Фотоэффект құбылысы

ФОТОЭФФЕКТ ҚҰБЫЛЫСЫ

 

1. 1887 жылы орыс  ғалымдары Генрих Герц пен  А.Г.Столетов электродтардың арасындағы ұшқынды разрядты зерттеу кезінде мына құбылысқа көңіл аударды. Әдетте ұшқынды разряд (газдағы электр тогы) электродтар арасындағы кернеу U белгілі U_тіп шамасынан асқанда ғана байқала бастайды. Ал олар электродтардың біріне (катодка) ультракүлгін сәуле түсіргенде, U кернеу U_тіп шамасынан кіші (U < U_тіп) болса да разряд ұшқынының пайда болғанын байқады (1-сурет). Бұның сырын қалай түсіндіруге болады?

Разряд деп газдардағы электр тогын айтатынбыз. Ендеше, ультра-күлгін сәуле электродқа түскенде, оның бетінен электр тогын таситын зарядталған бөлшектерді жұлып шығарады деп жори аламыз. Шынында да, жарық түскен кезде металл беттерінен теріс зарядталған бөлшектердің босап шығатыны тәжірибеден белгілі болды. Кейінірек ондай бөлшектердің   металдан   босап   шыққан электрондар ағыны екендігі анықталды. Сонымен катар электрондар жарық түскенде сұйық беттерінен де босап шығатындығы байқалды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сәулелердің әсерінен электрондардың сұйық және қатты дене

бетінен босап шығу құбылысын сыртқы фотоэлектрлік эффект

(қысқаша фотоэффект) деп атайды.

II. Фотоәффект құбылысын жарықтың толқындық теориясы бойынша түсіндіріп көрейік. Бұл теория бойынша толқын металл бетіне түскенде, ондағы электрондарды тербеліске келтіреді. Түскен толқынның амплитудасы артқан сайын, еріксіз тербелетін электрондардың ауытқуы да өсе түседі. Сөйтіп, көбірек ауытқыған электрондар дене бетінен ыршып сыртқа шығады. Ендеше, босап шыққан электрондардың жылдамдығы түскен толкынның X ұзындығы өскен сайын үнемі артып отыруы керек.

Алайда, тәжірибе нәтижелері керісінше болып шықты. Шындығында, босап шыққан электрондардың жылдамдығы, түскен сәулелердің толқын ұзындығы кеміген сайын арта береді. Сөйтіл, фотоэффект құбылысын жарықтың толқындық теориясы негізінде түсіндіру талабы сәтсіз аяқталды.

ФОТОЭФФЕКТ ҚҰБЫЛЫСЫН ТҮСІНДІРУ.  

ЭЙНШТЕЙН ФОРМУЛАСЫ. ФОТОЭФФЕКТ ҚҰБЫЛЫСЫН ТЕХНИКАДА ПАЙДАЛАНУ

 

I. Фотоэффект құбылысын түсіндіру жолын А. Эйнштейн тапты. Ол фотоэффект құбылысын түсіндіру үшін жарықтың бөлшектік әрі кванттық қасиетіне сүйенді. Шынында да, жарық екі жақтылығымен сипатталады: біріншісінде ол толқындық жағынан танылса, екінші жолы бөлшек (корпускула), яғни Эйнштейн сөзімен айтқанда фотондар ағыны ретінде көрінеді. Бұл құбылыс жарықтың толқындық-корпускулалық дуализмі (екіжақтылығы) деп аталады. Дуализм — бүкіл материяның кірпіші болып табылатын элементар бөлшектердің барлығына ортақ іргелі қасиет.

Кванттың көзқарас бойынша жарықты таситын әрбір бөлшек, яғни фотон бір квант энергияға ие болады:

Металл бетіне түскен жарық фотонының энергиясын ондағы электрон жұтады. Қосымша энергияға ие болған электрон белгілі жұмыс жасап, металдан босап шығу мүмкіндігін алады.

Электронның металдан босап, ұшып шығуы үшін жасайтын жұмысын электронның шыгу жұмысы деп атайды.

Электронның металл бетінен  шығу жұмысы, жұтылған фотон энергиясының есебінен өндіріледі. Босап шьщқан электрон бір орында тұрып қалмай, белгілі бір жылдамдықпен қозғалады. Демек, жұтылған фотонның hv энергиясының есебінен электрон босап шығып қана қоймайды, сонымен қатар кинетикалық энергияға да ие болады. Сөйтіп, энергияның сақталу заңы бойынша жұтылған жарық фотонының hv энергиясы электронның шығу А_шығу жұмысына және оның кинетикалық энергиясына жұмсалады:

Бұл өрнек Эйнштейн формуласы деп аталады. Мұндағы т_е— босап шыққан электронның массасы; — оның жылдамдығы; h — Планк тұрақтысы; v — жұтылған фотонның жиілігі; А_шығу — әлектронның шығу жұмысы.

II. Эйнштейн формуласынан фотоэффект кұбылысының туу шартын анықтауға болады. Фотоэффект құбылысы мына шарт орындалса ғана байқала бастайды:

Эйнштейн формуласынан туындайтын бұл шарт бойынша электронның шығу жұмысы жарықтың v жиілігіне немесе толқын ұзындығына ғана тәуелді екенін көрсетеді. Жарықтың жиілігі тек белгілі бір v ₀ шамаға жеткенде ғана фотоэффект байқалады. Түскен жарықтың жиілігі бұл шамадан кіші болса (v < v ₀), онда энергияның аздығынан электрон металл бетінен жұлынып шыға алмайды, яғни фотоэффект байқалмайды.

Фотоэффект  байқалатын жарықтың ең аз дегендегі жиілігін немесе оған сәйкес келетін толқын ұзындығын фотоэффекттің қызыл шекарасы деп атайды.

Әр зат үшін фотоэффекттің қызыл шекарасы әр түрлі. Мысалы, мырыш үшін фотоэффект тудыратын жарық толқынының ұзындығы (қызыл шекарасы) — 370 мкм, калий үшін — 450 мкм, натрий үшін — 680 мкм, т.с.с.

Эйнштейн формуласының мағынасы мынаған саяды: электронның шығу жұмысы мен кинетикалық энергиясы тек түскен жарықтың жиілігімен (толқын ұзындығымен) ғана анықталады. Олар жарық ағынының қуатына, яғни жарықты таситын фотондардың санына тәуелді емес. Бұл корытынды тәжірибе нәтижесімен де дәлме-дәл келеді. Фотоэффект құбылысы — жарықтың бөлшектік касиетінің айғағы. Сөйтіп, жарық кейде толқын түрінде, кейде бөлшек — корпускула (фотон) түрінде көрініс береді.

Жарықтың толқындык және бөлшектік қасиеттерінің бірлігі — табиғи заңдылық. Бұл бірлікті жарықтың дуализмі деп атайды. Дуализм барлық элементар бөлшектерге тән кұбылыс.

III. Фотоэффект кұбылысына негізделіп жасалған құралды фотоэлемент дейді, ол техникада көптеп қолданылады.

2-суретте ең алғашқы фотоэлементтің сыртқы түрі мен кұрылысының сұлбасы көрсетілген. Ауасы сорып алынған шыны баллонның ішкі беті (сәуле түсетін саңылаудан басқасы) жарық сезгіш қабатпен қапталған. Бұл қабат катод (үзілісті сызықпен көрсетілген) қызметін атқарады. Анод қызметін баллон ітттіне бекітілген сым сақина атқарады.

Анод тұрақты ток көзінің (батереяның) оң полюсімен, ал катод теріс полюсімен жалғасқан. Саңылаудан жарық түскенде катод бетінен электрондар жұлынып шығып, анодқа қарай қозғалады. Сөйтіп, тізбекте ток пайда болады, оны О сезгіш гальванометр көрсетеді. Сырттан жарық түспесе, электрондар ағысы тоқталады да, тізбектегі ток үзіледі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фотоэффект өндірісте, тұрмыстық техникада және ғарыш аппараттарында кең қолданылады. Оның дәстүрлі колданылатын орындары: фототелеграф (кескіндерді сым арқылы алысқа беру), теледидар және дыбысты кино болып табылады.

Сонымен қатар фотоэлементтер өндірісті  автоматтандыруда айрықша рөл атқарады. 3-суретте санағыш тетікті жұмысқа қосып отыратын фотоэлементтік реленің сұлбасы көрсетілген. Суреттегі: Ф — фотоэлемент, S — жарық көзі, С — санағыш тетік, А — саналатын бұйым, М — электромагнит. Фотоэлементтерді қолданатын реле (айырғыш) фотореле деп аталады.

Суреттен көріп отырғанымыздай, А бұйым сәуле жолына тап болғанда, тізбектегі ток үзіледі. Ал бұйым сәуле жолынан өткен соң, фотореле токты кайта қосады. Сөйтіп, санағыш тетік әрбір бұйым сәуле жолынан өткен сайын оларды тіркеп, санақтан өткізіп отырады.