Atom fizikasi

FOTOEFFEKT QONUNLARINI O’RGANISH

Yorug’lik nuri ta’sirida jismlardan elektronlarning urib chiqarilishi hodisasiga fotoelektrik effekt yoki qisqa fotoeffekt hodisasi deb ataladi. Bu hodisani 1887 yilda G.Gerts gazlarda razryad hodisasini o’rganish paytida kuzatgan. Fotoeffekt hodisasini o’rganishda qo’llanadigan tajriba qurilmasining printsipal 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 bog’lanish 2-rasmda ko’rsatilgan egri chiziq bilan xarkterlanadi. Bu bog’lanishga fotoelementning volьt-amper xarakteristkasi deyiladi.

2-rasm
Kuchlanish U bo’lganda ham fototokning mavjud bo’lishi katoddan chiqayotgan elektronlarning ma’lum tezlikka ega bo’lishi bilan tushuntiriladi. B nuqtadan 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 kelishi 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 proportsional o’zgaradi.
Lenard va boshqa olimlar o’tkazgan qator tajribalar natijasida fotoelektronlarning kinetik energiyasi tushayotgan yorug’lik nurining intensivligiga bog’liq bo’lmasdan, u faqat yorug’lik chastotasiga bog’liqligi aniqlandi. SHunday qilib, fotoelektronlarning kinetik energiyasi yorug’lik chastotasiga proportsional ravishda o’zgarar ekan. Bu holatni yorug’likning korpuskulyar tabiati asosida, ya’ni yorug’lik fotonlar oqimidan iborat degan nuqtai-nazar asosida tushuntirish mumkin Tushayotgan yorug’lik fotoni metall yoki atom tarkibida bog’langan elektronga o’z energiyasini butunlay beradi va elektron atom yoki metalldan uzilib, tashqariga ma’lum 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:
(1)
Bu yerda A-ko’rilayotgan metall uchun xarakterli bo’lgan chiqish ishi, m_e-elektronning massasi, hv-foton energiyasi. Bu formulani birinchi marta Eynshteyn olgan va shuning uchun bu formula Eynshteyn nomi bilan yuritiladi.
Eynshteyn formulasidan tajribada tasdiqlanuvchi quyidagi ikkita hulosa kelib chiqadi:
1.Fotoelektrik effekt natijasida urib chiqarilgan elektronlarning maksimal kinetik energiyasi yorug’likning chastotasiga chiziqli bog’langan bo’lib, uning intensivligiga bog’liq emas. Shunisi qiziqki, (1) formulani harakterlovchi to’g’ri chizig’ning chastota o’qiga nisbatan og’ish burchagining tangensi Plank doimiysini beradi. Bu usul bilan Plank doimiysini o’lchash mumkin.
2.Fotoeffektning shunday v₀ kichik chastotali chegarasi mavjudki, undan kichik chastotalarda fotoeffekt kuzatilmaydi.
Haqiqatan ham, (1) formuladagi A ni hv₀ ga teng deb olsak,
(2)
bo’ladi.
vv₀ da bu tenglamaning o’ng tomoni manfiy bo’ladi. Lekin bunday bo’lishi mumkin emas, chunki fotoelektronning kinetik energiyasi bo’lishi kerak. Demak, ₀ da fotoeffekt hodisasi yuz bermaydi. ₀ esa fotoeffekt hodisasining past chastotali chegarasiga mos keladi. SHunday qilib, yorug’lik fotonining energiyasi h₀ minimal energiyadan katta bo’lgandagina fotoeffekt hodisasi ro’y berar ekan. Bu eneriyaga mos keluvchi yorug’lik to’lqin uzunligining qiymati -₀- fotoeffektning qizil chegarasi deb ataladi.
Biz yuqorida ko’rib chiqqan metallarda yuz beradigan fotoeffekt hodisasi tashqi fottoeffekt deb ataladi. Bundan tashqari, ichki fotoeffekt deb ataluvchi fotoeffekt hodisasi ham mavjud bo’lib ichki fotoeffekt yarim o’tkazgich va dielektriklarda sodir bo’ladi. Bunda yorug’lik ta’sirida elektronlarning bir qismi valent zonasidan o’tkazuvchanlik zonasiga o’tadi. Natijada yarimo’tkazgich yoki dielektrik ichida zaryad tashuvchi elektronlar kontsentratsiyasi ortadi va fotoo’tkazuvchanlik hosil bo’ladi, ya’ni yorug’lik ta’sirida elektr o’tkazuvchanligi ortadi.
Fotoeffekt hodisasining yuz berish ehtimolligi elektronning atomdagi bog’lanish energiyasiga qarab o’zgaradi. Elektronning atomdagi bog’lanish energiyasi qancha katta bo’lsa, fotoeffektning yuz berish zhtimolligini xarakterlovchi fotoeffektning effektiv kesimi _ shuncha katta bo’ladi. SHuning uchun ham atomning turli qobiqlarida joylashgan elektronlarda fotoeffektning yuz berish ehtimolligi har xil bo’ladi. Buning natijasida fotoeffekt effektiv kesimining foton energiyasi (E_ ) ga bog’lanishini ko’rsatuvchi egri chiziqda keskin o’zgarishlar kuzatiladi (3-rasm). Rasmdagi J_k, J_l, J_m lar K, L va M qobiqdagi elektronlarning bog’lanish energiyasi (ionizatsiya potentsiali). Ye_  J_k da _f Z E_^72 bo’ladi, ya’ni fotoeffekt kesimi muhit atomlarining tartib nomeri –Z ga kuchli bog’liq va foton energiyasining Ye_^72 qiymatiga teskari proportsional o’zgaradi. Ye_ J_k bo’lganda K

3-rasm.
qobiqdagi elektronlar foton ta’sirida urib chiqarilmaydi va fotoeffekt L,M va boshqa qobiqda joylashgan elektronlarda yuz berishi mumkin. SHu kabi Ye_l bo’lganda fotoeffekt jarayonida K va L qobiqlardagi elektronlar qatnashmaydi va h.k. Turli atomlarning har xil qobiqlarida joylashgan elektronlar uchun fotoeffekt kesimning foton energiyasiga bog’lanishini ko’rsatuvchi formulalar kvant-mexanik hisoblashlar asosida keltirib chiqarilgan. Masalan, Ye_ kichik bo’lgan hol uchun
(3)
va Ye_>>m_ec², ya’ni foton energiyasi elektronning tinchlikdagi energiyasiga mos keluvchi m_ec²0,511MeV energiyadan ancha katta bo’lganda
(4)
kabi ifodalanadi.
Bu yerda _f^k-K qobiqdagi elektronlarda sodir bo’luvchi fotoeffektning effektiv kesimi. Ye_ (3) formulada eV larda, (4) formulada esa MeV larda olingan.