CARACTERUL DUAL (DUBLU) AL RADIAŢIEI ELECTROMAGNETICE

Radiaţia electromagnetică este o undă

La sfârşitul secolului al XIX-lea cercetările asupra fenomenelor electrice şi magnetice au permis formularea unei teorii unitare asupra acestor două câmpuri la finalizarea căreia o contribuţie determinantă a avut-o J.C. Maxwell.

Astfel, s-a demonstrat că un câmp electric variabil în timp generează un câmp magnetic, cu liniile de câmp închise, iar la rândul său, un câmp magnetic variabil în timp generează un câmp electric cu liniile de câmp închise. În concluzie, cele două câmpuri se generează reciproc asigurându-se astfel propagarea lor cu aceeaşi viteză, finită, a cărei valoare a fost măsurată experimental dar şi calculată pe baza acestei teorii. Valoarea găsită a fost de aproximativ .

În plus, vectorii intensitate a câmpului electric şi inducţie a câmpului magnetic, , care descriu comportarea celor două câmpuri, sunt reciproc perpendiculari şi sunt

perpendiculari şi pe direcţia de propagare a celor două câmpuri.Ansamblul celor două câmpuri cu proprietăţile de mai sus a fost denumit câmp

electromagnetic iar fenomenul de propagare a câmpului electromagnetic în spaţiu a fost denumit undă electromagnetică. Ţinând cont că direcţiile vectorilor şi sunt perpendiculare pe direcţia de propagare, se poate spune că unda electromagnetică este o undă transversală. Ea nu are nevoie neapărat de un mediu material pentru a se propaga. De altfel, ea se propagă cel mai bine (cu viteză maximă) în mediul liber (în vid).

În aceeaşi perioadă se făceau şi măsurători din ce în ce mai precise asupra vitezei de propagare a luminii. În final rezultatele au condus către aceeaşi valoare ca pentru undele electromagnetice, adică , lucru care i-a făcut pe cercetători să tragă concluzia că lumina este o undă electromagnetică de o anumită frecvenţă. Lumina ca şi undele electromagnetice participă la toate fenomenele specifice lor: reflexie, refracţie, interferenţă, difracţie, astfel încât această ipoteză edificată la sfârşitul secolului al XIX-lea părea de nezdruncinat. Mai jos este reprezentat spectrul undelor electromagnetice, domeniul vizibil al acestora ocupând doar o mică parte din spectru, aproximativ între 400 nm(violet) şi 700 nm (roşu).

Fig.1. Spectrul undelor electromagnetice

1

Este radiaţia electromagnetică o undă?

În aceeaşi perioadă de sfârşit de secol XIX şi început de secol XX, se cunoşteau din punct de vedere experimental câteva fenomene dar nu se putea oferi o explicaţie teoretică coerentă pentru acestea. Este vorba despre:

- radiaţia emisă de corpurile solide aflate la temperaturi mai mari de 0 K, sau de radiaţia termică;

- spectrele emise de atomii diferitelor elemente chimice;- stabilitatea atomilor;- efectul fotoelectric;- radiaţia X;

şi mai târziu efectul Compton.Câteva dintre ele vor fi prezentate pe scurt în continuare, oferindu-se şi explicaţia

corectă a acestora.

Radiaţia termică

Radiaţia termică este radiaţia emisă de corpurile solide cu temperatură mai mare de zero grade Kelvin. Lumina şi căldura (radiaţia infraroşie) emise de un bec cu incandescenţă, căldura emisă de corpurile animalelor şi oamenilor, lumina Soarelui, etc. sunt exemple de radiaţie termică.

Radiaţia termică se datorează, conform legilor electrodinamicii, mişcării termice a particulelor încărcate cu sarcină electrică din interiorul corpurilor atunci c\nd acestea devin accelerate. Radiaţia termică a fost studiată din punct de vedere experimental şi teoretic de către Stefan şi Boltzman, de către lord Rayleigh şi Jeans, de către Kirchoff, Wien şi alţii. Deşi legile radiaţiei termice au fost stabilite experimental de cei amintiţi mai sus, o explicaţie teoretică coerentă şi consecventă a fenomenului bazată pe legile fizicii clasice nu a putut fi formulată.

Toţi cercetătorii erau de acord că este vorba de absorbţia şi emisia de energie de către corpuri prin intermediul undelor electromagnetice. Toate datele experimentale obţinute au fost reprezentate în familia de curbe din figura de mai jos (Fig. 2). Ele sunt absolut corecte şi prezintă variaţia intensităţii undelor electromagnetice prin care se emite energia termică de un anumit corp aflat la temperaturi diferite precum şi lungimile de undă ale undelor prin intermediul cărora este emisă energia termică.

În încercarea lor de a explica fenomenul, cercetătorii plecau însă de la ipoteza că emisia şi absorbţia de energie la nivel microscopic se face în mod continuu, ca şi în cazul corpurilor macroscopice.

Spre deosebire de aceştia, Max Planck (Max Karl Ernest Ludwig Planck (1858-1947)) a făcut două presupuneri total revoluţionare referitoare la emisia şi absorbţia de energie la nivel microscopic. Pornind de la premiza că atomii din care sunt alcătuite corpurile se comportă ca nişte oscilatori microscopici, Planck postulează că energia acestora este cuantificată, că nu poate lua decât anumite valori, multipli întregi ai unei cantităţi bine determinate:

, (1)unde h este o constantă ce a primit ulterior numele lui Planck, ca recunoaştere a meritelor acestuia în domeniu, n este un număr întreg iar este frecvenţa proprie a oscilatorului. Astăzi se ştie că expresia corectă a cuantificării energiei oscilatorului este:

. (2)

2

Dar aceasta nu influenţează rezultatul celui de-al doilea postulat. Acesta afirmă că oscilatorii nu pot absorbi şi nici nu pot emite energie în mod continuu, ci doar în "porţii", în "cuante", în cantităţi bine determinate, de forma:

. (3)În cazul în care oscilatorul nici nu emite nici nu absoarbe energie, el poate ramâne un timp nedeterminat în respectiva stare cuantică. Postulatele lui Max Planck au condus la calculul corect al intensităţii radiaţiei termice, formula acesteia oferind o foarte bună concordanţă cu datele experimentale.

Fig.2. Curbele obţinute experimental pentru intensitatea radiaţiei termice

Efectul fotoelectric

Efectul fotoelectric a fost descoperit experimental de Heinrich Hertz în anul 1887 şi în unele lucrări mai apare chiar cu numele lui. Efectul constă în emisia de electroni de către diverse materiale, metale sau nu, aflate în stare solidă, lichidă sau gazoasă, ca urmare a absorbţiei de energie de la o radiaţie electromagnetică de frecvenţă mare (cel mai adesea din domeniul ultraviolet). Electronii astfel emişi au fost numiţi fotoelectroni. Pentru metalele alcaline (Na, K, Cs, Be) efectul se produce şi pentru radiaţie electromagnetică din domeniul vizibil.

Legile experimentale ale efectului fotoelectric se pot obţine cu ajutorul dispozitivului din figura de mai jos.

3

Fig. 3. Dispozitiv experimental pentru studiul efectului fotoelectric

Acesta este alcătuit dintr-un tub de sticlă vidat în interiorul căruia care se gasesc doi electrozi, un catod (K) negativ, şi un anod (A) pozitiv. Radiaţia electromagnetică provine de la un arc electric şi pătrunde în tub printr-o fereastră de cuarţ, aceasta spre deosebire de sticlă, permiţând trecerea radiaţiilor ultraviolete. Un voltmetru este legat în paralel cu tubul pentru a putea măsura tensiunea electrică dintre cei doi electrozi, iar în serie cu tubul este legat un galvanometru pentru a măsura intensitatea curentului prin circuit. Alimentarea circuitului se face cu ajutorul unui montaj potenţiometric care permite modificarea tensiunii aplicate pe tub.

Atunci când radiaţia electromagnetică ajunge la catod acesta emite practic instantaneu electroni prin efect fotoelectric. Anodul pozitiv atrage aceşti electroni, însă nu toţi electronii ajung la anod. Pe măsură ce tensiunea creşte, anodul va atrage tot mai mulţi dintre electronii emişi până când curentul anodic se saturează, semn că toţi electronii emişi la catod ajung la anod.

Dacă se schimbă polaritatea sursei, anodul va respinge electronii. Cu toate acestea ei vor ajunge la anod ca urmare a faptului că sunt emişi cu o anumită energie cinetică. Cu cât tensiunea creşte în sens negativ, cu atât mai puţini electroni vor ajunge la anod. La o anumită valoare a tensiunii inverse aplicate pe tub, intensitatea curentului va scădea la zero. Această valoare a tensiunii se numeşte tensiune de blocare, este notată cu pe figură şi este o măsură a energiei cinetice maxime a electronilor emişi. Aceste rezultate sunt reprezentate în Fig. 4.

Fig. 4. Variaţia curentului anodic în funcţie de tensiunea anodică

4

În plus, dacă fluxul radiaţiei electromagnetice care cade pe catod creşte, creşte şi valoarea intensităţii curentului de saturaţie, aşa cum se vede din Fig. 51. Iar dacă frecvenţa radiaţiei folosite pentru producerea efectului fotoelectric creşte, creşte şi energia cinetică a electronilor emişi, respectiv a tensiunii de blocare. Dacă frecvenţa radiaţiei scade sub o anumită valoare, numită valoare de prag, efectul nu se mai produce.

Fig. 5.

În esenţă, legile experimentale ale efectului fotoelectric sunt următoarele:

- Intensitatea curentului fotoelectric de saturaţie este direct  proporţională cu fluxul radiaţiilor electromagnetice incidente, când frecvenţa acestora este constantă.

- Energia cinetică a fotoelectronilor emişi creşte liniar cu frecvenţa radiaţiilor electromagnetice şi nu depinde de fluxul acestora.

- Efectul fotoelectric extern se poate produce numai dacă frecvenţa radiaţiei incidente este mai mare sau cel putin egală cu o valoare minimă , specifică fiecărei substanţe.

- Efectul fotoelectric extern se produce practic instantaneu.

Sunt trei aspecte care nu se pot explica pe baza teoriei ondulatorii a radiaţiei electromagnetice:

Dacă radiaţia electromagnetică ar fi o undă, energia electronilor emişi ar trebui să crească odată cu intensitatea undelor electromagnetice trimise spre catod.

Conform teoriei ondulatorii, efectul fotoelectric ar trebui să se producă pentru orice frecvenţă, cu condiţia ca lumina să fie suficient de intensă.

Conform teoriei ondulatorii, ar trebui să existe un decalaj de timp între momentul iluminării catodului şi momentul emisiei electronilor, însă nu s-a putut măsura nici un decalaj.

Pentru explicarea lor, Albert Einstein, în anul 1905, dezvoltă ipoteza lui Planck cu privire la existenţa cuantelor de energie şi explică efectul fotoelectric ca fiind o interacţiune

1 Figurile 3,4 şi 5 sunt preluate din lucrarea dnei NEGURA DANIELA CATRINEL Profesor de fizica Grup Scolar de Chimie"Costin Nenitescu", de pe Internet.

5

directă între o cuantă de energie numită în continuare foton (denumire introdusă în anul 1926 de către chimistul Gilbert Lewis), şi un electron. Formula lui Einstein pentru efectul fotoelectric este:

. (4)Ea afirmă că electronul absoarbe energia fotonului ( ) şi o foloseşte pentru a părăsi

materialul, ( ). Această cantitate, numită lucru mecanic de extracţie, este specifică fiecărui material în parte. Diferenţa dintre cele două energii se regăseşte tot la electron, sub formă de energie cinetică. Aceasta va avea valoarea maximă dacă electronul emis este la suprafaţa materialului. Dacă este mai în adâncime, în drumul său spre suprafaţă participă la ciocniri cu alţi electroni, pierzând o parte din energia sa cinetică.

Dacă însă energia fotonului nu este cel puţin egală cu lucrul mecanic de extracţie, , efectul nu se produce, între foton şi electron având loc doar o ciocnire elastică. Aşa se explică existenţa pragului de frecvenţă specific fiecărui material în parte, sub care efectul nu mai apare.

Efectul fotoelectric are numeroase aplicaţii de ordin practic, în special în domeniul automatizării diferitelor procese. Totuşi importanţa sa deosebită derivă din faptul că demonstrează caracterul discret al radiaţiei electromagnetice şi că oferă unul dintre puţinele experimente pentru măsurarea valorii constantei lui Planck.

6