Квантавыя ўласцівасці выпраменьвання Вонкавы фотаэфект




Дата канвертавання16.04.2018
Памер445 b.


Л2. Квантавыя ўласцівасці выпраменьвання

  • 1. Вонкавы фотаэфект

  • 2. Раўнанне Эйнштэйна

  • 3. Законы вонкавага фотаэфекту

  • 4. Прымяненне фотаэфекту

  • 5. Ціск святла

  • 6. Доследы Вавілава

  • 7. Дослед Ботэ

  • 8. Эфект Комптана


Вонкавы фотаэфект

  • Вонкавы фотаэфект – з’ява вырывання электронаў з паверхні рэчыва пад уздзеяннем электрамагнітнага выпраменьвання.

  • 1887г. – дослед Г.Герца (ням.фіз) па электрычнаму разраду ў паветры.

  • Для прабоя паветранага прамежка разрадніка патрэбна напружанасць электрычнага поля Е≈30000В/см.

  • Пры апраменьванні катода

  • электрычны разрад

  • адбываецца пры меншай

  • напружанасці поля.



  • 1888г. – дослед нямецкага фізіка В.Гальвакса па разрадцы электраскопа пад уздзеяннем выпраменьвання, якое накіроўвалася на сферу электраскопа.

  • Электраскоп губляе свой

  • зарад у тым выпадку,

  • калі на сферы знаходзіцца

  • адмоўны электрычны зарад.



  • 1888-1889г. – доследы Д.І.Сталетава (рас.фіз.) па вонкаваму фотаэфекту.

  • Дзве пласціны – адна суцэльная, другая ў выглядзе сеткі.

  • З боку сеткі С накіроўвалася выпраменьванне Ф, якое падала на пласціну П.



  • Высновы Сталетава:

  • 1. Гальванометр Г фіксаваў ток, калі на пласціне быў адмоўны патэнцыял.

  • 2. З пласціны П выпраменьванне вырывае часціцы з адмоўным зарадам.

  • 3. Велічыня фотатоку прапарцыйна патоку выпраменьвання.

  • 4. Эфектыўнасць фотаэфекту павялічваецца з павелічэннем частаты выпраменьвання.



  • 1898г. – дослед Ф.Ленарда і Д.Д.Томсана (англ.фіз.) па высветленню роду часціцы, якая вырываецца пры вонкавым фотаэфекце.

  • Устаноўлена, што стасунак зарада часціцы да яе масы е/m =1,76.1011Кл/кг, што адпавядае электрону.



  • У выніку доследу Ленарда і Томсана атрымана вольт-амперная характарыстыка I=f(U).

  • Фотаток насычэння вызначаецца колькасцю электронаў, якія вырываюцца ў адзінку часу Iн=еn.

  • Пры U=Uз (затрымліваючае напружанне) фотаток становіцца роўным нулю I=0.



Раўнанне Эйнштэйна

  • 1905 год – Эйнштэйн развівае ідэю Планка аб дыскрэтнасці выпраменьвання і стварае тэорыю вонкавага фотаэфекту.

  • Згодна гэтай тэорыі не толькі выпраменьванне энергіі носіць дыскрэтны характар, але і паглынанне энергіі ажыццяўляецца толькі цэлымі порцыямі  = h.

  • Пры гэтым кожны фатон можа ўзаемадзейнічаць толькі з адным электронам.



  • На аснове закону захавання энергіі Эйнштэйн запісвае раўнанне вонкавага фотаэфекту, якое носіць яго імя

  • h - энергія фатона,

  • А – работа выхаду электрона,

  • m2/2 – кінетычная энергія фотаэлектрона,

  • =max – максімальная скорасць фотаэлектрона.



  • Раўнанне Эйнштэйна чытаецца:

  • энергія кванта выпраменьвання h, якая падае на паверхню металу, траціцца на работу выхаду А электрона з металу і на наданне гэтаму электрону кінетычнай энергіі m2/2.



  • Пры спыненні фотаэфекту вонкавым адмоўным электрычным полем мае месца роўнасць

  • У гэтым выпадку раўнанне Эйнштэйна мае выгляд



  • 1916г. – Р.Мілікен эксперыментальна вызначае работу выхаду электрона з металу і даследуе залежнасць максімальнай кінетычнай энергіі фотаэлектронаў ад частаты выпраменьвання Еmax=f().

  • На аснове атрыманых даных і раўнання Эйнштэйна h = A + eU3 ён атрымлівае значэнне пастаяннай Планка h, якое дабра супадала са значэннямі, атрыманымі іншымі метадамі.

  • Гэта была першая даволі дакладная праверка раўнання Эйнштэйна.



  • Больш дакладная праверка раўнання Эйнштэйна была праведзена ў 1928 г. П.І.Лукірскім і С.С.Прылежаевым.

  • У сваім доследзе яны замянілі плоскі кандэнсатар, якім да гэтага карысталіся ўсе эксперыментатары, на сферычны.

  • Была атрымана залежнасць Emax=f() у выглядзе прамой.



  • Пункт перасячэнне гэтай прамой з восю абсцыс вызначаў мінімальную частату фотаэфекту 0, з восю ардынат – работу выхаду A фотаэлектрона.

  • Пры гэтым тангенс вугла нахілу прамой да восі абсцыс вызначаў пастаянную Планка



Законы вонкавага фотаэфекту

  • 1. Сіла току насычэння прапарцыйна светлавому патоку, які падае на паверхню рэчыва

  • 2. Максімальная скорасць фотаэлектронаў павялічваецца з ростам частаты выпраменьвання і не залежыць ад яго інтэнсіўнасці



  • 3. Фотаэфект можа быць вызваны выпраменьваннем, частата якога вызначаецца ўмовай

  • Частата о = А/h называецца чырвонай мяжой фотаэфекту.



  • Законы вонкавага фотаэфекту пацвярджаюцца раўнаннем Эйнштэйна:

  • 1. Iн = Ф. Чым большы паток Ф, тым большая колькасць фатонаў N і іх энергія Nh=N(A+m2/2) – вырываецца большая колькасць электронаў – ток насычэння павялічваеццца.

  • 2. max = k. З раўнання Эйнштэйна m2/2 = h - А бачна, што пры павелічэнні частаты, скорасць павялічваецца.

  • 3. hA. Гэта характэрна для пачатку фотаэфекту ці яго спынення =0 (электроны не вылятаюць з металу).



Прымяненне фотаэфекту

  • На фотаэфекте заснавана дзеянне прыёмнікаў выпраменьвання – фотаэлементаў, якія ператвараюць светлавы сігнал у электрычны.

  • З’ява вонкавага фотаэфекту ляжыць у аснове работы вакуумных і газанапоўненых фотаэлементаў.

  • Вакуумныя фотаэлементы вырабляюцца ў выглядзе шклянога балона.



  • Амаль палова ўнутранай паверхні шклянога балона пакрыта слоем адчувальнага да святла рэчывам.

  • Гэты слой з’яўляецца фотакатодам К.

  • У цэнтры балона знаходзіцца анод А.

  • На катод і анод

  • падаецца напружанне, фотаэлектроны

  • рухаюцца да аноду –

  • утвараецца фотаток.



  • Асноўнай характарыстыкай фотаэлементаў з’яўляецца адчувальнасць, якая вызначае велічыню фотатоку, які ствараецца патокам выпраменьвання ў 1лм

  • Большасць фотаэлементаў маюць сурмяна-цэзіявыя ці кіслародна-цэзіявыя катоды, якія валодаюць вялікай фотаадчувальнасцю.

  • Сурмяна-цэзіявыя адчувальны да бачнага і ўльтрафіялетавага выпраменьвання (~ 50 – 150 мкА/лм); кіслародна-цэзіявыя – да іфрачырвонага (~ 20 – 80 мкА/лм).



  • Для павелічэння адчувальнасці балон фотаэлемента запаўняюць інертным газам, неонам ці аргонам пры ціску ~ 0,01 мм.рт.сл.

  • Павелічэнне фотатоку адбываецца за кошт іанізацыі газу.

  • Фотаадчувальнасць газанапоўненых фотаэлементаў ~ 1000 мкА/лм.



  • Для ўзмацнення фотатоку выкарыстоўваюць з’яву другаснай электроннай эмісіі, якая ляжыць у аснове работы фотаэлектроннага памнажальніка (ФЭП).

  • ФЭП уяўляе сабой вакуумны фотаэлемент з шэрагам прамежкавых электродаў (дзінодаў) D1, D2,…Dn (іх бывае да 10-15).



  • Ток у ланцугу нагрузкі перавышае фотаток у (105-108) раз.

  • Адчувальнасць ФЭП дасягае 103А/лм.



  • Прымяненне фотаэлементаў:

  • 1. Для ўзнаўлення гуку ў кіно, атрымання відарыса ў тэлебачанні.

  • 2. У аўтаматычных і тэлемеханічных сістэмах (фотаэлемент – рэле): падлік дэталяў на канвейеры і кантроль іх памераў; ахоўная сігналізацыя; аўтаматыка дзвярэй, турнікетаў, кавальскіх молатаў; уключэнне і выключэнне вулічнага асвятлення, марскіх маякоў і інш.

  • 3. У ваеннай тэхніцы: прыборы начнога бачання, цеплавізары, лазерныя прыцэлы, саманаводныя снарады і ракеты, сістэмы супрацьпаветранай абароны і г.д.



  • 4. У якасці фотаметрычных прыбораў: фатометры, люксметры, экспанометры, якія выкарыстоўваюцца для вымярэння светлавога патоку і асветленасці.

  • 5. ФЭП для фіксацыі вельмі малых светлавых патокаў і асобных успышак у спектраметрыі; падліку сцынтыляцый у ядзернай фізіцы; назірання біялюмінесцэнцыі.

  • 6. У сонечных батарэях (сукупнасць вентыльных фотаэлементаў) – пераўтварэнне сонечнай энергіі ў электрычную.



Ціск святла. Доследы Лебедзева

  • Паколькі фатоны валодаюць імпульсам (mc), то светлавы паток павінен утвараць ціск на паверхню, на якую ён падае.

  • Пры ўзаемадзеянні патоку фатонаў з паверхняй адбываецца перадача імпульсу фатонаў гэтай паверхні, што прыводзіць да ўзнікнення імпульсу сілы (Ft) і стварэння ціску (р = F/S).

  • Эксперыментальна светлавы ціск упершыню выявіў і вызначыў у 1900г. П.М.Лебедзеў.



  • Для вызначэння ціску быў выкарыстаны лёгкі падвес у выглядзе карамысла на вельмі тонкай і пругкай нітцы.

  • Да падвесу былі прымацаваны лёгкія крылцы ў выглядзе дыскаў таўшчынёй ад 0,01 да 0,1мм.

  • Ціск вызначаўся па вуглу закручвання ніткі.

  • Значэнне ціску аказалася прыблізна роўным р ~ 5мкПа.



  • 1900год – доследы П.М.Лебедзева

  • па вызначэнню ціску святла.

  • Ф – светлавы паток,

  • К – крылца,

  • П – пругкі падвес,

  • СП – светлавы

  • прамень,

  • Л – люстэрка,

  • Ш – шкала.



Эксперыментальная ўстаноўка Лебедзева

  • Эксперыментальная ўстаноўка Лебедзева



Праблемы эксперыменту:

  • 1. Радыёметрычны эфект – святло паглынаецца крылцамі, іх тэмпература змяняецца з розных бакоў неаднолькава, частка цяпла пры гэтым перадаецца малекулам навакольнага газу, іх скорасць узрастае, ціск павялічваецца і перабольшвае светлавы.

  • Радыёметрычны эфект можна зменшыць, калі выкарыстаць вельмі тонкія крылцы і змясціць устаноўку ў вакуумную камеру.



  • 2. Канвекцыйныя патокі – яны праяўляюцца пры нахільным становішчы крылцаў і залежаць ад напрамку святла, якое на іх падае.

  • Каб ліквідаваць канвекцыйныя патокі, Лебедзеў праводзіў вымярэнні пры розных напрамках асвятлення паверхні крылцаў.



Тэорыя Максвэла

  • На падставе электрамагнітнай тэорыі Дж.Максвэл у 1873 г. ацаніў велічыню светлавога ціску (у той час эксперыментальнымі данымі пра светлавы ціск навука не валодала).

  • Вектары В і Е ляжаць у

  • плоскасці П.

  • Пад уздзеяннем электрычнай

  • сілы fэ= qE дадатныя і

  • адмоўныя зарады зрушваюцца

  • ўздоўж паверхні, утвараючы

  • паверхневы ток I.



  • Магнітныя сілы fм накіраваны перпендыкулярна I і В - унутр цела і зарады “ўціскаюцца” ў яго – ствараецца ціск святла р.

  • Скорасць зарадаў  ~ Е,

  • магнітныя сілы fм ~ [. B]

  • ці [E.B], а гэты здабытак прапарцыйны шчыльнасці

  • энергіі хвалі .

  • Па Максвэлу р = (1+) ,

  •  - каэфіцыент адбіцця.



Квантавая тэорыя

  • Вядома, што пры змяненні імпульсу цела ўзнікае імпульс сілы

  • Колькасць фатонаў у цыліндры (V = cdt dS)

  • дзе n канцэнтрацыя фатонаў.

  • Колькасць адбітых фатонаў

  • дзе  - каэфіцыент адбіцця.

  • Колькасць паглынутых фатонаў



  • Змяненне імпульсу адбітага фатона

  • Змяненне імпульсу паглынутага фатона

  • Імпульс сілы роўны сумарнаму змяненню імпульсу ўсіх фатонаў

  • Ціск святла



  • Шчыльнасць светлавой энергіі

  • дзе Ф – светлавы паток, S – плошча паверхні, с – скорасць святла.

  • У выніку атрымліваем, што ціск святла

  • Згодна эксперыменту



Доследы Вавілава

  • У выніку гэтых доследаў былі выяўлены флуктуацыі слабых светлавых патокаў.

  • Адаптаванае да змроку вока валодае парогам адчувальнасці, магутнасць якога Фmin ~ 4 . 10-17 Вт, што адпавядае 100 фатонам у секунду.

  • У вобласці парога адчувальнасці ў вока пападае, то большая колькасць фатонаў, напрыклад 105, то меншая, напрыклад 95 – вока не ўспрымае святло ( у сярэднім 100).



  • Розная колькасць фатонаў гаворыць аб тым, што паблізу парога зрокавага адчування павінны назірацца “мігаценні”, якія вызваны флуктуацыямі светлавога патоку, калі святло па сваёй структуры з’яўляецца квантованым (дыскрэтным).

  • Асноўным інструментам у доследзе Вавілава з’яўлялася чалавечае вока.



Доследы Вавілава

  • Вока В адаптавалася да змроку чырвонай крыніцай К1, святло якой адбівалася ад люстэрка Л1.

  • Асноўны паток ад крыніцы К2 адбіваўся ад люстэрка Л2, праходзіў праз дыафрагму D, святлафільтр Ф, клін К і трапляў у вока В.



  • Для абсалютных вымярэнняў магутнасці светлавога патоку выкарыстоўвалася “чорнае цела” Ц.

  • Дыск А рабіў адзін абарот у секунду.

  • Памер адтуліны ў дыску адпавядаў 0,1с праходжання святла.



Доследы Вавілава

  • Назіральнік Н у момант успышкі лямпы К2 націскаў кнопку спецыяльнага механізму і на ленту, што рухалася наносілася метка.

  • Адначасова на той жа ленце адзначаўся кожны абарот дыска A.

  • Пры Ф > Фmin назіральнік адзначаў кожную ўспышку (рыс.1).



  • Пры Ф  Фmin назіральнік адзначаў не ўсе ўспышкі (рыс.2).

  • Гэта вызвана флуктуацыямі ліку фатонаў у асобных успышках.

  • З дапамогай статыстычных метадаў С.І.Вавілаў па флуктуацыям вызначыў сярэдні лік фатонаў у светлавым пучку.

  • Так непасрэдна была выяўлена квантавая структура святла.



Дослед Ботэ

  • 1925 год – дослед В. Ботэ (англ.фіз.) –

  • пацверджана ідэя Эйнштэйна аб тым, што

  • святло распаўсюджваецца ў выглядзе

  • асобных квантаў.

  • R – рэнтгенаўскае

  • выпраменьванне,

  • D –дыафрагма,

  • Ф – тонкая фольга,

  • Л – лічыльнікі,

  • М – механізмы,

  • С – лента.



Эфект Комптана

  • 1923г. - доследы А.Комптана (амер.фіз.) па рассейванні рэнтгенаўскіх прамянёў рознымі рэчывамі.

  • Выяўлена, што ў спектры рассеянага выпраменьвання прысутнічаюць прамяні з большай даўжынёй хвалі, чым першапачатковая.



  • Экперыментальная ўстаноўка

  • К – крыніца рэнтгенаўскага выпраменьвання.

  • D – сістэма дыафрагм.

  • М – рассейвальнік.

  • С – прыёмнік рассеяных фатонаў.

  •  - вугал рассейвання.



Схема рассейвання фатона на электроне

  • Схема рассейвання фатона на электроне



  • Згодна закону захавання энергіі сістэмы фатон – электрон маем

  • (hc/о) + mос2 = (hc/) + mс2.

  • У выпадку ўзаемадзеяння рэнтгенаўскага фатона з электронам, які знаходзіцца ў стане спакою, закон захавання імпульсу запішацца

  • Pе2 = Pо2 + P2 - 2PоP cos.



  • (hc/о) + mос2 = (hc/) + mс2 (1)

  • Pе2 = Pо2 + P2 - 2PоP cos.

  • m22 =(h/o)2 + (h/)2 – 2(h2/o)cos (2)

  • Узведзём роўнасць (1) у квадрат

  • m2c4 = [(hc/o) + moс2 – (hc/ )]2 = [(hc/o) + moс2]2 - 2[(hc/o) + moc2](hc/) + h2c2/2 (3)

  • Роўнасць (2) памножым на с2

  • m22c2 =(h/o)2c2 + (h/)2c2 – 2(h2/o) c2cos (4)

  •  



  • Аднімем ад роўнасці (3) роўнасць (4)

  • m2c2(c2 - 2) = (2moс2hc/o) + mo 2 c4 – (2h2c2/o) – (2moc2hc/) + (2h2c2cos/o) (5)

  • Формулу для масы ўзведзём у квадрат і памножым на с2

  • m2c2(c2 - 2) = mo2 c4 (6)



  • З роўнасцей (5) і (6) атрымліваем

  • (h/o)(1 - cos) = cmo (1/o – 1/),

  •  = (h/moc)(1-cos), дзе  =  - o.

  • Калі ўлічыць, што ,

  • то атрымаем выраз для змяннення даўжыні хвалі рэнтгенаўскага выпраменьвання пры комптанаўскім рассейванні

  •   c = h/moc = 2,43.10-12 м – комптанаўская даўжыня хвалі.



  • Такім чынам, пры рассейванні рэнтгенаўскіх прамянёў свабоднымі электронамі, змяненне даўжыні хвалі

  • Пры прамым адбіцці фатона электронам = і змяненне даўжыні хвалі найбольшае

  • =2с=4,84.10-12м.

  • Для рэнтгенаўскіх прамянёў з сярэдняй даўжынёй хвалі ≈10-10м гэта змяненне складае каля 5%.

  • Доследы Комптана выявілі непасрэднае праяўленне карпускулярных уласцівасцей рэнтгенаўскага выпраменьвання і пацвердзілі, такім чынам, тэорыю Планка-Эйнштэйна.



Заканамернасці комптанаўскага рассейвання:

  • Змяненне даўжыні хвалі  не залежыць ад роду матэрыяла мішэні, а вызначаецца толькі вуглом рассейвання  і з яго павелічэннем павялічваецца.

  • З павелічэннем вугла рассейвання  інтэнсіўнасць нязменнай кампаненты Р памяншаецца, а рассеянай М павялічваецца.



  • З павелічэннем атамнай

  • масы рэчыва мішэні

  • інтэнсіўнасць рассеянай

  • кампанеты М

  • памяншаецца.

  • Пры аднолькавых

  • вуглах рассейвання 

  • велічыня зруху 

  • аднолькавая для ўсіх

  • рэчываў.




База данных защищена авторским правом ©urok.shkola.of.by 2016
звярнуцца да адміністрацыі

    Галоўная старонка