Оптика - Годжаев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
полупроводника металла в отсутствие внешнего электрического поля. На этом
явлении основаны вентильные фотоэлементы, обладающие тем преимуществом
перед фотосопротивлениями и внешними фотоэлементами, что они могут
служить индикаторами лучевой энергии, не требующими внешнего питания. Но
главная особенность вентильных фотоэлементов состоит в том, что они
открывают путь для прямого превращения солнечной энергии в электрическую.
В начале нашего века существовали фотоэлементы, работающие на контактах
полупроводников и металлов. Однако в дальнейшем было показано, что
наиболее эффективными являются фотоэлементы, основанные на использовании
контакта двух полупроводников с р- и "-типами проводимости, т. е. на так
называемом р-"-переходе. При освещении перехода в р-области образуются
электронно-дырочные пары. Электроны и дырки диффундируют к р-"-переходу.
Электроны под действием контактного поля будут переходить в "-область.
Дырки же преодолевать барьер не могут и остаются в p-области. В
результате p-область заряжается положительно, "-область - отрицательно и
в р-п-переходе возникает дополнительная разность потенциалов. Ее и
называют фотоэлектродвижущей силой (фото-э. д. с.).
Наиболее эффективными преобразователями солнечной энергии сегодня
являются кремниевые фотоэлементы. Они используются в качестве источников
питания приемной и передающей радио-
346
аппаратуры на искусственных спутниках Земли. В качестве индикаторов
излучения применяются германиевые, меднозакисные, селеновые и другие
фотоэлементы. Они имеют значительно большую интегральную чувствительность
по сравнению с фотоэлементами с внешним фотоэффектом.
§ 5. КОМПТОНОВСКОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА
Явление Комптона. Исследуя в 1923 г. рассеяние рентгеновских лучей,
Комптон пришел к открытию, известному теперь в литературе под названием
явления Комптона.
Схема опыта Комптона представлена на рис. 15.5. Монохроматическое
рентгеновское излучение с длиной волны к, исходящее из рентгеновской
трубки, проходит через диафрагмы D и Dx и в виде узкого пучка
направляется на рассеиватель. Рассеянные лучи анализируются с помощью
спектрографа рентгеновских лучей. С помощью этого опыта Комптоном было
установлено, что при рассеянии рентгеновских лучей наблюдается увеличение
длины волны А к. Опыт показал, что
Ак = 2К sin2 6/2, (15.24)
где 0 - угол рассеяния (угол между направлениями распространения
первичного и рассеянного лучей), К = 0,241 А- постоянная Комптона,
найденная из опыта. Она описывает величину изменения длины волны при
рассеянии под углом 90°.
Была сделана попытка объяснить явление Комптона с волновой точки зрения,
на основе эффекта Допплера. При этом пришлось допустить, что процесс
рассеяния происходит в два этапа: сначала рентгеновское излучение
поглощается, а потом испускается движущимся электроном. Однако подобное
объяснение явления Комптона оказалось неудовлетворительным.
Квантовая теория явления Комптона. Явление Комптона было объяснено на
основе квантовой теории света. Совпадение результатов квантовой теории с
опытными данными говорит в пользу фотонной теории света. Следовательно,
явление Комптона является одним из экспериментальных фактов,
подтверждающих квантовую теорию света. Эффект Комптона ценен еще и тем,
что им проверялся в процессах с участием фотонов не только закон
сохранения энергии (как это было при фотоэффекте), но также и закон
сохранения импульса.
Кратко изложим квантовую теорию явления Комптона.
Будем рассматривать взаимодействие рентгеновского излучения с веществом
как процесс столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами.
Столкновение фотона со свободными
347
электронами будем считать упругим. Рассмотрение проведем на основе
законов сохранения энергии и импульса.
Пусть на покоящийся электрон с массой т0 падает квант рентгеновского
излучения с энергией hv. В результате упругого столкновения
рентгеновского фотона с покоящимся электроном последний приобретает
импульс, равный mv, и происходит рассеяние фотона с энергией hv' под
углом 0 (рис. 15.6). Применяя закон сохранения энергии и импульса,
получим:
Пёрейишем первое уравнение системы (15.25) в виде
/п2с4 - /i2v2 -f- /г2 (v')2 - 2h2vv' +
-j-moc1-f 2/zm0c2 (v - v'). (15.26)
Переходя от частоты к длине волны (v = с/% и v' = с/%'), имеем
где ДЯ = Я' - Я.
Формула (15.28) есть нечто иное, как полученная экспериментально
Комптоном формула (15.24). Подстановка значения h, т0
Несмещенная линия в явлении Комптона объясняется рассеянием также от
нейтрального атома (если электрон не будет оторван от атома).
Одним из классических опытов, подтверждающих квантовую природу света,
является известный опыт Вавилова.
С. И. Вавилов высказал идею о том, что если светозой поток действительно
представляет собой совокупность отдельных фотонов, то согласно законам
статистической физики он должен флуктуировать, т. е число фотонов в
единице объема должно во времени меняться произвольным образом Необходимо
