอตราการแผรงส • วตถมอณหภมเทากบสงแวดลอม อตราการแผรงสจะเทากบอตราการดดกลนรงส วตถจะมอณหภมคงทเรยกวาวตถอยในสมดลความรอน

อตราการแผพลงงานรงสของวตถรอนขนอยกบอณหภมและชนดของผววตถ

วตถด า(black body) คอวตถทเปนตวแผและดดกลนรงสไดอยางสมบรณและดทสด วตถด าจะดดกลนคลนแมเหลกไฟฟาทกความถทตกกระทบโดยไมสะทอนเลย พลงงานรงสทแผออกจากวตถด าจะขนอยกบอณหภมเพยงอยางเดยว

การทดลองของฟรงกและเฮรตซ

1. ฟรงกและเฮรตซไดท าการทดลองเรองการชนกนของอะตอมตางๆ โดยใชประจอเลกตรอนกบอะตอมของปรอท

2. เมออเลกตรอนชนกบอะตอมของปรอทจะท าใหเกดการถายเทพลงงานจากอเลกตรอนไปยงอะตอม และพลงงานทอะตอมไดรบจะถายทอดตอไปยงอเลกตรอนในอะตอมอกตอหนง ถาพลงงานมากพอทจะท าให เกดอเลกตรอนหลดออกมาเปนอสระแสดงวา เกดการ Ionization

เมอ น าความตางศกยไฟฟาและกระแสไฟฟามาวเคราะหวาอะตอมของไอปรอทรบพลงงาน จากอเลกตรอนทกคาอยางตอเนองหรอรบเพยงบางคา โดยเขยนกราฟไดดงรป

กราฟความสมพนธระหวางความตางศกยไฟฟาและกระแสไฟฟา

จากการทดลองของฟรงกและเฮรตซ พบวา1. ถาพลงงานจลนทอเลกตรอนต ากวา 4.9 eV (ความตางศกยทใชเรง

อเลกตรอนต ากวา 4.9 eV ) การชนระหวางอเลกตรอนและอะตอมของปรอทจะเปนการชนแบบยดหยน (elastic collision) คอ Ekกอนชนเทากบ Ek หลงชนนนแสดงวา อเลกตรอนไมสามารถท าใหอะตอมของปรอทเปลยนระดบพลงงานจาก Ground State ได เพราะอะตอมของปรอทไมสามารถดดกลนพลงงานจลนทต ากวา 4.9 eV ได

2. เมอเพมพลงงานจลนของอเลกตรอนเปน 4.9 eV ท าใหอะตอมของปรอทเปลยนระดบพลงงานจาก Ground State (E1) ไปยง Excited State (E2) ครงแรกสดของการกระตนได

3. ถาเพมพลงงานจลนของอเลกตรอนขนไปอก กจะกระตนอะตอมของปรอทอะตอมทสอง และอะตอมทสามไดอกเรอยๆ แตทกอะตอมของปรอทยงคงตองการพลงงานจลน 4.9 eV เหมอนเดม

4. ถาอะตอมของปรอททถกกระตนไปอยในระดบพลงงาน E2 และจะเปลยนระดบพลงงานเขาสระดบพลงงาน Ground State (E1) จะตองปลดปลอยพลงงานออกมาในรปคลนแมเหลกไฟฟา ซงเรยกวา Photon มพลงงานเทากบ 4.9 eV

สรปการทดลองของฟรงกและเฮรตซ พบวาในการชนระหวางอเลกตรอนกบอะตอมจะดดกลนพลงงานไดเพยงบางจ านวนเทานนซงชใหเหนวาระดบพลงงานของอะตอมไมตอเนอง กนเปนไปตามทฤษฎของโบร คอ 4.9 , 6.7 , และ 10.4 eV

ตามการทดลองของฟรงกและเฮรตซ ขอสรปใดไมจรง 1. อเลกตรอนทมพลงงานนอยกวา 4.9 eV จะมการชนแบบยดหยนกบอะตอมของ ไอปรอท

2. อเลกตรอนทมพลงงานมากกวา 4.9 eV จะสญเสยพลงงานสวนหนงใหกบอะตอม ของไอปรอท

3. อะตอมของไอปรอทมคาพลงงาน ระดบพนเทากบ 4.9 eV 4. อะตอมของไอปรอทมคาพลงงานเปนชนๆ ไมตอเนอง

ในการทดลองของฟรงคและเฮรตซ ถาเราใช หลอดทดลองทบรรจไฮโดรเจนแทนหลอด ทบรรจไอปรอท จะตองใหพลงงานแกอเลกตรอนนอยทสดเทาใด จงจะรบพลงงานนน ( ใหระดบพลงงานในหนวย eV ของอเลกตรอนในอะตอมไฮโดรเจนเรยงจากวงในสดเปน –13.59 , –3.40 , –1.51 , .... 0 ตามล าดบ )

การทดลองของฟรงคและเฮรตซใหผลสรปทส าคญขอใด 1. อเลกตรอนชนอะตอมแบบยดหยนเปนสวนใหญ 2. อเลกตรอนชนกบอะตอมแบบไมยดหยน 3. อะตอมมระดบพลงงานเปนชน ๆ 4. กระแสไฟฟาผานแกสทมความดนต า

รงสเอกซ (X – ray)

Wilhelm K.Roentgen

หลอดรงสเอกซ(x-ray tube)

รงสเอกซมสมบตอยางไรบาง

1. ไมเบยงเบนในสนามแมเหลกและสนามไฟฟา2. เปนคลนแมเหลกไฟฟาทมความยาวคลนสนมาก3. มอ านาจทะลทะลวงสง4. ท าใหกาซแตกตวเปนไอออนได

5. ท าใหสารเรองแสงเกดสารเรองแสงได6. ท าปฏกรยากบแผนฟลม7. รงสเอกซมอนตรายและท าลายเซลลของสงมชวตได8. เมอรงสเอกซ กระทบบนแผนโลหะสามารถท าใหเกดปรากฏการณโฟโตอเลกทรกได

รงสเอกซ

เกดขนไดอยางไร

การค านวณหาความถสงสดของรงสเอกซเนองจากอเลกตรอน จะเปลยนพลงงานไฟฟาเปนคลนแมเหลกไฟฟา (รงสเอกซ)

จงไดวา W = E รงสเอกซe V = h f max = hc/λmin

การเกดรงสเอกซทมความยาวคลนเฉพาะคายนยนความถกตองของทฤษฎอะตอมของโบรทวา อะตอมมระดบพลงงานเปนชน ๆ

รงสเอกซ

รงสเอกซลกษณะเฉพาะ (Characteristic x – rays) จากรป อเลกตรอนทมพลงงานจลนเขาชนอเลกตรอนในชน K ของอะตอมหลดออก อเลกตรอนในชนทอยถดไปเขามาแทนท การเปลยนระดบพลงงานอเลกตรอนในชนตาง ๆ ของอะตอมท าใหเกดสเปกตรมลกษณะเฉพาะ

อเลกตรอนบางตวชนเปา เสยพลงงานไปในการชนหลายๆครง แตละครงทมการเสยพลงงาน จะไดโฟตอนออกมาหนงตว โฟตอนเปนจ านวนมากมพลงงานหรอความยาวคลนตางๆกน

อเลกตรอนตวใดเสยพลงงานทงหมดไปในการชนเพยงครงเดยว จะไดโฟตอนรงสเอกซมพลงงานสงสดเทากบพลงงานจลนของอเลกตรอนทเขาชน

hfmax = eV

eV

hcmin

V

nm1240

min

รงสเอกซจากการถกหนวง (Bremsstrahlung)เกดขนเมออเลกตรอนพลงงานสง วงดวยความเรวเขาใกลนวเคลยสซงมประจบวกท าใหอเลกตรอนเปลยนทศทาง หรอมการเปลยนแปลงความเรวในลกษณะทพลงงานจลนของอเลกตรอนลดลง เปนเหตใหมการแผพลงงานออกมาในรปของคลนแมเหลกไฟฟาหรอโฟตอนเปนรงสเอกซจากการถกหนวง(Bremsstrahlung)

จงเลอกขอความทถกตอง 1. รงสเอกซเปนคลนแมเหลกไฟฟาทมความถสงมากและเปนสเปกตรมตอเนอง

2. รงสเอกซเปนคลนแมเหลกไฟฟาทมสเปกตรมตอเนองซงคาความถสงสดขนกบชนด ของโลหะทใชท าเปา และยงมสเปกตรมเสนดวย

3. รงสเอกซเปนคลนแมเหลกไฟฟาทมสเปกตรมเสนซงเกดจากการปลอยพลงงานของอเลกตรอนของอะตอม เมออเลกตรอนนนเปลยนวงโคจรจากทมระดบพลงงานต า ไปสวงโคจรทมระดบพลงงานสงและยงมสเปกตรมตอเนองดวย

4. ไมมขอใดถก

ทฤษฏอะตอมของโบร สามารถใชอธบายปรากฏการณตางๆเกยวกบอะตอม ไดมากมาย เชน1. อธบายถงการเกดสเปกตรมของอะตอมไฮโดรเจน 2. อธบายถงการจดตวของอเลกตรอนในอะตอมของธาตไฮโดรเจน 3. อธบายถงคาพลงงานทท าใหอะตอมทมอเลกตรอนเพยงตวเดยวแตกตวเปนอออนได

ปรากฏการณโฟโตอเลกทรก (Photoelectric effect)ปรากฏการณทฉายแสงทมความถสง ตกกระทบผวโลหะแลวท าใหเกดประจไฟฟาลบ (อเลกตรอน) หลดออกมาจากโลหะได อเลกตรอนทหลดออกมาเรยกวา โฟโตอเลกตรอน

•ฉายแสงความถเดยวใหตกกระทบผวโลหะ จะมอเลกตรอนหลดจากผวโลหะได

ขอควรทราบเกยวกบปรากฏการณโฟโตอเลกทรก 1. ปกตแลวอเลกตรอนในอะตอม ของขวแคโทดจะถกนวเคลยสยดเหนยวไว ดวยพลงงานขนาดหนง เมอใหพลงงานแสง แกอเลกตรอนน พลงงานสวนหนงจะถก ใชสลายพลงงานยดเหนยวน พลงงานทใช ไปนเรยกฟงกชนงาน (Work function) แทนดวยสญลกษณ W ซงจะมขนาดเทากบพลงงานยดเหนยวอเลกตรอนนนเอง แลวพลงงานสวนทเหลอกจะเปลยนเปนพลงงานจลนของอเลกตรอนทเคลอนทออกไป Eแสง = W + E k ของอเลกตรอน

2. หากเราใหแสงทมพลงงานนอยกวา พลงงานยดเหนยว (W)อเลกตรอนจะไมหลดออกมาจากแคโทด จะตองเพมความถ ( f ) แสงใหมากขนจนกระทงพลงงานแสงมคาอยางนอยเทากบพลงงานยดเหนยวอเลกตรอนจงจะหลดออกมาได ความถแสงตรงน เรยก ความถขดเรม ( fo) และความยาวคลนแสงตรงนเรยกความยาวคลนขดเรม (o)

3. หากตองการทดลองหาพลงงานจลน ของโฟโตอเลกตรอน ใหตอขวไฟฟาลบเขา กบแอโนด และขวไฟฟาบวกเขากบแคโทด ดงรป หากใชความตางศกยเหมาะสม เมอ อเลกตรอนอนมประจลบเขาใกลขวแอโนด ( ขวลบ ) จะเกดแรงตานทาใหอเลกตรอนหยดนงแลวเปลยนพลงงานจลนใหกลายเปนพลงงานศกย ไฟฟา ความตางศกยทใชหยดอเลกตรอนนเรยก ความตางศกยหยดยง (Vs)

4. พลงงานจลนของอเลกตรอน ( Ek ) จะแปรผนกบพลงงานแสง , ความถแสง และจะแปรผกผนกบพลงงานยดเหนยว (W)

5. พลงงานยดเหนยว (W) จงขนกบชนดของโลหะทนามาใชเปนแคโทดและไมเกยวกบขนาดของโลหะขวแคโทดนน

6. จ านวนโฟโตอเลกตรอน จะแปรผนตรงกบความเขมแสง

เมออเลกตรอนหยดนงจะไดวา

Ek = Ep

Ek = e Vs

เมอ Ek คอพลงงานจลนของอเลกตรอน ( จล ) e = 1.6 x 10–19 C ( คอประจอเลกตรอน 1 ตว ) Vo คอความตางศกยหยดยง (โวลต )

โฟโตอเลกตรอน คออเลกตรอนชนดใด 1. อเลกตรอนทมประจมากกวาอเลกตรอนธรรมดา 2. อเลกตรอนทท าปฏกรยากบฟลมถายรป 3. อเลกตรอนทหลดจากผวโลหะโดยการฉายแสง 4. อเลกตรอนทมประจเปนบวก

ความถขดเรม หรอความถตดขาดของแสงทใชในปรากฎการณโฟโตอเลกทรก คออะไร 1. ความถทท าใหโฟตอนมพลงงานเทากบพลงงานยดเหนยว 2. ความถแสงทพอด ท าใหอเลกตรอนหลดจากโลหะไดพอด 3. ความถแสงทท าใหโฟโตอเลกตรอนมพลงงานจลน เทากบศนย

4. ถกทกขอ

ขอความตอไปน เปนเทจ 1. เมอใชแสงความถสงขน (และสงกวาความถขดเรม) ตกกระทบแคโทด โฟโตอเลกตรอนจะมพลงงานจลนมากขน

2. หากใชแสงทมความเขมสงตกกระทบแคโทด หากเกด โฟโตอเลกทรก จ านวนโฟโตอเลกตรอนจะมมาก

3. หากเพมความเขมแสง โฟโตอเลกตรอนจะมพลงงานจลนสงขน

4. ฟงกชนงานจะขนกบชนดของโลหะทใชท าขวแคโทด

พลงงานจลนสงสดของโฟโตอเลกตรอนนน 1. ไมขนกบความเขมของแสงทมาตกกระทบ 2. ขนกบก าลงหนงของความเขมของแสงทมาตกกระทบ 3. ขนกบก าลงสองของความเขมของแสงทมาตกกระทบ 4. ขนกบรากทสองของความเขมของแสงทมาตกกระทบ

ผลการศกษาปรากฏการณโฟโตอเลกทรก สรปไดดงน1. โฟโตอเลกตรอนจะเกดขน เมอแสงทตกกระทบโลหะมความถไมนอยกวาคาความถคงตวคาหนง เรยกวา คาความถขดเรม (f0)

2. จ านวนโฟโตอเลกตรอนจะเพมขน เมอแสงทใชมความเขมแสงมากขน

3. พลงงานจลนสงสด Ek(max) ของอเลกตรอนไมขนกบความเขมแสง แตขนกบคาความถแสง

4. พลงงานจลนสงสดมคาเทากบความตางศกยหยดยง

• อเลกตรอนทหลดออกจากผวโลหะเรยกวา โฟโตอเลกตรอน (Photoelectrons)

• ศกยหยดยง (Stopping potential) คอ ความตางศกยทท าใหไมมอเลกตรอนทหลดจากขวบวกมาถงขวลบ

พลงงานจลนสงสดของโฟโตอเลกตรอน

Vs เปนคาศกยหยดยงความถต าสดทท าใหโฟโตอเลกตรอนเรมหลดออกจากผว

คอ ความถขดเรม

Sk eVmvE 2

maxmax2

1

พลงงานสวนหนง ( hf0 ) ท าใหอเลกตรอนหลดจากผวโลหะได ซงเทากบพลงงานยดเหนยวอเลกตรอนของโลหะ เรยกวา ( work function ) ( W ) และพลงงานทเหลอเปลยนเปนพลงงานจลนของอเลกตรอนซงเทากบพลงงานทใชหยดยงอเลกตรอนนน ( eVs )

E = hf - W

สมการของพลงงานโฟโตอเลกตรอน

Ekmax = eVS = hf - W eVS = hf - hf0

เมอ W = hf0

)(e

h)(

e

h)(

e

h

e

W