Tema: Fotoeffekt. Fotoeffekt nızamları

2-3. Fotoeffekt, onıń túrleri hám nızamları. Eynshteyn teńlemesi
Jaqtılıq tásirinde zat betinen elektronlardı urıp shıǵarıw qubılısı fotoelektrlik effekt yaki sırtqı fotoeffekt dep ataladı. Ushıp shıqqan fotoelektronlar sebepli júzege kelgen (payda bolǵan) elektr togi fototok dep ataladı. Sırtqı fotoeffekt, tiykarınan metallarda hám metal oksidlarında baqlanadı. Bul fotoeffektten tısqarı ishki hám ventilli fotoeffektlerde bar. Ishki fotoeffekt yarım ótkizgishlerde hám dielektriklerde baqlanadı. Bunda elektronlar jaqtılıq energiyasın jutıp, valent zonadan ótkizgishlik zonasına ótedi (elektronlar baylanısqan haldan erkin halǵa ótedi).
Eki túr elektr ótkeriwsheńlikke (electron hám gewek ótkeriwsheńlikke) iye bolǵan yarım ótkizgishler shegarasına yaki metal menen yarım ótkizgishlik shegararasına jaqtılıq túsiwi nátiyjesinde EQK (elektr qozǵawshı kúsh) payda bolıw qubılısı ventilli fotoeffekt delinedi. Bul qubılıstı birinshi bolıp rus alımı A.G.Stoletov tárepinen tolıq tekserilgen.
1-súwret.
Fotoeffekt nızamlıqların úyreniw ushın 1-súwrette kórsetilgen qurılmadan paydalanıladı. Anod penen katodqa iye bolǵan hawası sorıp alınǵan shisha balonnıń diywalları jaqtılıq ótkermew ushın qaraǵa boyalǵan. Tok dereginiń teris polyusi katodqa jalǵanǵan bolıp, katodqa jaqtılıq tek ǵana kvarc ayna menen qaplanǵan sańlaq arqalı túsedi. Jaqtılıq tásirinde katodtan ajıralıp shıqqan elektronlar katod átirapında toplanıp elektronlar bulıtın payda etedi. Olardan bazılarınıń tezlikleri júdá úlken bolǵanı ushın olar anodqa jetip baradı hám fototok júzege keledi. Anod hám katod arasına kernew bersek onıń maydanında elektron bulıtı qozǵalısqa keledi hám anodqa jetip baradı. Nátiyjede anodta payda bolǵan toktı milliampermetr mA kórsetedi. Shınjırdaǵı voltmetr V katod-anod arasındaǵı kernewdi ólshew ushın, reostat R bolsa bul kernewdi ózgertiw ushın xızmet etedi. Bul qurılma járdeminde fototoktıń Volt-amper xarakteristikası tekseriledi. Fototoktıń katod-anod aralıǵındaǵı kernewge baylanıslılıǵın kórsetiwshi 𝐼_𝐹 = 𝑓(𝑈) grafik fototoktıń volt-amper xarakteristikası (VAX) delinedi. 2-súwrette túsip atırǵan jaqtılıq aǵımınıń eki mánisi ushın
VAX súwretlengen, VAXdan kórinedi, katod-anod aralıǵındaǵı kernew U=0 ge teń bolǵanda da fotoelektronlar anodqa jetip barıp fototoktı júzege keltiredi. Kernew artıp barıwı menen fototoktıń mánisi de artıp baradı. Biraq katod-anod kernewiniń belgili bir mánisinen baslap, berilgen jaqtılıq aǵımı ushın fototoktıń mánisi ózgermey qaladı. Fototoktıń bul mánisi toyınıw toki dep ataladı. Katodtan 1 sekundta ajıralıp shıqqan elektronlardıń barlıǵı sol waqıt ishinde anodqa jetip keliwi nátiyjesinde payda bolǵan tokqa toyınıw fototoki delinedi. Toyınıw fototokı jaqtılıq aǵımına tuwrı proporcional, yaǵnıy qansha kóp jaqtılıq tússe, sonsha kóp elektronlar ajıralıp shıǵadı (15.2-súwret Ф₂ > Ф₁).

Jaqtılıq tásirinde katodttan ajıralıp shıqqan elektronlar hár qiylı baslanǵısh tezliklerge iye. Sonıń ushın katod-anod arasındaǵı maydan tormızlawshı bolǵanda da (anod teris, katod oń potencialǵa iye) anodqa jetip keliwshi elektronlar bar. Tormozlawshı maydannıń potencial energiyası elektronlardıń maksimal kinetikalıq energiyasına teń bolǵandaǵı kernewdiń mánisinde fototok joǵaladı, yaǵnıy anodqa elektronlar jetip kelmeydi. Kernewdiń bul mánisi toqtatıwshı kernew 𝑈₀ delinedi:

(1)
Bul jerde, e=1.6·10^-19 C elektronnıń zaryadı. Fotoktıń volt-amper xarakteristikasın úyreniw nátiyjesinde fotoeffekttiń támendegi nızamları anıqlanǵan.

1. 
   Belgili fotokatodqa túsip atırǵan jaqtılıqtıń spectral quramı turaqlı bolsa, fototoktıń toyınıw mánisi jaqtılıq aǵımına tuwrı proporcional, yaǵnıy:
   

I_F=jФ (2)
bunda 𝐼_𝐹-fototok, j – proporcionallıq koefficienti bolıp, ol fotoelementtiń integral sezgirligi delinedi. ^[𝑗^] = 𝜇𝐴/𝑙𝑚 , Ф – jaqtılıq aǵımı.

2. 
   Fotokatodtan ajıralıp shıǵıp atırǵan fotoelektronlardıń baslanǵısh tezlikleriniń maksimal mánisi 𝑣_𝑚𝑎𝑥 jaqtılıq intensivligine baylanıslı emes. Jaqtılıqtıń jiyligi artıp barıwı menen fotoelektronlardıń maksimal tezlikleri de artıp baradı.
   
3. 
   Hár bir fotokatod ushın belgili bir “qızıl shegara” bar bolıp, onnan úlkenirek tolqın uzınlıqqa iye jaqtılıq tásirinde fotoeffekt júzege kelmeydi. 𝜆₀ diń mánisi jaqtılıq intensivligine baylanıslı emes, ol tek fotokatod materialınıń ximiyalıq tábiyatına hám bettiń halatına baylanıslı.
   
4. 
   Jaqtılıqtıń fotokatodqa túsiwi menen fotoelektronlardıń payda bolıwı arasında sezilerli waqıt ótpeydi.
   

Joqarıda atap ótilgen nızamlardıń tek ǵana birinshisin jaqtılıqtıń elektromagnit tolqın teoriyası tiykarında túsindiriw múmkin. Biraq qalǵan úsh nızamdı bul teoriya túsindire almaydı. Fotoeffekt qubılısın túsindiriw ushın Eynshteyn M.Plank gipotezasınan paydalanıp ǵana qalmastan, onı rawajlandırdı. Onıń pikirine kóre: Jaqtılıq kvantlar yaǵnıy porciyalar túrinde nurlanıw menen birge jaqtılıq energiyasınıń tarqalıwı da, jutılıwıda kvantlanǵan boladı. Demek, metall betine túsip atırǵan jaqtılıqtı kvantlar aǵımı dep qaraw kerek boladı. Bunda hár bir jaqtılıq kvantı energiyası tómendegige teń boladı:
𝜀 = ℎ𝜈 ⁽3⁾.

3. 
   ańlatpada 𝜀 – jaqtılıq kvantı (foton) energiyası, 𝜈 – jaqtılıqtıń terbelis jiyligi, h – Plank turaqlısı (ℎ = 6,62 ∙ 10⁻³⁴ 𝐷𝑗 ∙ 𝑠). Energiyanıń saqlanıw nızamınan paydalanıp Eynshteyn fotoeffektti túsindirdi. Bunda metall betine túsip atırǵan fotonnıń energiyası olardıń óz ara tásirlesiwi nátiyjesinde elektron energiyasına aylanadı. Eger usı energiya
   

shıǵıw jumısı 𝐴_𝑠ℎ nan úlken bolsa (yaǵnıy ℎ𝜈 > 𝐴_𝑠ℎ), fotoeffekt júz beredi. Energiyanıń qalǵan bólegi metalldan sırtqa shıqqan fotoelektronnıń kinetikalıq energiyasına aylanadı. Usı pikirdi matematikalıq túrde tómendegishe jazıw múmkin:
(4)

3. 
   ańlatpanı fotoeffekt ushın Eynshteyn formulası delinedi. Eynshteynniń bul formulası járdeminde fotoeffekttiń barlıq nızamların túsindiriw múmkin. (4) formulaǵa kóre, fotoeffekt júz beriwi ushın ℎ𝜈 = 𝐴_𝑠ℎ bolıwı jetkilikli. Bul teńlik tiykarında fotoeffekttiń qızıl shegarasın túsindiriw múmkin. “Qızıl shegara” túsip atırǵan fotonnıń jiyligine baylanıslı bolıp, onıń intensivligine baylanıslı emes (intensivlik degende bir birlik maydanǵa túsip atırǵan fotonlar sanı túsiniledi). Kópshilik metallar ushın “qızıl shegara” spektrdiń infraqızıl bóliminde jaylasqan boladı. Siltili metallar ushın bolsa ol jaqtılıqtıń kórinetuǵın bóliminde jaylasqanlıǵı sebepli fotoelementlerde fotokatod siltili metallardan jasaladı. Fotoeffektke tiykarlanǵan qurılma fotoelement dep ataladı. Ishinen hawası sorıp alınǵan kvarc shishadan jasalǵan balon fotoelement qabıǵın quraydı. Balon ishine kaltco kórinisindegi metall sım kepserlengen bolıp, ol anod wazıypasın orınlaydı. Shisha balonnıń ishki betiniń bir bólimi ceziy elementi atomları yaki basqa bir elementtiń oksidi menen qaplanǵan boladı. Bul juqa qatlamǵa sım kepserlengen bolıp, ol shisha balon sırtına shıǵarılǵan boladı hám ol tok dereginiń teris polyusına jalǵanadı. Metalldıń juqa qatlamı katod wazıypasın orınlaydı, katodqa jaqtılıq aǵımı túsiwi ushın katod tuwrısında ballon diywalında kishkene sańlaq qaldırılıp, ballonnıń qalǵan bólimin jaqtılıq túspeytindey etip qaplanadı. Fotoelementler házirde texnikada hám turmısta, uzaqtan basqarıwshı sistemalarda keń túrde qollanılıp kelmekte.
   

Fotoelementtiń sezgirligin arttırıw ushın balon basımı 1 Pa atirapında bolǵan inert gaz menen toltırıladı. Fotoelektronlar inert gaz atomları menen urılıp olardı ionlastırıwı nátiyjesinde tok mánisi artadı. Bunday fotoelementlerde katod-anod arasındaǵı kernew belgili bir mánisten artpawı kerek, keri jaǵdayda gazda erkin gaz razryadı júz berip fotoelementti isten shıǵaradı. Bul jaǵdayda toyınıw fototokı baqlanbaydı.
Tolqın teoriyasına tiykarlanıp, elektron metalldan ajralıp shıǵıwı ushın kerekli energiyanı hár qanday jaqtılıqtan alıwı múmkin, yaǵnıy jaqtılıq tolqın uzınlıǵınıń áhmiyeti joq. Tek jaqtılıq intensivligi jetkiliklishe úlken bolıwı kerek. negizinde, tolqın uzınlıǵı qızıl shegaradan úlken bolǵan jaqtılıqtıń intensivligi hár qansha úlken sonda da, fotoeffekt hádiysesi júz bermeydi. Kerisinshe, tolqın uzınlıǵı qızıl shegaradan kishi bolǵan jaqtılıq intensivligi aqır-aqıbetde kúshsiz sonda da fotoeffekt hádiysesi baqlanadı. Bunnan tısqarı, asa kúshsiz intensivlikdagi jaqtılıq túsip atırǵan táǵdirde, tolqın teoriyasına tiykarlanıp, jaqtılıq tolqınlar tashib kelgen energiyaler ornına metall daǵı elektron málim muǵdardaǵı energiyanı toplap alıwı kerek. Bul energiya elektrondıń metalldan shıǵıwı ushın jetkilikli bolǵan halda fotoeffekt júz bolıwı kerek. Esaplawlardıń kórsetiwishe, intensivligi júdá kem bolǵan jaqtılıqtan Ach ga jetkilikli energiyanı elektron toplap alıwı ushın saatlap, hátte kunlab waqıt ótiwi kerek eken. Tájiriybelerde bolsa metallǵa jaqtılıqtıń túsiwi hám fotoelektronlarning payda bolıwı arasında 10 -9 sekundlar shaması waqıt ótedi.