R. G. Isyanov pedagogika fanlari nomzodi
Download 3.01 Kb. Pdf ko'rish
|
206 3. Fotoeffekt yoruglikning intensivligiga bogliq bolmagan holda berilgan metall uchun fotoeffektning «qizil chegarasi» deb ataladigan aniq minimal chastotada boshlanadi. Fotoeffektning ikkinchi va uchinchi qonunlarini yoruglikning elektromagnit nazariyasi asosida tushuntirish mumkin emas. Haqiqatan ham bu nazariyaga kora intensivligi yetarlicha katta bolgan istalgan chastotali yoruglik metalldan elektronlarni urib chiqarishi kerak, boshqacha aytganda, fotoeffektning «qizil chegarasi» mavjud bolmasligi kerak. Bu xulosa fotoeffektning uchinchi qonuniga ziddir. Songra yoruglikning intensivligi qanchalik katta bolsa, unda elektronlar shunchalik katta kinetik energiya bilan harakatlanishi, yani fotoelektronlarning tezligi yoruglikning intensivligi ortishi bilan osishi kerak edi; bu xulosa fotoeffektning ikkinchi qonuniga ziddir. Òashqi fotoeffekt qonunlarini yoruglikning kvant nazariyasi asosida osongina izohlash mumkin. Bu nazariyaga kora yoruglik oqimining kattaligi vaqt birligida metall sirtiga tushadigan yoruglik kvantlarining soni bilan aniqlanadi. Har bir yoruglik kvanti faqat bitta elektron bilan ozaro tasirlashadi deb qaralsa, foto- elektronlarning maksimal soni yoruglik oqimiga proporsional bolishi kelib chiqadi (fotoeffektning birinchi qonuni). Elektron yutgan yoruglik kvantining hv energiyasi elektronning metalldan chiqish ishini bajarishga safrlanadi; bu energiyaning qolgan qismi fotoelektronning kinetik energiyasidan iborat boladi. Bunga kora energiyaning saqlanish qonunini quyidagicha yoza olamiz: υ = + 2 , 2 m hv A (119) bunda: A elektronning chiqish ishi. 1905- yilda Eynshteyn taklif qilgan va keyinchalik tajribalarda tasdiqlangan bu formulani Eynshteyn tenglamasi deb ataladi. Eynshteyn tenglamasidan bevosita korinib turibdiki, yoruglik chastotasi ortishi bilan fotoelektronning tezligi ortadi va yoruglikning intensivligiga bogliq bolmaydi. Bu xulosa fotoeffektning ikkinchi qonuniga mos keladi. (119) formulaga muvofiq, yoruglikning chastotasi kamayishi bilan fotoelektronlarning kinetik energiyasi ham kamayadi. Malum- ki, elektronlarning metalldan chiqish ishi ham bir metall uchun ozgarmas kattalikdir, binobarin, bu kattalik yoruglik chastotasiga bogliq emas. Biror yetarlicha kichik v=v m chastotada fotoelektron- www.ziyouz.com kutubxonasi 207 ning kinetik energiyasi nolga teng bolib, bunda fotoeffekt toxtaydi. Bu hv m =A bolganda sodir boladi, yani yoruglik kvantining hamma energiyasi elektronning chiqish ishiga sarflangan boladi. U vaqtda: = = . yoki m m A hc v h A λ (120) Fotoeffektni kuzatish mumkin bolgan eng katta tolqin uzunligi λ m elektrod (katod)ning ayni shu materiali uchun fotoeffektning «qizil chegarasi» deb ataladi. (120) formuladan fotoeffektning «qizil chegarasi» elektronlarning chiqish ishining kattaligiga bogliqligi kelib chiqadi. Òurli metallar uchun chiqish ishining qiymati turlicha, binobarin, har bir metall uchun fotoeffekt hodisasi malum bir minimal chastota (yoki maksimal tolqin uzunligi)dan boshlab kuzatiladi. Bu xulosa fotoeffektning uchinchi qonuniga mos keladi. Fotoeffekt deyarli noinersion hodisadir. Eynshteyn nazariyasi boyicha fotoeffektning noinersionligi yoruglikda kvant xossalar mavjudligi va yoruglikning modda bilan ozaro tasiri kvant xarakterga ega ekanligining isbotidan iboratdir. Fotoeffektning chiqish vaqti yoruglik kvanti va metalldagi elektron orasidagi energiya almashinuvi bilan aniqlanadi. Bu vaqt 10 -13 s tartibidagi kattalikka tengdir. Agar fotoeffektni tolqin nazariya nuqtayi nazari- dan qaralsa, u holda yoruglikning berilgan intensivligida elektronning chiqish ishini bajarish uchun zarur bolgan energiyani elektromagnit tolqin elektronga berishi uchun malum vaqt talab qilinadi, degan xulosa chiqarish kerak bolar edi. Shunday qilib, Eynshteyn ozi rivojlantirgan tashqi fotoeffekt nazariyasi asosida yoruglikning kvant xossalarining mavjudligi va yoruglikning modda bilan tasirlashishi kvant xarakterga ega ekanligi haqidagi goyasini tasdiqlay oldi. 67- §. Foton va uning xarakteristikalari Fotoeffekt hodisasi, absolyut qora jismning nurlanishi, foto- kimyoviy reaksiyalar va boshqalar Eynshteynning elektromagnit nurlanish nafaqat porsiya (kvant)lar bilan chiqadi, balki elektromagnit maydonning alohida zarralari ε=hv energiyaga ega kvantlar korinishida tarqaladi ham, modda tomonidan yutiladi ham, degan xulosasining togriligini yorqin isbotlab berdilar. Agar Plank kvantlar haqidagi gipotezani ilgari surganda kvantni faqat yordamchi tushuncha www.ziyouz.com kutubxonasi 208 sifatida zarur, deb hisoblagan bolsa, Eynshteyn uzoqroqqa ketdi. U kvantda elektromagnit maydonning real mavjud zarrasini kordi va bu zarrani keyinroq, 1929- yilda foton deb atadi. Foton qator muhim xossalarga ega. 1. Fotonning energiyasi mos elektromagnit tolqinning chastotasi (tolqin uzunligi) orqali quyidagi korinishda ifodalanadi: ε ν λ = = . hc h (121) 2. Foton tinch tura olmaydi, u dunyoga kelishi bilan harakatlana boshlaydi. Uni toxtatish mumkin emas. Foton m o tinchlikdagi massaga ega emas. Fotonning moddani oddiy zarralaridan prinsipial farqi ham ana shunda. Fotonlarning tinchlikdagi massasi yoqligining isboti shundaki, yoruglik dastalari ozaro kesishganda ularning har biri bir-biriga bogliq bolmagan holda tarqalishda davom etadi. 3. Nisbiylik nazariyasiga binoan, massa va energiyaning ozaro bogliqlik qonuni boyicha E=mc 2 edi. Shunga kora fotonning massasini hv=m f c 2 tenglikdan aniqlash mumkin: yoki λ = = 2 . f f h v h m m ñ c (122) Bu massani elektromagnit maydon energiyaga ega bolganligi tufayli maydon massasi sifatida qaraladi. Fotonning massasini olchashning imkoni yoq va undan tashqari hech bir eksperimental dalilda bu massa fotonning boshqa xarakteristikalaridan farq qilib, bevosita ozini namoyon etmaydi. Lekin maydon massasi haqidagi tushunchadan bir qator hodisalarni, jumladan, elementar zarralarni tadqiq qilish bilan bogliq hodisalarni tushuntirishda foydalaniladi. 4. Fotonlarning muhim xossalaridan yana biri shuki, boshqa elementar zarralardan farqli olaroq, ular nisbatan oson vujudga kelishi va yoq bolishi mumkin (masalan, elektronlar va pozitronlarning vujudga kelishi va yoq bolishi maxsus sharoitlarda sodir boladi). Elektromagnit maydonning uygonishi sifatida foton moddasiz vujudga kela olmas edi, ammo modda bolmaganda foton cheksiz uzoq yashagan bolar edi. 5. Elektromagnit maydonning zarrasi bolgani holda foton hamma vaqt c yoruglik tezligi bilan harakatlanadi. Yoruglikning struktura birligi bolib fotonlar elektromagnit maydonning energiyasi va massasini eltadi. Fotonlarning modda bilan ozaro tasirida yoruglikning tasiri namoyon boladi. www.ziyouz.com kutubxonasi 209 6. Energiya va massadan tashqari foton ð f impulsga ham ega. Fotonning impulsi uning massasi bilan tezligi orqali quyidagicha ifodalanadi: f h m ñ λ = = = . f v h p c (123) Foton impulsi vektor kattalik, uning yonalishi yoruglik nuri yonalishi bilan mos tushadi. Foton impulsining mavjudligi yoruglikning bosimi va moddada sochilishi boyicha otkazilgan tajribalar bilan tasdiqlanadi. (123) formula yoruglikning tolqin va kvant xossalarini bir- biriga boglovchi formula hisoblanadi. (122) va (123) formulalardan korinadiki, nurlanish chastotasi ortishi bilan fotonning massasi va impulsi ham ortar ekan. Nurlanishlarning bazi turlari uchun foton- ning energiyasi, massasi va impulsi jadvalda keltirilgan: 1- jadval i r u t h s i n a l r u N ε J , ν z H , . g k , s · m · g k , 1 - k il g u r o y n a g i d a n i r o K r a l r u n a h s f a n i b a r tl U i r a l r u n n e g t n e r q it t a Q r a l r u n a m m a G 0 1 · 4 1 , 3 9 1 - 0 1 · 2 8 1 - 0 1 · 3 , 5 5 1 - 0 1 · 2 3 1 - 0 1 · 4 1 , 5 4 1 0 1 · 3 5 1 0 1 · 8 8 1 0 1 · 3 0 2 0 1 · 4 6 3 - 0 1 · 2 , 2 5 3 - 0 1 · 6 2 3 - 0 1 · 2 , 2 0 3 - 0 1 · 2 , 1 7 2 - 0 1 · 6 , 6 7 2 - 0 1 · 8 , 1 3 2 - 0 1 · 6 , 6 2 2 - Jadvaldan korinadiki, yoruglik fotonining massasi eng kichik ekan, biroq qattiq rentgen nurlari uchun fotonning massasi elektron massasi (m e =9,1110 -31 kg) bilan solishtirarli darajada, gamma nurlanishida esa hatto elektron massasidan katta ekan. 68- §. Fotoeffektning qollanilishi Fotoeffekt qonunlarini organish yoruglik haqidagi asosiy bilim- larimizni chuqurlashtirish uchun kop narsani beradi. Shuning uchun fotoeffekt hodisasi katta ilmiy ahamiyatga ega. Shu bilan birga fotoeffektning amaliy (texnik) ahamiyati ham katta. Ayniqsa foto- elementlar yaratilgandan keyin fotoeffektning turli-tuman qollanish imkoniyati vujudga keldi. Yoruglik energiyasini elektr energiyasiga aylantirib beruvchi asboblar fotoelementlar deyiladi. A.G. Stoletovning qurilmasini fotoelement deyish mumkin. Hozirgi zamon fotoelementi ichki m f p f 14 Olmasova M.H. www.ziyouz.com kutubxonasi 210 yuzining bir qismiga chiqish ishi kichik bolgan metall qoplangan shisha ballondan iborat bolib (169- rasm), bu qatlam katod vazifasini otaydi va manbaning manfiy qutbiga ulanadi. Ballon ichiga yoruglik shaffof «darcha» orqali kiradi. Ballonga kav- sharlangan metall halqa anod vazifasini otaydi va manbaning musbat qutbiga ulanadi. Odatda ballonda vakuum hosil qilinadi, biroq bazida ballonga inert gaz, masalan, neon yoki argon kiritiladi. Vakuumli fotoelementlar oziga tushgan har bir lyumen yoruglik hisobiga 5 dan 30 mikroampergacha tok beradi, holbuki gazli fotoelementlar esa har lyumenga 30 dan 700 mikro- ampergacha tok beradi. Bunday asboblarda fototok katod sirtidan urib chiqarilgan elektronlar tasirida gazning ionlashishi hisobiga ortadi. Fotoelementlarning zanjirga ulanish sxemasi 170- rasmda korsa- tilgan. Agar katodga S manbadan yoruglik tushayotgan bolsa, u elektronlar ajratib chiqaradi va bu elektronlar anodga qarab hara- katlanadi; bu holda zanjirda tok hosil boladi. Òok kuchini galvanometr bilan olchanadi. Anod bilan katod orasidagi kuchlanishni reostat yordamida ozgartirish mumkin. Ichki fotoeffektga asoslangan fotoelementlarni yarimotkaz- gichli fotoelementlar deb ataladi. Bunday yarimotkazgichli fotoelementlarni tayyorlashda selen, qorgoshin (II)-sulfid, kadmiy sulfid va boshqa bazi yarimotkazgichlardan foydalaniladi. Yarimotkazgichli fotoelementlarning fotosezgirligi vakuumli foto- elementlarning sezgirligidan ancha (yuzlarcha marta) katta. Lekin yarimotkazgichli fotoelementlarning kamchiligi shundan iboratki, ular sezilarli darajada inersion, shuning uchun ularni tez ozgaruvchan yoruglik oqimlarini qayd qilishga ishlatib bolmaydi. 169- rasm. 170- rasm. www.ziyouz.com kutubxonasi 211 Berkituvchi qatlamli yarimotkazgichli fotoelement yoki ventilli fotoelementlar ham ichki fotoeffektga asoslangan. Bu fotoelement- ning sxemasi 171- rasmda berilgan. G galvanometr ulangan tashqi elektr zanjirga M metall plastinka va uning ustiga surkalgan yarimotkazgichning P yupqa qatla- mi ulangan. Yarimotkazgichning metall bilan kontakt sohasida ventilli otkazuvchanlikka ega bolgan B berkituvchi qatlam hosil boladi, bu qatlam elektronlarni faqat yarimotkazgich- dan metall tomonga otkazadi. Yarimotkazgichli qatlamni yoritganda ichki fotoeffekt tufayli unda erkin elektronlar paydo boladi. Bu elektronlar tartibsiz harakat jarayonida berkituvchi qatlam orqali metallga otib, teskari yonalishda siljish imkoniyati bolmaganidan metallda ortiqcha manfiy zaryadni vujudga keltiradi. Elektron- larining bir qismini yoqotgan yarimotkazgich musbat zaryadlanib qoladi. Metall va yarimotkazgich orasida hosil boladigan potensiallar ayirmasi fotoelement zanjirida tokni vujudga keltiradi. Shunday qilib, ventilli fotoelement yoruglik energiyasini bevosita elektr energiyasiga aylantiradigan tok generatoridan iboratdir. Ventilli fotoelementda yarimotkazgichlar sifatida selen, mis (I)- oksid, talliy sulfid, germaniy, kremniylardan foydalaniladi. Òoza kremniyni olish texnologiyasi murakkabligi sababli kremniyli fotoelementlar juda qimmat turadi. Lekin shunga qaramay shu narsa muhimki, kremniyli fotoelementlar yuqori tem- peraturalarga bardosh bera oladi, hatto sferik kozgular vositasida quyosh energiyasi konsentratsiyasini ularga yuborish mumkin. Shu sababli ham kremniyli fotoelementlar quyosh batareyalari nomini olgan. Ozbekistonda yarimotkazgichlar fizikasi sohasidagi ishlar XX asrning 30- yillarida avval Geliotexnik laboratoriyada olib borilgan, song fizika-texnika institutida davom ettirilgan va davom ettiril- moqda. Institutda ozbek olimlari tomonidan yarimotkazgichlar ustida fundamental ilmiy tadqiqotlar olib borish bilan bir vaqtda, ulardan fan, texnika, qishloq xojaligida foydalanish masalalari ham korib borilmoqda. Masalan, yuqori kuchlanishli selenli togrilagichlarning sanoat texnologiyasi ishlab chiqilgan va seriyali ishlab chiqarish tashkil etilgan. Institutning izlanishlari asosida sanoatda ota toza kremniyni ishlab chiqarish amalga oshirilgan, turli optoelektron asboblar yaratilgan va hokazo. 171- rasm. www.ziyouz.com kutubxonasi 212 Fotoelementlarning qollanish sohalari juda turli-tumandir. Ovozli kino, tasvirlarni simlar orqali uzatish (fototelegraf), televideniye, avtomatika va telemexanikaga tegishli kop masalalar fotoelementlarni ishlatish tufayligina hal qilinadi. Fotometriyada darajalangan galvanometrga ulangan fotoelementlar samarali ravishda ishlatiladi. Bu asbobni lyuksmetr deb ataladi. Yerning suniy yoldoshlari va kosmik kemalarda quyosh batareyalari ishlatiladi. Ular kemadagi asboblarni elektr toki bilan taminlaydigan birdan-bir manba hisoblanadi. Masalan, Yerning uchinchi suniy yoldoshi «Soyuz-3» da quyosh batareyalari 12500 soat (691 kun, deyarli 2 yil) ishladi va kemadagi butun radioap- paraturani tok bilan taminlab berdi. Buning uchun fotoelement- larning umumiy yuzasi yetarli katta bolishi kerak. «Soyuz-3» kosmik kemasida quyosh batareyalarining yuzi qariyb 14 m 2 ni tashkil qilgan edi. Kosmik texnikadan tashqari kremniyli fotoelementlar akku- mulyatorlarni zaryadlashda, radiopriyomnik va peredatchiklarni, telefon stansiyalarni tok bilan taminlashda va hokazolarda xizmat qiladi. «Agar Misr sirtiga tushayotgan yoruglik energiyasining hech bolmaganda 10% dan foydalanish imkoni bolganda edi, insoniyat butun dunyoda ishlab chiqarilayotgan energiyaga teng energiyani olgan bolar edi», degan edi fransuz olimi F. Jolio-Kyuri. Òakrorlash uchun savollar 1. Issiqlik nurlanish qanday hodisa? 2. Jismning nur chiqarish va nur yutish qobiliyatlari qanday fizik kat- taliklar? 3. Absolyut qora jism qanday jism? Uning nur yutish qobiliyati nechaga teng? 4. Plank goyasining mazmuni nimadan iborat? 5. Energiya kvanti qanday formuladan aniqlanadi? 6. Fotoeffekt qanday hodisa? Qanday turlari mavjud? 7. Òashqi fotoeffekt qanday asbob yordamida organiladi? 8. Fotoelektronlar, fototok, toyinish toki, toxtatuvchi potensial tushun- chalarining mazmunini ayting. 9. Fotoeffektning volt-amper xarakteristikasi nimani ifodalaydi? 10. Òashqi fotoeffekt qonunlarini tariflang. 11. Fotoeffekt qonunlarini tushuntirishda qanday muammolar yuzaga keldi? 12. Fotoeffekt haqida Eynshteyn nazariyasining mohiyati nimadan iborat? 13. Fotoeffekt uchun Eynshteyn tenglamasini yozing va fizik mohiyatini tushuntiring. www.ziyouz.com kutubxonasi 213 14. Fotoeffektning «qizil chegarasi»ni qanday aniqlash mumkin? Formulasini yozing. 15. Foton qanday zarra? Qanday xossalarga ega? 16. Foton energiyasi, massasi va impulsi formulalari qanday korinishda? Izohlab bering. 17. Fotoelement qanday asbob? Qanday turlarini bilasiz? 18. Vakuumli fotoelementning tuzilishi va ishlash prinsipini tushuntiring. U zanjirga qanday ulanadi? 19. Ventilli fotoelementning tuzilishi va ishlash prinsipini tushuntiring. Nima uchun uni tok generatori deb ataladi? 20. Nima uchun kremniyli fotoelementlar «quyosh batareyalari» nomini olgan? Masala yechish namunalari 1- masala. Nikel uchun fotoeffektning «qizil chegarasi»ni aniqlang. Nikel uchun chiqish ishi 5 eV ga teng. Berilgan: A=5 eV=5·1,6·10 -19 J=8·10 -19 J; c=3·10 8 m/s; h= =6,62·10 -34 J·s. Òopish kerak: λ m ? Yechilishi. Fotoeffektning «qizil chegarasi»ga mos kelgan yoruglikning, yani fotonning hamma energiyasi metalldan elek- tronning chiqish ishiga sarflanadi. Shuning uchun = , m hv A λ = m m c v ekanligini nazarga olsak, λ = ⋅ m c h A boladi, bundan λ = . m hc A Hisoblash: − − − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ λ = = ⋅ = ⋅ o 34 8 7 19 6,62 10 J s 3 10 m/s 2,475 10 2475 8 10 J m m A . 2- masala. Òolqin uzunligi 300 mmk bolgan ultrabinafsha nurlar bilan yoritilgan rux plastinkadan uchib chiqqan fotoelektronlarning tezligini toping. Rux uchun elektronning chiqish ishi 4 eV ga teng. Berilgan: λ=300 mmk=3·10 -7 m; A=4 eV=6,4·10 -19 J; m=9,1·10 -31 kg; c=3·10 8 m/s; h=6,62·10 -34 J·s. Òopish kerak: υ ? Yechilishi. Fotoeffekt hodisasi uchun Eynshteyn formulasini yozamiz: υ υ ν λ = + − = 2 2 . 2 2 yoki m m hc h A A www.ziyouz.com kutubxonasi 214 Bundan fotoelektronning υ tezligini topamiz: υ λ = − . 2 hc A m Hisoblash: − − − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = − ⋅ = − ⋅ ⋅ = ⋅ ≈ ⋅ = 34 8 19 31 7 6 12 6,62 10 J s 3 10 m / s 2 6,4 10 J 9,110 kg 3 10 m m km 0,44 J 10 0,21 10 210 . s s 9,1 kg υ 3- masala. Agar sirt tolqin uzunligi λ=10 -12 sm, quvvat zichligi = 2 W 20 m N bolgan gamma nurlar oqimi bilan nurlatilsa, shu sirtning S=10 sm 2 li yuzasiga t =15 sekund davomida nechta nurlanish kvanti tushadi? Berilgan: λ=10 -12 sm=10 -14 m; = 2 ; W 20 m N S=10 sm 2 =10 -3 m 2 ; t=15 s; h=6,62·10 -34 J·s. Òopish kerak: n? Yechilishi. Nurlanish kvantlarining soni sirtga tushayotgan nurlanish energiyasining bitta nurlanish kvant energiyasiga nisbati bilan aniqlanadi, yani: = . W n ε Sirtga tushayotgan nurlanish energiyasi W=NSt ga teng. Nurlanish kvantining energiyasi ε ν λ = = . c h h Binobarin: = . NSt n hc λ Hisoblash: − − ⋅ − ⋅ ⋅ = = ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 3 2 14 2 8 7 34 8 W 20 10 m 15 s 10 m m 1,5 10 tà 15 10 tà. 6,62 10 J s 3 10 m / s n 4- masala. Agar chiqish ishi 4 eV ga teng bolsa, tolqin uzunligi 300 mmk bolgan nurlar bilan yoritilayotgan katoddan uchib chiqayotgan fotoelektronlarni batamom tormozlash uchun katod bilan anod orasidagi potensiallar ayirmasi kamida qancha bolishi kerak? www.ziyouz.com kutubxonasi Download 3.01 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: |
Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2025
ma'muriyatiga murojaat qiling
ma'muriyatiga murojaat qiling