3. Внешний фотоэффект

Корпускулярными свойствами электромагнитного излучения объясняются явления: фотоэффект, эффект Комптона, фотохимические реакции, флуктуационные явления.

Все перечисленные явления есть результат единичных актов взаимодействия фотонов с атомами вещества.

Экспериментально явление внешнего фотоэффекта было исследовано русским учёным Столетовым. Эйнштейн в 1905 году показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта. По Эйнштейну электромагнитное излучение не только испускается порциями (как предложил Планк), но и распространяется и поглощается веществом отдельными порциями (квантами).

Внешним фотоэлектрическим эффектом называется испускание электронов с поверхности вещества под действием электромагнитного излучения.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

- энергия падающего на вещество фотона расходуется на совершение работы выхода электрона из атома в поверхностном слое вещества и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии.

Из вольт-амперной характеристики фотоэлемента следует, что и при напряжении между катодом и анодом равном 0: U_a = 0 , ток отличен о нуля. Следовательно, выбитые из катода электроны обладают некоторой начальной энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля.

Д ля того, чтобы фототок стал равен нулю необходимо приложить задерживающее напряжение U₀ (на рисунке это точка 1):

еU₀ = .

В области 3 и 4 фототок возрастает с увеличением напряжения. При этом фотоэлектроны ускоряются электрическим полем, увеличивается их кинетическая энергия и всё больше электронов достигает анода.

В области 5 достигается фототок насыщения, когда все фотоэлектроны достигают анода. При дальнейшем увеличении напряжения фототок не меняется.

Законы внешнего фотоэффекта.

1). При фиксированной частоте падающего излучения, число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности излучения. (сила фототока насыщения пропорциональна интенсивности освещённости катода).

2). Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения, а определяется только его частотой.

3). Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота излучения ν₀ (или максимальная длина волны λ₀ ), определяемая химическими свойствами вещества и состоянием его поверхности, при которой возможен фотоэффект. Энергия поглощаемого поверхностью фотона в этом случае равна работе выхода – работе, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум. А_в = hν₀.

4). Безынерционность явления фотоэффекта.

Другой вид записи уравнения фотоэффекта: , или

.

4. Эффект Комптона

Эффектом Комптона называется упругое рассеяние коротковолнового электромагнитного излучения на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны.

Фотон, обладающий импульсом и энергией, сталкивается с покоящимся свободным электроном. На основе законов сохранения импульса и энергии следует, что фотон передаёт электрону часть своего импульса и энергии, причём фотон изменяет направление движения (рассеивается). Уменьшение энергии фотона означает увеличение его длины волны: . Изменение длины волны падающего и рассеянного фотона:

∆λ = λ^/ - λ₀ = 2λ_Сsin²(θ/2), где λ_С = 2,426 пм – комптоновская длина волны.

Эффектом Комптона – наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах.

При фотоэффекте фотон поглощается связанными электронами, а при эффекте Комптона фотон рассеивается на свободных частицах. Кроме того, эффект Комптона возможен при высокочастотном излучении (рентгеновское и γ – излучение), а фотоэффект может наблюдаться и в видимом диапазоне частот.

Задача.

Фотон с энергией 1,025 МэВ рассеялся на первоначально покоившемся свободном электроне. Определить угол рассеяния фотона, если длина волны рассеянного фотона оказалась равной комптоновской длине волны λ_С = 2,43 пм.