O`zbekiston respublikasi oliy va o`rta maxsus ta`lim vazirligi termiz davlat universiteti

1.Fotoeffekt

Fotoeffekt - yorug’lik ta'sirida jismdan elektron ajralib chiqishidir. Bu
1-rasm.Fotoeffekt hodisasining namoyon bo`lishi.
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 olinganshisha idish, uning ichidagi katod va anod plastinkalari olinadi (1-rasm). Tajribalarda yuzasi yaxshi tozalangan ikkita metall elektrodli shisha vakuumli ballon ishlatiladi. Elektrodlarga ikki tomonlama kalit yordamida qutblarini o`zgartirish mumkin bo`lgan birmuncha kuchlanish U beriladi. Elektrodlardan biri (katod K) kvars darcha orqali λ to`lqin uzunlikli monoxromatik yorug`lik bilan yoritiladi. 2-rasmda katodga tushib turgan yorug`lik oqimini ikki xil qiymati uchun olingan odatdagi egri chiziqli bog`lanish grafigi tasvirlangan.
O'tkazilgan tajribalar natijasida 2 - rasmdagi volt - amper xarakteristikasi olingan.

2-rasm.Fototok kuchini unga berilgan kuchlanishga bog`lanish grafigi.
Grafik shuni ko`rsatadiki, А anoddagi yetarlicha katta musbat kuchlanishlarda fototok to`yinishga erishadi. Chunki, katoddan yorug`lik ta‘sirida uzib olingan elektronlar anodga yetib boradi. Puxta qilingan o`lchashlar shuni ko`rsatadiki, to`yinish toki katodga tushadigan yorug`lik intensivligiga to`g`ri proporsional ekan. Anoddagi kuchlanish manfiy bo`lganda, katod va anod o`rtasidagi elektr maydoni elektronlarni to`xtatadi. Kinetik energiyasi |eU| dan katta bo`lgan elektronlargina anodga yetishi mumkin. Agar anoddagi kuchlanish U_t dan oz bo`lsa, fototok to`xtaydi. U_t ni o`lchab, fotoelektronlarning maksimal kinetik energiyasini aniqlash mumkin:
( <sup>2</sup> )<sub>max</sub>=eU<sub>t</sub>
U<sub>T</sub> qiymatining tushadigan yorug`lik oqimi intensivligiga bog`liq emasligi olimlarni ajablantirdi. O`lchashlar shuni ko`rsatadiki, to`xtatuvchi potensial yorug`lik chastotasi ortishi bilan chiziqli ortib borar ekan.

3-rasm.
To`xtatuvchi potensial U<sub>T</sub>ning tushayotgan yorug`lik chastotasiga bog`liqlik grafigi.
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 ningqiymati yorug’lik intensivligiga mutlaqo bog’liq emas, u faqat fotokatod materialining ximiyaviy tabiatiga va sirtining holatiga bog’liq.
4. Yorug’lik fotokatodga tushishi va fotoelektronlarning hosil bo'lishi orasida sezilarli vaqt òtmaydi. Fotoeffekt negizidagi bu qonuniyatlar mumtoz fizikaning yorug`likning moddabilan o`zaro ta‘siri haqidagi tasavvurni qarama-qarshi qilib qo`ydi.
To`lqin tasavvuriga binoan elektron yorug`lik to`lqini bilan o`zaro ta‘siri natijasida asta sekin energiya to`plash kerak va elektron katoddan uchib chiqishi uchun elektron, yorug`lik intensivligiga bog`liq va kerakli bo`lgan energiyani to`plab olishi uchun ancha vaqt talab qilingan bo`lar edi. Hisoblashlar shuni ko`rsatadiki, vaqt minutlar yoki soatlar bilan belgilanishi kerak. Biroq, tajriba ko`rsatganidek fotoelektronlar katod yoritilishi boshlangandan keyin tezda paydo bo`ladi.
Bu modelda fotoeffektning qizil chegarasi mavjudligini ham tushunish mumkin bo`lmadi. Maksimal kinetik energiyaning yorug`lik chastotasiga proporsionalligi, yorug`lik oqimi intensivligiga fotoelektron energiyasining bog`liq emasligini yorug`likning to`lqin nazariyasi tushuntirib berolmadi. Bunday holatdan chiqishni 1905 yilda A.Eynshteyn topdi. Kuzatilayotgan fotoeffekt qonuniyatlarini nazariy tushuntirish A.Eynshteyn tomonidan Plank gipotezasi asosida tushuntirildi. Ya‘ni, yorug`lik ma‘lum porsiya sifatida nurlanadi va yutiladi, bunday har bir porsiya energiyasi Е=h formula bilan aniqlanadi. Bu yerda h - Plank doimiysi. A.Eynshteyn kvant tasavvurlarni rivojlantirishda navbatdagi qadamni qo`ydi. Yorug‘lik uzlukli – diskretlik xususiyatiga ega degan xulosaga keldi va elektromagnit to‘lqinlar alohida porsiyalar-kvantlardan iborat, keyinchalik ularni fotonlar deb atashdi. Foton modda bilan o`zaro ta‘sirlashganda o`zining hamma h energisini bitta elektronga beradi. Elektron bu energiyaning bir qismini modda atomlari bilan to`qnashganda sochilishga sarflaydi. Bundan tashqari, energiyaning bir qismi metall-vakuum chegarasidagi potensial to`siqni bartaraf etishga sarflanadi. Buning uchun elektron katod materiali xususiyatiga bog`liq bo`lgan А_ch chiqish ishini bajarishi kerak.
Katoddan uchib chiqqan fotoelektron ega bo`lishi mumkin bo`lgan kinetik energiyasi saqlanish qonunidan aniqlanadi.
B
u formula tashqi fotoeffekt uchun Eynshteyn tenglamasi deb ataladi. Eynshteyn tenglamasi yordamida tashqi fotoeffektning hamma qonuniyatlarini tushuntirib berish mumkin. Eynshteyn tenglamasidan maksimal kinetik energiyasning chastotaga chiziqli bog`liqligi va yorug`lik intensivligiga bog`liq emasligi, qizil chegara mavjudligi, fotoeffekt inersiyaga ega emasligi kelib chiqadi. Katod yuzasidan 1 s ichida chiqib ketadigan fotoelektronlarning umumiy soni shu vaqt ichida yuzaga tushadigan fotonlar soniga proporsional bo`lishi kerak. Bundan kelib chiqadiki, to`yinish toki yorug`lik oqimi intensivligiga to`g‗ridan-to`g`ri proporsional bo`lishi kerak.
Eynshteyn tenglamasidan ko`rinib turibdiki, to`xtatuvchi potensial U_t chastotadan bog`liqligini ifodalovchi to`g`ri chiziqning egilish burchagi tangensi Plank h doimiysining elektron e zaryadi nisbatiga teng:
tg
Bu Plank doimiysining qiymatini tajribada aniqlash imkoniyatini beradi. Bunday o`lchashlar R. Milliken tomonidan (1914 yil) bajarildi va Plank tomonidan topilgan
qiymat bilan mos tushdi. Bu o`lchashlar А<sub>ch</sub> chiqish ishini aniqlash imkoniyatini
ham berdi:
A=h <sub>min=</sub>
Bu yerda c- yorug`lik tezligi λ_qiz – fotoeffekt qizil chegarasiga mos tushadigan to`lqin uzunligi. Ko`pgina metallarda A chiqish ishi bir necha electron voltni tashkil etadi (1eВ=1,602*10^-19J). Kvant fizikasida ko`pincha elektronvolt energiya o`lchov birligi sifatida ishlatiladi. Plank doimiysining elektronvolt sekundda ifodalangan qiymati:
h=4,136*10^-15 eВ* s . ga teng.
Metallar orasida kam chiqish ishiga egalari ishqoriy metallardir. Masalan, natriyda А_ch=1,9 eВ fotoeffekt qizil chegarasi ƛ_qiz=680 nm ga to`g`ri keladi. Shuning uchun ishqoriy metallarni fotoelementlarda katod o`rnida ishlatishadi. Xullas, fotoeffekt qonunlari shuni ko`rsatdiki, yorug`lik chiqarilishida va yutilishida foton yoki yorug`lik kvantlari deb nom olgan zarralar oqimi kabi o`zini tutadi. Fotonlar energiyasi Е = h ga teng. Foton vakuumda s tezlik bilan harakat qiladi. Energiya, impuls va har qanday zarra massasini bog‗lovchi maxsus nisbiylik nazariyasining umumiy munosabatidan kelib chiqib,
E<sup>2</sup>=m<sup>2</sup>c<sup>4</sup>+p<sup>2</sup>c<sup>2</sup>
foton quyidagi impulsga ega degan xulosa qilish mumkin:
p= =
Shunday qilib, ikki yuz yillikka uzaygan yorug`lik haqidagi tushunchadan so`ng yana yorug`likning korpuskula – zarra haqidagi tasavvuriga qaytildi. Lekin, Nyuton korpuskulyar nazariyasiga mexanik qaytish bo`lmadi. XX asr boshida yorug`lik ikki tomonlama tabiatga ega ekanligi ma‘lum bo`ldi. Yorug`lik tarqalishida uning to`lqin xususiyati (interferensiya, difraksiya, polyarizatsiya), modda bilan o`zaro ta‘sirida esa korpuskulyar xususiyati (fotoeffekt, kompton effekti) namoyon bo`ladi. Yorug`likning ikki yoqlamalik tabiati korpuskulyar to`lqin dualizmi degan nom oldi. Keyinroq ikki yoqlamalik tabiati elektronlarda va boshqa elementar zarralarda ham kashf etildi. Mumtoz fizika mikroobektlarda to`lqinli va korpuskulyar xususiyatlarni birlashtirishning ko`rgazmali modelini bera olmadi. Mikroobektlar harakatini Nyutonning mumtoz mexanikasi qonunlari emas, balki kvant mexanikasi qonunlari boshqaradi. Plank tomonidan
F
otoeffekt modeli rivojlantirilgan absolyut qora jism nurlanish nazariyasi, va fotoelektrik effect uchun Eynshteynning kvant nazariyasi hozirgi zamon faniga xizmat qiladi. Ichki fotoeffektda tashqi fotoeffektdan farqli ravishda optik jihatdan uyg`otilgan elektronlar yoritilgan jism ichida qolaverib jismning elektr neytralligini buzmaydi. Bunda moddadagi zaryadlarning konsentratsiyasi yoki ularning harakatchanligi o`zgaradi, natijada tushayotgan yorug`lik nuri ta‘sirida moddaning elektr xususiyatlari o`zgaradi. Ichki fotoeffektni bir jinsli yarim o`tkazgichlarni yoritganda ularning o`tkazuvchanliklari o`zgarishidan aniqlash ham mumkin. Fotoo`tkazuvchanlik deb ataladaigan bu hodisa asosida yorug`lik qabul qilgichlar, ya‘ni fotorezistorlarning katta gruppasi kashf qilingan va muttasil mukammallashtirilmoqda. Fotorezistorlarda asosan kadmiyning selenidi va sulfide qo`llaniladi.
Fotoelementlar va ularning qo‘llanilishi:
Hozirgi vaqtda tashqi va ichki fotoeffektga asosan yorug`lik signalini elektr signaliga aylantiruvchi juda ko`p qabul qilgichlar ishlab chiqilmoqda umumiy nomi fotoelementlar deb ataladi. Ular texnikada va ilmiy tekshirishlarda juda keng qo`llaniladi. Hozirgi zamonda o`tkaziladigan turli – tuman ob‘ektiv optik o`lchashlarni biror turdagi fotoelementlardan foydalanmay o`tkazish mumkin emas. Hozirgi zamon fotometriyasi, spektrometriyasi va spektrning keng sohasidagi spektrofotometriya, moddaning spektral analizi, yorug`likning kombinatsion sochilishida kuzatiladigan zaif yorug`lik oqimlarini ob‘ektiv o`lchashlarni, astrofizika, biologiya va boshqalarni fotoelementlarni qo`llamasdan tasavvur qilish qiyin; infraqizil spektrlar ko`pincha spektrlar uzun to`lqinli sohasida ishlaydigan maxsus fotoelementlar yordamida qayd qilinadi.
Fotoelementlar texnikada juda keng qo`llaniladi: ishlab chiqarish protsesslarini boshqarish va kontrol qilish, tasvir uzatish va televideniyedan tortib lazerlarga asoslangan optik aloqagacha bo`lgan turli aloqa sistemalari hamda kosmik texnika fotoelementlar qo`llaniladigan sohalarning bir bo`lagi bo`ladi xolos, bu sohalardafotoelementlar hozirgi zamon sanoati va aloqasining turli-tuman texnik masalalarini hal qilib beradi.
Fotoelementlarning kashf qilinish tarixi 100 yildan ortiq muddatni o`z ichiga oladi. Ichki fotoeffektga asoslangan va fotoo`tkazuvchanlik hodisasidan foydalanadigan birinchi fotoelement 1875 yilda yasalgan edi, tashqi fotoeffekt asosida ishlaydigan birinchi vakuum fotoelementi 1889 yilda yasalgan. Vakuum fotoelementlarini sanoatda ishlab chiqarishni P.V.Timofeyev 1930 yilda tashkil qilgan edi. Garchi ichki fotoeffekt hodisasi tashqi fotoeffekt hodisasidan 50 yil ilgari kashf etilgan bo`lsa-da, tashqi fotoeffekt asosida ishlaydigan fotoelementlar ichki fotoeffekt asosida ishlaydigan fotoelementlarga qaraganda oldinroq rivojlandi.
Fotoelementning chizmasi 3-rasmda keltirilgan. Vakuumli shisha kolba ichiga joylashtirilgan yarim sfera shaklidagi fotokatod va shu sferani markazida aylana shaklida joylashgan anoddan iborat. Zamonaviy fotoelementlarni sezgirligi ~10-5 A/lm ga teng.

4-rasm
Juda kuchsiz yorug`lik oqimlarini qayd qilish uchun fotoelektron ko`paytirgichlar (FEK) ishlatiladi. Fotoelektron ko`paytirgichlarda chiqishdagi elektronlar sonining (A-anoddagi) kirishdagi elektronlar soniga (birinchi dinoddagi) nisbati ko`paytirish koeffitsiyenti bilan xarakterlanadi. Hozirgi vaqtda zamonaviy fotoelektron ko`paytirish koeffitsiyenti 10<sup>9</sup>÷10<sup>11</sup> gacha yetadi. Ichki fotoeffekt hodisasiga asoslanib ishlaydigan eng ko`p tarqalgan qurilmalarga fotorezistor, fotodiod, fototranzistor, kremniyli batareyalarni ko``rsatish mumkin.
2. Tashqi fotoeffekt