Efekti

Fotoelektrični efekat

Fotoelektrični efekat je emisija elektrona iz metala pod dejstvom svetlosti. Otkrio ga je sasvim slučajno Herc 1887. godine. Pre Ajnštajna fizičare je bunilo to što više svetlosti izbija više elektrona ali im ne menja energiju. Na energiju elektrona utiče boja (talasna dužina) a ne intenzitet svetlosti. Ajnštajn je sve nedoumice rešio 1905. godine pretpostavkom da je svetlost čestične prirode t. j., da se svetlost prostire u kvantima koji su nazvani fotoni. Više fotona izbacuje i više elektrona ali energija izbačenih elektrona može da poraste samo ako poraste i energija fotona. Ta Ajnštajnova pretpostavka bila je tada toliko radikalna da joj se suprtostavljao i sam Plank, začetnik kvantne teorije.
Godine 1921. Ajnštajnu je dodeljena Nobelova nagrada za fiziku za objašnjenje fotoeletričnog efekta.

nastavak:

Herc je, 1887. godine primetio da varnično pražnjenje između cinkanih kuglica postaje intenzivnije ukoliko se jedna od njih osvetli ultraljubičastim zračenjem. Ispostavilo se da je suština ove pojave, nazvene fotoefektom, udaljavanje elektrona sa površine metala pod dejstvom UV zračenja. Detaljnu metodiku za ispitivanje ove pojave dao je ruski fizičar Stoletov. Njegova aparatura sastojala se od dve elektrode - katode, izgrađene od ispitivanog materijala, i anode, koje se nalaze u vakuumnoj cevi i priključene su na bateriju, tako da se potenciometrom može menjati ne samo vrednost, nego i znak napona U, koji se dovodi. Kada se katoda osvetli monohromatskom svetlošću (kroz kvarcni prozor), sa nje se izbijaju elektroni, koji se, zatim, održavanjem napona ubrzavaju do anode. Javlja se fotoelektrična struja koja se meri miliampermetrom. Osvetljavajući katodu svetlošću različitih talasnih dužina (tj. različitih frekvencija), Stoletov je utvrdio sledeće zakonomernosti:
Da najefektivnije delovanje ima UV zračenje;
Da pod dejstvom svetlosti materijal gubi samo negativna naelektrisanja (1897. godine Tomson je izmerio specifično negativno naelektrisanje, naelektrisanje čestice, koja je 1903. godine nazvana elektron);
Da je jačina struje koja se javlja usled osvetljavanja katode direktno proporcionalna intenzitetu upadne svetlosti.

nastavak:

Na osnovu izučavanja zavisnosti fotostruje I, obrazovane elektronima emitovanim sa katode pod dejstvom svetlosti, od napona U između elektroda, različitih materijala u vakuumu, za različite frekvencije upadnog zračenja, utvrđena su tri osnovna zakona spoljašnjeg fotoefekta:
Stoletov zakon: pri fiksiranoj vrednosti frekvencije upadne svetlosti, broj fotoelektrona, istrgnutih u jedinici vremena, proporcionalan je intenzitetu svetlosti (jačina fotostruje zasićenja proporcionalna je energetskoj osvetljenosti katode);
Maksimalna početna brzina (maksimalna kinetička energija) fotoelektrona ne zavisi od intenziteta upadne svetlosti, već je određena samo njenom frekvencijom;
Za svaki materijal postoji crvena granica fotoefekta, tj. minimalna frekvencija svetlosti (koja zavisi od hemijske prirode materijala i stanja njegove površine), ispod koje je fotoefekat nemoguć.

nastavak:

Objašnjenje fotoefekta sa talasne tačke gledišta, na prvi pogled, ne bi trebalo da predstavlja poteškoće. Zaista, pod dejstvom polja svetlosnog talasa, u metalu se javljaju prinudne oscilacije elektrona, čije su amplitude (npr. pri rezonanci) dovoljno velike da elektroni napuste metal (tada se i primećuje fotoefekat). Kinetička energija elektrona istrgnutog iz metala trebalo bi da zavisi od intenziteta upadne svetlosti, jer bi sa povećanjem intenziteta upadne svetlosti elektronu trebalo da se predaje više energije. Ali, ovaj zaključak protivureči drugom zakonu fotoefekta. Naime, po talasnoj teoriji, energija, koja se predaje elektronima, proporcionalna je intenzitetu svetlosti. Onda bi svetlost bilo koje frekvencije, ali dovoljno velikog intenziteta, morala da otrže elektrone iz metala; drugim rečima, crvena granica fotoefekta ne treba da postoji, što protivureči trećem zakonu fotoefekta. Pored toga, talasna teorija nije mogla da objasni bezinertnost (trenutnu pojavu fotoefekta, tj. to što ne postoji merljivo vremensko kašnjenje od trenutka osvetljavanja metala do detektovanja fotoelektrične struje) fotoefekta, utvrđenog eksperimentima. Na taj način, fotoefekat je neobjašnjiv sa tačke gledišta talasne teorije svetlosti.
Ovde je trebalo odlučno raskinuti sa starom teorijom, i tada je, u čuvenom radu iz 1905. godine, Ajnštajn, kao mladi činovnik instituta u Bernu, izložio vrlo smelu hipotezu.

nastavak:

Ajnštajn je pretpostavio da se svetlosni talas sastoji od velikog broja kvanata (koji su tek 1926. godine dobili ime fotoni). Saglasno Ajnštajnu, svetlost frekvencije ν ne samo da se ispušta u pojedinačnim porcijama - kvantima, kako je to već ranije postavio Plank, već se i prostire u prostranstvu i apsorbuje supstancom u pojedinačnim kvantima, čija je energija E=hν. Na taj način prostiranje svetlosti treba razmatrati ne kao neprekidan talasni proces, nego kao protok lokalizovanih, u prostoru diskretnih, svetlosnih kvanata, koji se kreću brzinom prostiranja svetlosti u vakuumu.
Energijski bilans pri fotoefektu može se izraziti kao:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde su:
Aj - jonizaciona energija potrebna da elektron napusti atom (za metale se ona može smatrati jednakom nuli, jer metal sadrži veliki broj slobodnih elektrona);
Ai - izlazni rad elektrona iz materijala, koji predstavlja minimalnu energiju koja je potrebna da bi elektron napustio površinu određenog materijala;
eUz - kinetička energija fotoelektrona.

nastavak:

Za metale, prethodna jednačina ima oblik:

http://razbibriga.net/clear.gif

Na osnovu prethodne relacije, minimalna vrednost frekvencije ν0 upadnog ugla talsa, pri kojoj može doći do fotoefekta, iznosi:

http://razbibriga.net/clear.gif

Minimalna talasna dužina svetlosti λ0 pri kojoj može doći do fotoefekta, je crvena granica.

nastavak:

Objašnjenje fotoefekta je krajnje jednostavno: pri apsorpciji, foton predaje svu svoju energiju elektronu, trenutno, i ako je ova energija dovoljno velika da elektron raskine veze koje ga drže u metalu, on iz njega izleće. Kako je verovatnoća da jedan elektron primi energiju od dva fotona zanemarljivo mala, svaki oslobođeni elektron primio je energiju od samo jednog fotona. Zato broj oslobođenih elektrona treba da bude proporcionalan broju apsorbovanih fotona, odnosno proporcionalan intenzitetu upadnog talasa. Ali, kako energija elektrona koji izleće zavisi od energije samo jednog fotona (a svi fotoni su iste energije), sledi da energija fotoelektrona treba da pokazuje linearnu zavisnost od frekvencije talasa, a da uopšte ne zavisi od intenziteta talasa.
Besprekorna Ajnštajnova relacija za fotoefekat morala je da sačeka svoju potvrdu punih 11 godina, kada je Milikan, 1916. godine, uspeo da pomoću dosta komplikovane aparature potvrdi Ajnštajnovu hipotezu o kvantima svetlosti, i da sa velikom tačnošću i on odredi Plankovu konstantu.

nastavak:

Danas se razlikuju tri vida fotoefekta: spoljašnji, unutrašnji i ventilni.

Spoljašnjim fotoefektom (koji se, takođe, naziva i samo fotoefekat) nazvana je pojava ispuštanja (udaljavanja) negativnog naelektrisanja (konkretno elektrona) sa površine materijala koji je izložen dejstvu elektromagnetskog zračenja. Spoljašnji fotoefekat primećuje se kod čvrstih tela (metala, poluprovodnika, dielektrika), a takođe i u gasovima na pojedinačnim atomima i molekulima (fotojonizacija).

Unutrašnji fotoefekat predstavlja pojavu da pod dejstvom elektromagnetskog zračenja dolazi do prelaska elektrona unutar poluprovodnika ili dielektrika, iz vezanih stanja u slobodna, bez njihovog izletanja van ovih materijala. Kao rezultat toga, koncentracija nosioca struje (elektrona) unutar materijala raste, što dovodi do pojave fotoprovodljivosti (povećanja elektroprovodnosti poluprovodnika ili dielektrika pri njihovom osvetljavanju), tj. do pojave elektromotorne sile.

Ventilni fotoefekat je jedan oblik unutrašnjeg fotoefekta, tačnije pojava fotoelektromotorne sile pri osvetljavanju kontakta dva različita materijala - dva različita poluprovodnika ili poluprovodnika i metala. Ventilni fotoefekat otvara puteve za direktno preobrazovanje sunčane energije u električnu.

Primena fotoefekta:
spoljašnjeg: u vakuumnim fotoelementima i u fotomultiplikatorima;
unutrašnjeg: u fotootpornicima ili u poluprovodničkim fotoelementima;
ventilnog: u fotoelementima sa zakočnim slojem ili takozvanim ventilnim fotoelementima.

Faradejev efekat

Faradejev efekat ili Faradejeva rotacija je skretanje ravni polarizacije svetlosti pod uticajem magnetnog polja u magnetno-optički aktivnoj sredini. Rotacija ravni polarizacije je proporcionalna magnetnoj indukciji u smeru kretanja svetlosti. Efekat se vrši u napravi zvanoj Faradejev rotator.

Efekat je otkrio Majkl Faradej 1845. godine i predstavlja prvi eksperimentalni dokaz za vezu između svetlosti i magnetizma. Teorijsku vezu (između magnetizma i svetlosti) uspostavio je Džejms Klerk Maksvel u 1860im i 1870tim godinama. Faradejev efekat se javlja u većini optički propusnih (providnih) materijala, uključujući i tečnosti, kada se izlože delovanju jakog magnetnog polja.
Efekat je najlakše razumeti ako se linearno polarizovani zrak zamisli kao superpozicija levo i desno cirkularno polarizovanih zraka jednakih amplituda. Ako indeksi prelamanja, dakle brzine, levo i desno cirkularno polarizovanih zraka nisu jednaki (cirkularno dvojno prelamanje) tada faza jedne komponente prednjači u odnosu na drugu što rezultira u rotaciji ravni polarizacije za isvetan ugao u odnosu na prvobitnu ravan.

nastavak:

http://razbibriga.net/clear.gif
Faradejev efekat: Rotacija ravni polarizacije svetlosti pri prolasku kroz magnetno-optički aktivnu sredinu u magnetnom polju. Magnetno polje se prostire duž pravca kretanja svetlosti.

Veza između ugla rotacije polarizacione ravni i magnetnog polja predstavlja se relacijom:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je:
- β ugao rotacije (u radijanima)
- B magnetna indukcija u smeru prostiranja svetlosti (u Teslama)
- d dužina puta (u metrima) na kojem dolazi do interakcije
- http://razbibriga.net/clear.gif je Verdeova konstanta za datu sredinu. Ova empirijska konstanta proporcionalnosti (u radijanima po Tesli po metru) zavisi od talasne dužine i temperature i za različite materijale može se naći u odgovarajućim tablicama.

Pozitivna Verdeova konstanta odgovara L-rotaciji (rotacija suprotono od kretanja kazaljke na satu gledano duž smera prostiranja zraka) i R-rotaciji (rotacija u smeru kazaljke na satu). Rotacija ne zavisi od smera magnetnog polja, dakle, rotacija se duplira kada se zrak propuštan kroz materijal reflektuje nazad.

Holov efekat

Holov efekat je pojava imenovana po američkom naučniku Edvinu Herbertu Holu (eng. Edwin Herbert Hall, 1855-1938.) u kojoj u materijalu (čvrstog agregatnog stanja) kroz koji je propuštena struja i koji je postavljen u spoljašnje magnetsko polje dolazi do pojave napona čiji je pravac upravan na pravac magnetnog polja.
Termin Holov efekat se odnosi na napon, tzv. Holov napon, koji se javlja na suprotnim stranama trakastog elementa ovog provodnog ili poluprovodnog materijala. Takav trakasti element se još naziva i Holova šipka ili van der Pauov element.

Hol je na ovom eksperimentu počeo da radi pripremajući svoju doktorsku disertaciju. Hol je zapravo pokušao da odgovori na pitanje koje je ranije postavio Maksvel a glasi: da li se otpornost provodnika u obliku zavojnice menja u prisustvu magneta?

nastavak:

Ovim eksperimentom, Hol je osmislio način kojim je moguće odrediti polaritet slobodnih nosioca naelektrisanja u nekom materijalu. U širim naučnim krugovima, Holov eksperiment je poslužio kao prvi dokaz da se struja u metalnim provodnicima može prenositi ne samo negativnim već i pozitivnim naelektrisanjima. Interesantno je da je ovaj eksperiment poslužio i kao smernica da je u nekim supstancama (posebno poluprovodnicima) uputnije pozitivna naelektrisanja posmatrati kao pozitivne „rupe“ a ne kao negativne elektrone. Kod Holovog efekta primenjenog na aluminijum i magnezijum, eksperimetnalne vrednosti su jasno ukazale na pozitivan predznak nosioca naelektrisanja, odnosno postojanje pozitivnih „rupa“. Ovim otkrićem je direktno raspršeno tadašnje verovanje u naučnim krugovima po kome su elektroni isključivi prenosioci naelektrisanja.
Lord Kelvin, koji je u to vreme bio jedan od najpoznatinih naučnika, uporedio je Holovo otkriće sa, po njemu najvećim od svih otkrića, Majkla Faradeja. Veličina Holovog otkrića postaje još veća ako se zna koliko se malo znalo o elektricitetu u to vreme. Ilustracije radi, elektron je identifikovan tek 10 godina kasnije.

nastavak:

Holov efekat se javlja usled sila koje deluju unutar provodnika izloženog magnetskom polju. Kada se provodnik unese u spoljašnje magnetsko polje, indukcije V, tada na slobodne nosioce naelektrisanja deluje tzv. Lorencova sila.
Hol je u ovom eksperimentu koristio trakasti provodnik, kako bi praktično realizovao pretpostavku isključivo ravanskog kretanja naelektrisanja unutar polja, odnosno kretanja koje je potpuno upravno na pravac vektora magnetne indukcije. Ova pretpostavka olakšava izračunavanje Lorencove sile i istovremeno rezultate eksperimenta čini jasnijim i očiglednijim. Tako se, usled ravanske geometrije provodnika, tok elektrona smatra približno jednoslojnim a njihovo kretanje unutar tog jednog sloja provodnika isključivo u (vidi sliku) „horizontalnom“ i „vertikalnom“ pravcu.

http://razbibriga.net/clear.gif
Dijagram Holovog efekta na kome su prikazani elektroni kao nosioci naelektrisanja (umesto standardnih nosioca naelektrisanja).
Legenda:
1. Elektroni (a ne standardni nosioci naelektrisanja)
2. Holov element ili Holov senzor
3. Magneti
4. Magnetsko polje
5. Izvor napajanja
Opis:
Na crtežu „A“, vidimo Holov element, unutar koga se negativna naelektrisanja usmeravaju ka gornjoj ivici (osenčena plavom bojom) a pozitivna ka donjoj ivici (osenčenoj crvenom bojom). Na slikama „B“ i „C“, su prikazane posledice obrtanja polariteta bilo magnetnog polja, bilo izvora struje, usled čega se menja polarizacija i smer kretanja naelektrisanja. Istovremeno obrtanje polariteta magnetnog ponja (prikazano na slici „D“) dovodi do istovetne situacije kao na crtežu „A“.

Matematička interpretacija Holovog eksperimenta

Kada se ovakav ravanski provodnik unese u magnetsko polje indukcije B tada na slobodne nosioce naelektrisanja koji se kreću unutar provodnika počinje da deluje Lorencova sila. Smer i pravac dejstva Lorencove sile određen je sledećim vektorskim proizvodom :

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je F - vektor Lorencove sile, Q - količina naelektrisanja koja se nalazi pod dejstvom magnetnog polja, v - vektor brzine nosioca naelektrisanja, B - vektor magnetne indukcije spoljašnjeg polja.

nastavak:

Iz formule se vidi da intenzitet i naročito pravac vektora Lorencove sile zavisi od pravca i smera dva vektora: brzine naelektrisanja i magnetne indukcije. Taj pravac će biti, usled osobina vektorskog proizvoda, upravan na vektore B i v, odnosno prostiraće se u ravni provodnika i to u vertikalnom pravcu. Smer Lorencove sile će za naelektrisanja suprotnog polariteta biti suprotan tako da će, prema slici, za negativne nosioce biti usmeren naviše a za pozitivne naniže. Dakle, usled dejstva Lorencove sile pojaviće se, pored linijskog-horizontalnog kretanja naelektrisanja u pravcu provodnika i bočno-vertikalno kretanje. Tako će se negativni nosioci nagomilavati uz gornju ivicu provodnika a pozitivni nosioci uz donju ivicu provodnika. Usled nagomilavanja naelektrisanja suprotnog znaka, doći će do pojave električnog polja unutar trakastog elementa, čija je apsolutna vrednost:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde su Vneg i Vpoz - potencijali krajeva trakastog elementa sa negativnim i pozitivnim naelektrisanjem, EH - Holov napon, v - brzina naelektrisanih čestica, B - intenzitet magnetne indukcije spoljašnjeg magnetnog polja i d - širina trakastog elementa.

nastavak:

Nagomilavanje naelektrisanja će dovesti do porasta razlike potencijala i intentziteta električnog polja na suprotnim ivicama trakastog provodnika koje će trajati do trenutka kada intenzitet polja dostigne intenzitet Lorencove sile. U tom trenutku će se uspostaiti dinamička ravnoteža koja se modelira sledećom jednačinom:

http://razbibriga.net/clear.gif

Gustina struje u trakastom elementu se može izračunati pomoću sledeće formule:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je J - gustina struje naelektrisanja, Q - količina naelektrisanja, N - koncentracija slobofnih nosioca naelektrisanja i v - brzina naelektrisanih čestica.

nastavak:

Ako iz prethodne jednačine izrazimo brzinu naelektrisanih čestica i zamenimo je u formulu jednakosti Holovog napona i razlike potencijala, dobićemo izraz:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je N - koncentracija slobodnih nosioca naelektrisanja.
Jedina mana Holove teorije je u tome što se teže primenjuje na metale koji su viševalentni, tj. imaju više od jednog valentnog elektrona. Problem tačnog određivanja veličine N jeste jedina poteškoća u praktičnoj primeni Holovog efekta. Ako pretpostavimo da je metalni provodnik jednovalentan tada se N može izračunati pomoću sledeće formule:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je N - koncentracija slobodnih nosioca naelektrisanja, NA - Avogadrov broj, ρ - gustina mase materijala i M - atomska masa materijala.

nastavak:

U tom slučaju je moguće odgovarajućim instrumentima izmeriti razliku potencijala Vneg - Vpoz, gustinu struje i širinu trakastog elementa, kao i količinu naelektrisanja tako da kao jedina nepoznata veličina preostaje intenzitet vektora magnetne indukcije B te se ova metoda na ovaj način efikasno primenjuje u merenjima magnetne indukcije. Senzori koji koriste Holov efekat se zato zovu Holovi senzori.

Pored direktnih merenja indukcije magnetnog polja Holovi senzori se koriste i u indirektnim merenjima protoka i pritiska fluida ili snage električnih potrošača. Tako se, pored Holovog napona koji je prethodno opisan, u indirektnim merenjima naročito koristi još jedna izvedena veličina koja takođe nosi ime ovog naučnika. Naime, količnik Holovog napona i izmerene količine struje se naziva Holova otpornost.

http://razbibriga.net/clear.gif

U feromagnetnim materijalima (ali i paramagnetnim materijalima unetim u spoljašnje magnetsko polje) Holova otpornost sadrži i dodatnu komponentu koja je poznatija kao Anomalija Holovog efekta (ili Poseban Holov efekat) koji direktno zavisi od stepena magnetizacije materijala i često je daleko većeg intenziteta od standardnog Holovog efekta (napominjemo da ovaj efekat nije povezan sa doprinosom koji magnetizacija ima na spoljašnje polje, kako bi se moglo pretpostviti). Iako je pojava Posebnog Holovog efekta zapažena, još uvek ne postoji saglasnost o poreklu ovog efekta koji se javlja u različitim materijalima. Poseban Holov efekat može biti ili spoljašnjeg porekla (potiče od neuređenosti) usled rasejanja nosioca naelektrisanja koje je zavisno od svojstva spina, ili unutrašnjeg porekla usled efekta Berijeve faze u prostoru momenta kristala (k-prostor).

nastavak:

Primene Holovih senzora

Uređaji zasnovani na Holovom efektu po prirodi proizvode odzivni signal koji je malog intenziteta i zahteva pojačavanje. Pojačavači na principu vakuumskih cevi, korišćeni u prvoj polovini dvadesetog veka, bili su zbog visoke cene, gabarita, potrošnje energije, i nepouzdanosti u uslovima svakodnevne upotrebe, primenljivi isključivo u laboratorijskim uslovima. Tek sa prodorom tehnologije integrisanih kola i pojavom daleko manjih, jeftinijih i pouzdanijih pojačavača, Holovi senzori ulaze u masovnu primenu. Brojni uređaji koji su trenutno dostupni na tržištu, u sebi zapravo sadrže Holov senzor i integrisano kolo koje je zapravo pojačavač sa visokim koeficijentom pojačanja. Ova dva uređaja se na nivou današnje tehnologije isporučuju u jedinstvenom zajedničkom kućištu.
Kada su pravilno proizvođački upakovani i zaštićeni, Holovi senzori su otporni na prašinu, blato i vodu. Ova osobina čini Holove senzore kvalitetnijim u primenama detekcije položaja u odnosu na konkurentske tehnologije kakve su optičko ili elektromehaničko detektovanje. Prvenstvena prednost se ogleda u teorijskoj linearnoj zavisnosti merene veličine u odnosu na ulazne veličine.

Komptonov efekat

Komptonov efekat je rasejanje fotona sa atoma pri čemu foton gubi deo energije, tj., menja talasnu dužinu. Efekat je značajan jer je potvrdio korpuskularnu (čestičnu) prirodu svetlosti. Može kvantitativno da se objasni ako se predstavi kao igra bilijara fotona i elektrona. Za otkriće i objašnjenje efekta Kompton je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1927. godine.

Ovaj efekat je bio važan za razvoj moderne fizike jer je pokazao da svetlost ne može u potpunosti da se opiše kao talasna pojava. Klasična teorija rasejanja elektromagnetnih talasa sa naelektrisane čestice ne može da objasni promenu talasne dužine rasejanog zraka. Za objašnjenje Komptonovog rasejanja neophodno je uzeti u obzir čestičnu prirodu svetlosti. Komptonov eksperiment je najzad uverio fizičare da se svetlo ponaša i kao mlaz čestica čija je energija proporcionalna frekvenciji.

Komptonovo rasejanje se javlja na svim materijalima, najviše sa fotonima srednjih energija, 0,5 do 3,5 MeV.

nastavak:

Jednačina za Komptonov pomak

Da bi objasnio pojavu, Kompton je upotrebio tri osnovne formule klasične i moderne fizike:
- Čestičnu prirodu svetlosti, kako je već demonstrirano u fotoelektričnom efektu
- Relativističku dinamiku iz specijalne teorije relativnosti
- Trigonometriju - kosinusni zakon

te je dobio sledeću jednačinu Komptonovog rasejanja:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je:
- λ1 talasna dužina fotona pre sudara,
- λ2 talasna dužina fotona posle rasejanja,
- me masa elektrona,
- h/(mec) Komptonova talasna dužina,
- θ ugao skretanja fotona,
- h Plankova konstanta, i
- c brzina svetlosti.

Komptonova talasna dužina iznosi 2,43×10-12 metara.

nastavak:

Izvođenje

Polazimo od zakona o održanju energije:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je Eγ energija fotona pre sudara a Ee energija elektrona pre sudara — jednaka njegovoj masi mirovanja. Promenljive sa primom (') označavaju stanje nakon sudara.

Isto treba da važi i zakon o održanju momenta:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde, zbog jednostavnosti, podrazumevamo da elektron pre sudara miruje pa pe = 0.

nastavak:


Koristeći vezu između energije i frekvencije, i energije i impulsa E = hf = pc iz gornjeg izraza nalazimo:

http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif

Kosinusni član, cos(θ), se javlja jer foton menja pravac kretanja pa je za slaganje momenata potrebno uzeti u obzir ugao među njima.

nastavak:

Zamenjivanjem pγ http://razbibriga.net/clear.gif sa i pγ' sa http://razbibriga.net/clear.gif , nalazimo:

http://razbibriga.net/clear.gif

Sada transformišemo energijski deo:

http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif

i rešavamo ga po pe':

http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif

nastavak:

Sada imamo dve različita izraza za http://razbibriga.net/clear.gif , koja smemo da izjednačimo:

http://razbibriga.net/clear.gif

Sada je samo pitanje preuređivanja:

http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif

Dakle, nakon sudara sa elektronom u atomu, foton menja pravac (ugao θ) i talasnu dužinu od λ u λ' izbijajući iz atoma elektron koji odnosi deo prvobitne energije fotona.

Komptonovo rasejanje je od prvorazrednog značaja u radiologiji jer je to najverovatniji mehanizam međudelovanja visokoenergijskih H-zraka i atoma u tkivu i koristi se u radijacionoj terapiji.
U istraživanjima, Komptonovo rasejanje se koristi za ispitivanje elektronskog omotača u atomu.

Zemanov efekat

Zemanov efekat je cepanje spektralne linije u magnetskom polju. Efekat nosi ime po njegovom pronalazaču, holadnskom fizičaru Zemanu. Godine 1896., otkrio je da se spektralne linije izvora svetlosti u jakom magnetskom polju polarizuju. Ovaj fenomen potvrdio je talasnu prirodu svetlosti. Efekat je objasnio Lorenc koji je sa Zemanom podelio Nobelovu nagradu za fiziku 1902. godine.

Efekat je posledica postojanja elektronskih stanja čija energija zavisi od magnetnog polja (magnetni kvantni broj). Van magnetnog polja sva stanja imaju jednake energije što se stručno kaže da su stanja degenerisana. U magnetnom polju, kažemo da dolazi do uklanjanja degeneracije te zavisno od vrednosi magnetnog kvantnog broja svako stanje zadobija malo različitu energiju što se ispoljava u spektrima kao cepanje spektralnih linija na više komponenata.

nastavak:

Nuklearna magnetna rezonancija se zasniva na Zemanovom efektu s jedinom razlikom što se radi o energijskim nivoima atomskih jezgara umesto elektrona. Magnetsko polje uklanja degeneraciju spinskih stanja i prvobitni zajednički nivo, cepa se na nekoliko komponenata...

Zemanov efekat ima izvanredan značaj u modernoj astrofizici jer njegovim opažanjem i merenjem u spektrima zvezda (i Sunca) može da se odredi magnetna indukcija na površini tih nebeskih tela. Tako, na primer, znamo da su Sunčeve pege izvori snažnih magnetnih polja i da se povremeno tamo odigravaju magnetne bure...

Zemanov efekat predstavlja osnovu za kvantno-mehaničko objašnjenje Faradejevog efekta.

Čerenkovljev efekat

Čerenkovljev efekat ili Čerenkovljevo zračenje ili Čerenkov-Vavilovljev efekat je pojava vidljivog zračenja prilikom proletanja naeletrisane čestice kroz izolator brzinom koja je veća od brzine svetlosti u toj sredini. Karakteristično plavo svetljenje u nuklearnom reaktoru potiče od Čerenkovljevog zračenja. Efekat je dobio ime po ruskom fizičaru Pavelu Aleksijeviču Čerenkovu (Pável Alekséevič Čerenkóv, engl. Pavel Alekseyevich Cherenkov) koji ga je prvi detaljno opisao i za to dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1958. godine.

Prema specijalnoj teoriji relativnosti, brzina svetlosti u vakuumu je univerzalna konstanta (c) dok u materijalnoj sredini može biti znatno manja od s što se najočiglednije ispoljava preko indeksa prelamanja. Na primer, brzina svetlosti u vodi je svega oko 0,75 s. U nuklearnim reakcijama ili ubrzivačima (akceleratorima) čestica materijalne čestice mogu dostići brzine mnogo veće od brzine svetlosti u materiji. Čerenkovljevo zračenje se javlja kada naeletrisana čestica, najčešće elektron, dostigne u nekoj dielektričnoj sredini (električnom izolatoru) brzinu veću od brzine svetlosti u toj istoj sredini.

nastavak:

Pri prolasku kroz materijalnu sredinu naeletrisana čestica na svojoj putanji remeti lokalna eletromagnetna polja. Taj poremećaj izbacuje iz ravnotežnih položaja sveprisutne elektrone i polarizuje atome i molekule. U izolatoru, pobuđeni elektroni osciluju oko svojih ravnotežnih položaja u koje se vračaju emitujući fotone. Pod običnim uslovima dočazi do destruktivne interferencije, dakle fotoni jedni drugima smetaju i ukupan je efekat da, spolja gledano, nema nikakvog zračenja. Međutim, kada se poremećaj polja koroz sredinu kreće brže od fotona onda dolazi do konstruktivne interferncije, dakle, do slaganja lokalnih zraka zbog čega dolazi do emitovanja zračenja u okolinu.

Ovo je vrlo slično zvučnom udaru pri probijanju zvučnog zida. Zvučni talasi koje emituje izvor koji se kreće nadzvučnom brzinom nakupljaju se pred izvorom obrazujući udarni talas pa do posmatrača svi ti talasi dopru istovremeno što se ispoljava kao prasak. Slično i ispred motornog čamca nastaje veliki talas jer se kreće mnogo većom brzinom od brzine samih talasa. Tako i naeletrisana čestica koja se kreće nadsvetlosnom brzinom, ispred sebe obrazuje fotonski udarni talas.

nastavak:

http://razbibriga.net/clear.gif

Na slici v je brzina čestice (crvena strelica), β je v/c, n je indeks prelamanja sredine. Plave strelice predstavljaju fotone. Dakle, u potpunoj analogiji sa kretanjem motornog čamca po vodi, svetlost se emituje pod izvesnim uglom u odnosu na pravac kretanja čestice a ugao skretanja je tim veći što je veća relativna brzina čestice u odnosu na brzinu svetlosti u datoj sredini:

http://razbibriga.net/clear.gif

Intuitivno, ukupni intenzitet Čerenkovljevog zračenja je proporcionalan brzini naelektrisanih čestica i njihovom broju. Poput zakočnog, spektar Čerenkovljevog zračenja je neprekidan (kontinualan). Relativni intenziteti su proporcionalni frekvenciji, dakle, većeg intenziteta je zračenje manje talasne dužine. Zbog toga je Čerenkovljevo zračenje u vidljivom delu spektra intenzivno plavo. U stvari, najveći deo Čerenkovljevog zračenja emituje se u ultraljubičastom delu spektra.
Postoji granična frekvencija iznad koje gornja jednačina ne može da bude zadovoljena pošto indeks prelamanja zavisi od frekvencije (stoga i od talasne dužine zračenja).

Čerenkovljevo zračenje se koristi za detekciju naeletrisanih čestica visoke energije. Postoji mnoštvo metoda merenja zasnovanih na ovom zračenju od testiranja istrošenosti nuklearnog goriva do detekcije neutrina

Mesbauerov efekat

Mesbauerov efekat je pojava da se promena energije emitovanih gama fotona nastala uzmakom emitera, može ukloniti 'ugrađivanjem' emitera u kristalnu rešetku. Efekat je otkrio Rudolf Mesbauer 1957. i za njegovo otkriće Nobelovu nagradu za fiziku 1961. podelio sa Robertom Hofštaderom (koji se bavio rasejanjem elektrona na atomskim jezgrima).

Kod gasova rezonantna emisija i apsorpcija x-zraka već je bila opažena i slično se očekivalo sa gama zracima. Međutim, kod gama zraka efekat nije opažen zbog uzmaka jezgra prilikom emisije zraka. Deo energije zračenja se troši na kinetičku energiju uzmaklog jezgra pa je energija fotona, te otuda i frekvencija zraka, manja od one koju bi fotoni imali da uzmaka nema. Ta mala promena frekvencije dovodi do gubitka rezonancije. Mesbauer je uspeo da opazi rezonantnu apsorpciju u čvrstom iridijumu, pa se postavljalo pitanje zašto je rezonantna apsorpcija moguća u čvrstom a ne i u gasovitmo stanju. Mesbauer je predložio da, za atome vezane u kristalnu rešetku pod izvesnim uslovima može da dođe do emisije zračenja bez uzmaka.

nastavak:

Gama zraci (fotoni) nastaju kada atomsko jezgro prelazi iz nestabilnog visokoenergijskog stanja u stabilno stanje niže energije. Moguć je i obrnut proces u kojem jezro u nižem energijskom stanju apsorbuje gama foton i prelazi u pobuđeno stanje. Međutim, jegro može da apsorbuje samo one fotone čija se energija poklapa sa energijskom razlikom među nivioima. Poklapanje tih energija je nužno jer se mogući višak ili manjak energije fotona ne može ni primiti ni predati zbog kvantne prirode atomskih pojava. Taj uslov za jednakost energije fotona i energijske razlike među nivoima naziva se rezonantni uslov a pojava rezonantna apsorpcija. Dakle, pobuđeno jezgro emituje gama zrake a jezgro u osnovnom stanju može da ih apsrobuje. Energije emitovanih zraka karakteristične su za svako jezgro, ili svaki par energijskih nivoa. Međutim, čak i tada one su raspršene unutar malog intervala koji se zove širina prelaza. Ta nedoređenost posledica je konačnog vremena života pobuđenog stanja i saglasno Hajzenbergova relacija neodređenosti širina prelaza obrnuto je proporcionalna njegovoj dužini života.

nastavak:

Energija emitovanog gama fotona odgovara energiji nuklearnog prelaza umanjenoj za energiju izgubljenu u uzmaku jezgra. (Uzmak kod jezgra istog je porekla kao trzaj topa ili puške prilikom ispaljivanja zrna a posledica je zakona akcije i reakcije.) Ako je izgubljena «energija uzmaka» mala u poređenju sa širinom prelaza uzmak će biti neprimetan i tada foton može da bude apsorbovan od strane istog jezgra koje je u osnovnom stanju. Dodatna energija uzmaka gubi se i prilikom apsorpcije fotona pa da bi došlo do do rezonantne apsorpcije energija uzmaka mora biti manja od polovine širine prelaza. Jer, ako je ukupna energija uzmaka veća od širine prelaza gubi se rezonantni uslov.

Veličina izgubljene energije ER raste sa kvadratm energije gama fotona, Eγ a opada sa masom emitera ili apsorbera, M:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je c brzina svetlosti. Kod gasova emiteri i apsorberi su pojedinačna atomska jezgra čija je masa dovoljno mala da gubici usled uzmaka budu značajni što sprečava rezonanciju. Ista jednačina važi i za h-zrake samo što je energija njihovih fotona znatno manja pa za istu masu i energija uzmaka postaje zanemariva i otuda rezonancija očuvana.

nastavak:

Zbog kvantne prirode čvrstog tela, vibracione energije atoma vezanih u kristalnu rešetku su kvantirane. Ako energija uzmaka nije dovoljna da pobudi rešetku u sledeće vibraciono stanje onda ceo kristal deluje kao telo koje uzmiče. Dakle, masa M u gornjoj jednačini postaje ogromna i emisija se odigrava bez uzmaka. Tada je energija emitovanog fotona jednaka energiji prelaza i može da doće do rezonancije.

Po prirodi gama zraci imaju vrlo uske prelaze (male širine prelaza) zbog čega se i najmanja promena u nuklearnim energijskim nivoima odražava na njihovoj frekvenciji. Zato gama zraci mog da se koriste za ispitivanje međudelovanja elektrona i atomskih jezgara. To predstavlja osnovu za Mesbauerovu spektroskopiju u kojoj je spretnom kombinacijom Mesbauerovog sa Doplerovim efektom moguće pratiti vrlo fine promene u elektronskom omotaču.

Gigantski magnetootpornički efekat

Gigantski magnetootpornički efekat (GME) je kvantno mehanički efekat uočen u strukturama koje sadrže tanke slojeve (filmove) feromagnetskih materijala koji su međusobno razdvojeni filmovima od dijamagnetskih metala.

Efekat se ispoljava kao značajna promena otpornosti feromagnetskih filmova od stanja u kome nema spoljašnjeg magnetskog polja (kada su vektori magnetizacije susednih feromagnetskih slojeva paralelni i suprotnosmerni zbog slabe anti-feromagnetske sprege koja se javlja između ovih slojeva) ka stanju smanjene otpornosti u prisustvu spoljašnjeg magnetskog polja (usled koga se vektori magnetizacije feromagnetskih slojeva postavljaju u istosmerne položaje). Spinovi elektrona se u dijamagnetskom sloju materijala u jednakom broju postavljaju paralelno ili antiparalelno linijama spoljašnjeg magnetskog polja što dovodi do međusobnog poništavanja i nulte magnetizacije koja dovodi do manjeg magnetskog rasejanja koje uzrokuju paralelno postavljeni vektori magnetizacije feromagnetskih filmova.

nastavak:

Ovu pojavu u slojevima čistih kristala otkrili su nezavisno Peter Grinberg iz Istraživačkog centra Jilih i Alber Fer sa Univerziteta južnog Pariza 1988. godine, a za to otkriće podelili Nobelovu nagradu za fiziku 2007. godine. Tim istraživača firme IBM koji je predvodio Stjuart Parkin je uspeo da reprodukuje ove efekte sa slojevima polikristala 1989. godine, čime je proširio izglede za ostvarivu primenu ovog efekta, a naročito mogućnosti upotrebe ovog efekta u konstrukciji senzora za detekciju magnetnih polja, i time i nove generacije glava za očitavanje sadržaja računarskih hard diskova. Firma IBM je proizvela prvi komercijalno raspoloživi uređaj zasnovan na ovom efektu u decembru 1997. godine. Trenutna istraživanja se fokusiraju na upotrebi nanožica (koje ispoljavaju veću osetljivost od tankih filmova koji se koriste u hard diskovima), koje takođe ispoljavaju efekat gigantske magnetootpornosti.

nastavak:

http://razbibriga.net/clear.gif
Rezultati Ferta i saradnika koji pokazuju zavisnost pada otpornosti feromagnetskog filma (izrađenog od gvožđa i debljine 3nm) od debljine dijamagnetskog sloja (izrađenog od hroma i različitih debljina):
1. Zelena kriva pokazuje pad otpornosti kada je sloj hroma debljine 1.8nm
2. Plava kriva pokazuje pad otpornosti kada je sloj hroma debljine 1.2nm
3. Narandžasta kriva pokazuje pad otpornosti od izuzetnih 80% kada je sloj hroma debljine 0.9nm

nastavak:

Tipovi GME

Višeslojni GME

Dva ili više feromagnetska sloja su razdvojena vrlo tankim dijamagnetskim filmom (debljine oko 1 nm, npr. Fe/Cr/Fe). Pri određenoj debljini dolazi do tzv. RKKJ sprezanja između susednih feromagnetskih slojeva usled koga se vektori magnetizacije sprežu u paralelne suprotnosmerne položaje čime se stvaraju energetski povoljni uslovi za antiparalelno postavljanje vektora magnetizacije u susednim feromagnetskim slojevima. Električni otpor ovog uređaja je obično veći u suprotnosmernoj-paralelnoj postavci a razlika može dostići i nekoliko desetina procenata na sobnoj temperaturi. Međusloj koji razdvaja ova dva uređaja obično odgovara drugom antiferomagnetskom skoku AFM-FM oscilovanja u RKKJ sprezi.
GME je prvi put uočen na višeslojnim konfiguracijama, što je dovelo do toga da se u većini istraživanja GME koristilo 10 i više slojeva materijala.

nastavak:

GME Spinskog ventila

Dva feromagnetska sloja su razdvojena tankim (oko 3 nm) neferomagnetskim razdvojnim slojem ali bez RKKJ sprezanja. Ako su polja za anuliranje magnetizacije ove dve feromagnetske elektrode međusobno različita, moguće je da im se nezavisno menja usmerenje magnetizacije. Tako može biti ostvareno paralelno i antiparalelno usmerenje dok vrednost otpornosti obično postaje značajno veća u antiparalelnoj konfiguraciji. Ovaj uređaj se ponekad naziva i spinski-ventil.
Konfiguracija GME spinskog ventila je konfiguracija koja se u industriji najviše upotrebljava i to je konfiguracija koja se koristi u hard dikovima.

nastavak:


http://razbibriga.net/clear.gif
GME Spinskog ventila
Dijamagnetski sloj je dovoljno debeo da sprečava RKKJ sprezanje. Otpornost feromagnetskih i dijamagnetskih slojeva je prikazana na donjoj simboličkoj šemi:
1. Slika sa leve strane pokazuje putanju elektrona koji ima spin +1/2 (na gore) i spin -1/2 (na dole) kroz istosmerne feromagnetske slojeve i liniju povećanja otpornosti sa dužinom puta kroz materijal. Elektroni spina na dole će podleći većem otporu kretanju kroz materijal zbog delimične rekombinacije sa praznim mestima u kristalnoj rešetki.
2. Slika sa desne strane prikazuje suprotan slučaj. Spinovi su suprotnosmerni te je električni otpor isti za obe vrste elektrona jer se svaka vrsta delimično rekombinuje u odgovarajućem sloju.