Лекция 2. Фотоэффект. Эффект Комптона. Тормозное рентгеновское излучение. Рождение фотонов в процессе аннигиляции электрона и позитрона.

1.Фотоэффект

Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия) – испускание электронов веществом при поглощении электромагнитного излучения.

Вещество может находиться в твердом, жидком, или в газообразном состоянии. Явление наблюдается в видимой, ультрафиолетовой (УФ) и рентгеновской областях спектра для длин волн от 1 мкм до 1 пм.

Впервые фотоэффект наблюдался в 1887г немецким физиком Генрихом Герцем. Он обнаружил, что при облучении электродов газоразрядной трубки УФ-излучением электрический разряд происходил при меньшей разности потенциалов.

Внутренний фотоэффект – явления, при которых, в отличие от внешнего фотоэффекта,

оптически возбужденные электроны остаются внутри освещенного вещества, не нарушая его электрической нейтральности. При этом в веществе изменяется концентрация носителей заряда, их подвижности и других свойств. Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках и диэлектриках. Среди явлений, обусловленных внутренним фотоэффектом можно отметить следующие фотоэлектрические явления.

Фотопроводимость – изменение проводимости однородного полупроводника при освещении. На основе этого явления создаются приемники света – фоторезисторы.

Явление фото-ЭДС – возникновение разности потенциалов при освещении неоднородного полупроводника, контакта двух различных полупроводников, p-n – перехода, и т.д. Это явление используется в преобразователях энергии излучения в электрическую энергию, например в солнечных «батарейках».

Фотоэлектронная эмиссия из металла.

В металле имеются свободные электроны, которые не связаны с каким-либо конкретным атомом и могут «свободно» перемещаться по атомной решетке под действием сколь угодно малой силы. Свободные электроны образуют своеобразный «электронный газ», распределенный по всей атомной решетке. Свободно перемещаясь внутри металла, электроны не могут самопроизвольно его покинуть, для этого им надо преодолеть некоторый энергетический барьер вблизи поверхности.

Минимальная энергия, которая требуется для удаления электрона с поверхности металла, называется работой выхода (A).

Закономерности явления изучают с помощью фотоэлементов различной конструкции, в которых имеются два электрода: фотокатод K (освещаемый катод) и анод А. Электроды впаяны в стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Фотоэлемент включается в электрическую цепь с источником постоянного напряжения, которая позволяет менять величину и полярность напряжения. Катод освещается через кварцевое окно, которое пропускает не только видимый, но и ультрафиолетовый свет. Вылетевшие из катода электроны (фотоэлектроны), достигая анода, обеспечивают протекание в цепи электрического тока (фототока), который фиксируется измерительным прибором (рис.1).

Фототок насыщения. Закон Столетова.

На рис.1 представлена зависимость фототока I от напряжения V между анодом и катодом для случая двух неизменных значений интенсивности монохроматического света J₁ и J₂=2J₁ одинаковой частоты . Положительное напряжение («+» на аноде) соответствует ускоряющему электрическому полю, в которое попадают вылетающие из катода фотоэлектроны.

Свет

K A

I_нас J₂=2J₁,

J₁,

0

К источнику питания Рис.1. Схема фотоэлемента и зависимость фототока

от напряжения для двух интенсивностей освещения.

Чем больше интенсивность света , тем больше число фотоэлектронов, вылетающих из катода в единицу времени, тем больше фототок. При достаточно больших положительных напряжениях все фотоэлектроны достигают анода, обуславливая фототок насыщенияI_нас. Таким образом, фототок насыщения пропорционален интенсивности света:

(Закон Столетова), (1)

где – элементарный заряд.Закон Столетова подтверждается экспериментально при любых сколь угодно малых интенсивностях света.

Этот закон назван именем А.Г.Столетова, который в 1888г детально исследовал фотоэффект и обнаружил ток насыщения, его пропорциональность интенсивности и установил, что освещение металлической пластины вызывает поток отрицательно заряженных частиц.