Нобелевская премия по физике (1921 г.)

«За заслуги перед Теоретической Физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта»

Альберт Эйнштейн (Albert Einstein, 1879 - 1955)

Нобелевская премия по физике (1923 г.)

«За работы по элементарному заряду электричества и фотоэлектрическому эффекту»

Роберт Милликэн (Robert Andrews Millikan, 1868 - 1953)

Интересный факт

Милликэн долго не мог смириться с тем, что эвристическая гипотеза Эйнштейна о фотонах оказалась верной, т.к. это противоречило волновой природе света. Кроме того, он продолжал верить в «эфир», даже признавая, что СТО и ОТО Эйнштейна очень успешно объясняют «иначе необъяснимые» явления.

Атомный ФЭ

Фотоэффект на атоме сопровождается либо ХРИ, либо Оже-процессом.

Ключевой момент для понимания физики ФЭ:

 

свободный электрон не может поглотить фотон!

Действительно, записывая законы сохранения энергии и импульса для процесса поглощения фотона свободным электроном в системе отсчета, где перед поглощением электрон покоится, получим:

 E

 m c ²  c              ,

     e

p



   p

  p  E c  ,

 E 

0.

       e              

 

 

Таким образом, чем слабее связан электрон в атоме, тем меньше вероятность ФЭ и наоборот. Значит можно ожидать, что:

(1) вероятность ФЭ для K -оболочки больше, чем для L -оболочки и т.д.;

(2) чем больше Z, тем вероятнее фотоэффект;

(3) с ростом E _ вероятность ФЭ падает.

 

σp.e.

 

 

I M       I L                                  I K            E 

 

 

Рис. Качественный вид зависимости сечения ФЭ от энергии - кванта. Резкие скачки наблюдаются при энергиях, равных потенциалам ионизации электронных оболочек атома вещества.

Теория атомного ФЭ

В рамках КЭД можно аналитически вычислить сечение ФЭ для атома водорода или водородоподобного иона с зарядом Z << 137.

В нерелятивистском случае (E  << m e c 2):

d σ              I

4

 exp  4 arcctg 

 a       Ze ² m 

2⁷ a ²  

                                                                                                                             

  n  e  2

 a  ⁰; 

    e .

d            E  

1 exp  2 

  Z         p e   

 

 

n – направление импульс фотоэлектрона; e – вектор поляризации фотона.

 

 



Если E

 I (т.е. η  ):

29  2

o 

 a ²

29  2



 a ²

   0  .

                                                                                                                         

3             3               Z ²

Если m e c 2 >> E  >> I (т.е. η << 1):

7                                                     7

2⁸

 I  ²

2⁸

 I   ² 

 ² m c ² 

o    a ²   

                                                           

 a ² Z ⁵  0      I

 Z ² I; I

   e  .

3      E     3   0      E   

0  0            2 

                         

E =150 эВ; E – вектор поляризации фотона; kph и ke – импульсы фотона и электрона.

В ультрарелятивистском случае (E  - I >> m e c 2):

 

1

β2  3

    e 2                                  

e

d σ 4 Z ⁵ ⁴ r ²

2      2 3

d  d 

 r e

 m c 2 2,82 Фм .

1 β             e              

 

 

Таким образом, угловое распределение имеет острый максимум при θ~1/

 ( - Лоренц-фактор), т.е. фотоэлектроны испускаются преимущественно в направлении падения фотона. Полное сечение есть

 

o 2 Z ⁵ ⁴ r ² 1.

e γ

 

 

Отношение сечений фотоэффекта для разных электронных оболочек:

 

 

o  1 σ  1

^L , ^M  

                                                                          

o σ

5

4

 σ.

σK  5 σL   4

tot               X           K

X

Основные выводы теории ФЭ

• Сечение ФЭ ~ Z 5;

• Сечение ФЭ падает с ростом E _:

~ (1/ E _ ) 7/2, если E _ > I _K;

~ 1/ E _, если E _ >> I _K;

• Сечение ФЭ на 80% определяется ФЭ на K -оболочке.

Ядерный ФЭ (ЯФЭ)

Под ЯФЭ понимают реакции под действием - квантов типа (  ,n), (  ,p), (  ,α) и т.п. Впервые ЯФЭ наблюдался английским физиком Чедвиком и американским физиком Гольдхабером в 1934

г.:

  d 

p  n

(W d

2, 2 МэВ).

 

 

 

 

Джеймс Чедвик (James Chadwick, 1891 – 1974)

Морис Гольдхабер (Maurice Goldhaber, р.1911)

Основные свойства ЯФЭ

• Порог ЯФЭ определяется энергией связи нуклона: E  ~ 6-10 Мэв;

• Сечение ЯФЭ ~ Z;

• Для легких ядер (A < 100) фотоядерные реакции отщепления нуклона (нейтрона или протона) идут через составное ядро  угловое распределение нуклонов изотропно;

• Для тяжелых ядер (A > 100) угловое распределение нейтронов изотропно (т.е. механизм составного ядра), а протоны вылетают под углом ~ 90° (механизм составного ядра не работает);

• Относительный выход протонов ~ 10 -2 по сравнению с выходом нейтронов, однако он ~ 100 раз больше, чем предсказывает боровская теория составного ядра (т.е. работает прямой механизм –

вырывание периферийных протонов).

 

Реакция	(Е),  рез МэВ	Г, МэВ	σ max, мбарн
	19,2	4,7	20
	17,5	6,0	108
	15,0	6,0	820
	13,0	6,0	1800

 

 

В области E  ~ 10-20 МэВ для всех ядер наблюдается очень широкий резонанс (Г ~ 3-6 МэВ) в сечении фотопоглощения – гигантский резонанс. Приближенно экспериментальная зависимость имеет вид: (Е  ) рез~ A -1/5 МэВ.