Вопрос 4: Фотоэффект, тормозное рентгеновское излучение.

Внешним фотоэффектом, называется испускание электронов веществом под действием света. Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) – это поток электронов, который возникает при облучении светом поверхности металла и направлен вдоль нормали к поверхности.

В 1888–1889 гг. А. Г. Столетов провел систематическое исследование явления внешнего фотоэффекта. Исследования выполнялись на установке, схема которой показана на рис 5.1, а. Свет, проходя через сетку, падал на сплошную металлическую пластину. В результате в цепи возникал ток, который регистрировался гальванометром.

Рис. 5.1

На основе полученных экспериментальных результатов Столетов сделал следующие выводы: 1) эффект наблюдается под действием ультрафиолетового излучения; 2) сила тока возрастает с увеличением освещенности пластины; 3) испускаемые под действием света частицы имеют отрицательный заряд.

Спустя 10 лет установили, что это электроны. Установка была усовершенствована (рис. 5, б). Полученная вольт-амперная характеристика приведена на рис. 5, в. Зависимость тока от напряжения нелинейная, и при некотором напряжении фототок достигает насыщения, т. е. все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Следовательно, сила тока насыщения определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света.

Пологий ход кривой указывает на то, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Часть электронов, которые определяют силу тока при U = 0, обладают скоростями достаточными для того, чтобы долететь до анода без помощи ускоряющего поля. Для снижения силы тока до нуля необходимо приложить задерживающее напряжение . При таком напряжении ни одному из электронов, даже обладающему при вылете из катода наибольшей скоростью , не удается преодолеть задерживающее поле и достичь анода. Поэтому можно записать: (5.1)

где – масса электрона. Таким образом, измерив задерживающее напряжение , можно определить максимальную скорость фотоэлектронов.

Энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта h. Часть этой энергии, равная работе выхода А, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Напомним, что работой выхода называется наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого тела в вакуум.

(5.2)

которое называется формулой Эйнштейна.

Из формулы (5.2) вытекает, что в случае, когда работа выхода А превышает энергию кванта h, электроны не могут покинуть металл. Следовательно, для возникновения фотоэффекта необходимо выполнение условия h  A или ; , или для длины волны

Частота ( ) или длина волны называется красной границей фотоэффекта.

Вопрос 5:

Эффект Комптона

Процесс рассеяния фотона на свободном электроне называется эффектом Комптона.

. (8.4)

Величина называется комптоновской длиной волны. Для электрона комптоновская длина волны _c = 0.00243 нм.

Эффект Комптона и внешний фотоэффект подтвердили гипотезу о квантовой природе света, т. е. свет действительно ведет себя так, как если бы он состоял из частиц, энергия которых h и импульс h/. Вместе с тем, явления интерференции и дифракции света могут быть объяснены с позиции волновой природы. Оба эти подхода в настоящий момент представляются взаимодополняющими друг друга.

Боте

Т

Рис. 6.1

онкая металлическая фольга (Ф) помещалась между двумя газоразрядными счетчиками (Сч). Фольга освещалась пучком рентгеновских лучей с небольшой интенсивностью, под действием которых она сама становилась источником рентгеновских лучей.

Вследствие малой интенсивности первичного пучка количество квантов, испускаемых фольгой, было невелико. При попадании в счетчик рентгеновских лучей запускался особый механизм (М), делавший отметку на движущейся ленте (Л). Если бы излучаемая энергия распространялась равномерно во все стороны, как это следует из волновых представлений, оба счетчика должны были бы срабатывать одновременно и отметки на ленте приходились бы одна против другой.

В действительности же наблюдалось совершенно беспорядочное расположение отметок. Это можно объяснить лишь тем, что в отдельных актах испускания возникают световые частицы, летящие то в одном, то в другом направлении. Так было доказано существование особых световых частиц – фотонов.

Энергия фотона определяется его частотой

Электромагнитная волна, как известно, обладает импульсом.

. (6.2)

Такое соотношение между импульсом и энергией возможно только для частиц с нулевой массой покоя, движущихся со скоростью света. Таким образом: 1) масса покоя фотона равна нулю; 2) фотон движется со скоростью света. Сказанное означает, что фотон представляет собой частицу особого рода, отличную от таких частиц, как электрон, протон и т. п., которые могут существовать, двигаясь со скоростями, меньшими с, и даже покоясь. Выразив в (6.2) частоту  через длину волны , получим:

, где – модуль волнового вектора k.

Давление Р света на стенку .

Произведение NЕ равно энергии фотонов, заключенных в единице объема, т. е. плотности электромагнитной энергии w. Таким образом, давление, оказываемое светом на поглощающую поверхность, равно объемной плотности электромагнитной энергии P = w.

При отражении от зеркальной поверхности фотон сообщает ей импульс 2р. Поэтому для абсолютно отражающей поверхности P = 2w.