Fizika · Atom va kvant fizikasi · 11-sinf

Fotoeffekt

Nega kuchli qizil nur elektronni urib chiqara olmaydi, zaif ultrabinafsha esa chiqaradi?

Vaziyat

Tungi ko‘rish durbinida zaif yorug‘lik avval yupqa metall qatlam — fotokatodga tushadi va undan elektronlarni urib chiqaradi; elektronlar kuchaytirilib ekranda tasvir hosil qiladi. Yorug‘lik sezgichlari va eski fotoelementlar ham shu hodisaga asoslangan. (Quyosh panellari esa ichki fotoeffekt bilan ishlaydi: elektron metalldan chiqmaydi, yarimo‘tkazgich ichida erkin bo‘ladi.) Nega kuchli qizil nur elektronni chiqara olmaydi, zaif ultrabinafsha esa chiqaradi?

Mavzu

Fotoeffekt. Fotoelement va tungi ko‘rish qurilmasi

Asosiy tushunchalar

Foton energiyasi
Chiqish ishi
Eynshteyn tenglamasi

Formulalar

E = h ν = \frac{h c}{λ}

Bitta foton energiyasi chastotaga bog‘liq, intensivlikka emas.

h ν = A + \frac{m v_{m a x}^{2}}{2}

Eynshteyn tenglamasi: foton energiyasi chiqish ishiga va elektronning kinetik energiyasiga sarflanadi.

e U_{t} = \frac{m v_{m a x}^{2}}{2} = K_{m a x}

To‘xtatuvchi (tormozlovchi) kuchlanish eng tez elektronni ham anodgacha yetkazmaydi.

ν_{0} = \frac{A}{h}, λ_{m a x} = \frac{h c}{A}

Fotoeffektning qizil chegarasi: bundan uzun to‘lqinda elektron chiqmaydi.

I_{t} = e η N_{f}

To‘yinish toki: sekundiga tushadigan fotonlar soni $N_{f}$ ga, ya’ni intensivlikka proporsional.

Nazariya

Yorug‘lik — fotonlar oqimi

Yorug‘lik energiyasi “bo‘lak-bo‘lak” — fotonlar bilan yetib keladi. Bitta foton bitta elektronga butun energiyasini beradi. Intensivlikni oshirish fotonlar sonini oshiradi, lekin har bir fotonning energiyasi $h ν$ o‘zgarmaydi. Foton massasiz, lekin uning impulsi ham bor: $p = h / λ = h ν / c$ — yorug‘lik bosimi shundan (batafsil — «Foton impulsi va Kompton effekti» tajribasida).

Nega chastota hal qiladi?

Elektronni metalldan chiqarish uchun kamida $A$ (chiqish ishi) energiya kerak. Agar $h ν < A$ bo‘lsa, fotonlar qanchalik ko‘p bo‘lmasin, hech biri elektronni chiqara olmaydi — energiya bo‘lib-bo‘lib yig‘ilmaydi. Shuning uchun ruxdan qizil nur emas, ultrabinafsha nur elektron urib chiqaradi.

Volt-amper xarakteristika

Anodga musbat kuchlanish berilsa, deyarli barcha elektronlar yig‘iladi — tok to‘yinadi. Manfiy (tormozlovchi) kuchlanishda faqat yetarlicha tez elektronlar o‘tadi; $U = - U_{t}$ da tok nolga tushadi. $U_{t}$ ga qarab $K_{m a x} = e U_{t}$ topiladi.

Planck doimiysini o‘lchash

Turli chastotalarda $U_{t}$ ni o‘lchab, $e U_{t}$ ning $ν$ ga bog‘liqligini chizsak, to‘g‘ri chiziq chiqadi: og‘ish burchagi $h$ ni, kesishish nuqtasi $A$ ni beradi. Robert Milliken 1916-yilda aynan shu usul bilan Eynshteyn tenglamasini tasdiqlagan. Model: elektron energiyasi $[0; K_{m a x}]$ oralig‘ida tekis taqsimlangan, yo‘nalishi Lambert qonuni bo‘yicha, kvant chiqishi $η = 0,1 %$ , elektrodlar tekis, oraliq 20 mm. Anod va katod orasidagi kontakt potensiallar farqi hisobga olinmagan: haqiqiy asbobda u o‘lchangan $U_{t}$ ga qo‘shiladi, shuning uchun to‘g‘ri chiziqning kesmasi aslida anod moddasining chiqish ishini beradi, og‘ishi ( $h$ ) esa o‘zgarmaydi.

Fotoeffekt qonunlari va fotoelementlar

A. G. Stoletov 1888–1890-yillarda yoritilgan metall plastinka (katod) va uning oldidagi metall to‘r (anod) bilan tajriba o‘tkazib, to‘yinish toki yorug‘lik oqimiga proporsional ekanini (Stoletov qonuni) va tok yoritilgan zahoti paydo bo‘lishini — fotoeffekt inersiyasiz ekanini aniqlagan. F. Lenard (1902) fotoelektronlarning maksimal energiyasi intensivlikka bog‘liq emas, chastota bilan ortishini topgan; har bir modda uchun qizil chegara $ν_{0} = A / h$ bor. Klassik to‘lqin nazariyasi oxirgi ikki qonunni tushuntira olmagan — 1905-yilda Eynshteyn ularni foton tushunchasi bilan izohlagan. Qo‘llanilishi: vakuum fotoelementlar (eski kinoproyektorlarda tovush yo‘lagini o‘qish, fotorelelar), fotoelektron ko‘paytirgich (FEK) — fotokatoddan chiqqan har bir elektron ketma-ket dinodlarga urilib, ikkilamchi elektronlar urib chiqaradi, 10–12 dinodda tok 10⁶–10⁷ marta kuchayadi, shuning uchun FEK bitta fotonni ham sezadi; tungi ko‘rish asboblari fotokatoddan chiqqan elektronlarni tezlatib, lyuminessent ekranga yo‘naltiradi. Ichki fotoeffektda elektron moddadan chiqmaydi, yarimo‘tkazgich ichida erkin bo‘lib, o‘tkazuvchanlikni oshiradi — fotorezistor, fotodiod, quyosh elementi («Yarimo‘tkazgichlar fizikasi» tajribasida).

Yorug‘likning kimyoviy ta’siri va fotografiya

Yorug‘lik moddani qizdiradi, elektron urib chiqaradi, bosim beradi va kimyoviy reaksiyalarni ham yuritadi: fotosintez, ko‘zning to‘r pardasidagi rodopsin molekulasining o‘zgarishi, quyoshda terining qorayishi, bo‘yoqlarning oqarishi. Bu yerda ham bitta foton bitta molekulani o‘zgartiradi, shuning uchun fotoeffektdagidek foton energiyasi hal qiladi, nurning kuchi emas: ultrabinafsha nur kuydiradi, qizil nur esa soatlab tushsa ham kuydirmaydi. Fotografiyada kumush bromid (AgBr) kristallarida foton elektronni ajratadi, elektron kumush ionini atomga aylantiradi — “yashirin tasvir” markazlari hosil bo‘ladi; ochiltirgich ularni qora kumush donalariga aylantiradi. Oddiy qora-oq fotoqog‘oz faqat ko‘k-binafsha va ultrabinafsha nurni sezadi — shuning uchun fotolaboratoriyada qizil fonar yoqib ishlash mumkin.

Bilasizmi?

Albert Eynshteyn 1921-yil uchun Nobel mukofotini nisbiylik nazariyasi uchun emas, aynan fotoeffekt qonunini tushuntirgani uchun olgan.
2019-yildan beri Planck doimiysi aniq belgilangan qiymat: $h = 6,62607015 \cdot 10^{- 34}$ J·s. Kilogramm endi aynan shu doimiy orqali ta’riflanadi.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.

Shu bo‘limdagi boshqa tajribalar

Yarimo‘tkazgichlar fizikasi — 9-sinf
Atom tuzilishi va spektrlar — 11-sinf
Radioaktivlik, yarim yemirilish — 11-sinf
Yadro reaksiyalari — 11-sinf
Vodorod atomi orbitallari — 11-sinf
Issiqlik nurlanishi va Plank — 11-sinf
Foton impulsi va Kompton effekti — 11-sinf
De Broyl to‘lqinlari — 11-sinf
Rezerford tajribasi — 11-sinf
Atom yadrosi va bog‘lanish — 11-sinf