Oliy va o’rta maxsus ta’lim vazirligi farg’ona davlat universiteti “fizika-texnika” fakulteti “fizika” kafedrasi

II Bob.Elektromagnit nurlanishlarning korpuskulyar xususiyatlar.
Elektromagnit nurlanish - harakatlanuvchi zaryadlangan zarralar chiqaradigan energiya shakli. Bu elektromagnit to'lqinlarning tarqalishining natijasidir, ularning kelib chiqish manbasidan uzoqlashib, fotonlar oqimi kabi.

Elektromagnit nurlanish spektrining tasnifi Barcha elektromagnit nurlanish uni tashkil etuvchi to'lqinlarning xususiyatlariga qarab tasniflanadigan elektromagnit spektrni tashkil qiladi

Radio to'lqinlari - bu elektromagnit spektrdagi to'lqin uzunliklari infraqizil nuridan uzunroq bo'lgan elektromagnit nurlanish turi. Uning chastotalari 300 gigagerts (gigagerts) dan 3 kiloherts (kHz), to'lqin uzunligi 1 mm dan 100 km gacha va yorug'lik tezligida harakatlanadi.
Nonvoyxonalarda ovqatni isitish uchun ishlatiladigan mikroto'lqinlar 2,45 gigagertsli to'lqinlar bo'lib, ular elektronlarning tezlashishi natijasida hosil bo'ladi. Ushbu mikroto'lqinlar pechda elektr maydonini keltirib chiqaradi, u erda suv molekulalari va oziq-ovqatning boshqa tarkibiy qismlari o'zlarini elektr maydoniga yo'naltirishga, energiyani yutib, uning haroratini oshirishga harakat qilishadi.
Quyosh mikroto'lqinli radiatsiya chiqaradi, uni Yer atmosferasi to'sib qo'yadi. Kosmik mikroto'lqinli fon radiatsiyasi (CMBR, ingliz tilidagi qisqartmasi uchun Kosmik Mikroto'lqinli Fon Radiaton) - bu koinot bo'ylab tarqaladigan va katta portlash yoki nazariya bilan koinotning kelib chiqishi nazariyasini qo'llab-quvvatlovchi asoslardan biri bo'lgan
2.1 Fotoeffekt.Fotoeffekt nazariyasi
Tabiatning mikroolam sohasidagi hodisalari, ya’ni atom, yadro va elementar zarralar fizikasi bilan shug'ullanuvchi fan, hozirda kvant fizika nomi bilan ataladi. Boshqacha aytganda, kvant fizika tabiatning eng umumiy qonunlari, kvant hodisalami o‘rganuvchi fandir. Kvant hodisalaming umumiy (matematik) nazariyasi kvant mexanika deyiladi. XX asr boshlariga kelib, klassik fizika qonunlari cheklanganligi va ularni qayta ko'rib chiqish, umumlashtirish zarurligi sezildi. Chunki bu davrga kelib, fizikada juda ko‘p yangiliklar, kashfiyotlar tajribalar asosida tasdiqlangan edi. Ayniqsa, eng kichik elementar zaryadlangan zarra - elektronning mavjudligi, atomning tarkibiy tuzilishi va hokazolar tajribada isbotlangan edi. Klassik fizikaning cheklanganligi dastlab, katta tezliklarda, ya’ni yorug'lik tezligiga yaqin tezliklarda xatoliklarga, qiyinchiliklarga olib kelishida aniqlandi. Oxir-oqibatda bu qiyinchiliklami hal etish nisbiylik nazariyasining yaratilishiga olib keldi. Klassik fizika nuqtai nazaridan zarrani tavsiflash uchun uning fazodagi holati (koordinati) va tezligi hamda ularning vaqtga bog'lanishining berilishi yetarli. Mikrozarralami tavsiflashda bunday usul to'g'ri emas ekan, ya’ni klassik fizika qonunlarining cheklanganligi, ularni mikrozarralarga qo'llash qiyinchiliklarga olib kelishida aniq bo'ldi. Bu qiyinchiliklarning hal etilishi keyinchalik kvant fizikaning yaratilishiga olib keldi. Kvant fizikaning yaratilishiga o'sha davrdagi olimlar o'rtasida hal etilmayotgan quyidagi muammolar turtki bo'lgan edi: 1.Kvant tushunchalarga olib kelgan muammolardan biri atomning barqarorligidir. Atom yadro va uning atrofida harakatlanuvchi elektronlarga ega ekanligi tajribalarda isbotlandi. Agar shunday bo'lsa, klassik fizika tasavvurlariga asosan, elektron yadro atrofida tezlanishli harakat qilar ekan, u elektromagnit to'lqin tarqatib nurlanishi natijasida energiyasining kamayishi hisobiga oxir-oqibatda yadroga tushishi kerak . Lekin bunday hoi tabiatda kuzatilmaydi. Bu klassik fizika tushunchalarim mikrozarralarga qo'llab bo'lmasligini ko'rsatadi. 2. Yorug'lik ta’sirida moddalardan elektronlar ajralib chiqishida, ya’ni fotoeffekt hodisasida klassik tushunchalar bilan izohlab bo'lmaydigan oddiy qonuniyat
.
(5-rasm yorug’lik ta’sirida fotoieffektning hosil bo’lishi)
Tajriba ko'rsatadiki, har qanday temperaturasi yuqori bo'lgan jism nurlanishga ega. XIX asr oxirlariga kelib tajriba va nazariy hisoblashlar bilan mutlaq qora jism nurlanishiga oid bir necha qonunlar kashf etildi. Lekin klassik tasawurlarga asoslangan bu qonunlar mutlaq qora jism nurlanishiga oid muammoni to'la hal eta olmadi. Bunday muammolaming hal etilishiga olib keluvchi kvant tushunchani dastlab nemis olimi Plank kiritgan. U mutlaq qora jism nurlanishiga oid muammoni hal etishda energiya ulushlari diskret qiymatlarga - energiya kvantlariga ega va bu energiya kvanti chastotaga bog'liq, ya’ni chastotaga mutanosib degan fikrga asoslandi: E = h v Bu klassik fizika tasawurlaridan farqli yangi g'oya ediki, bunda h -Plank doimiyligi deb ataluvchi kattalik bo'lib, klassik fizikada bunday doimiylik mavjud emasdir. Keyinchalik fotoeffekt hodisasida ham, atomning barqarorligini tushuntirishda ham va boshqa hodisalarda ham bu kattalik o'zini namoyon qilishi aniqlandi. Shunday qilib, fanga birinchi marta nurlanish energiyasining mumkin bo'lgan diskret qiymatlarini tavsiflovchi Plank doimiyligi kiritildi. Nurlanish energiyasining minimal ulushi kvant deb ataldi. Plank gipotezasii. Nurlanish tabiatning keng tarqalgan hodisalaridan hisoblanadi. Fizikada muvozanatli nurlanishdan iborat bo'lgan issiqlik nurlanishi katta ahamiyatga ega. Temperaturalari bir xil bo'lgan muvozanatli nurlanishda jism vaqt birligida qancha energiya chiqarsa, shuncha energiya yutadi. Termodinamika nuqtai nazaridan nurlanayotgan jism temperaturasi, bosimi, hajmi bo'lgan muhitdir. Muvozanatli nurlanishning asosiy tavsiflovchi kattaligi spektral zichlik bo'lib, spektral zichlik deganda energiyaning chastota spektri bo'yicha taqsimlanishini tushunamiz. Boshqacha aytganda, muvozanatli nurlanishning spektr tarkibini funksiya yordamida tavsiflash qulaydir. Bu funksiya со chastotali nurlanish berilgan Temperaturada umumiy nurlanishning qancha qismini tashkil etishini ko'rsatadi. Ma’lumki, Kirxgof qonuniga asosan nurlanish qobiliyatining nur yutish qobiliyatiga nisbati hamma jismlar uchun bir xil qiymatga ega, ya’ni o'zgarmas kattalik bo'lib, chastota va temperaturaning funksiyasidan iboratBu funksiyani bilgan holda, nur yutish qobiliyati birga teng bo'lgan mutlaq qora jismlar uchun) nurlanish qobiliyati eA = fizikada nurlanish qonunlarini oVganishda asosiy masala hisoblanadi. Klassik fizika issiqlik nurlanishini tushuntirishda klassik tasavvurlar nuqtai nazaridan hal qilib bolmaydigan qiyinchilikka duch keldi. Klassik tasawurlarga asoslanib hosil qilingan Reley-Jins formulasi kichik chastotalarda tajriba natijalariga mos kelsa-da, katta chas to talar sohasida tajriba natijalariga zid keladi. Xuddi shuningdek, klassik tasawurlarga asoslangan Vin aniqlagan nurlanish energiyasining spektr al zichligi ifodasi ham yuqori chastotali sohalarda tajribaga mos keladi. Lekin kichik chas to talar sohasida tajriba natijalaridan keskin farq qiladi. Mutlaq qora jism nurlanishini klassik nazariy yo'l bilan tushuntirish uchun qilingan ishlar masalani umumiy holda hal qilib berolmadi. Faqat temperatura va chastotaning chekli sohasidagina tajribalarga mos kelar edi. Boshqacha aytganda, klassik fizikn tushunchalari asosida mutlaq qora jism nurlanishini bir tomonlama tavsiflash, ya’ni spektrning chekli sohasidagina Reley-Jins va Vin qonuniari asosida tushuntirish imkoniga ega bo'lindi (nemis olimi Vin issiqlik nurlanishi qonunlarini ochganligi uchun 1911-yili Nobel mukofotini olgan). XIX asr oxiri va XX asr boshlariga kelib fizika fani olamni to'ldirgan efirga nisbatan Yer tezligini aniqlashga oid Maykelson-Morli tajribasini s va mutlaq qora jism nurlanishini tushuntirishda qiyinchilikka duch kelgan edi. Ma’lumki, birinchisi nisbiylik nazariyasining yaratilishiga, ikkinchisi kvant nazariyasining yaratilishiga sabab boldi. 1900-yil 14-dekabr - M. Plank nemis fiziklar jamiyatida nurlanishning spektral zichligini aniqlashga oid yangi g'oyasi haqida ma’ruza qilgan kun kvant fizikaga asos solingan kun hisoblanadi. Ko“p o'tmay 1905-yili Eynshteyn nisbiylik nazariyasini yaratdi. Nurlanish va nur yutish qobiliyatiga ega bo'lgan moddiy jismni biror berk qobiq ichiga joylashtiraylik. Moddiy jismning temperaturasi qobiq temperaturasidan farqli bo'lib, vaqt o'tishi bilan temperaturalari tenglashadi. Boshqacha aytganda, nurlanish va nur yutish hisobiga moddiy jism bilan qobiq o'rtasida termodinamik muvozanatli holat ro'y beradi. Termodinamika qonunlariga asoslanib, Kirxgof bunday muvozanatli holat birdan-bir holat ekanligini, spektral taqsimlanish funksiyasi bilan bu holatni aniq tavsiflash mumkinligini hamda bu taqsimlanish qobiq o'lchami, shakli va undagi moddaning tabiatiga bog'liq bo'lmay, faqat qobiq temperaturasi va nurlanish chastotasiga bog'liq bo'lishini ko'rsatib berdi. Klassik tasavvurlarga, ya’ni termodinamika va klassik statistik fizika qonunlariga tayanib Vin, Reley-Jins aniqlagan spektral zichlik ifodalari tajribaga mos kelmaganligi uchun Plank bu masalani hal qilishga boshqacha yondashdi. Ma’lumki, spektral taqsimlanish moddiy jism tabiatiga bog'liq emas. Shuning uchun u moddiy jismni ossillyatorlar to'plami deb qaradi va ossillyatorlar bilan nurlanish o'rtasidagi energiya almashinishidan yuzaga kelgan termodinamik muvozanatli holatga oid spektral zichlik ifodasini aniqladi. Bunda u ossillyator va nurlanish orasidagi energiya almashinish klassik tasavvurlardan boshqacha tarzda bo'lishi kerak deb hisobladi. Aks holda, klassik tasavvurlarga asoslansia Vin, Reley-Jinslar aniqlagan qonuniyatga olib kelishi kerak Plank ossillyator va nurlanish o'rtasidagi termodinamik muvozanatli holatni tavsiflovchi spektral zichlik ifodasi tajribaga mos kelishi uchun klassik tasavvurlardan butunlay farq qiluvchi quyidagi postulatni aytadi: ossillyator faqat chekli, diskret energiyaga ega bo'lgan nurlanish tarqatadi. Nurlanish energiyasi chastotaga proporsionaldir. 1900-yili M. Plank birinchi bo'lib mutlaq qora jism nurlanishini tushuntiruvchi spektral zichlikning yangi ifodasini, ya’ni nurlanishni butun spektrlar sohasi bo'yicha tavsiflash mumkinligini, bu bilan har ikki chegaraviy holni ham tushuntira oladigan, tajriba natijalariga mos keluvchi nurlanish energiyasining taqsimlanish qonunining yangi ifodasini aniqladi (M. Plank 1918-yili fizika sohasidagi ishlari uchun Nobel mukofotini olgan) lasidan ham foydalaniladi. Ularning son qiymatlari
: h = 6,62 • 10^-34 s j
s larga tengdir. Zarraning klassik fizika bo'yicha va Plank gipotezasi bo'yicha kvant holatlarga to'g'ri kelgan energiyalarining
Plank ilgari surgan faraz-gipoteza(ilmiy taxmin)ga ko'ra, nurlanish chastotaga proporsional, ya’ni e= hm (3) energiyali kvant shaklida bo'ladi va muvozanatli nurlanishni chiziqli ossillyatorlar to'plamidan iborat deyilsa, ossillyatorlar faqat tanlangan holatlarda bo'lai.
Fotoeffektning chiqish ishi formulalari
.
Bu nazariyaga ko‘ra, elektron yutgan fotonning energiyasi h(, elektronning metaldan chiqish ishi A ni bajarishga sarflanadi; bu energiyaning qolgan qismi fotoelektronlarning kinetik energiyasidan iborat. Bu holda energiyaning saqlanish qonuniga muvofiq quydagini yozamiz:
1905 yilda A.Eyenshteyn taklif qilgan va keyinchalik ko‘p eksprimentlarda tasdiqlangan bu formulani Eyenshteyn tenglamasi deb yuritiladi. Bu tenglamadan fotoelektronlarning tezligi ning, tushayotgan yorug‘likning chastotasiga to‘g‘ri mutonosibligi bevoita ko‘rinib turibdi yorug‘likning chastotasi kamayishi bilan fotoelektronlarning energiyasi ham kamayadi (A- kattalik yoritilayotgan modda uchun o‘zgarmas). Biror yetarli kichik chastota 
yoki
Bu formula chiqish ishini aniqlaydi.Vakuumli fotoelementlar tashqi fotoeffekt hodisasiga asoslanib ishlaydi va ularning ishlab chiqqan elektr toki juda oz bo‘ladi. shuning uchun metalldan tayorlangan fotoelementlar elektr toki manbai sifatida qo‘llanilmaydi.Yarim o‘tkazgichlarda esa ichki fotoeffekt amalga oshib, ularning FIK hottoki 10-15% ga yetadi, shuning uchun yarim o‘tkazgichli fotoelemetlar batareyasini kichik energetikasida tok manbai sifatida ishlatish mumkin. Masalan, kosmik elektroenergetikasida. Fotoeffekt hodisasini yorug`likning to`lqin xususiyati asosida tushuntirish mumkinmi? Birinchi qonunni tushuntirish mumkin. Chunki katodga tushayotgan yorug`lik metal sirtidagi elektronlarni tebranma harakatga keltiradi. Tebranish amplitudasi esa tushayotgan yorug`lik intensivligiga bog`liq. U qancha katta bo`lsa, elektronning kinetik energiyasi ham shuncha katta bo`ladi va musbat ionlarning tortish kuchlarini yengib, katodni tark etadi. Intensivlik ortishi bilan katodni tark etuvchi elektronlar soni ham ortadi va demak, to`yinish tokining qiymati ham ortadi. Shu tariqa mulohaza yurutilganda yorug`lik oqimining ortishi electron kinetik energiyasining ortishi ham olib kelishi kerak. Lekin Stoletov tajribasi bu fikrni tasdiqlaydi. Demak,ikkinchi qonunni yorug`likning to`lqin nazariyasi asosida tushuntirib bo`lmaydi. Uchunchi qonunni tushuntirishga urunishlar ham shunday xulosaga kelishni taqoza etadi. U holda fotoeffekt A.G.Stoletov(1839-1896) G.R.Kirxgof (1824-1887) 19 hodisasini yorug`likning qanday tabiati nuqtayi nazaridan tushuntirish mumkin, degan savol tug`uladi. Stoletov qonunlari haqidagi chuqur mulohaza yuritgan A.Eynshteyn fotoeffekt hodisasini Plank gipotezasi asosida tushuntirishga qaror qildi. U Plank gipotezasini rivojlantirib, yorug`lik nafaqat chiqarilganda, balki fazoda tarqalganida ham, boshqa moddalar tomonidan yurutilganida ham o`zini fotonlar oqimidek tutadi, degan fikrni bildirdi. Eyenshteyn fotoeffekt hodisasini shunday tushuntirdi. Katodga tushayotan foton o`zining hv energiyasini elektronga beradi. Agar bu energiya elektronning chiqish ishi A dan katta bo`lsa, elektron katoddan ajralib chiqadi tezlatuvchi kuchlanish:
yoki
Fotoeffekt mavjudligini tajriba ko'rsatadi hodisasida nurlanish ta’sirida ajralib chiqayotgan elektronlaming kinetik energiyasi kutubxonasi nurlanish intensivligiga bog'liq bo‘lmay, faqat chastotaga bog'liq, ya’ni chastotaga mutanosibligi aniqlandi. Bu klassik tasawurlarga zid haqiqatdir