1.2. Fotoni

            I pored velikih uspjeha Maxwellove teorije polja jedan problem je ostao nerazjašnjen: zračenje crnog tijela. Ukratko; zagrijano tijelo emitira elektromagnetsko zračenje ( ova emisija je temelj svjetlosti koje dobivamo iz žarne niti ili sa sunca ). Na visokim temperaturama znatani dio ovog zračenja se pojavljuje u vidljivom dijelu spektra i što je viša temperatura tijela koje zrači veći je udio plavog dijela spektra u ukupnom zračenju. Ovu pojavu možemo učiti pri grijanju komada željeza. Povećanjem temperature užareno željezo se žari crvenom bojom a potom postaje sve više bijelo. Bijelu svjetlost opažamo jer se povećava udio plave svjetlosti pri grijanju, pa se dobiva vizualni utisak bijeloga. Ova pojava je opisana Wienovim zakonom pomaka ( 1893. ) koji kaže da se s porastom temperature spektralno područje na kojem se nalazi maksimum zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama. Zračenje crnog tijela je pokušano biti objašnjeno kao zračenje beskonačno mnogo elektromagnetskih oscilatora koji zrače na svim mogućim frekvencijama. Neuspjeh klasične teorije u objašnjenju raspodjele zračenja crnog tijela poznat je pod imenom ultraljubičasta katastrofa.

            Njemački fizičar Max Planck je 1900. uspio dobiti zakon koji je opisivao zračenje crnog tijela i odlično se slagao s eksperimentalnim opažanjima. U tome je uspio postulirajući dvije pretpostavke:

1.       1.       Energija elektromagnetskih oscilatora može se mijenjati samo za određeni, diskretni iznos,  odnosno u kvantima energije.

2.       2.       Energija oscilatora s frekvencijom n može se mijenjati samo samo za cjelobrojni iznos umnoška frekvencije i konstante h, DE= n h n, gdje je n cijeli broj.

            Razlog uspješnosti Planckovog modela je u sljedećem. U klasičnoj predodžbi svi elektromagnetski oscilatori su pobuđeni, čak i oni s velikom frekvencijom i tako se emitira i odgovarajući kratkovalni dio spektra. Prema kvantnoj predodžbi oscilator je pobuđen samo ako može primiti energiju najmanje jednaku hn. Na određenoj temperaturi ovaj minimum je suviše visok za pojedine visokofrekventne oscilatore, drugim riječima nema dovoljno energije u sustavu da bi ovi oscilatori bili pobuđeni. Na taj način visokofrekventni oscilatori ostaju nepobuđeni i veoma kratki valovi se ne emitiraju. Time je izbjegnuta ultraljubičasta katastrofa.

            Planckova kvantizacija elektromagnetskog oscilatora dovela je do alternativnog gledanja na zračenje. Sada je moguće gledati na zračenje frekvencije n kao na skupinu čestica s energijama hn . Ove čestice je kemičar G. N. Lewis prvi nazvao fotonima. Einstein je 1905. godine uspješno objasnio fotoelektrični efekt pomoću koncepta fotona, što mu je donijelo i Nobelovu nagradu. Ako svjetlost zamislimo kao val ne možemo objasniti fotoelektrični efekt, ako je zamislimo kao pljusak fotona energije hn, sve se slaže. Međutim, revitalizirajući Newtonovu čestičnu sliku, Einstein nije odbacio valnu sliku svjetlosti. Suština njegovog pogleda je u tome da se neke svjetlosne pojave mogu objasniti pomoću valne slike, ali neke druge pomoću čestične slike. Einsteinova interpretacija fotoelektričnog efekta je omogućila eksperimentalno određivanje vrijednosti Planckove konstante h, do tada nepoznate. Mulliken je 1915. uspio odrediti Planckovu konstantu za što je dobio Nobelovu nagradu.

            Proširujući kvantnu teoriju na strukturu materije, Bohr je 1913. predložio model atoma u kojemu su elektroni u atomu raspoređeni po nizu diskretnih energetskih stanja. Prijelaz elektrona iz jednog stanja u drugo može biti praćen emisijom ili apsorpcijom fotona. Pri tome energija fotona odgovara energijskoj razlici ta dva stanja. Bohrov model predviđa samo proces spontane emisije, odnosno, atom u pobuđenom stanju, nakon nekog vremena, zračenjem fotona atom prelazi u u niže energetsko stanje.

            Einstein je 1917. u svome članku o kvantnoj teoriji zračenja uveo pretpostavku o mogućnosti stimulirane emisije. Stimulirana emisija je proces kada atom iz pobuđenog stanja prelazi u niže energetsko stanje potaknut nazočnošću fotona koji ima upravo energiju jednaku razlici dva atomska stanja između kojih se događa prijelaz. Pri tome atom emitira foton iste energije kao što je i upadni foton i istog pravca. Uz pretpostavku stimulirane emisije, Einstein je uspio izvesti Planckov zakon zračenja ( do na multiplikativni faktor ). Time je dokazao da takav proces doista postoji, a eksperimentalno je pokazana tek 1928. godine od Ladenburga. Potom je za dugi niz godina ovaj fenomen van interesa.

Home page