
- •Лекция 2. Фотоэффект. Эффект Комптона. Тормозное рентгеновское излучение. Рождение фотонов в процессе аннигиляции электрона и позитрона.
- •1.Фотоэффект
- •Фотоэлектронная эмиссия из металла.
- •Фототок насыщения. Закон Столетова.
- •Запирающая разность потенциалов.
- •Временная задержка фотоэлектронной эмиссии.
- •Противоречия закономерностей фотоэлектронной эмиссии с классическим представлением о природе света.
- •Гипотеза а.Эйнштейна о квантовании энергии излучения.
- •Объяснение закономерностей фотоэффекта.
- •Многофотонный внешний фотоэффект.
- •2. Эффект Комптона – изменение энергии и импульса фотонов при рассеянии на свободных электронах.
- •3. Тормозное рентгеновское излучение.
- •4. Рождение фотонов в процессе аннигиляции электрона и позитрона.
Гипотеза а.Эйнштейна о квантовании энергии излучения.
Существенным вкладом в развитие квантовой физики является работа Эйнштейна 1905г» Об эвристической точке зрения на возникновение и превращение света».
Формула
М.Планка в теории теплового излучения
дает среднее распределение энергии.
Эйнштейн исследует флуктуации плотности
энергии излучения, вычисляет вероятность
отклонения от этого среднего при
различных частотах и температурах. Он
находит, что плотность энергии в области
больших частот флуктуирует как плотность
энергии газа независимых частиц, каждая
из которых имеет энергию
.
Далее Эйнштейн формулирует гипотезу
о природе излучения, смысл которой
сводится к следующему:
Электромагнитное
излучение не непрерывно, а состоит из
квантов энергии
.
Оно испускается и поглощается веществом
дискретно, квантами, и распространяется
в виде неделимых квантов, локализованных
в пространстве.
Позднее, в 1926г, частицы излучения были названы фотонами.
Таким образом, Эйнштейн распространил идею Планка о квантовании атомных осцилляторов на электромагнитное излучение. С этой точки зрения осциллятор Планка изменяет свою энергию, испуская или поглощая соответствующий квант света. Одновременно с дискретным процессом испускания Планк первоначально допускал, что излучение поглощается непрерывно. М.Планк, теоретик-классик, был воспитан на принципе
«Природа
не терпит скачков». В течение многих
лет он пытался вставить постоянную
в рамки классической физики.
Идею квантов излучения Эйнштейн применил к теории фотоэффекта. В дальнейшем мы будем использовать название «фотон».
Объяснение закономерностей фотоэффекта.
Согласно
Эйнштейну монохроматическое излучение
состоит из локализованных в пространстве
неделимых квантов – фотонов с энергией
.
Это означает, что при облучении фотокатода
реализуется корпускулярный механизм
передачи энергии электронам в металле.
Поскольку
энергия поступает порциями
,
она может быть передана целиком одному
электрону, который оказывается в
состоянии вылететь из металла. Процесс
поглощения фотона и передачи его энергии
электрону имеет вероятностный характер.
Если электрон, получивший энергию
,
находился на поверхности металла, и для
преодоления потенциального барьера
ему необходима энергия, равная работе
выхода
,
то после вылета его энергия будет
максимальной:
,
или
(3)
Уравнения
(3) называют уравнениями
Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Они следуют из закона сохранения энергии,
если пренебречь потерями энергии при
столкновениях на пути к поверхности.
Эти уравнения объясняют все закономерности
фотоэффекта, указанные в таблице 1. Из
рис.2,б
следует
соотношение
,
а наклон прямой определяется постоянной
Планка
.
Подробные экспериментальные исследования фотоэффекта были выполнены только в период 1912 – 1916 годы американскими физиками Р.Милликеном, А.Комптоном, и другими.
Квантовая
эффективность фотоэлектронной эмиссии
определяется
как отношение числа фотоэлектронов,
испускаемых катодом, к числу падающих
фотонов за секунду:.
Учитывая, что
и
,
где
- падающий на катод поток излучения,
квантовая эффективность равна
(4)
Отношение
называется спектральной фоточувствительностью
катода (чувствительностью к
монохроматическому излучению). Квантовая
эффективность для щелочных металлов,
таких как калий, натрий, равна
,
для большинства остальных металлов
равна
.
Если
на катод падает всего лишь один фотон,
то невозможно точно предсказать, будет
ли он поглощен или нет. Можно только
говорить о вероятности поглощения. При
слабом потоке фотонов величина
имеет смысл вероятности.