Маъруза машғулотлари модул № мавзу: амалий оптика фанининг ўрни ва аҳамияти

Оптик пирометрия.
Иссиқлик нурланиши қонунлари, асосан қиздирилган ва ўз-ўзидан ёруғлик чиқарадиган (юлдузлар) жисмларнинг температураларини аниқлашда қўлланилади. Жисмлар ёритилганлиги спектрал зичлигининг температурага боғлиқлигини қўллаган ҳолда жисм температурасини аниқлаш усулига оптик пирометрия дейилади.
Ёруғлик спектрларининг оптик диапазонида иссиқлик нурланишининг интенсивлигига қараб иситилган жисм температурасини ўлчаш учун қаратилган асбоблар пирометрлар деб номланади.
Ташқи фотоэффект. Фотонлар. Планкнинг квантлар ғоясига биноан жисмларнинг нурланиш энергиясини ютиш ва чиқариш жараёни узлукли равишда юз беради. Бу ғояни мумтоз механика ва мумтоз статистика еча олмаган иссиқлик нурланиши муаммосини ҳал қилиб жисмлар иссиқлик нурланишининг тугал назариясини яратишга олиб келди. Шу вақтгача физикавий катталиклар фақат узлуксиз ўзгарувчи катталиклар бўлиб, ҳисобланар эди. Узлуксиз катталиклар ўрнига узлуккли, дискрет ўзгарувчи катталиклар киритилиши фан тарихида инкилобий қадам бўлди.
Аммо Планк ғояси ёруғликнинг классик электродинамик назариясини тамомила янги асосга кўчириш зарурлигини кўрсатади. Планк ғоясига биноан нурланиш энергиясининг жисмларда ютилиш ва чиқарилиш жараёни янги асосда тушунтирилса ҳам, лекин нурланишнинг тарқалиш жараёнлари ҳали ҳам мумтоз назария қонунларига бўйсунганича қолган эди. Планк ғояси нурланишининг, яъни ёруғликнинг табиати ҳақида ҳеч қандай маълумот бермади.
1905 йили А. Эйнштейн ўзининг учта ишини эълон қилди: шулардан бири ташки фотосамарага оид эди. Бу ишида Эйнштейн Планкнинг нурланиш квантлари ғоясини янада олға суриб, квант хусусияти умуман ёруғликка тегишли хусусиятдир, деб ҳисоблашни таклиф этди. Эйнштейннинг ёруғлик квантлари ҳақидаги ғоясига биноан ёруғлик hυ энергияга эга ва ёруғлик тезлигида ҳаракат қилувчи квантлардан–фотонлардан иборатдир ва у фотонлар тарзида нурланади, тарқалади, ютилади, яъни у фотонлар кўринишида мавжуддир.
Фотонлар ғояси–Планкнинг инқилобий квантлар ғоясининг маҳсули эди. У квантлар проблемасини ёруғликнинг порцияларидан, улушларидан иборатлигини бевосита исботлаш билан ечишни талаб қилар эди.
XX–аср бошларида ёруғликнинг классик тўлқин назарияси асосида тушунтириб бўлмаган бир қатор тажрибалари мавжуд эди. Фотонлар ғоясининг тўғрилиги шу тажрибаларни тушунтириш билан исботланди. Бунинг учун Эйнштейн корпускуляр хусусиятни характерловчи механик энергияга ёруғлик энергияси тўғридан–тўғри айланишини амалга оширадиган фотосамара тажриба натижаларини исботлади.
Фотосамара ва унинг қонунлари
Фотосамара ёруғлик таъсирида жисмдан электронларнинг ажралиб чиқишидир. Бу ҳодиса 1887 йили Г. Герц томонидан кузатилди. Фотосамара ҳодисаси бўйича миқдорий текширишлар А. Г. Столетов томонидан амалга оширилди. А. Г. Столетов (1888) тажрибани расмда келтирилган қурилма ёрдамида олиб борди.
Икки металл электроддан бири пластинка шаклида, иккинчиси эса тўрсимон шаклда ясалган бўлиб, гальванометр занжирига уланган. Қурилма қоронгиликка жойлаштирилганда занжир буйлаб электр токи кузатилмайди. Аммо катод вазифасини ўтаётган пластинкани ёритилиши биланоқ занжирда ток пайдо бўлади. Анод вазифасини ўтаётган пластинка ёритилса, занжирда электр токи вужудга келмайди. Демак, ёруғлик таъсирида катод сиртидан манфий зарядли зарралар чиқади ва улар анод томон ҳаракатланиб, занжирда электр токини ҳосил қилади. Бу ток фототок деб аталади.
Ё руғлик таъсирида жисмдан электроннинг ажралиб чиқишига фотосамара деб аталади. Фотосамара бўйича миқдорий текширишларни рус физиги А.Г. Столетов бажарди. Столетов тажрибасининг қурилмаси схемаси 1-расмда тасвирланган.
Ф. Леонард ва Томсон 1898–йили катоддан ажралиб чиқаётган зарраларнинг магнит майдонда оғишига асосланиб, уларнинг солиштирма зарядини 7.1-чизма. Столетов тажрибаси.
аниқладилар. Бундан эса катоддан ажралаётган зарралар электронлар деган фикр туғилди.
Фотосамара ходисаси пластинканинг фақат кимёвий таркибигагина эмас, балки пластинка сиртининг тозалик даражасига ҳам боғлиқ эканлиги тажрибада аниқланди.
Фотосамара ҳодисасини тажрибада текшириш учун 1–расмда келтирилган қурилмадан фойдаланилади. Ҳавоси сўриб олинган шиша идиш ичидаги катод текширилиши лозим бўлган металл билан қопланган. Одатда уни фотокатод деб атайдилар. Монохроматик нурлар дастаси шиша идишдаги деразадан ўтиб катод сиртига тушади. Схемадаги потенциометр электродлар орасидаги кучланишнинг қийматларини, ҳамда ишорасини ўзгартиришга имкон беради. Кучланиш вольтметр ёрдамида, фототок эса гальвонометр ёрдамида ўлчанади. Ёруғлик оқими Ф₁ ва Ф₂ бўлган ҳоллар учун фотокатоднинг анод ва катод орасидаги боғланишга боғлиқлигини ифодаловчи эгри чизиқлар, яъни вольт–ампер характеристикалари 2-расмда келтирилган.
Расмда тасвирланишича, электр майдон тезланувчи ҳарактерга ( К да - , А да + ) эга бўлганда фототокнинг қиймати кучланишга боғлиқ равишда ортиб боради. Кучланишнинг бирор қийматидан бошлаб фототок ўзгармай қолади, яъни тўйинади. Ёки, фотоэлектронларнинг барчаси, анодга етиб боради. Фототокнинг бу қиймати тўйиниш токи деб аталади. Лекин фотокатодга тушаётган ёруғлик оқими ўзгартирилмаса, тўйиниш токининг қиймати ҳам ўзгармайди. Бу тажриба натижалари фотоэффектнинг биринчи қонунини келтириб чиқаради:
I–Қонун. Муайян фотокатодга тушаётган ёруғликнинг спектрал таркиби ўзгармас бўлса, фототокнинг тўйиниш қиймати ёруғлик оқимига тўғри пропорционалдир.
Анод ва катод орасидаги кучланиш нолга тенг бўлган ҳолда ҳам фототок мавжуд бўлади. Ҳаттоки, U < 0 бўлган (К да +, А да -) ҳолларда ҳам фототок кузатилади. Бундай ҳолларда К дан А га томон ҳаракатланаётган фотоэлектронлар майдон кучларига қарши иш бажарилади. Бу иш фотоэлектронларнинг кинетик энергияси ҳисобига бажарилади. Агар электр майдон етарлича кучли бўлса, фотоэлектронлар анодга етиб бормасдан ўз энергиясини сарфлаб йўқолади. Натижада занжирдаги ток тўхтаб қолади. Бу холга мос келувчи тормозловчи кучланишнинг қиймати U_тўхт ни тўхтатувчи кучланиш ёки тўхтатувчи потенциал деб аталади. Тажриба натижасига кўра, тормозловчи майдон кучайтирилгани сари фототок секин камайиб боради ва U = U_тўхт да I=0 бўлиб қолади. Демак, фотокатоддан ажралиб чиқаётган фотоэлектронларнинг тезликлари турлича. U= U_тўхт, бўлганда, ҳатто, энг катта тезликка эга бўлган фотоэлектронларнинг кинетик энергияси ҳам тормозловчи майдон қаршилигини енга олмайди. Бу чегаравий ҳолдан фойдаланиб қуйидаги муносабатни ёзиш мумкин:
( 1 )
бу ерда e ва m мос равишда электроннинг заряди ва массаси, V_макс фотоэлектрон тезлигининг максимал қиймати. ( 1 )–ифодадан U_тўхт нинг тажрибада олинган қийматларига мос келувчи V_маск ларини топиш мумкин. Тўлқин узунликлари турлича бўлган монохроматмк ёруғликлар билан олиб борилган тажриба натижаларини муҳокама қилиш туфайли фотосамаранинг иккинчи қонуни юзага келди:
II–Қонун. Муайян фотокатоддан ажралиб чиқаётган фотоэлектронлар бошланғич тезликларининг максимал қиймати ёруғлик интенсивлигига боғлиқ эмас. Ёруғликнинг тўлқин узунлиги ўзгарса, фотоэлектронларнинг максимал тезликлари ҳам ўзгаради.
III–Қонун. Ҳар бир фотокатод учун бирор «Қизил чегара» мавжуд бўлиб, ундан каттароқ тўлқин узунликли ёруғлик таъсиридан фотосамара вужудга келмайди. λ нинг қиймати ёруғлик интенсивлигига мутлақо боғлиқ эмас, у фақат фотокатод материалининг кимёвий табиатига ва сиртининг ҳолатига боғлиқ.
IV–Қонун. Ёруғликнинг фотокатодга тушиши билан фотоэлектронларнинг ҳосил бўлиши орасида сезиларли вақт ўтмайди.
Эйнштейн формуласи. Электронларнинг металдан чиқиш иши.
Ёруғликнинг тўлқин назарияси ва фотосамара ходисаси ўртасида маълум мос келмасликлар мавжуд. Шунинг учун ёруғликни узлуксиз электромагнит тўлқин жараёни деб тасаввур қилиш ёруғлик табиатини тўла акс эттира олмайди. Бу фикр 1905 йилда А. Эйнштейн ёруғлик квант назариясини яратишга олиб келди. Эйнштейн Планк гипотезасини ривожлантириб навбатдаги ғояни илгари сурди. Ёруғлик квантлар тариқасида нурланибгина қолмай, балки ёруғлик энергиясининг тарқалиши ҳам, ютилиши ҳам квантлашган бўлади.
Эйнштейн фотосамарага энергиянинг сақланиш қонунини қуллади. Фотон билан электроннинг таъсирлашувчи жараёнида фотоннинг hν энергияси электронга ўтади. Яъни, таъсирлашувга қадар ёруғлик кванти тарзида намоён бўлаетган энергия таъсирлашувидан сўнг электроннинг энергиясига айланади. Агар бу энергия етарлича катта (hν >A_ч ) бўлса, металлдан электрон ажралиб чиқади. Энергиянинг қолган қисми эса металлдан ташқарига чиқиб олган электроннинг максимал кинетик энергияси сифатида намоен бўлади. Шунинг учун қуйидаги тенглама ўринли:
(3)
(3)–ифодага ташқи фотосамара учун Эйнштейн тенгламаси дейилади. Фотоэлектронлар моддадан ташқарига ажралиб чиқса, бунга ташқи фотосамара дейилади. Агар электрон моддадан ташқарига чиқмасдан, унинг ичида қолса бунга ички фотосамара дейилади.
электроннинг металлдан чиқиш иши қуйидаги қийматга тенг яъни:
( 4 )
Бу тенглик фотосамаранинг «Кизил чегараси»ни аниқлайди. Фотосамаранинг квант назариясининг ютуғи шундан иборатки, у ёруғликнинг квант табиатини батафсил тушунтириб берди.