AP1200_Ch7_ModernPhysics - ModernPhysics thanknowledge...

Modern Physics
Imagination is more important
than knowledge…
Albert Einstein

History

At the end of the 19
th
century, scientists believed that
they had learned almost everything about physics:

Newtonian mechanics

Maxwell’s theories to unify electricity and
magnetism

Laws of thermodynamics and kinetic theory

But Classical physics fails to explain the behaviour of
matter on the atomic scale:

Blackbody radiation

Photoelectric effect

Emission of specific spectral lines from atoms

Development

Major revolutions of physics in early 20
th
century:

Einstein developed his special theory of relativity

Planck provided the basic ideas that led to the
birth of quantum theory

New theories and their applications have led
to many important achievements

Evolution goes on…

The Blackbody Radiation
In 1900 Planck discovered a formula for black radiation
that was in complete agreement with experiment data at
all wavelength.
) 1 (
2
) , (
/ 5
2
-
=
T k hc
B
e
hc
T I
λ λ
π
λ
Quantization of energy:
nhf E
n
=
Plank made two assumptions: (a) the molecules can have
only discrete values of energy (b) the molecules emit or
absorb energy in discrete packets called photons

Wave Particle Duality
Waves as particles

Photo electric effect

Compton scattering

Pair production
Particles as waves

de Broglie
wavelength

Electron diffraction
mC
2
=
E
E =  hf

The Photo Electric Effect
Waves as Particles
What is happening here?

Observations I
I
V
- ∆ V
s
f
K
max
P
Zn
f
c
Photoemission occurs
instantaneously . No
photoelectrons are emitted
below a certain frequency.
Cutoff frequency: f
c
= c/ λ
c
Work function: φ = hf
c
The photoelectron I can
be stopped at a negative
stopping potential V s
 e V s = KE max

Observations II
The number of photoelectrons emitted is proportional to
the light intensity, but independent of the frequency.
The maximum KE of a photoelectron is proportional to
the incident frequency, but independent of the intensity
φ - = hf K
max
φ - = ∆ hf V e
s
The energy of the photon  E=hf
The maximum KE of a photoelectron:
The stopping potential:

The Compton Scattering
Waves as Particles
What is happening here?
Photon transfers part of
its energy and
momentum to electron
Increase in wavelength
Decrease in frequency

The Compton Scattering
( 29
θ λ λ cos 1
0
- = -
′
c m
h
e
Wavelength shift:

Pair Production
Waves as Particles
What is happening here?

(
(
wave
wave
)
)
λ
λ
dB
dB
=
=
h /p
h /p
(
(
particle
particle
)
)
De Broglie Wavelength
Particles as Waves
De Broglie stated that all matter has a wave-
like nature.  He received a Nobel Prize for this.