Фотоэффект теориясы. Жарық кванттары

Фотоэффект заңдарының теориялық түсiнiгiн 1905 жылы А.Эйнштейн бердi. Ол өз зерттеулерiнде М.Планктың кванттар жөнiндегi ұғымын одан әрi дамыта отырып, жарық тек кванттар түрiнде шығарылып ғана қоймайды, сонымен қатар кванттар түрiнде жұтылады да деп есептедi. Бұл жарық кванттарын ол фотондар деп атады. Эйнштейннiң бұл идеялары осы кезге дейiн үстемдiк етiп келген жарықтың толқындық теориясынан өзгеше, соны көзқарас едi. Бұл жерде жарықтың таралуы үздiксiз толқындық үрдiс ретiнде емес, ерекше жарық бөлшектерi – фотондардың с - ға тең жылдамдықпен қозғалатын ағыны ретiнде қарастырылады. Бұл тұрғыдан қарағанда, мәселен монохроматты жарыққа энергияларының мәндерi бiрдей, әрi hν-ге тең болатын фотондар сәйкес қойылады. Ал жарықтың затқа жұтылуы сәйкес фотондар осы затқа түскен кезде өз энергиясын түгелiмен заттың атомдары мен молекулаларына беруiмен түсiндiрiледi. Жарықтың табиғатына деген осы кванттық көзқарас фотоэффект құбылысының тәжiрибеден байқалатын барлық заңдылықтарын түсiндiруге мүмкiндiк бердi.
Шындығында, мәселен, электрон металлдан ұшып шығуы үшiн металл-вакуум шекарасындағы потенциалдық тосқауылдан өтуi, яғни қандай да бiр Aшығ-ға тең шығу жұмысын iстеуi қажет. Бұған қажет энергияны электрон өзi жұтқан фотоннан алады. Фотон металл атомына жұтылған кезде өзiнiң εν=hν -ға тең энергиясын толығымен электронға бередi. Онда мұндай фотоэлектрондар үшiн энергияның сақталу заңын мына түрде жазуға болады

Мұндағы mv2/2 – металлдардан ұшып шыққан фотоэлектронның кинетикалық энергиясы, ал Aшығ жоғарыдағы шығу жұмысы. Бұл өрнек сыртқы фотоэффект үшiн жазылған
Эйнштейн теңдеуi деп аталады. Бұл теңдеуден егер hν>Ашығ болса, онда электрон өз энергиясының бiразын шығу жұмысына жұмсап, металлдан ұшып шыға алатыны көрiнiп тұр. Ал егер электронның энергиясы шығу жұмысынан аз болса, онда ол металлдан тысқары шыға алмайды. Фотоэффект мүмкiн бола бастайтын ең аз жиiлiктi νmin деп белгiлей отырып, оны фотоэффекттiң қызыл шекарасы деп атайды. Фотоэффекттiң қызыл шекарасының мәнi электрон ұшып шығатын беттiң күйiмен және металлдың химиялық құрамымен анықталады.
Эйнштейн теңдеуi сыртқы фотоэффекттiң тәжiрибеден байқалатын барлық заңдарын теориялық тұрғыдан түсiндiруге мүмкiндiк бередi. Шындығында, екiншi заңмен анықталған фотоэффекттiң қызыл шекарасының түсiнiгiн жоғарыда бердiк, ал ендi (6.3) өрнегiнен электрондардың максимальдi кинетикалық энергиясы, яғни максимальдi жылдамдығының жиiлiктен тәуелдi екенi көрiнiп тұр. Бұл фотоэффекттiң бiрiншi заңы.
Ақырында, уақыт бiрлiгiнде ұшып шығатын электрондардың саны бетке түсiп жатқан фотондардың санына пропорционал болуы керек. Ал фотондардың саны жарықтың қарқындылығын анықтайды. Сонымен, фотоэффекттiң үшiншi заңы да өз түсiнiгiн алды.

7. Стефан-Больцман заңы[

1879 жылы австриялық физик И. Стефан тәжірибелердің нәтижелерін зерделей отырып, ал 1884жылы А. Больцман теориялық зерттеуге термодинамикалық тәсілді қолдана отырып, мынаны тағайындады: абсолют қара дененің интегралдың энергетикалық жарқырауы абсолют температураның төртінші дәрежесіне тура пропорционал:

Бұл — Стефан-Больцман заңы. Мұнда = 5,67 • 10⁻⁸Вт/м²К⁴ - Стефан-Больцман тұрақтысы деп аталады. өрнегінен абсолют қара дененің интегралдықэнергетикалық жарқырауы тек температураға тәуелді екеінін көреміз. Бірақ, бұл заң абсолют қара дененің сәулеленуінің спектрлік құрамы туралы ештеңе айтпайды. Сондықтан алдымен тәжірибе жүзінде арнайы зерттеулер жүргізілді. Абсолют қара дененің энергетикалық жаркырауының спектрлік тығыздығының (сәулелену қабілетінің) жиілікке тәуелділігі түрлі-түсті қосымшадағы 6-суретте көрсетілген.

Суреттен абсолют қара дененің сәулелену спектрінде энергияның таралуы біркелкі емес екені байқалады. Барлық қисықтарда айқын максимум бар, ол температура өскен сайын қысқа толқындар (үлкен жиіліктер) жайына қарай ығыса береді. Осы себепті де металл кесегін қыздырғанда, ол алдымен, қызыл, содан соң қызғылт сары, содан кейін ақ сары жарық шығарады. Әрбір қисық пен абсциссалар осінің арасында жатқан аудан берілген Т температурадағы интегралдық энергетикалық жарқырау R- ға тең. Бұл аудан (яғни R) Стефан-Больцман заңы бойынша температураның 4-дәрежесіне тәуелді (Т⁴ - не пропорционал) өседі.

Кирхгофтың сәуле шығару заңы – дененің сәуле шығарғыштық қабілеті [(,T)] мен сәуле сіңіргіштік қабілеті (,T)] арасындағы қатысты тағайындайтын заң.Кирхгофтың сәуле шығару заңы бойынша, дененің сәуле шығарғыштық қабілетінің оның сәуле сіңіргіштік қабілетіне қатынасы дененің табиғатына тәуелді болмайды. Бұл қатынас абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілетіне [0(,T)] және шыққан сәуле толқынының ұзындығы мен абсолют температураға(T) тәуелді болады: Кирхгофтың сәуле шығару заңы жылулық сәуле шығарудың негізгі заңдарының бірі болып саналады. Ол сәуле шығарудың басқа түрлеріне қолданылмайды. Бұл заңды неміс физигі Г.Р. Кирхгоф термодинамиканың екінші бастамасына сүйеніп ашқан (1859). Кейін тәжірибе жүзінде дәлелденді.

8. Комптон эффектісі - шашыраған сәуле шығарудың толқын ұзындығы түскен сәуленің толқын ұзындығынан көп болған кездегі еркін немесе әлсіз байланысқан электрондағы жоғары жиілікті электромагниттік сәулеленудің серпімді шашырауы

1. Шашыраған сәуледе екі толқын ұзындығы болады: бастапқы l ₀ және қосымша l ₁ толқын ұзындықтары, бұлардың мәндері біріне-бірі жақын;

2. l ₁ толқын ұзындығы әрқашан l ₀-ден үлкен l ₁ l> ₀;

3. l ₁ мәні q шашырау бұрышынан тәуелді, ал шашыратушы зат табиғатына тәуелді емес. Сонымен, шашыраған сәуле құрамында бастапқы l ₀ толқын ұзындығынан басқа, толқын ұзындығы l ₁, бастапқы-дан үлкен, сәуле де болады; толқын ұзындығының үлкеюі шашырау бұрышы артқан сайын көбірек болады, және шашыратушы зат табиғатына тәуелді болмайды.

Толқын ұзындығының lD өзгеруі q шашырау бұрышымен мына формула арқылы байланысқан:

(1.10)

–L тұрақты, Комптондық толқын ұзындық деп аталады.