19. Zjawisko fotoelektryczne. Wzór Einsteina. Promienie X.

Zjawisko fotoelektryczne polega na tym, że wiązka światła a o wystarczająco krótkiej fali skierowana na czystą powierzchnię metalu powoduje uwolnienie elektronów z tej powierzchni (światło wybija elektrony z powierzchni). Na rysunku przedstawiona jest aparatura stosowana do badania zjawiska fotoelektrycznego. Padająca wiązka światła pada na katodę uwalniając z niej elektrony, które następnie zbierane są przez kolektor (na rysunku cienkie, krzywe linie). Pomiędzy katodą, a kolektorem utrzymywana jest różnica potencjałów U powodująca gromadzenie elektronów przez kolektor. Zebrane elektrony tworzą prąd fotoelektryczny. Zmieniając różnicę potencjałów możemy doprowadzić do sytuacji, w której elektrony zmierzające w kierunku kolektora będą zawracane tuż przed osiągnięciem kolektora (prąd przestaje płynąć). Napięcie to nazywamy potencjałem hamującym V_stop. Energia kinetyczna najszybszych elektronów jest wtedy równa: E_{k max} = eV_stop. Pomiary pokazują, że dla światła o danej częstości energia E_{k max} nie zależy od natężenia światła. Zmieniając natomiast częstość światła i mierząc odpowiedni dla niego potencjał hamujący możemy stwierdzić, że zjawisko fotoelektryczne nie występuje jeśli częstość światła jest niższa od pewnej częstości progowej lub, co jest równoważne, jeśli długość fali świetlnej jest większa niż odpowiednia progowa długość fali. Do uwolnienia się z powierzchni płytki wystarczy elektronowi pewna minimalna energia W, która jest charakterystyczna dla materiału z którego wykonana jest płytka i nazywana jest pracą wyjścia dla danego materiału. Tak więc W=hυ₀, gdzie υ₀ jest naszą częstością progową. Jeśli energia hυ przekazana przez foton elektronowi przewyższa te pracę to elektron zostaje uwolniony z płytki.

Wzór Einsteina wyraża zasadę zachowania energii w przypadku pochłonięcia pojedynczego fotonu przez tarcze o pracy wyjścia W.

hυ = E_{k max} + W

Energia hυ równa energii fotonu przekazywana jest jest pojedynczemu elektronowi w materiale, którego wykonana jest płytka. Aby elektron mógł się z niej wyrwać, musi otrzymać energię równą co najmniej równą energii W. cała dodatkowa energia (hυ-W), jaką elektron otrzyma od fotonu, pojawi się jako energia kinetyczna E_k. W najbardziej korzystnych warunkach elektron wyrwie się z płytki bez zmniejszenia tej energii i pojawi się poza płytką z maksymalna energią E_{k max}.

Promienie X (promienie Roentgena)

Promieniowanie rentgenowskie powstaje na skutek bombardowania metalowej tarczy elektronami o energiach kinetycznych rzędu kiloelektronowoltów. Na rysunku przedstawione jest widmo promieniowania rentgenowskiego. Widoczne jest widmo ciągłe i charakterystyczne. Widmo ciągłe powstaje na skutek zderzeń elektronów o początkowej energii kinetycznej E_k0, który zderza się z jednym z atomów tarczy. W wyniku tego zdarzenia elektron może stracić pewna energię, która pojawi się jako energia fotonu rentgenowskiego emitowanego z miejsca zderzenia. Rozproszony elektron może ponownie zderzyć się z jakimś atomem tarczy wytwarzając drugi foton . Proces ten może trwać do aż do chwili, w której elektron przestanie się poruszać. Fotony te tworzą ciągłą część widma promieniowania rentgenowskiego, zwaną też promieniowaniem hamowania. Charakterystyczną cechą widma jest dobrze określona minimalna długość fali, poniżej której zanika widmo ciągłe. Ta minimalna długość fali zwana granicą krótkofalową, odpowiada zderzeniu, w którym padający elektron w pojedynczym zderzeniu z atomem tarczy traci cała swoja energię kinetyczną. Widmo charakterystyczne powstaje natomiast w procesie dwustopniowym. Najpierw elektron o dużej energii uderza w atom tarczy i, sam ulegając rozproszeniu, wybija jeden z głębiej leżących (na powłoce o małej liczbie n) elektronów. Taki wybity elektron pozostawia po sobie lukę. Następnie elektron z jednej z powłok o wyższej energii przeskakuje na powłokę niższą, zapełniając lukę jaka na niej istniała. Podczas tego przejścia atom emituje charakterystyczny foton promieniowania rentgenowskiego

---