Elektromagnit nurlar ta’sirida moddadan elektronlarning ajralib chiqishiga

Aim.uz

Fotoeffekt
Elektromagnit nurlar ta’sirida moddadan elektronlarning ajralib chiqishiga fotoeffekt hodisasi deyiladi. Fotoeffekt hodisasini birinchi marta 1887-yilda G.Gers kuzatgan. Gers razryadli ochiq konturda elektr tebranishlarini uyg‘otish orqali elektromagnit to‘lqinlar generasiyasini hosil qilishda katod ultrabinafsha nurlar bilan yoritilganda, razryadnikning metall elektrodlari orasida uchqunning uzunligi uzayishini kuzatgan yoki boshqacha aytganda, metall elektrodga tushayotgan ultrabinafsha nurlar katod va anod orasida hosil bo‘ladigan uchqunning uzunligini uzaytiradi. Kuzatilgan bunday hodisaning mohiyati V.Galvaks, A.Stoletov, P.Lenard va boshqa olimlarning bu borada o‘tkazgan tajribalarida tushuntirildi.
Gers kuzatgan hodisaning mohiyati shundan iboratki, manfiy zaryadlangan katodni ultrabinafsha nurlar bilan yoritilganda katod manfiy zaryadini yo‘qotishi kuzatilgan. Musbat zaryadli anod yoritilganda zaryad yo‘qotilishi kuzatilmagan. 1897-yilda Dj.Tomson elektronni kashf qildi. 1898-yilda Tomson va Lenardlar o‘tkazgan tajribalarida modda yoritilganda undan ajralib chiqayotgan zarralarning magnit maydonida og‘ishiga asoslanib, ularning solishtirma zaryadini (e/m kattalikni) aniqladilar. Bu bilan yorug‘lik ta’sirida katoddan ajralib chiqadigan zarralar manfiy zaryadli elektronlar ekanligini aniqladilar. Yorug‘lik ta’sirida (ultrabinafsha, ko‘zga ko‘rinadigan, infraqizil va boshq.) metalldan elektronlarning ajralib chiqishi fotoelektrik effekt yoki fotoeffekt deb ataldi. Yorug‘lik ta’sirida metalldan ajralib chiqqan elektronlar fotoelektronlar deyildi.
Stoletov o‘z tajribalari asosida fotoeffekt hodisasini o‘rganish usullarini va asosiy miqdoriy qonunlarini ishlab chiqdi. Lenard

katodga tushayotgan ultrabinafsha nurlar katod materialidan elektronlarni urib chiqarishini isbotladi.

Fotoeffekt hodisasi yorug‘lik kvantlari metall atomlaridagi bog‘langan elektronlar bilan ta’sirlashganda yuz beradi. Elektronning atomda bog‘lanish energiyasi qancha katta bo‘lsa, fotoeffekt hodisasi sodir bo‘lishining ehtimoliyati shuncha katta bo‘ladi. Bu ehtimoliyat _f – element zaryadi Z ga kuchli bog‘liq, ya’ni _f~Z⁵. Bundan tashqi fotoeffekt hodisasi yorug‘lik tushayotgan metallning kimyoviy xossasiga, sirtining silliqligi va tozalik darajasiga bog‘liqligi tajribada aniqlandi. Fotoeffekt hodisasi yuzaga kelishining zaruriy sharti yoritilayotgan metall ustki qatlamiga tushayotgan yorug‘likning sezilarli darajada yutilishidir. Fotoeffekt hodisasi metallar, dielektriklar, yarimo‘tkazgichlar, elektrolitlarda yuzaga keladi. Ishqoriy metallar – litiy, natriy, kaliy, rubidiy, seziy fotoelektrik ta’sirga juda sezgir, ko‘zga ko‘rinadigan nurlar ta’sirida ham fotoeffekt hodisasi hosil bo‘ladi. Erkin elektronlarda fotoeffekt hodisasi yuz bermaydi, chunki erkin elektronlar prinsipial ravishda yorug‘likni yuta olmaydi.
Fotoeffekt tashqi va ichki fotoeffektlarga ajraladi. Agar yoritilayotgan modda sirtqi qatlamidan elektronlar butunlay ajralib chiqib, boshqa muhitga o‘tsa (masalan, vakuumga) bunday hodisa tashqi fotoeffekt deyiladi. Tashqi fotoeffekt hodisasi 1887-yilda G.Gers tomonidan kashf qilingan.
Agar elektronlar faqat o‘z atomi bilan bog‘lanishni “uzib” chiqib yoritilayotgan modda ichida “erkin elektron”ga aylanib qolsa bunday hodisa ichki fotoeffekt deyiladi. Ichki fotoeffekt hodisasi 1873-yilda U.Smit tomonidan kashf qilingan.
Ichki fotoeffektda tushayotgan yorug‘lik ta’sirida valent energetik zonadagi elektronlarning bir qismi o‘tkazuvchanlik zonasiga o‘tadi. Bunda yarimo‘tkazgichda tok tashuvchilar konsentrasiyasi ortadi va fotoo‘tkazuvchanlik yuzaga keladi. Ya’ni yorug‘lik ta’sirida yarimo‘tkazgichning elektr o‘tkazuvchanligi ortadi. Elektronlarning turli energetik holatlarda qayta taqsimlanishi yarimo‘tkazgichda ichki elektr maydonining o‘zgarishiga olib keladi. Bundan esa yoritilayotgan ikki turli yarim o‘tkazgichlar chegarasida elektr yurituvchi kuch (foto EYuK) paydo bo‘ladi yoki yoritilayotgan yarimo‘tkazgich va metall chegarasida ham foto EYuK yuzaga keladi. Chegara yaqinida o‘tish qatlami paydo bo‘ladi. Bu qatlam
tokni faqat bir yo‘nalishda o‘tkazadi, ya’ni bu qatlam ventil xossalariga ega bo‘ladi.
Tashqi fotoeffekt metallarda kuzatiladi. Masalan, elektroskopga ulangan manfiy zaryadlangan rux plastinkasi ultrabinafsha nurlar bilan yoritilganda elektroskop tezda zaryadsizlanadi, agar plastinka musbat zaryadlangan bo‘lganda zaryadsizlanish kuzatilmas edi. Bundan ultrabinafsha nurlar metall plastinkadan (katoddan) manfiy zaryadlangan zarralarni ajratib chiqishini ko‘rish mumkin.
Tashqi fotoeffekt hodisasi kuzatiladigan qurilma sxemasi 2.2-rasmda keltirilgan. Havosi so‘rib olinib yuqori darajada vakuum hosil qilingan shisha idish ichiga anod – A va katod – K joylashtirilgan bo‘lib, ular orasida V – voltmetr bilan o‘lchanadiganpotensiallar farqi qo‘yilgan. Elektr

zanjirida hosil bo‘ladigan elektr ^2.2-rasm

toki G – galvanometr bilan o‘lchanadi. Idish devoriga kvars “darcha” qo‘yilgan. Darchadan tushgan yorug‘lik nurlari bilan katod yoritilganda elektr zanjirida tok paydo bo‘ladi.
Bu tokni yorug‘lik ta’sirida katod sirtidan ajralib anodga tomon harakatlanayotgan manfiy zaryadli elektronlar hosil qiladi. Bunday hosil qilingan tok fototok deyiladi. Agar katod yoritilmasa elektr zanjirida fototok hosil bo‘lmaydi.
Yorug‘lik intensivligi va chastota doimiy bo‘lganda yorug‘lik intensivligi S₁ va S₂ bo‘lgan hollar uchun fototokning katod va anod orasiga qo‘yilgan potensiallar farqiga bog‘liqligini ifodalovchi egri chiziqlar 2.3-rasmda keltirilgan.
Katod va anod orasidagi maydon tezlatuvchi maydon bo‘lganda (katodda manfiy va anodda musbat) fototokning qiymati potensiallar farqi U ga proporsional ravishda rasmda keltirilgandek ortib boradi.
Potensiallar farqining biror qiymatidan boshlab fototok o‘zgarmay qoladi.

Rasmda egri chiziq gorizontal to‘g‘ri chiziqqa o‘tadi. Bu chiziq maksimal tok kuchiga to‘g‘ri keladi. Tok kuchining bunday maksimal qiymati to‘yinish toki deyiladi. Yorug‘lik ta’sirida katod sirtidan ajralgan fotoelektronlarning hammasi anodga kelib

tushganda to‘yinish toki hosil bo‘ladi. Potensiallar farqining bundan keyingi ortishi to‘yinish fototok kuchini o‘zgartirmaydi. To‘yinish fototok kuchi yorug‘lik ta’sirida katoddan har sekundda chiqadigan elektronlar soni bilan aniqlanadi.
Lekin katodga tushayotgan yorug‘lik intensivligi o‘zgarganda, to‘yinish tokining qiymati ham o‘zgaradi. Buni 2.3-rasmdagi grafiklardan ko‘rish mumkin. Grafiklarda I_t1<I_t2, chunki S₁<S₂, rasmdan ko‘rinishicha, katod va anod orasidagi potensiallar farqi nolga teng (U=0) yoki U<0 bo‘lgan hollarda ham fototok yo‘qolmaydi, ya’ni U=0 bo‘lganda ham katoddan anodga tomon harakatlanayotgan elektronlar soni mavjudligi kuzatiladi. Bunday hol katod sirtidan qandaydir boshlang‘ich tezlik bilan ajralib chiqayotgan elektronlar soni mavjudligini va ular anodga yetib bora olishini ko‘rsatadi. Bu elektronlarni to‘xtatish va fototokni yo‘qotish uchun katod va anod orasiga tormozlovchi potensiallar farqi (U=–U_T) qo‘yish zarur. Tormozlovchi potensiallar farqi yorug‘lik intensivligiga bog‘liq bo‘lmaydi. Tormozlovchi potensiallar katod sirtidan chiqayotgan elektronlar kinetik energiyasining ko‘rsatgichidir. Katoddan chiqayotgan elektronlardan tezligi, ya’ni kinetik energiyasi eng kata bo‘lgan elektronlargina anodga yetib
boradi. Tormozlovchi potensial U_T qo‘yilganda katod sirtidan maksimal tezlik _max bilan ajralgan elektronlar bu tezligini to‘liq ravishda yo‘qotadi, bunda fototok ham yo‘qoladi. U vaqtda energiyaning saqlanish qonuniga asosan quyidagi munosabatni yozish mumkin:

еU			1	m ^2	(2.5)
	T		2 e max

Bu formulada m_e – elektron massasi, e –uning tezligi, _max – elektronning maksimal tezligi, U_T – tormozlovchi potensial.
Tormozlovchi potensiallar farqining qiymatlarini tajribada o‘lchab, elektronlarning bu qiymatlarga to‘g‘ri keladigan kinetik energiyalarini (2.5) formula yordamida hisoblash mumkin.

2.3-rasmdagi grafiklarda ko‘rsatilgan to‘yinish fototokining mavjudligi va to‘yinish fototoki kuchining I_t yorug‘lik intensivligiga

to‘g‘ri proporsionalligi, katod sirtidan vaqt birligida urib chiqarilgan elektronlar soni yorug‘lik intensivligiga proporsionalligini ko‘rsatadi. Bunday bog‘lanish Stoletov tomonidan tajribada aniqlangan.
2.4-rasmda yorug‘lik chastotasi va tormozlovchi potensiallar farqi orasidagi bog‘lanishni ifodalovchi grafik tasvirlangan. Bu grafik tajriba natijalari asosida chizilgan. Rasmdan ko‘rinishicha, tormozlovchi potensiallar farqi U_T ning qiymati (ya’ni fotoelektronlarning
maksimal tezligi) va yorug‘lik chastotasi orasida chiziqli bog‘lanish mavjud. Chastotaning biror _q qiymatida fotoelektronlarning tezligi nolga teng bo‘ladi. Chastotaning bu qiymati chegara hisoblanadi. Bu shunday chegaraviy chastotaki, bu chastotadan past chastotalarda fotoeffekt kuzatilmaydi. _q – fotoeffekt sodir bo‘lishining chegaraviy chastotasi yoki fotoeffektning “qizil” chegarasi deyiladi, ya’ni _ch=_q bo‘ladi. <_q chastotali yorug‘lik fotoeffekt hodisasini yuzaga keltirmaydi. Fotoeffekt >_q chastotali yorug‘lik ta’sirida kuzatiladi. Chegaraviy chastota (_ch)ga mos bo‘lgan to‘lqin uzunligi _q ham fotoeffektning qizil chegarasi deb aytiladi, ya’ni

			c		(2.6)
		
q				q

Stoletov va boshqa olimlar tomonidan fotoeffekt hodisasini o‘rganishda o‘tkazilgan tajribalar natijalari asosida tashqi fotoeffekt uchun quyidagi asosiy qonunlar aniqlandi:

1. 
   Yorug‘lik katod sirtidan vaqt birligida urib chiqargan elektronlar soni katod sirtiga tushayotgan yorug‘lik intensivligiga to‘g‘ri proporsionaldir.
   

2. 
   Katod sirtidan chiqayotgan elektronlarning kinetik energiyasi
   

noldan boshlab maksimal	1	m^2	qiymatgacha bo‘ladi. Bu
	2	max

energiya yorug‘lik intensivligiga bog‘liq emas, katodga tushayotgan yorug‘lik chastotasiga chiziqli bog‘lanishda bo‘ladi.
3. Har bir fotokatod materiali uchun biror chegaraviy chastota _ch mavjudki, bu chastotadan past chastotalarda fotoeffekt hodisasi

vujudga kelmaydi. _ch ning qiymati yorug‘lik intensivligiga va katodni yoritish vaqtiga bog‘liq bo‘lmaydi.

Quyidagi jadvalda ba’zi bir metallar uchun chiqish ishi A (elektron-voltlarda) va shu metallar uchun fotoeffektning qizil chegarasi ₀ (mikronlarda) qiymatlari keltirilgan.

		2.1-jadval
Metall	0 (mk)	A (eV)
Platina	0,235	5,29
Volfram	0,276	4,50
Rux	0,290	4,19
Toriy	0,364	3,41
Natriy	0,552	2,25
Seziy	0,620	1,89
Volframga surtilgan seziyli
plyonka	0,913	1,36

2.1-jadvaldan ko‘rinadiki, volfram ustidagi seziyli plyonkada infraqizil nurlar ta’sirida ham fotoeffekt hosil bo‘ladi, natriyda fotoeffekt ko‘zga ko‘rinadigan va ultrabinafsha nurlar ta’sirida, ruxda esa ultrabinafsha nurlar ta’sirida hosil bo‘ladi.
Fotoeffekt hodisasidan amaliyotda foydalanish sohalari. Tashqi
fotoeffekt hodisasiga asoslanib vakuumli fotoelementlar yasalgan (2.5-rasm).

2.5-rasmda vakuumli fotoelement sxemasi keltirilgan. Vakuum hosil qilingan shisha ballonning ichki sirtiga metall qatlami surtilgan bo‘lib, bu qatlam K – katod vazifasini bajaradi. A – anodmetall xalqa shaklida bo‘lib, ballonning markaziy qismiga joylashtirilgan. G – galvanometr fotoelementda hosil

bo‘ladigan fototokni o‘lchaydi. 2.5-rasm Zamonaviy fotoelementlarda ko‘p vaqtlarda K – katod sifatida

surmali-seziyli yoki kislorodli -seziyli katodlar ishlatiladi. Bunday katodlarning fotosezgirligi yuqoridir. Kislorodli-seziyli fotoelementlarda infraqizil va ko‘zga ko‘rinadigan yorug‘liklar ta’sirida fotoeffekt hosil bo‘ladi. Bunday fotoelementning yorug‘likka fotosezgirligi 20-80 mkA/lm. Surmali-seziyli K – katodli

fotoelementlarda ko‘zga ko‘rinadigan va ultrabinafsha yorug‘liklar ta’sirida fotoeffekt yuzaga keladi. Bunday fotoelementlarning fotosezgirligi 50-150 mkA/lm.

Ayrim hollarda fotoelementlarning yorug‘likka sezgirligini oshirish uchun uni 10^–2mmNg bosimda argon gazi bilan to‘ldiradilar. Bunday fotoelementlarda fotoelektronlarning argon atomlari bilan to‘qnashib, argon gazini ionlashtirishi natijasida fototok kuchayadi. Gaz to‘ldirilgan bunday fotoelementlarning fotosezgirligi 1000 mkA/lm atrofida bo‘ladi.
Ichki fotoeffekt yarimo‘tkazgichlarda va dielektriklarda kuzatiladi. Ichki fotoeffekt kuzatish sxemasi 2.6-rasmda keltirilgan. Yarimo‘tkazgich P
– plastinka G – galvanometr bilan ketma-ket ravishda batareyaning qutblariga ulangan. Yarimo‘tkazgichning qarshiligi katta bo‘lganligi uchun zanjirda tok juda kichik. Lekin P – plastinka yoritilishi bilan tok keskin ortib ketadi. Buning sababi quyidagicha, yorug‘lik yarimo‘tkazgich atomlaridan elektronlarni ajratib chiqaradi, bu elektronlar yarimo‘tkazgich ichida qolib, uning

elektr o‘tkazuvchanligini oshiradi (qarshiligi kamayadi).

Ichki fotoeffekt hodisasiga asoslangan fotoelementlar yarimo‘tkazgichli fotoelementlar deyiladi yoki fotoqarshilik-lar deyiladi. Bunday fotoelementlarni tayyorlashda qo‘rg‘oshinli selen (PbSe), oltingugurtli qo‘rg‘oshin (PbS), oltingugurtli kadmiy (CdS) va boshqa yarimo‘tkazgichlardan foydalaniladi. Yarimo‘tkazgichli fotoelementlarning sezgirligi vakuumli fotoelementlar sezgirligidan 100 martalar ortiq bo‘ladi. Yarimo‘tkazgichli fotoelementlarning kamchiligi shuki, fototokning o‘zgarishi fotoelement yoritilishining o‘zgarishiga nisbatan kechikadi. Shuning uchun yarimo‘tkazgichli fotoelementlar tez o‘zgaruvchan yorug‘lik oqimlarini qayd qilishga yaramaydi. Yarimo‘tkazgichlardan yasalgan fotoqarshiliklar infraqizil nurlanish detektorlari sifatida foydalaniladi, ularning termoelektrik bolometr-larga nisbatan ustunlik tomonlari ancha ko‘pdir.
Ichki fotoeffekt asosida tayyorlanadigan fotoelementlardan yana bir turi yopuvchi qatlamli yarimo‘tkazgichli fotoelement yoki ventil fotoelementdir. Ventil fotoelement sxemasi 2.7-rasmda keltirilgan. M

metall plastinka bo‘lib, ustiga yupqa P – yarimo‘tkazgich qatlami surtilgan va G – galvanometrli tashqi elektr zanjiriga ulangan. Yarimo‘tkazgich va metallning kontakt zonasida yopuvchi qatlam B yuzaga keladi. Bu qatlam ventil o‘tkazuvchanlikka ega bo‘ladi, ya’ni u elektronlarni faqat yarimo‘tkazgichdan metallga tomon yo‘nalishda o‘tkazadi. Yarimo‘tkazgich qatlami yoritilganda unda ichki fotoeffekt asosida erkin elektronlar hosil bo‘ladi. Yopuvchi qatlam orqali metallga o‘tgan elektronlar orqa tomonga harakat qila olmasdan metallda ortiqcha manfiy zaryadni hosil qiladi. O‘z elektronlarining

bir qismini yo‘qotgan yarimo‘tkazgich musbat zaryadga ega bo‘ladi. Yarimo‘tkazgich va metall orasida hosil bo‘lgan potensiallar ayirmasi fotoelement zanjirida elektr tokini hosil qiladi. Shunday qilib, ventil fotoelement yorug‘lik energiyasini elektr energiyasiga aylantiruvchi tok generatori sifatida
ishlaydi. Ventil fotoelementlarda selen, oltingugurtli galliy, germaniy, kremniy yarimo‘tkazgichlaridan foydalaniladi. Ventil fotoelementlarning fotosezgirligi 2000-30000 mkA/ lm oraliqda bo‘ladi. Quyosh yorug‘ligi bilan yoritiladigan kremniyli fotoelementlarning foydali ish koeffisiyenti 12-13%dir. Nazariy hisoblashlar bu koeffisiyentni 22% gacha ko‘tarish mumkinligini ko‘rsatdi.

Fotoelementlarda hosil bo‘ladigan fototok yorug‘lik oqimiga proporsional bo‘lgani uchun fotoelementlardan fotometrik asboblar sifatida foydalaniladi. Masalan, bunday asboblarga yoritilganlikni o‘lchaydigan asbob lyuksmetr misol bo‘lishi mumkin. Fotoelement yorug‘lik oqimi tebranishlarining fototok tebranishlariga aylantirishga imkon beradi. Bu esa texnikada tovushli kinolarda, televideniyeda keng ishlatiladi. Fotoelementlarning ishlab chiqarish jarayonlarini telemexanizasiyalashda, avtomatlashtirishda ahamiyati kattadir. Elektron kuchaytirgichlar va rele bilan birgalikda fotoelementlar avtomatlashtirish qurilmalarining asosiy qismi hisoblanadi. Bunda fotoelementlar yorug‘lik signallarini sezishi bilan turli ishlab chiqarish va qishloq xo‘jalik qurilmalarining, transport mexanizmlarining ishlashida muhim ahamiyatga egadir.

Ventilli fotoelementlardan amaliyotda elektr energiyasi generatori sifatida foydalaniladi. Quyosh batareyasi deb yuritilayotgan kremniyli fotoelementlar batareyasi kosmik kemalarda, raketalarda radioapparaturalar ishlashida tok manbai sifatida foydalaniladi. Quyosh batareyalarining foydali ish koeffisiyenti 20-22% bo‘lganda, ular ishlab chiqarish hamda maishiy zaruratlarda elektr energiyasi manbai sifatida birinchi o‘rinda bo‘ladi.