Temat

Foton – najmniejsza porcja energii fali elektromagnetycznej

Etap edukacyjny

Trzeci

Podstawa programowa

X. Fizyka atomowa. Uczeń:

2) opisuje dualizm korpuskularno‑falowy światła; wyjaśnia pojęcie fotonu oraz jego energii.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Wyjaśnia, czym jest dualizm korpuskularno‑falowy światła.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Definiuje pojęcie fotonu.

2. Określa związek pomiędzy energią fotonu a częstotliwością fali elektromagnetycznej.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- opisuje jakościowo dualizm korpuskularno‑falowy światła,

- opisuje, czym jest foton.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Doświadczenie.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Powtórzenie wiadomości:

Wymień zjawiska, które opisują falową naturę światła.

Realizacja lekcji

Na początku XX wieku większość fizyków była przekonana, że światło ma naturę falową, ponieważ najczęściej obserwowane zjawiska można wytłumaczyć pojęciem fali.

Jednakże wytłumaczenie innych zjawisk, np. promieniowania ciała doskonale czarnego, za pomocą takiego podejścia było niemożliwe.

Max Planck stwierdził, że widmo promieniowania ciała czarnego nie może być wyjaśnione przez klasyczną fizykę, która mówiła, że materia może absorbować lub emitować dowolną ilość promieniowania elektromagnetycznego. Jego odkrycie oznaczało, że energia nie jest ciągła, ale skwantowana - przenoszona w małych porcjach - nazwanych kwantami.

Definicja
Kwant – oznacza tu najmniejszą możliwą (dyskretną) jednostkę (porcję) energii.

Definicja
Foton - jest pojedynczym kwantem promieniowania elektromagnetycznego. Fotony są falami lub cząstkami w zależności od eksperymentu, który je mierzy.

Fotony mogą być pochłaniane lub emitowane przez atomy i cząsteczki. Gdy foton jest pochłaniany, jego energia jest przekazywana do tego atomu lub cząsteczki. Gdy emitowany jest foton, wówczas atom lub cząsteczka traci część swojej energii, jaką unosi wyemitowany foton. Ta zmiana energii jest wprost proporcjonalna do częstotliwości emitowanego lub pochłoniętego fotonu.

Polecenie
Otwórz i obejrzyj ilustrację interaktywną.

[Ilustracja interaktywna]

Energia fotonu jest opisywana przez równanie:

gdzie: 
h - oznacza stałą Plancka równą 6,626 · 10Indeks górny -34^-34 J·s, 
$\nu$ -  to częstotliwość promieniowania elektromagnetycznego. 
Jednostką energii jest J, jednostką częstotliwości jest Hz.

Polecenie
Dla promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości 1,7 · 10Indeks górny 23²³ Hz, oblicz energię jaką niesie kwant promieniowania – foton.

Odpowiedź:
E = 1,126 · 10Indeks górny -10^-10 J.

Polecenie
Długość fali światła pomarańczowego wynosi około 590‑635 nm, a długość fali światła zielonego wynosi około 520‑560 nm. Która barwa ma więcej energii, pomarańczowa lub zielona? Nie zapomnij o związku pomiędzy długością fali a częstotliwością.

Odpowiedź:
Światło zielone ma więcej energii niż pomarańczowe.

Podsumowanie lekcji

Światło widzialne (lub jakakolwiek inna forma promieniowania elektromagnetycznego) ma podwójną naturę korpuskularno‑falową.

Jego energia jest kwantowana. Fotony są nośnikami energii promieniowania elektromagnetycznego.