Лекции по физике 2 семестр / 27 КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ

КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ.

Фотоэффект

Внешний фотоэффект открыл Герц (1987). Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Рис. Схема опыта

Дальнейшие исследования привели к открытию трех законов внешнего фотоэффекта.

1 закон. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2 закон. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

3 закон. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота ниже которой фотоэффект невозможен.

В 1905 г. Эйнштейн показал, что фотоэффект и его свойства объясняются с точки зрения квантовой теории света. Он использовал идею Планка о квантовании света и распространил её не только на испускание, но и на поглощение и распространение в пространстве. Согласно гипотезе Планка испускается порциями, квантами. Энергия кванта равна . Частота излучаемого света равна . Квант можно рассматривать, как частицу. Она получила название фотон. Согласно теории Эйнштейна каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных электронов должно быть пропорционально интенсивности света – это первый закон фотоэффекта. Энергия падающего фотона расходуется на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение ему кинетической энергии. На основе закона сохранения энергии можно записать

(1)

Это уравнение Эйнштейна. - постоянная Планка. - работа выхода электрона из металла. Остальные два закона фотоэффекта следуют из уравнения (1). Из него следует, что максимальная кинетическая энергия электрона для данного вещества линейно растет с ростом частоты и не зависит от интенсивности падающего света. Это второй закон фотоэффекта. С уменьшением частоты кинетическая энергия уменьшается и по достижению некоторой частоты становится равной нулю. Фотоэффект прекращается. Это третий закон фотоэффекта. Величина

(2)

называется красной границей фотоэффекта.

Рис.

Если к электродам приложить задерживающее напряжение , тогда

(3)

Величина задерживающего напряжения определяется из условия равенства нулю фототока, или

В явление фотоэффекта проявились корпускулярные свойства электромагнитного излучения.

Эффект Комптона

Корпускулярные свойства света проявились в эффекте Комптона. Исследуя рассеяние монохроматического рентгеновского излучения веществами с легкими атомами, Комптон обнаружил (1923), что в составе рассеянного излучения, кроме излучения с первоначальной длиной волны, наблюдается длинноволновое излучение. Поэтому увеличение длины волны в результате упругого рассеяния коротковолнового излучения на свободных (или слабосвязанных) электронах называется эффектом Комптона. Изменение длины волны равно

(3)

- длина волны падающего излучения (фотона); - длина волны рассеянного излучения (фотона); - угол рассеяния или угол, образованный импульсами налетающего фотона и рассеянного фотона; - комптоновская длина волны.

Объяснить эффект Комптона удалось только с привлечением гипотезы, что фотон обладает не только свойствами волны, но и частицы. Если рассмотреть столкновение фотона и релятивистского электрона и использовать законы сохранения энергии и импульса, получим следующее значение комптоновской длины волны . Импульс фотона определяется по формуле:

. (4)

Энергия релятивистского электрона

.

Величина волнового вектора (волновое число): .

Значения постоянных величин:

, , ,

.