Fotoeffekt hodisasi. Fotonlar energiyasi va impulsi

13.2 FOTOEFFEKT NAZARIYASI
Fotoeffektning faqat birinchi qonuni tulqin nazariya asosida tushintirish mumkin lekin tulqin nazariya ikkinchi va uchinchi qonunlarni tushuntirishga ojizlik qiladi
Haqiqatdan tulqin nazariyaga asosan fotakatotga tushayotgan ixtiyoriy tulqin uzinlikka ega bulgan yorug’likning intensevligi ortgan sari ajralib chiqayotgan fotoelktronlarning enrgyalari xam ortishi lozim edi. Vaxoalangki tajribalarning kursatishicha fotoelektronlarning energiyasi yorug’lik intensivligiga mutlaqo bog’liq emas.
Ikkinchidan, tulqin nazariyaga asosan electron metaldan ajralib chiqishi uchun energyani xarqanday yorug’likdan olishi mumkin, yani yorug’lik tulqin uzunligining axamiyati yuq. Faqat yorug’lik intensivligi yetarlicha katta bulishi lozim. Vaxolangki tulqin uzinligi «qizil chegaradan » katta bo’lgan yorug’lik intensivligi xar qancha katta bulsaxam foto effekt xodisasi ruy bermaydi aksincha tulqin uzinligi «qizil chegaradan » kichik bo’lgan yorug’lik (masalan ultara binafsha nurlar) intensivligi nixoyat zaif bulsa xam fotoeffekt kuzatialdi bundan tashqari nixoyat zaif intensivligdagi yorug’lik tushayotgan taqdirda tulqin nazriyaga asosan yorug’lik tulqinlar tashib kelgan energyalar evaziga metalldagi elektron malum miqdordagi enirgyani jamg’arib olishi kerak. Bu energiya elektronning metaldan chiqishi (yani chiqish ishi A_ch) uchun yetarli bulgan xolda fotoeffekt sodir bulishi kerak. Xisoblarning kursatishicha intensuvligi juda kam bo’lgan yorug’likdan A_ch ga yetarli energiyani electron jamg’arib olishi uchun soatlab ba’zan xattoki sutkalab vaqt utishi lozim ekan. Tajribalarda esa maetalga yorug’likning tushushi va foto elektronlarning vujudga kelishi orasida 10^-9 c lar chamasi vaqt utadi xolos.
13.3 YORUG’LIKNING TO’LQIN NAZARIYASI, FOTOELEKTRIK EFFEKT
1905 yilda Eynshteyn tomonidan maxsus nisbiylik nazariyasi ishlab chiqildi, Eynshteyn o’z g’oyalarini kvant gepotezasi bilan umumlashtirib yorug’lik nazariyasini yangi talqinini ishlab chiqdi. Plank gepotezasi tebranuvchi atom energiyasi hisobidan jism o’zidan kvantlangan energiya nurlaydi. Molekulyar tebranish energiyasi bo’lib o’zidan yoruglik chiqarsa energiyasi kamayib boshqa kvant holatga o’tadi. Energiyaning saqlanish qonuniga asosan nurlangan yoruglik kvanti energiyasi¹
(13.3)
Barcha yorug’lik radiatsion manbalardan kelib chiqadi, bu g’oyaga ko’ra yorug’lik zarrachalar oqimi yoki fotonlar deb ataladi, to’lqin shartini bajarsa Maksvell elektrodinamikasi orqali tushintirish mumkin. Yorug’likning foton nazariyasida klassik g’oyalardan keskin voz kechildi. Eynshteyn yorug’lik kvant nazariyasiga fotoelektrik effekt ustida olib borgan o’lchashlarni taklif etdi. Qaysiki, metal sirtiga tushgan yorug’lik metal tarkibidan elektronlarni urib chiqaradi, bu hodisa fotoelektrik effekt deb ataladi. 13.5-rasmda bu tajriba qurilmasini ko’rish mumkin. Metal qoplama P va undan kichikroq metal qoplama C shisha trubkaga joylashgan bo’lib uni fotoelement deb ataladi. Elektrodlar rasmda ko’rsatilganidek ampermetr orqali EYuK ga ulangan. Agar qorong’u bo’lsa ampermetr nolni ko’rsatadi, ammo metal qoplama P ga yetarli chastotadagi yorug’lik tushirilsa zanjir orqali tok o’tayotganligini ko’rish mumkin. Yorug’lik ta’sirida elektronlar uchib chiqib C qoplamaga kelib tushadi va zanjirdan tok o’ta boshlaydi. Yorug’lik ta’sirida elektronlarning metal sirtidan uchib chiqishini yorug’lik elektromagnit to’lqin nazariyasi orqali tushintirish mumkin. Elektr maydon kuchi ta’sirida elektronlar metal sirtidan urib chiqariladi. Eynshteynning ta’kidlashicha yoruglik to’lqin nazariyasi ham foton nazariyasi ham fotoelektrik effekt turli metallar uchun turlicha bo’lar ekan. Misol uchun 13.6-rasmda bir modda uchun urib chiqarilgan elektronlarning maksimal kinetik energiyasi ni hisoblash mumkin. Elektrodlarga ulangan EYuK ni yunalishini o’zgartirib o’lchash ishlarini olib borish mumkin, bu yerda P-manfiy, C-musbat elektrodlar. EYuK ning manfiy qutbini P elektrodga, musbat qutbini esa C elektrodga ulansa tez elektronlar ta’sirida kuchlanish kam bo’lsa ham zanjirdan tok o’ta boshlaydi. Aksincha ulansa zanjirdagi tok nolga teng bo’ladi, ya’ni elektronlar yetarli kinetik energiyagi erishmaydi. Bu to’xtatuvchi potensial, tormozlovchi kuchlanish deyiladi¹.
(13.4)
Endi Eynshteynning foton nazariyasidan to’lqin nazariyasiga o’tamiz va shu orqali o’rganamiz.
Yorug’likni to’lqin nazariyasida monoxromatik yorug’likni olamiz. Yorug’lik to’lqini uchun ikkita asosiy tushuncha chastota va intensivlikni qabul qilamiz. Bu ikkala kattalikning o’zgarishi quyidagi natijani beradi:

1. 
   Agar yoruglik intensivligi katta bo’lsa, urib chiqarilgan elektronlar soni ortadi va maksimal kinetik energiyasi ham oshadi, agar elektr maydon ortsa elektronlar soni ortadi hamda ularning maksimal tezligi oshadi.
   
2. 
   Yoruglik chastotasi elektronlar maksimal kinetik energiyasiga ta’sir etmaydi.
   

Yorug’lik foton nazariyasida umuman boshqacha talqin qilinadi. Fotonlar intensivligi ortsa fotonlar soni ortadi, fotonlar soni ortsa har bir foton energiyasi va chastotasi o’zgarmay qoladi. chiqish ishi deyiladi. Agar bo’lsa elektronlar metal sirtidan uchib chiqadi va kinetik energiya oladi.
(13.7)
Bu formula fotoelektrik effekt uchun Eynshteyn formulasi deyiladi.

1. 
   Agar yorug’lik intensivligi ortsa urib chiqarilgan elektronlar soni ortadi, bunda har bir foton energiyasi o’zgarmaydi, demak har bir elektron maksimal kinetik energiyasi ham ozgarmaydi.
   
2. 
   Agar yorug’lik chastotasi ortsa elektronlarning maksimal kinetik energiyasi chiziqli ortadi (13.6 rasm).
   
3. 
   Yorug’lk intensivligi qancha katta bo’lmasin chastotasi kam bo’lsa birorta ham elektron uchub chiqmaydi.
   

Bu fikrlardan qaysidir yorug’lik foton nazariyasi boshqasi to’lqin nazariyaga asoslanadi. 1913-1914 yillarda Millikin bir necha tajribalar o’tkazdi. Natija esa to’laligicha Eynshteynning foton nazariyasini tasdiqladi. Boshqa o’tkazilgan tajribalar ham yorug’likni foton nazariyasini tasdiqlaydi. Agar yorug’lik intensivligi yetarlichi kichik bo’lsa kechikish sodir bo’ladi, elektron yetarlicha energiya yutgandan sung chiqish ishini bajarib elektron emissiya kuzatiladi. Fotonning chastotasi yetarlicha katta bo’lsa hech qanday kechikish bo’lmaydi, bu Eynshteyn foton nazariyasi orqali to’liq tasdiqlanadi.