Mühazirə №2 plank hipotezi. Plank düsturu. Fotoelektrik effekti. Eynşteyn düsturu. DaxiLİ fotoeffekt fotoelementlər plan

2.FOTOEFFEKT HADİSƏSİ.

Elektromaqnit şüalanmasının (işığın) təsiri ilə maddədən elektronların qopması hadisəsi fotoelektrik effekti (foteffekt) adlanır.

Fotoeffekt elektrik və optik hadisələr arasında bilavasitə əlaqə yaradır. Fotoeffektin aşağıdakı növləri mövcuddur: xarici, daxili, nüvə və ventil fotoeffektləri.

Cismin (metalların) səthindən işığın təsiri ilə elektronların xarici (vakuum və qaz) fəzaya çıxarılması hadisəsi xarici fotoeffekt adlanır.

İşığın təsiri ilə cismi (dielektrik və yarımkeçirici) təşkil edən atomlardan elektronları qopararaq sərbəst hala keçib, kristalda keçirici elektronların yaranması hadisəsi daxili fotoeffekt adlanır.

Atomun nüvəsi tərəfindən çox qısa dalğalı şüanın (rentgen, yaxud şüalanma) udulması nəticəsində oradan nuklonlar (protonlar və neytronlar) buraxılması hadisəsi nüvə fotoeffekti adlanır.

İki müxtəlif yarımkeçirici, yaxud yarımkeçirici-metal kontaktında heç bir xarici elektrik sahəsi olmadan, təkcə işıq təsiri ilə e.h.q. yaranması hadisəsi ventil fotoeffekt adlanır.

Hers (1887) gərginlik altında olan elektrodları ultrabənövşəyi işıqla işıqlandırdıqda boşalmanın asanlaşdığını müşahidə etmişdir. Halvaks (1888) müəyyən etmişdir ki, Hersin müşahidə etdiyi hadisə işığın təsiri ilə qopan yük­lərin elektrik sahəsində sürətlənərək ətrafdakı qaz atomlarının ion­laş­­dırılması ilə əlaqədardır. A.Q.Stoletovun 1888-1890-cı illərdə 2-ci şəkildə göstərilən qurğunun köməyi ilə apardığı müfəssəl tədqiqatı hadisənin mahiyyətini aydınlaşdırmağa və mühüm nəticəyə gəlməyə imkan vermişdir. Keçirici T toru və bütöv L lövhəsi ardıcıl olaraq batare­ya dövrəsinə və Q - qalvanometrinə birləşdirilmişdir. İşıq tordan keçərək bütöv lövhənin (katodun) üzərinə düşür. Nəticədə dövrədə cərəyanın yaranmasını Q – qalvanometri qeydə alır.

Stoletov öz təcrübələri əsasında aşağıdakı nəticələrə gəlmişdir:

1. Ən effektli təsiri ultrabənövşəyi şüalar göstərir.

2. Fotocərəyanın şiddəti elektrod üzərinə düşən işığın intensivliyi ilə düz mütənasibdir.

3. İşığın təsiri ilə katoddan mənfi yüklər qopur.

1 0 il sonra (1898) Lenard və Tomson işığın təsiri ilə katoddan qopan yüklü zərrəciyin xüsusi yükünü təyin edərək müəyyən etdilər ki, həmin yüklü zərrəcik elektrondur. Təcrübələr göstərmişdir ki, metallarda xarici fotoeffekt metalın kimyəvi təbiətindən əlavə onun səthinin vəziyyətindən də asılıdır. Hətta metal səthinin çox kiçik çirklənməsi işığın təsiri ilə emissiyaya çox böyük təsir göstərir. Ona görə də Lenard və başqaları Stoletovun qurğusunu təkmilləşdirərək elektrodları boşluqda (vakuumda) xüsusi balonda yerləşdirdilər (şəkil 3).

Fotoeffektin təcrübi olaraq öyrə­nilməsi buraxılan elektron­ların sayının və onların enerjisi­nin düşən monoxromatik işığın intensivliyindən və tezliyindən asılılığının ölçülməsindən iba­rət­dir. Təcrübələrin nəticələri ilə tanış olaq:

1 . Vakuum fotoelementinin fotokatodu sabit intensivlik və tezlikli ( ) işıqla şüalanır. 4- cü şəkildə monoxromatik işıq selinin təsiri ilə yaranan fotocərəyanın elektrodlar arasındakı potensiallar fərqindən aslılığı (fotocərəyanın volt-amper xarakteristikası) göstərilmişdir.

Fotokatoddan buraxılan elektronlar sürətləndirici və bağlayıcı elektrik sahəsinin təsirinə məruz qalırlar. Şəkildən göründüyü kimi:

a) verilmiş katod maddəsi üçün xarakterik olan mənfi gərginliyin elə bir qiymə­ti vardır ki, orada fotocərəyanın qiyməti sıfra bərabərdir. Mənfi gərginliyin həmin qiyməti bağlayıcı potensial adlanır. Görünür elə maksimal kinetik enerji mövcuddur ki, bağlaycı potensialdan kiçik qiymətlərdə bir dənə də elektronun enerjisi həmin enerjini aşmır və nəticədə fotocərəyan yaranmır.

b) Fotocərəyan gərginliyin qiymətində yara­nır. Bağlayıcı potensialın qiymətindən böyük qiymətlərində gərginliyin artması ilə fotoelektronların məlum maksimal kinetik enerjisini aşıb, anod üzərinə çatan fotoelektronların sayı, həmin enerjidən kiçik olan və sahə tərəfindən geri-fotokatod üzərinə qaytarılan fotoelektronlara nisbətən sürətlə artır. Nəticədə elektrodlar arasında gərginliyin artması ilə fotocərəyanın qiyməti artır.

c) Gərginliyin müəyyən qiymətlərində fotocə­rəyan gərginlikdən asılı olmur. Bu o deməkdir ki, fotokatod tərəfindən buraxılan bütün elektronlar gəlib anoda çatırlar. Fotocərəyanın bu qiyməti doymacərəyanı adlanır .

2. Fotokatod tezliyi sabit və intensivliyi (L) dəyişən işıqla şüalanır (şəkil 5).

Buradan aşağıdakı nəticələr çıxır:

a) Bağlayıcı potensialın qiyməti düşən işığın intensivliyindən asılı deyildir və yaxud olduğu üçün deyə bilərik: işığın təsiri ilə qopan elektronların sürəti, yaxud kinetik enerjisi işığın intensivliyindən asılı deyildir.

b) Doyma cərəyanının qiyməti və deməli fotoelektronların sayı düşən işığın intensivliyi ilə mütənasib olaraq artır.

3. Fotokatod intensivliyi sabit (L=const) və tezliyi dəyişən işıqla şüalanır (şəkil 6). Təcrübədən aşağıdakılar müəyyənləş­mişdir:

a) Bağlayığı potensialın qiyməti düşən işığın tezliyindən asılıdr, həm də bu asılılıq xəttidir (şəkil 7).

b) işığın təsiri ilə qopan elektronların sürəti və deməli kinetik enerjisi yalnız düşən işığın tezliyindən asılıdır.

Təcrübədən alınan bütün nəticələri ümumiləşdirərək fotoeffektin aşağıdakı qanunları müəyyənləşdirilmişdir:

1.Vahid zamanda buraxılan fotoelektronların sayı düşən şüanın intensvliyi ilə mütənasibdir.

2.Fotoelektronların qopma anındakı kinetik enerjisi düşən şüanın intensivliyindən asılı olmayıb, onun tezliyindən xətti asılıdır.

3.Düşən şüanın tezliyi nə qədər ki, kritik qiymətini aşmamışdır, fotoelektronlar buraxılmır. verilmiş maddə üçün fotoeffektin qırmızı sərhəddi adlanır.

Fotoeffektin birinci qanununu klassik fizika qanunları əsasında izah etmək olar. İşıq sahəsinin təsiri ilə elektronlar rəqsə gəlir, rəqsin amplitudu müəyyən qiymətə qədər böyüdükdən sonra elektron metalı tərk edir. Lakin II və III qanunlar klassik fizikanın köməyi ilə izah oluna bilmir. Plank mütləq qara cismin spektrini aydınlaşdırmaq üçün belə bir postulat vermişdir ki, atomlara enerjini həmişə kvantlarla şüalandıran ossilyatorlar kimi baxmaq lazımdır.

Lakin belə ossilyatorlar klassik fizika qanunları əsasında qurula bilməzdi. Fotoeffektin II və III qanunlarından belə bir nəticə çıxır ki, fotoelektronların maksimal kinetik enerjisi

(5)

olmalıdır. Klassik elektron nəzəriyyəsinə görə fotoelektron­ların enerjisi düşən şüanın intensivliyindən asılı olaraq dəyiş­məli idi və onun tezliyindən asılı olmamalı idi. Göründüyü kimi, bununla da klassik qanunların gücsüzlüyü özünü göstərir.

1905-ci ildə Eynşteyn Plankın şüalanmaya dair işlərinə əsaslanaraq fotoefektin yeni nəzəriyyəsini təklif etdi. O göstərdi ki, yalnız işığın şüalanması və udulması kvantlarla deyil, həm də yayılması kvantlarla baş verir.

Şüalanmaya hər biri özü ilə enerji və impuls daşıyan fotonlar (kvantlar) seli kimi baxılır. Hər bir foton bərk cisim üzərinə düşərkən özünün enerjisini ayrıca bir elektrona verə bilər. Bu enerjinin bir hissəsi fotoelektronun metaldan qopmasına (A - çıxış işinə), digər hissəsi isə sərbəst fotoelektronların kinetik enerjisinə sərf olunacaqdır. Bu fotoeffekt üçün enerjinin saxlanma qanunu deməkdir.

Bu qanun ilk dəfə Eynşteyn tərəfindən verilmişdir:

(6)

yaxud

(7)

Sonuncu ifadədən görünür ki, hər bir buraxılan elektronun kinetik enerjisini fərqi müəyyən edir. Onu üç hal üçün nəzərdən keçirək:

1) Fotonun enerjisi elektronun çıxış işindən kiçikdir . Bu halda olduğu üçün elektron metalı tərk edə bilməyəcək və xarici fotoeffekt yaranmayacaqdır.

2) Fotonun enerjisi elektronun çıxış işinə bərabərdir:

(8)

Bu o deməkdir ki, və beləliklə də olacaqdır. (30) ifadəsi ilə təyin olunan tezlik fotoeffekt yarada bilən ən kiçik tezlikdir . Bu tezlik düşən fotonun enerjisinin elektronun çıxış işinə bərabərliyi şərtindən təyin olduğu üçün (30) ifadəsini

(9)

şəklində yaza bilərik. (9) şərti ilə təyin olunan tezlik fotoeffektin «qırmızı sərhəddi» adlanır. Görünən işıq oblastının ən kiçik tezlik sərhəddi qırmızı işıq olduğu üçün onu belə adlandırmışlar. ifadəsindən istifadə edərək metallar üçün sərhəd tezliyini hesablaya bilərik. A- çıxış işi metallar üçün bir neçə elektronvolt təşkil edir.

Tezliyin 10¹⁵ Hs qiyməti spektrin görünən oblastına düşür. Deməli metallarda fotoeffekt hadisəsi görünən işığın təsiri ilə başlayır. (9) ifadəsini (7)-də nəzərə alsaq, (10)

olar. Bu sonuncu ifadə formasına görə eksperimentdən olınan (5) ifadəsinin eynidir. Bununla da Eynşteyn fotoelektrik effektindən istifadə edərək işıq zərrəciklərinin (fotonların) varlığını isbat etdi.

3) Fotonun enerjisi elektronun çıxış işindən böyükdür. Yəni və (11)

Bu zaman xarici fotoeffekt baş verəcək və hətta elektronun metalın səthindən uzaqlaşması üçün kifayət qədər kinetik enerjyə malik olacaqlar. 16-cı şəkildə təsvir olunan düz xətt Eynşteynin (29) tənliyi ilə müəyyən olunur. Başqa sözlə, fotoeffekt zamanı elektronun kinetik enerjisinin fotonun tezliyindən asılılığını ifadə edir. Belə ki, elektronun kinetik enerjisini bağlayıcı potensialla ifadə etsək (12)

onda (29) ifadəsini aşağıdakı kimi yaza bilərik: və ya (13)

Sonuncu (13) ifadəsi riyaziyyatdan bizə məlum olan, ordinat oxunu nöqtəsində kəsən və meyli olan şəklindəki düz xəttin tənliyidir. Nə qədər ki, şüalanmanın tezliyi miqyasında yerləşir, fotoeffekt hadisəsi baş vermir. Müxtəlif maddələrdən hazırlanmış fotokatodlar üçün ın qiyməti dəyişir, lakin h və e sabitlərinin nisbəti ilə təyin olunan düz xəttin meyli sabit qalır. (13) ifadəsində nəzərə alsaq, (14)

alarıq. Axırıncı ifadədən görünür ki, bağlayıcı potensialın qiyməti fotokatod üzərinə düşən işığın intensivliyindən asılı olmayıb, onun tezliyindən asılıdır.

Bağlayıcı potensialın düşən işığın tezliyindən asılılıq qrafikini qurmaqla elektronun metaldan çıxış işini və Plank sabitini təyin etmək olar.