Мundarija kirish I. Bob. Tashqi fotoeffekt

Mavzuning dolzarbligi. Hozirgi kunda kvant fizika ya’ni optika sohasini chuqur o’rganish o`rganish davr talabidir. Unga qiziqishi bor bo`lgan insonlarni kvant fizikasi o’rganishda asosiy metodlar o’rgatish.
Mavzuning o’rganilganlik darajasi. Optika serqirra hodisa hisoblanadi. Kvant fizikasi juda mashhur. Bu masala xususida buyuk olimlar ko’plab izlanishlar olib borishgan. Olimlar o’z asarlarida vaqkitoblarida turli xil jihatlarini o’rganib chiqishgan.
Ishning maqsadi
Kristalli yarim o'tkazgich fotoo'tkazuvchanligining spektral bog'liqligini o'lchash.
I.BOB.Tashqi fotoeffekt. Kompton effekta
1.1. Fotoeffekt va uning qonunlari
Anod nurlari. Katod nurlari elektronlar oqimidan iborat ekanligini bizga ma’lum. Xo’sh, bu elektronlar qayerdan chiqadi, degan savol o’z-o’zidan tug’ilishi muqarrar. Tabiiyki, ular trubka ichida kam miqdorda bo’lsa ham mavjud bo’lgan gaz atomlari deb faraz qilish mumkin. Lekin barcha jismlar atomlari neytral hisoblanadiku. Demak, atomdan bitta yoki bir necha manfiy zaryadlangan elektronlar uchib chiqadi deb hisoblasak, atomning qolgan qismi musbat zaryadga ega bo’lib qoladi.
Agar razryadli trubkada elektronlar katod (-) dan anod (+) tomon harakat qilsa, musbat zaryadlangan atom qoldiqlari teskari tomon - anoddan katodga tomon harakat qilmog’i lozim bo’ladi. Bunday musbat zarralarning mavjud bo’lishligi 1896 yilda Goldshteyn tajribalarida tasdiqlandi va ular anod nurlari deb ataldi.
Anod nurlari trubka shishasiga tushib, katod nurlari singari, shishaning shu’lalanishini hosil qiladi. Kuchli magnit yoki elektr maydoni ta’sirida anod nurlari ham o’z yo’nalishidan chetlansada, lekin bu chetlanish katod nurlari chetlanishiga nisbatan kuchsizroq bo’ladi. Chetlanish yo’nalishi bo’yicha anod nurlarini tashkil qilgan zarralarning musbat zaryadlanganligini bilish mumkin. Bunday musbat zaryadlangan zarralarning massasi katod zarralari massalaridan bir necha marta katta bo’lar ekan. Katod va anod nurlarini tadqiq qilish atomlarning murakkab tuzilishidan va ularning manfiy elektronlardan va musbat qoldiqlardan iborat ekanligini ko’rsatdi. 1873 yilda zaryadlangan metallar kuchli qizdirilganda o’z zaryadini yo’qotishi aniqlangan. Bu hodisa havoda aniqlanganligi sabab qizdirilgan metal zaryadining kamayishini yuqori temperatura ta’sirida metall yaqinida gaz ionlarining hosil bo’lishi deb tushuntirildi. Shundan 10 yil o’tgach, amerikalik ixtirochi T.Edison ko’mir lampalari xossalarini o’rganayotib, yuqoridagi hodisaning havosiz joyda-vakuumda sodir bo’lganligini kuzatadi. Demak, asbob qayd qilayotgan manfiy zaryadli zarralar trubkadagi havo - gaz atomlari bilan mutlaqo bog’liq emas ekan, chunki Edison tajribasida trubkada vakuum hosil qilingan, ya’ni havo molekulalari mavjud bo’lmagan. Keyinchalik Edison tajribasi Fleming, Elster, Teytellar tomonidan takrorlanib, Edison effekti (tokning hosil bo’lishi) ga lampaning qizdirilgan metall ipidan chiqqan manfiy elektr zarryadlari sababchi ekanligini tasdiqladi.1897 yili Tomsonning klassik tajribalarida qizdirilgan metalldan uchib chiqayotgan manfiy zarralar massa va zaryadi katod zarralari massa va zaryadi kattaligiga to’liq mos ekanligi aniqlangach, manzara to’laligicha oydinlashdi. Yuqori temperaturada qizdirilgan har qanday metall sirtidan katta miqdorda uchib chiqayotgan manfiy zarralar bu elektronlar oqimi ekan. Edison tajribalarida xuddi shu elektronlar zanjirda tok hosil bo’lishiga sababchi bo’lgan. Qizdirilgan jismlar tomonidan elektronlarning chiqarilishi hodisasi termoelektron emissiya deb ataldi. Tajriba tasdiqladiki, bu hodisada qizdirilgan metalldan chiqayotgan elektronlar soni temperatura oshishi bilan keskin oshar ekan, shuningdek berilgan metall sirtiga boshqa bir metallning yupqa plyonkasi yopishtirilganda ham shunday elektronlar oshuvi kuzatilar ekan. Ko’plab radioelektron asboblarning ishlashi termoelektron hodisaga asoslangan bo’lib, bu hodisa o’z navbatida moddalar atomlari tuzilishining murakkab ekanligini yana bir bor tasdiqladi.
Fotoeffekt. Fotonlar
Fotoelektrik effekt 1887 yilda nemis olimi G.Gers tomonidan kashf qilingan, 1888-1890 yillarda rus olimi A.G.Stoletov tomonidan atroflicha tajribada o’rganilgan. Fotoeffekt hodisasini shuningdek 1900 yilda Lenard ham tadqiq qilgan.Bu hodisa tashqaridan tushayotgan yorug’lik ta’siri ostida moddalardan elektronlarning urilib chiqarilishi ekanligi tushunarli bo’lgan. Fotoeffekt o’rganilgan tajriba sxemasi rasmda berilgan.Tajribada ikkita metall elektrodi bo’lgan shisha vakuum ballonidan foydalanilgan. Elektrodlarga U kuchlanish berilgan. Kuchlanish qutblanishi ikkitalik kalit yordamida o’zgartirilgan. Elektrodlardam biri (K -katod) kvarsli darcha orqali biror to’lqin uzunligidagi monoxromatik nur bilan yoritilgan. O’zgarmas yorug’lik oqimida fototok kuchining yuklatilgan kuchlanishga bog’liqligi yozib olingan. Rasmda yorug’lik oqimining intensivligining ikkita qiymatida I=I(U) bog’lanish keltirilgan.
Olingan gragiklar shuni ko’rsatadiki, kuchlanishning yetarlicha katta qiymatlarida A-anoddagi fototok to’yinishga erishadi, chunki yorug’likning katoddan urib chiqargan barcha elektronlari anodga yetib boradi. Aniq o’lchashlar ko’rsatadiki, I(t)-to’yingan tok tushayotgan yorug’lik intensivligiga to’gri proporsional bo’ladi.

Anoddagi kuchlanish manfiy bo’lganda anod va katod o’rtasidagi elektr maydoni elektronlarni tormozlaydi. Anodga kinetik energiyalari (eU₀) dan katta bo’lgan elektronlargina yetib bora oladi. Agar anoddagi kuchlanish - U₀ dan kichik bo’lsa, fototok yo’qoladi. U₀ ni o’lchab, fotoelektronlarning maksimal kinetik energiyasini:

o ’lchash mumkin bo’ladi. U₀-ning tushayotgan yorug’lik oqimi intensivligiga bog’liq bo’lmasligi olimlarni hayron qoldirgan. O’lchashlar U₀-ning chastotaga chiziqli bog’lanishda ekanligini ko’rsatgan. Ko’plab ekeperimentatorlar tomonidan fotoeffektning quyidagi qonunlari topilgan: 

1.Fotoelektronlar maksimal kinetik energiyalari yorug’lik chastotasi oshishi bilan chizikli ortaboradi, yoruglik intensivligiga bog’liq bo’lmaydi;
2.Har bir modda uchun fotoeffektning qizil chegarasi mavjud bo’ladi. Bu chegara fotoeffekt mumkin bo’lgan chastotaning eng kichik kiymati bilan aniqlanadi:

3.Yorug’lik tomonidan 1s vaqt ichida urib chiqarilayotgan fotoelektronlar somi yorug’lik intensivligiga to’g’ri proporsional bo’ladi.

4.Fotoffekt amalda insrsiyaga ega emas, ya’ni katodni yorug’lik bilan yoritilgan
c hoqdan (yoruglik chastotasi U0>Umin sharti bajarilsa) fototok hosil bo’ladi.Bu qonuniyatlarning barchasi moddainng yorug’lik bilan o’zaro ta’siri bo’yicha klassik fizikaiing tasavvurlariga qarama-qarshidir. To’lqin tasavvurlarga ko’ra, elektron yorug’likning elektromagnit to’lqini bilam o’zaro ta’siri vaqtida u yorug’lik intensivligiga bog’liq ravishda asta-sekin energiya to’plab, katoddan uchib chiqishi kerak, buning uchun esa biroz vaqt talab qilingan bo’lar edi. Hisoblar bu vaqtning minutlar yoki soatlar bilan o’lchanishini ko’rsatadi. Lekin tajriba fotoffektni katodni yorug’lik bilan nurlantirilgan zamonoq paydo bo’lishini ko’rsatadi. To’lqin tasavvuri bo’yicha fotoeffektning qizil chegarasining mavjudligini ham tushuntirib bo’lmaydi Shuningdek, fotoelektronlar energiyasining yorug’lik oqimi energiyasiga, maksimal kinetik energiyasining yorug’lik chastotasiga chiziqli proporsionalligini ham bu tasavvur doirasida tushuntirib bo’lmaydi. Shunday qilib, yorug’likning elektromagnit nazariyasi fotoeffekt qonuniyatlarini mutlaqo tushuntira olmas ekan. Bu qiyinchiliklardan chiqish yo’lini 1905 yilda A.Eynshteyn ko’rsatdi. Eynshteyn Plank gipotezasiga asoslanib, fotoeffekt qonuniyatlarini to’laligicha tushuntirib berdi. Buning uchun u shunday xulosaga keldiki, yorug’lik uzlukli (diskret) struktura hisoblanadi. Elektromagnit to’lqin ham nurlanish kabi alohida porsiyalar-kvantlardan iborat. Bu kvantlar keyinchalik fotonlar deb ataldi. Modda bilan foton o’zaro ta’siri vaqtida o’zining barcha energiyasini bitta elektronga beradi. Bu energiyaning bir qismini elektron modda atomlari bilan to’qnashganda sochib yuborishi mumkin. Bundan tashqari, elektron energiyasining bir qismini metall-vakuum chegarasida mavjud bo'lgan potensial to’siqni yengishga sarf qiladi. Buning uchum elektron katod yasalgan modda xossasiga bog’liq bo’lgan chiqish ishini bajarishi lozim bo’ladi. Katoddan uchib chiqqan elektronning eng katta kinetik energiyasi, energiyaning saqlanish konuniga ko’ra
formula bilan aniqlanadi. Bu formula Eynshteynning fotoeffekt uchun yozilgan kvant formulasi hisoblanadi. Eynshteyn formulasi orqali fotoeffekt hodisasida kuzatiladigan barcha qonuniyatlarni tushuntirib berish mumkin. Bu tenglamadan elektronlar maksimal kinetik energiyasini yorug’lik chastotasiga chiziqli boglanishini, lekin yorug’lik intensivligiga bog’lanmaganligini, qizil chegaraning mavjudligini, fotoeffektning inersiyasizligini tushunish oson.
Katod sirtidan 1 sekundda uchib chiqayotgan fotoelektronlarning umumiy soni ana shu sirtga vaqt birligi ichida: tushayotgan fotonlar soniga proporsional bo’lishi lozim. Bundan to’yinishning yorug’lik oqimi intensivligiga to’g’ri proporsional ekanligi kelib chiqadi. Eynshteyn tenglamasidan yoquvchi potensialning v- chastotaga bog’liqligini ifodalovchi to’g’ri chiziq og’ish burchagining tangensi Plank doimiysining elektron zaryadiga nisbatiga teng bo’lishini topamiz:

Bu tenglik Plank doimiysining qiymatini tajribada aniqlash imkoniyatini beradi. Bunday o’lchashlar 1914 yilda o’tkazilgan va Plank tomonidan h ning topilgan qiymatiga mos kelgan. O’lchashlar shuningdek elektronning metalldan chiqish ishi A ni ham aniqlash imkonini bergan:

Y oquvchi potensial U₀ ning tushayotgan yorug’lik chastotasiga bog’liqligi.

Bu yerda fotoeffekt qizil chegarasiga mos keluvchi to’lqin uzuplik. Ko’pgina metallarda chiqish ishi bir necha elektron-Voltlar (1eV = 1,602 10-15 J) ga teng bo’ladi. Kvant fizikasida elektron -Volt energiya o’lchov birligi tariqasida ishlatiladi. Plank doimiysining elektron - Voltlardagi qiymati h = 4,136^ 10-15 eV ga teng bo’ladi. Metallar ichida eng kichik chiqish ishiga ishqoriy metallar ega bo’ladi. Masalan natriy uchun A=1,9eV bo’lib, fotoeffekt qizil chegarasi лкиз« 680 nm ga mos keladi. Shu sababdan ishqoriy metall birikmalaridan fotoelementlar katodlarini yasashda foydalanadilar. Bunday fotoelementlar ko’zga ko’rinuvchi yorug’likni qayd qilishga mo’ljallangan bo’ladi. Shunday qilib, fotoeffekt qonunlari yorug’lik nurlanish va yutilish jarayonlarida fotonlar deb nom olgan zarralar oqimi kabi o’zlarini his etishlarini ko’rsatadi.
Fotonlar energiyasi E =hv bo’lib, vakuumda c- yorug’lik tezligi bilan tarqaladi. Fotonning tinch massasi nolga teng (m0 =0). Energiya, impuls va massa o’rtasidagi:
E² = m0 с ⁴ + p ²c ²
relyativistik bog’lanishdan foton: