Фотоэффект. Комптон эффектісі

Жарықтың затқа еткен әсері білінетін құбылыстардың бірі – фотоэлектрлік эффект (фотоэффект) болады. Фотоэффект деп түскен жарық ықпалынан заттан электрондар бөлініп шығу құбылысы айтылады. Бұл құбылысты алғаш неміс физигі Герц (1887 ж.) байқаған.

Фотоэлектр эффект құбылысын сол кезде (1888 ж.) белгілі орыс физигі А. Г. Столетов толық зерттеген. Оны сыртқы фотоэффект құбылысы деп атайды. Оны зерттеу үшін қажетті сызба 1-суретте көрсетілген. Катодты әртүрлі толқын ұзындықты жарықпен сәулелендіре отырып, Столетов мынадай заңдылықтар енгізді: 1) ультракүлгін сәулелердің ықпалы басымырақ; 2) жарық әсерінен зат тек теріс зарядтарын жоғалтады; 3) жарық әсерінен пайда болған ток күші оның интенсивтігіне тура тәуелді.

Дж. Томсон 1898 ж. жарық әсерінен шығарылған бөлшектердің меншікті зарядын өлшеді. Бұл өлшеулер жарық әсерінен электрондардың шығатынын көрсетті.

Фотоэлектрқұбылысыныңішкі фотоэффект деген түрі бар. Оның мазмұны мынадай: кристалға, жартылай өткізгішке жарық түскенде жарық жұтылады да, олардың құрамындағы кейбір электрондар сыртқа ұшып шықпағанмен, босанып қозғалады. Осының нәтижесінде жартылай өткізгіштің электрлік кедергісі кемиді, яғни электр өткізгіштігі артады.

1-сурет

Фотоэффектінің тағы бір түрі – вентильдік фотоэффект. Ол кейбір жартылай өткізгіштерге жарық түскенде байқалады. Мұнда да сыртқы фотоэффектідегідей жарықтың әсерінен заттың бетінен электрондар бөлінеді, бірақ фотоэлектрондар сыртқа (вакуумға немесе газды кеңістікке) ұшып шықпайды; олар тек бөгеуіш қабат делінетін өте жұқа қабаттан бір беткей ғана өтеді де сол қабаттың үстіне орнатылған металл пластинканы зарядтайды; фотоэлектрондар бөгеуіш қабаттан кері қарай өте алмайды. Сөйтіп жарық түскенде жартылай өткізгіш пен металл пластинка (электрод) аралығында потенциалдар айырмасы пайда болады.

Фотоэлектрлік құбылысты жарықтың кванттық теориясына сүйеніп толық түсінуге болады. Бұл құбылысты ең алғаш (1905 ж.) атақты неміс физигі А.Эйнштейн қарастырған болатын. Ол энергия кванты туралы Планк гипотезасын пайдаланды. Эйнштейннің пікірінше жарық таралғанда энергия кванттары ағыны түрінде таралады. Жарық энергиясының кванты фотон деп те аталады. Сонда жарық дегеніміз фотондар ағыны болады.

Әрбір электрон тек бір фотон энергиясын жұтады. Ол жұтылған фотон энергиясы біріншіден, электронды металдан бөліп шығару (А) жұмысын істеуге жұмсалады, екіншіден, фотоэлектронның кинетикалық энергиясына айналады, сөйтіп Эйнштейнше

. (1)

Егер түскен жарық квантының энергиясы ( ) электронның металдан шығу жұмысына (А) тең болса, онда фотоэлектронның кинетикалық энергиясы нөлге тең болады, бұл жағдайда сыртқы фотоэффект құбылысы байқалмайды. Демек тербелістер жиілігі -ден кем жарық фотоэффект құбылысын қоздыра алмайды. Ендеше жарықтың тербеліс жиілігі фотоэффектінің қызыл шегіне дәл келеді.

1923 жылы американ физигі А. Комптон монохроматты рентген сәулелерінің жеңіл атомды (бор, парафи) заттарда шашырау құбылысын қарастырған. Комптон эффектісі дегеніміз – қысқа толқынды жарықтың заттардағы екін электрондарда серпімді шашырап, толқын ұзындығының қысқаруы. Фотонның энергиясы да, импульсі де азаяды, олай болса жиілігі де азаяды, демек толқын ұзындығы арта түседі.

Рентген сәулелерінің жеңіл атомдармен соқтығысқан кезде оның толқын ұзындығының ұзаруын алғаш рет Комптон ашты.бұл Комптон эффектісі деп аталады, толқын ұзындығы:

, (2)

мұндағы: – түскен жарықтың толқын ұзындығы, – шашырағын жарықтың толқын ұзындығы, – толқындар айырмасы, ол , толқын ұзындықтарына байланысты емес, шашырау бұрышымен анықталады. – комптондық толқын ұзындық деп аталады.