Physics · किताब 2 · Grades 10–12

माध्यमिक भौतिकी

माध्यमिक भौतिकी · Grades 10–12

34क्वांटम संसार: फ़ोटॉन और ऊर्जा स्तर

अवरक्त ऊष्मा-लैंप आपकी त्वचा को शाम भर सेंक सकता है और कोई निशान नहीं छोड़ता; पर पहाड़ की पतली धूप के दस मिनट झुलसा देते हैं। लैंप कहीं अधिक ऊर्जा पहुँचाता है — पर त्वचा पर निशान ऊर्जा नहीं डालती। यह अध्याय दिखाता है कि प्रकाश दानों में आता है, और रसायन केवल वही दाना करता है जो काफ़ी ज़ोर से टकराए: पराबैंगनी का एक दाना वह बंध तोड़ देता है जिसे अवरक्त के अरबों दाने केवल गरम करते रहते हैं। इन दानों के पीछे चलिए और पूरी सदी खुल जाती है: धातुएँ इलेक्ट्रॉन रिसाती हुईं, परमाणु वर्णक्रम रेखाओं में गाते हुए, और इलेक्ट्रॉन तरंगों की तरह व्यतिकरण करते हुए।

34.1 प्रकाश दानों में आता है: फ़ोटॉन

परिभाषा 34.1 (फ़ोटॉन)

आवृत्ति ν\nu का प्रकाश पदार्थ से ऊर्जा केवल पूरे दानों में बदलता है, जिन्हें फ़ोटॉन कहते हैं और जिनमें से हर एक की ऊर्जा है

E=hν=hcλ,h=6.63×10−34 J s,E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}, \qquad h = 6.63 \times 10^{-34}\,\mathrm{J}\,\mathrm{s},

जहाँ hh प्लांक नियतांक है (प्लांक, 1900; आइंस्टाइन, 1905) और λ\lambda निर्वात में तरंगदैर्घ्य। किसी पुंज की तीव्रता प्रति सेकंड फ़ोटॉनों की संख्या नापती है; और हर दाने की ऊर्जा अकेली आवृत्ति तय कर देती है।

संकेतन 34.2 (इलेक्ट्रॉनवोल्ट)

परमाणु भौतिकी इलेक्ट्रॉनवोल्ट काम में लेती है, 1 eV=1.60×10−19 J1\,\mathrm{eV} = 1.60 \times 10^{-19}\,\mathrm{J}: यानी वह ऊर्जा जो एक मूल आवेश 1 V1\,\mathrm{V} पार करते हुए पाता है (अध्याय 14)। काम का सूत्र: E (eV)≈1240/λ (nm)E \,(\mathrm{eV}) \approx 1240/\lambda\,(\mathrm{nm})।

विद्युत्-चुंबकीय कुल के लिए एक ही पैमाना (): ऊपर तरंगदैर्घ्य, और नीचे नीले में प्रति फ़ोटॉन ऊर्जा hc/, यानी माइक्रो-इलेक्ट्रॉनवोल्ट भर के रेडियो-दानों से लेकर  के MeV गामा-दानों तक — फिर भी 1.0\, mW का सूचक प्रति सेकंड 3 × 1015 दाने उड़ेल देता है: रोज़मर्रा का प्रकाश उतनी ही चिकनाई से बहता है जितनी उड़ेली हुई रेत।
विद्युत्-चुंबकीय कुल के लिए एक ही पैमाना (अध्याय 22): ऊपर तरंगदैर्घ्य, और नीचे नीले में प्रति फ़ोटॉन ऊर्जा hc/λhc/\lambda, यानी माइक्रो-इलेक्ट्रॉनवोल्ट भर के रेडियो-दानों से लेकर अध्याय 19 के MeV\mathrm{MeV} गामा-दानों तक — फिर भी 1.0 mW1.0\,\mathrm{mW} का सूचक प्रति सेकंड 3×10153 \times 10^{15} दाने उड़ेल देता है: रोज़मर्रा का प्रकाश उतनी ही चिकनाई से बहता है जितनी उड़ेली हुई रेत।

34.2 प्रकाश-विद्युत प्रभाव

निर्वात में रखी धातु की साफ़ पट्टी पर प्रकाश डालिए और इलेक्ट्रॉन उछलकर बाहर आने लगते हैं — यही प्रकाश-विद्युत प्रभाव है। और उसके नियमों ने चिरसम्मत भौतिकी तोड़ दी।

प्रतिज्ञप्ति 34.3 (प्रयोग क्या दिखाता है)

हर धातु की एक देहली आवृत्ति ν0\nu_0 होती है:

  1. ν0\nu_0 से नीचे प्रकाश चाहे कितना ही तीव्र हो, कोई इलेक्ट्रॉन नहीं निकलता;
  2. ν0\nu_0 से ऊपर प्रकाश चाहे कितना ही मंद हो, उत्सर्जन बिना विलंब शुरू हो जाता है;
  3. तीव्रता प्रति सेकंड इलेक्ट्रॉनों की संख्या बढ़ाती है, उनकी अधिकतम गतिज ऊर्जा नहीं; Ek,max⁡E_{k,\max} को आवृत्ति बढ़ाती है।

इनमें से कुछ भी किसी सतत तरंग पर नहीं बैठता, जिस पर हर रंग को आवेश जमा लेने देना चाहिए — भले मंद प्रकाश में महीनों लगें (अभ्यास 34.14) — और जिसकी तीव्रता को इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा तय करनी चाहिए: तीनों पूर्वानुमान विफल हो जाते हैं।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

प्रमेय 34.4 (आइंस्टाइन का प्रकाश-विद्युत संबंध)

किसी इलेक्ट्रॉन को धातु की सतह से भागने के लिए कम से कम उस धातु का कार्य फलन W0W_0 चाहिए। एक फ़ोटॉन पूरा-का-पूरा एक ही इलेक्ट्रॉन सोख लेता है, इसलिए

hν=W0+Ek,max⁡,अतः ν0=W0h.h\nu = W_0 + E_{k,\max}, \qquad \text{अतः } \nu_0 = \frac{W_0}{h}.

उपपत्ति. ऊर्जा का बहीखाता: भीतर hνh\nu, भागने पर ख़र्च W0W_0, और बाक़ी गतिज — अधिक से अधिक hν−W0h\nu - W_0, और भीतर से चले इलेक्ट्रॉनों के लिए उससे कम। ν0\nu_0 से नीचे एक दाना निकास की चुंगी चुका ही नहीं सकता, दाने चाहे जितने हों। ∎

परिभाषा 34.5 (निरोधी विभव)

Ek,max⁡E_{k,\max} नापने के लिए उलटा विभवांतर इलेक्ट्रॉनों पर ब्रेक लगाता है (अध्याय 14); और निरोधी विभव UsU_s वह सबसे छोटा विभवांतर है जो धारा को काट दे: सबसे तेज़ इलेक्ट्रॉन बस-बस पार नहीं कर पाते, इसलिए Ek,max⁡=e UsE_{k,\max} = e\,U_s।

आवृत्ति के सामने नापा गया E_k, = eU_s (सोडियम): ढाल h की सीधी रेखा, जो अक्ष को _0 पर काटती है; और बढ़ाकर खींचने पर (बिंदुदार) वह = 0 पर -W_0 उजागर कर देती है।
आवृत्ति के सामने नापा गया Ek,max⁡=eUsE_{k,\max} = eU_s (सोडियम): ढाल hh की सीधी रेखा, जो अक्ष को ν0\nu_0 पर काटती है; और बढ़ाकर खींचने पर (बिंदुदार) वह ν=0\nu = 0 पर −W0-W_0 उजागर कर देती है।

विधि 34.6 (प्लांक नियतांक नापना)

  1. ज्ञात तरंगदैर्घ्यों के फ़िल्टरों से होकर किसी प्रकाश-सेल पर प्रकाश डालिए; हर ν=c/λ\nu = c/\lambda निकालिए; और हर निरोधी विभव दर्ज कीजिए।
  2. ν\nu के सामने Ek,max⁡=eUsE_{k,\max} = eU_s आलेखित कीजिए: आइंस्टाइन सीधी रेखा hν−W0h\nu - W_0 का वादा करते हैं।
  3. ढाल पढ़ लीजिए: वही hh है; और अंतःखंड ν0\nu_0 तथा −W0-W_0 दे देते हैं।

34.3 ऊर्जा स्तर: परमाणु रेखाएँ क्यों छोड़ते हैं

परिभाषा 34.7 (ऊर्जा स्तर)

किसी परमाणु में बँधे इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा क्वांटित होती है: यानी ऊर्जा स्तरों E1<E2<⋯<0E_1 < E_2 < \dots < 0 की एक विविक्त सीढ़ी तक सीमित, जिन्हें मुक्त इलेक्ट्रॉन से नीचे ऋणात्मक गिना जाता है। सबसे नीचे का पायदान मूल अवस्था है और बाक़ी उत्तेजित अवस्थाएँ; और 00 तक पहुँचना आयनन है।

प्रतिज्ञप्ति 34.8 (हाइड्रोजन की सीढ़ी)

हाइड्रोजन परमाणु के ऊर्जा स्तर हैं

En=−13.6 eVn2,n=1,2,3,…E_n = -\frac{13.6\,\mathrm{eV}}{n^2}, \qquad n = 1, 2, 3, \dots

इसलिए E1=−13.6 eVE_1 = -13.6\,\mathrm{eV}, E2=−3.40 eVE_2 = -3.40\,\mathrm{eV}, E3=−1.51 eVE_3 = -1.51\,\mathrm{eV}, E4=−0.85 eVE_4 = -0.85\,\mathrm{eV}, और 00 की ओर सटते जाते हैं।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

टिप्पणी 34.9 (यह सीढ़ी आती कहाँ से है)

ये संख्याएँ क्यों हैं, यह क्वांटम यांत्रिकी है और विश्वविद्यालय के खंडों के लिए बचाकर रखी गई है — और वैसे ही दे ब्रॉय का सूत्र भी: इलेक्ट्रॉन की द्रव्य तरंग (नीचे परिभाषा 34.15) को नाभिक के चारों ओर ख़ुद पर बंद होना पड़ता है, और उसमें केवल कुछ ही तरंगदैर्घ्य अँटते हैं — यानी गिटार के तार की तरह परमाणु के पास भी सुरों का एक विविक्त समुच्चय होता है।

प्रमेय 34.10 (संक्रमण का फ़ोटॉन)

कोई परमाणु स्तर केवल तभी बदलता है जब वह ठीक उतने अंतर को ढोता एक फ़ोटॉन छोड़े या सोखे: स्तर pp से नीचे के स्तर nn पर गिरने पर वह hν=Ep−Enh\nu = E_p - E_n छोड़ता है; और nn से pp पर चढ़ने पर वही ऊर्जा सोख लेता है।

उपपत्ति. ऊर्जा का संरक्षण, एक बार में एक दाना: प्रकाश केवल फ़ोटॉन की मुद्रा लेता है, और परमाणु का बहीखाता बराबर बैठना ही चाहिए। ∎

टिप्पणी 34.11 (रेखा-वर्णक्रम की व्याख्या)

अध्याय 2 में किया गया वादा यही उत्तर है: गरम गैस केवल अपनी ही सीढ़ी की आवृत्तियाँ (Ep−En)/h(E_p - E_n)/h छोड़ती है — यानी चमकीली रेखाओं का बारकोड — और ठंडी गैस श्वेत प्रकाश में से ठीक वही आवृत्तियाँ चुरा लेती है और उनसे मेल खाती काली अवशोषण-रेखाएँ छाप देती है। हर तत्व की अपनी सीढ़ी है, इसलिए अपना बारकोड — और इसी से हम तारों का प्रकाश पढ़ते हैं।

उदाहरण 34.12 (हाइड्रोजन की दृश्य रेखाएँ)

n=2n = 2 पर ख़त्म होते संक्रमण दृश्य क्षेत्र में पड़ते हैं। E (eV)=1240/λ (nm)E \,(\mathrm{eV}) = 1240/\lambda\,(\mathrm{nm}) के साथ: 3→23 \to 2: 1.89 eV1.89\,\mathrm{eV}, 656 nm656\,\mathrm{nm} (लाल); 4→24 \to 2: 2.55 eV2.55\,\mathrm{eV}, 486 nm486\,\mathrm{nm} (नीला-हरा); 5→25 \to 2: 2.86 eV2.86\,\mathrm{eV}, 434 nm434\,\mathrm{nm} (बैंगनी)। और n=1n = 1 तक के संक्रमण 10 eV10\,\mathrm{eV} से ऊपर निकल जाते हैं: सब पराबैंगनी।

हाइड्रोजन की सीढ़ी, पैमाने पर: दृश्य रेखाएँ सब n = 2 पर ख़त्म होती हैं; और मूल अवस्था तक की गिरावट गहरी पराबैंगनी है।
हाइड्रोजन की सीढ़ी, पैमाने पर: दृश्य रेखाएँ सब n=2n = 2 पर ख़त्म होती हैं; और मूल अवस्था तक की गिरावट गहरी पराबैंगनी है।

टिप्पणी 34.13 (लेज़र, एक साँस में)

ठीक Ep−EnE_p - E_n का कोई फ़ोटॉन किसी उत्तेजित परमाणु के पास से गुज़रते हुए उसे बिलकुल वैसा ही फ़ोटॉन छोड़ने पर उकसा सकता है — वही ऊर्जा, वही दिशा, वही क़दम। नीचे वालों से अधिक परमाणु ऊपर बनाए रखिए और एक फ़ोटॉन अपनी ही प्रतियों का हिमस्खलन बन जाता है: उद्दीपित उत्सर्जन — और लेज़र इससे ज़्यादा कुछ है भी नहीं।

34.4 द्रव्य तरंगें

प्रतिज्ञप्ति 34.14 (इलेक्ट्रॉन व्यतिकरण करते हैं)

इलेक्ट्रॉनों को एक-एक करके दो झिरियों से भेजिए (अध्याय 22): हर एक एक तीखे बिंदु के रूप में उतरता है — यानी कण। पर जैसे-जैसे हज़ारों जमा होते हैं, वे बिंदु व्यतिकरण फ़्रिंज खींच देते हैं: यानी हर इलेक्ट्रॉन, अकेला ही, तरंग बनकर दोनों झिरियों से गुज़रता है। क्रिस्टल भी इलेक्ट्रॉन-पुंजों को विवर्तित करते हैं (डेविसन और जर्मर, 1927)।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

एक इलेक्ट्रॉन, एक बिंदु; और हज़ारों, तो फ़्रिंज। अगला बिंदु कहाँ उतरेगा यह यादृच्छिक है — ठीक किसी एक नाभिक के क्षय की तरह () — पर तरंग प्रायिकता तय कर देती है: चमकीले फ़्रिंज पर संभावना अधिक, काले पर लगभग शून्य। यानी ठीक-ठीक एक तरंग से शासित व्यक्तिगत संयोग: क्वांटम भौतिकी का हृदय।
एक इलेक्ट्रॉन, एक बिंदु; और हज़ारों, तो फ़्रिंज। अगला बिंदु कहाँ उतरेगा यह यादृच्छिक है — ठीक किसी एक नाभिक के क्षय की तरह (अध्याय 19) — पर तरंग प्रायिकता तय कर देती है: चमकीले फ़्रिंज पर संभावना अधिक, काले पर लगभग शून्य। यानी ठीक-ठीक एक तरंग से शासित व्यक्तिगत संयोग: क्वांटम भौतिकी का हृदय।

परिभाषा 34.15 (दे ब्रॉय तरंगदैर्घ्य)

संवेग p=mvp = mv का हर कण दे ब्रॉय तरंगदैर्घ्य वाली द्रव्य तरंग बनकर चलता है:

λ=hp=hmv.\lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv}.

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

उदाहरण 34.16 (आप कभी विवर्तित क्यों नहीं होते)

100 V100\,\mathrm{V} से त्वरित इलेक्ट्रॉन का Ek=1.60×10−17 JE_k = 1.60 \times 10^{-17}\,\mathrm{J}, p=2meEk=5.4×10−24 kg m/sp = \sqrt{2m_e E_k} = 5.4 \times 10^{-24}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}/\mathrm{s} होता है, इसलिए λ≈0.12 nm\lambda \approx 0.12\,\mathrm{nm} — यानी किसी क्रिस्टल में परमाणुओं का अंतराल, जो इसीलिए उसकी दो-झिरी बन जाता है। और 25 m/s25\,\mathrm{m}/\mathrm{s} पर 58 g58\,\mathrm{g} की टेनिस गेंद: λ=6.63×10−34/1.45≈4.6×10−34 m\lambda = 6.63\times10^{-34}/1.45 \approx 4.6 \times 10^{-34}\,\mathrm{m}, यानी किसी नाभिक से भी 101910^{19} गुना छोटा — कोई झिरी उसे कभी फ़्रिंज बनाते नहीं दिखाएगी। hh इतना छोटा है कि क्वांटम दानेदारी केवल परमाणु के पैमाने पर ही सतह पर आती है।

उदाहरण 34.17 (इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी)

विवर्तन काम में लिए गए तरंगदैर्घ्य से बहुत छोटे ब्योरे सुलझाने से मना कर देता है (अध्याय 22): दृश्य प्रकाश 0.5 µm0.5\,\text{µ}\mathrm{m} के पास रुक जाता है। पर 10 kV10\,\mathrm{kV} पर इलेक्ट्रॉनों का λ≈12 pm\lambda \approx 12\,\mathrm{pm} होता है — यानी दसियों हज़ार गुना छोटा: इसीलिए इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी विषाणुओं, कोशिका की मशीनरी, बल्कि अकेले परमाणुओं तक के चित्र ले लेते हैं। द्रव्य तरंग ने भौतिकी को एक नई आँख सौंप दी।

34.5 अभ्यास

अभ्यास 34.1 ★

हरा लेज़र सूचक 530 nm530\,\mathrm{nm} पर 1.0 mW1.0\,\mathrm{mW} छोड़ता है। एक फ़ोटॉन की ऊर्जा जूल और इलेक्ट्रॉनवोल्ट में निकालिए, फिर प्रति सेकंड फ़ोटॉन।

हल

हल — अभ्यास 34.1.

E=hc/λ=1.99×10−25/5.30×10−7=3.75×10−19 J=2.35 eVE = hc/\lambda = 1.99 \times 10^{-25}/5.30 \times 10^{-7} = 3.75 \times 10^{-19}\,\mathrm{J} = 2.35\,\mathrm{eV}। प्रति सेकंड N=1.0×10−3/3.75×10−19≈2.7×1015N = 1.0 \times 10^{-3}/3.75 \times 10^{-19} \approx 2.7 \times 10^{15} फ़ोटॉन।

अभ्यास 34.2 ★

कोई FM स्टेशन 100 MHz100\,\mathrm{MHz} पर प्रसारित करता है। उसके फ़ोटॉन की ऊर्जा eV\mathrm{eV} में निकालिए और किसी दृश्य फ़ोटॉन से तुलना कीजिए: रेडियो की दानेदारी पकड़ में क्यों नहीं आती?

हल

हल — अभ्यास 34.2.

E=hν=6.63×10−34×108=6.63×10−26 J≈4.1×10−7 eVE = h\nu = 6.63\times10^{-34} \times 10^{8} = 6.63 \times 10^{-26}\,\mathrm{J} \approx 4.1 \times 10^{-7}\,\mathrm{eV} — यानी किसी दृश्य फ़ोटॉन से लगभग पचास लाख गुना कम। पकड़ में आने लायक़ किसी भी रेडियो संकेत में प्रति सेकंड इतने फ़ोटॉन होते हैं कि बहाव बिलकुल चिकना रहता है।

अभ्यास 34.3 ★

सीज़ियम का W0=1.9 eVW_0 = 1.9\,\mathrm{eV} है। उसकी देहली आवृत्ति और तरंगदैर्घ्य निकालिए। क्या 633 nm633\,\mathrm{nm} का लाल लेज़र सीज़ियम से इलेक्ट्रॉन निकाल देता है — और यदि हाँ, तो कितनी अधिकतम गतिज ऊर्जा के साथ?

हल

हल — अभ्यास 34.3.

ν0=W0/h=3.04×10−19/6.63×10−34≈4.6×1014 Hz\nu_0 = W_0/h = 3.04 \times 10^{-19}/6.63 \times 10^{-34} \approx 4.6 \times 10^{14}\,\mathrm{Hz}; λ0=c/ν0≈654 nm\lambda_0 = c/\nu_0 \approx 654\,\mathrm{nm}। 633 nm633\,\mathrm{nm} पर E=1240/633=1.96 eV>1.9 eVE = 1240/633 = 1.96\,\mathrm{eV} > 1.9\,\mathrm{eV}: हाँ, बस-बस, और Ek,max⁡≈0.06 eV≈1×10−20 JE_{k,\max} \approx 0.06\,\mathrm{eV} \approx 1 \times 10^{-20}\,\mathrm{J} के साथ।

अभ्यास 34.4 ★

En=−13.6/n2E_n = -13.6/n^2 eV\mathrm{eV} का उपयोग करते हुए हाइड्रोजन के संक्रमण 3→23 \to 2 में छूटे फ़ोटॉन की ऊर्जा और तरंगदैर्घ्य निकालिए। उसका रंग?

हल

हल — अभ्यास 34.4.

E3−E2=−1.51+3.40=1.89 eVE_3 - E_2 = -1.51 + 3.40 = 1.89\,\mathrm{eV}; λ=1240/1.89≈656 nm\lambda = 1240/1.89 \approx 656\,\mathrm{nm}: यानी लाल रेखा।

अभ्यास 34.5 ★

पाठ के Ek,max⁡E_{k,\max}-बनाम-ν\nu आलेख से सोडियम की देहली आवृत्ति और कार्य फलन (eV\mathrm{eV} में) पढ़िए; और ढाल कौन-सा नियतांक है?

हल

हल — अभ्यास 34.5.

ν0≈5.6×1014 Hz\nu_0 \approx 5.6 \times 10^{14}\,\mathrm{Hz}; W0=hν0≈3.7×10−19 J≈2.3 eVW_0 = h\nu_0 \approx 3.7 \times 10^{-19}\,\mathrm{J} \approx 2.3\,\mathrm{eV} (यानी −W0-W_0 वाला अंतःखंड)। और ढाल प्लांक नियतांक hh है।

अभ्यास 34.6 ★★

400 nm400\,\mathrm{nm} तरंगदैर्घ्य का प्रकाश पोटैशियम (W0=2.3 eVW_0 = 2.3\,\mathrm{eV}) पर पड़ता है। फ़ोटॉन की ऊर्जा, इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम गतिज ऊर्जा (eV\mathrm{eV} और जूल में) तथा निरोधी विभव निकालिए।

हल

हल — अभ्यास 34.6.

E=1240/400=3.10 eVE = 1240/400 = 3.10\,\mathrm{eV}; Ek,max⁡=3.10−2.3=0.80 eV=1.3×10−19 JE_{k,\max} = 3.10 - 2.3 = 0.80\,\mathrm{eV} = 1.3 \times 10^{-19}\,\mathrm{J}; Us=Ek,max⁡/e=0.80 VU_s = E_{k,\max}/e = 0.80\,\mathrm{V}।

अभ्यास 34.7 ★★

किसी प्रकाश-सेल पर देहली से ऊपर का प्रकाश पड़ रहा है। नियत आवृत्ति पर तीव्रता दुगुनी करने से (क) धारा और (ख) निरोधी विभव का क्या होता है? और आवृत्ति बढ़ाने पर? कौन-सा तथ्य तरंग वाले चित्र का खंडन करता है, और क्यों?

हल

हल — अभ्यास 34.7.

तीव्रता दुगुनी: धारा दुगुनी (फ़ोटॉन दुगुने), पर UsU_s वही (प्रति फ़ोटॉन ऊर्जा वही)। आवृत्ति बढ़ाने पर: UsU_s बढ़ जाता है, Ek,max⁡=hν−W0E_{k,\max} = h\nu - W_0। तरंग वाला चित्र इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा को तीव्रता से बाँधता है, आवृत्ति से नहीं — और ठीक यही नहीं देखा जाता।

अभ्यास 34.8 ★★

हाइड्रोजन परमाणु को उसकी मूल अवस्था से आयनित करने के लिए न्यूनतम कितनी ऊर्जा का फ़ोटॉन चाहिए? और n=2n = 2 से? दोनों देहली तरंगदैर्घ्य निकालिए और उनके वर्णक्रमी क्षेत्रों के नाम बताइए।

हल

हल — अभ्यास 34.8.

n=1n = 1 से: 13.6 eV13.6\,\mathrm{eV}, λ=1240/13.6≈91 nm\lambda = 1240/13.6 \approx 91\,\mathrm{nm}, यानी दूर पराबैंगनी। और n=2n = 2 से: 3.40 eV3.40\,\mathrm{eV}, λ≈365 nm\lambda \approx 365\,\mathrm{nm}, यानी निकट पराबैंगनी।

अभ्यास 34.9 ★★

श्वेत प्रकाश ठंडी हाइड्रोजन (जिसके सारे परमाणु मूल अवस्था में हैं) से भरी बरनी पार करता है। समझाइए कि पार निकले वर्णक्रम में दृश्य क्षेत्र में कोई काली रेखा क्यों नहीं दिखती, फिर भी गरम तारों के वर्णक्रमों में बामर की अवशोषण-रेखाएँ क्यों दिखती हैं।

हल

हल — अभ्यास 34.9.

मूल अवस्था से सबसे छोटी छलाँग का दाम E2−E1=10.2 eVE_2 - E_1 = 10.2\,\mathrm{eV} है (122 nm122\,\mathrm{nm}): इसलिए हर अवशोषण-रेखा पराबैंगनी है, कोई दृश्य नहीं। पर गरम तारकीय वायुमंडल में टक्करें कुछ परमाणुओं को n=2n = 2 में बनाए रखती हैं, जहाँ से दृश्य बामर फ़ोटॉन (1.89 to 3.40 eV1.89\text{ to }3.40\,\mathrm{eV}) सोखे जा सकते हैं।

अभ्यास 34.10 ★★

इनका दे ब्रॉय तरंगदैर्घ्य निकालिए: (क) 100 V100\,\mathrm{V} से त्वरित एक इलेक्ट्रॉन, (ख) 1.0 m/s1.0\,\mathrm{m}/\mathrm{s} से उड़ती 0.10 g0.10\,\mathrm{g} की मक्खी। हर एक की तुलना किसी परमाणु के नाप (∼10−10 m\sim 10^{-10}\,\mathrm{m}) से कीजिए; और निष्कर्ष लिखिए।

हल

हल — अभ्यास 34.10.

(क) Ek=1.6×10−17 JE_k = 1.6 \times 10^{-17}\,\mathrm{J}, p=2meEk=5.4×10−24 kg m/sp = \sqrt{2m_e E_k} = 5.4 \times 10^{-24}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}, λ=h/p≈1.2×10−10 m\lambda = h/p \approx 1.2 \times 10^{-10}\,\mathrm{m} — यानी परमाणु जितना: इसलिए क्रिस्टल उसे विवर्तित कर देते हैं। (ख) p=1.0×10−4×1.0=1.0×10−4 kg m/sp = 1.0 \times 10^{-4} \times 1.0 = 1.0 \times 10^{-4}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}, λ≈6.6×10−30 m\lambda \approx 6.6 \times 10^{-30}\,\mathrm{m} — यानी किसी परमाणु से भी 102010^{20} गुना छोटा: मक्खी की तरंग सदा के लिए अदृश्य है।

अभ्यास 34.11 ★★

अँधेरे की आदी आँख 505 nm505\,\mathrm{nm} के प्रकाश के लगभग 9090 फ़ोटॉन पर प्रतिक्रिया कर देती है। उस ऊर्जा को निकालिए, 0.50 m/s0.50\,\mathrm{m}/\mathrm{s} से उड़ते 2.5 mg2.5\,\mathrm{mg} के मच्छर की गतिज ऊर्जा से उसकी तुलना कीजिए, और अनुपात की व्याख्या कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 34.11.

एक फ़ोटॉन: 1.99×10−25/5.05×10−7=3.94×10−19 J1.99 \times 10^{-25}/5.05 \times 10^{-7} = 3.94 \times 10^{-19}\,\mathrm{J}; नब्बे: ≈3.5×10−17 J\approx 3.5 \times 10^{-17}\,\mathrm{J}। मच्छर: 12×2.5×10−6×0.502=3.1×10−7 J\tfrac12 \times 2.5 \times 10^{-6} \times 0.50^2 = 3.1 \times 10^{-7}\,\mathrm{J} — यानी 101010^{10} गुना अधिक। आँख परम सीमा के सौ दानों के भीतर काम करती है: लगभग एक फ़ोटॉन-गणक।

अभ्यास 34.12 ★★★

कोई प्रकाश-सेल 405 nm405\,\mathrm{nm} पर Us=1.19 VU_s = 1.19\,\mathrm{V} और 546 nm546\,\mathrm{nm} पर Us=0.40 VU_s = 0.40\,\mathrm{V} देता है। इन दो बिंदुओं से hh नापिए, फिर eV\mathrm{eV} में कार्य फलन। इस अध्याय की कौन-सी धातु उसका कैथोड है?

हल

हल — अभ्यास 34.12.

ν1=7.41×1014 Hz\nu_1 = 7.41 \times 10^{14}\,\mathrm{Hz}, ν2=5.49×1014 Hz\nu_2 = 5.49 \times 10^{14}\,\mathrm{Hz}; h=e ΔUs/Δν=1.60×10−19×0.79/1.91×1014≈6.6×10−34 J sh = e\,\Delta U_s/\Delta\nu = 1.60 \times 10^{-19} \times 0.79 / 1.91 \times 10^{14} \approx 6.6 \times 10^{-34}\,\mathrm{J}\,\mathrm{s}। W0=hν2−eUs,2=3.63×10−19−0.64×10−19=3.0×10−19 J≈1.9 eVW_0 = h\nu_2 - eU_{s,2} = 3.63 \times 10^{-19} - 0.64 \times 10^{-19} = 3.0 \times 10^{-19}\,\mathrm{J} \approx 1.9\,\mathrm{eV}: सीज़ियम।

अभ्यास 34.13 ★★★

कोई हाइड्रोजन लैंप 486 nm486\,\mathrm{nm} और 434 nm434\,\mathrm{nm} पर रेखाएँ दिखाता है। हर एक को फ़ोटॉन की ऊर्जा में बदलिए और स्तरों En=−13.6/n2E_n = -13.6/n^2 eV\mathrm{eV} के अंतरों से मिलान करके दोनों संक्रमण पहचानिए।

हल

हल — अभ्यास 34.13.

1240/486=2.55 eV=E4−E2=3.40−0.851240/486 = 2.55\,\mathrm{eV} = E_4 - E_2 = 3.40 - 0.85: संक्रमण 4→24 \to 2। 1240/434=2.86 eV=E5−E2=3.40−0.541240/434 = 2.86\,\mathrm{eV} = E_5 - E_2 = 3.40 - 0.54: संक्रमण 5→25 \to 2।

अभ्यास 34.14 ★★★

चिरसम्मत विलंब का अनुमान: तीव्रता 1.0×10−6 W/m21.0 \times 10^{-6}\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2} का मंद प्रकाश पोटैशियम (W0=2.3 eVW_0 = 2.3\,\mathrm{eV}) पर पड़ता है। यदि कोई परमाणु केवल अपने अनुप्रस्थ काट (त्रिज्या 1.0×10−10 m1.0 \times 10^{-10}\,\mathrm{m}) से गुज़रती ऊर्जा बटोरे, तो उसे W0W_0 जमा करने में कितना समय लगेगा? प्रेक्षित विलंब (10−9 s10^{-9}\,\mathrm{s} से कम) से तुलना कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 34.14.

अनुप्रस्थ काट πr2≈3.1×10−20 m2\pi r^2 \approx 3.1 \times 10^{-20}\,\mathrm{m}^{2}, बटोरी गई शक्ति 3.1×10−26 W3.1 \times 10^{-26}\,\mathrm{W}; t=3.7×10−19/3.1×10−26≈1.2×107 st = 3.7 \times 10^{-19}/3.1 \times 10^{-26} \approx 1.2 \times 10^{7}\,\mathrm{s} — यानी चार महीने, जबकि प्रेक्षण में एक नैनोसेकंड से भी कम। ऊर्जा पूरे तरंगाग्र पर फैली नहीं होती: वह सिमटी हुई, दानों में चलती है।

अभ्यास 34.15 ★★★

किसी इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी में इलेक्ट्रॉन 5.0 kV5.0\,\mathrm{kV} से त्वरित किए जाते हैं। उनका दे ब्रॉय तरंगदैर्घ्य निकालिए, उसकी तुलना हरे प्रकाश (550 nm550\,\mathrm{nm}) से कीजिए, और अध्याय 22 वाले विवर्तन से समझाइए कि इससे विभेदन-क्षमता क्यों मिल जाती है।

हल

हल — अभ्यास 34.15.

Ek=8.0×10−16 JE_k = 8.0 \times 10^{-16}\,\mathrm{J}, p=2meEk=3.8×10−23 kg m/sp = \sqrt{2m_e E_k} = 3.8 \times 10^{-23}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}, λ=h/p≈1.7×10−11 m=17 pm\lambda = h/p \approx 1.7 \times 10^{-11}\,\mathrm{m} = 17\,\mathrm{pm} — यानी 550 nm550\,\mathrm{nm} से लगभग 3×1043 \times 10^{4} गुना छोटा। विवर्तन ∼λ\sim\lambda से छोटे ब्योरे को धुँधला कर देता है, इसलिए λ\lambda को 10410^4 से सिकोड़ने पर विभेदन में 10410^4 मिल जाता है।

34.6 समस्या: सौर-पैनल की भौतिकी प्रयोगशाला

समस्या 34.1

सप्ताहांत समस्या — सौर-पैनल की भौतिकी प्रयोगशाला: छत हर सेकंड जितने 102110^{21} दाने पी जाती है, वह प्रकाश-सेल जो प्लांक नियतांक नाप देता है, और रेखा-दर-रेखा पढ़ा गया एक हाइड्रोजन लैंप — एक सप्ताहांत, एक hh

आपकी कक्षा एक सप्ताहांत के लिए स्कूल की छत पर लगे सौर पैनल पर यंत्र लगा देती है। आँकड़े: दोपहर का सौर विकिरण-प्रवाह 1.0×103 W/m21.0 \times 10^{3}\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}; माध्य सौर तरंगदैर्घ्य 550 nm550\,\mathrm{nm}; पैनल का क्षेत्रफल 1.0 m21.0\,\mathrm{m}^{2}, दक्षता 20%20\%; और दिन भर में पूरी धूप के 5.0 h5.0\,\mathrm{h} के बराबर मिलता है।

भाग I — फ़ोटॉन का बहीखाता।

  1. एक माध्य सौर फ़ोटॉन की ऊर्जा जूल और इलेक्ट्रॉनवोल्ट में निकालिए।
  2. इससे दोपहर में पैनल पर प्रति सेकंड टकराते फ़ोटॉनों की संख्या निकालिए।
  3. दोपहर में पैनल की विद्युत शक्ति निकालिए, फिर दिन भर में बनी ऊर्जा kW h\mathrm{kW}\,\mathrm{h} में।
  4. पैनल की धारा बिलकुल चिकनी दिखती है। प्रश्न 2 का उपयोग करके समझाइए कि दाना-दर-दाना पहुँचना अदृश्य क्यों है।
  5. धूप पराबैंगनी से अधिक ऊर्जा अवरक्त में ढोती है, फिर भी त्वचा को केवल पराबैंगनी झुलसाती है (बंध ∼3 to 4 eV\sim 3\text{ to }4\,\mathrm{eV})। दानों की भाषा में समझाइए।

भाग II — किट के प्रकाश-सेल से hh नापना। किट के प्रकाश-सेल का कैथोड अनजान है। फ़िल्टर ये देते हैं:

λ\lambda (nm\mathrm{nm})365405436546
UsU_s (V\mathrm{V})1.501.160.940.37
  1. निरोधी विभव किस चीज़ की माप है? UsU_s, ν\nu, W0W_0, hh को आपस में जोड़िए।
  2. चारों तरंगदैर्घ्यों को आवृत्तियों में बदलिए (1014 Hz10^{14}\,\mathrm{Hz} में)।
  3. ν\nu के सामने eUseU_s आलेखित करने पर सीधी रेखा क्यों मिलनी चाहिए? बिंदुओं का रेखा में बैठना जाँचिए।
  4. दोनों छोर के बिंदुओं से ढाल निकालिए: यही आपका नापा हुआ hh है।
  5. इससे कैथोड का कार्य फलन (eV\mathrm{eV}), देहली आवृत्ति और देहली तरंगदैर्घ्य निकालिए।
  6. धूप का कौन-सा हिस्सा इस कैथोड से इलेक्ट्रॉन निकाल सकता है — और वर्णक्रम का कौन-सा आधा उसके किसी काम का नहीं?
  7. अपने hh की तुलना 6.63×10−34 J s6.63 \times 10^{-34}\,\mathrm{J}\,\mathrm{s} से कीजिए: प्रतिशत में सापेक्ष त्रुटि?

भाग III — हाइड्रोजन का अंशांकन-लैंप। किट के तरंगदैर्घ्य-पैमाने की जाँच किसी हाइड्रोजन लैंप से की जाती है, En=−13.6/n2E_n = -13.6/n^2 eV\mathrm{eV}।

  1. E2E_2, E3E_3, E4E_4 और E5E_5 निकालिए।
  2. संक्रमणों 3→23 \to 2, 4→24 \to 2, 5→25 \to 2 के फ़ोटॉन-ऊर्जा निकालिए।
  3. इससे तीनों तरंगदैर्घ्य निकालिए और हर रेखा का रंग बताइए।
  4. लैंप सतत इंद्रधनुष के बजाय रेखाएँ क्यों छोड़ता है? मुख्य विचार का नाम लेते हुए एक वाक्य में।
  5. क्या लैंप की हाइड्रोजन 500 nm500\,\mathrm{nm} पर प्रकाश सोख सकती है? सीढ़ी से कारण दीजिए।

भाग IV — कोशिकाओं की जाँच: इलेक्ट्रॉन की तरंग। किसी कोशिका में पड़ी सूक्ष्म दरारें प्रकाश-सूक्ष्मदर्शियों की 0.5 µm0.5\,\text{µ}\mathrm{m} वाली पहुँच से कहीं नीचे हैं; और प्रयोगशाला का स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी 10 kV10\,\mathrm{kV} पर चलता है।

  1. इलेक्ट्रॉनों की चाल निकालिए; जाँचिए कि वह 0.25 c0.25\,c से नीचे ही रहती है (चिरसम्मत सूत्र)।
  2. उनका संवेग और दे ब्रॉय तरंगदैर्घ्य निकालिए।
  3. विभेदन तरंगदैर्घ्य के साथ चलता है: हरे प्रकाश (550 nm550\,\mathrm{nm}) की तुलना में लाभ निकालिए; और सप्ताहांत की दोनों संख्याओं — आपका hh और यह लाभ — के साथ निष्कर्ष लिखिए।
हल

हल — समस्या 34.1.

1. E=hc/λ=1.99×10−25/5.50×10−7=3.62×10−19 J=2.26 eVE = hc/\lambda = 1.99 \times 10^{-25}/5.50 \times 10^{-7} = 3.62 \times 10^{-19}\,\mathrm{J} = 2.26\,\mathrm{eV}।

2. प्रति सेकंड N=1.0×103/3.62×10−19≈2.8×1021N = 1.0 \times 10^{3}/3.62 \times 10^{-19} \approx 2.8 \times 10^{21} फ़ोटॉन।

3. P=0.20×1.0×103 W=200 WP = 0.20 \times 1.0 \times 10^{3}\,\mathrm{W} = 200\,\mathrm{W}; E=200×5.0=1.0 kW hE = 200 \times 5.0 = 1.0\,\mathrm{kW}\,\mathrm{h} (3.6×106 J3.6 \times 10^{6}\,\mathrm{J})।

4. प्रति सेकंड 102110^{21} दानों पर सांख्यिकीय टिमटिमाहट अद्भुत रूप से छोटी रह जाती है: दानेदारी औसत होकर बिलकुल चिकनी धारा बन जाती है, ठीक जैसे तेज़ उड़ेली गई रेत पानी की तरह बहती है।

5. नुक़सान के लिए 3 to 4 eV3\text{ to }4\,\mathrm{eV} का एक दाना चाहिए: पराबैंगनी दाने इस कसौटी पर उतरते हैं, अवरक्त दाने (∼0.1 eV\sim 0.1\,\mathrm{eV}) कभी नहीं — और संख्या प्रति दाना चोट की जगह नहीं ले सकती।

6. UsU_s वह उलटा विभवांतर है जो सबसे तेज़ इलेक्ट्रॉनों को बस-बस रोक देता है: eUs=Ek,max⁡=hν−W0eU_s = E_{k,\max} = h\nu - W_0।

7. ν=c/λ\nu = c/\lambda: 8.228.22, 7.417.41, 6.886.88 और 5.495.49 × 1014 Hz\times\,10^{14}\,\mathrm{Hz}।

8. eUs=hν−W0eU_s = h\nu - W_0 ν\nu में ढाल hh के साथ एकघाती है। क्रमागत ढालें: प्रति 1014 Hz10^{14}\,\mathrm{Hz} (0.94−0.37)/1.39=0.41(0.94 - 0.37)/1.39 = 0.41 और (1.50−0.94)/1.34=0.42(1.50 - 0.94)/1.34 = 0.42 eV\mathrm{eV} — यानी तीनों बिंदु रेखा में हैं।

9. h=e(Us,1−Us,4)/(ν1−ν4)=1.60×10−19×1.13/2.72×1014=6.64×10−34 J sh = e(U_{s,1}-U_{s,4})/(\nu_1-\nu_4) = 1.60 \times 10^{-19} \times 1.13/2.72 \times 10^{14} = 6.64 \times 10^{-34}\,\mathrm{J}\,\mathrm{s}।

10. 546 nm546\,\mathrm{nm} पर: W0=hν−eUs=3.64×10−19−0.59×10−19=3.05×10−19 J=1.90 eVW_0 = h\nu - eU_s = 3.64 \times 10^{-19} - 0.59 \times 10^{-19} = 3.05 \times 10^{-19}\,\mathrm{J} = 1.90\,\mathrm{eV}; ν0=W0/h=4.60×1014 Hz\nu_0 = W_0/h = 4.60 \times 10^{14}\,\mathrm{Hz}; λ0≈653 nm\lambda_0 \approx 653\,\mathrm{nm}।

11. केवल λ<653 nm\lambda < 653\,\mathrm{nm} ही इलेक्ट्रॉन निकालता है: यानी बैंगनी से लाल तक का दृश्य भाग और पराबैंगनी। पूरा अवरक्त पक्ष — यानी मोटे तौर पर सूर्य की आधी ऊर्जा — इस कैथोड के किसी काम का नहीं।

12. (6.64−6.63)/6.63≈0.2%(6.64 - 6.63)/6.63 \approx 0.2\% — यानी किसी सार्वत्रिक नियतांक का दो-प्रति-हज़ार तक सही, प्रयोगशाला में लिया गया माप।

13. E2=−3.40 eVE_2 = -3.40\,\mathrm{eV}, E3=−1.51 eVE_3 = -1.51\,\mathrm{eV}, E4=−0.85 eVE_4 = -0.85\,\mathrm{eV}, E5=−0.54 eVE_5 = -0.54\,\mathrm{eV}।

14. 3→23 \to 2: 1.89 eV1.89\,\mathrm{eV}; 4→24 \to 2: 2.55 eV2.55\,\mathrm{eV}; 5→25 \to 2: 2.86 eV2.86\,\mathrm{eV}।

15. λ=1240/E\lambda = 1240/E: 656 nm656\,\mathrm{nm} (लाल), 486 nm486\,\mathrm{nm} (नीला-हरा), 434 nm434\,\mathrm{nm} (बैंगनी)।

16. परमाणु की ऊर्जाएँ क्वांटित हैं, इसलिए वह केवल विविक्त अंतर Ep−EnE_p - E_n ही छोड़ सकता है: सीढ़ी रेखाएँ बनाती है, इंद्रधनुष नहीं।

17. नहीं: 500 nm500\,\mathrm{nm} का अर्थ है 2.48 eV2.48\,\mathrm{eV}, जो किसी भी स्तर-अंतर से मेल नहीं खाता (E2E_2 से ऊपर की ओर 1.891.89, 2.552.55, 2.862.86, 3.40 eV3.40\,\mathrm{eV} मिलते हैं; और E1E_1 से हर चीज़ का दाम कम से कम 10.2 eV10.2\,\mathrm{eV} है) — इसलिए वहाँ गैस पारदर्शी है।

18. eU=12mev2eU = \tfrac12 m_e v^2: v=2×1.60×10−19×1.0×104/9.11×10−31≈5.9×107 m/s≈0.20 cv = \sqrt{2 \times 1.60 \times 10^{-19} \times 1.0 \times 10^{4}/9.11 \times 10^{-31}} \approx 5.9 \times 10^{7}\,\mathrm{m}/\mathrm{s} \approx 0.20\,c — यानी चिरसम्मत बरताव स्वीकार्य।

19. p=mev=5.4×10−23 kg m/sp = m_e v = 5.4 \times 10^{-23}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}; λ=h/p=1.2×10−11 m=12 pm\lambda = h/p = 1.2 \times 10^{-11}\,\mathrm{m} = 12\,\mathrm{pm}।

20. लाभ =5.50×10−7/1.23×10−11≈4.5×104= 5.50 \times 10^{-7}/1.23 \times 10^{-11} \approx 4.5 \times 10^{4}। सप्ताहांत की दो संख्याएँ: h=6.64×10−34 J sh = 6.64 \times 10^{-34}\,\mathrm{J}\,\mathrm{s}, जो फ़िल्टरों और एक वोल्टमीटर से 0.2%0.2\% तक नापा गया, और वह सूक्ष्मदर्शी जो केवल इसलिए पैंतालीस हज़ार गुना तीखा है कि इलेक्ट्रॉन तरंग बनकर चलते हैं।

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