Взаимодействие фотонов со средой презентация

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московской области «Университет природы, общества и человека «Дубна» (Университет «Дубна») Факультет естественных и инженерных наук Кафедра Ядерной физики

Вопросы: Электромагнитные взаимодействия; Основные свойства электромагнитного взаимодействия; Испускание и поглощение фотонов.

Общие сведения Электромагнитное взаимодействие является одним из четырех типов фундаментальных взаимодействий: сильное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие, слабое взаимодействие, гравитационное взаимодействие. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является квант электромагнитного поля – фотон. Радиус действия сил R и масса переносчика взаимодействия m связаны соотношением R = ћ/mc. Так как фотон имеет нулевую массу, радиус действия электромагнитных сил бесконечный. Поэтому к электромагнитному взаимодействию сводится большинство явлений, наблюдаемых в макроскопических масштабах – силы трения, упругости и другие. Безразмерная константа α =e2/ћc = 1/137 определяет интенсивность электромагнитного взаимодействия.

Испускание фотонов

Поглощение и рассеяние фотонов Имеются 3 основных процесса взаимодействия фотонов с веществом: фотоэффект, эффект Комптона, рождение электрон-позитронных пар. При фотоэлектрическом эффекте фотон поглощается атомом, после чего атом испускает электрон с одной из своих оболочек. При эффекте Комптона фотон рассеивается атомным электроном. При рождении электрон-позитронной пары фотон превращается в электрон-позитронную пару. Последний процесс невозможен в пустом пространстве, поскольку при распаде одного фотона на две частицы, обладающие массой, энергия и импульс этой частицы одновременно сохраняться не могут. Рождение пар из фотонов происходит в присутствии кулоновского поля атомного ядра, участие которого в процессе рождения обеспечивает сохранение энергии и импульса. Эффекты 1 – 3 зависят по-разному от энергий фотонов. При низких энергиях доминирует фотоэффект, комптон-эффект слаб, а рождение пар вообще энергетически запрещено. Интенсивность пучка фотонов должна экспоненциально уменьшаться. Коэффициент поглощения μ можно представить в виде суммы трех членов: Изменение интенсивности тонкого пучка гамма излучения происходит по экспоненциальному закону (закону Бугера): где - начальная интенсивность, – пройденное в веществе расстояние. Величину μ называют линейным коэффициентом поглощения гамма-излучения

Фотоэффект Различают фотоэффект внешний, внутренний, вентильный и многофотонный фотоэффект. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению электродвижущей силы (ЭДС).  Вентильный фотоэффект является разновидностью внутреннего фотоэффекта, – это возникновение ЭДС (фото ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Многофотонный фотоэффект возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков). При этом электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

Фотоэффект Внешний фотоэффект на атомах (фотоионизация).

ФОТОЭФФЕКТ Кинетическая энергия фотоэлектрона Eе: Eе =      - Ii - En, где Ii - ионизационный потенциал оболочки атома; En - энергия отдачи ядра,     - энергия гамма-кванта. Величина энергии отдачи ядра обычно мала. Eе =     - Ii , где i = K, L, M,... - индекс электронной оболочки. Эффективное сечение фотоэффекта является суммой эффективных сечений фотоэффекта на отдельных электронных оболочках атома.     Фотоэффект происходит с наибольшей вероятностью (около 80%) на электронах атомной оболочки, наиболее сильно связанной с ядром атома, т.е. на K-оболочке!   Зависимость сечения фотоэффекта от атомного номера Z вещества поглотителя: ~Z5. Фотоэффект является главным процессом в области малых энергий. Сечение фотоэффекта очень резко спадает с ростом энергии гамма-квантов .

Зависимость сечений от энергии фотонов для углерода и свинца

Рассеяние фотонов. Эффект Комптона Нобелевская премия 1925

Эффект Комптона

Эффект Комптона

Итоги измерений Комптона

Образование пары электрон–позитрон Процесс образования пар происходит лишь в кулоновском поле частицы, получающей часть энергии и импульса.    

Образование пары электрон–позитрон

Диапазон энергий Комптон-эффект играет основную роль в ослаблении интенсивности излучения в алюминии в диапазоне 60 кэВ < Eγ < 15 МэВ и в свинце 0.7 МэВ < Eγ < 5 МэВ. Фотоэффект в алюминии наиболее существенно при Eγ < 50 кэВ и в свинце при Eγ < 0.5 МэВ. Образование пар доминирует над этими двумя процессами в алюминии при Eγ > 15 МэВ и в свинце при Eγ > 6 МэВ.

Пример расчета интенсивности для различных коэффициентов поглощения