Elektromanyetik Işıma Elektromanyetik ışıma (ışık) bir enerji şeklidir. Işık, Elektrik (E) ve manyetik (H) alan bileşenlerine sahiptir. Özellikleri Dalgaboyu (λ) Frekans (ν) Genlik (A) Işık Hızı (c) Node: düğüm

Dalgaboyu (λ): İki tepe noktası arasındaki mesafedir. Frekans (ν): Bir saniyede belirli bir noktadan geçen dalga sayısıdır Frekans azalır Dalgaboyu artar n1 < n2 < n3 l1 > l2 > l3 Birim: 1/s birim: uzunluk (m) Dalgaboyu ve frekans çarpımı sabittir (λ)(ν) = c Işık hızı c = 3 x 108 m/s (vakumda)

Elektromanyetik Spektrum

Işığın dalga yapısı Engelde bir delik varsa Açıklayabilir: Kırınım (diffraction) Girişim (interference) Açıklayamaz: Siyah cisim ışıması Fotoelektik Olay Compton saçılması Kırınım Su dalgası engeldeki bir delikten (veya yarıktan) geçerken, delik bir ışık kaynağı gibi davranır. Engelde iki delik varsa Girişim Koyu çizgi: dalganın maksimumu Açık çizgi : dalganın minimumu

Işık ve enerji 1900 yılı önceleri enerji ve maddenin farklı şeyler olduğu düşünülüyordu. Planck, akkor halindeki katıların yaydığı ışınları incelemiştir. Bir katı cisim ısıtıldığında, Işıma şiddeti artar λmax daha küçük dalgaboyuna kayar E = hυ = hc/λ Klasik fizik bu gözlemi açıklayamaz !

Sıcaklık arttıkça dalgaboyu azalır Flamanı ısıtırsak rengi nasıl değişir? Sıcaklık arttıkça dalgaboyu azalır

Siyah Cisim Işıması Siyah cisim ideal bir cisimdir, ve üzerine gelen tüm ışımaları soğurur . 1. Üzerine düşen bütün ışınları absorplar. 2. Her dalga boyunda ışıma yapar. 3. Işıma şiddeti ve spektrumu sıcaklığa bağlıdır. Siyah cisimin çeşitli sıcaklıklarda ışıma şiddetinin ışımanın dalga boyuna bağlı olması dalga kuramına göre açıklanamaz. Çünkü dalga kuramına göre ışımanın şiddeti genliğin karesi ile orantılıdır.

Cisimler niçin ışıma yapar? Mutlak sıfırdan yüksek sıcaklıktaki bütün cisimler elektromanyetik ışıma yaparlar – ısı enerjisi Isı, molekül hareketlerinin (öteleme, dönme, titreşim) ortalama kinetik enerjisinden kaynaklanır Cisimler atomlardan meydana gelmiştir Cisimlerin top-yay modeli Titreşen atomlar ışıma yaparlar.

Klasik fizik – atomlar her frekansta salınım yapabilir Planck (1900) – atomlar sadece belirli frekanslarda salınım yapabilirler. Klasik fizik, siyah cisim ışımasını sadece büyük dalga boylarında açıklayabilir.

Spektroskopi Na, Hg, He, H emisyonları Not: renklerin hepsi mevcut değil

Plank’ın Çözümü En = nhν n = 1, 2, 3 …. Planck sıcak cismin soğurken enerjisini ışık halinde ve tamsayı katları şeklinde kaybettiğini öngörmüştür. En = nhν n = 1, 2, 3 …. E = enerji n = kuantum sayısı, tamsayı (integers) h = Plank sabiti (Planck’s constant)  = frekans h = 6.626 x 10-34 J.s

Işığın Kuantlaşması Efoton = hν Einstein, ışığın foton adı verilen enerji paketlerinden oluştuğunu ileri sürmüştür. Efoton = hν Örnek: 500 nm dalgaboyundaki fotonun enerjisi nedir? ν = c/λ= (3x108 m/s)/(5.0 x 10-7 m) ν = 6 x 1014 1/s E = hν =(6.626 x 10-34 J.s)(6 x 1014 1/s) = 4 x 10-19 J

Fotoelektrik Olay Fırlatılan elektronların enerjisi ışımanın frekansı ile doğru orantılıdır. Bir metalden elektron koparabilmek için ışımanın belli bir frekansa eşit veya daha yüksek frekansta olması lazım. Işımanın şiddetinin artırılması, fırlatılan elektronların sayısını artırır, fakat enerjilerini değiştirmez. Millikan, fotoelktrik hakkında çalışmalrı sayesinde Nobel ödülü almıştır. Metal yüzeyine gelen ışık elektron koparır. Buna fotoelektrik olay denir. Fotoelektrik olay klasik fizik ile açıklanamaz.

Gelen ışığın şiddeti arttıkça kopan elektron sayısı artar. Gelen ışığın frekansı belirli bir eşik değerin (o ) altında ise elektron koparamaz, elektronların kopması ışığın şiddetine bağlı değildir. Gelen ışığın frekansı arttıkça kopan elekronların kinetik enerjisi artar; elektronların kinetik enerjisi ışığın şiddetine bağlı değildir. Gelen ışığın şiddeti arttıkça kopan elektron sayısı artar. Eşik frekans değerleri

Fotoelektrik Olay Çizelgesi Dalga Tanecik Sonuç Işık şiddeti arttıkça Hız Artar KE Değişmez Işık frekansı arttıkça

Fotoelektrik Olayın Açıklanması (Einstein 1905, Nobel Ödülü 1921) İş fonksiyonu veya eşik enerjisi e- ların kinetik enerjisi Gelen ışık enerjisi F = iş fonksiyonu (work fuction) e- kopması için gereken en düşük enerji SONUÇ : Işık tanecik gibi davranır

ÖRNEK : Na için F = 4.4 x 10-19 J dür. Eşik frekansına (νo ) karşılık gelen dalgaboyu nedir? hν = F = 4.4 x 10-19 J hc/λ = 4.4 x 10-19 J λ = 4.52 x 10-7 m = 452 nm

IŞIK: Dalga mı ? Tanecik mi ? 1. Newton – ışık tanecik gibi davranır. Yansıma (reflection) 2. Kırınım (diffraction) ve girişim (interference) ışığın dalga özelliği ile açıklanır. 3. Fotoelektrik olaya göre ışık taneciktir. CEVAP : Her ikisi !

Dalga- tanecik ikiliği Nasıl ölçüldüğüne (veya etkileştiğine) bağlı olarak ışık hem dalga hem de tanecik gibi davranır GENEL KURAL Işık uzayda yol alırken dalga gibi davranır. Işık madde ile etkileşirken tanecik gibi davranır. ….. atomlar da benzer özellik gösterirler mi? Atomların dalga özelliğini başka bir mekanik tanımlar. KUANTUM MEKANİĞİ !

Compton saçılması (1923) f > i Duran bir atom veya elektron üzerine gönderilen ışık saçılmaya uğrar. Saçılan ışınların dalga boyları gönderilen ışığın dalga boyundan büyüktür. Saçılma açısı büyüdükçe saçılan ışığın dalga boyu artar. Klasik fizik Compton sacılmasını açıklayamaz.

Fotonlar enerji taşıyorsa, momentum da taşıyabilirler. E = h ise, foton momentumu P = hν/c = h/ dir. Bu çarpışmada enerji ve momentum korunum yasaları geçerli olmalıdır. Klasik teoriye göre, saçılan ışınların dalga boyu gelen ışığın dalga boyuna eşit olmalıdır. Kuantum teorisine göre ,saçılan foton daha düşük enerjiye ve bu nedenle daha uzun dalga boyuna sahip olmalıdır.

Atom Spektrumları Hidrojen Emisyon Spektrumu Hidrojen soğurma Spektrumu

1/n2 fonksiyonundan dolayı boşluklar lineer değildir k : 13.606 eV 2.18x10-18 J 1.097x105 cm-1 1.097x107 m-1

Tek elektronlu sistemlerin enerjisi n = sonsuz ise , E = 0 n = tamsayı (1, 2, .) Ry x h = -2.178 x 10-18 J (!) H atomunun Bohr modeli Balmer ve Rydberg formüllerini doğrular. n arttıkça enerji seviyeleri birbirine yaklaşır.

1 l 1 n12 1 n22 = R - Rydberg H atomunun spekrumunda gözlenen dalga boylarına bu eşitliğin uyduğunu gözlemlemiştir. R : Rydberg sabiti = 1.096776 x107 m-1 H spektrumunda 3 sari çizgi vardır: Görünür bölge için: n1 = 2 ve n2 = 3, 4, 5, ...