Бақылау сұрақтары.

1. Абсолют қара дене үшiн өрнек

2. Кирхгоф функциясының физикалық мағынасы

3. Стефан-Больцман тұрақтысын көрсетiңiз

4. Вин тұрақтысын көрсетiңiз

5. Планк тұрақтысын көрсетiңiз

11-лекция.

Кванттық теориялардың негізгі идеялары тәжірибе жүзінде тұжырымдау. Франк және Герц тәжірибелері. Фотоэффект. Комптон эффектісі.

Фотоэффект.

Фотоэлектрлік эффект (фотоэффект) электромагниттік сәуле шығарудың әсерінен электрондардың шығуы.

Фотоэффект ішкі, вентильді және сыртқы болып бөлінеді.

Ішкі фотоэффект – бұл электромагниттік сәуле шығарудың әсерінен жартылай өткізгіштердің немесе диэлектриктің ішінде, электрондардың сыртқа шықпай байланысқан күйден еркін күйге өтуі. Нәтижесінде дененің ішінде ток тасушылар концентрациясы артып, ол фото өткізгіштікті- жартылай өткізгішті немесе диэлектрикті жарықтандырғанда электрөткізгіштігінің артуын тудырады.

Вентильді фотоэффект (ішкі фотоэффектінің басқа түрі)- екі әртүрлі жартылай өткізгіштердің немесе жартылай өткізгіш пен металл контактісін жарықтандырғанда (сыртқы электр өрісі болмағанда) ЭҚК-нің (фото ЭҚК) пайда болуы. Вентильді фотоэффект күн батареясында күн энергиясын тікелей электр энергиясына айналдыруда пайдаланады.

Сыртқы фотоэффект (фотоэлектронды эмиссия) электромагнит-тік сәуле шығару әсерінен заттың электрондарды шығаруы.

Сыртқы фотоэффектіні зерттеу схемасы. Екі электрод

( зерттелетін заттан жасалған К катод және А анод) вакуумдық түтікте батареяға оған берілген кернеудің мәні ғана емес таңбасы да өзгеретіндей етіп қосылған.

Катодты монохромат жарықпен жарықтандрғанда пайда болатын ток (кварцтық терезе арқылы) тізбекке қосылған миллиамперметрмен өлшенеді. Жарық әсерінен катодтан шығатын электрондар ағынымен жасалатын фототоктың катод пен анод арасындағы кернеуге тәуелділігі фотоэффектінің вольт-амперлік сипаттамасы деп аталады.

өсуіне байланысты фототок жайлап, қаныққанға дейін өседі.

Т октың максимал мәні - қанығу фототогы -катодтан шыққан барлық электрондар толығымен анодқа жететін кернеудің мәнімен анықталады. , мұндағы - 1 секундта катодтың шығаратын электрондарының саны. болғанда катодтан шыққан фото электрондардың бастапқы жылдамдығы болғандықтан, фототок жоғалмайды. Фототок нольге тең болу үшін тежегіш кернеу беру керек. болғанда ешқандай электрондар, бастапқы жылдамдығы максималь болған күннің өзінде тежеуші кернеудің өрісін тастап анодқа жетпейді: , яғни тежеуші кернеуді өлшеп, жылдамдықтың максиамаль мәнін және фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясы анықтауға болады.

Фотоэффект заңдары.

1. Столетов заңы: түскен жарық жиілігінің белгілі мәнінде бірлік уақыт ішінде фотокатодтың шығаратын фотоэлектрондар саны жарық интенсивтілігіне пропорционал (қаныққан фототок күші катодтың энергетикалық жарқырауы Е_е пропорционал).

2. Фотоэлектрондардың максимал бастапқы жылдамдықтағы (максималь бастапқы кинетикалық энергиясы) түскен жарықтың интенсивтілігіне тәуелсіз, ол тек оның жиілігімен анықталады.

3. Әрбір зат үшін фотоэффектінің қызыл шекарасы болады- одан төмен фотоэффект мүмкін емес, жарықтың минималь жиілігі (заттың химиялық құрамына және оның беттінің күйіне байланысты).

4. Фотоэффект механизмін түсіндіру үшін Эйншейн жеке кванттар (планк гипотезасына сай) тек жиілігі жарықты шығарып қана қоймай, сонымен қатар энергиясы жеке порциялармен кеңістікте тарайды және және затқа жұтылады деген болжам жасады.

Вакуумда с жарық жылдамдығымен қозғалатын электромагниттік сәуле шығарудың кванттары фотондар деп аталады.

Түскен фотон энергиясы электронды металдан шығару А жұмысына және ұшып шыққан фотоэлектронға кинетикалық энергия беруге жұмсалады. Эйнштейннің сыртқы фотоэффект үшін теңдеуі

.

Бұл теңдеу фотоэлектронның кинетикалық энергиясының түскен жарық жиілігіне тәуелділігін (2-ші заң) түсіндіреді. Шекті жиілік (немесе ) бұл кезде фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясы нольге тең болады, бұл фотоэффектінің қызыл (3-ші заң) шекарасы болып табылады.

Эйнштейн теңдеуінің басқа формада жазылуы:

.

Суретте фотоэлектрондардың максималь кинетикалық энергияларының түскен жарық жиілігіне байланыстылығы алюминий, мырыш және никель үшін бейнеленген.

Барлық түзулер бір-біріне параллель, әрі туындысы катод материалына тәуелді емес, ол сан мәні бойынша Планк тұрақтысына тең. Ординат осінен қиылған кесінді, сәйкес металл үшін электронның шығу жұмысына сан жағынан тең.

Фотоэлементтердің жұмысы, Фотоэкспонометрлердегі фотокедергілер және әртүрлі процестерді басқару люксметрлері және автомттандыру, қашықтан басқару пульттары, жартылай өткізгішті фотоэлектрондық көбейткіштер және күн батареяларының жұмысы фотоэффект құбылысына негізделген.

Бот тәжірибесінде фотонның пайда болуы демонстрацияланып көрсетілген.

Екі (Сч) есептегіштің арасында орналасқан Ф жұқа металл фольга қатты сәулелену әсерінен рентгент сәулелерін шығарады. Егер шығарылған энергия жан-жаққа бірқалыпты таралса, бұл толқындық тұрғыдан, онда екі есептегіште бір мезгіл жұмыс істеуі керек болар еді және қозғалатын Л лентада М маркерімен синхронды белгілеу болуы керек еді. Шын мәнінде ол белгілер ретсіз орналасқан. Сонымен жеке шығару актілерінде біресе бір жаққа, біресе екінші бағытқа ұшатын жарық бөлшектері (фотондар) туады.

Фотонның импульсі және массасы. Жарықтың корпускулярлық және толқындық қасиеттерінің бірлігі.

; ; қатынастарын пайдаланып, фотонның энергиясы, массасы мен импульсінің өрнегін аламыз.

, , .

Бұл қатынастар фотонның кванттық (корпускулярлық) сипаттамасы болып табылатын масса, импульс және энергияны оның толқындық сипатымен, яғни жиілігімен байланыстырады.

Жарық тарау заңдылықтарында, интерференция, дифракция, поляризация кезінде байқалатын толқындық қасиеттер мен жарықтың затпен өзара әсерлесуі процесінде пайда болатын корпускулярлық (сәуле шығару, жұту, шашырау) қасиеттеріне бір мезгілде ие болады.

Жарық қысымы.

Егер фотон импульске ие болса, онда денеге түскен жарық оған қысым беруі керек.

Жиілігі монохромат жарық ағыны бетке перпендикуляр түседі делік. Егер 1с ішінде беттің 1м² фотон түссе, онда шағылу коэффициенті тең болғанда дене бетінен фотон шағылып, фотон жұтылады. Әрбір жұтылған фотон бетке импульс береді, әр шағылған фотон импульс береді.

Бетке жарықтың беретін қысымы, 1с ішінде фотонның бетке беретін импульсіне тең.

.

Беттің энергетикалық жарықтануы (уақыт бірлігі ішінде беттің бірлік ауданына түсетін барлық фотон энергиясы).

Сәуле шығару энергиясының көлемдік тығыздығы

,

осыдан

.

Максвелл теориясына негізінде жарықтың толқындық теориясыда осындай өрнекке келеді. Толқындық теория бойынша жарық қысымы электромагниттік толқынның электр өрісі әсерінен электрондардың металда векторына қарсы бағытпен қозғалатындығымен (суретте ) түсіндіріледі Электромагниттік толқынның магнит өрісі қозғалыстағы электронға Лоренц күшімен металл бетіне перпендикуляр бағытта (сол қол ережесі бойынша) әсер етеді.

Сонымен электромагниттік толқын металл бетіне қысым түсіреді.

Комптон эффектісі.

Жарықтың корпускуляр қасиеті, қысқа толқынды электромагниттік сәуле заттың еркін электрондарында (немесе нашар байланысқан) серпімді шашыраған кезде толқын ұзындығының артуымен жүретін- Комптон эффектісінде айқын көрінеді. Бұл өсу түскен сәуленің толқын ұзындығына және шашырататын заттың табиғатына байланыссыз тек шашырау бұрышы мен анықталады. . Мұндағы - шағылған сәуленің толқын ұзындығы, - комптондық толқын ұзындығы. Электронда шағылған кезде: м.

Фотон (энергиясы және импульсі ) электронмен соқтығысып ( - тыныштық энергиясы, - электронның тыныштық массасы), оған өзінің энергиясы мен импульсінің бір бөлігін беріп және қозғалыс бағытын өзгертеді (шашырайды). Серпімді соқтығысу процесінде энергияның сақталу заңы орындалады

және , мұндағы - соқтығысқаннан кейінгі электронның релятивистік энергиясы.

Сонымен ,

.

Осыдан , ескерсек

аламыз.

Көрінетін жарықтағы фотонының энергиясы, электронның атоммен байланыс энергиясымен салыстыралықтай болғандықтан, Комптон эффектісі спектрдің көрінетін аймағында байқалмайды, бұл жағдайда атомның сыртқы электронының өзін еркін деп санауға болмайды.

Комптон эффектісі, қара дененің сәуле шығаруы және фотоэффект жарықтың кванттық (корпускулярлық) теориясының жарықты фотондардың ағыны деп қарастырғандай дәлелі болады.