Вопросы экзамена по физике для вечерников МАИ (552436), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Из уравнения Эйнштейна сразу вытекает наличие красной границы фотоэффекта, т. е. существование такой граничной частоты _о, при которой начинается фотоэффект и ниже которой энергии фотона не хватит на совершение работы выхода электрона, т. е. на преодоление сил связи его с веществом:

h_о = А_вых  _о = А_вых/h; _о и А_вых являются табличными характеристиками вещества.

Задерживающее напряжение определяется из условия обращения фототока в ноль. При этом тормозящее электрическое поле между катодом и анодом совершает работу А, равную максимальной кинетической энергии электронов А = q_еU_з = Е_{к макс}. Подставляя вместо Е_{к макс} в уравнение Эйнштейна q_еU_з, имеем: h = А_вых + q_еU_з, откуда U_з = (h - А_вых­)/q_е  U_з  . Таким образом, из уравнения Эйнштейна вытекает пропорциональная зависимость задерживающего напряжения U_з (а с ним и максимальных кинетической энергии Е_{к макс} и скорости фотоэлектронов _макс) частоте  света при фотоэффекте и независимость U_з от интенсивности света.

Интенсивность света в квантовом подходе оказывается пропорциональной числу фотонов, ежесекундно, падающих на единицу площади. Отсюда становится понятной пропорциональность силы фототока насыщения световому потоку⁸ Ф, облучающему материал. При фототоке насыщения все вырванные из материала электроны достигают противоположного электрода. В стадии до насыщения часть вылетевших из материала электронов, обладающих скоростью, меньше максимальной, возвращалась обратно под воздействием отталкивающего электрического поля ранее вылетевших электронов и притягивающего действия, положительно заряжающегося при отдаче электронов катода.

С увеличением интенсивности света увеличивается число фотонов, ежесекундно бомбардирующих катод и, соответственно, число вырываемых ими электронов, которые в стадии насыщения все достигают анода, обусловливая возрастание силы фототока до тока насыщения.

Безынерционность фотоэффекта в квантовом подходе тем и объясняется, что взаимодействие электронов со светом носит не растянутый во времени, как с волной, а элементарный, мгновенный характер взаимодействия двух частиц – частицы вещества – электрона и частицы света (электромагнитного поля) – фотона.

Если электрический вектор падающей на вещество световой волны не перпендикулярен плоскости падения, возможен так называемый селективный фотоэффект. В нем сила фототока сильно зависит от угла падения и поляризации световой волны. Нормальная составляющая вектора гораздо более эффективна для вырывания электрона из металла, чем касательная составляющая.

В сильных световых полях возможен так называемый многофотонный фотоэффект. В нем вырывание электрона осуществляется в результате поглощения не одного, а двух, или реже трех фотонов. При этом происходит пересмотр понятия «красная граница фотоэффекта».

Вопрос 5 Давление света.

Давление света.

Квантово - корпускулярная концепция света позволила легко и наглядно объяснить такое его опытное проявление как давление (именно давлением солнечного света объясняли, например, изгибание хвостов комет, при их приближении к Солнцу, в сторону от Солнца).

Если фотоэффект связан с передачей от фотонов энергии веществу, то давление света связано с передачей другой, векторной меры движения – импульса. Напомним, что фотон, как частица света, энергия которой пропорциональна частоте света Е_ф = h = hс/, обладает импульсом р_ф = Е_ф/с = h/. Быстрота изменения (передачи) импульса, согласно второму закону Ньютона, есть сила, а сила, приходящаяся на единицу площади, есть давление P: и .

Таким образом, давление света на вещество равно импульсу, передаваемому фотонами единице площади в единицу времени. Если поверхность полностью поглощает падающие на нее по нормали фотоны (свет), то каждый фотон передает ей импульс р_ф = h/с, а при полном отражении – удвоенный импульс 2р_ф. Если же поверхность частично отражает падающий на нее свет с коэффициентом отражения , то при падении в единицу времени на единицу площади n_о = /St фотонов, отразится от нее число фотонов, равное n_о, а поглотится n_о(1 – ) фотонов. Они окажут давление (передадут единице площади в единицу времени импульс), равное:

Р = n_о(1 - )h/ + 2n_оh/ = (n_оh/)(1 + ) = (n_оhс/с)(1 + ) = (n_оЕ_ф/с)(1 + ) = (W/с)(1 + ),

где W = n_оЕ_ф – энергия фотонов, падающих за единицу времени на единичную площадку, т. е. вектор Умова - Пойнтинга – плотность потока переносимой энергии. Из известной из теории волн формулы взаимосвязи плотности потока с объемной плотностью  энергии волны:
W = с, получаем формулу для давления света в виде:

Р = (1 + ), где  - объемная плотность энергии фотонов, то есть энергия фотонов

в единице объема.

Полученная формула для давления света, как потока фотонов, полностью аналогична таковой, получаемой в волновом подходе. Там физический механизм давления сводился к тому, что переменное электрическое поле световой волны приводило в колебательное движение электроны атомов вещества, а на эти движущиеся электроны действовало уже магнитное поле световой волны с силой Лоренца = q + q [ ], направленной вглубь вещества. Таким образом, давление света является таким эффектом, который в равной степени успешно объясняется как с волновых, так и с корпускулярных воззрений на природу света, его микроструктуру. Квантово - корпускулярная концепция получила окончательное признание после того, как успешно объяснила такой эффект, как эффект Комптона, в котором свет, взаимодействуя с веществом, передает ему одновременно и энергию, и импульс.

Эффект Комптона.

Д

ля видимого света энергия фотона Е_ф = h меньше энергии связи электронов с атомом, но соизмерима с энергией связи «свободных» электронов с веществом металлов. С повышением частоты излучения его фотоэлектрическое поглощение веществом уменьшается и становится совсем несущественным на частотах, на которых энергия фотона значительно превышает энергию связи электрона в атоме. Для такого высокочастотного, например, рентгеновского излучения, электроны вещества становятся практически свободными. Свободный же электрон не может поглотить фотон. На смену фотоэлектрическому поглощению света приходит рассеяние фотонов на электронах.

В 1925 г. А. Комптон, исследуя рассеяние рентгеновских лучей в парафине, обнаружил эффект увеличения длины волны рассеянных веществом лучей с ростом угла рассеяния . По классической теории рассеяния света, основанной на волновых представлениях, длина волны света при рассеянии не должна изменяться; под действием возмущающего электрического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучает вторичные (рассеянные) волны той же частоты. Комптон предложил квантово-корпускулярную трактовку обнаруженного им явления возрастания длины волны рассеянных веществом рентгеновских лучей. Моделируя эти лучи фотонами с энергией Е = h, много большей энергии связи валентных (внешних) электронов в _{легких атомах (какими, например, являются атомы углерода в парафине), Комптон рассмотрел взаимодействие фотона и свободного электрона. В основу расчета этого взаимодействия Комптон положил законы сохранения энергии и импульса. Здесь, в отличие от фотоэффекта, фотон отдает электрону не всю свою энергию Еф = hс/ = срф, а лишь ее часть; поэтому после взаимодействия он останется с уменьшенной энергией Еф = срф = hс/ и с увеличенной длиной . Так качественно объясняется возрастание длины волны рассеянных веществом лучей, т. е. суть эффекта Комптона. Более же строгое рассмотрение требует решать систему двух уравнений, выражающих собой законы сохранения энергии и импульса. Считая до взаимодействия электрон покоящимся и обладающим нулевым импульсом и энергией покоя mс}²_{, запишем эти законы сохранения:}

З СЭ: ср_ф + mс² = ср_ф + Е_э^  (р_ф – р_ф + mс)² = (Е_э^/с)²

ЗСИ: = +  р_ф² – 2 + (р_ф) ² = (р_э^)²

Вычитая второе уравнение из первого, получим:

_m²_с² _{– 2рфрф + 2рфmс – 2рфmс + 2рфр­ф}^_{соs  = (Еэ}^_/с)² _{– (рэ}^₎²_.

С учетом формулы взаимосвязи энергии и импульса Е² = с²р_э² + m²с⁴, выражение в правой _{части равно m}²_с²_{, и тогда полученное уравнение примет вид:}

_{рф(рф + mс – рфcos ) = рфmс.}

_{Выражаем из него . Так как , то = }

_{  =  + h(1 – cos )/mс, или  -  =  = h(1 – cos )/mс = е(1 – cos ) = 2еsin}² _/2

где _е = h/mc  2,410^-12 м - комптоновская длина для электрона⁹.

Разность зависит только от угла рассеяния и не зависит ни от , ни от рода рассеивающего вещества. В этом особенность эффекта Комптона. Максимальное смещение длины волны имеет место при  =  и равно _макс = 2_е = 4,8410^-12 м.

Наряду со смещенной по длине волны компонентой с   , в составе рассеянных рентгеновских лучей имеет место и несмещенная компонента . Ее наличие объясняется рассеянием рентгеновских квантов не на внешних, слабо связанных с атомом, электронах, а на внутренних, сильно связанных с атомами вещества, электронах. При этом квант света взаимодействует с атомом в целом, масса которого в тысячи раз больше массы электрона, а комптоновская длина _ат = h/m_атс соответственно в тысячи раз меньше, чем для электрона. Поэтому и смещение длины волны  = 2_ат оказывается пренебрежимо малым.

_{Примечательно, что свободный электрон не может полностью поглотить фотон, то есть фотоэффект на свободных электронах иметь места не может. Это связано с невозможностью вследствие разного характера закона дисперсии, то есть зависимости Е(р) для фотона (Еф = срф) и для электрона (Еэ = (с}²_рэ² _{+ m}²_с⁴_{), удовлетворить одновременно обоим законам сохранения – и энергии, и импульса. Поэтому, поглощая фотон, то есть принимая всю его энергию, электрон не может одновременно принять весь его импульс. Действительно, из ЗСЭ:}

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)