Setzenergo.ru

Строительный журнал
8 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ток насыщения протекающий через вакуумный фотоэлемент при его освещении

Лабораторная работа № 71

ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЕКТИВНОГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: снятие спектральной характеристики селенового фотоэлемента.

Приборы и принадлежности: монохроматор УМ-2, лампочка накаливания, селеновый фотоэлемент, гальванометр, дисперсионная кривая монохроматора УМ-2.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Среди разнообразных явлений, в которых проявляется воздействие света на вещество, важное место занимает фотоэлектрический эффект, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории.

Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний эффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным
излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В случае примесных полупроводников электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зону проводимости. В результате этих переходов растет число носителей тока (электронов и дырок). Проводимость освещенного полупроводника увеличивается.

Вентильный фотоэффект, являющийся разновидностью внутреннего фотоэффекта, заключается в возникновении ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух полупроводников с различной проводимостью или полупроводника и металла. При соприкосновении двух полупроводников с р- и n — проводимостью в месте контакта возникает «запирающий слой» толщиной порядка (10 –6 ÷ 10 –7 ) м, который обуславливает одностороннюю проводимость этого слоя, т.е. ток через запирающий слой может протекать практически только в одном направлении. При освещении светом области контакта в ней вследствие внутреннего фотоэффекта возрастает число свободных носителей тока. Это вызывает нарушение равновесного распределения носителей тока в области контакта и приводит к изменению контактной разности потенциалов по сравнению с равновесной, т.е. к возникновению фото-ЭДС. Фото-ЭДС поддерживается действием света (вещество непрерывно поглощает кванты с энергией hν). Таким образом, при облучении места контакта светом образуется элемент, способный служить источником тока, – вентильный фотоэлемент.

Принципиальная схема для исследования внешнего фотоэффекта изображена на рис. 1, где катод К из исследуемого материала и анод А подключены к батарее; С – вакуумный баллон; В – кварцевое стекло для выделения из светового потока монохроматического света с длиной волны λ (или частотой ν); R – потенциометр, с помощью которого можно изменять абсолютное значение и знак подаваемого на электроды напряжения U. Ток, возникающий при освещении катода, измеряется гальванометром G или микроамперметром. Зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами называется вольт-амперной характеристикой внешнего фотоэффекта. На рис. 2 изображена вольт-амперная характеристика внешнего фотоэффекта для разных световых потоков Ф, падающих на катод (ν = const ). По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с разными скоростями. При некотором ускоряющем напряжении фототок достигает максимального значения (ток насыщения), когда все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

Iнас = еn, (1)

где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 с; е – заряд электрона.

Ток насыщения является основной количественной характеристикой фотоэффекта. При U = 0 фототок не исчезает, т.е. фотоэлектроны обладают некоторой начальной скоростью и отличной от нуля кинетической энергией и потому могут достигнуть анода без внешнего поля. При задерживающем напряжении U 3 = U фототок прекращается, т.е. ни один из электронов, покидающих катод даже со скоростью u max , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно, изменение кинетической энергии фотоэлектронов равно работе задерживающего электрического поля:

, (2)

где m , е – масса и заряд электрона; U3 – задерживающее напряжение.

В результате экспериментов были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта.

1. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света сила фототока насыщения пропорциональна световому потоку, падающему на катод.

2. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота ν света (или максимальная длина волны λ), ниже которой (или выше которой) фотоэффект невозможен.

Закономерности внешнего фотоэффекта могут быть объяснены на основе квантовой теории фотоэффекта, предложенной А. Эйнштейном в 1905 году. Согласно Эйнштейну, свет частотой ν не только испускается, как это предполагал М. Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями – квантами. Энергия кванта

где h = 6,625 ∙ 10 –34 Дж∙с – постоянная Планка; ν – частота излучения.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально величине светового потока Ф. Энергетический баланс при фотоэффекте выражается уравнением Эйнштейна:

, (4)

где А – работа выхода электрона из вещества; hν – энергия подающего фотона; m – масса электрона.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить второй и третий законы фотоэффекта. Из (4) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности, т.к. работа выхода А и частота излучения ν от интенсивности света не зависят (второй закон фотоэффекта).

С уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (А = const ) и при некоторой частоте
ν = ν станет равной нулю. Фотоэффект прекратится (третий закон фотоэффекта) при

, (5)

где ν – красная граница фотоэффекта для данного вещества. Она зависит лишь от работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности.

При большой интенсивности света (лазерные пучки) возможен многофотонный фотоэффект, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получать энергию не от одного,
а от N фотонов (N = 2…7). Уравнение Эйнштейна для многофотонного фотоэффекта имеет вид

. (6)

2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ
И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

В данной работе изучается селеновый фотоэлемент с запираю щим слоем.

Селеновый фотоэлемент (рис. 3) состоит из железной пластинки, покрытой слоем селена, на который нанесен сверху полупрозрачный слой золота или другого металла. На границе между селеном и золотом образуется запирающий слой. Если слой золота соединить через микроамперметр с железной пластинкой и освещать селен, то кванты света будут вырывать электроны из селена, полупроводника с n – проводимостью, и переводить их в золото через запирающий слой. Селен заряжается положительно, и контактирующий с ним электрод (железо) получит положительный потенциал. Второй электрод (золото) за счет перехода в него электронов из селена зарядится отрицательно. Ясно, что при этом возникает фото-ЭДС. При подключении источника фото-ЭДС к микроамперметру последний покажет наличие в цепи фототока I, направленного от Fе к А u . Электроны могут переходить из одной пластинки в другую только в одном направлении (от селена к золоту), обратный же переход для них закрыт, отсюда и название – вентильный источник фото-ЭДС.

Читать еще:  Как устанавливать провод кабельного

Сила фототока зависит от величины светового потока, падающего на фотоэлемент. При небольшой освещенности эта зависимость линейна. Кроме зависимости от освещенности обнаруживается также зависимость фототока от длины волны падающего света; при одной и той же мощности излучения сила фототока получается различной для разных длин волн, причем эта зависимость имеет резко выраженный максимум (рис. 4).

Такого рода явление носит название селективного или избирательного фотоэффекта. Селективность фотоэлектрических явлений очень напоминает резонансные эффекты. Дело происходит так, как будто электроны в металле обладают собственным периодом колебаний, и по мере приближения частоты возбуждающего света к собственной частоте электронов амплитуда их колебаний возрастает, они могут за счет возрастающей при этом энергии перейти в зону проводимости. Исследование селективного фотоэффекта, т.е. снятие спектральной характеристики фотоэлемента, составляет задачу данной работы. Спектральная характеристика выражает зависимость фототока от длины волн света, освещающего фотоэлемент. Фототок измеряется микроамперметром, подключенным непосредственно к фотоэлементу (рис. 3). В качестве источника света, имеющего сплошной спектр, используется лампочка накаливания. Такой источник света выбирают именно потому, что на всем участке длин волн видимого света лампа накаливания дает примерно одинаковую интенсивность, приходящуюся на единичный интервал длин волн. Никаких искажений при снятии спектральной характеристики фотоэлемента практически не будет, так как интенсивность падающего свет в различных участках спектра одна и та же.

Для выделения узких участков спектра используется монохроматор УМ-2, внешний вид и описание которого представлены
на рис. 2 лабораторной работы № 70.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

3.1. В качестве источника света включают лампочку накаливания.

3.2. Устанавливают фотоэлемент вплотную к выходной щели монохроматора (см. рис. 2 лабораторной работы № 70).

3.3. Устанавливают необходимую ширину щелей монохроматора. Ширина выходной и входной щелей устанавливается так, чтобы максимальный фототок вызывал отклонение «зайчика» микроамперметра приблизительно на всю шкалу 4. Примерная ширина выходной и входной щелей (0,2…0,3) мм.

3.4. Вращая барабан монохроматора 3, отмечают показания микроамперметра, соответствующие тем или иным значениям шкалы
барабана. В районе максимума чувствительности фотоэлемента поворачивают барабан на меньший угол, чтобы получить большое количество экспериментальных точек (замеров).

3.5. Результаты измерений заносят в таблицу, форма которой дана ниже.

Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение

Сегодня в промышленности работают десятки тысяч автоматов, оснащенных электронным зрением. Электронным глазом у них служат фотоэлементы. В основе работы этих приборов лежит фотоэффект. История открытия этого явления началась 100 лет назад.

Классификация фотоэлементов

Эффекты фотоэлементов можно разделить на несколько видов, которые зависят от свойств и производимых функций:

  • Внешний фотоэффект. Его другое название – фотоэлектронная эмиссия. Электроны, вылетающие за границы вещества при возникновении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлектронами. Образующийся фотоэлектронами при этом электрический ток, при упорядоченном движении по внешнему электрическому полю, называется фототоком.
  • Внутренний фотоэффект. Он влияет на фотопроводимость материала. Этот эффект появляется при перераспределении электронов по диэлектрикам и полупроводникам, в зависимости от их агрегатного (жидкого или твердого) и энергетического состояния. Перераспределяющее явление возникает под действием светового потока. Только при таком действии повышается электропроводимость вещества, то есть, возникает эффект фотопроводности.
  • Вентильный фотоэффект. Таким эффектом называется переход фотоэлектронов из собственных тел в другие тела (твердые полупроводники) или электролиты (жидкие).

На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные элементы. Они производятся в виде колб из стекла. Часть их внутренней поверхности покрывается тончайшим слоем напыления металла. Такая малая толщина позволяет получить незначительный рабочий ток. Окошко в колбе имеет прозрачность, и пропускает свет вовнутрь.

Расположенный внутри колбы анод из диска, либо проволочной петли, улавливает фотоэлектроны. При соединении анода с положительным выводом питания, цепь замкнется, и по ней будет протекать электрический ток. То есть, вакуумные элементы могут коммутировать реле.

Путем комбинации реле и фотоэлементов можно образовать разные автоматы с электронным зрением, например, на входе в метро. Внешний фотоэффект заложен во многих технологических процессах в промышленности, и является важным физическим открытием, залогом успешного развития автоматики на производстве.

Устройство и принцип действия

Хорошо очищенная цинковая пластина, медная сетка, чувствительный гальванометр включены в электрическую цепь батареи.

При освещении пластины ультрафиолетовыми лучами в цепи возникает электрический ток. Значит, свет выбивает электроны из металла. Это явление и называют фотоэффектом.

Поставим на пути лучей стекло, задерживающее ультрафиолетовые лучи. Ток в цепи прекращается.

Вакуумный баллон. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом служит металлическое кольцо.

Подадим напряжение. Тока в цепи нет. Теперь осветим элемент, появляется ток. После снятия напряжения ток уменьшается, но не до нуля. По мере увеличения напряжения, фототок возрастает и достигает насыщения.

При отсутствии напряжения ток в цепи есть. Для прекращения фототока необходимо подать на анод отрицательный задерживающий потенциал.

Электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод. По мере приближения источника света величина светового потока увеличивается. Возрастает и фототок насыщения. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку. Это первый закон фотоэффекта.

Выясним, какую роль в фотоэффекте играет длина волны света. Установим синий светофильтр. При этом ток есть. С зеленым светофильтром ток уменьшается. С желтым светофильтром тока нет. Для каждого вещества есть определенная пороговая частота, ниже которой фотоэффекта нет. Это длинноволновая граница фотоэффекта.

Если увеличивать световой поток на более низких частотах, фотоэффекта не произойдет. Как объяснить это явление? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.

Ученые также пришли к выводу, что свет излучается, распространяется и поглощается порциями – квантами энергии, фотонами. Валентные электроны в металле свободны. При поглощении фотона энергия идет на работу выхода электрона и его кинетическую энергию. Уравнение Эйнштейна раскрывает смысл 2-го закона фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотоэлектрона определяется частотой света. При взаимодействии света с металлом мы наблюдали внешний фотоэффект. Схема опыта ученых послужила прототипом приборов на внешнем фотоэффекте.

Светочувствительный слой вещества и кольцевой анод находятся в вакуумной или газонаполненной колбе. По этому принципу устроены фотоэлементы, выпускаемые промышленностью.

Существует большая группа элементов, свойства которых меняются под воздействием света. Это полупроводники. На их основе созданы фоточувствительные приборы с так называемым внутренним фотоэффектом.

Фоторезистор

Возьмем проволочный резистор из полупроводника. Включим его в электрическую цепь. Под действием света происходят очень сильные изменения электрического сопротивления, и ток возрастает. Изменение проводимости не зависит от направления тока в фоторезисторе. Как возникает внутренний фотоэффект?

Рассмотрим элемент германий. Он четырехвалентный. На схеме изображена устойчивая структура полупроводника. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергия кванта света достаточна, чтобы разорвать связь электрона с атомом, он становится свободным, и блуждает по кристаллу. На его месте возникает так называемая дырка. Это положительный заряд, равный заряду электрона. Дырка может быть снова занята электроном.

Читать еще:  98ag13a024ch выключатель света форд фокус

Приложим разность потенциалов. Возникнет направленное движение электронов и дырок – электрический ток. Так устроен фоторезистор.

При воздействии света появляются носители, резко увеличивается проводимость, и возрастает ток в цепи.

Проводимость очень чистых полупроводников мала. Ее можно увеличить, если добавить примесь другого элемента. Добавим, например, атомы мышьяка. Они имеют большую валентность. При этом часть электронов оказывается свободной. Благодаря ним и увеличивается проводимость. Эта примесь дает материал n-типа. У индия валентность меньше. Он захватывает электроны кремния, увеличивая число дырок. Проводимость становится дырочной. Эта примесь дает материал р-типа.

Соединим два полупроводника n-типа и р-типа. На границе произойдет перераспределение зарядов. Дырки входят в р-область, а электроны в n-область до тех пор, пока на границе не возникнет электрическое поле, которое препятствует дальнейшему перераспределению. Так возникает двойной слой заряда, который называют р-n переходом.

Благодаря фотоэффекту при воздействии света появляются электроны и дырки. Возникает разность потенциалов.

Если цепь замкнуть, появится электрический ток. Этот эффект можно использовать для прямого преобразования световой энергии в электрическую. По этому принципу работают преобразователи световой энергии в электрическую, в экспонометрах, люксметрах, солнечных батареях.

Фотодиод

Простой фотодиод – это обычный полупроводниковый диод с переходом р-n, на который может воздействовать световой поток. В итоге материал меняет свои свойства, и дает возможность исполнять разные функции в цепи электрического тока. При отсутствии света диод имеет обычные свойства.

Комбинируя структуры, можно получить фототранзистор. Световой луч управляет его работой.

Вариант 2

1. Катод освещают светом, одинаковой частоты. По виду вольтамперных характеристик сраните освещнности катода

2. Как изменится запирающее напряжение, если частоту света увеличить в 2 раза ?

3. Определить длину волны красной границы фотоэффекта для цезия (работа выхода А=1,9 эВ).

4. При освещении катода фотоэлемента монохроматической световой волной в его цепи течет ток насыщения . Изобразить зависимость этого тока от концентрации фотонов.

5. Определить максимальную скорость фотоэлектронов, вылетающих из меди (Авых=4,5 эВ) под действием -излучения с длиной волны =0,3 нм.

Вариант 3

1. Определить по графику красную границу λ фотоэффекта для металла.

2. Как изменится максимальная энергия фотоэлектронов, если частоту света увеличить в 2 раза ?

3. Фотоны с энергией Е = 5 эВ вырывают фотоэлектроны из металла с работой выхода А = 4,7 эВ. Каков максимальный импульс (в кгм/с), передаваемый поверхности этого металла при вылете электрона?

4 . Два фотокатода освещаются одним и тем же источником света. По виду вольт — амперных характеристик сравните работы выхода электронов из металлов.

5. На поверхность лития падает монохроматический свет ( =310 нм). Чтобы прекратить эмиссию электронов, нужно приложить задерживающую разность потенциалов не менее 1,7 В. Определить работу выхода.

Вариант 4

1 . Оценить по графику работу выхода электрона из металла М в эВ.

2. Как с помощью вольт-амперной характеристики фотоэлемента определить число n электронов, выбиваемых светом с поверхности катода в единицу времени?

3. Определить длину волны красной границы фотоэффекта для меди (работа выхода А=4,5 эВ).

4. Как изменится вид вольт-амперной характеристики фотоэлемента, если при неизменном спектральном составе излучения полный световой поток увеличится в два раза?

5. До какого потенциала можно зарядить удаленный от других тел цинковый шарик, облучая его ультрафиолетовым излучением с длиной волны нм?

Вариант 5

1. На рисунке представлены две зависимости задерживающего напряжения U3 от частоты ν падающего света для внешнего фотоэффекта. Чем отличаются условия, при которых были получены эти прямые? Какие фундаментальные физические постоянные могут быть получены с помощью этих зависимостей?

2. Ток насыщения, протекающий через вакуумный фотоэлемент при его освещении светом равен . Определить число N фотоэлектронов, покидающих поверхность катода в единицу времени.

3. Как изменится вид вольт-амперной характеристики фотоэлемента, если при неизменном потоке фотонов увеличится в два раза частота падающего монохроматического света?

4. При освещении вакуумного фотоэлемента монохроматическим светом с длиной волны λ1 = 400 нм он заряжается до разности потенциалов U1 = 2 В. До какой разности потенциалов зарядится фотоэлемент при освещении его монохроматическим светом с длиной волны λ1 = 300 нм?

5. Какая доля энергии фотона израсходована на работу выхода фотоэлектрона, если красная граница фотоэффекта =307 нм и максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона равна 1эВ?

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

Описание файла

DJVU-файл из архива «Д.В. Сивухин — Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика», который расположен в категории «книги и методические указания». Всё это находится в предмете «атомная физика» из пятого семестра, которые можно найти в файловом архиве МГУ им. Ломоносова. Не смотря на прямую связь этого архива с МГУ им. Ломоносова, его также можно найти и в других разделах. .

Просмотр DJVU-файла онлайн

Распознанный текст из DJVU-файла, 6 — страница

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.

Читать еще:  Как сделать включатель выключатель света подсоединить

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 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,.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector