19. Тормозное рентгеновское излучение.

Тормозное рентгеновское излучение возникает при торможении электронов, движущихся с большой скоростью, электрическими полями атомов анода. Условия торможения отдельных электронов не одинаковы. В результате в энергию рентгеновского излучения переходят различные части их кинетической энергии.  Спектр тормозного рентгеновского излучения не зависит от природы вещества анода. Как известно, энергия фотонов рентгеновских лучей определяет их частоту и длину волны. Поэтому тормозное рентгеновское излучение не является монохроматическим. Оно характеризуется разнообразием длин волн, которое может быть представлено сплошным (непрерывным) спектром. Рентгеновские лучи не могут иметь энергию большую, чем кинетическая энергия образующих их электронов. Наименьшая длина волны рентгеновского излучения соответствует максимальной кинетической энергии тормозящихся электронов. Чем больше разность потенциалов в рентгеновской трубке, тем меньшие длины волны рентгеновского излучения можно получить.

- в рентгеновской трубке

- коротковолновая граница

U – разность потенциалов;

ħ=1,05* Дж/с=0,66* Эв/с

Рентгеновская трубка представляет собой вакуумный баллон, в котором находится нагреваемый током катод и расположенный напротив анод (антикатод). Ускорение электронов осуществляется высоким напряжением между катодом и антикатодом.

Под действием напряжения электроны разгоняются до энергии eU. Попав в металлический антикатод, электроны резко тормозят, вследствие чего и возникает так называемое тормозное рентгеновское излучение.

Особенности рентгеновского излучения:

1. уравнение не содержит работы выхода;

2. при фотоэффекте фотон поглощается полностью.

Выводы:

1. рентгеновские лучи состоят из фотонов;

2. энергия рентгеновского фотона много больше энергии фотона видимого света.

Свойства рентгеновского излучения:

1. показатель преломления во всех веществах очень близок к 1;

2. большая проникающая способность.

20. Фотоэлектрический эффект.

Фотоэлектрический эффект (фотоэффект)- это испускание электронов веществом под действием света.

Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта.

В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U, полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны λ. При неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения. 

Экспериментальные закономерности, выраженные графиками, можно сформулировать в виде законов внешнего фотоэффекта:

1. Существует граничная частота света , ниже которой для данного материала катода фотоэффект отсутствует, независимо от интенсивности и продолжительности облучения катода (см. рис. 1). Эта частота соответствует длине волны , которая называется красной границей фотоэффекта.

2. Электроны покидают поверхность катода с различными энергиями, от нуля до максимальной:

, ( запирающая разность потенциалов между катодом и анодом, при которой фототок прекращается), причем значение максимальной кинетической энергии эмитируемых электронов не зависит от интенсивности (см. рис.2) и линейно зависит от частоты (см. рис. 3).

3. При фиксированной частоте излучения число электронов, выбитых из катода в единицу времени, прямо пропорционально интенсивности падающего излучения (см. рис. 2, 4).

Законы фотоэффекта находятся в противоречии с классическими представлениями о волновой природе света. В рамках волновых представлений о свете фотоэффект может быть объяснен следующим образом. В электрическом поле световой волны электрон приходит в колебания. Когда энергия колебаний сделается достаточно большой, электрон может преодолеть задерживающее поле на границе металла и уйти за его пределы, т. е. происходит внешний фотоэффект. Амплитуда вынужденных колебаний электрона пропорциональна амплитуде колебаний вектора напряженности электрического поля падающей на катод электромагнитной волны. Интенсивность падающего света пропорциональна квадрату амплитуды колебаний напряженности электрического поля волны. Следовательно, максимальная скорость покидающих катод электронов должна увеличиваться с возрастанием интенсивности.

В действительности же максимальная скорость фотоэлектронов от нее не зависит. Наличие граничной частоты (красной границы фотоэффекта) также несовместимо с волновыми представлениями о природе света.

Для объяснения фотоэффекта Эйнштейн предположил (1905г.), что поток световой энергии не является непрерывным, а представляет собой поток дискретных порций энергии, называемых квантами или фотонами.

Энергия фотона, соответствующая свету с частотой , равна ,(1), где .

Фотон, столкнувшись с электроном в металле, передает ему всю свою энергию. При столкновении фотона со свободным электроном, передача последнему всей энергии фотона невозможна. Свободный электрон не может поглотить или испустить фотон, потому что при этом не могут быть одновременно соблюдены законы сохранения энергии и импульса.

В металле электроны, обеспечивающие электропроводность, называются свободными, однако они взаимодействуют между собой и ионами кристаллической решетки, поэтому они не могут выйти за пределы объема металла и могут полностью поглотить всю энергию фотона. Если эта энергия достаточно велика, то электрон может преодолеть удерживающие его в металле силы и выйти из металла. Поскольку интенсивность падающего излучения пропорциональна числу фотонов, то от интенсивности излучения зависит число вылетающих электронов. В этом процессе для электронов, вылетающих с максимальной энергией, соблюдается закон сохранения энергии, который можно записать в виде , (2), где – максимальная кинетическая энергия электрона непосредственно после выхода за пределы объема; А – работа выхода – минимальная энергия, которую необходимо передать электрону, находящемуся на поверхности, чтобы он стал свободным. Соотношение (2) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.