Внешний фотоэлектрический эффект и его законы. Фотоны. Эффект Комптона и его теория.

Планк полагал, что излучение может поглощаться непрерывно, но отдается излучающими системами порциями hv. Эйнштейн же эти порции приписал самому излучению, рассматривая его потоком материальных частиц («фотонов») с энергией ε = hv. Эту идею он применил к формирующейся тогда (1905 г.) теории фотоэффекта.

По идее Эйнштейна монохроматическое излучение испускается и поглощает­ся порциями энергии hv и состоит всегда из целого числа фотонов. При поглоще­нии излучения частоты v веществом каждый из электронов может поглотить один фотон, приобретая при этом энергию hv. Каждый акт поглощения фотона элек­троном происходит независимо. Если эта энергия достаточна, чтобы электрон мог совершить работу выхода А, (при hv >А) будет наблюдаться фотоэффект; если недостаточна (при hv<А), фотоэффект наблюдаться не будет, т.к. электрон быст­рее потеряет приобретенную энергию, чем поглотит еще один фотон. На основе закона сохранения энергии, получаем уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

hν=eP+

Распределение по скоростям фотоэлектронов не зависит от его интенсивно­сти излучения. Увеличение интенсивности излучения приводит к увеличению числа падающих на вещество фотонов.

Под корпускулярными свойствами фотона следует понимать его неделимость при любых взаимодействиях. Волна, отвечающая одному фотону, не может раз­делиться. Фотон как целое проходит щели дифракционной решетки, интерфери­руя сам с собой. Точно так же как целое он поглощается затем фотопластинкой, оставляя на ней след в виде черной точки, расположенной в одном из тех мест пластинки, которое указывается волновой теорией. Разные фотоны потока попа­дут в разные точки пластинки и в целом дадут полную картину интерференции.

Эффект Комптона и его теория. В классическом представлении гармониче­ски колеблющийся с частотой v0 электрон испускает во все стороны (рассеивает) излучение частотой, которой он сам обладает, т.е. с частотой первичного падаю­щего излучения ν0. Энергия приходящего поля раскачивания электрона, отдается им с испускаемым излучением. Частота рассеянного излучения совпадает с часто­той ν0. Но в области коротких волн такое представление противоречило опыту.

Электрон атома при взаимодействии с рентгеновским фотоном рассматрива­ют слабо связанным с атомом или даже свободным, т.к. энергия рентгеновского фотона во много раз больше энергии связи внешних электронов в атоме. Поглотив фотон, электрон может испустить такой же фотон или фотон меньшей энергии. Опыты Комптона (1923 г.) показали, что при рассеянии рентгеновского излучения электронами вещества частота рассеянного излучения зависит от угла рассеяния.

Представим, что рассеяние света состоит в поглощении электроном падаю­щего рентгеновского фотона энергией hv0 и испускании другого фотона энергией hv.Электрон обретает скорость υ,близкую к скорости света с.Поэтому энергию электрона надо рассчитывать по формулам теории относительности: me-  ,где mec2,m0ec2-энергия движущегося и неподвижного заряда. Исходя из закона сохранения энергии: при элементарном акте рассеяния сумма энергий падающего фотона и неподвижного электрона до рассеяния долж­на равняться сумме энергий рассеянного фотона и движущегося электрона:hν0+m0ec2=hν+mec2

Вектор импульса электрона рэл = meυ. Импульс фотона численно равен = mф0=hv0/c и направлен в сторону распространения (рис. 5), где масса падающего фотона mф0= hν0/с2 . После взаимодействия рассеянный фотон и электрон разле­таются в разные стороны так, что импульсы рф и рэл составляют с первоначаль­ным направлением распространения углы, соответственно равные φ и θ. Закон со­хранения суммарного вектора импульса в элементарном акте рассеяния принимает вид рф0 = рф + рэл. Проецируя обе части векторного равенства на направление первоначального распро­странения и направление, перпендикулярное к нему, получим:

= cosφ+meυcosθ

0= sinφ-meυsinθ

Из трех уравнений определяется частота v излучения, рассеянного под углом φ: = + *2sin2

Переходя к длинам волн (𝛌0=с/ν0 и 𝛌=с/ν) перепишем: 𝛌=𝛌0+ *2sin2 .Часть энергии (и импульса) исходного фотона получил электрон отдачи, что и привело к уменьшению частоты. Обозначая увеличение длины волны излучения при рассеянии ∆𝛌=𝛌-𝛌0 имеем: ∆𝛌= 2sin2 -2Аsin2 Изменение длины волны излучения ∆𝛌 при рассеянии свободным электроном не зависит от длины волны падающего излучения 𝛌0.