Реферат: Квантова природа випромінювання

Куди подівся електрони, коли його вибивають фотони? Коли якась кількість електронів під дією світла вилетіла за межі металу, то метал набуде позитивного заряду, і, зрештою, цей заряд стане настільки великим, що максимальної кінетичної енергії, з якою вилітає електрон, не вистачить, щоб летіти в безмежність. Що тоді буде відбуватися? Електрони вилітають за межі металу і тут же повертаються назад. Це означає, що всякий шматок металу при освітленні повинен мати деякий позитивний заряд, і що він оточений хмаркою електронів біля його поверхні.

Рис.9

Розрізняють фотоефект зовнішній, внутрішній і вентильний. Зовнішнім фотоелектричним ефектом (фотоефектом) називається випромінювання електронів речовиною під дією електромагнітного випромінювання. Зовнішній фотоефект спостерігається у твердих тілах (металах, напівпровідниках, діелектриках), а також у газах на окремих атомах і молекулах (фотоіонізація).

Перші фундаментальні дослідження фотоефекту були виконані російським ученим А. Г. Столетовим. Принципова схема для дослідження фотоефекту наведена на рис. 10. Два електроди (катод Кз досліджуваного металу й анод А – у схемі Столетова застосовувалася металева сітка) у вакуумній трубці ввімкнені до батареї так, що за допомогою потенціометра R можна змінювати не тільки значення, але й знак поданої на них напруги. Струм, який виникає при освітленні катода монохроматичним світлом (через кварцове віконце), вимірювався ввімкненим у ланцюг міліамперметром. Опромінюючи катод світлом різних довжин хвиль, Столетов установив наступні закономірності, які не втратили свого значення до нашого часу:

· найбільш ефективну дію здійснюють ультрафіолетові промені;

· під дією світла речовина втрачає тільки негативні заряди;

· сила струму, яка виникає під дією світла, прямо пропорційна його інтенсивності.

У 1899 р. фізики Ф. Ленард і У. Томсон методом відхилення зарядів у електричному й магнітному полях визначили питомий заряд частинок, які вириваються світлом з катода, довівши, що ці частинки є електронами (рис. 10).

Це було підтверджено в 1922 р. дослідами А.Ф. Йоффе й Н.И. Добронравова, які досліджували фотоефект на мікроскопічних заряджених металевих порошинах.

Рис.10

Внутрішній фотоефект - це викликані електромагнітним випромінюванням переходи електронів усередині напівпровідника або діелектрика із зв'язаних станів у вільні стани без вильоту назовні. У результаті концентрація носіїв струму усередині тіла збільшується, що приводить до виникнення фотопровідності (підвищенню електропровідності напівпровідника або діелектрика при його освітленні) або до виникнення е.р.с.

Вентильний фотоефект - виникнення е.р.с. при освітленні контакту двох різних напівпровідників або напівпровідника й металу (при відсутності зовнішнього електричного поля). Вентильний фотоефект відкриває, таким чином, шляхи для прямого перетворення сонячної енергії в електричну.

6. Ефект Компотна

У свій час був проведений експеримент, який мав підтвердити корпускулярну природу світла, тобто проявлення корпускулярних власти- востей світла при його взаємодії з речовиною. Прикладом такого розсіювання світла на електронах атомів є синє небо. Електрони атомів у верхніх шарах атмосфери коливаються у полі падаючих хвиль з частотою хвилі, випромінюючи вторинні хвилі з тією ж частотою, а вони створюють розсіяне світло. Наведений приклад пояснюються взаємодією світла з речовиною, і підпадає під корпускулярну теорію. Відповідно до корпускулярної теорії розсіювання світлових променів відбувається трохи інакше.

На електрон налітає фотон, який наділений відповідною енергією і імпульсом. Відбувається зіткнення, яке не можна порівняти із зіткненням більярдних куль.

Рис.12

Електрон і фотон якось між собою взаємодіють, а потім розлітаються. Якщо припустити що електрон нерухомий і наділений лише енергію спокою, то після взаємодії з фотоном його енергія зросте, а енергія фотона зменшиться, тобто: . Виходить, розсіяні фотони мають меншу частоту, ніж частота падаючого світла. Подивимося тепер кількісно.

Енергія фотона до зіткнення , а електрона до зіткнення дорівнює енергії спокою . Після зіткнення фотон набуває енергії , а електрон –. Імпульс фотона у проекції на вісь x до зіткнення дорівнює , а після зіткнення . Відповідно у проекції на вісь y імпульс фотона до зіткнення дорівнює 0, а після зіткнення . Закони збереження енергії і імпульсу дають три рівняння:

, (18)

, (19)

. (20)

Ці три рівняння описують зіткнення фотона з електроном. Якщо вважати відомими величинами , а невідомими величини: , а також кути , то маємо п'ять невідомих величин у трьох рівняннях. Це означає, що однозначно описати результат зіткнення фотона і електрона не можна.

Від кута можна позбутися, якщо рівняння (19) і (20) піднести до квадрату і додати, одержимо

. (21)

Будемо визначати частоту розсіювання у вигляді функції від кута розсіювання, тобто . Піднесемо рівняння (18) до квадрату і розв’яжемо систему разом з рівнянням (21), тобто

,

.