Корпускулярные свойства рентгеновского излучения презентация

не ограничен по частоте

ЭКСПЕРИМЕНТ

КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

установили, что коротковолновая граница спектра тормозного излучения однозначно связана с ускоряющим напряжением, подаваемым на рентгеновскую трубку:

СУЩЕСТВОВАНИЕ КОРОТКОВОЛНОВОЙ ГРАНИЦЫ СПЕКТРА НЕПОСРЕДСТВЕННО ВЫТЕКАЕТ ИЗ КВАНТОВОЙ ПРИРОДЫ ИЗЛУЧЕНИЯ.

Приведенные выше соотношения позволяют наиболее точным образом определить значение постоянной Планка.

корпускулярные свойства света, следует также отнести фотоэффект-явление освобождения электронов под действием света. В 1886—87 гг. Герц впервые наблюдал и дал описание внешнего фотоэффекта. Спустя 10 лет (в 1898 г.) Ленард и Томсон, измерив, удельный заряд испускаемых под действием света частиц, установили, что эти частицы являются электронами.

Ге́нрих Ру́дольф Герц (Heinrich Rudolf Hertz;) 1857 - 1894,  
немецкий физик, открыл внешний фотоэффект.

Алекса́ндр Григо́рьевич Столе́тов (1839 - 1896) — российский физик. исследовал внешний фотоэффект (1888—1890). Основал физическую лабораторию в Московском университете (1874).

Центральной частью установки являлся вакуумированный баллон с впаянными в него электродами. Свет падал на катод через кварцевое окно. Ток в цепи измерялся гальванометром G. Напряжение между катодом и анодом можно было изменять про помощи потенциометра П.

освещенность катода для первой кривой меньше чем для второй.
2) Существует ток насыщения, при котором все электроны, испущенные катодом, попадают не анод.
3) Пологий ход кривой указывает на то, что электроны вылетают из катода с разными скоростями. Доля электронов, отвечающая силе тока при напряжении равном нулю, обладает скоростями достаточными для достижения анода самостоятельно, без помощи ускоряющего поля.
4) Для обращения тока в нуль необходимо приложить задерживающее напряжение U0, при котором ни одному электрону не удается достигнуть анода, следовательно,

Измерив задерживающий потенциал, можно определить максимальную энергию, которую имеют
электроны при вылете из металла. К 1905 г. было установлено, что максимальная скорость
электронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от его частоты. Увеличение
частоты приводит к возрастанию скорости, и, следовательно, задерживающего потенциала.
Оказалось, что задерживающая разность потенциалов и, следовательно, линейно зависит от частоты падающего излучения.

данного материала катода фотоэффект отсутствует, независимо от плотности светового потока и времени облучения.
Электроны покидают поверхность катода с энергиями от нуля до максимальной , которая не зависит от плотности светового потока и линейно зависит от частоты.
При фиксированной частоте излучения число электронов, выбитых из катода в единицу времени Iнас, прямо пропорционально плотности светового потока Iнас~ S.
Времени запаздывания фототока относительно начала облучения обнаружить не удалось.

Многочисленные опыты показали, что энергия фотоэлектронов АБСОЛЮТНО НЕ ЗАВИСИТ от интенсивности падающего света. Повышение интенсивности увеличивает лишь количество фотоэлектронов, и притом строго пропорционально интенсивности и не влияет на время запаздывания, и скорость электронов. Скорость зависит только от частоты, причем так, что энергия прямо пропорциональна частоте. Именно это и иллюстрирует линейная зависимость задерживающего потенциала от частоты.

представлениями.
Экспериментально измеренное время запаздывания фотоэффекта во много раз меньше нижней границы для теоретической оценки согласно классическим представлениям.
Оценка времени запаздывания.
Предположим, что электрон раскачивается в поле ЭМВ.
Для того, чтобы преодолеть силы, удерживающие электрон в металле, электрон должен иметь энергию, равную работе выхода А.

Средняя освещенность в комнате

- средняя плотность потока энергии в световом пучке; Δt - время взаимодействия ЭМВ с электроном.
- эффективная площадь сбора энергии - порядка квадрата атомных размеров.
- энергия, сообщаемая электрону за время Δt.

Пусть

3. Независимость скорости фотоэлектронов от плотности светового потока, облучающего катод.
Независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности света пытались объяснить тем, что свету приписывалась роль спускного механизма, то есть предполагалось, что электрон набирает свою энергию не за счет падающей волны, а за счет тепловых движений в металле.

исчезают, если рассматривать свет как поток квантов величины ћω, то есть встать на чисто корпускулярную точку зрения. Энергия фотона, соответствующая свету с частотой ω равна ћω, где . Фотон, поглощенный атомом, передает ему всю свою энергию. Если энергия кванта достаточно велика, то электрон может преодолеть удерживающие его силы и выйти из металла. Закон сохранения энергии для этого процесса имеет вид:

и называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. В нем А - работа выхода - работа, совершенная электроном для преодоления сил, удерживающих его в металле;

- кинетическая энергия электрона непосредственно после выхода из металла.

Объяснение данных экспериментов

1.Существование граничной частоты из * очевидно, причем

*

2. Наличие задерживающего потенциала и его линейная зависимость от частоты записаны
собственно в уравнении Эйнштейна:

только с одним фотоном, то должна выполняться пропорциональность между числом выбитых электронов и световым потоком. По этой же причине не возникает зависимости Vmax от интенсивности.
4.Вследствие локализации фотона в пространстве, электрон взаимодействует с квантом практически мгновенно, поэтому запаздывание невелико и обусловлено лишь конечной скоростью электрона.

Внутренний и ядерный фотоэффект

Явление возрастания проводимости при освещении полупроводников и диэлектриков называется внутренним фотоэффектом и находит широкое применение в практике. Внутренний фотоэффект был открыт в 1873 г. американским
физиком - У. Смитом, а внешний Герцем в 1887 г.

МНОГОФОТОННЫЙ ФОТОЭФФЕКТ

ЗОННАЯ СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ

При малых интенсивностях света электрон получает энергию от одного фотона. Такие процессы называются однофотонными. С изобретением лазеров были получены недостижимые плотности мощности световых пучков. Это позволило наблюдать, многофотонный фотоэффект, в ходе которого электрон, вылетающий из металла, получает энергию не от одного, а от N фотонов N=2, 3, . . . . Формула Эйнштейна в этом случае выглядит следующим образом:

Частота рассеянного излучения равна частоте падающего.

Рассмотрим такое (томсоновское) рассеяние на свободном электроне, количественно. Пусть в положительном направлении оси Z распространяется ЭМВ, напряженность электрического поля которой

Уравнение движения для нерелятивистского случая

Движущийся с ускорением заряд излучает мощность

которую мы воспринимаем как рассеянную.

Плотность потока падающего ЭМП

значение которого получается из предположения, что вся энергия покоя

электрона

имеет электромагнитное происхождение.

Еще одна проблема модели атома Томсона:

mp=1836me, следовательно

атом меньше своей части!

Томсон предложил свою модель для рассеяния рентгеновского излучения (РИ) в 1900 г., а в 1909 г. Баркла провел экспериментальную проверку предсказаний томсоновской теории, из которой, в частности, следовала угловая зависимость выполняющаяся для линейного осциллятора. Баркла нашёл хорошее согласие эксперимента с теорией для достаточно «мягкого»- длинноволнового РИ (λ≥1Ǻ), однако для жёсткого излучения (λ<0.1Ǻ) Баркла отметил качественное несогласие экспериментальных результатов с теорией.

В то время уже было известно рэлеевское рассеяние видимого света, для которого имеет место явно выраженная зависимость интенсивности от частоты излучения.

ему удалось доказать поперечную природу рентгеновских лучей, однако, более детальному изучению процесса их рассеяния в то время помешала невозможность определения длины волны рентгеновского излучения.
Количественно определять длины волн рентгеновского излучения научились определять лишь в 1912 г. Макс Лауэ и Брэгги. Это позволило поставить новые опыты с измерением длины волны рассеянных лучей. Опыты были проведены в 1922-1923 г.г. Артуром Холли Комптоном. Схема экспериментальной установки Комптона и результаты экспериментов показаны ниже.

излучения получило название ЭФФЕКТА КОМПТОНА. Комптоном было показано, что

1.

2. не зависит от длины волны падающего излучения;
3.коэффициент пропорциональности равен 0.048 Ǻ;
4. величина смещения не зависит от природы радиатора;
5. c возрастанием атомного номера радиатора интенсивность несмещенной линии возрастает, а смещенной линии падает.

Поток фотонов взаимодействует со свободными электронами так, будто фотоны имеют свойства частиц, причем каждый фотон обладает запасом не только энергии, но ещё имеет определенный импульс, иначе говоря, ведет себя как движущийся шарик.
М. Планк полагал (рассматривая осцилляторы полости), что излучение только происходит порциями.
Эйнштейн, 1. расширил область квантового представления на явлении внешнего фотоэффекта, 2. предположил, что и поглощение ЭМВ также происходит дискретно.
Для объяснения граничной длины волны тормозного излучения квантовый механизм распространили на рентгеновскую область спектра.

о том, что всегда ЭМП существует в виде квантов, именно поэтому и испускается и поглощается порциями и эти порции обладают всеми свойствами частиц – в частности импульсом и пространственной локализацией.

Артур Холли Комптон (Arthur Holly Compton; 1892 —1962) — американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1927 г. «за открытие эффекта, который носит его имя».

В 1929 г. американский исследователь Гильберт Ньютон Льюис назвал эти частицы
фотонами. Наиболее непосредственное подтверждение гипотезы Эйнштейна дал
опыт Боте, схема которого приведена ниже

Слабый поток рентгеновского излучения >> рентгеновская флуоресценция
Волновые представления >> равномерно во все стороны.
Эксперимент - беспорядочное расположение меток.

Это можно объяснить лишь тем, что в отдельных актах испускания возникают частицы, летящие то в одном направлении, то в другом.

Е=ћω.
Длине волны середины видимого спектра – 5000 Å, >> энергия 2.5 эВ, рентгеновскому излучению с длиной волны 1 Å – энергия 12.4 кэВ.
Покажем, что также как и привычные нам частицы, фотон обладает импульсом, но в то же время не имеет массы покоя. Как мы показали ранее, ЭМВ обладает импульсом, следовательно, импульсом должен обладать и фотон. Вопрос в том, чему он равен?

Рассмотрим две системы отсчета К и К', движущиеся относительно друг друга со скоростью оси Х и Х' направим вдоль . Пусть в направлении этих осей летит фотон. Энергия фотона в системах К и К', равна соответственно ћω и ћω'.
С волновой точки зрения в этом же направлении распространяется ЭМВ. Рассмотрим, каким образом связаны частоты ω и ω'. Свяжем с источником света начало координат системы К, а с приёмником – начало системы отсчета К'. Уравнение плоской световой волны, испускаемой источником по направлению к приёмнику, будет иметь в системе К вид

распространяется в вакууме, поэтому фазовая скорость равна с.
Законы природы имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета

x и x' ,t и t‘ связаны преобразованиями Лоренца. Найдем, как связаны ω и ω‘.

направлении отн. К

К движется в «-» направлении отн. К’

***

m0 − масса покоя. τ – собственное время (промежуток времени между двумя событиями) измеренное в системе отсчета, в которой тело покоится. dx – перемещение тела в той системе, относительно которой определяется импульс.

Система отсчета К

Система отсчета К’

на m0c2

К движется в «-» направлении отн. К’

Сравнивая выражение для энергии с ***,16 слайд, видим, что ,
То есть для единичного фотона выполняется то же соотношение, что и для ЭМВ.
Подставляя Е= ħѠ, получаем

***

Сопоставляя (*7) с формулой, связывающей релятивистские импульс и энергию,

(*7)

видим, что для фотона

при рассеянии его на угол, отличный от нуля;
наличие электронов отдачи, всегда имеющих составляющую скорости по направлению скорости падающего фотона.

Модельные приближения:
Считаем электрон в атоме покоящимся.
Считаем, что импульс фотона равен .
Работаем в релятивистском приближении: m – релятивистская масса электрона; m0 - масса покоя электрона; V – скорость электрона.

Запишем законы сохранения импульса и энергии:

(к 29)

рассеяние на внутренних электронах , .

Эффект смещения обусловлен рассеянием на внешних электронах,
- масса покоя электрона

Смещенная линия в Комптон - эффекте имеет значительную ширину.. Смещенная линия не имеет резонансного характера, она шире и линии первичных лучей, и несмещенной линии. Это уширение объясняется тем, что вторичное излучение испускают движущиеся (свободные) электроны и уширение происходит благодаря эффекту Допплера.

Доля внешних электронов падает с ростом атомного номера и поэтому относительная интенсивность несмещенного пика растет с ростом атомного номера (слайд 12).

 

 

фотонов; Э - счетчик электронов;
Р – радиатор, в котором под действием излучения И происходит Комптон-эффект. Счетчики Ф и Э включены в схему совпадений С.
Эксперимент показал, что ЧИСЛО ОДНОВРЕМЕННЫХ ФИКСАЦИЙ ЭЛЕКТРОНА И ФОТОНА СЧЕТЧИКАМИ МНОГО БОЛЬШЕ ТОГО, КОТОРОЕ МОЖНО БЫЛО БЫ ОЖИДАТЬ ПРИ НЕКОРРЕЛИРОВАННОМ ПО ВРЕМЕНИ ПОЯВЛЕНИИ ФОТОНА И ЭЛЕКТРОНА. Таким образом, было доказано существование индивидуального столкновения фотона с электроном.

Последний материал лекций касался ряда явлений, в которых свет ведет себя подобно потоку частиц (фотонов). Однако, такие явления как интерференция и дифракция света могут быть объяснены только на основе волновых представлений. Таким образом, для света характерна двойственность поведения (корпускулярно-волновой дуализм): в одних явлениях проявляется его волновая природа, и он ведет себя как ЭМВ, в других проявляется корпускулярная природа света и он ведет себя как поток фотонов. Однако объект один, способы описания разные>> результаты должны совпадать. Рассмотрим освещенность поверхности. Согласно волновым представлениям, освещенность в пропорциональна квадрату амплитуды световой волны. С корпускулярной точки зрения освещенность пропорциональна плотности потока фотонов. Следовательно, между квадратом амплитуды световой волны и плотностью потока фотонов имеется прямая пропорциональность, то есть энергии (мощности) равны!

КОРПУСКУЛЯРНО- ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ