Mavzu: Fotoeffekt hodisasining amaliyotda qo’llanilishi

O’ZBEKISTON RESPUBLIKASI

OLIY VA O’RTA MAXSUS TA’LIM VAZIRLIGI

MIRZO ULUG’BEK NOMIDAGI O’ZBEKISTON MILLIY UNIVERSITETI FIZIKA FAKULTETI

F1901-guruh talabasi

Shamsiboyev Javlonbekning

,,Optika” fanidan

KURS ISHI

Mavzu:Fotoeffekt hodisasining amaliyotda qo’llanilishi.

Tekshirdi:Matematika,fizika fanlari doktori,professor Otajonov Shavkat

Bajardi:Shamsiboyev

Javlonbek

Toshkent-2021

Reja:

I.Kirish……………………………………………….……...3

II.Asosiy qism……………………………………….4

1.Fotoeffekt hodiasi.Tashqi va ichki fotoeffekt……………………………………………………….4

2.Fotoeffekt hodisasining amaliyotda qo’llanilishi……………………………………………………10

III.Xulosa……………………………………………….18

IV.Foydalanilgan adabiyotlar..19

I 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.

II Asosiy qism

1-mavzu: Fotoeffekt hodiasi.Tashqi va ichki fotoeffekt

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 uchib chiqadi:

m_e v²_maks=hv - A (1)

Bu yerda A—ko’rilayotgaya 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

m_e 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.

Biz yuqorida ko’rib chiqqan metallarda yuz beradigan (fotoeffekt hodisasi tashqi fottoeffekt deb ataladi. Bunday tashqari, ichki fotoeffekt deb ataluvchi fotoeffekt hodisasi ham mavjud bo’lib ichki fotoeffekt yarim o’tkazgich va dielektriklarda sodir bo’ladi. Bunda yorug’lik taʼsirida elektronlarning bir qismi valent zonasidan o’tkazuvchanlik zonasiga o’tadi. Natijada yarim o’tkazgich yoki dielektrik ichida zaryad tashuvchi elektronlar konsentratsiyasi ortadi va fotoo’kazuvchanlik hosil bo’ladi, yaʼni yorug’lik taʼsirida elektr o’tkazuvchanligi ortadi.





Ichki fotoeffekt deb ataladigan hodisa fanda ma’lum va amaliyotda keng qo’llaniladi, ichki fotoffektda tashqi fotoeffektdan farqli ravishda optik jihatdan uyg’otilgan elektronlar yoritilgan jism ichida qolaverib, jismning elektr jihatdan neytralligini buzmaydi. Bunda moddadagi zaryadlarning konsentratsiyasi yoki ularning harakatchanligi o’zgaradi, natijada yorug’lik tushayotgan moddaning elektr xususiyatlari o’zgaradi. Ichki fotoeffekt faqatgina yarim o’tkazgichlar va dielektriklarda sodir bo’ladi. Bunday fotoeffektni bir jinsli yarim o’tkazgichlarni yoritganda ularning o’tkazuvchanliklari o’zgarishidan aniqlash mumkin. Fotoo’tkazkazuvchanlik deb ataladigan bu hodisa asosida yorug’lik qabul qilgichlar, ya’ni fotorezistorlarning katta gruppasi kashf qilingan va muttasil mukammallashtirilmoqda. Fotorezistorlarda asosan kadmiyning selenide va sulfidi qo’llaniladi.

Bir jinsli yarim o’tkazgichlarda elektr o’tkazuvchanlikning tashqi potensiallar farqi ham vujudga keladi. Fotogalvanik effekt deb ataladigan bu hodisaning sababi shundaki, yarim o’tkazgichlar bir tomonli o’tkazuvchanlikka ega bo’lgani uchun o’tkazgich hajmida ooptik jihatdan uyg’otilgan va manfiy zaryadga ega bo’lgan elektonlar o’z elektronini yo’qotgan atom yonida paydo bo’ladigan va musbat elementar zaryadga egan bo’lgan zarralarga o’xshagan mikrozonalardan(teshiklardan) fazoviy ajratiladi. Elektron va teshiklar yarim o’tkazgichning qarama-qarshi uchida yig’iladi, natijada elektr yurituvchi kuch vujudga kelib, tashqi E.Yu.K berilmasa ham yoritilgan yarim o’tkazgichga parallel ulangan nagruzka orqali elektr toki o’ta boshlaydi. Shu tarzda yorug’lik energiyasi bevosita elektr energiyasiga aylantiriladi. Xuddi shu sababli yorug’likning fotogalvanik qabul qilgichlari yorug’lik signallarini qayd qilish uchungina emas, balki elektr zanjirlarida elektr energiyasi manbai sifatida ishlatiladi.

Shunday fotogalvanik elementlarning sanoatda ishlab chiqariladigan asosiy turlarida selen va kumush sulfat qo’llaniladi. Kremniy, Germaniy va GaAs, InSb, CdTe va boshqa birikmalar kabi yarim o’tkazgichlar ham keng tarqalgan. Quyosh energiyasini elektr energiyasiga aylantiradigan fotogalvanik elementlar kosmik tekshirishlarda kosmik kema ichida elektr ta’minotining manbalari sifatida keng qo’llanilyapti. Ularning foydali ish koeffitsienti qiyosan katta (20% gacha bo’lib), kosmik kemalarning mustaqil uchish sharoitida juda qulay. Zamonaviy fotoelementlarda (quyosh batareyalarida) yarim o’tkazgich materialiga qarab foto E.Yu.K 1 – 2 V gacha, 1 sm² yuzadan olinadigan tok bir necha 10 milliamperga va bir kg massaga to’g’ri keladigan energiya bir necha yuz vattga yetadi.

2-mavzu:Fotoeffekt hodisasining amaliyotda qo’llanilishi

Hozirgi vaqtda tashqi va ichki fotoeffektga asosan yorug’lik signalini elektr signaliga aylantiruvchi juda ko’p qabul qilgichlar qurilyapti; bularning umumiy nomi fotoelementlar deb ataladi. Ular texnikada va ilmiy tekshirishlarda juda keng qo’llaniladi. Hozirgi zamonda o’tkaziladigan turli-tuman obyektiv optik o’lchashlarni biror turdagi fotoelementlardan foydalanmay o’tkazish mumkin emas. Hozirgi zamon fotometriyasi, spektro-metriyasi va spektrning keng sohasidagi spektrofotometriya, moddaning spektral analizi, yoruglikning kombinatsion sochilishida kuzatiladigan zaif yoruglik oqimlarini obyektiv o’lchashlarni, astrofizika, biologiya va boshqalarni fotoelementlarni qo’llamasdan tasavvur qilish qiyin; infrakizil spektrlar ko’pincha spektrning 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 sohalarda fotoelementlar 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 foto-o’tkazuvchanlik hodisasidan foydalanadigan birinchi fotoelement 1875-yilda yasalgan edi, tashqi fotoeffekt asosida ishlaydigan birinchi vakuum fotoelementi 1889-yilda yasalgan. Vakuum fotoelementlarini sanoatda ishlab chiqarishni Sovet Ittifoqida 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 foto elementlar ichki fotoeffekt asosida ishlaydigan fotoelement-larga qaraganda oldinroq rivojlandi. Asrimizning qirqinchi yillarida yarim o’tkazgichlar fizikasi tez rivojlangani va ichki fotoeffekt hodisasi chuqur o’rganilgani sababli yarim o’tkazgichli yangi fotoelementlar yaratila boshladi.

Fotoelementlar yordamida hal qilinadigan masalalar juda turli tuman bo’lgani uchun har xil texnik xarakteristikalarga ega bo’lgan fotoelementlarning juda kup turlari bunyod etildi, Agar bir konkret masalani hal qilishda fotoelementning optimal turini tanlash uchun bunday xarakteristikalardan xabardor bo’lish kerak. Tashqi fotoeffektga asoslangan fotoelementlarning (vakuum fotoelementlarining ) quyidagi xarakteristikalarini bilish zarur: spektrning qaysi sohasida ishlashi; spektral sezgirligining nisbiy xarakteristikasi (bu xarakteristika monoxromatik yorug’lik bilan yoritilgan holdagi spektral sezgirlikning xarakteristikaning maksimumdagi sezgirlikka bo’lgan o’lchamsiz nisbatining tushayotgan yorug’likning to’lqin uzunligiga bog’liqligidan iborat); umumiy sezgirlik (bu sezgirlik fotoelementni standart yorug’lik manbai bilan yoritganda aniqlanadi); beradigan kvantlar miqdori (chiqayotgan fotoelektronlar sonining fotokatodga tushayotgan fotonlar soniga bo’lgan nisbatning protsent hisobidagi qiymati); inersiyalik (vakuum fotoelementlarida bu xarakteristika elektronlarning fotokatoddan anodga uchib borishiga ketadigan vaqt bilan aniqlanadi). Fotoelementning qorong’ilik toki ham ma’lum parametr bulib, u odatda fotokatodning xona tempera-turasidagi termoemissiyasi bilan sizish toki orqali aniqlanadiI

Fotokatodning materiali va kolbaning materialiga qarab fotoelementlarni 0,2—1,1 mkm diapazonida ishlatish mumkin. Ularning 1 lyumen yoruglik oqimiga to’gri kelgan umumiy (integral) sezgirligi 20—100 mkA bo’ladi, termoemissiyasi esa 10^-11—10^-18 A/sm² ichida o’zgaradi. Vakuum fotoelementlarining eng muhim afzalligi ularning juda doimiy bo’lishi va yorug’lik oqimi bilan fototok orasidagi bog’lanishining chiziqli ekanligidadir. Shuning uchun ular spektrning ko’rinuvchan va ultrabinafsha sohasida obyektiv fotometriya, spektrometriya, spektrofotometriya va spektral analizda uzoq vaqt ko’p qo’llanib keldi. Vakuum fotoelementlarining yoruglik o’lchashlarida qo’langanidagi eng asosiy kamchiligi ular ishlab chiqaradigan elektr signallarning zaifligidadir. Bu kamchilik fotoelektron ko’paytirgichlarda (FEK larda) butunlay bartaraf qilingan bo’lib, bu asboblarni rivojlangan fotoelementlar deb hisoblash mumkin. Dastlab FEK lar 1934-yilda yasalgan edi.

FEKning ishlash prinsipini 3-rasmdan ko’rib chiqishimiz mumkin. FK fotokatoddan chiqqan (emissiyalangan) fotoelektronlar elektr maydoni taʼsirida tezlashadi va birinchi oraliq Э₁ elektrodga tushadi. 3-rasm.

Tushayotgan fotoelektronlar ikkilamchi elektronlarning chiqishiga sabab bo’ladi; maʼlum sharoitlarda ikkilamchi emissiya fotoelektronlarning dastlabki oqimidan bir necha marta katta bo’lishi mumkin. Elektrodlarning konfiguratsiyasi shundayki, fotoelektronlarning ko’pchiligi Э₁ elektrodga, ikkilamchi elektronlarning ko’pchiligi esa navbatdagi Э₂ elektrodga tushadi, bu elektrodda ko’payish protsessi qaytariladi va hokazo. Elektrodlar (dinodlar) 10—15 ta bo’ladi; bularning eng oxirgisidan chiqayotgani ikkilamchi elektronlar anodga yig’iladi. Bunday sistemalarning umumiy kuchaytirish koeffitsiyenti 10⁷— 10⁸ ga , integral (umumiy). sezgirligi lyumenga to’gri kelgan minglab amperga yetadi. Bundan FEKlar yordamida juda katta toklar olish mumkin degan xulosa chiqarmay, balki juda zaif yorug’lik oqimlarini o’lchash mumkin degan xulosa chiqarish kerak.

Ravshanki, vakuum fotoelementlaridagidek texnik xarakteris-tikalar, shuningdek, kuchaytirish koeffitsiyenti va uning taʼmin-lovchi kuchlanishga bogliqligi FEK ni to’liq taʼriflab beradi.

Hozirgi vaqtda hamma yerda vakuum fotoelementlarining o’rniga fotoelektron ko’paytirgichlar qo’llanilmoqda. FEK larning kamchiliklari sifatida yuqori voltli va stabillashtirilgan manbadan foydalanish zarurligi, sezgirlik stabilligining bir oz yomon ekanligi va shovqinlar ko’p ekanligini ko’rsatish mumkin. Lekin fotokatodlar sovitilsa va chiqish toki emas, balki impulslar soni (har bir impuls bitta fotoeloktronga mos keladi) qayd qilinsa, yuqorida aytib o’tilgan kamchiliklarning salbiy taʼsiri ancha kamaytirilgan bo’ladi.

Tashqi fotoeffektga asoslangan yorug’lik qabul qilgichlarning eng afzal tomoni fototokning nagruzka o’zgarganda o’zgarmasligi-dir. Demak, fototokning qiymati qancha kichik bo’lmasin qarshiligi katta bo’lgan nagruzka qo’llash va natijada qarshilikda qayd qilish va kuchaytirish uchun yetarli kattalikdagi kuchlanish tushishiga ega bo’lish mumkin. Ikkinchi tomondan, qarshilik o’rniga sig’im ulash va bu sig’imdagi kuchlanishni o’lchab, maʼlum vaqt davomida tushayotgan o’rtacha yorug’lik oqimiga proporsional kattalikni aniqlash mumkin. Bu esa o’z navbatida yorug’likning stabillashmagan manbaidan tushayotgan yorug’lik oqimini o’lchash, yaʼni spektroanalitik o’lchashlarga xos bo’lgan hol uchun juda muhimdir.

Vakuum fotoelementlari va FEK lar spektrning infraqizil sohasida spektrometrik o’lchashlar o’tkazishga yaramaydi, chunki hozirgi vaqtda ishlatiladigan fotokatodlarning qizil chegarasi 1100 nm dan ortmaydi. Lekin hozirning o’zidayoq; 3 — 4 mkm gacha bo’lgan sohada o’lchash o’tkazish imkoniyatini beradigan materiallar maʼlum. Shu sababli infraqizil sohada o’lchash o’tkazishda ichki fotoeffekt asosida ishlaydigan fotoelementlar qo’llaniladi. Ular qatoriga InSb, PbSe va PbS asosida yasalgan va 6 mkm gacha bo’lgan sohada o’lchashga imkon beradigan sovitilmaydigan fotorezistorlarni hamda oltin, rux, mis va boshqa metallar bilan legirlangan (maxsus usul bilan qo’shilgan) germaniy asosida ishlangan va 40 mkm gacha bulgan sohada o’lchashga imkon beradigan qattiq sovitiladigan fotorezistorlarni kiritish mumkin.

Spektrning uzunroq to’lqinlar qismida o’lchash o’tkazganda issiqlik qabul qilgichlardan foydalaniladi; ular tushayotgan nurlar taʼsirida isiganda yo o’z o’tkazuvchanliklarini o’zgartiradi yoki ularda e. yu. k. vujudga keladi.

Yarim o’tkazgichli fotoelementlarda elektr signalining kattaligi yoritilganlikka qatʼiy chiziqli bog’langan emas. Bu kamchilik va fotoelement sezgirligining doimoy emasligi, taʼminlovchi man-baning stabillanmaganligi, o’lchash sxemasining kuchaytirish qobiliyatining o’zgarib turishi kabi kamchiliklar ikki nurli sis-temadan foydalanish bilan bartaraf qilinadi. Ikki nurli sistemada yutadigan moddadan o’tgan yorug’likning absolyut intensivligi emas, balki bu intensivlikning yoritayotgan manbaning yorug’lik intensivligiga bo’lgan nisbati o’lchanadi.

Fotoelementlar qo’llaniladigan juda ko’p hollarda ularning o’lchash xususiyatlariga qatʼiy talablar qo’yilmaydi. Shuning uchun ichki fotoeffekt asosida ishlaydigan fotoelementlar o’lchamlari kichik, taʼminlovchi kuchlanishlar past bo’lgani va bir qator boshqa konstruktiv xususiyatlarga ega bo’lgani uchun avtomatik sistemalarda, boshqarish sistemalarida, quyosh energiyasini o’zgartirishda, ishlab chiqarishni kontrol qilish va boshsa sohalarda keng qo’llaniladi. Bu fotoelementlarning inersiya xususiyatlari yomonligi ularning qo’llanilishiga to’sqinlik qiladigan hollar bundan mustasnodir.

III Xulosa

Xulosa o’rnida shuni aytish mumkinki optika fanini fotoeffekt hodisasisiz o’rganib va tasavvur qilib bo’lmaydi. Optikadagi ko’p o’lchashlar aynan fotoeffekt hodisasiga asoslanib amalga oshiriladi. Zamonaviy dunyomizdagi ko’pgina qurilmalar fotoeffekt hodisasiga asoslanib yasaladi. Shuning uchun yaxshi zamonaviy kadr bo’lish uchun ushbu hodisani va uning qo’llanilishini chuqur o’rganib mohiyatiga yetishimiz kerak bo’ladi

IV Foydalanilgan adabiyotlar

1.G.S.Landsberg, ,,Optika’’.

2.Z.Kanokov, A.K.Karaxodjayev, K.P.Nasriddinov, S.R.Polvonov, ,,Atom va yadro fizikasidan labaratoriya ishlari.

3.Internet.