Fotoeffekt hodisasi. Fotonlar energiyasi va impulsi

13.5 FOTON VA UNING HARAKTERISTIKALARI
Issiqlik nurlanish, fotoeffekt hodisalarini yorug’likning “elementar zarrasi” – foton to’g’risidagi tassavur asosida tushuntiriladi. Bayon etilgan hulosalar ustida mulohazalar yututilganda yorug’lik energiya ”ya’ni elektromagnit energiya” ana shu fotonlarda mujassamlangan, degamn fikr asos qilib olindi. Foton energiyasi va tebranish chastotasi orasidagi bog’lanish  munosabat bilan aniqlanadi. Energiya va massaning ekvivalentlik qonuni W=mc² dan foydalansak, fotonning massasi :
(13.12)
ga teng bo’ladi. Ikkinchi tomondan , har qanday zarraning massasi uning tezligi bilan nisbiylik nazariyasi keltirib chiqargan :
(13.13)
munosabat orqali bog’langan. Bu ifodadan ko’rinib turibdiki zarra harakatlanmayotgan (υ =0) xolda uning massasi m₀ ga teng. Odattada ana shu tinchlikdagi massa tajribalarda o’lchanadi. Chunki aksariyat hollarda υ << c . zamonaviy fizika katta tezlikla bilan harakatlanayotga zarra uchun (13.13) munosabat to’g’riligini isbotlaydi. U holda yorug’lik fotoni uchun (13.13) ni qanday tushinish lozim.
(13.14)
Yorug’lik uchun υ=c*m_f ning qiymati esa chekli kattalik. Shuning uchun (13.14) ifoda asosida fotonning tinchlikdagi massasi m₀ ning qiymati 0 ga teng bo’lishi kerak degan hulosaga kelinadi.boshqacha qilib aytganda , yorug’lik foton “to’xtab qolsa” uning barcha hususiyatlari ham yo’qoladi: massasi ham , energiyasi ham nolga teng boladi. Umuman fotonning “to’xtashi” deganda uni biror jsim tomonida yutulishi nazarda tutiladi. To’xtash jarayonida fotoning energiyasi (va unga ekvivalent bo’lgan massa) yutuvchi jismga o’tadi Natijada yutuvchi jism energiyasi ham massasi ham ortadi.
Demak , yorug’lik fotonining boshqa zarralar (masalan, electron, atom, molekula, va hakozo) dan farqlanuvchi mahsus hususiyati shundan iboratki , foton foton tinchlikda massaga ega bo’lmaydi. Foton faqat harakatlanish jarayonida massaga va energiyaga ega bo’ladi, va uning tezligi yorug’lik tezligi (c) ga teng.
Har qanday harakatlanuvchi zarra kabi foton ham impulsga ega:
(13.15)
Shunday qilib barcha zarralar kabi foton ham energiya W=hv , massa m_f= , impulsga p_f= bilan harakterlanadi. Fotonlar mavjudligi bir qator tajribalarda tasdiqlandi. Shu tajribalarning ba’zilari bilan tanishaylik. A.F Ioffe va N.I Dobronravov lar amalga oshirgan tajribada (1992 yil) zaryadlangan vismut zarrasi (Bi) yassi kondensator qoplamalari orasida “muallaq” vaziyatda turdi. (13.8-rasm), ya’ni zarraning og’irlik kuchi zarraga teskari yo’nalishda ta’sir etuvchi elektr kuchi bilan muvozanatlashgan. Tajribada kondensator qoplamalari orasidan biri roentgen trubkasining anodi (soddalashtirish maqsadida roentgen trubkasi rasmda tasvirlangan) vazifasini bajaradi. Nihoyat kichik intensivlikdagi elektronlar oqimi A anodga kelib urilgach, unda tormozlanadi. Natijada A dan bir sekundda 1000 ga yaqin roentgen impuslari chiqariladi. Bu roentgen nurlari tasirida zarra 30 minutlar chamasida bir martta titrab muvozanatdan chiqqan. Hisoblarning ko’rsatishicha , shunday vaqt ichida zarra yo’nalishida bitta roentgen kvanti nurlanar ekan. Bu kvant zarra bilan to’qnashgach fotoeffekt hodisasi ro’y berar ekan. Natijada zaryad o’zgargan (ajralib chiqqan electron hisobiga )zarra muvozanat holatidan chiqadi. Tajribani ana shunday tushuntirish mumkin va u roentgen nurlarining jism bilan tasirlashuvi kvant harakteriga ega ekanligini tasdiqlaydi. Agar rentgen nurlari sifatida tarqaladi deb tassavur qilsak , zarradan elektronning ajralib chiqishi uchun lozim bo’ladigan energiya A_ch ning qiymatiga teng bo’ladi. Tajribalarda qo’llanilgan roentgen nurlarining intensivligi nihoyatda kichik bo’lganligi uchun , hisoblarning ko’rsatishicha , bunday energiya har qancha vaqt o’tsa ham yigilmas ekan .
S.I Vavilonning fikrigta ko’ra yorug’lik oqimi ayrim fotonlarning yig’indisidan iborat bo’lsa, statistic fizika qonunlariga asosan fotonlarning fluktuatsiyasi (fluktuatsiya – fizik kattalikning o’rtacha qiymatidanm tasodifiy chetga chiqishlari) kuzatilishi lozim. 1933-1942 yillari mobaynida o’tkazilgan kuzatishlarda bu fikir tasdiqlandi. Natijada yorug’likning foton tabiatini isbotlovchi yana bir dalilga erishildi