fotoelektromos hatás
Előadás 2. A kvantum tulajdonságai fény
Planck kvantum hipotézis vezetett tovább a gondolatot, hogy a fény csak a kibocsátott, de felszívódik adagonként - kvantum. Megerősítést nyert, és tovább kell fejleszteni számos jelenségek, mint például a fényelektromos hatás, a Compton-hatást, és mások.
Külső PhotoEffect úgynevezett elektron emissziós anyag fény hatására. Hertz először 1887-ben megállapította, hogy a túllövés szikrafogót golyók közé nagymértékben megkönnyíti, ha az egyik golyó, hogy megvilágítsa az ultraibolya fény. Ez a jelenség, kísérletek kimutatták Hallwachs (1888) és Stoletova (1888-1890), akkor a fény által okozott kopogtató negatív töltések a fém katód levezető. Ennek alapján a kísérletek Stoletov jött az alábbi következtetéseket: 1) a legnagyobb hatás ultraibolya sugarak 2)
áramerősség növekszik megvilágítás a lemez; 3) által kibocsátott fény díjak negatív.
Ahhoz, hogy tanulmányozza a használata a fotoelektromos hatás a vákuum cső. Katód bevont fém vizsgált megvilágítva monokromatikus fényt. Belül a csövet tartanak nagyvákuumban, mivel a gáz jelenléte nehezítő feltételek és kimeneti átviteli díjat.
Ha az anód és a katód keresztül akkumulátor feszültségkülönbség keletkezik, az elektronok által felszabadított fény hatása alatt a feszültség közötti az anód és a katód lépés, hogy az anód és a követ huzal, zárási a jelenlegi az áramkörben (lásd. 1. ábra). Amikor megvilágítatlan katód áram az áramkörben fénysorompó elérhető.
A függőség a fotoáram feszültségű leírható mint egy grafikont (2. ábra). Létezik a fényáram a negatív feszültség annak a ténynek köszönhető, hogy a fotoelektronokat van nulla mozgási energiát. Azáltal, hogy csökkenti az energia tudnak munkát erőivel szemben a lassító elektromos mezőt a csövet, és eléri az anód. A maximális kezdeti sebességét fotoelektronok # 965; max kapcsolódik a retardáló feszültség aránya Uzad
ahol E és M - elektron töltése és tömege. Amikor a fotoelektromos nulla. Mivel az áram-feszültség fokozatosan növekszik, mivel növeli a fotoelektronok száma eléri az anód. A maximális áramerősséggel Ir úgynevezett telítési fotoáram, és így megfelel a feszültség értékeket, amelyben az összes elektronok kilökődik a katód éri el az anód.
Empirikusan alátámasztott következő alapvető törvényei, a fotoelektromos hatás:
1. A maximális kezdeti sebességét a fotoelektron gyakoriságától függ a fény, és nem függ annak intenzitását.
2. Minden anyag, ott van a vörös szélén a fotoelektromos hatás, azaz a minimális frekvencia jellemző fény # 969; 0 (vagy maximális hullámhossza # 955; 0), amelynél a fényelektromos hatás is lehetséges. Vörös határ függ a kémiai anyag természetétől és állapotától felületén.
3. Az elektronok száma kibocsátott a katód arányában a fénykibocsátás intenzitása (telítési fotoáram arányos a besugárzott a katód).
Magyarázatában az első és második törvények találkozott komoly nehézségeket. Szerint a elektromágneses elmélet, a ejekciós a szabad elektronok a fém kell eredményeként a „ringató” az elektromos mező a fény hullám. Azonban, ebben az esetben, nem világos, miért a maximális kezdeti sebességét, és kinetikus energiája kibocsátott fotoelektronok függ a frekvencia a fény helyett a amplitúdója az elektromos mező vektort oszcilláció és a kapcsolódó hullám intenzitását. Ezek a tények kétségeket ébresztettek az univerzális alkalmazhatóságát a hullám elmélet a fény.
A törvények a fotoelektromos hatás magyarázata szempontjából kvantumelmélet. Az energiamérleg a fotoelektromos hatás fejezi ki Einstein egyenlet
ahol - az energia a fény kvantum, elektronikusan továbbítják. Ha az energia meghaladja az energia kell szakítani az elektron az anyag (a kilépési munka A) kommunikáció, az elektron elhagyja az anyag felületén, immáron mozgási energia, a lehetséges legnagyobb értéke, amely határozzuk meg az Einstein-egyenlet.
Így a külső fotoelektromos hatás csak akkor lehetséges, abban az esetben, amikor a fotonenergia nagyobb, mint, vagy legfeljebb egyenlő a kilépési munkája A. Ennek megfelelően, a megfelelő fotoelektromos küszöbérték frekvencia. Ez csak attól függ az elektron kilépési munka, azaz a a kémiai jellege a fém és az állam a felületén.
Ahhoz, hogy magyarázza az energia eloszlása a emissziós spektruma a termikus egyensúly elegendő, amint azt Plank, feltételezzük, hogy a kibocsátott fény részeket. A magyarázat a fotoelektromos hatás elegendő ahhoz, hogy feltételezzük, hogy az elnyelt fény a változatlan részek. Továbbá, Einstein feltételeztük, hogy a fénysugár a térben a diszkrét szemcsék alakjában - fotonok. Az elektromágneses mező kvantált, azaz Meg lehet képviseli, mint több-kvantum elektromágneses mező - fotonok.
Photon részecskeként speciális tulajdonságai nem utolsósorban azért, mert mozog a fény sebessége. Ezért a klasszikus mechanika képletek alkalmazhatók a mozgását, a foton, és ki kell használni a relativisztikus kapcsolatok. Amellett, hogy az energia # 949; Z = # 969; foton kell tömeg és lendület. A képlet a tömege a foton lehet megkapni a képletből viszonyt kifejező a tömeg és az energia a relativitás
Szerint a relativitáselmélet lendület és az energia a mozgó részecskék v sebességgel. vannak
De ahogy a foton mozog a fény sebessége, a nevező eltűnik, és azt kapjuk, hogy p = ∞, és E = ∞. Ez azt jelenti, hogy a test nem tud nem gyorsítja a fény sebességét. Abban az esetben, a foton kell kiindulni, hogy a nyugalmi tömege m0 = 0; a természetben, nincs pihenő fotonok. Nyilvánvaló, hogy a fenti általános képletű (2,4) nem alkalmasak, mivel a 0/0 típusú van bizonytalanság. Törlése (2.4) a v sebességgel. Kapunk egy viszonyát impulzus energia és
Mivel foton lendület, majd, találkozó az úton semmilyen akadályt, a foton fluxus kell nyomást gyakoroljon akadályt a ugyanúgy, mint a molekulák egy nyomás alatti gáz a véredény falához. Ez az első alkalom Lebedev kísérletileg mért nyomás a fény, és megerősítette a pulzus fotonok. Azonban meg kell jegyezni, hogy a kutatási Lebedev irányított nem korpuszkuláris elmélet a fény és a Maxwell-elmélet, ami szintén arra enged következtetni, hogy létezik a fény nyomást. Mindkét elmélet adni ugyanazt a képletet a fény nyomást
# 961; - a visszaverődés a fény a testfelület. Ez azért van, mert a kapcsolat a lendület és foton energiája azonos lévő energia közötti viszonyt és a lendület az elektromágneses mező p = E / c.
Ha bevezetjük a hullámot. a kifejezés (2,5) átírható formájában
impulzus iránya ugyanaz, mint a a fény terjedési irányában, azzal jellemezve, hogy egy hullám vektor k. számszerűen megegyezik a hullámhossza.
Így, mint minden foton vagy mozgó részecske szervezet rendelkezik az energia, tömeg és lendület. Mindhárom jellemzők foton korpuszkuláris hullám kapcsolatos jellemzőit - hullámhossz vagy frekvencia. Részecske tulajdonságait a foton nem feledtetheti, hogy olyan jelenségek, mint diffrakciós és interferencia, csak úgy magyarázhatjuk alapján hullám ábrázolások.
Következésképpen, a fényt érzékeli a hullám-részecske kettősség (kettősség): bizonyos jelenségek nyilvánul annak hullám természete, és úgy viselkedik, mint egy elektromágneses hullám; mások - azt mutatja, a korpuszkuláris fény természetéről, és úgy viselkedik, mint egy patak fotonok.
Quantum tulajdonságait a fény mutatja a hatás Compton felfedezett 1923-ban azáltal, hogy a szórási monokromatikus röntgensugárzás. Vázlatosan Compton tapasztalat az alábbiak szerint ábrázolható:
Irán - X-ray forrás
D - fókuszban nyílás
PB - fényszóró anyagból
# 920; - szórási szög
A kísérletben azt találtuk, hogy amellett, hogy a szórt fény az eredeti hullámhosszú sugárzás # 955; is tartalmaz egy hosszabb hullámhosszú sugarak # 955;”. A különbség azt találtuk, hogy csak attól függ a szög # 952;, által alkotott az irányt a szórt sugárzás a primer sugárnyaláb irányába. Ami a klasszikus hullám elmélet, lehetetlen volt, hogy ismertesse a Compton hatást. Ezen elmélet szerint, a fényszórás egy folyamat újra-kibocsátása elektromágneses hullámok az elektronok. Az elektronok alávetni kényszerrezgés hatása alatt a területén az elektromágneses hullám. Kényszerrezgés előfordulhat frekvencián a hajtóerő. Ennek eredményeképpen, az anyag ne lépjen fel az elektromágneses hullám azonos frekvencián (vagy hullámhossz).
Mivel a kvantumpont a szórás lehet tekinteni, mint egy folyamat rugalmas ütközés fotonok szinte szabad elektronokat. Meg lehet tekinteni a szabad külső elektronok kötési energiát az atom, amely lényegesen kisebb, mint az energia, amely a foton átadhatja egy elektron ütközés.