Чем отличается комптон эффект от фотоэффекта

Видео: АТОМНАЯ ФИЗИКА: Эффект Комптона за 5 минут

Эффект Комптона против фотоэлектрического эффекта

Эффект Комптона и Фотоэлектрический эффект — два очень важных эффекта, обсуждаемых в рамках дуальности волновых частиц материи. Объяснения эффекта Комптона и фотоэлектрического эффекта привели к образованию и подтверждению волновой корпускулярной дуальности материи. Эти два эффекта играют жизненно важную роль в таких областях, как квантовая механика, структура атома, структура решетки и даже ядерная физика. Жизненно важно иметь правильное понимание в этих областях, чтобы преуспеть в таких науках. В этой статье мы собираемся обсудить, что такое фотоэлектрический эффект и эффект Комптона, их определения, сходства и, наконец, различия между эффектом Комптона и фотоэлектрическим эффектом.

Что такое фотоэлектрический эффект?

Фотоэлектрический эффект — это процесс выброса электрона из металла при падающем электромагнитном излучении. Фотоэлектрический эффект был впервые должным образом описан Альбертом Эйнштейном. Волновая теория света не смогла описать большинство наблюдений фотоэлектрического эффекта. Есть пороговая частота для падающих волн. Это указывает на то, что независимо от того, насколько интенсивны электромагнитные волны, электроны не будут выбрасываться, если они не имеют требуемой частоты. Временная задержка между падением света и выбросом электронов составляет примерно одну тысячную от значения, рассчитанного по теории волн. Когда создается свет, превышающий пороговую частоту, количество испускаемых электронов зависит от интенсивности света. Максимальная кинетическая энергия выброшенных электронов зависит от частоты падающего света. Это привело к заключению фотонной теории света. Это означает, что свет ведет себя как частицы при взаимодействии с веществом. Свет приходит в виде небольших энергетических пакетов, называемых фотонами. Энергия фотона зависит только от частоты фотона. Есть еще несколько терминов, определяющих фотоэлектрический эффект. Работа выхода металла — это энергия, соответствующая пороговой частоте. Это можно получить с помощью формулы E = h f, где E — энергия фотона, h — постоянная Планка, а f — частота волны. Любая система может поглощать или излучать только определенное количество энергии. Наблюдения показали, что электрон поглотит фотон только в том случае, если энергии фотона будет достаточно, чтобы перевести электрон в стабильное состояние.

Что такое эффект Комптона?

Эффект Комптона или рассеяние Комптона — это процесс рассеяния электромагнитной волны на свободном электроне. Расчет комптоновского рассеяния показывает, что наблюдения можно объяснить только с помощью фотонной теории света. Наиболее важным из этих наблюдений было изменение длины волны рассеянного фотона в зависимости от угла рассеяния. Это можно объяснить, только рассматривая электромагнитную волну как частицу. Основное уравнение комптоновского рассеяния: Δλ = λ_c(1-Cosθ), где Δλ — сдвиг длины волны, λ_c — длина волны Комптона, а θ — угол отклонения. Максимальный сдвиг длины волны происходит при 180 0 .

В чем разница между фотоэлектрическим эффектом и эффектом Комптона?

• Фотоэлектрический эффект возникает только в связанных электронах, но комптоновское рассеяние происходит как в связанных, так и в свободных электронах; однако это наблюдается только в свободных электронах.

• При фотоэффекте падающий фотон наблюдает электрон, но при комптоновском рассеянии поглощается только часть энергии, а остальная часть фотона рассеивается.

Квантовые свойства света

В 1887г. немецкий физик Герц объяснил явление фотоэффекта. Основой этому послужила Гипотеза Планка о квантах.

Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины. При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает ультрафиолетовое излучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света могут освобождаться отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы — электроны.

Были сделаны попытки объяснить закономерности внешнего фотоэффекта на основе волновых представлений о свете. Согласно этим представлениям, механизм фотоэффекта выглядит так. На металл падает световая волна. Электроны, находящиеся в его поверхностном слое, поглощают энергию этой волны, и их энергия постепенно увеличивается. Когда она становится больше работы выхода, электроны начинают вылетать из металла. Таким образом, волновая теория света будто бы способна качественно объяснить явление фотоэффекта.

Однако расчеты показали, что при таком объяснении время между началом освещения металла и началом вылета электронов должно быть порядка десяти секунд. Между тем из опыта следует, что t<10-9c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безинерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

Согласно волновой теории кинетическая энергия фотоэлектронов должна возрастать с увеличением интенсивности света, падающего на металл. А интенсивность волны определяется амплитудой колебаний напряжённости Е, а не частотой света. (От интенсивности падающего света зависит лишь число выбиваемых электронов и сила тока насыщения).

Из волновой теории следует, что энергию, необходимую для вырывания электронов из металла, способно дать излучение любой длины волны, если его интенсивность достаточно велика, т.е. что фотоэффект может вызываться любым световым излучением. Однако существует красная граница фотоэффекта, т.е. получаемая электронами энергия зависит не от амплитуды волны, а от ее частоты.

Таким образом, попытки объяснить закономерности фотоэффекта на основе волновых представлений о свете оказались несостоятельными.

Эффект Комптона

Эффектом Комптона называется изменение частоты или длинны волны фотонов при их рассеянии электронами и нуклонами. Этот эффект не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны при рассеянии изменяться не должна: под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты.

Эффект Комптона отличается от фотоэффекта тем, что фотон передает частицам вещества свою энергию не полностью. Частным случаем эффекта Комптона являются рассеяние рентгеновских лучей на электронных оболочках атомов и рассеяние гамма-лучей на атомных ядрах. В простейшем случае эффект Комптона представляет собой рассеяние монохроматических рентгеновских лучей легкими веществами (графит, парафин и др.) и при теоретическом рассмотрении этого эффекта в этом случае электрон считается свободным.

Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе света. Если считать, как это делает квантовая теория, что излучение имеет корпускулярную природу.

Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий.

Как эффект Комптона, так и фотоэффект на основе квантовых представлений обусловлены взаимодействием фотонов с электронами. В первом случае фотон рассеивается, во втором — поглощается. Рассеяние происходит при взаимодействии фотона со свободными электронами, а фотоэффект — со связанными электронами. Можно показать, что при столкновении фотона со свободными электронами не может произойти поглощения фотона, так как это находится в противоречии с законами сохранения импульса и энергии. Поэтому при взаимодействии фотонов со свободными электронами может наблюдаться только их рассеяние, т.е. эффект Комптона.

Тема 13. Корпускулярная оптика. Фотоэффект и эффект Комптона

Согласно квантовой гипотезе Планка-Эйнштейна свет частотой n испускается, распространяется и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых e _о= hn (h – постоянная Планка). Эти локализованные в пространстве дискретные световые кванты, движущиеся со скоростью с распространения света в вакууме, получили название фотонов. Таким образом, распространение света можно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток частиц – фотонов. Доказательством этих квантовых (корпускулярных) представлений о свете, как о потоке частиц, являются фотоэффект и эффект Комптона.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Явление внешнего фотоэффекта и его закономерности объяснены на основе квантовой теории фотоэффекта, согласно которой каждый квант света поглощается только одним электроном.

Энергия hn падающего на металл фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии, то есть по закону сохранения энергии:

(уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта).

Из этого уравнения следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности, то есть от числа фотонов. Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается, то при некоторой частоте n = n ₀ кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и в том случае энергия фотона hn ₀ равна работе выхода А, из чего следует, что n ₀= А / h (частота n ₀ носит название красной границы фотоэффекта). При частоте n<n ₀ фотоэффекта не будет.

Масса и импульс фотона. Согласно квантовой гипотезе Планка-Эйнштейна, распространение света можно рассматривать как поток часииц – фотонов, энергия которых e ₀ =hn. Тогда из уравнения Эйнштейна взаимосвязи массы и энергии E=mc 2 следует, что масса фотона:

Фотон движется со скоростью света с, поэтому импульс р фотона:

Полученные выражения связывают корпускулярные характеристики фотона – массу, импульс и энергию – с волновой характеристикой света – его частотой n (или его длиной волны l).

Корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона.

Эффектом Комптона называется увеличение длины волны коротковолнового электромагнитного излучения при его упругом рассеянии на свободных электронах вещества. Опыты Комптона показали, что разность длин волн рассеянного (l’) и падающего (l) электромагнитного излучения, то есть величина Dl=l’–l не зависит от длины волны l падающего излучения и природы рассеивающего вещества (РВ), а определяется только углом рассеяния q, то есть углом между направлениями лучей до и после рассеяния (рис. 29):

Читать:

Как рассчитать антенну по частоте 2100 мгц

, где–комптоновская длина волны.

Эффект Комптона не укладывается в рамки волновой теории света, и его объяснение дано на основе квантовых представлений о природе света. Если рассматривать излучение, как поток фотонов, то эффект Комптона – это результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами рассеивающего вещества. В процессе этого столкновения фотон передает электрону часть своей энергии, что ведет к увеличению длины волны при рассеянии фотона.

(На рисунке 29 введены следующие обозначения: p и p’ – импульсы фотона до и после рассеяния; p_e – импульс электрона после рассеяния на нем фотона).

Это выражение для величины D l, полученное на основе корпускулярных представлений о свете, оказалось аналогично приведенному выше выражению для величины D l, полученному Комптоном экспериментально.

Следовательно, эффект Комптона является экспериментальным доказательст-вом проявления корпускулярных свойств света как потока частиц – фотонов. Итак, рассмотренные явления фотоэффекта и эффекта Комптона служат доказательством квантовых (корпускулярных) представлений о свете как о потоке фотонов, а, с другой стороны, такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света подтверждают волновую природу света. Таким образом, свет, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, проявляет так называемый корпускулярно-волновой дуализм.

Тема 14. Тепловое излучение

Излучение света телами, обусловленное их нагреванием, называется тепловым излучением. Количественно тепловое излучение характеризуется спектраль-ной плотностью энергетической светимости тела, т.е. мощностью излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины:

– энергия излучения, испускаемого за единицу времени с единицы площади поверхности тела в интервале частот от n до n + dn.

Спектральную плотность энергетической светимости можно представить в виде функции длины волны l, то есть в виде R_l_,_T, причем:

С помощью этой формулы можно перейти от R_n_,_T к R_l_,_T и наоборот.

Зная спектральную плотность энергетической светимости, можно вычислить интегральную энергетическую светимость R_T:

Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спектральной поглощательной способностью А_n_,_T:

показывающей, какая доля энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотами от n до n + dn, поглощается телом.

Тело, способное поглощать полностью при любой температуре всё падающее на него излучение любой частоты, называется черным телом. Следовательно, спектральная поглощательная способность черного тела для всех частот и температур тождественно равна единице ( ).

Закон Кирхгофа. Кирхгоф установил, что отношение спектральной плотности энергетической светимости R_n_,_T к спектральной поглощательной способности А_n_,_T не зависит от природы тела; оно является для всех тел универсальной функцией r_n_,_T частоты n (или длины волны l) и температуры Т:

Для черного тела , поэтому из закона Кирхгофа вытекает, что универсальная функция Кирхгофа r_n_,_T – это спектральная плотность энергетической светимости R_n_,_T черного тела. Тогда выражение для интегральной энергетической светимости черного тела R_e можно записать в виде:

Энергетическая светимость черного тела R_e зависит только от температуры.

Закон Стефана – Больцмана. Согласно закону Стефана – Больцмана энергетическая светимость черного тела R_e зависит от температуры Т следующим образом: , где s – постоянная Стефана – Больцмана.

Согласно закону смещения Вина, зависимость длины волны l_max, соответствующей максимуму функции r_l_,_T, от температуры имеет вид: , где b – постоянная Вина.

Это выражение называют законом смещения Вина, так как оно показывает смещение положения максимума функции r_l_,_T с изменением температуры Т.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

22.Корпускулярные свойства света

В 1887г. немецкий физик Герц объяснил явление фотоэффекта. Основой этому послужила Гипотеза Планка о квантах.

2. Эффект Комптона

Эффектом Комптона называется изменение частоты или длинны волны фотонов при их рассеянии электронами и нуклонами. Этот эффект не укладывается в рамки волновой теории.

Как эффект Комптона, так и фотоэффект на основе квантовых представлений обусловлены взаимодействием фотонов с электронами. В первом случае фотон рассеивается, во втором – поглощается. Рассеяние происходит при взаимодействии фотона со свободными электронами, а фотоэффект – со связанными электронами. Можно показать, что при столкновении фотона со свободными электронами не может произойти поглощения фотона, так как это находится в противоречии с законами сохранения импульса и энергии. Поэтому при взаимодействии фотонов со свободными электронами может наблюдаться только их рассеяние, т.е. эффект Комптона.

23.Назовите важнейшие законы и открытия в области электричества и магнетизма, положенные в основу эмкм.

В 1759 г. английский естествоиспытатель Р.Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.

В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем было установлено, что электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов е=1,6×10-19 Кл. В 1897 г. Дж. Томсоном была открыта и наименьшая устойчивая частица, являющаяся носителем элементарного отрицательного заряда (электрон, имеющий массу moe=9,1×10-31). Таким образом, электрический заряд является дискретным, т.е. состоящим из отдельных элементарных порций q=± ne, где n – целое число.

В результате многочисленных исследований электрических явлений, предпринятых в 18-19 вв. был получен ряд важнейших законов.

Закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная. (Т.е. электрические заряды могут возникать и исчезать, но при этом обязательно появляется и исчезает равное количество элементарных зарядов противоположных знаков). Величина заряда не зависит от его скорости.

Закон взаимодействия точечных зарядов, или закон Кулона:

, где e — относительная диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме e = 1). Силы Кулона существенны до расстояний порядка 10-15м (нижний предел). На меньших расстояниях начинают действовать ядерные силы (т.н. сильное взаимодействие). Что касается верхнего предела, то он стремится к :.

Исследование взаимодействия зарядов, проводившееся в 19 в. замечательно еще и тем, что вместе с ним в науку вошло понятие поля. Начало этому было положено в работах М. Фарадея.

Открытие Эрстеда. Он открыл магнитное поле у проводника с током. Так была установлена связь электричества и магнетизма. Силовой характеристикой магнитного поля является напряженность .

Электродинамика. В течение сентября 1820 г. французский физик, химик и математик А.М. Ампер разрабатывает новый раздел науки об электричестве – электродинамику.

Законы Ома, Джоуля-Ленца: важнейшими открытиями в области электричества явились открытый Г. Омом (1826) закон I=U/R и для замкнутой цепи I= ЭДС/(R+r), а также закон Джоуля-Ленца для количества тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t: Q = IUT.

Работы М.Фарадея. Исследования английского физика М.Фарадея (1791-1867) придали определенную завершенность изучению электромагнетизма. Зная об открытии Эрстеда и разделяя идею о взаимосвязи явлений электричества и магнетизма, Фарадей в 1821 г. поставил задачу «превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции. (Суть закона: изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС индукции ЭДСi = k×DФm/Dt, где DФm/Dt – скорость изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур). С 1831 по 1855 гг. выходит в свет в виде серий главный труд Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству».

Работая над исследованием электромагнитной индукции, Фарадей приходит к выводу о существовании электромагнитных волн. Позже, в 1831 г. он высказывает идею об электромагнитной природе света.

Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его открытия, был Д.Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира (ЭМКМ).

Чем отличается комптон эффект от фотоэффекта