1. Dwie Teorie Natury Światła (Historyczny Kontekst)

Na przestrzeni wieków istniały dwie główne, konkurencyjne teorie:

   Teoria Korpuskularna (Izaak Newton): Światło to strumień maleńkich cząstek (korpuskuł). Tłumaczyła zjawisko odbicia, ale błędnie przewidywała, że światło przyspiesza w gęstszych ośrodkach.
   Teoria Falowa (Christiaan Huygens, Thomas Young, Augustin-Jean Fresnel): Światło to fala. Tłumaczyła zjawiska takie jak odbicie, załamanie, interferencja (doświadczenie Younga z dwiema szczelinami) i dyfrakcja (ugięcie fali). Prawidłowo przewidywała, że światło zwalnia w gęstszych ośrodkach.

Przez długi czas dominowała teoria falowa, zwłaszcza po tym, jak Maxwell udowodnił, że światło jest falą elektromagnetyczną. Jednak na przełomie XIX i XX wieku pojawiły się zjawiska, których teoria falowa nie potrafiła wyjaśnić.

2. Dowody na Korpuskularną (Cząsteczkową) Naturę Światła

To jest główny i najważniejszy materiał z tej lekcji. Współczesna fizyka kwantowa wprowadziła pojęcie fotonu – cząstki światła.

A. Zjawisko Fotoelektryczne Zewnętrzne

   Definicja: Zjawisko polegające na wybijaniu elektronów z powierzchni metalu pod wpływem padającego na nią promieniowania (światła).
   Wyjaśnienie Einsteina (Nagroda Nobla!):
       Światło składa się z cząstek zwanych fotonami.
       Energia pojedynczego fotonu zależy tylko od jego częstotliwości (ν) lub długości fali (λ), a nie od natężenia światła.
       Wzór na energię fotonu: E = h · ν lub E = (h · c) / λ
           h – stała Plancka (ok. 6,63 · 10⁻³⁴ J·s)
           ν (ni) – częstotliwość fali
           c – prędkość światła
           λ (lambda) – długość fali
       Jeden foton oddziałuje z jednym elektronem. Jeśli energia fotonu jest wystarczająca, wybija elektron z metalu.

   Wzór Einsteina dla zjawiska fotoelektrycznego:
    hν = W + Eₖ
       hν – energia padającego fotonu.
       W – praca wyjścia, czyli minimalna energia potrzebna do wyrwania elektronu z danego metalu (cecha materiału).
       Eₖ – maksymalna energia kinetyczna wybitego elektronu (jego prędkość po opuszczeniu metalu).

   Warunki zajścia zjawiska (BARDZO WAŻNE):
    1.  Zjawisko zachodzi tylko wtedy, gdy energia fotonu jest większa lub równa pracy wyjścia: hν ≥ W.
    2.  Wynika z tego istnienie częstotliwości progowej (ν₀). Poniżej tej częstotliwości zjawisko nie zachodzi, niezależnie od tego, jak jasne jest światło. Dla częstotliwości progowej cała energia fotonu jest zużywana na pracę wyjścia: hν₀ = W.
    3.  Energia kinetyczna wybitych elektronów rośnie wraz z częstotliwością światła, a nie jego natężeniem.
    4.  Natężenie światła wpływa tylko na liczbę wybijanych elektronów (więcej fotonów = więcej wybitych elektronów), a nie na ich energię.

B. Zjawisko Comptona (Efekt Comptona)

   Definicja: Zjawisko rozpraszania fotonów (np. promieniowania rentgenowskiego) na swobodnych elektronach.
   Dowód na naturę cząsteczkową: Fotony w tym zderzeniu zachowują się jak cząstki materialne (np. kule bilardowe), oddając część swojej energii i pędu elektronom. Foton po zderzeniu ma mniejszą energię, a więc dłuższą falę.

3. Widma Promieniowania

Obserwacja rozszczepionego światła za pomocą spektroskopu.

   Widmo Ciągłe:
       Jak powstaje? Emitowane przez rozgrzane ciała stałe i ciecze (np. żarnik tradycyjnej żarówki).
       Jak wygląda? Płynne przejście wszystkich kolorów (tęcza), bez przerw.

   Widmo Liniowe Emisyjne:
       Jak powstaje? Emitowane przez rozgrzane, rozrzedzone gazy (np. w lampach neonowych, jarzeniówkach, sód w płomieniu palnika).
       Jak wygląda? Tylko kilka ostrych, jasnych linii (prążków) o określonych kolorach na ciemnym tle.
       Kluczowa cecha: Każdy pierwiastek chemiczny ma swoje własne, unikalne widmo liniowe, co pozwala na jego identyfikację (jak "odcisk palca").

   Widmo Liniowe Absorcyjne:
       Jak powstaje? Gdy światło o widmie ciągłym (białe) przechodzi przez chłodny, rozrzedzony gaz.
       Jak wygląda? Ciemne linie (przerwy) w widmie ciągłym. Pojawiają się one dokładnie w tych miejscach, w których dany gaz emitowałby jasne linie, gdyby był gorący. Gaz pochłania (absorbuje) fotony o swoich charakterystycznych energiach.

Podsumowanie do Kartkówki – Co musisz wiedzieć?

1.  Dualizm korpuskularno-falowy: Światło ma podwójną naturę – falową (interferencja, dyfrakcja) i cząsteczkową (zjawisko fotoelektryczne, efekt Comptona).
2.  Foton: Cząstka (kwant) światła. Jego energia zależy od częstotliwości (E = hν).
3.  Zjawisko fotoelektryczne: Wybijanie elektronów przez fotony.
4.  Warunek zjawiska fotoelektrycznego: Energia fotonu musi być co najmniej równa pracy wyjścia metalu (hν ≥ W).
5.  Praca wyjścia (W): Minimalna energia potrzebna do wyrwania elektronu z metalu.
6.  Częstotliwość progowa (ν₀): Minimalna częstotliwość światła powodująca zjawisko fotoelektryczne.
7.  Zależności w zjawisku fotoelektrycznym:
       Energia elektronów zależy od częstotliwości światła.
       Liczba elektronów zależy od natężenia światła.
8.  Rodzaje widm: Umieć rozróżnić widmo ciągłe, liniowe emisyjne i liniowe absorpcyjne (jak powstają i jak wyglądają).
9.  Widmo liniowe jako "odcisk palca" pierwiastka: Każdy pierwiastek ma unikalny układ linii w swoim widmie.