Фотоэффект: его Виды и Законы

5.105 Виды фотоэффекта___________________________________________________________

Внешний фотоэффект _____________________________________________________________

Испускание электронов веществом (металлом, полупроводником, диэлектриком) под действием электромагнитного излучения.

Внутренний фотоэффект

__________________________________________________________

Вызываемые электромагнитным изучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению ЭДС.

Вентильный фотоэффект_ ________________________________________________________

Возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект — разновидность внутреннего фотоэффекта.

5.106 Принципиальная схема для исследования фотоэффекта_________

Два электрода (катод К из исследуемого металла и анод А — в схеме Столетова применялась метал­лическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра Е можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникаю­щий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов уста­новил следующие закономерности, не утратившие своего значения до нашего времени: 1) наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолето­ вое излучение; 2) под действием света вещество теряет только с тельные заряды; 3) сила тока, возникающего под действием света, пропорциональна его интенсивности. Впоследствии (Томсон, 1898 казали, что под действием света вырываются электроны.

5.107 Вольт-амперная характеристика фотоэффекта__________________

Зависимость фототока I от напряжения Uмежду электродами.

Приведенные кривые соответствуют двум разным освещенностям Е_е катода, но одинаковой частоте света. С увеличением Uфототок постепенно возрас­тает, т. е. все большее число фотоэлектронов дости­гает анода. Из пологого характера кривых следует, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение I_нас — фототок насыщения — определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода. Из вольт-амперной характеристики следует, что при U= 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью V, значит, и отличной от нуля кинетической энергией имогут достигнуть анода без внешнего поля. Длятого чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U₀. При U = U₀ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью V_таx, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

 

 

Измерив задерживающее напряжение U ₀, можно определить максималь­ные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.

5.108 Законы внешнего фотоэффекта________________________ ________________________

Первый закон (Столетова) ________________________________________________________________________

При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вы­рываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивнос­ти света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической ос­вещенности Е_е катода).

Второй закон __________________________________________________________________

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

Третий закон __________________________________________________________________

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота v₀ света (зависящая от химической природы вещест­ва и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

5.109 Уравнение Эйнштейна____________________________________________________

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону

максимальной кинетической энергии.

Уравнение Эйнштейна - закон сохранения энергии при фотоэффекте.

5.110 Объяснение законов фотоэффекта на основе квантовой теории (на ос нове волновой теории не объясняется)____________________________________

Первый закон фотоэффекта ____________________________________________

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорциональ­но интенсивности света.

Второй закон фотоэффекта _____________________________________________

Из уравнения Эйнштейна следует, что максимальная ки­нетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа фотонов), так как ни А, ни v от интенсивности света не зависят.

Третий закон фотоэффекта _____________________________________________

С уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного металла А = сопзЪ), поэтому при некоторой до­статочно малой частоте V = у₀ кинетическая энергия фотоэлектронов ста­нет равной нулю и фотоэффект прекратится.

Безынерционность фотоэффекта ________________________________________

Испускание фотоэлектронов происходит сразу, как только на фотокатод падает излучение с v > v₀.

5.111 «Красная граница» фотоэффекта__________________________________

Зависит лишь от работы выхода электрона, т. е. от химической природы вещества и состояния его поверхности.

[А — работа выхода электрона; h— постоянная Планка]

Значения λ.₀ (λ ₀= ) для металлов

5.112 Линейная зависимость задерживающего потенциала U ₀ от частоты v______

Согласно формуле электронов, выры­ваемых из вещества при фотоэффекте, тем больше, чем больше v. При v < v₀ испускания электронов не происходит.

ДАВЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

Давление, оказываемое на тела электромагнитным излучением.

5.113Давление излучения на основе квантовой и волновой теорий______________

Квантовая теория __________________________________________________________

Давление излучения — следствие того, что фотон обладает импульсом. Каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс. Если на 1 м² в 1 с падает N фотонов, то при коэффициенте отражения р от поверхности отразится рN фотонов, а (1 - р)N — поглотится. Давление р излучения на поверх­ность равно импульсу; который передают за 1 с N фотонов:

Каждый отраженный фотон передает поверхности импульс - , поглощенный - ; Е_e = Nhv— облученность поверхности (энергия всех фотонов, падающих на 1 м² поверхности тела за 1 с); — объемная плотность энергии излучения.

Волновая теория ________________________________________________________________

Если электромагнитная волна падает, например, на металл, то под действием электрического поля волны с напряженностью электроны будут двигаться со скоростью в направлении, противоположном . Магнитное поле с индукцией действует на движущиеся электроны с силой Лоренца (определяется по правилу левой руки) в направлении, перпендикулярном поверхности металла. Следовательно, волна оказывает на поверхность металла давление.

 

ЭФФЕКТ КОМПТОНА

Упругое рассеяние коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и γ-излучений) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны.

5.114 Комптоновский сдвиг___________________________________________________

Комптоновский сдвиг _________________________________________________________

Разность не зависит от длины волны λпадающего излучения и от природы рассеивающего вещества, а зависит только от угла 9 между направлениями рассеянного и первичного излучений.

[ λ ' — длина волны рассеянного излучения; λ— длина волны падающего излуче­ния; — комптоновская длина волны электрона; h — постоянная Планка; т — масса электрона; с — скорость света в вакууме]

5.115 Интерпретация эффекта Комптона________________________________________

Волновая теория ______________________________________________________________

Эффект Комптона необъясним на основе волновых представлений. Со­гласно волновой теории, механизм рассеяния объясняется «раскачива­нием» электронов электромагнитным полем падающей волны. В таком случае частота рассеянного излучения должна совпадать с частотой из­лучения падающего.

Квантовая теория______________________________________________________________

Эффект Комптона рассматривается как упругое рассеяние фотона на сво­бодном покоящемся электроне. Фотон, столкнувшись с электроном, пере­дает ему часть своей энергии и импульса и изменяет направление движе­ния (рассеивается). Уменьшение энергии фотона оз­начает увеличение длины волны рассеянного излуче­ния.

[ — импульс налетающего фотона; — импульс фотона, рассеянного под углом 9; — импульс электрона отдачи]

Определение при эффекте Комптона ________________________________________

Из законов сохранения энергии (тс²+ hv = и импульса ()

(использовали теорему косинусов (см. рисунок 5.115)с учетом формул

получаем формулу для комптоновского сдвига.

⇐ Предыдущая12

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: