Фотоэффект. комптон эффектісі

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 10 бет
Таңдаулыға:

Фотоэффект. Комптон эффектісі

Комптон эффектісі

Комптон эффектісін классикалық электромагниттік теория арқылы түсіндіру мүмкін емес, оны тек кванттық теория бойынша түсіндіреді. Кванттық теория тұрғысынан рентген сәулелері дегеніміз фотондардың ағыны болып табылады. Ал әрбір фотонның белгілі бір энергиясы және импульсі бар. Олай болса, Комптон эффектісі фотонның импульсі мен еркін электрондардың соғылысу нәтижесі деп қарастыруға болады. Бұл соғылысу серпімді болғандықтан фотон мен электрон соғылысқанда оның энергиясы мен импульсі өзгереді, себебі электрон соғылысудың нәтижесінде импульс және кинетикалық энегия алады. Комптон тәжірибиесінде пайдаланған фотондар энергиясы 17, 5 кэВ рентген сәулелері болды. Энергияның осы шамасы ғана электрондардың атомдармен байланысын бұза алады. Жарықтың кванттық қасиеттері 1923 жылы А. Комптон байқаған құбылыста да білінеді. Комптон эффектісі деп рентген сәулелерінің (рентгендік кванттар) металл атомдарынан шашырауы нәтижесінде, оның толқын ұзындығының өзгеруін айтады. Спектрдің көрінетін аймағындағы жарық толқыны үшін, фотоэлектрон энергиясынан рентгендік квант энергиясы көп артық болады. Металдағы электронның байланыс энергиясы рентгенттік квант үшін аздаған кедергі болып табылады, ол электронды еркін деп есептеуге мүмкіндік береді.

Егер фотонның бастапқы энергиясы =hν , импульсі p=hν/c болса (1-сурет) шашыраған фотонның энегиясы E`=hν`, импульсі p`=hν`/c болады.

1-сурет

Тыныштықтағы электрон соқтығысқаннан кейін мына импульспен энергияға ие болады:

P _Э =m , Е _Э =mc²

мұндағы m , m - тыныш күйдегі және қозғалғандағы электронның массалары. Энергияның және импульстің сақталу заңы бойынша:

hν + m c =hν + mc

мұндағы m , c ² - электонның тыныш кұйдегі энергиясы.

1-теңдіктен тауып, оның екі жағын да квадраттайық, сонда

Енді (2. 3. 4) тендіктен (2. 3. 3) тендікті мүшелеп шегерсек және екендігін еске алсақ, мынадай теңдеу шығады: немесе ,

мұндағы , , .

Сонымен ,

мұндағы 0, 0243 нм - Комптон толқын ұзындығы.

Рентген сәулесі заттардан шашыраған кезде олардың толқындарының ұзындығының өзгеруі Комптон эффекті деп аталады.

Жарықтың затқа еткен әсері білінетін құбылыстардың бірі - фотоэлектрлік эффект (фотоэффект) болады. Фотоэффект деп түскен жарық ықпалынан заттан электрондар бөлініп шығу құблысы айтылады. Бұл құбылысты алғаш неміс физигі Г. Герц (1887ж. ) байқаған.

Фоттоэфект құбылысын 1888ж. орыс физигі А. Г. Столетов тереңірек зерттеді. Мұндай құбылыстар сыртқы фоттоэлектрлік құбылыстар деп аталды. Сыртқы фотоэффект құбылысын түсіндіру үшін Столетов мынадай тәжірибе жасады. Анод (А) және катод (К) электродтары бар ішінен ауасы сорылған шыны түтік ток көзімен қосылған. Монохромат жарық сәулелерінің әсерінен котодтан электрондар бөлініп шығады, осындай электрондар фотоэлекрондар , ал олардың ағыны фотоэлектр тогы немесе

Жарық сәулесі

Фотоэффекті зерттеу тәжірибесің схемасы

фототок деп аталады. Тізбектегі фототок гальванометрмен (mА), Б-батарея қоздырған электродтар арасындағы потенциалдар айырымы вольтметрмен V өлшенеді. Шыны түтіктегі катодты толқын ұзындықтары әр түрлі жарық сәулелерімен сәулелендірудің нәтижесінде Столетов мынадай заңдылықтарды қортындылады:

жарық әсерінен катодтан тек теріс зарядты электрондар бөлініп шығатындығы анықталды;
катодқа күлгін және ультракүлгін сәулелер түсірілсе бұл құбылыстың күшейе түсетіндігі байқалды.

3) катодтан бөлініп шығатын электрондардың мөлшері катод бетінің жарықталуына немесе түскен жарық ағынына тура пропорционал болады ( әрбір квант бір электронды жұлып шығады) .

Әсер етуші жарықтың спектрлік құрамы мен оның ағынының қуаты тұрақты болған жағдайда фототоктың I _ф күші А мен К пластинкаларының V потенциалдар айырмасына тәуелді болады.

Фототок нольге теңелген (I=0) кездегі А мен К пластинкалары потенциалдарының айырмасы бөгеуші потенциал ( V ) деп аталады

-фотоэлектронның бастапқы максимал жылдамдығы .

мұндағы ν, ν ₀ - тербеліс жиіліктері,

k, ν ₀ - тұрақты шамалар.

Онда

Егер жарық тербеліс жилігі ν ≤ ν болса, ондай жарық фотоэффект құбылысын қоздыра алмайды; фотоэффект қозу үшін ν > ν ₀ болуға тиіс. Сөйтіп тербеліс жиілігі (ν ) оған сәйкес толқын ұзындығы фотоэффект қоздыра алатын жарық жиілігі мен толқын ұзындығының шеті болып табылады. Толқыны λ -дан ұзын жарық, қаншама күшті болса да, фототок қоздыра алмайды. Сондықтан фотоэффектің «қызыл шегі» деп аталады.

Әр түрлі заттардың фотоэффектік «қызыл шегі» түрліше болады.

Электрон металдан бөлініп шыққанда белгілі жұмыс (шығу жұмысы) істеледі.

Эйнштейнше фотоэффект құбылысы кезінде әрбір электрон жеке бір

фотонның әсерінен бөлініп шығады. Әрбір электрон тек бір фотон энергиясын жұтады. Ол жұтылған фотон энергиясы біріншіден электронды металдан бөліп шығару (А _ш ) жұмысын істеуге жұмсалады, екіншіден фотоэлектронның кинетикалық энергиясына айналады, сөйтіп

мұндағы m - электронның массасы,

- оның металл бетінен бөлініп шыққан кездегі жылдамдығы.

Өрнегі фотоэффект құбылысының Эйнштейн ұсынған теңтеуі деп аталды.

Интерференция, дифракция құбылыстарында жарықтың толқындық қасиеті білінсе, фотоэлектрлік құбылыста оның корпускулалық қасиеттері білінеді. Сөйтіп жарықтық әрі толқындық, әрі корпускулалық қасиеттері бар.

Жарықтың табиғаты екі жақтылы. Осындай екі жақтылық тек жарыққа ғана тән емес, барлық зат бөлшектеріне де тән. Мысалы, электронның корпускулалық қасиеттерімен бірге толқындық қасиеттері де бар. Сол сияқты электрондардың дифракциясы да байқалады. Фотоэлектрлік құбылыстар, фотоэффект - электрмагниттік сәуленің затпен әсерлесуі нәтижесінде пайда болатын электрлік құбылыстар (электр өткізгіштігінің өзгеруі, ЭҚК-нің пайда болуы не электрондар эмиссиясы) .

Бұл құбылыс қатты денелерде, сұйықтықтарда, сондай-ақ газдарда да байқалады. Фотоэлектрлік құбылыстар қатарына рентген сәулелерінің фотоэффектісі мен ядролардың фотоэффекті де жатады. Қатты немесе сұйық денелердің жарық сәулесін (фотондарды) жұтуы нәтижесінде электрондардың бөлініп шығу құбылысы сыртқы фотоэффект делінеді. Мұны 1887 ж. Г. Герц ашқан. Сыртқы фотоэффектіні тәжірибе жүзінде А. Г. Столетов (1888) толық зерттеп, оның бірнеше заңдарын тұжырымдап берген. А. Г. Столетов ашқан фотоэффектінің бірінші заңы былайша тұжырымдалады: максимал фотоэлектрлік ток (қанығу фототогы) түскен жарық ағынына тура пропорционал болады

1905 жылы А. Эйнштейн сыртқы фотоэффект құбылысын жарықтың кванттық теориясы тұрғысынан түсіндіріп берді. Сыртқа қарай бөлініп шыққан электронның максимал кинетик. энергиясының (Емак) шамасы электронға берілген фотонның энергиясы (hv) мен шығу жұмысының (φ) айырымына тең (Емак=hv-φ) екендігі тәжірибе жүзінде дәлелденді. Сыртқы фотоэффектінің бұл екінші заңы, яғни Эйнштейн заңы былайша тұжырымдалады: фотоэлектрондардың максимал энергиясы түскен жарық жиілігіне сызықты тәуелді болып өседі және оның қар қындылығына байланысты болмайды.

Фотоэффекті зерттеу нәтижесінің сызбасы.

Ішкі фотоэффект (фотоөткізгіштік) кезінде жартылай өткізгіштер мен диэлектриктерге түскен жарық (фотон) оларда жұтылады да, сыртқа қарай электрондар бөлініп шықпайды. Сөйтіп, жартылай өткізгіштер мен диэлектриктердің электр өткізгіштігі өзгереді. Ішкі фотоэффектіні 1873 ж. америка физигі У. Смит байқаған. Жарық әсерінен кедергісі кемитін жартылай өткізгіштер фотокедергілер деп аталады. Металл электрод пен сұйық шекарасында байқалатын фотогальваникалық эффектіні 1839 ж. француз физигі А. Э. Беккерель ашты. Ал екі қатты дене шекарасындағы мұндай құбылысты 1876 ж. ағылшын физиктері У. Адамс пен Р. Дей байқаған. Екі заттың түйіскен жеріне жарық түсірілген кезде фотоэлектрлік қозғаушы күш пайда болады. Мұндай зат ретінде әр түрлі жартылай өткізгіштер (электрондық және кемтіктік) немесе жартылай өткізгіш пен металл алынады. Фотогальваник. эффектіге негізделіп жасалған фотоэлектрлік құрылғылар вентильді фотоэлементтер деп аталады.

1. Фотоэлектрондардың максимальдi жылдамдығы түсiп тұрған жарықтың қарқындылығынан емес, оның жиiлiгiнен тәуелдi болады

2. Әрбiр затқа түсiп тұрған жарықтың жиiлiгi фотоэффекттiң қызыл шекарасы деп аталатын қандай да бiр νmin жиiлiгiнен кем болса фотоэффект құбылысы байқалмайды

3. Фотоэффект кезiнде уақыт бiрлiгiнде ұшып шығатын электрондардың саны ( басқа сөзбен айтқанда тiзбектегi қанығу фототогының мәнi ) түсетiн жарық қарқындылығына тура пропорционал.

Фотоэффект құбылысын байқауға болатын тiзбектiң сызбасы мына жерде келтiрiлген.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.