Mavzu: Fotoeffekt

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) formula yordamida hisoblash mumkin.

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

t o‘g‘ri proporsionalligi, katod sirtidan vaqt birligida urib chiqarilgan elektronlar soni yorug‘lik intensivligiga proporsionalligini ko‘rsatadi. Bunday bog‘lanish Stoletov tomonidan tajribada aniqlangan.

3-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

3-rasm
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		(3)
		
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.

		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

3-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 (3-rasm).

3-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-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



4-rasm

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

A yrim 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 4-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

5-rasm

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 4-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

6-rasm

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.