by 
Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο έχω την χαρά να το έχω αντιμετωπίσει από διάφορα μετερίζια και στα χρόνια έχω αναπτύξει μια μεγάλη θέρμη για το φαινόμενο και την διδασκαλία του. Στον βαθμό που έχω δει, ένα βασικό πρόβλημα στην διδασκαλία του φαινομένου είναι το γεγονός ότι τα παιδιά (τόσο φοιτητές όσο και μαθητές) δεν έχουν υπόψιν τους την κλασσική εικόνα πριν δουν το φαινόμενο για πρώτη φορά. Δεν έχουν ακούσει για το φωτόνιο παρα μόνο από την υπόθεση Planck που διδάσκονται γρήγορα.
Οι φοιτητές βλέπουν πρώτη φορά το φαινόμενο στο μάθημα της Σύγχρονης Φυσικής (Δ Εξάμηνο στο Φυσικό Αθήνας) ενώ την κλασσική θεωρία της αλληλεπίδρασης ΗΜ κύματος με δέσμιο ηλεκτρόνιο (ας πούμε σε ελατήριο) την βλέπουν στον Ηλεκτρομαγνητισμό 2 που αν θυμάμαι καλά είναι μάθημα επιλογής σε ανώτερο εξάμηνο. Όμοια, οι μαθητές της Γ Λυκείου που βλέπουν το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο στην κβαντομηχανική δεν έχουν διδαχθεί, έστω ποιοτικά, τις προβλέψεις της κλασσικής θεωρίας. Μόνο δηλωτικά έχουν δει κάτι τέτοιο στην εισαγωγή του φαινομένου. Εμείς οι ίδιοι που διδάσκουμε το φαινόμενο αποκτούμε καθαρή εικόνα της κλασσικής έναντι της κβαντικής πρόβλεψης με δικό μας διάβασμα και ψάξιμο. Αυτή η εικόνα της διδασκαλίας του φωτοηλεκτρικού φαινομένου είναι αποθαρρυντική διότι δεν δίνει στον μαθητή/φοιτητή να καταλάβει ποια πραγματικά ήταν η μετάβαση από την κλασσική στην κβαντική Φυσική – τουλάχιστον ως προς το φαινόμενο καθαυτό. Το διδασκόμαστε μηχανιστικά.
Με αυτά κατά νού μοιράζομαι το παρακάτω έγγραφο μαζί σας ελπίζοντας να σας φανεί ενδιαφέρον και χρήσιμο. Αποτελεί μια προτεινόμενη συζήτηση για μια γέφυρα ανάμεσα στην διδασκαλία της υπόθεσης του Planck και την διδασκαλία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και απευθύνεται σε συναδέλφους που διδάσκουν στην Γ Λυκείου. Θα χαρώ πολύ να λάβω τα σχόλιά σας.
Μερακλίδικη δουλειά Μανώλη!!
Θα το διαβάσω προσεκτικά μια και απλά το ξεφύλλισα.
Εξαιρετική εργασία, με σημαντικότατες πληροφορίες. Θέλει πολύ χρόνο, η μελέτη της.
Αν πρέπει να κρατήσουμε μία παράγραφο
Συγχαρητήρια και ευχαριστούμε Μανώλη
Σας ευχαριστώ πολύ για τα καλά λόγια. Θα χαρώ πολύ να κάνουμε μια ωραία συζήτηση πάνω στο θέμα.
Γεια σου Μανώλη.
Βρίσκω πολύ διδακτική την πρότασή σου σε αυτήν ανάρτηση που περιληπτικά περιγράφεται:
«Στην κλασική Φυσική, η αλληλεπίδραση του φωτός με ένα δέσμιο ηλεκτρόνιο θα έπρεπε να οδηγεί σε μια σταδιακή, συσσωρευτική απορρόφηση ενέργειας, με αποτέλεσμα την απελευθέρωσή του μετά από έναν πεπερασμένο και υπολογίσιμο χρόνο, ο οποίος μάλιστα
θα αυξανόταν όσο απομακρυνόμασταν από την πηγή ή όσο μειωνόταν η ένταση της ακτινοβολίας. Ωστόσο, τα πειράματα (όπως η διάταξη με τα σφαιρίδια λαδιού στα πρότυπα του Millikan) διέψευσαν κατηγορηματικά αυτή την προσδοκία : η απελευθέρωση των ηλεκτρονίων συμβαίνει ακαριαία ακόμη και με εξαιρετικά ασθενές φως, ενώ οι αποδεσμεύσεις γίνονται σε εντελώς τυχαίες θέσεις οπουδήποτε μέσα στη διάταξη, χωρίς κανένα γεωμετρικό μοτίβο.»
Πολύ σημαντική επίσης η παρουσίαση του πειράματος του Geoffrey Taylor 1909 που έδειξε την κυματική συμπεριφορά μεμονομένων φωτονίων.
Το πώς θα μπορούσε να το παρουσιάσει κάθε συνάδελφος στην τάξη είναι δική του κρίση και εκτίμηση.
Τέλος πολύ συμφωνώ ως απλός φυσικός (και το έχω γράψει αρκετές φορές στο ylikonet) με την διατύπωση :
Kατά συνέπεια στην ερώτηση: το φωτόνιο είναι σωματίδιο ή κύμα; Η απάντηση είναι : το φωτόνιο είναι κβαντομηχανική οντότητα που επιδεικνύει και τις δυο συμπεριφορές.
Συμπερασματικά, οι όροι «κύμα» και «σωματίδιο» δεν είναι παρά συμπληρωματικές μακροσκοπικές ταμπέλες που δανειζόμαστε από την καθημερινή μας εμπειρία. Το φως, στην πραγματική του διάσταση, είναι μια ενιαία κβαντική οντότητα που υπερβαίνει αυτούς τους περιορισμούς, αποκαλύπτοντας την εκάστοτε πτυχή του ανάλογα με τον τρόπο που επιλέγουμε να το ανακρίνουμε πειραματικά.
Το θεωρώ πολύ πιο κοντά στην πραγματικότητα από την «διπλή φύση» του φωτός.
Ευχαριστώ κύριε Αλεβιζο. Και για την συνοψη.
Το κείμενο ωστόσο δεν λέει όλη την εικόνα όπως την βλέπει η Φυσική σημερα αλλά μια πρώτη προσέγγιση της. Η τωρινή εικόνα μας λέει ότι όλα είναι πεδία και τα σωματίδια διεγέρσεις των πεδίων.
Δυστυχώς δεν πήρα ποτέ θεωρία πεδίου σαν μάθημα αλλά μια εικόνα ίσως μπορεί να δει κάποιος εδώ:
https://arxiv.org/pdf/1204.4616
Γεια σου Μανώλη.
Η τελευταία παράγραφος της εισαγωγής της ανάρτησής σου έλεγε:
«Με αυτά κατά νού μοιράζομαι το παρακάτω έγγραφο μαζί σας ελπίζοντας να σας φανεί ενδιαφέρον και χρήσιμο. Αποτελεί μια προτεινόμενη συζήτηση για μια γέφυρα ανάμεσα στην διδασκαλία της υπόθεσης του Planck και την διδασκαλία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και απευθύνεται σε συναδέλφους που διδάσκουν στην Γ Λυκείου. Θα χαρώ πολύ να λάβω τα σχόλιά σας.»
Με βάση αυτό σχολίασα. Δεν αφορούσε τις πιο προχωρημένες απόψεις στην κβαντική θεωρία πεδίου.
Για την γενικότερη θέση με βάση την κβαντική θεωρία πεδίου έχω γράψει αρκετές φορές στο ylikonet. Π.χ. εδώ
https://drive.google.com/file/d/1jyEPBiYm5mxqKvRl9Q0JFB9Ol7Clc0gk/view?usp=drive_link
Όπου οι καταληκτικές προτάσεις είναι:
Τα στοιχειώδη σωμάτια, γενικά, πλέον θεωρούνται στοιχειώδεις
διεγέρσεις των κβαντικών πεδίων από τα οποία αποτελείται οτιδήποτε
υπάρχει. Μπορούμε να φανταστούμε τα στοιχειώδη σωμάτια του
κόσμου να δημιουργούνται και να καταστρέφονται.
Τελικά πολλοί κορυφαίοι επιστήμονες πλέον μιλάνε για ένα κόσμο
συμβάντων και όχι ένα κόσμο πραγμάτων.
Αλλά στην κόψη της επιστήμης υπάρχουν πάντα οι …..αντιρρήσεις
Ο Nima Arkani-Hamed του ΜΙΤ (ποιος είναι https://en.wikipedia.org/wiki/Nima_Arkani-Hamed ), λέει στο
https://www.youtube.com/watch?v=H_4OB7CpTuE
“There are no fields really, just particles. Fields are just a mathematical construct that
is useful in describing a particle.”
Γεια σας κε Αλεβιζο.
Συμφωνώ απόλυτα.
Το περί πεδίων το αναφέρω συμπληρωματικά στο κείμενο μου, γιατί το να πω κάτι κβαντομηχανική οντότητα μου λύνει ένα πρόβλημα – δηλαδή το κλασσικό ασυμβίβαστο σωματιδίου κυματος- αλλά ανοίγει ένα νεο-δηλαδη, τι σημαίνει κβαντομηχανική οντότητα; Πώς μοιάζει αυτό;
Σωστό αλλά δύσκολο στην απάντηση προς τα παιδιά το ερώτημα Μανώλη.
«τι σημαίνει κβαντομηχανική οντότητα; Πώς μοιάζει αυτό;»
Σε πρώτο επίπεδο η απάντηση βέβαια όπως ξέρουμε είναι: Δεν μοιάζει με τίποτα από αυτά που ξέρουμε στην κλασσική φυσική.
Το φωτόνια και τα στοιχειώδη υποατομικά σωμάτια είναι κάτι άλλο από το κλασικό σωματίδιο και κάτι άλλο από το κλασικό κύμα. Δεν συνδέονται με τροχιές και με ακριβείς θέσεις Είναι οντότητες που ακολουθούν κβαντομηχανικές αρχές και νόμους οι οποίοι περιγράφουν πλήρως την συμπεριφορά τους, γι αυτό και τα ονομάζουμε κβαντικές οντότητες. Άρα τα όντα αυτά τα «βλέπουμε» μόνο μέσα από τα Μαθηματικά.
Με τις σημερινές αντιλήψεις της φυσικής και ειδικά με βάση την κβαντική θεωρία πεδίου τα φωτόνια όπως και τα άλλα στοιχειώδη υποατομικά σωμάτια είναι στοιχειώδης εκφράσεις κβαντικών πεδίων, που δεν είναι φτιαγμένες από τίποτα άλλο.
Αυτά όπως καταλαβαίνεις μπορούν να αναλυθούν λίγο παραπάνω σε σχετικές συζητήσεις στην τάξη πάντα με την προϋπόθεση ότι ξεκαθαρίζουμε πως χωρίς αντίστοιχα μαθηματικά δεν γίνονται πραγματικά αντιληπτά.
Ίσως ένα παράδειγμα, με βάση την ύλη, αφού αναλυθεί λίγο.
Leonard Susskind (από τους μεγαλύτερους θεωρητικούς φυσικούς εν ζωή): Η κυματοσυνάρτηση Ψ(r) είναι καθαρά μαθηματική οντότητα και όχι φυσικό κύμα με ενέργεια και ορμή κατανεμημένο στο χώρο. Είναι όμως κύμα πληροφορίας μέσω της ποσότητας
|Ψ(r)|² .
Μανώλη διάβασα με πολύ ενδιαφέρον το κείμενο και συμφωνώ με την περιγραφή του πειράματος του Geoffrey Taylor και των αποτελεσμάτων του. Βέβαια το σημείο που συνήθως παραλείπεται είναι ότι το 1909 δεν υπήρχαν ανιχνευτές μονών φωτονίων και δεν μπορούσε να μετρηθεί άμεσα ο αριθμός των φωτονίων μέσα στη διάταξη. Μάλιστα πολύ αργότερα το 1986 οι Philippe Grangier, Gérard Roger και Alain Aspect πραγματοποίησαν ένα από τα πρώτα καθαρά πειράματα μονών φωτονίων. Σε αυτό το πείραμα όπως και σε άλλα μεταγενέστερα κάθε φωτόνιο αφήνει ένα μοναδικό «στίγμα» στην οθόνη σε τυχαία σημεία( Λόγω των σχέσεων αβεβαιότητας του Heisenberg, ο περιορισμός αυτός της θέσης προκαλεί αυτόματα μια αβεβαιότητα στην ορμή. Αυτή η απρόβλεπτη και ανεξέλεγκτη ορμή αναγκάζει το φωτόνιο να εκτραπεί από την αρχική του πορεία σε τυχαίες γωνίες) και μετά από χιλιάδες φωτόνια τα σημεία πρόσκρουσης σχηματίζουν το γνωστό σχήμα της περίθλασης ή της συμβολής (για μια ή περισσότερες σχισμές)..
Όπως καταλαβαίνεις η παρατήρηρη που κάνω αφορά την έκφραση που χρησιμοποίησες ότι ‘’Το κάθε φωτόνιο μπορούσε να συμβάλει με τον εαυτό του’’. Σε ευχαριστούμε για την αναλυτική μελέτη σου.
Νίκο σε ευχαριστώ πολύ για το σχόλιο. Πολύ καλά το λες. Δεν ήταν δυνατόν να έχει τέτοιο ανιχνευτή όντως.
Αν τα θυμάμαι καλά ο Taylor μπορεσε να εκτιμήσει με ενεργειακά και γεωμετρικά επιχειρήματα ότι κάθε στιγμή κατά μέσο όρο είχε ένα φωτόνιο στο κουτί. Πρέπει να έπαιρνε την αρχική ένταση να πολλαπλασιαζε επι ενανν παράγοντα γεωμετρίας (επιφάνεια οπης προς στερεα γωνία?) και να διαιρούσε με την ενέργεια του κάθε φωτονίου (hf). Έτσι νομιζω βγάζεις ποσά φωτόνια έχεις ανα sec στο κουτί.
Δεν ξέρω αν μετρούσε την ένταση απευθείας ή αν την εκτιμούσε κάπως. Νομίζω το δεύτερο: είχε ένα standard candle γνωστής έντασης Io και έβλεπε ότι σε χρόνο t η έκθεση στην πλακα ήταν τάδε. Χαμηλωνε την ένταση με φίλτρα και έβλεπε πόσες φορές το t (έστω n) χρειαζόταν για να έχει ίδια έκθεση. Άρα έβρισκε ένταση Io/n. Παίζοντας με τα φίλτρα μπορούσε να ρυθμίσει την ένταση σε επίπεδο single photon. Κάτι τέτοιο μου βγάζει λογική.