Читать онлайн «Внешний фотоэлектрический эффект: Методические указания к лабораторной работе»

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ Лабораторная работа 3. 2 В. Ф. Климкин Внешний фотоэлектрический эффект Введение При взаимодействии электромагнитного излучения с материальной средой, состоящей из атомов, может происходить перераспределение электронов по энергетическим состояниям, приводящее к возникновению свободных электронов с относительно высокой кинетической энергией. Облучение вещества высокоэнергетическими гамма-квантами сопровождается образованием пары позитрон−электрон. Превращение фотона в пару происходит преимущественно в поле ядер тяжелых элементов. Минимальная энергия фотона, способного превратиться в пару позитрон−электрон, опре- деляется массами покоя m0 электрона и позитрона и энергией отдачи ядра (кинетическая энергия, 8М Я m0 2 2 приобретаемая ядром). Она равна Е мин = 2m0 c + 2 с . Так как масса ядра M Я >> m0 , то ( M + m ) 2 Е мин ≈ 2m0 c 2 ( m0 c 2 ≈ 0,51 МэВ − энергия, соответствующая массе покоя электрона (позитрона)). Я 0 Избыток энергии фотона идет на сообщение кинетической энергии позитрону и электрону. В случае эффекта Комптона при упругом столкновении фотона со свободным электроном часть его энергии передается электрону и возникает рассеянный фотон с меньшей частотой. Наиболее бы- стрые электроны вылетают вперед, по направлению первичного фотона, и им соответствуют рассеян- ные назад фотоны с наибольшим изменением частоты. Практически наблюдение ведется при осве- 0 щении мишеней жестким рентгеновским излучением (λ ∼ 0,2 A , энергия фотона ∼ 6⋅104 эВ). Для лег- ких атомов и внешних электронов тяжелых атомов энергией связи электрона (∼ 4−25 эВ) можно пре- небречь по сравнению с энергией фотона рентгеновских лучей. Для не слишком жестких рентгенов- ских лучей электрон получает сравнительно малую часть всей энергии фотона. Фотоэлектрический эффект возникает при столкновении фотона со связанным электроном (электроны в индивидуальных атомах, твердых телах и жидкостях). При этом фотон передает элек- трону всю свою энергию (фотон поглощается), и электрон может приобретать энергию порядка энер- гии самого фотона. Энергия фотонов в видимой и примыкающей к ней ультрафиолетовой области спектра сравнима с работой выхода электронов проводимости из чистых металлов (несколько элек- трон-вольт). В зависимости от того, остаются ли эти электроны в данной среде или выходят из нее через границу раздела с другой средой, различают фотоэффект внутренний и внешний.