Kvant fizikasi

Kvant fizikasining asoslari
Tabiatda elektromagnit nurlanishning eng keng tarqalgan turi issiqlik nurlanishi, u moddaning ichki energiyasi hisobiga bajariladi va shuning uchun nurlanayotgan jismning sovishiga olib keladi. Nur chiqarish, temperaturasi absolyut noldan farq qiladigan istalgan temperaturadagi barcha jismlarga xosdir. Issiqlik nurlanishi tutash spektrga ega bo‘lsa-da, ammo unda energiya taqsimoti temperaturaga bog‘liq: past temperaturada issiqlik nurlanishi asosan infraqizil nurlanishdan, yuqori temperaturalarda esa ko‘rinadigan va ultrabinafsha nurlanishdan iborat.
Har qanday jism o‘zi nurlanishi bilan birga boshqa, atrofdagi jismlar chiqarayotgan nur energiyasining bir qismini yutadi; bu protsessni nur yutish deb atalaladi. Nur yutish protsessi muayyan jismning isishiga olib keladi.
Ravshanki, muayyan jism nur chiqarish yo‘li bilan energiyasini yo‘qota boradi, aynan shu vaqtda nur yutishi bilan energiya olib oxiri issiqlik yoki nur muvozanati holatini olish kerak, bunda nur chiqarish hisobiga energiya yo‘qolishi, nur yutish hisobiga energiya olishini kompensatsiyalanadi.
Demak, nurlanishning hamma turlaridan faqat issiqlik nurlanishi muvozanat bo‘lishi mumkin.
Nur chiqarish va nur yutish protsesslarini miqdoriy jihatdan baholash uchun ushbu harakteristikalar kiritiladi.
Nurlanishni uning energiyasi bilan harakterlaydilar. Nurlanish energiyasini uning o‘tish vaqtiga bo‘lgan nisbati nurlanish oqimi deb ataladi, ya’ni:

(1)

Jism sirtining birlik yuzidan 1 sekundda chiqariladigan energiya kattaligi energetik yorituvchanligi deb ataladi, ya’ni:

(2)

Yuqorida keltirilgan harakteristikalar nurlanishni spektral tarkibini hisobga olmaydilar. Umumiy holda jismning chiqargan (yutgan) nuri energiyasining miqdori turli xil to‘lqin uzunliklar uchun turlicha bo‘ladi. Shuning uchun ham spektral nur chiqarish (nur yutish) qobiliyati degan tushuncha kiritiladi.
Energetik yorituvchanlikni spektral zichligi deb, to‘lqin uzunliklarining tor interval uchun hisoblangan nur chiqarish qobiliyatiga aytiladi, ya’ni:

(3)

Jismning yutish koeffitsiyenti – jismning yutgan nuri energiyasini shu jismga tushayotgan hamma nurlar energiyasini nisbatidan iborat, ya’ni:

(4)

Yutish koeffitsiyenti jismning temperaturasiga bog‘qliq. Demak, to‘lqin uzunligi va temperaturaning funksiyasidir.
Temperaturalari turlicha bo‘lgan va faqat nur chiqarish va nur yutish yo‘li bilangina energiya almasha oladigan ikkita jismdan iborat sistemani tasavvur qilaylik. Bir oz vaqt o‘tgandan keyin bunday sistemada issiqlik muvozanati yuz beradi. Termodinamik muvozanat holatida energetik yorituvchanlikni spektral zichligini yutish koeffitsiyentiga nisbati o‘zgarmas kattalik bo‘lib, u jismni tabiatiga bog‘liq bo‘lmay, hamma jismlar uchun to‘lqin uzunligi hamda temperaturaning birday (universal) funksiyasi hisoblanadi, ya’ni:


(5)
Bunday munosabat Kirxgof qonuni deyiladi va quyidagi ma’noni bildiradi:
Jism bir xil nurni qancha ko‘p yutsa, o‘sha nurni shuncha ko‘p chiqaradi.
O‘ziga tushuvchi hamma nur energiyasini har qanday temperaturada butunlay yutadigan jismni absolyut qora jism deb ataladi va bunday jism uchun α_λ = 1, α_λ < 1 bo‘lgan jismlar kulrang jismlar deb ataladi.
Tabiatda absolyut qora jismlar mavjud emas. Qurum yoki platina qorasi o‘z xususiyatlari bilan absolyut qora jismga yaqin.
Absolyut qora jismning nurlanishi nazariy tushuntirish fizika tarixida misli ko‘rilmagan darajada katta ahamiyatga ega bo‘ldi – u energiya kvanti tushunchasining kashf etilishiga olib keldi.
Energetik yorituvchanligining temperaturaga bog‘liqligi Stefan-Bolsman qonunida tavsiflanadi:
Absolyut qora jismning energetik yorituvchanligi uning absolyut temperaturasining to‘rtinchi darajasiga proporsionaldir, ya’ni:
(6)

bu yerda σ - Stefan-Bolsman doimiysi;

To‘lqin uzunligining temperaturaga bog‘liqligi Vin qonuni bilan ifodalanadi:

Absolyut qora jismning maksimum nurlanishiga to‘g‘ri kelgan to‘lqin uzunlik absolyut temperaturasiga teskari proporsionaldir, ya’ni:
λ_m · T = b (7)
bu yerda b – Vin doimiysi;
b = 0,28979 · 10^-2m · K
Stefan-Bolsman va Vin qonunlari absolyut qora jism nurlanishining xususiy qonunlaridir. Ular turli temperaturalarda energiyaning to‘lqin uzunliklar bo‘yicha taqsimlanishining umumiy manzarasini bermaydi.
1900 yilda nemis olimi Plank dadil g‘oyani aytgan, bu gipotezaga ko‘ra elektromagnit energiya butunlay aniq alohida porsiyalarda yoki kvantlarda chiqishi va tarqalishi mumkin.
Kvant energiyasining miqdori nurlanish chastotasiga to‘g‘ri proporsional:
ε = h v (8)
bu yerda h = 6,62 · 10^-34 J · s – Plank doimiysi yoki kvant ta’siri.
Plank issiqlik nurlanishining kvant harakteri to‘g‘risidagi tasavvurga asoslangan holda absolyut qora jismning energetik yorituvchanligining spektral zichligi quyidagi ifodasini olgan:

(9)

Plank formulasi (9) tajriba ma’lumotlariga to‘lik mos keladi.
Plank nazariyasi asosida Eynshteyn 1905 yilda yorug‘lik kvant nazariyasini yaratdi.
Moddaning yorug‘lik ta’sirida elektronlar chiqarish xodisasi fotoelektrik effekt yoki fotoeffekt deyiladi. Bu hodisani 1887 yilda G.Gers ochgan va 1888 yilda A.G.Stoletov tomonidan tekshirilgan.
Tashqi fotoeffektni metallarda kuzatiladi. Yorug‘lik ta’sirida elektronlarni modda chegarasidan chiqishi tashqi fotoeffekt deb ataladi. Agar elektronlar faqat o‘z atomlari va molekulalari bilan bog‘lanishni yo‘qotsayu, lekin yoritilayotgan moddaning ichida erkin elektronlar sifatida qolsa va shu bilan barcha moddaning elektr o‘tkazuvchanligini oshira borsa, u vaqtda bunday fotoeffektni ichki fotoeffekt deb ataladi.
Tashqi fotoeffektni tekshirishda foydalaniladigan prinsipial o‘lchovi sxema 1-rasmda tasvirlangan.

К ооооооооооооо А

- ооооооооооооо +




G

V

1-rasm
Batareyaning manfiy qutbi metall plastinka katodga musbat qutbi yordamchi elektrod anodga ulangan. Elektr zanjiri ochiq bo‘lganidan unda tok yo‘q. Yorug‘lik bilan katodni yoritilganda, yorug‘lik undan elektronlarni uzib chiqaradi, ular elektr maydon ta’sirida anodga tomon harakatlanadi. Natijada asbob zanjiridan fototok o‘tadi uni galvonometr bilan o‘lchanadi. Anod bilan katod orasidagi kuchlanish potensiometr yordamida o‘zgartirilishi mumkin.

Stoletov fotoeffektni atroflicha o‘rganib, quyidagi qonunlarini aniqladi tashqi fotoeffekt uchun:
1. To‘yinishi J fototoki yorug‘lik oqimiga to‘g‘ri proporsionaldir:
J = k F (10)
Bunda k – proporsionallik koeffitsiyenti bo‘lib, yoritilayotgan

sirtning fotosezgirligi deb ataladi. o‘lchanadi.

2. Tushayotgan yorug‘lik chastotasi ortishi bilan fotoelektronlarning tezligi ortadi va yorug‘likning intensivligiga bog‘liq emas.

3. Fotoeffekt yorug‘likning intensivligiga bog‘liq bo‘lmagan holda berilgan metall uchun fotoeffektning «qizil chegarasi» deb ataladigan aniq minimal chastotadan boshlanadi.
Tashqi fotoeffekt qonunlarini yorug‘qlikning kvant nazariyasi asosida izohlash mumkin. Bu nazariyaga ko‘ra, yorug‘lik oqimining kattaligini vaqt birligida metall sirtiga tushadigan yorug‘lik kvant (foton) larining soni bilan aniqlanadi. Har bir foton faqat bitta elektron bilan o‘zaro ta’sirlashadi. Shuning uchun fotoelektronlarning maksimal soni yorug‘lik oqimiga proporsional bo‘lishi kerak.
Elektron yutgan fotonning energiyasi hv elektronning metalldan chiqishi ishi A ni bajarishga sarflanadi. Bu energiyaning qolgan qismi fotoelektronning kinetik enegiyasi ga sarflanadi ya’ni:
(11)

(11) tashqi fotoeffekt uchun Eynshteyn tenglamasi deb ataladi.

Eynshteyn tenglamasi fotoeffekt xodisasi uchun energiya saqlash qonunini ifodalaydi.
(11) formulaga muvofiq yorug‘likning chastotasi kamayishi bilan fotoelektronlarning energiyasi ham kamayadi. Biror yetarlicha

kichik chastota ν=ν_o da (yoki to‘lqin uzunlik da) fotoelektron-

larning kinetik energiyasi nolga teng bo‘lib qoladi va

b unda fotoeffekt to‘xtaydi. hν₀ = A bo‘lganda, ya’ni fotonning hamma energiyasi elektronni chiqarish ishiga sarflangan bo‘ladi. U vaqtda

yoki (12)
(12) fotoeffektning «qizil chegarasi» ni aniqlaydi. Bu formulalardan fotoeffektning «qizil chegarasi» chiqish ishining kattaligiga, ya’ni fotokatod materialiga bog‘liqligi kelib chiqadi.
Ishlash prinsiplari tashqi fotoeffekt xodisasiga asoslangan asbob fotoelement deb ataladi va u texnikada keng qo‘llaniladi.
Fotoelement yordamida kino «tilga kirdi», tasvirni o‘tkazgichlar orqali masofada uzatish mumkin.
Undan tashqari, fotoelementlar fotoreleda keng qo‘llaniladi. Fotorele yordamida xilma-xil mexanizmlarni ishga keltirish mumkin. Fotorele yordamida detallarni rangi va shakliga qarab sortlash mumkin, elektrodvigatel va stanoklarni ishga tushirish yoki to‘xtatish mumkin, mayaklarni va ko‘cha chiroqlarini o‘z vaqtida yoqib, o‘z vaqtida o‘chiradi.
Oziq-ovqat mahsulotlarini tayyorlash texnologiyasida ham fotorelelardan foydalanish mumkin.
Ichki fotoeffektga asoslangan asboblar yarim o‘tkazgichli fotoelementlar yoki fotoqarshiliklar deb ataladi.
Fotoqarshiliklar ovozli kino, televideniyeda, avtomatika, telemexanikada va signalizatsiyada keng qo‘llaniladi.
Fotoelementlarning yana bir turi – ventilli fotoelementlar ichki fotoeffektga asoslangan.
Ventilli fotoelement tok generatori bo‘lib uning yordamida yorug‘lik energiyasini bevosita elektr energiyasiga aylantirish mumkin.
Quyosh batareyalari deb atalgan kremniyli fotoelementlar batareyalari kosmik yo‘ldoshlari va kemalarda radioqurilmalarni tok bilan ta’minlashda muvaffaqqiyatli qo‘llanilmoqda.
Yorug‘likning chiqishida va yutilishadi namoyon bo‘ladigan xossalari korpuskulyar xossalar deb ataladi. Yorug‘lik zarrachasining o‘zi esa foton yoki yorug‘lik kvanti deyiladi.
Foton, xuddi zarrachalar kabi, energiyaning muayyan porsiyasiga ega va uning energiyasi quyidagicha ifodalanadi:
ε = h v (13)
Nisbiylik nazariyasiga ko‘ra, energiya bilan massa orasidagi bog‘lanish quyidagi ifoda orqali berilgan:
ε = mc² (14)
Plank gipotezasiga muvofiq, fotonni energiyasi quyidagi formulalar bilan aniqlanadi:
ε = mc²; ε = hν (15)
Tenglamalarni o‘ng tomonlarini tenglashtirib, fotonni massasi uchun ifodani hosil qilasiz:

(16)
yoki s = λν ni nazarga olsak, u paytda

(17)
Fotonning impulsi

R = mc (18)
(18) formulada m o‘rniga (16) va (17) formulalar orqali topgan ifodasini yozsak, u paytda:

yoki (19)

Chastota qanchalik katta bo‘lsa, fotonning energiyasi va impulsi shunchalik katta va yorug‘likning korpuskulyar xossalari shunchalik yaqqol namoyon bo‘ladi.

АДАБИЁТЛАР :

1. 
   I.V.Savelev. Umumiy fizika kursi.
   
2. 
   R.I.Grabovskiy. Fizika kukrsi.
   
3. 
   Ismoilov M., Habibullayev P., Xaliulin M. Fizika kursi.
   
4. 
   Abdullayev G. Fizika.
   
5. 
   Savelev I.V. «Umumiy fizika kursi»
   
6. 
   Savelev I.V. «Umumiy fizika kursi»
   
7. 
   Rasulmuhamedov A.G, Kamolov J., Izbosarov B.F. «Umumiy fizika kursi»
   
8. 
   Nazarov O‘.Q. Umumiy fizika kursi.
   

9. Sivuxin D.V. “Umumiy fizika kursi”.
10. www.ziyonet.uz