Фотоэффект

Схема экспериментальной установки
1887 Герц
1888 -1890 Столетов

Зависимость силы фототока от приложенного напряжения.

ТОК насыщения
Фототок достигает насыщения
Ток насыщения пропорционален интенсивности падающего света
Все электроны, вырванные из катода долетели до анода

При U=0 фототок существует
У некоторых электронов хватает кинетической энергии, чтобы долететь до анода без ускоряющего внешнего поля
Чтобы тока не было, надо развернуть вылетевшие с катода электроны в обратную сторону – приложить напряжение другого знака

При приложении отрицательного напряжения электрическое поле тормозит фотоэлектроны .
При некотором напряжении фототок прекращается
Напряжение определяет максимальную кинетическую энергию электронов

Основные закономерности фотоэффекта
1. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света
2.Фототок возникает мгновенно после освещения катода

3. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности.

4. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота при которой еще возможен внешний фотоэффект.

ФОТОЭФФЕКТ НЕВОЗМОЖНО ОБЪЯСНИТЬ С КЛАССИЧЕСКОЙ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ

УРАВНЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА
Свет не только испускается, но распространяется и поглощается отдельными порциями – КВАНТАМИ
Кванты электромагнитного излучения наз. ФОТОНАМИ
Энергия одного кванта

Квант света может поглотиться только одним электроном
Поэтому количество вырванных электронов пропорционально интенсивности света
Обмен энергии происходит почти мгновенно – безинерционность фотоэффекта

Уравнение Эйнштейна – закон сохранения энергии:
Энергия фотона расходуется на вырывание электрона из металла (работа выхода –A=const)
и на сообщение вылетевшему электрону кинетической энергии (Т)

CУЩЕСТВУЕТ КРАСНАЯ ГРАНИЦА ФОТОЭФФЕКТА,
Т.е. МИНИМАЛЬНАЯ ЧАСТОТА ПАДАЮЩЕГО СВЕТА ,
ПРИ КОТОРОЙ ЕЩЕ ВОЗМОЖЕН ФОТОЭФФЕКТ

Работы выхода для некоторых металлов
Калий
Литий
Платина
Рубидий
Серебро
Цезий
Цинк
2,2
2,3
6,3
2,1
4,7
2,0
4,0

Чтобы фототок исчез необходимо приложить задерживающее напряжение

МАССА И ИМПУЛЬС ФОТОНА

Масса фотона
Импульс фотона
Формула де Бройля

Корпускулярные свойства частицы(импульс, масса) связываются с ее волновыми свойствами ( частота)

ЭФФЕКТ КОМПТОНА
Экспериментальное подтверждение существования импульса фотона 1920 г

Комптон исследовал процесс столкновения фотонов с электронами.
проявление в законе сохранения импульса
Рентгеновское излучение – это электромагнитные волны с энергией от 10 эВ до 1 МэВ, обладающее высокой проникающей способностью.

Рентгеновская трубка создает поток рентгеновского излучения с длиной волны
Графитовый образец
Рассеиваясь лучи попадали на кристалл
Отражаясь от него по закону Вульфа-Брэггов регистрировались счетчиком

Классическая теория- происходят вынужденные колебания электронов с частотой вынуждающей силы
У рассеянных фотонов должна быть длина волны

Эффектом Комптона называется
Упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных (или слабо связанных с атомами) электронах вещества.
При этом наблюдается увеличение длины волны рассеянного излучения в зависимости от угла рассеяния

Pγ
Pγ´
Pγ
Pe

Pe – Импульс электрона после столкновения
Pγ ´– Импульс фотона после
столкновения
Pγ – Импульс фотона до
столкновения

Фотон, столкнувшись с электроном, передает ему часть своей энергии и импульса и изменяет направление своего движения (рассеивается).
Электрон, получивший скорость после столкновения с фотоном, называется электроном отдачи.
Выполняются законы сохранения энергии и импульса. Для расчетов удобно выбирать систему отсчета, в которой электрон первоначально покоился.

Закон сохранения импульса

По теореме косинусов

Закон сохранения энергии
- Энергия падающего фотона
- Энергия рассеянного фотона
- Энергия покоящегося электрона
- Энергия электрона отдачи

Изменение длины волны
Θ – угол рассеяния
пм – комптоновская длина волны