Мaвзу:ёруғликнинг квaнт xусусиятлaри. Фoтoэффект. ёруғликнинг бoсими. Кoмптoн эффекти. Фoтoн импулси вa мaссaси

МAВЗУ:ЁРУҒЛИКНИНГ КВAНТ XУСУСИЯТЛAРИ.ФOТOЭФФЕКТ. ЁРУҒЛИКНИНГ БOСИМИ.КOМПТOН ЭФФЕКТИ. ФOТOН ИМПУЛСИ ВA МAССAСИ

Режa:

1. Ёруғликнинг квaнт xусусиятлaри.
2. Фoтoэффект ҳoдисaси.
3. Фoтoэффект қoнунлaри.
4.. Ёруғлик бoсими.
5. Кoмптoн эффекти.
6. Фoтoн импульси.
7. Фoтoн мaссaси.

Тaянч ибoрaлaр:
Фoтoэффект,чиқиш иши,чегaрaвий чaстoтaси,тaшки ички фoтoэффект.

Абсолют қора жисмнинг иссиқлик нурланишини ёрқин тушунтирган Планк гипотезаси, фотоэффект ходисасини ҳам тушуниб етишда ўз ифодасини топди ва у квант назариясини шакллантиришда катта аҳамиятга эга бўлди.

Фотоэффект – ташқи, ички ва вентилли бўлиши мумкин.
Электромагнит нурланиш таъсирида моддалардаги электронларнинг ташқарига чиқиш ходисаси ташқи фотоэлектрик эффект (фотоэффект) деб аталади. Ташқи фотоэффект асосан қаттиқ жисмларда (металлар, яримўтказгичлар, диэлектриклар), ҳамда газлардаги алоҳида атом ва молекулаларда (фотоионлашиш) кузатилади.
Фотоэффект Герц томонидан 1887 йилда биринчи марта кузатилган. У, газларни учқун чиқиш даврида ультрабинафша нурланиш билан нурлатганда разряд жараёнининг кучайишини кузатган.
Фотоэффект ходисасини биринчи марта Столетов мукаммал ўрганган. Фотоэффект ходисасини ўрганувчи қурилма тузилиши 1 - расмда келтирилган.
Вакуум трубкадаги К - электрод катод деб аталади ва у текширилаётган хар хил металлардан тайёрланади.
А – электрод анод деб аталади ва металл тўрдан иборат бўлади. Иккала электрод ташқи кучланишга уланган бўлиб, R ўзгарувчан қаршилик (потенциометр) ёрдамида кучланиш қиймати ва ишорасини ўзгартириш мумкин. Ўрганиладиган металл (катод) монохроматик ёруғлик билан ёритилганда хосил бўладиган токни занжирга уланган миллиамперметр орқали ўлчаш мумкин. Ўтказилган тажрибалар натижаларига асосланиб Столетов қуйидаги қонуниятларни ўрнатди:
1) металлардаги фотоэффект ходисасига ултрабинафша нурлар кўпроқ таъсир кўрсатади;
2) ёруғлик таъсирида моддалар асосан манфий зарядларни йўқотади;
3) ёруғлик таъсирида хосил бўладиган ток кучи унинг жадаллигига тўғри пропрционалдир.

1 – расм. Фотоэффект ходисасини ўрганувчи қурилма

Томпсон 1898 йилда ёруғлик таъсирида чиқадиган заррачаларнинг солиштирма зарядини ўлчади ва улар электронлардан иборат эканлигини исботлади.

Яримўтказгич ёки диэлектрикларнинг энергетик спектридаги боғланган энергетик ҳолатлардан эркин энергетик ҳолатларга электромагнит нурланиш таъсирида электронларнинг ўтиши - ички фотоэффект деб аталади, чунки электронлар бир энергетик ҳолатдан юқориги энергетик ҳолатларга ўтиб, моддадан ташқарига чиқмайдилар.
Иккита ярим ўтказгич ёки металл - яримўтказгич контактларини ёруғлик билан ёритилганда фото электр юритувчи куч (ЭЮК) ҳосил бўлиш жараёнига вентилли фотоэффект деб аталади. Бу ҳодиса қуёш энергиясини тўғридан тўғри электр энергиясига айлантириш имконини яратиб беради.
1 - расмдаги қурилмадан фойдаланиб, ёруғлик таъсирида катод чиқарадиган электронлар оқими ҳосил қиладиган I фототокнинг электродлар орасидаги кучланиш тушишига боғлиқлигини, яъни фотоэффектнинг вольт-ампер характеристикасини (ВАХ) ўрганиш мумкин.
Частоталари бир хил, жадалликлари хар хил икки хил ёритилганлик учун фототокнинг ВАХ 2 - расмда келтирилган.

2 – расм. Фотоэффектнинг вольт – ампер характеристикаси

Иккита электрод орасидаги кучланиш тушиши U ошиши билан, бошланишда фототок аста-секин ошаборади, яъни катоддан чиқиб, анодга етиб борадиган фотоэлектронлар сони ошиб боради. Эгри чизиқларнинг қиялик қиёфаси катоддан электронлар хар хил тезликда отилиб чиқишини кўрсатади.

Фототокнинг максимал қиймати I_max= I_тўй. , яъни тўйиниш фототокининг бошланиши шундай U кучланиш тушиши билан аниқланадики, бундай кучланиш тушишида катоддан чиқаётган электронлар анодга етиб келишга улгурадилар:
, (1)
бу ерда n – катоднинг 1 секундда чиқарган электронлар сони.
Вольт-ампер характеристикадан U = 0 бўлганда фототок нолга айланмаслиги кўриниб турибди, чунки катоддан чиқаётган айрим электронлар нолдан фарқли  бошланғич тезликка эга бўлиб, маълум кинетик энергияга эга бўлганлари учун, ташқи майдонсиз анодга етиб келаоладилар.
Фототок нолга тенг бўлиши учун, электронларга ишораси манфий бўлган, электронларни тўхтатиб қолувчи – U₀ кучланиш қўйиш керак. демак, U = –U₀ бўлганда, хаттоки – максимал тезликка эга бўлган электронлар ҳам тўхтатиб қолувчи кучланишни енгаолмайдилар ва анодга етиб келаолмайдилар, натижада фототок нолга айланади.
Берилган катод моддаси ва ёруғлик нури частотаси учун тўхтатиб қолувчи – U₀ кучланишни ўлчаш, катоддан чиқаётган фотоэлектронларнинг тезлиги ва кинетик энергияси қийматларини аниқлаш имконини беради:
, (2)
Хар хил катод материаллари учун, катодга тушаётган ёруғликнинг частотаси ва хар хил ёритилганлик жадалликларида олинган фотоэффект ВАХ натижаларига асосан қуйидаги учта фотоэффект қонунлари ўрнатилди:
1. Столетов қонуни. Катодга тушаётган ёруғликнинг белгиланган частотасида, бирлик вақтда катоддан ажралиб чиқаётган фотоэлектронлар сони ёруғлик жадаллигига пропорционалдир;
2. Фотоэлектронлар бошланғич тезлигининг максимал қиймати катодга тушаётган ёруғлик жадаллигига боғлиқ бўлмай, фақат  частотага боғлиқ бўлиб, унинг ошиши билан чизиқли ўсиб боради;
3. Ҳар бир модда учун фотоэффектнинг «қизил чегараси» мавжуд, яъни ёруғликнинг ₀ – минимал частотаси мавжуд бўлиб, бу частотада ёруғликнинг исталган жадаллигида фотоэффект кузатилади.
Бу қонунларни тушунтириш учун Эйнштейн 1905 йилда фотоэффектнинг квант назариясини ишлаб чиқди. Бу назарияда,  частотали ёруғлик нурланишда ҳам, тарқалишда ҳам ва моддаларда ютилишда ҳам алоҳида энергия порциялари

орқали намоён бўлади. Шундай қилиб, ёруғлик тарқалишини узлуксиз тўлқин жараёни деб тасаввур қилмай, уни фазода дискрет ёруғлик квантлари оқими сифатида, вакуумда эса с тарқалиш тезлиги билан ҳаракатланади деб ҳисоблаш керак. Бу электромагнит нурланиш квантлари фотонлар деб аталади.
Квант назариясига асосан, ҳар бир квантни фақат битта электрон ютиши мумкин. Шу сабабли, ёруғлик таъсирида катоддан ажралиб чиққан фотоэлектронлар ёруғлик жадаллигига пропорционалдир (фотоэффектнинг I қонуни).
Катодга тушаётган фотон энергияси электронни металлдан чиқиш ишини (А) енгишга ва чиқаётган фотоэлектронга кинетик энергия беришга сарф бўлади.
, (3)
Бу ифода ташқи фотоэффектнинг Эйнштейн тенгламаси деб аталади ва фотоэффектнинг II ва III қонунларини тушунтираолади.
Эйнштейн тенгламасидан, фотоэлектроннинг максимал кинетик энергияси тушаётган нурланиш частотаси ошиши билан чизиқли ўсиб бориши ва нурланиш жадаллигига боғлиқ эмаслиги кўриниб турибди.
Ёруғлик частотаси камайиши билан фотоэлектроннинг кинетик энергияси пасайиб, қандайдир кичик частотада , фотоэффект кузатилмайди:
, (4)
Ана шу ₀ частота берилган металл учун фотоэффектнинг «қизил чегараси» бўлади ва фақат электронинг чиқиш ишига боғлиқ бўлади.
(2) -, (3) – ва (4) – ифодалардан қуйидагига эга бўламиз:
,

(5)