Fotoeffekt qonunlarini o’rganish. I. Kerakli asboblar

1- LABORATORIYA ISHI
MAVZU: FOTOEFFEKT QONUNLARINI O’RGANISH.
I. Kerakli asboblar:
1.Selenli fotoelement; 2. Mikroampermetr;
3.Fotometriya qonuniyatlarini o’rrganuvchi asbob;
4.Tok manbai; Voltmetr; 5.Ulagich simlar;
II. Ishning maqsadi:

1. 
   Fotoeffekt xodisasi va uning qonuniyatlarini o’rganish.
   

Ish haqida nazariy ma’lumotlar.
Fotoelektrik effekt hodisasi1887 yilda nemis olimi G.Gers tomonidan kashf qilingan, 1888-1890 yillarda rus olimi A.G.Stoletov tomonidan atroflicha tajribada o’rganilgan. Fotoeffekt o’rganilgan tajriba sxemasi 1-rasmda berilgan. Tajribada ikkita metall elektrodi bo’lgan shisha vakuum ballonidan foydalanilgan.
E lektrodlarga 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. 2-rasmda yorug’lik oqimining intensivligining ikkita qiymatida I=I(U) bog’lanish keltirilgan. Olingan grafiklar 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.

1-rasm. Fotoeffektni o’rganuvchi qurilma sxemasi 2-rasm. Fototokni kuchlanish

U ga bog’liqligi
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 imkonini beradi. 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.
Fotoeffekning A. Eyensheyn tomonidan yaratilgan kvant talimotiga ko’ra,yoruglik kvanti modda atomi bilan to’qnashganda, shu atomdan elektronni urib chiqarishi mumkin. Bunday yo’l bilan chiqarilgan elektron erkin bo’lib qoladi. Bunday elektornlarga fotoelektronlar ham deyiladi.
Yoruglik kvanti ta’sirida atomdan elektronni urib chiqarish xodisasiga fotoelektrik xodisasi deyiladi. Fotoeffekt xodisasi elektr va optik xodisalar o’rtasida o’zaro bog’lanish mavjudligidan kelib chiqadi. Hosil bo’lgan fotoelektronni va shu modda o’rtasida bo’ladigan o’zaro ta’sirga qarab, fotoeffektni quyidagicha turlarga bo’lish mumkin:

1. 
   Yorug’lik kvanti tomonidan urib chiqarilgan fotoelektron modda atomidan ajralsada, shu moddani to’liq tashlab chiqib ketmasa, bunday xodisaga ichki fotoeffekt deyiladi (kristallik fotoelement).
   
2. 
   Agar urib chikarilgan fotoelektron atomidan ajralishi bilan bir vaqtda, shu modda sirtidan to’liq uzilib chiqsa, bunday hodisaga tashqi fotoeffekt deyiladi. (gaz tuldirilgan shisha balonli fotoelementlarda bu hodisa kuzatiladi).
   
3. 
   Agar fotoelektron atomdan ajralsada, ammo shu modda bilan chegaradosh qo’shni moddaga o’tsa, bunday fotoeffekt berkituvchi (ta’qiqlovchi) qatlamli fotoeffekt deyiladi. Bunday fotoeffekt xodisasi qattiq holdagi yarim o’tkazgichlarda, suyuq elektrolit qatlamlarida yuz berishi mumkin.
   

Fotoeffekt hodisasini ifodalaydigan Eynshteyn tenglamasi energiyaning saqlanish qonuniga asoslanadi.
Bu tenglama bevosita modda atomi bilan to’qnashadigan yorug’lik kvanti energiyasi (E=hv) bilan atomdan urib chiqarilgan elektorni chiqish ishi A va shu fotoelektorning olgan kinetik energiyasi orasidagi boglanishni belgilaydi.
Tenglama quyidagi ko’rinishda bo’ladi
(1)
bu yerda
h- Plank doimiysi bo’lib, h=6,210^-34 Js;
ν-tushadigan yoruglik nurining chastotasi;
A-elektronning chikish ishi;
m-elektronning massasi;
V-fotoelektronning olgan maksimal tezligi.
Ko’plab o’tkazilgan tajribalar natijalarini tekshirish asosida fotoeffektning quyidagi qonunlari topilgan. Bu qonunlar yo’qorida keltirilgan fotoeffekt hodisasining Eynshteyn nazariyasi bilan to’liq asoslanadi.
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 qiymati bilan aniqlanadi:
3.Yorug’lik tomonidan 1s vaqt ichida urib chiqarilayotgan fotoelektronlar soni
( fototok ) yorug’lik intensivligiga to’g’ri proporsional bo’ladi.
4.Fotoeffekt amalda insrsiyaga ega emas, ya’ni fotoelementga yorug’lik tushishi bilan ( Fotoelement katodini yorug’lik bilan yoritilgan choqdan (yoruglik chastotasi sharti bajarilsa)) fototok hosil bo’ladi

Fotoeffekt qonuniga ko’ra hosil bo’ladigan fototokning qiymati fotoelementga tushayotgan yorug’lik intensivligiga ya’ni vaqt biligida tushayotgan yorug’lik energiyasiga to’g’ri proportsional bo’lishi kerak. Optika kursidan ma’lumki yoritilayotgan sirtga ( fotoelement sirti ) tushayotgan yorug’lik oqimi:
; ( 2 )
Bu yerda Ф – fotoelement sirtiga tushayotgan yorug’lik oqimi:
W- fotoelement yuzasiga tushayotgan yorug’lik energiyasi
t- yurug’likni tushish vaqti
Nuqtaviy yorug'lik manbai yoritayotgan sirtining yorititganligi E manbaning yorug'lik kuchi I ga va manbadan sirtigacha bo'lgan masofa r ra bog'liq bo'ladi. Agar nuqtaviy yorug'lik manbai sferaning markazida bo'lsa, bu sferaning S=4r² yuziga teng bo'lgan ichki sirtining yoritilganligi E quyidagiga teng:
( 3)
Bu munosabat yoritilganlikning birinchi qonuning matematik ifodasi bo'lib, u quyidagicha ta'riflanadi. Yoritilganlik- manbaning yorug'lik kuchi I ga to'g'ri proporsional va manbadan yoritilayotgan sirtgacha bo'lgan masofaning kvadrati (r² ) ga teskari proporsional bo'ladi.
Agar sirtga parallel nurlar ( α ) burchak ostidan tushayotgan bo'lsa, sirtning yoritilganligi ( E ) nurlari perpendikulyar joylashgan sirtning yoritilganligi E₀ bilan quyidagi bog’lanishga ega
E=E₀ cos α ( 4 )
bu munosabat yoritilganlikni ikkinchi qonunning matematik ifodasi bo'lib, u quyidagicha ta’riflanadi: Parallel nurlar bilan yoritilgan sirtning yoritilganligi shu sirtga tushayotgan nurning tushish burchagi kosinusiga proporsional bo'ladi.
Nuqtaviy yorug’lik manbai uchun (4) formuladagi E₀ ni uning (3) dagi qiymati bilan almashtirilsa, quyidagi formula kelib chiqadi:
E=I/r² cos α (5)
ya'ni yorug’lik tushayotgan sirtning yoritilganligi yorug'likni tushish burchagi kosinusiga proporsionaldir.
Demak fotoelementda hosil bo’layotgan fototokning kattaligi fotoelementga tushayotgan yorug’lik intensivligiga bog’likligini fotoelement yuzasini yoritilganlik darajasi bilan belgilash mumkin ekan. Shu bilan birga fotoelement sirtining yoritilganligi yorug’lik manbaidan yoritilayotgan sirtgacha bo’lgan masofaning kvadratiga teskari proportsional ekanligi ( 3 ) formulada aniqlangan. Fotoelement sirtining yoritilganligi yoritilayotgan sirtga tik tushgan nurlar yoritilganligi E₀- ga nisbatan yorug’likni sirtga tushish burchagi α- ga bog’likligi
( 4 ) formulada keltirilgan. Ushbu laboratoriya ishida fotoeffek hodisasida paydi bo’ladigan fototokning qiymatini fotoelement yuzasiga tushayotgan yorug’lik intensivliga bog’liqlik qonuni 1- usulda ya’ni foydalanilayotgan yorug’lik manbai bilan fotoelement sirti orasidagi ( r ) masofa va fototok ( i ) orasodagi bog’lanish bilan aniqlanadi.
2- usulda esa fototok va yorug’lik intensivligi orasidagi bog’lanish fotoelement sirtiga tik tushayotgan nur yoritilganligi ( E₀ )- hosil qiladigan fototokni qiymati
( i₀ ) ga nisbatan, sirtga α- burchak ostida tushayotgan nurlar yoritilganligi E hosil qiladigan fototokni qiymatlari ( i ) ni solishtirish yo’li bilan amalga oshiriladi.