Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика, страница 6

В этом (Гл. 1 Кванты свегиа 24 случае вместо уравнения (2.1) следует написать 2 (2.7) где М вЂ” число столкновений электрона с фотонами. Длинноволновая граница фотоэффекта существует по-прежнему, но граничная частота определяется выражением ов = АДА%), т. е. уменьшается в А1 раз по сравнению с од- 240 -- — 78 -- -- нофотонным эффектом. Наблюдению такого многофотонного нелинейного эффекта длительное время препятствовало нагревание металла при лазерном освещении. Оно сопровождает- 160 50, ся термоэлектронной эмиссией, для которой, разумеется, длинноволновая граница не существуеч. Маскирующее влияние термозлектронной эмиссии удалось устранить почти полностью применением сверхко- 80 ротких импульсов лазерного из- 20 лученил длительностью 10 — 11 10 12 с.

Аналогично действует скользтдее освещение фотокатода (угол падения = 85'). Таким путем длинноволновая граница многофотонного фотоэффекта надежно зафиксирована 400 500 Л, нм при % = 2,3,4,5 для различРис. 9 ных металлов (1на, Ай, Ап и пр.), а также полупроводников при изменении интенсивности света от 0,1 до 104 МВт. А исследование влияния поляризации света и угла падения на ток насыщения позволило установить, что многофотонный фотоэф- фект вызывается исключительно составляюп1ей электрического поля, нормальной к поверхности капюда.

10. В заключение кратко остановимся на внутреннем фотоэффек- те и на применениях фотоэффекта. Внутренний фотоэффект может происходить в полупроводниках и диэлектриках. Под действием света часть электронов из валенгной энергетической зоны переходит в зону проводимости (см.т. П!, 8 100). Концентрация носителей тока внутри тела увеличивается — возникает фотопроводимость, т.

е. повышение электрической проводимости тела под действием света. Перераспре- деление электронов по различным энергетическим состояниям может привести также к изменению внутреннего электрического полл в кри- сталле. Это ведет к появлению электродвижущей силы (фото-ЭДС) на границах двух различных полупроводников или полупроводника 200 н е 0 120 40 32) Фотоэлектрический эффект 25 и металла при их освещении. Около границы образуется переходный слой, пропускающий ток только в одном направлении, т. е, обладающий вентилъными свойствами (см.

т. Ш, '3 100). фотоэффскт (как внешний, так и внутренний) используется в фотоэлектронных приборах, получивших разнообразные применения в науке и технике (в телевидении, космической технике и т.д.). Нашли широкое применение фогпоэлементы с внешним фотоэффектом, т.е. двухэлектродные приборы, в которых падающая на поверхность ка года лучистая энергия при внешнем приложенном напряжении между электродами превращается в энергию электрического тока. Электрическое сопротивление полупроводников падает при освещении; это используется для устройства д1отосопротивлений Возникновение фото-ЭДС при освещении приконтактной области двух различных соприкасающихся полупроводников используется в фотодиодохдля непосредственного превращения лучистой энергии в электрическую. Фотоэлеьтроиньае улсноэгсители (см.

т. П1, 3 103), усиливающие первоначальный фототок во много рвз, позволяют регистрировать очень слабое излучение, вплоть до отдельных квантов. ЗАДАЧИ 1. Определить максимальную скорость фотоэлектроиов, вылетающих из никелевого элекгрода, освещаемого ультрафиолетовым светом с длиной волны Л .= — 220 нм. Работа выхода электрона из никеля А .=- 4,84 эВ. 2 /бс Ответ. е,, = с ( — — А) =- 510 км/с. т,с Л 2. Найти число электронов М, вырываемых светом в одну секунду из катода вакуумного фотоэлемента, если ток насыщения, протекающий через него при освещении, равен 1 = 5.

10 А. — аа Ответ. Х = I/е =- 3,1 10 с 3. Вычислить длину волны Л для длинновалновой границы фотоэффекта на цинке., если работа выхода электрона из цинка А = 3,74 эВ. Ответ. Л = 6с/А =- 330 нм. 4. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов при освещении цезиевого электрода монохроматическим светом оказалась равной с'„„„=.

=- 0,15 эВ. Вычислить длину волны Л света, применявшегося при освещении, если работа выхода электрона из цезия А = 1,89 эВ. Ответ. Л =- йс/(й „, -~- А) =- 600 нм. 5. Уединенный медный шарик облучается ультрафиолетовым светом с длиной волны Л =- 200 нм. До какого максимального потенциала зарядится шарик, если работа выхода электрона из меди А = 4,47 эВ7 йс/Л вЂ” А Ответ. 1'' = = 1,04 В. е 6.

При каких длинах волн Л облучающего света шарик в условиях предыдущей задачи заряжаться не будету Ответ. Л > Ьс/Л =- 274 нм. 7. Вакуумный фотоэлемент с катодом из молибдена освещается монохроматическим светом с длиной волны Л =- 250 нм. При наложении задерживающей разности потенциалов фототок уменьшается и обращается в нуль, когда она достигает значения Р = 1,8 В. Определить внешнюю контактную (Гл. ! Кванты свегпа разность потенциалов между молибденом и материалом анода, если работа выхода электрона из молибдена А =- 4,27 эВ.

йс!Л вЂ” Л Ответ. Ь; = — — — — !" = — 1,40 В. с Отрицательный знак означает, что при контакте молибдена с материалом анода потенциал молибдена окажется ниже. 8. Определить наибольшую скорость электронов и на аноде рснггеновской трубки, если минимальная длина волны сплошного рентгеновского излучения составляет Л = 0,1 нм. Ответ. в = — 6/т,Л = 7,3 10 км/с. 8 3. Эффект Комптона 1. В 1922 г. Артур Комптон (1892 — 1982) открыл явление, которое, как и фотоэффект, подтверждает гипотезу фотонов. Комптон изучал рассеяние жесткого рентгеновского излучения на телах, состоящих из легких атомов (графит, парафин и пр.). Схема его установки показана на рис.

!О. Источником рентгеновского излучения служила рентгеновская ! трубка с молибденовым антикатодом. 1 Узкий пучок монохроматического рент! 1 геновского излучения выделялся диафрагмами 01 и Ог и рассеивался на о1 ~2 Р исследуемом теле Й. Для исследования спектрального состава рассеянного излучения оно после прохождения ряда диафрагм попадало на кристалл К Рнс.

10 рентгеновского спектрографа, а затем в ионизационную камеру или иа фотопластинку Р. Оказалось, что в рассеянном излучении, наряду с исходной длиной волны Л, появляется смещенная линия с длиной волны Л' ) Л. Изменение длины волны Л' — Л в длинноволновую сторону спектра при рассеянии излучения получило название комптоиовского смещения, а само явление эффекта Комптоиа. Опыт показал, что комптоновское смещение Л' — Л длл исследованных веществ не. зависит от состава рассеивающего тела и длины падающей волны Л. Оно пропорционально квадрату синуса половины угла рассеяния О. На рис.

11 представлены результаты измерений на графите при различных углах рассеяния для К-линии молибдена (Л = 0,0712805 нм). Сверху показана форма линии исходного излучения (т.е. угловое распределение интенсивности в линии). Ниже сделано то же самое для рассеянного излучения при различных значениях угла рассеяния. Ясно видно, что первоначально одиночная линия в результате рассеяния становится двойной. Уширение обеих компонент рассеянного излучения обусловлено движением электронов и атомов, на которых происходит рассеяние. 2.

Классическая теория ие смогла объяснить закономерности комптоновского рассеяния (см. п. 8). Они были поняты только на основе квантовой теории, предложенной независимо самим Комптоном Эффект Комптона 27 йф + йо = йф + йе Рф = Рф + Ре ! бе = бф йф+ бе~ Ре = Рф Рф. или Отсюда и Дебаем (1884 — 1966). По их представлениям рассеяние рентгеновского кванта с изменением длины волны есть результат оДиночного акта столкновения его с электроном. В легких веществах, с которыми производились опыты Комптона, энергия связи электрона с атомом мала по сравнению с энергией, переда- К-лнння ваемой ему рентгеновским квантом при столкновении.

Энергия, передаваемая атому квантом при столкновении, тем больше, чем больше угол рассеяния. Поэтому указанное условие выполняется тем лучше, чем больше угол рассеяния. В легких атомах энергией связи электрона внутри атома можно пренебречь при всех углах рассеяния, т. е. все электроны считать свободными. Это и делается в теории Комптона-Дебая, '1Ъ1 да одинаковость комптоновского смещения Л'— — Л для всех веществ становится понятной само э=во собой. Действительно, в теории с самого начала предполагается, что рассеивающее вещество в сущности сос гонт только из свободных электронна, т. е. индивидуальные особенности вещества никак не учитываются.

Но это допустимо только для легких атомов. Для внутренних Э = 135' электронов тяжелых атомов такая идеализация не годится. Учет энергии связи ведет к отступлениям от простой формулы (3.3), выводимой ниже. Такие отступления действительно были обнаружены. 3. Рассмотрим теперь столкновение фотона со свободным электроном. При взаимодействии Рис.

11 этих двух частиц должны соблюдаться законы сохранения энергии и импульса. Поскольку при столкновении с фотоном электрон может получить релятивисгские скорости, столкновение должно рассматриваться на основе релятиаштской механики. Обозначим через бф и рф энергию и импульс фотона до рассеяния., а через рф и рф — после рассеяния. Для электрона полная энергия и импульс до рассеяния будут соответственно йо = тос и 0 (электрон до рассеяния покоился), а после рассеяния бе и р,.