elektronika ciała stałego

stanowisko do badania zjawiska fotoelektrycznego K- katoda, A -anoda Ś źródło światła, fi natężenie światła E - hv- energia padających fotonów, Uzero- napięciae stałe, I płynący prąd.

Dwie zasadnicze cechy efekty fotoelektrycznego nie dadzą się wyjaśnić przy pomocy falowej teorii światła:

1. z teorii falowej wynika, że energia kinetyczna fotoelektronów E powinna wzrastać przy wzroście natężenia fi wiązki światła ( gdy fi rośnie przy v const to E rośnie).

Doświadczenie pokazuje, że energia fotoelektronów nie zależy od natężenia fi padajacego promieniowania, aj dedynie od długości fali lambda tego promieniowania.

Natomiast liczba elektronów N emitowanych z materiału jest proporcjonalna do natężenia promieniowania padającego na ten materiał.

2. zgodnie z teorią falową efekt fotoelektryczny powinien występować przy dowolnej długości fali padającego promieniowania pod warunkiem, że natężenie tego promieniowania jest dostatecznie duże.

Doświadczenie pokazuje, że dla każdego materiału istnieje minimalna częstość v zero (maksymalna długość fali lambda zero), przy której jeszcze zachodzi zjawisko fotoelektryczne.

ad. charakterystyka (prosta z tangensem E max od v):

Charakterystyka efektu fotoelektrycznego Emax - maksymalan energi akinetyczna emitowanego elektronu, v częstotliwośc padającego fotonu, v0 częstośc progowa zależna od materiału katody K, h - stała Plancka.

Einstein wysunął hipotezę (Nobel 1921r. gdy hipoteza została udowodniona), że

kwant energii promieniowania hv może być przekazany elektronowi tylko w całości, na zasadzie wszystko lub nic, pochłaniając ten kwant elektron uzyskuje entrgię hv, wyjście lektronu na zewnątrz materiału wymaga pewnej pracy zwanej pracą wyjścia W= hv₀ , która jest wielkością stałą charakteryzującą ten materiał.

Stąd można napisać równanie na energię kinetyczną elektornu:

E_max = hv- W

Einstein w 1947 ( 2 połowa życia - teoria wielkiej unifikacji) teoria wielkiej unifikacji dotyczy budowy materi(kwarki, tajemnicza cząstka Hixa itd.) "Naukowiec jest niczym mimoza, gdy sam popełni błąd i niczym ryczący lew, gdy odkryje błąd zrobiony przez kogoś innego".

Efekt Comptona

Arthur Holly Vompton

Był to amerykański fizyk, świetny gitarzysta, champion tenisowy i sławny badacz promieni kosmicznych. (Promienie kosmiczne to atomy wodoru pozbawione elektronu)

W latach 1922-1923 Compton zbadał zjawisko rozpraszania wysokoenergetycznych fotonów na elektornach swobodnych lub na słabo związancych atomach, a za wyjaśnienie tego zjawiska (efekt Comptona) otrzymał w 1927 nagrodę Nobla.

Zgodnie z teorią falową długość promieniowania rozproszonego lambda powinna być taka sama jak padającego lambda0 , gdyż mechanizm rozpraszania poelega na wywoływaniu drgań elektronów przez pole elektromagnetyczne padającej fali- klasyczna teoria

Doświadczenie pokazuje, że przy większych energiach padającego promieniowania (np. X) zmienia się długość fali rozproszonej (efekt Comptona).

wykres comptona:

Z przebiegu charakterystyk wynika, ze:

1. W promieniowaniu rozproszonym występuje zarówno pierwotna długość fali promieniowania lambda zero jak i długość fali lambda' przesunięta w stronę fal długich

2. wielkość przesunięcia delta zależy od kąta rozpraszania fi przy czym przesunięcie wzrasta, gdy kąt rozpraszania wzrasta.

3. przy zwiększaniu kąta rozpraszani fi natęzenie lini nie przesuniętej lambda zero malej , a natężenie linii przesuniętej lambda' rośnie

doświadczenie z różnymi materiałami:

Z przebiegu charakterystyk wynika, że:

wielkość przesunięcia delta nie zależy od materiału rozpraszającego oraz od długości fali padajacej, tylko od kąta rozpraszania fi.

analiza zjawiska według Comptona

założenia:

1. foton ma nie tylko energię hv ele również określony pęd p i zachowuje się jak poruszająca się kulka.

2. w takim razie rozpraszanie fotonów przez elektrony byłoby związane przy zderzeniach z wymianą energii i pędu.

3. zjawisko przebiega podobnie do gry w bilard za pomocą fotonów i elektronów.

Przy założeniu, że foton zderza się z elektronem będącym w spoczynku i że spełniona jest II zasada dynamiki, to mamy:

E= hv = h* c/lambda

E = m₀ c² c*p = c h/lambda

stąd:

p=h/lambda

lambda = h/p= h/m₀c

rozpraszanie fotonów na elektronach:

(rysunek)

Różnica długości fal fotonu rozproszonego pod kątem fi i fotonu pierwotnego wynosi:

delta= lambda' - lambda zero - (h/ m₀c) *(1-cos(fi))

przy rozproszeniu pod danym kątem fi występują dwie długości fali - jena przewidziana przez teorię Comptona lambda' i druga równa długości fali padającego fotonu- lambda_0.