1. Квантовые св-ва излучения(-). Фотоэффект.

Фотоэффект – это явление испускания электронов твердым телом под действием облучения его поверхности электромагнитными волнами (светом).

I – фототок, образующийся потоком фотоэлектронов, испускаемых под действием света.

I_нас – фототок насыщения: все электроны, испускаемые катодом, достигают анода.

U₀ – задерживающее фотоэлектроны напряжение, при котором ни один электрон, даже с максимальной скоростью v_max, не попадает на анод, т.е. .

Экспериментально были получены следующие законы фотоэффекта:

1. Закон Столетова: число фотоэлектронов, испускаемых в единицу времени (т.е фототок насыщения I_нас), прямо пропорционально интенсивности падающего света (освещенности Е).

2. Максимальная скорость фотоэлектронов v_max определяется только частотой излучения и не зависит от его интенсивности (освещенности).

3. Существование «красной границы»: для каждого вещества существует некоторая минимальная частота излучения ν_min, ниже которой фотоэффект невозможен (или максимальная длина волны λ_max , выше которой фотоэффект не наблюдается).

Важным свойством фотоэффекта является безинерционность процесса (при освещении поверхности тела фототок возникает практически мгновенно).

П оследние два из перечисленных законов фотоэффекта, а также свойство безинерционности, были абсолютно необъяснимы с точки зрения электромагнитной волновой природы света. Эйнштейн (1905 г) развил гипотезу Планка о квантовых свойствах света: квантовые свойства излучения проявляются не только при взаимодействии света с веществом (излучение и поглощение), но и при распространении его в пространстве. По Эйнштейну свет представляет собой совокупность частиц с энергией, определяемой формулой Планка E = hν = ħω. Следствием этих рассуждений явилась формула Эйнштейна для фотоэффекта:hν = А_вых.+ mv²_max / 2.

Становится понятным и существование «красной границы» – фотоэффект возникает только в случае, если энергия квантов света превышает некоторую минимальную энергию, необходимую для выхода электрона из твердого тела hν₀ = еφ = А_вых.,

где А_вых – работа выхода – минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону для выхода его из твердого тела (данная величина зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности).

2. Квантовые св-ва излучения(-). Эффект Комптона.

эффект Комптона.

При прохождении (рассеянии) коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновских лучей) через вещество происходит изменение длины волны (частоты) излучении: длина волны рассеянного излучения увеличивается, а его частота – уменьшается.

Экспериментальная схема исследования эффекта Комптона:

П о классической волновой теории света в веществе должны были бы возникать вторичные рентгеновские волны исключительно той же длины волны (частоты). Однако в экспериментах А.Комптона (1922 г.) наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдалось рентгеновское излучение большей длины волны (меньшей частоты). При этом разность длин волн Δλ = λ' – λ оказалась зависящей только от угла θ, образуемого направлением рассеянного излучения и направлением первичного пучка. Ни от длины волны падающего излучения λ, ни от природы рассеивающего вещества Δλ не зависела.

С точки зрения квантовой теории падающее излучение – поток квантов, и при их взаимодействии с покоящимися электронами вещества, как при упругом столкновении частиц, должны выполняться законы сохранения энергии и импульса (система «вещество – излучение» изолирована). Квант света, столкнувшись с электроном, передает ему часть своей энергии и импульса и изменяет направление движения (рассеивается). Уменьшение его энергии и означает увеличение длины волны λ' рассеянного излучения.

Закон сохранения энергии при эффекте Комптона имеет вид:

hν = hν' + E_{ионизации атома} + Е_{кин. электронов},

где hν и hν' – энергии падающего и рассеянного квантов, соответственно.

Очевидно, что hν > hν', т.е. ν' < ν и λ < λ'.

В релятивистском случае, закон сохранения энергии записывается в виде .

Здесь – энергия электрона до столкновения; – энергия электрона после столкновения; и – энергия падающего и рассеянного квантов излучения. Энергией же ионизации атома пренебрегаем, считая электрон свободным (величина E_{ионизации} составляет единицы эВ, в то время как для электрона ≈ 0,51 МэВ). Таким образом .

Разделим равенство на с ,

возведем в квадрат .

Для определения воспользуемся законом сохранения импульса

,

Получили формулу Комптона , из которой следует, что увеличении длины волны при эффекте Комптона зависит только от угла рассеяния θ. Величина получила название комптоновской длины волны, и для электрона .