Фотонның энергиясы

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 5 бет
Таңдаулыға:

Тақырып 2.

Кванттық оптика элементтері.

Дәріс 2. (1 сағат)

Мақсаты: Кванттық оптика элементтерімен танысу. Негізгі заңдарын және формулаларын оқып білу және есептер шығаруға қолдану.

Жоспар:

Фотоэффект және оның түрлері.
Сыртқы фотоэффект заңдары.
Фотонның жарықтық теориясы. Фотонның массасы, энергиясы және импульсі.
Комптон эффектісі. . Фотоэффект және оның түрлері.

Фотоэффектің түрлері: сыртқы, ішкі, вентильді және көпфотонды фотоэффект.

Электромагниттік сәулеленудің әсерінен заттардан электрондардың шығуы сыртқы фотоэффект деп аталады. Сыртқы фотоэффект қатты денелерде (металдарда, жартылай өткізгіштерде, диэлектриктерде), сондай-ақ жеке атомдар мен молекулалардағы газдарда (фотоионизация) байқалады.

Электромагниттік сәулеленудің әсерінен жартылай өткізгіш немесе диэлектрик ішіндегі электрондардың сыртқа шықпай байланысқан күйлерден бос күйге өтуі ішкі фотоэффект деп аталады. Нәтижесінде дене ішіндегі токты тасымалдаушылардың концентрациясы артады, бұл фотоөткізгіштіктің пайда болуына (жарық түскен кезде жартылай өткізгіштің немесе диэлектриктің электр өткізгіштігінің жоғарылауына) немесе электр қозғаушы күштің (ЭҚК) пайда болуына әкеледі.

Вентильді фотоэффект бұл ішкі фотоэффектінің бір түрі, - бұл (сыртқы электр өрісі болмаған кезде) әртүрлі екі жартылай өткізгіштің немесе жартылай өткізгіш пен металдың түйісулерін жарықтандыру кезінде ЭҚК (фото ЭҚК) - нің пайда болуы. Вентильді фотоэффект күн энергиясын электр энергиясына тікелей түрлендіру жолдарын ашады.

Егер жарықтың қарқындылығы (интенсивтігі) өте үлкен болса (мысалы, лазерлік сәулелерді қолданған кезде) көпфотонды фотоэффект болады. Бұл жағдайда металдан шығатын электрон бір уақытта бір емес, бірнеше фотоннан энергия ала алады.

Фотоэффектінің алғашқы іргелі зерттеулерін орыс ғалымы А. Г. Столетов жүргізді. Фотоэффектіні зерттеудің негізгі сызбасы 2. 1 - ші суретте көрсетілген.

2. 1 - сурет 2. 2 - сурет

Вакуумдық түтіктегі екі электрод (К катоды зерттелетін материалдан және А аноды ретінде Столетов металл торды қолданды) батареяға R потенциометрінің көмегімен берілетін кернеудің тек мәнін ғана емес, сонымен қатар оның таңбасында өзгерте алатындай етіп қосылған. Катодты монохроматтық жарықпен (кварц әйнегі арқылы) жарықтандыру кезінде пайда болатын ток тізбекке қосылған миллиампер - метрмен өлшенеді.

1899 ж. Дж. Томпсон мен Ф. Ленард фотоэффект кезінде жарық заттан электрон - дарды шығаратынын дәлелдеді.

Фотоэффектінің вольт - амперлік сипаттамасы (ВАС) - электрондар ағынымен түзілетін I фототоктың кернеуге тәуелділігі - 2. 2 суретте көрсетілген.

Бұл тәуелділік катодтың екі әртүрлі энергетикалық жарықтандыруына сәйкес келеді (екі жағдайда да жарық жиілігі бірдей) . U артқан сайын фототок біртіндеп өседі, яғни анодқа жететін фотоэлектрондардың саны арта береді. Қисық сызықтың жатық бөлігі электрондардың катодтан әр түрлі жылдамдықпен ұшатындығын көрсетеді.

Токтың максимал мәні I _max - қанығу фототогы - катодтан шыққан барлық электрондар түгелімен анодқа жеткен кездегі U кернеудің мәнімен анықталады:

Мұндағы n, 1 секунд ішінде катодтан шыққан электрондар саны.

ВАС - дан U=0 фототок болатынын көреміз, яғни фототок жоғалмайды. Демек, катодтан ұшып шыққан электрондар белгілі бір бастапқы жылдамдығы болады, яғни нөлден өзгеше кинетикалық энергияға ие, сондықтан олар сыртқы өріссіз де катодқа жетуі мүмкін. Фоток нөлге тең болған кездегі кернеу тежегіш кернеу деп аталады. болғанда, бірде-бір электрон, тіпті ұшып шыққан кезде бастапқы жылдамдығы максимал болған электрондар да тежеуіш өрістен өте алмайды және анодқа жетпейді. Демек, (2. 1. 1) . Яғни, тежегіш кернеуін өлшеу арқылы фотоэлектронның жылдамдығы мен кинетикалық энергиясының максималды мәндерін анықтауға болады.

. Сыртқы фотоэффект заңдары.

А. Г. Столетовтің қазіргі уақытта да өз маңызын жоғалтпаған фотоэффектінің үш негізгі заңы:

І. Түскен жарықтың белгіленген жиілігінде бірлік уақытта катодтан шығатын фотоэлектрондардың саны жарықтың қарқындылығына пропорционал (қанығу фототогы катодтың энергетикалық жарықтығына пропорционал) .

ІІ. Фотоэлектрондардың максималды бастапқы жылдамдығы ( максималды бастапқы кинетикалық энергиясы ) түскен жарықтың қарқындылығына байланысты емес, тек қана оның ν жиілігімен анықталады .

ІІІ. Әрбір зат үшін фотоэффектінің қызыл шекарасы болады , яғни жарықтың минималды жиілігі (заттың химиялық сипатына және оның бетінің күйіне байланысты) одан төмен жиіліктерде фотоэффект құбылысы болмайды .

. Фотонның жарықтық теориясы. Фотонның массасы,

энергиясы және импульсі.

1905 жылы Эйнштейн жалпыланған кванттардың гипотезасы туралы батыл идеяны ұсынды және оны жаңа жарық теориясының (фотоэффектің кванттық теориясына) негізіне қолданды. Эйнштейннің теориясына сәйкес, ν жиілігі бар жарық Планк болжағандай тек шығарылып қана қоймай, сонымен қатар заттарда энергиясы тең жеке үлестермен (кванттармен) таралады және жұтылады . Осылайша, жарықтың таралуын үздіксіз толқындық процесс ретінде емес, вакуумдағы жарықтың (с) таралу жылдамдығымен қозғалатын кеңістікте шоғырланған дискретті жарық кванттарының ағыны ретінде қарастыру керек. Электромагниттік сәулеленудің кванты - фотон деп аталады.

Сонымен, біз толқындық және фотондық теорияға сүйене отырып, металл пластина бетінен ұшып шыққан электронның энергиясын өлшей аламыз.

Толқындық теориядан бастайық және пластина монохроматикалық жарықпен жарықтандырылады делік. Жарық толқыны мына параметрлермен сипатталады: қарқындылығы мен жиілігі (немесе толқын ұзындығы) . Толқындық теория осы сипаттамалар өзгерген кезде келесі құбылыстар пайда болады деп болжайды:

Жарық қарқындылығы артқан кезде ұшып шыққан электрондардың саны және олардың максималды энергиясы артуы керек, өйткені жарықтың өте жоғары қарқындылығы электр өрісі амплитудасының үлкен екенін білдіреді, ал өте күшті электр өрісі энергиясы үлкен электрондарды ұшырып шығарады;
Жарық жиілігі ұшып шыққан электрондардың кинетикалық энергиясына әсер етпеуі керек; кинетикалық энергия тек түскен жарықтың қарқындылығына байланысты.

Фотондық (корпускулалық) теория мүлдем басқа болжам жасайды. Ең алдымен, монохроматтық сәуледегі барлық фотондардың энергиясы бірдей (hν-ге тең) . Жарық сәулесінің қарқындылығының артуы сәуледегі фотондар санының көбеюін білдіреді, бірақ егер жиілік өзгермесе, олардың энергиясына әсер етпейді. Эйнштейннің теориясына сәйкес, электрон металл бетінен жеке фотон соқтығысқан кезде ұшып шығады. Бұл кезде фотонның барлық энергиясы электронға беріледі, ал фотон өмір сүруін тоқтатады. Электрондар металлда тартылыс күштерімен ұсталып тұрғандықтан, металл бетінен электронды ұшырып шығару үшін минималды энергиясы қажет (бұл шығу жұмысы деп аталады және көптеген металдар үшін бірнеше электронвольт шамасын құрайды) . Егер түскен жарықтың жиілігі аз болса, онда энергия және фотонның энергиясы металл бетінен электронды ұшырып шығару үшін жеткіліксіз. Егер болса, онда электрондар металл бетінен ұшып шығады, ал мұндай процесте энергия сақталады, яғни фотонның энергиясы ұшып шыққан электронның кинетикалық энергиясы мен электронды металдан ұшырып шығарған электронның шығу жұмысының қосындысына тең :