17.4 Фотоэффект. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения передается электронам вещества

Электроны, вылетающие из вещества под действием излучения, называются фотоэлектронами, а само явление – внешним фотоэффектом.

Изобразим график зависимости тока через гальванометр от приложенного напряжения.

Если посмотреть вольтамперную характеристику, представленную на графике, то видно, что величина электрического тока, который называют фототок, нелинейно зависит от напряжения. Горизонтальная часть графика называется фототоком насыщенияJфн, величина которого зависит от светового потока Ф. При увеличении Ф величина Jфн увеличивается и математически может быть выражена:

J_фн = СФ,

где С – постоянная, зависящая от условий опыта. При U = 0 величина J_ф ≠ 0, что объясняется наличием кинетической энергии вылетевших из катода электронов. Приложив обратное напряжение U₃ (запирающее), можно прекратить фототок.

Эйнштейн постулировал, что:

1. любое монохроматическое излучение частоты ν всегда состоит из целого числа фотонов, энергия каждого из которых равна hν. Такое излучение испускается и поглощается только порциями энергии hν;

2. при поглощении излучения веществом частоты ν, каждый из электронов может поглотить только один фотон, приобретая при этом только энергию hν.Используя закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил уравнение для внешнего фотоэффекта: Из квантовой теории фотоэффекта следует: каждый акт поглощения фотона электроном происходит не зависимо от других. Увеличение интенсивности излучения означает увеличение числа подающих и поглощенных фотонов. Условия вырывания электронов и распределение фотоэлектронов по скоростям при этом не меняется. Число фотоэлектронов, вырываемых с катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.Фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода:I_н ~ Ф(Е). Число фотоэлектронов ежесекундно покидающих катод, пропорционально числу фотонов, поглощаемых веществом за единицу времени. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты падающего света и не зависит от его интенсивности. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта – минимальная частота , при которой еще возможен внешний фотоэффект .

ν_кр зависит: от химической природы веществаот состояния поверхности.

17.5 Естественная радиоактивность

Ключом к изучению атомного ядра послужило открытие французского ученого А. Беккереля явления естественной радиоактивности, которое заключается в непрерывном испускании радиоактивными веществами (типа уран, радий, плутоний) ,  и -лучей. Исследования этих лучей в магнитном и электрическом полях показали, что  – лучи поток положительно заряженных частиц, -лучи – поток отрицательно заряженных частиц, -лучи – излучение нейтральное. Дальнейшие исследования показали, что радиоактивные излучения способны вызывать биологические и химические действия, ионизировать, вызывать люминесценцию твердых и жидких тел, обладать большой проникающей способностью (-лучи наибольшей).Температура радиоактивных веществ всегда выше температуры окружающей среды. Это говорит о том, что процесс радиоактивного распада сопровождается непрерывным выделением энергии.

В 1908 году Резерфордом было обнаружено, что в запаянной ампуле, содержащей небольшое количество соли радия (RaCℓ₂) появляются два новых, ранее там не находившихся газа – гелий и неизвестный в то время элемент – радон. Эти наблюдения привели к объяснению радиоактивности как самопроизвольно протекающего независящего от внешних факторов процесса распада атомных ядер.

В данном случае Ra (радий) распадается на Rn (радон) и He (гелий) (Не образуется в результате нейтрализации -частицы с электронами воздуха). Энергии -, - и -частиц – порядка 1 ÷ 10 МэВ. Энергии связи внешних электронов в атоме  6 ÷ 10 эВ. Энергии химических превращений  2 ÷ 5 эВ. Энергии, выделяемые радиоактивными элементами, обязаны не превращениям электронных оболочек, а связаны с перестройкой ядер этих элементов. Поскольку - и -частицы заряжены, то при этом должны меняться заряд и атомный номер ядра, т.е. оно превращается в ядро другого химического элемента. Этот распад – статистический и для отдельно взятого ядра можно лишь указать вероятность распада за данное время. Закономерность распада большого числа ядер вскрывается через случайность распада каждого из них. Найдем вид основного уравнения радиоактивного распада. Пусть N – наличное количество атомов радиоактивного вещества. За время dt количество распавшихся атомов – dN – величина, на которую уменьшилось N. Причем dNdt и N, т.е. dN = –·N·dt, где  – постоянная радиоактивного распада, – указывает на уменьшение N в процессе распада.