- •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.
Запирающая разность потенциалов.
При отрицательном напряжении фотоэлектроны попадают в тормозящее электрическое поле, преодолеть которое он может, лишь имея достаточный запас кинетической энергии. Фотоэлектроны с малой кинетической энергией не могут попасть на анод и не дают вклада в фототок. Такие электроны возвращаются на катод. Плавный спад фототока в области отрицательных напряжений вплоть до нуля при некотором напряжении
указывает на то, что вылетающие из катода фотоэлектроны имеют разную кинетическую энергию в интервале от нуля до некоторой максимальной энергии , при этом
, (2)
То есть, в режиме торможения фотоэлектронов при разности потенциалов их максимальная кинетическая энергия расходуется на работу против сил электрического поля. Такие электроны, подходя близко к аноду, останавливаются и далее, ускоряясь, возвращаются на катод. Величинуназываютзапирающей разностью потенциалов.
В экспериментах обнаружено, что иимеют одно и то же значение при любой
интенсивности света частоты (рис.1). На рис.2,а представлены три экспериментальные зависимости фототока I от напряжения V для трех различных частот световых колебаний при одинаковой интенсивности J. Видно, что запирающая разность потенциалов зависит от частоты. Эта зависимость изображена на рис.2,б для двух фотокатодов из разного материала.
1 2
0
a) б)
Рис.2. a) - Зависимость фототока от напряжения при освещении светом разных частот,
б) – Зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты
и материала катода.
Экспериментальная зависимость от частоты подчиняется уравнению, где
- ещё неизвестная константа.
Для каждого вещества катода существует своя граничная частота , такая, излучение с частотой фотоэффекта не вызывает. Граничная частота называется частотой «красной» границы фотоэффекта, ей соответствуетдлина волны «красной» (длинноволновой) границы . Эмиссию электронов из данного металла вызывает только излучение с длиной волны .
Временная задержка фотоэлектронной эмиссии.
В случае фотоэлектронной эмиссии
независимо от интенсивности падающего света
вплоть до величины порядка
время нарастания тока с момента облучения 0 t, с
до установившегося значения составляет
не более (рис.3).I
4J1
2J1
J1
0 t, с
Рис.3. Временная задержка вылета электронов
после начала освещения фотокатода
Противоречия закономерностей фотоэлектронной эмиссии с классическим представлением о природе света.
Классическая волновая теория рассматривает излучение как электромагнитные волны.
Поглощение света – непрерывный процесс передачи энергии, в результате металл нагревается. Количество переданной энергии при поглощении определяется интенсивностью падающего света , где- плотность энергии световой волны,- амплитуда электрического поля волны.
Таблица 1.
Ожидаемый классический результат |
Эксперимент |
При большей интенсивности электроны поглощают больше энергии и после выхода из металла должны иметь большее значение кинетической энергии. Передача энергии электронам определяется квадратом амплитуды электрического поля световой волны, а не частотой. Фотоэффект должен наблюдаться при всех частотах. |
1. От интенсивности зависит только число вылетающих электронов в единицу времени , которое определяет величину тока насыщения 2. не зависит от интенсивности, азависит только от частоты падающего света. 3. Существует граничная частота . При частотах, фотоэффект не наблюдается при любых интенсивностях. |
В поглощении света малой интенсивности участвуют все электроны приповерхностного слоя металла, и требуется довольно продолжительное время для того, чтобы какой-то электрон преодолел поверхностный потенциальный барьер. Такой процесс при малой температуре металла маловероятен. |
1. Время задержки эмиссии электронов не зависит от интенсивности. 2. Если , фотоэффект наблюдается при любой, даже самой слабой, интенсивности. |
При столь явном противоречии приходится пересматривать представления на природу электромагнитного излучения. Существует два способа передачи энергии: либо посредством волн, либо посредством частиц. Экспериментальные факты по фотоэффекту склоняют к корпускулярному механизму передачи световой энергии.