Вольтамперная характеристика

 

Вольтамперная характеристика представляет собой зависимость фототока от напряжения между катодом и анодом.

 

 

Вначале ток быстро возрастает, а затем достигает насыщения. Сила тока насыщения определяется количеством электронов, испущенных катодом в единицу времени.

I_нас. = еn, где n – число электронов, испускаемых катодом за 1с.

При U = 0 ток не исчезает, с поверхности катода вырываются электроны, скорость которых не равна нулю. Для того, чтобы фототок стал равен нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение (задерживающий потенциал), т.е.

Законы фотоэффекта не укладываются в рамки волновой теории, согласно которой под действием электромагнитной волны электроны вещества должны совершать колебания с амплитудой, пропорциональной амплитуде волны. При достаточной интенсивности (I ~ A²) связь электрона с веществом может быть нарушена, и электроны будут вылетать со скоростью, величина которой должна зависеть от интенсивности падающего света. Однако, скорость фотоэлектронов зависит только от частоты, т. е. имеет место единичное взаимодействие между фотоном и электроном.

Зависимость тока насыщения от светового потока объясняется тем, что число освобожденных электронов пропорционально числу фотонов в пучке света.

В полупроводниках и в меньшей степени в диэлектриках наблюдается внутренний фотоэффект, заключающийся в перераспределении электронов по энергетическим уровням, т.е. остаются внутри освещаемого вещества.

На основании опытов по фотоэффекту, было установлено, что электрон одновременно может получить энергию не от одного фотона, а от нескольких. Такой фотоэффект получил название многофотонного. Это – один из нелинейных эффектов в оптике.

Уравнение эйнштейна для многофотонного фотоэффекта:

,

где N – число фотонов, передающих энергию одному электрону. При многофотонном фотоэффекте красная граница смещается в сторону длинных волн.

 

Эффект Комптона

В 1923 г. А. Комптон, исследуя рассеяние рентгеновских лучей различными веществами, обнаружил, что в рассеянном излучении наряду с первичными лучами присутствуют лучи большей длины волны, причем разность длин волн ∆λ = λ' – λ не зависит от природы вещества и длины волны первичного излучения λ. Таким образом, эффект Комптона заключается в том, что при рассеянии жесткого (коротковолнового) электромагнитного излучения на свободных электронах происходит увеличение длины волны рассеянного света.

Экспериментально установлено

,

где  – угол рассеяния фотона, т.е. угол между направлением рассеянного излучения и направлением первичного пучка; λ₀ =  – называется комптоновской длиной волны частицы массой m₀: для электрона  = 2,426·10^{-12 м;} m₀ – масса покоя электрона. Максимальное изменение длины волны происходит при угле рассеяния = 180⁰.

В эффекте Комптона проявляется квантовая природа света. Рассеяние можно представить как процесс упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными (или почти свободными) электронами.

В самом деле, энергия связи внешних электронов в атоме от 1 до 10 эВ (1 эВ = 1,6 · 10^-19 Кл). Если λ ≈ 1Å ≈ 10^-10м, то E = hν = 1,25·10⁴ эВ, т.е. для фотонов с такой энергией электроны можно считать свободными.

Диаграмма импульсов при упругом рассеянии фотона на покоящемся электроне.

При поглощении рентгеновских лучей с длиной волны λ ≈ 1Å, электрон приобретает скорость, близкую к с, т.е. возникает релятивистский эффект. Зависимость частоты или длины волны рассеянного фотона от угла рассеяния определяется, используя законы сохранения энергии и импульса.

Давление света (1901 г. П.Н. Лебедев)

Поскольку фотоны обладают импульсом, то падающий на произвольную поверхность свет должен оказывать на нее давление.

Пусть за единицу времени нормально к поверхности единичной площиди падает N фотонов. При этом α N фотонов отразится, а (1-α) N фотонов поглотится (α – коэффициент отражения). Давление света на единичную поверхность будет равно импульсу, который ей передают N фотонов за 1с:

Р =

Произведение Nhν – энергетическая освещенность Е_е данной поверхности, равная световой энергии, падающей на единицу поверхности за единицу времени, а Е_е /с = ω – объемная плотность энергии излучения. Поэтому

Р =

Эти формулы справедливы только для случая нормального падения света на поверхность.

Квантовая концепция согласуется с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия излучения с веществом. Такие хорошо изученные явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, объясняются в рамках волновых представлений. Все свойства и за коны распространения света, его взаимодействие с веществом показыва ют, что

свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств — корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного).

Таким образом длительный путь развития естествознания привел к современной концепции двойственной корпускулярно-волновой природы света. Свет представляет собой единство дискретности и непрерывности.