Фотоэффект - испускание электронов веществом под действием света[38].
|
Внешним фотоэффектом называется испускание электронов с поверхности вещества под действием света.
Фотоэлектронами называются электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте.
Фототоком называется электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле.
Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием света. Он проявляется в изменении концентрации носителей тока в среде и приводит к возникновению фотопроводимости.
|
Характер зависимости фототока в трубке от разности потенциалов U анода А и катода К при постоянной энергетической освещенности катода монохроматическим светом изображен на ВАХ (вольт-амперной характеристике) .
|
1. Фототок увеличивается с ростом напряжения лишь до определенного предельного значения, называемого фототоком насыщения. При фототоке насыщения все электроны, вылетающие из катода под влиянием света, достигают анода.
2. Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. Анода могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает |eU|. Если напряжение на аноде меньше, чем –Uз, фототок прекращается. Измеряя Uз, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:
,
где е = 1,6 ∙10-19 Кл - абсолютная величина заряда электрона,
т =9,1∙10-31 кг - масса электрона.
В ходе экспериментов было установлено, что величина Uз не зависит от интенсивности падающего светового потока и линейно возрастает с увеличением частоты ν света.
Законы внешнего фотоэффекта
1-й закон (.Закон Столетова): фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на фотокатод:
~ 
или 
~ .
Часто этот закон формулируется следующим образом: количество электронов, вырываемых светом поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии волны.
2-й закон: для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.
Часто этот закон формулируется следующим образом: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
3-й закон: для каждого фотокатода существует красная граница внешнего фотоэф фекта, т. е. минимальная частота света 
, при которой еще возможен внешний фотоэффект; частота зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности.
Второй и третий законы внешнего фотоэффекта не удается истолковать на основе классической электромагнитной теории света. Согласно этой теории вырывание электронов проводимости из металла является результатом их «раскачивания» в электромагнитном поле световой волны, которое должно усиливаться при увеличении интенсивности света и пропорциональной ей энергетической освещенности фотокатода.
Лишь квантовая теория света позволила успешно объяснить законы внешнего фотоэффекта. Развивая идеи М. Планка о квантовании энергии атомов - осцилляторов, А. Эйнштейн высказал гипотезу о том, что свет не только излучается, но также распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде отдельных дискретных квантов электромагнитного излучения - фотонов.
Все фотоны монохроматического света частоты 
имеют одинаковую энергию
или 
,
h = 6,625∙10-34 Дж∙с – постоянная Планка;
с ≈ 3∙108 м/с – скорость света в вакууме;
- частота [Гц];
- длина волны, [м];
- энергия фотона, [Дж].
В случае поглощения света веществом каждый поглощенный фотон передает всю свою энергию частице вещества. Например, при внешнем фотоэффекте электрон проводимости металла, поглощая фотон, получает его энергию .
Для выхода из металла электрон должен совершить работу выхода 
. Каждое вещество характеризуется своей работой выхода. Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные элементы. Например, у натрия = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта λкр ≈ 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света.
Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: 
-
выражает закон сохранения энергии при фотоэффекте.
Следствие 1. Закон фотоэффекта может быть записан в разных видах, в зависимости от входных данных:
| Энергия фотона |
= | Работа выхода |
+ |
| ||
| 
| 
| ||||
| 
| 
| ||||
| 
| 
|
или 
- энергия фотона, [Дж ], [эВ] (электронвольт);[39]
Авых- работа выхода, [Дж ], [эВ] (электронвольт);
-- кинетическая энергия электрона, [Дж ], [эВ] (электронвольт);
m - масса электрона mе =9,1095 ∙10-31 кг;
- скорость фотоэлектрона, [м/с];
e – элементарный электрический заряд (1,6×10 -19 Кл);
Uз - задерживающая разность потенциалов, [В];
l - длина волны, [м];
n - частота, [Гц];
c – скорость света в вакууме (c ≈ 3×108 м/с);
h – постоянная Планка (h = 6,63×10-34 Дж×с).
Следствие 2. Из уравнения Эйнштейна непосредственно вытекает второй закон фотоэффекта. Так как
, то 
Таким образом, 
и U з зависят только от частоты света и работы выхода электрона из фотокатода.
Следствие 3. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты света по линейному закону 
.:
Следовательно, красная граница зависит только от работы выхода электрона из металла.
|
Следствие 4. Фотоэффект безынерционен, т.е. испускание фотоэлектронов начинается сразу же, как только на фотокатод падает свет с частотой 
. Это свойство внешнего фотоэффекта является еще одним подтверждением квантового характера взаимодействия света с веществом. Согласно классическим волновым представлениям требуется довольно значительное время для того, чтобы электромагнитная волна заданной интенсивности могла передать электрону энергию, достаточную для совершения им работы выхода.
|
Укажите верные утверждения: 1) зависимости получены для двух различных металлов; 2) с помощью этих зависимостей можно определить значение постоянной Планка; 3) А2 < А1, где А1 и А2 – значения работы выхода электронов из соответствующего металла.
6.9.Определите максимальную скорость фотоэлектронов, вырываемых с поверхности металла, если фототок прекращается при приложении задерживающего напряжения 3,7 В.
6.10.Определите работу выхода электронов из вольфрама, если «красная граница» фотоэффекта для него 275 нм.
6.11.Калий освещается монохроматическим светом с длиной волны 400 нм. Определите наименьшее задерживающее напряжение, при котором фототок прекратится. Работа выхода электронов из калия равна 2,2 эВ. [0,91 В]
6.12. «Красная граница» фотоэффекта для некоторого металла равна 2750 А. Найдите: 1) работу выхода электрона из этого металла, 2) максимальную скорость электронов, вырываемых из этого металла светом с длиной волны 1800 А; 3) максимальную кинетическую энергию этих электронов. [1) 4,5 эВ; 2) 9,1∙105 м/с; 3) 3,8∙10-19 Дж]
6.13.Выбиваемые при фотоэффекте электроны при облучении фотокатода светом с длиной волны 400 нм полностью задерживаются обратным напряжением 1,2 В. Определите «красную границу» фотоэффекта. [652 нм]
6.14.Определите, до какого потенциала зарядится уединенный серебряный шарик при облучении его ультрафиолетовым светом длиной волны 280 нм. Работа выхода электронов из серебра равна 4,7 эВ. [1,27 В]
6.15.При освещении вакуумного фотоэлемента монохроматическим светом с длиной волны 0,4 мкм он заряжается до разности потенциалов 2 В. Определите, до какой разности потенциалов зарядится фотоэлемент при освещении его монохроматическим светом с длиной волны 0,3 мкм. [ 3,04 В]
|
излучения, рассеянного под углом 
к направлению распространения первичного монохроматического излучения с длиной волны , больше на величину 
,
зависящую только от угла :
или 
,
называется комптоновское смещение;
с ≈ 3∙108 м/с – скорость света в вакууме;
- угол, под которым рассеивается луч, после прохождения препятствия;
mе = 9,1∙10-31 кг – масса покоя электрона.
h = 6,625∙10-34 Дж∙с – постоянная Планка;
lК=2,436 пм – Комптоновская длина волны
=2,436 пм - комптоновская длина волны электрона;
Эффект Комптона отличается от фотоэффекта тем, что фотон передает частицам вещества свою энергию не полностью. Эффект Комптона не удается объяснить на основе классической волновой теории света.
Следовательно:
1.В рассеянном излучении наряду с исходной длиной волны появляется излучение с длиной волны , причем > . Изменение длины волны называется комптоновским смещением
или 
.
2.Комптоновсое смещение не зависит от химического состава рассеивающего вещества.
3.Комптоновское смещение пропорционально ( 
,
где - угол рассеяния, и не зависит от состава рассеивающего вещества.
В отличие от рассеяния фотонов, осуществляющегося как на свободных, так и на связанных электронах, поглощать фотоны могут только связанные электроны. Например, при внешнем фотоэффекте фотон поглощается связанным электроном, который расходует часть полученной энергии на совершение работы выхода, являющейся мерой связи электрона в веществе.
Согласно квантовой теории, эффект Комптона является результатом упругого столкновения рентгеновского фотона со свободным или почти свободным электроном (у легких атомов энергия связи электрона с атомом значительно меньше энергий рентгеновского фотона). При этом фотон передает электрону часть своей энергии и часть своего импульса в соответствии с законами сохранения энергии и импульса.
Фотон -(от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») - элементарная частица, квант электромагнитного излучения (света); не имеет массы покоя и заряда; существует только двигаясь со скоростью света.
Фотон всегда движется со скоростью света, а его масса покоя равна нулю.
Энергия фотона равна , с другой стороны, энергию можно найти из закона взаимосвязи массы и энергии 
.
где - частота света,
h = 6,625∙10-34 Дж∙с – постоянная Планка,
- энергия фотона, [Дж].
Масса фотона: 
.
Импульс фотона: 
.
- постоянная М.Планка,
v – частота [Гц];
c ≈ 3×108 м/с– скорость света в вакууме.
- длина волны[м].
Корпускулярно-волновая двойственность свойств света. Такие явления, как интерференция и дифракция света, убедительно свидетельствуют о волновой природе света. В то же время закономерности равновесного теплового излучения, фотоэффекта и эффекта Комптона можно успешно истолковать только на основе квантовых представлений о свете, как о потоке дискретных фотонов. Однако волновой и квантовый (корпускулярный) способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так как свет одновременно обладает и волновыми и корпускулярными свойствами. Он представляет собой диалектическое единство этих противоположных свойств.
Основные уравнения, связывающие волновые свойства света (частоту и длину волны в вакууме ) и его корпускулярные свойства (энергию фотона и импульс фотона):
= 
.
6.16.Найдите массу фотона: 1) красных лучей света (λ = 700 нм), 2)рентгеновских лучей (λ = 25 пм), 3) гамма-лучей (λ =1,24 пм). [1) 3,2∙10-36 кг; 2) 8,8∙10-32 кг; 3) 1,8∙10-30 кг]
6.17.С какой скоростью должен двигаться электрон, чтобы его импульс был равен импульсу фотона с длиной волны 520 нм?
6.18.Какую энергию должен иметь фотон, чтобы его масса была равна массе покоя электрона?
6.19.Определите максимальное изменение длины волны при комптоновском рассеянии: 1) на свободных электронах; 2) на свободных протонах.
6.20.Определите угол рассеяния фотона, испытавшего соударение со свободным электроном, если изменение длины волны при рассеянии равно 3,62 пм.
6.21.Фотон с длиной волны 5 пм рассеялся под углом 90° на свободном электроне. Определите: 1) изменение длины волны при рассеянии, 2) энергию электрона отдачи, 3) импульс электрона отдачи. [1)2,43 пм; 81,3 кэВ; 3) 1,6∙10-22 кг∙м/с]
6.22.Фотон с энергией 0,3 МэВ рассеялся под углом 180° на свободном электроне. Определите долю энергии фотона, приходящуюся на рассеянный фотон. [0,461]
6.23.Фотон с энергией 0,25 МэВ рассеялся на первоначально покоившемся свободном электроне. Определите кинетическую энергию электрона отдачи, если длина волны рассеянного фотона изменилась на 20%. [41,7 кэВ]
Дата: 2019-04-23, просмотров: 224.
