2.2. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом

Фотоэффект. Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется процесс взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества.

Для твердых и жидких тел различают внешний фотоэффект, при котором поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов, называемых фотоэлектронами, за пределы тела; внутренний фотоэффект, при котором электроны остаются в теле, изменяя в нем свое энергетическое состояние; вентильный фотоэффект.

В газах фотоэффект сводится к ионизации атомов или молекул под действием излучения и называется фотоионизация.

Ядерным фотоэффектом называется вид фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов жестких гамма-лучей атомными ядрами из них вылетают составляющие ядра нуклоны.

Рассмотрим внешний фотоэффект. Энергия вылетающих под действием света фотоэлектронов различна. Наибольшей скоростью v_m будут обладать электроны, вырванные с самого верхнего энергетического уровня в металле. По закону сохранения энергии этих электронов:

h = А + .

Это уравнение называют уравнением Эйнштейна.

Эйнштейн показал, что энергия фотоэлектронов доставляется фотонами и усваивается электронами полностью в безынерционном процессе, каким является фотоэффект, при их взаимодействии с квантами h. Часть этой энергии, равная работе выхода А – минимальной энергии, которую необходимо сообщить электрону для того чтобы удалить его с поверхности твердого или жидкого тела в вакуум, затрачивается на совершение работы по выходу электрона из тела. Остаток энергии фотона образует максимальную кинетическую энергию электрона, покинувшего тело.

Экспериментально установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:

1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов v_m не зависит от интенсивности электромагнитной волны, то есть от ее амплитуды, как того требуют классические понятия, а зависит только от ее частоты  (или длины волны ) – увеличение частоты (уменьшение длины волны) приводит к возрастанию скорости фотоэлектронов.

2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта (порог фотоэффекта), то есть наименьшая частота _min = (наибольшая длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта, _max = ), при которой еще возможен внешний фотоэффект. Красная граница фотоэффекта зависит только от химической природы вещества и состояния его поверхности.

3. Число фотоэлектронов N, ежесекундно вылетающих из тела, пропорционально числу фотонов, падающих за 1 с на поверхность данного тела, то есть пропорционально интенсивности падающего электромагнитного излучения .

Величина , равная числу фотоэлектронов, приходящихся на один падающий фотон, называется квантовым выходом фотоэффекта. Квантовый выход зависит от свойств вещества, длины волны излучения и определяется отношением числа фотоэлектронов N к числу падающих на вещество фотонов N :

 = .

Измерение энергии (в электронвольтах: 1эВ = 1,6·10^-19 Дж) фотоэлектронов можно провести, используя вакуумные или газонаполненные фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте. В фотоэлементе вблизи фотокатода - электрода, испускающего фотоэлектроны под действием света, располагается второй электрод – анод, на который подается задерживающий (  0) или ускоряющий (  0) потенциал. При достаточно больших ускоряющих напряжениях U между фотокатодом и анодом фототок I достигает насыщение (рис. 26), в этом случае все фотоэлектроны попадают на анод.

При некотором значении задерживающего напряжения U = - U_зап (потенциал запирания) даже наиболее быстрые электроны не могут достичь анода и фототок становится равным нулю. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов связана с запирающим напряжением выражением Е = eU_зап, где е – заряд электрона.

Внутренний фотоэффект наблюдается в диэлектриках и полупроводниках и называется фотопроводимостью, заключающейся в увеличении электропроводности этих веществ за счет возрастания в них числа свободных носителей тока (электронов проводимости и дырок). Красная граница фотопроводимости определяется энергией активации проводимости (шириной запрещенной зоны) в беспримесных веществах. Электропроводность вещества пропорциональна интенсивности монохроматического электромагнитного излучения.

Вследствие внутреннего фотоэффекта на границе раздела между металлом и полупроводником или двумя полупроводниками р- и n-типа возникает вентильный фотоэффект, приводящий к генерации фотоэлектродвижущей силы (фото–ЭДС) и заключающийся в преобразовании энергии электромагнитного излучения в энергию электрического тока. Это явление используется в фотоэлектрических источниках тока (например, солнечных элементах). Величина фото–ЭДС, возникающая под действием монохроматического света, пропорциональна его интенсивности.

Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом не ограничивается только фотоэффектом, а включает в себя также механическое (давление света, импульс фотона) и химическое (фотохимические законы) действие фотонов на вещество, явление рассеяния фотонов электронами и нуклонами вещества (эффект Комптона).

Давление света. Давлением света называется механическое действие, производимое электромагнитными волнами при падении на какую-либо поверхность.

Результаты электромагнитной и квантовой теории света в расчете светового давления совпадают. Согласно электромагнитной теории электрическое поле световой волны вызывает колебания зарядов в поверхностном слое тела. Магнитное поле действует на эти заряды с лоренцовой силой.

Квантовая теория объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса р = h/с = h/ атомам или молекулам на поверхности тела. При своем поглощении фотон отдает импульс h/с, при отражении (упругом рассеянии) – импульс 2h/с, так как его импульс при этом меняется с (+ h/с) на величину (- h/с). Результирующий импульс Р, переданный потоком из N фотонов при коэффициенте отражения света R поверхностью тела, определяет давление света на эту поверхность и равен по величине:

P = Np + RNp = (1 + R)Np = (1 + R)N = (1 + R) ,

где W – энергия электромагнитного излучения, падающего нормально на некоторую поверхность единичной площади за одну секунду, с – скорость света в вакууме, р – импульс одного фотона с энергией h, N = W/h - число фотонов в потоке.

Давление света для абсолютно поглощающего (абсолютно черного) тела (R = 0) равно W/c, а для абсолютно отражающего тела (R = 1) равно 2W/c.

Существование светового давления было на опыте доказано П.Н.Лебедевым.

Действие света на поглощающие его вещества может вызвать химические превращения веществ, называемые фотохимическими реакциями. Исходя из фотонной структуры света, Эйнштейн сформулировал два фотохимических закона:

1. Каждый поглощенный веществом фотон вызывает превращение одной молекулы.

2. Молекула вступает в фотохимическую реакцию под действием фотона лишь в том случае, когда энергия фотона не меньше определенного значения, необходимого для разрыва молекулярных связей (энергии диссоциации молекулы). Граница фотохимической реакции по энергии фотона полностью аналогична красной границе фотоэффекта, что объясняет, например, нечувствительность фотобумаги к красному и инфракрасному свету.

Эффект Комптона. Эффектом Комптона называется изменение частоты или длины волны фотонов рентгеновского и гамма-излучений (у видимого, УФ и ИК излучений эффект Комптона не наблюдается) при их рассеянии электронами и нуклонами вещества. Комптон обнаружил, что если рентгеновское излучение с длиной волны ₀ рассеивается веществом (например, углеродом или металлом), то в рассеянном потоке наряду с излучением с той же длиной волны ₀ наблюдается излучение с большей длиной волны (рис. 27) и изменение длины волны равно:

Δ =  - ₀ = 2 = 2sin² ,

где  - угол рассеяния,  = 2,4310^-12 м = 2,4310^-3 нм – комптоновская длина волны, не зависящая от свойств рассеивающего вещества.

Эффект Комптона отличается от фотоэффекта тем, что падающий фотон передает частицам вещества свою энергию не полностью. Эффект Комптона качественно можно объяснить, рассматривая упругое соударение падающего фотона с неподвижным свободным (или слабо связанным) электроном. При соударении падающий фотон передает электрону часть р_е своего импульса р_0. По закону сохранения импульса можно записать, что р_0 = р_е + р_, где р_ импульс рассеянного под углом  длинноволнового фотона (т. к. энергия фотона после столкновения уменьшается). Импульс рассеянного фотона по величине меньше импульса падающего фотона р_  р_0, или h/  h/₀, следовательно   ₀, что и наблюдается в эксперименте. После соударения электрон приобретает импульс, направленный под углом  к направлению движения падающего фотона и равный по величине:

р_е = .

Фотоны рассеиваются при столкновении не только с электронами, но и с атомами, массы которых в десятки тысяч раз больше массы электронов.

Эффект Комптона дает одно из лучших доказательств того, что фотоны представляют собой частицы, которые подчиняются механическим законам сохранения и при столкновениях с частицами вещества могут передавать одновременно энергию и импульс.

3 ГЛАВА
	ФИЗИКА АТОМА
		3.1. СТРОЕНИЕ АТОМОВ
		3.2. СПЕКТР АТОМА ВОДОРОДА
		3.3. ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЦ ВЕЩЕСТВА
		3.4. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
		3.5. ЭЛЕКТРОННАЯ ОБОЛОЧКА АТОМА
		3.6. АТОМ ВОДОРОДА В КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ

Атом – одна из сложных конструкций, окружающего нас материального мира. До ХХ века атом считался неделимой мельчайшей частицей вещества. Открытие электрона и обнаружение электронов в составе всех атомов было первым доказательством сложности их строения. Важным фактом, свидетельствующим о сложной внутренней структуре атомов, является также существование линейчатых спектров испускания электромагнитного излучения атомами химических элементов, явление радиоактивности.

Попытки построить модель атома в рамках классической теории не привела к успеху. Преодолеть возникшие трудности позволила новая – квантовая - теория атома.

Цель главы – изучить основные закономерностям в физике атома, свойства атома водорода и водородоподобных атомов, элементы квантовой механики, объяснить спектр атома водорода с точки зрения квантовой теории.