Гигантский дипольный резонанс (ГДР)
Раздел III.
Фотоэффект (ФЭ).
Под фотоэффектом понимают процесс, в котором электроны испускаются веществом в результате его облучения электромагнитным излучением.
Испущенные электроны называют фотоэлектронами. Различают внешний фотоэффект (фотоэлектроны покидают вещество) и внутренний фотоэффект (фотоэлектроны свободно перемещаются в веществе, но его не покидают).
История открытия
|
Александр Беккерель (Alexandre Edmond Becquerel, 1820 – 1891)
опущенный в
проводящий раствор.
Уиллоуби Смит (Willoughby Smith, 1828 – 1891)
В 1873 г. английский инженер-электрик Уиллоуби Смит, работавший старшим электриком в телеграфной компании, открыл явление фотопроводимости селена.
Генрих Герц (Heinrich Rudolf Hertz, 1857 – 1894)
В 1887 г. немецкий физик Генрих Герц, выполняя эксперименты по генерации и приему электромагнитных волн, случайно обнаружил, что заряженный объект
«охотней теряет заряд»,
если его облучают ультрафиолетом.
Филипп Ленард
(Philipp Eduard Anton von Lénárd, 1862 – 1947)
В 1900 г. немецкий физик Филипп фон Ленард установил, что испускаемые заряженные частицы – электроны (отсюда название
«фотоэлектрический эффект»). В 1902 г. он установил изменение энергии электронов с частотой света.
|
|
|
Альберт Эйнштейн в 1905 г.
(Albert Einstein, 1879 - 1955)
В 1905 г. («год чудес») Эйнштейн опубликовал эвристическую гипотезу о
«световых квантах» (фотонах) и описал основные свойства и закономерности
фотоэффекта.
Роберт Милликэн (Robert Andrews Millikan, 1868 - 1953)
В 1915 г. американский физик Роберт Милликэн экспериментально подтвердил все предсказания Эйнштейна относительно фотоэффекта.
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 c2 c ,
e
|
|
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.
IM IL IK 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 ec 2):
|
|
|
dσ I
4
exp 4 arcctg
a Ze2m
27 a2
n e 2
a 0 ;
e .
d E
1 exp 2
Z p e
n – направление импульс фотоэлектрона; e – вектор поляризации фотона.
|
I (т.е. η ):
29 2
o
a2
29 2
a2
0 .
3 3 Z 2
Если m ec 2 >> E >> I (т.е. η << 1):
7 7
28
I 2
28
I 2
2m c2
o a2
a2Z 5 0 I
Z 2I ;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 ec 2):
1
β2 3
e2
|
2 2 3
d d
r e
m c2 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 4r 2 1 .
e γ
Отношение сечений фотоэффекта для разных электронных оболочек:
o 1 σ 1
L , M
o σ
5
|
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 > IK;
~ 1/E, если E >> IK;
• Сечение ФЭ на 80% определяется ФЭ на K-оболочке.
|
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).
|
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 | σmax, 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.
Гигантский дипольный резонанс (ГДР)
В области энергий E ~ 10-20 МэВ длина волны -кванта λ ~ 10 -12 см (>> R я)
протоны в ядре попадают в электрическое поле волны одинаковой фазы. Под действием этого поля все протоны смещаются относительно нейтронов и возникают дипольные колебания. Частота таких колебаний :
|
что хорошо согласуется с экспериментальной зависимостью (Е) рез~ A -1/5 МэВ.
Лучшее согласие с экспериментом достигается, если учесть не только колебания, вызванные действием поверхностных сил, но и линейное натяжение из-за действия ядерных сил при колебаниях протонов относительно нейтронов. Очевидно, что подобные колебания должны быть пропорциональны изменению линейных размеров ядра, т.е. k ~ A 1/3.
Поэтому частота линейных колебаний:
 |
Линейная суперпозиция частот
ωрез = аωпов + bωлин
дает хорошее согласие с экспериментальными значениями (Е) рез при подборе коэффициентов a = 31,2 МэВ и b = 20,6 Мэв.
m c2
Дипольное правило сумм для фотопоглощения:
NZ
|
 |
γ γ
0
 |
Раздел III.
2. Упругое рассеяние -квантов .
Помимо ФЭ возможны процессы взаимодействия, в которых -квант не поглощается, а рассеивается. Рассеяние может быть упругим (т.н. когерентное рассеяние), либо неупругим (некогерентным). Упругое рассеяние более вероятно для длинноволновых фотонов, в то время как неупругое – для коротковолновых (например, эффект Комптона).
Дата добавления: 2020-04-08; просмотров: 136; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!