2. Fotoeffekt hodisasi Tashqi va ichki fotoeffekt

REJA:
1.Kirish
2.Fotoeffekt hodisasi
3.Tashqi va ichki fotoeffekt
4.Fotoeffekt hodisasining amaliyotda qo’llanilishi

KIRISH
Fizika fanining qonuniyatlarini o’rganish va uning amaliyotda qo’llash hayotimizga juda ko’p qulayliklar olib keladi. Masalan, elektromagnit induksiya hodisasining kashf etilishi natijasida turli elektrostansiyalarning barpo etilishi, tokning magnit maydoni mavjudlligidan turli motorlarning yaratilishi, radiotexnikaning rivoji uchun muhim bo’lgan diod,tranzistorlarning yasalishi, linzalardagi optik qonuniyatlarni bilish orqali ko’zi ojiz insonlar uchun ko’zoynaklarning ishlab chiqarilishi va hokazolarni shunga misol qilib keltirish mumkin. Biz shunga o’xshash fotoeffekt hodisasini o’rganish va shu o’rganish natijasida uning amaliyotda qo’llasnilishi haqida qisqacha to’xtalib o’tamiz.
Iqtisodiy taraqqiy etgan va rivojlanib borayotgan mamlakatlarda an anaviy energiya mambalarining Jahon miqyosidagi zaxiralari kamayib borayotgan sharoitda iqtisodiyotning barqaror rivojlanishi va raqobotbardoshligini oshirishning eng muhim omili sifatida muqobil energiya manbalaridan amalda foydalanish boyicha ishlar jadal suratlar bilan olib borilmoqda. Hozirgi paytda ishlab chiqarishning barcha sohalarida davr talabiga javob beradigan yangi texnikalarning ishga tushirilishi koproq elektr energiyasini talab qilmoqda. Elektr energiyasini olishda asosan yonilgi moddalar neft, tabiyiy gaz va komirlardan foydalaniladi. Bunday organik yonilgilar miqdori yer qatlamlarida cheklangan bolib, borgan sari ularni qazib olish qiyinchilik tug dirmoqda va tushar bahosi kotarilib bormoqda. Shuning uchun fan-texnika olimlari oldiga elektr energiyasini to g ridan to g ri olish, energiya manbalarining bashqa manbalarini topish masalasi kondalang qoyilgan. Haqiqatdan ham bunday energiya olishning cheklanmagan manbalari mavjud. Ulardan Quyosh va Shamol energiyasi, shuningdek okean suvlarining toshishi va qaytishi paytida vujudga keladigan energiyalarni va boshqalarni misol qilish mumkin. Hozirgi paytda dunyo miqiyosida muqobil Quyosh energiyasiga asoslangan elektrostantsiyalar orqali elektr energiyasini olish ishlari keng suratlarda amalga oshirilmoqda. Bu muqobil Quyosh energetikasini rivojlantirishga bizning yurtimizda ham keng ko lamda ishlar olib borilmoqda. Bu bilan bir qatorda ta lim sohasini rivojlantirish masalalsida, fanlarni yangi noan anaviy usullarda o qitishga harakat qilinmoqda. Bu esa o quvchilarning bilim olish sifatini yaxshilamoqda. Men o ylaymanki o rta umumta lim, akademik litsey va kasb-hunar kollejlarida fizika kursini o qitishda ko proq kundalik turmush texnikalari bilan bo lab o qitish bilim olish sifatinini yanada yaxshilaydi. Masalan Akademik litsey va kasb-hunar kollejlarida fotoeffekt mavzusini muqobil Quyosh energetikasi elementlari bilan bog’ lab o’ qitish, ham foydali ham dolzarb hisoblanadi. Chunki bugungi kunda muqobil energiya mambalaridan keng foydalanishni davrning o zi talab qilmoqda. Bu muqobil Quyosh energiyasini olish fotoeffekt hodisasiga asoslangan. Shuning uchun fotoeffekt mavzusini o quvchilar o qibgina qolmay shu qatorda ularda muqobil energiya manbalari, ulardan foydalanishni kengaytirish haqida katta qiziqishlar uyg onadi. Shuning uchun ushbu mavzuga bag ishlangan har qanday ilmiy-metodik ish dolzarb hisoblanadi. Shu sababli bu bitiruv malakaviy ishining mavzusi dolzarbdir va u Akademik litsey va kasb-hunar kollejlarida Fotoeffekt mavzusini muqobil Quyosh energetikasi elementlari bilan bog lab o tish, ta lim uzviyligini ta minlashga hamda bu mavzuni o qitish samaradorligini oshirishga bag ishlangan. So nggi so z o rnida shuni ayta olamanki, hukumatimizning, prezidentimizning biz yoshlarga bildirgan yuksak ishonchini o z bilim salohiyatimiz g ayrat-shijoatimiz orqali oqlashga, qolaversa davlatimizning buyuk kelajagi yo lida o zimizning munosib hissamizni qo sha olishimizga ishonaman.

Fotoeffekt — moddalarning elektromagnit nurlanish taʼsirida elektron chiqarishi. F. hodisasini 1887 yilda nemis fizigi G. Gers ochgan. Dastlabki asosiy tadqiqotlarni rus olimi A. G. Stoletov (1888), soʻngra nemis fizigi F. Leonard (1899) oʻtkazgan. F. qonunlarini birinchi boʻlib A. Eynshteyn (1905) nazariy tushuntirgan. F.ning asosiy qonuniyatlari: 1) chiqarilayotgan elektronlar soni nurlanish intensivligiga proporsional; 2) har bir modda uchun uning sirtining maʼlum holatiga va T=0 K trada chegara — nurlanishning eng kichik chastotasi P50 (yoki eng katta toʻlki n uzunligi ^0) mavjud boʻlib, bu chegaradan tashqarida F. sodir boʻlmaydi; 3) fotoelektronlarning eng katta kinetik energiyasi nurlanish chastotasi 03 ortishi bilan chiziqli ortadi va nurlanishning intensivligiga bogʻliq boʻlmaydi. F. — kvant hodisa, uning ochilishi kvant nazariyasini eksperimental asoslashda muhim rol oʻynadi; F. qonuniyatlarini faqat kvant nazariyasi asosida tushuntirish mumkin. Erkin elektron fotonnk yutishi mumkin emas, chunki bunda bir vaqtning oʻzida energiyaning ham, impulsning ham saklanish qonuni bajarilmaydi. Elektron atrof muhit bilan brgʻlanganligi uchun F. hodisasi atom, molekula va kondensatlangan muhitda hosil boʻlishi mumkin. Bu bogʻlanish atomda ionlanish energiyasi ye, bn, kondensatlangan muhitda chiqish ishi A bilan tavsiflanadi. F.dagi energiyaning saklanish qonuni Eynshteyn munosabati bilan ifodalanadi: E=hm — ye (yoki Ehw — A), bunda Ye — fotoelektronning kinetik energiyasi. T=0K va yoruglik intensivligi kichik boʻlganda (amadda koʻp fotonli effektlar boʻlmaganda), agar h sh < ye, yoki h sh < A boʻlsa, F. boʻlmaydi.

Gazlarda F. ayrim atom va molekulalarda kuzatiladi (fotoionlanish). Bunda foton yutilib, elektron chikarish yoʻli bilan ionlanish yuz beradi. Fotonning ionlashga sarflagan energiyadan boshqa gamma energiyasi chikarilayotgan elektronga beriladi. Kondensatlangan muhitlarda fotonlarni yutish mexanizmi ularning energiyasiga bogʻliq. h Sh > A da foton utkazuvchanlik elektronlari (metallarda) yoki valentlik elektronlari (yarimoʻtkazgichlar va dielektriklarda) tomonidan yutiladi. Natijada tashqi F. yoki ichki F. kuzatiladi. P GO juda katta boʻlganda (ukvantlar holida) fotoelektronlar atomning chuqur qobiqlaridan urib chiqarilishi mumkin. Koʻpgina metallarning toza sirtlari uchun A>3 eV, shuning uchun metallarda F. ultrabinafsha sohada kuzatiladi. Ishqoriy yer metallari va bariy (Va) uchun F. koʻrinadigan yorugʻlik sohasida ham kuzatiladi.
Haqiqatdan ham to‘lqin nazariyaga asosan fotokatodga tushayotgan ixtiyoriy to‘lqin uzunlikka ega bo‘lgan yorug‘likning intensivligi ortgan sari ajralib chiqayotgan fotoelektronlarning energiyalari ham ortishi kerak edi. Ammo tajribalarning ko‘rsatishicha, fotoelektronlarning energiyasi yorug‘lik intensivligiga mutlaqo bog‘liq emas.
To‘lqin nazariyasiga asosan, elektron metalldan ajralib chiqishi uchun kerakli energiyani har qanday yorug‘likdan olishi mumkin, ya’ni yorug‘lik to‘lqin uzunligining ahamiyati yo‘q. Faqat yorug‘lik intensivligi yetarlicha katta bo‘lishi lozim. Vaholanki, to‘lqin uzunligi qizil chegaradan katta bo‘lgan yorug‘likning intensivligi har qancha katta bo‘lsa ham, fotoeffekt hodisasi yuz bermaydi. Aksincha, to‘lqin uzunligi qizil chegaradan kichik bo‘lgan yorug‘lik intensivligi nihoyat kuchsiz bo‘lsa ham fotoeffekt hodisasi kuzatiladi. Bundan tashqari, nihoyatda kuchsiz intensivlikdagi yorug‘lik tushayotgan taqdirda, to‘lqin nazariyasiga asosan, yorug‘lik to‘lqinlar tashib kelgan energiyalar evaziga metalldagi elektron ma’lum miqdordagi energiyani to‘plab olishi kerak. Bu energiya elektronning metalldan chiqishi uchun yetarli bo‘lgan holda fotoeffekt sodir bo‘lishi kerak. Hisoblashlarning ko‘rsatishicha, intensivligi juda kam bo‘lgan yorug‘likdan Ach ga yetarli energiyani elektron to‘plab olishi uchun soatlab, hattoki kunlab vaqt o‘tishi lozim ekan. Tajribalarda esa metallga yorug‘likning tushishi va fotoelektronlarning vujudga kelishi orasida 10–9 sekundlar chamasi vaqt o‘tadi, xolos.
Demak, yorug‘likning to‘lqin nazariyasi va fotoeffekt hodisasi o‘rtasida ma’lum mos kelmasliklar mavjud. Shuning uchun yorug‘likni uzluksiz elektromagnit to‘lqin jarayoni deb tasavvur qilish yorug‘lik tabiatini to‘la aks ettira olmaydi. Bu fikr 1905-yilda A.Eynshteynni yorug‘likning kvant nazariyasini yaratishiga olib keldi. Eynshteyn Plank gipotezasini rivojlantirib, yorug‘lik ulushlar shaklida chiqarilgani kabi xuddi shunday ulushlar shaklida yutiladi deb hisoblansa, fotoeffekt qonunlarini tushuntirish mumkin deb ko‘rsatadi. Eynshteynning fikricha, yorug‘lik to‘lqinlari energiyasining oqimi uzluksiz bo‘lmasdan, balki energiyaning diskret ulushlari oqimi bo‘lib, ularni kvantlar yoki fotonlar deyiladi.

FOTOEFFEKT HODISASI

Yorug’lik nuri tasirida jismlardan elektronlarning urib chiqarilish hodisasiga fotoelektrik effekt yoki qisqacha fotoeffekt hodisasi deb ataladi. Bu hodisani 1887-yilda G.Gers gazlarda razryad hodisasini o’rganish paytida kuzatgan. Fotoeffekt hodisasini qo’llanadigan tajriba qurilmasining prinsipal chizmasi 1—rasmda ko’rsatilgan.

1-rasm.
Katod yorug’lik nuri bilan yoritilganda undan chiqqan fotoelektronlar anod tomon harakatlanib, zanjirda fotoelektrik tokning hosil bo’lishiga sabab bo’ladi. Fotoeffekt hodisasini sirti yaxshi tozalangan va vakuumga joylashtirilgan metallarda kuzatish qulaydir. Tushayotgan yorug’lik intensivligi va chastotasi o’zgarmas bo’lganda, katod va anod orasidagi U kuchlanishni oshirib borsak, hosil bo’lgan fototok bilan kuchlanish orasidagi boglanish 2 - rasmda ko’rsatilgan egri chiziq bilan xarkterlanadi. Bu bog’lanishga fotoelementning volt — amper xarakteristkasi deyiladi.

Kuchlanish U=0 bo’lganda fototokning mavjud bo’lishi katoddan chiqayotgan elektronlarning maʼlum tezlikka ega bo’lishi bilan tushuntiriladi. B nuqgadan boshlab U ning yanada ortishi bilan fototok kuchi o’zgarmay qoladi. Fototokning o’zgarmay qolgan qiymatiga to’yinish fototoki deyiladi. Katod va anod orasidagi kuchlanishning U>U_B qiymatlarida yorug’lik urib chiqargan barcha fotoelektronlar anodga yetib kelnshi sababli to’yinish fototok kuchi hosil bo’ladi.
Rus olimi A.G.Stoletov fotoeffekt hodisasini o’rganib, quyidagi qonuniyatni kashf etdi: fotoeffekt vaqtida hosil bo’ladigan to’yinish tokining qiymati yutilgan yorug’lik intensivligiga proporsional o’zgaradi.
Lenard va boshqa olimlar o’tkazgan qator tajribalar natijasida fotoelektronlarnang kinetik energiyasi tushayotgan yorug’lik nurining intensivligiga hech bog’liq bo’lmasdan, u faqat yorug’lik chastotasiga bogliqligi aniqlandi. Shunday qilib, fotoelektronlarning kinetik energiyayei yorug’lik chastotasiga proporsional ravishda o’zgarar ekan. Bu holatni yorug’likning korpuskulyar tabiati asosida, yaʼni yorug’lik fotonlar oqimidan iborat degan nuqtai — nazar asosida tushuntirish mumkin Tushayotgan yoruglik fotoni metall yoki atom tarkibida bog’langan elektronga o’z energiyasini butunlay beradi va elektron atom yoki metalldan uzilib, tashqariga maʼlum kinetik energiya bilan uchib chiqadi. Agar fotoeffekt hodisasi metall ichida ko’p uchraydigan erkin elektronlarda yuz berayotgan bo’lsa, elektron kinetik energiyasining bir qismi elektronni metalldan urib chiqarish uchun zarur bo’lgan A— chiqish ishiga sarflanadi. Fotoelektron metall atomlari bilan to’qnashib, bir qism energiyasini yo’qotadi, va uning isishiga sabab bo’ladi. Agar bu yo’qotish sodir bo’lmasa, elektron metalldan maksimal kinetik energiya bilan o’zgarib boradi.
Fotoeffekt hodisasining kashf etilishi. Fotoeffekt - yorug’lik ta'sirida jismdan elektron ajralib chiqishidir. Bu hodisani birinchi bo'lib, 1887 yilda G.Gerts kuzatgan va uni miqdoran A.Stoletov tekshirgan. 1898 yilda Lenard va Tomson fotoeffekt natijasida katoddan ajralib chiquvchi zarra elektron ekanligini zarralarning magnit maydonida oqishiga asoslanib aniqladi. Fotoeffekt hodisasini o'rganish uchun havosi so'rib olingan shisha idish, uning ichidagi katod va anod plastinkalari olinadi O'tkazilgan tajribalar natijasida 2.2 - rasmdagi volt - amper xarakteristikasi olingan.

Fotoefektning 4 ta asosiy qonuni bor:

1. Muayyan fotokatodga tushayotgan yorug’likning spektral tarkibi o'zgarmas bo'lsa, fototokning to'yinish qiymati yorug’lik oqimiga to’g’ri proporsional.
2. Muayyan fotokatoddan ajralib chiqayotgan fotoelektronlar boshlang’ich tezliklarining maksimal qiymati yorug’lik intensivligiga bog’liq emas. Yorug’likning to'lqin uzunligi o'zgarsa, fotoelektronlarning maksimal tezliklari ham o'zgaradi.
3. Har bir fotokatod uchun biror "qizil chegara" mavjud bo'lib, undan kattaroq to'lqin uzunlikli yorug’lik ta'sirida fotoeffekt vujudga kelmaydi. λq ningyoritamizmi, unga baribir, uning sirtidan chikayotgan elektronlarining kinetik energiyasi o’zgarishsiz kolaveradi; yorug’lik intensivligini ortishi faqat sirtdan chiqayotgan elektronlar sonining ortishiga olib keladi halos. Metall sirtidan ajralayotgan elektronlarning kinetik energiyasini tushayotgan yorug’lik nurlanishi intensivligiga bog’lik bo’lmasligi juda ham ajablanarli hol edi. Eskperiment oliy hakam. Eskperimentning mazkur natijasi fotoeffektning birinchi muammosi edi va u to’g’ridan – to’g’ri yorug’lik to’lkin nazariyasini rad etardi. Shu sababdan bu natija klassik fizikaning ham muammosi edi.
Klassik nazariyaga ko’ra metall sirtiga tushayotgan yorug’lik nurlanishining intensivligi juda kuchsiz bo’lsa, u holda metall sirtidan umuman elektronlar ajralmasligi yoki kechikib ajralishi kerak. Bu fikrni tushuntirish uchun quyidagi misolni olaylik. Kaliy metallining sirti oqim zichligi
D=10-5Vt/m2 bo’lgan
yorug’lik nurlanishi bilan yoritilgan bo’lsin. Kaliy atomidan elektronlarni ajratish uchun 3,6×10-19Vt×s ga teng bulgan znergiya zarur. Bu energiyani metall sirti yig’ilishi uchun, kaliyni uzluksiz tahminin 6 kun yoritish kerak. Boshqacha aytganda, metall sirtini 6 kun yorug’lik bilan yoritilgandan so’ng, elektronlar ajrala boshlashi kerak. Eksperiment natijalari bu qarashga tamomila zid edi. Darhaqiqat, yorug’likni intensivligi juda ham kuchsiz bo’lganda ham, ya'ni v>v0 (v0-chegaraviy chastota) chastotalarda tushayotgan nurlanish shu zahotiyok (~10- 7 s) metall sirtidan elektronlarni urib chiqaradi. Eskperiment oliy hakam. Fotoeffekt oniy jarayon. Elektron metall sirtidan oniy chikadi. Fotoeffektni bu qonuniyati klassik fizikaning ikkinchi muammosi edi.
Metall sirtidan ajralib chiqayotgan elektronlarning tushayotgan nurlanishning faqat chastotasiga bog’lik bo’lishi klassik fizika uchun uchinchi muammo edi. Chunki klassik fizika arsenalida energiyaning chastotaga bog’likligi haqida birorta ham g’oya yo’q edi. Fotoeffektni bu uch muammosi klassik fizika nazariyasini shubha ostiga oldi. Klassik fizika tasavvuri doirasida turib fotoelektron hodisani tushuntirishni mutlaqo iloji yo’q edi. Bu hodisani tushuntirish uchun yangi ta’savvur, yangi g’oya, yangi tushunchalar kerak. tenglama y=kx+b funktsiyaga o’xshagan chiziqli funktsiyadir. 2.4- rasmda uchta turli metall uchun Kmax ni n ga bog’lik grafiklari keltirilgan. Bu to’g’ri chiziqlar bir-biriga parallel va bir-birining ustiga tushmaydi. Tug’ri chiziqni abtsissa o’qi bilan hosil qilgan burchagining tangensi Plank doimiysi h ga tengdir. Ordinata 0’qini kesib o’tgan to’g’ri chiziq hosil qilgan kesma - A chiqish ishidir. Metall sirtidan elektronni uzib chiqarish uchun kerak bo’lgan eng kichik energiya chiqish ishi deyiladi. Chiqish ishi metall turiga va metall sirtining holatiga bog’lik. Turli metallar uchun chiqish ishi har xil. Shu sababli (2.5) formulaga binoan barcha to’g’ri chiziqlar parallel va abtsissa o’qiga bir xil og’gan, ya'ni h bir hil
topish mumkin (bu yerda j-tok zichligi, T-absolyut tempratura, aprportsionallik koeffitsienti, k-Boltsman doimiysi, h-Plank doimiysi, A-chiqadi

m_e v²_maks=hv - A

Bu yerda A—ko’rilayotgan metall uchun xarakterli bo’lgan chiqish ishi, m_e —elektronning massasi, hv—foton energiyayei. Bu formulami birinchi marta Eynshteyn olgan va shuning uchun bu formula Eynshteyn nomi bilan yuritiladi.
Eynshteyn formulasidan tajribada tasdiqlanuvchi quyidagi ikkita xulosa kelib chiqadi:
1. Fotoelektrik effekt natijasida urib chiqarilgan elektronlarning maksimal kinetik energiyayei yorug’likning chastotasiga chiziqli bog’langan bo’lib, uning intensivligiga bog’liq emas. Shunisi qiziqki, (1) formulani xarakterlovchi to’g’ri chiziqning chastota o’qiga nisbatan og’ish burchagining tangensi Plank doimiysini beradi. Bu usul bilan Plank doimiysini o’lchash mumknn
2 Fotoeffektning shunday v₀ kichik chastotali chegarasi mavjudki, undan kichik chastotalarda fotoeffekt kuzatilmaydi.
Haqiqatan ham, (1) formuladagi A ni hv₀ ga teng deb olsak,
m_e v²_maks = hv - hv₀ (2) bo’ladi.
v0 da bu tenglamaning o’ng tomoni manfiy buladi. Lekin bunday bo’lishi mumkin emas, chunki fotoelektroning kinetik energiyayei

me v²_{maks > 0 bo’lishi kerak. Demak, v0 da fotoeffekt hodisasi}

_{yuz bermaydi. V0 esa fotoeffekt hodisasining past chastotali chegarasiga mos keladi. Shunday qilib, yorug’lik fotonining energiyasi hv0 minimal energiyadan katta bo’lgandagina fotoeffekt hodisasi ro’y berar ekan. Bu eneriyaga mos keluvchi yorug’lik to’lqin uzunligining qiymati fotoeffektning qizil chegarasi deb ataladi}