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[notes.git] / physics / light-matter-ref.md
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 columns: 2
 graphics: yes
 author: Andrew Lorimer
+linestretch: 0.9
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 \pagenumbering{gobble}
 
 # Light and Matter
 
-$$E=hf={hc \over \lambda}$$
+## Planck's equation
+
+$$f={c \over \lambda},\quad E=hf={hc \over \lambda}=\rho c$$
+
+$$h=6.63 \times 10^{-34}\operatorname{J s}=4.14 \times 10^{-15} \operatorname{eV s}$$
 
 $$ 1 \operatorname{eV} = 1.6 \times 10^{-19} \operatorname{J}$$
 
+## Force of electrons
+
+$$F={2P_{\text{in}}\over c}$$
+
+$$\text{photons per second}={\text{total energy} \over \text{energy per photon}}={{P_{\text{in}} \lambda} \over hc}={P_{\text{in}} \over hf}$$
+
+## Photoelectric effect
+
+- $V_{\operatorname{supply}}$ does not affect photocurrent
+- $V_{\operatorname{sup}} > 0$: e- attracted to collector anode
+- $V_{\operatorname{sup}} < 0$: attracted to illuminated cathode, $I\rightarrow 0$
+- $v$ of e- depends on ionisation energy (shell)
+- max current depends on intensity
+
+### Threshold frequency $f_0$
+- minimum $f$ for photoelectrons to be ejected
+- $x$-intercept of frequency vs $E_K$ graph
+- if $f < f_0$, no photoelectrons are detected
+
+### Work function $\phi$
+- minimum $E$ required to release photoelectrons
+- magnitude of $y$-intercept of frequency vs $E_K$ graph
+- $\phi$ is determined by strength of bonding
+
+$$\phi=hf_0$$
+
+### Kinetic energy
+
+$$E_{\operatorname{k-max}}=hf - \phi$$
+
+voltage in circuit or stopping voltage = max $E_K$ in eV  
+equal to $x$-intercept of volts vs current graph (in eV)
+
+### Stopping potential ($V$ for minimum $I$)
+
+<!-- $$V_0 = {E_{K \operatorname{max}} \over q_e} = {{hf - \phi} \over q_e}$$ -->
+$$V=h_{\text{eV}}(f-f_0)$$
+
+## De Broglie's theory
+
+$$\lambda = {h \over \rho} = {h \over mv}$$
+$$\rho = {hf \over c} = {h \over \lambda} = mv, \quad E = \rho c$$
+
+- cannot confirm with double-slit (slit $< r_{\operatorname{proton}}$)
+<!-- - confirmed by Davisson and Germer's apparatus (diffraction pattern like double-slit) -->
+- confirmed by similar e- and x-ray diff patterns
+
+## X-ray and electron interaction
+
+- e- is only stable if $mvr = n{h \over 2\pi}$ where $n \in \mathbb{Z}$
+- rearranging this, $2\pi r = n{h \over mv} = n \lambda$ (circumference)
+- if $2\pi r \ne n{h \over mv}$, no standing wave
+- if e- = x-ray diff patterns, $E_{\text{e-}}={\rho^2 \over 2m}={({h \over \lambda})^2 \div 2m}$
+- calculating $h$: $\lambda = {h \over \rho}$
+
+## Spectral analysis
+
+<!-- ![](graphics/energy-levels.png) -->
+- $\Delta E = hf = {hc \over \lambda}$ between ground / excited state
+- $E$ and $f$ of photon: $E_2 - E_1 = hf = {hc \over \lambda}$
+- Ionisation energy - min $E$ required to remove e-
+- EMR is absorbed/emitted when $E_{\operatorname{K-in}}=\Delta E_{\operatorname{shells}}$ (i.e. $\lambda = {hc \over \Delta E_{\operatorname{shells}}}$)
+
+## Indeterminancy principle
+
+measuring location of an e- requires hitting it with a photon, but this causes $\rho$ to be transferred to electron, moving it.
+ <!-- $\therefore, \sigma E \propto {1 \over \sigma t}$ -->
+
+<!-- $$\sigma E \sigma t \ge {h \over 4 \pi}$$ -->
+
+$$\sigma \rho \sigma x = {h \over 4\pi}$$
+
+## Wave-particle duality
+wave model:  
+
+- cannot explain photoelectric effect
+- $f$ is irrelevant to photocurrent
+- predicts delay between incidence and ejection
+- speed depends on medium
+
+particle model:  
+
+- explains photoelectric effect
+- rate of photoelectron release $\propto$ intensity
+- no time delay - one photon releases one electron
+- double slit: photons interact. interference pattern still appears when a dim light source is used so that only one photon can pass at a time
+- light exerts force
+- light bent by gravity
\ No newline at end of file