55. Сыртқы фотоэффект. Фотондар. Комптон эффектісі.

Фотоэффект — электрмагниттік сәуленің затпен әсерлесуі нәтижесінде пайда болатын электрлік құбылыстар (электр өткізгіштігінің өзгеруі, ЭҚК-нің пайда болуы не электрондар эмиссиясы). Бұл құбылыс қатты денелерде, сұйықтықтарда, сондай-ақ газдарда да байқалады. Фотоэлектрлік құбылыстар қатарына рентген сәулелерінің фотоэффектісі мен ядролардың фотоэффекті де жатады. Қатты немесе сұйық денелердің жарық сәулесін (фотондарды) жұтуы нәтижесінде электрондардың бөлініп шығу құбылысысыртқы фотоэффект делінеді. Мұны 1887 ж. Г.Герц ашқан. Сыртқы фотоэффектіні тәжірибе жүзінде А.Г. Столетов (1888) толық зерттеп, оның бірнеше заңдарын тұжырымдап берген. А.Г. Столетов ашқан фотоэффектінің бірінші заңы былайша тұжырымдалады: максимал фотоэлектрлік ток (қанығу фототогы) түскен жарық ағынына тура пропорционал болады. 1905 ж.А.Эйнштейн сыртқы фотоэффект құбылысын жарықтың кванттық теориясы тұрғысынан түсіндіріп берді. Сыртқа қарай бөлініп шыққан электронның максимал кинетик. энергиясының (Емак) шамасы электронға берілген фотонның энергиясы (hv) мен шығу жұмысының (φ) айырымына тең (Емак=hv–φ) екендігі тәжірибе жүзінде дәлелденді. Сыртқы фотоэффектінің бүл екінші заңы, яғни Эйнштейн заңы былайша тұжырымдалады: фотоэлектрондардың максимал энергиясы түскен жарық жиілігіне сызықты тәуелді болып өседі және оның қарқындылығына байланысты болмайды.

• Сыртқы фотоэффект үшін Эйнштейннің формуласы:

мұндағы - фотонның энергиясы;- электронның металдан шығу жұмысы;фотоэлектронның максималь кинетикалық энергиясы;- электронның тыныштық массасы.

• Фотоэффекттің қызыл шекарасы:

мұндағы - сәулеленудің максимал толқын ұзындығы;- әлі де фотоэффект мүмкін болатын толқын жиілігі.

Фотон - электрмагниттік сәуленің  элементар бөлшегі. Фотон зарядсыз бейтарап бөлшек. Ол вакуумде /с, оның тыныштықтағы массасы m=0. Фотон =h анықталады:  жиілігімен 3*10 8м/с жылдамдықпен тарайды. Оның энергиясы электрмагниттік әсерлесуді тасымалдайтын бөлшек. Зарядталған бөлшектердің Фотондарды шығаруы немесе сіңіруі барлық электро-магниттік процестердің негізі болып табылады. Фотон туралы ұғым кванттық теория мен салыстырмалы теорияның даму барысында пайда болды. 1905 ж. А.Эйнштейн  фотоэффект құбылысының заңдылықтарын түсіндіру үшін 1900 ж. нем. физигі М.Планк ашқан жарық кванттары туралы ұғымды пайдаланды. Жарықтың Фотондардан тұратындығы люминесценц. құбылыстар мен фотохим. реакциялар арқылы дәлелденді. “Фотон” терминін ғылымға 1929 ж. америка ғалымы Г.Льюис енгізді. Фотон бозондарға жатады. электромагниттік әсерлесуден басқа Фотон гравитац. әсерлесуге де қатысады. Америка физигі А.Комптонның рентген сәулелерінің бос электрондардан шашы-рауын зерттейтін тәжірибесінде кванттық сәуле шығару да зат бөлшектері сияқты кинематик. заңдарға бағынатындығы дәлелденді. Фотонның зарядталған лептондармен әсерлесуін кванттық электрдинамика зерттейді.

• Фотонның энергиясы:

мұндағы - Планк тұрақтысы;- жарықтың жиілігі;- дөңгелек жиілік.

Фотонның импульсы және массасы:

Классикалық теория бойынша шашыраған сәулелер мен түскен сәулелердің тербеліс жиіліктері бірдей болуы тиіс. Бірақ шашыраған рентген сәулелерінің спертірін зерттеуден бұл пікірдің кейбір жағдайларда орындалмайтындығы байқалады. Мысалы, атомдардың массалары аздау элемент сол сияқты жеңіл элементтерден құралған заттардан шашыраған қатаңдау рентген сәулелерінің құрамында толқынның ұзындығы бастапқы түскен сәулелердікіндей және толқын ұзындықтары одан гөрі ұзынырақ сәулелердің болатындығы анықталды. Рентген сәулесі шашыраған кезде олардың толқындар ұзындығының өзгеруі Комптон құбылысы немесе Комптон эффектісі деп аталады. Жарықтың корпускулалық қасиетінің айқын болуын бірінші рет 1924ж американ физигі Комптон зерттеді. Шашыраған рентген сәулелерінің спектрінде толқын ұзындығыʎ-ға тең бастапқы сәулемен қатар толқын ұзындығы ʎ´ болатынбасқа сәуленің бар екендігі байқалды. Бұл толқын ұзындықтарының айырмасы Δʎ=ʎ´-ʎ шашыратқыш затқа және бастапқы түскен сәуленің толқынының ұзындығына тәуелді болмай тек сәулелердің шашырау бағытына байланысты болады. Комптон эффектісін классикалық электромагниттік теория арқылы түсіндіру мүмкін емес, оны тек кванттық теория бойынша түсіндіреді. Кванттық теория тұрғысынан рентген сәулелері дегеніміз фотондардың ағыны болып табылады. Комптон өзінің тәжірибесінде пайдаланған фотондар энергиясы 17,5 кэ В рентген сәулелері болды.

Комптон эффект кезінде фотонның толқын ұзындығының өзгерісі

мұндағы - дүмпілу электронының массасы;пм- комптондық толқын ұзындығы.