Forskjellen mellom fotoelektrisk effekt og Compton-effekt

Hovedforskjell - Photoelectric Effect vs Compton Effect

Den fotoelektriske effekten og Compton-effekten er to typer interaksjoner mellom lys og materie. Begge effektene viser partikkelegenskapen til elektromagnetiske bølger. Den fotoelektriske effekten ble forklart av Albert Einstein. Compton-effekten ble observert og forklart av Arthur Compton. Jegn den fotoelektriske effekten, blir hele energien til hendelsesfotonen anskaffet av en enkelt elektron, men i Compton-effekten overfører hendelsesfotonen bare en del av sin energi til en elektron. Den fotoelektriske effekten er et lite energi fenomen, og de samspillte fotonene forsvinner like etter at de leverer energi til elektroner. Compton-effekten, derimot, er et mid-energifenomen, og de interaksjonerte fotonene er spredt av elektronene. Dette er hovedforskjell mellom Photoelectric Effect og Compton Effect.

Hva er fotoelektrisk effekt

Den fotoelektriske effekten er en effekt der svake bundet elektroner i metaller utkastes fra materialet når elektromagnetisk stråling interagerer med disse elektronene. De utstøpte elektronene er kjent som fotoelektronene. Det er flere viktige eksperimentelle observasjoner som er relevante for den fotoelektriske effekten. Noen av dem er;

1. Den maksimale kinetiske energien til fotoelektronene (for et gitt materiale) avhenger bare av lysfrekvensen.
2. Kinetiske energier av fotoelektroner er ikke avhengig av intensiteten til
3. Det er en terskelfrekvens (avskjæringsfrekvens) som avhenger av materialet. Lysfrekvenser under terskelfrekvensen kan ikke produsere fotoelektroner.
4. Antallet fotoelektroner produsert i prosessen er proporsjonalt med lysets intensitet; høyere intensitet, høyere antall fotoelektroner.
5. Fotoelektroner utløses umiddelbart etter at materialet er opplyst.

Den klassiske teorien om elektromagnetisme kan ikke forklare de ovennevnte eksperimentelle observasjonene (unntatt fjerde observasjon). Så utviklet Albert Einstein en revolusjonerende teori for å forklare den fotoelektriske effekten. Han brukte kvantiseringsideen til den elektromagnetiske strålingen i hans teori. Ifølge hans teori består lys av energipakker eller energikvanta som kalles fotoner. De blir absorbert eller produsert som enheter av energipakker. Enkelt inneholder ikke brøkdelte energipakker. Energien (E) knyttet til en foton er gitt av; E = hf hvor, h = Plancks konstant og f = Frekvens av den elektromagnetiske bølgen.

Hans teori antyder at en fotons energi er helt anskaffet av en enkelt elektron i metallet. Elektronen bruker en viss mengde energi (arbeidets funksjon av materialet) for å frigjøre seg fra bindingen i materialet. Elektronen kommer ut fra materialet som en frigjort elektron som kalles et fotoelektron. Normalt mister elektronen en viss mengde energi på grunn av samspillet med andre elektroner i omgivelsene på vei. Den gjenværende energien til elektronen fremstår som sin kinetiske energi. Energien er imidlertid bevart i prosessen. Så, bevaring av energi gir forholdet mellom frekvensen av hendelsesfotonen og den kinetiske energien til fotoelektronen. Det kan uttrykkes som; hf = Ф + (K.E) hvor, Ф = arbeidsfunksjon av materialet og K.E- Kinetisk energi er av fotoelektronen.

Einsteins teori om fotoelektrisk effekt løst et av de utfordrende problemene i fysikk. I følge hans teori demonstrerer fotoelektrisk effekt partikkelegenskapen av elektromagnetiske bølger.

Hva er Compton Effect

Compton-effekt er den uelastiske spredning av høyenergimikroner ved løst bundet elektroner eller fri ladede partikler. I denne effekten overfører fotonen en del av sin energi og fart til den ladede partikkelen. Så, energien til den resulterende foton er mindre enn den for hendelsen foton. Bølgelengden til det spredte fotonet er høyere enn det som er tilfelle av fotografen, da energi knyttet til en foton er omvendt proporsjonal med fotografens bølgelengde. Den ladede partikkelen som interagerer med fotonen, innhenter en del av energi og momentum i foton og rekyler. Imidlertid blir både energi og momentum i systemet bevaret i prosessen.

Compton-effekten ble observert av Arthur Compton, og effekten ble oppkalt etter navnet hans. Compton utviklet en teoretisk modell for å forklare Compton-effekten og til slutt kunne han få et matematisk forhold mellom forandringen i bølgelengden og spredningsvinkelen til fotonet. Hans ligning kan uttrykkes som, Δλ = λ - λ₀= h / mc (1 - cosθ) 

hvor,

Δ λ- Endringen i bølgelengden,

λ-bølgelengde av det spredte fotonet,

λ₀- Bølgelengde av hendelsen foton,

θ- Spredningsvinkel,

m- Massen av elektronen,

h-Planck er konstant og,

Konstanten er kjent som Compton bølgelengde av elektronen. Det er lik 2,43 10^-12m. Spredningsvinkelen (0⁰< 𝜃 < 180⁰) er vinkelen gjennom hvilken fotonet er avbøyet. Så blir bølgelengdeforskyvningen null når spredningsvinkelen er 0⁰. På den annen side blir bølgelengdeforskyvningen to ganger komptonbølgelengden av elektronen (maksimal verdi av bølgelengdeforskyvningen) når spredningsvinkelen er 180⁰.

Compton-effekten er et godt eksempel på elektromagnetiske bølgeres partikkel-natur. Den klassiske elektromagnetiske teorien kan ikke forklare Compton-effekten eller uelastisk spredning av elektromagnetisk stråling. Den klassiske teorien kan imidlertid forklare elastisk spredning av elektromagnetisk stråling som er kjent som Thomson-spredning (Low-Energy Compton-spredning).

I Compton-effekten er fraksjonell bølgelengdeforskyvning for lavenergimikroner (synlig lys, infrarød etc.) svært liten. Så, Compton-effekt er normalt bare viktig for mid-energifotoner som røntgen- eller gammastrålefotoner.

Forskjellen mellom fotoelektrisk effekt og Compton-effekt

Fenomen:

Fotoelektrisk effekt: Fotoelektrisk effekt er et lav-energifenomen.

Compton effekt: Compton-effekt er et midt-energifenomen.

Energi:

Fotoelektrisk effekt: Fotonen leverer sin totale mengde energi til en enkelt elektron.

Compton effekt: Fotonen overfører en del av sin energi til en enkelt elektron.

Første teoretisk forklaring:

Fotoelektrisk effekt: Fotoelektriske effekter ble forklart av Albert Einstein.

Compton effekt: Compton-effekten ble forklart av Arthur Compton.

Photon skjebne etter samspillet:

Fotoelektrisk effekt: Fotonet forsvinner etter samspillet.

Compton effekt: Bølgelengden til det spredte fotonet er høyere enn det for hendelsen foton.

 Bilde Courtesy:

"Bilde 1" (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia 

"Bilde 2" av JabberWok på engelskspråk Wikipedia (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia