Фотоэффект құбылысы

Фотоэффект құбылысы

1887 неміс физигі Генрих  Герц электр ұшқындары пайда  болатын вибратор саңылауына  ультра күлгін сәулелерін түсіргенде  электр ұшқындары көбейіп, электр  разрядының, күшейетіндігін байқаған. Одан кейін ғалымдар мырыш  пластинкасына ультра күлгін  сәуле түсіргенде одан теріс  зарядтар ұшып шығып, мырыштың  оң зарядталатындығын анықтаған.  
Осы тәжірибелер металл пластинкаға жарық түскенде, одан электрондар ұшып шығатындығын көрсетеді. Осындай жарықтың әсерінен металл пластинкадан электрондардың ұшып шығу құбылысын фотоэффект құбылысы деп атаған.  
Бұл фотоэффект құбылысын тереңірек зерттеген орыс физигі Столетов болды. Столетов бұл құбылысты мынандай тәжірибе арқылы зерттеген.  
 
Ауасы сорып алынған шыны балонның ішіне екі электродты ( А( анод) және (К) катод) орнатып оларды ток көзіне қосқан. К- катодқа монохроматты сәуле түсіргенде тізбек тұйықталып, тізбекке ток пайда болады, Себебі монохроматты сәуленің әсерінен катодтан электрондар бөлініп шығады. Электродтардың арасындағы электр өрісінің әсерінен, катодтан бөлінген электрондар анодқа жетеді. Сөйтіп тізбекте ток пайда болады. Осы тоқты анодтық, немесе фото тоқ деп атайды. Катодты толқын ұзындықтары әр түрлі жарық сәулелері мен сәулелендірудің нәтижесінде Столетов мынандай заңдылықтары қортындылады.  
1. Жарық әсерінен катодтан тек теріс зарядты электрондар бөлініп шығады.  
2. Катодқа күлгін және ультракүлгін сәулелер түскенде фотоэффект құбылысы күшейе түседі.  
3. Катодтан бөлініп шығатын электрондардың мөлшері катод бетінің жарықталынуына немесе түскен жарық ағынына тура пропорционал болады.  
Енді фотоэффект құбылысының Вольт-амперлік сипаттамасын зерттейік, яғни фототок күшінің( ) потенциалдар айырмасына (U) тәуелділігін қарастырайық

Жарық сәулесінің әсерінен катод бетінен ұшып шыққан электрондардың белгілі бір кинетикалық энергиясы  болады. Катодқа әсер етуші жарықтың спекк құрамы және оның ағынының қуаты  тұрақты болса, фототок күші потенциалдар айырымына тәуелді болады. үдетуші  потенциалдар айырмасы артқанда фототоқта  артады. Ал, үдетуші потенциалдық мәні белгілі ьір шамаға жеткенде фототок  өзінің қанығу мәніне жеиеді. Сонымен  қанығу фототок шамасы электрондар  санына пропорционал болады.  
 
мұндағы -катодтан бірлік уақытта ұшып шыққан электрондар саны. Электронның заряды. Бұл тәжірибеден , катод пен анод арасындағы потенциалдар айырмасы болғанда де, фототок шамасы нолге тең болмайды, себебі электрондардың бастапқы жылдамдықтарының әсерінен нолге тең емес кинетикалық энергиясы болады. Сөйтіп фотоэлектрондар электр өрісінің әсерінсіз – ақ осы энергияның арқасында анодқа жете алады. Ал, фототок нолге тең болу үшін катод мен анодтың арасында тежеуші потенциалдар айырымын туғызуымсыз керек. Сонда осы кездегі фотоэлектрондардың оның тежеуші кернеуіне көбейтіндісі олардың бастапқы кинетикалық энергиясына тең болады.  
 
Фотоэлекторндардың кинетикалық энергиясы катодқа түскен жарықтың тербеліс жиілігіне тәуелді болады, жарықтың жиілігі көп болса, электрондардың жылдамдығы соғұрлым көп болады. Кез келген жарық, кезкелген беттен электрон бөліп шығара алмайды. Кезкелген заттың әлі де болса фотоэффект құбылысын қоздыра алатын жарық жиілігін фотоэффектінің қызыл шегі деп атайды.  
Фотоэффект теориясы. Эйнштейн теңдеуі. Фотоэффект құбылысын электродинамиканың заңдарын пайдаланып түсіндіруге болмайды. Себебі фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясы жарықтың интенсивтігіне байланысты емес, жарықтың тербеліс жиілігіне тәуелді. Электрондар металдан бөлініп шыққанда белгілі бір жұмыс істеледі. Осы жұмыстың шамасын шығу жұмысы деп атайды.  
Эйнштейннің пікірінше фотоэффект құбылысы кезінде әрбір электрін жеке әрбір фотонның әсерінен бөлініп шығады. Яғни әрбір фотоэлектрон тек бір фотон энергиясын жұта алады. Жарық дегеніміз фотондардың ( кванттардың) ағыны. Сөйтіп жұтылған фотон энергиясы фотондарды металл бетінен бөліп шығаратын шығу жұмысына (Аш) және оның кинетикалық энергиясына айналады. Сондықтан, Эйнштейн теңдеуі мына түрде жазылады.  
 
Бұл теңдеу фотоэффектіге қатысты негізгі мәселелерді түсіндіруге мүмкіндік береді.  
Егер жарықтың жиілігі белгілі бір минимал с мәнінен артық болса ғана, кез келген зат үшін фотоэффект байқалады. Фотоэлектрондарды металдан, оған кинетикалық энергия берместен бұрын шығарып алу үшін, шығу жұмысы істелуі керек, олай болса, жарық квантының энергиясы бұл жұмыстан артық болуы керек.  
-фотоэффектінің қызыл шегі.  
шығу жұмысы әр заттың тегіне, бетінің тазалығына тәуелді. Сондықтан әртүрлі заттар үшін фотоэффектінің қызыл шекарасы (жиілігі) әртүрлі болады.  
Фотонның массы мен импульсі. Эйнштейннің болжамы бойынша жарық фотондардың ағыны. Планктың болжамы бойынша жарықтың бір порциясының (квантының) энергиясы Екінші жағынан салыстырмалық теория бойынша энергия мен массаның арасында мынандай байланыс бар.  
осыдан  
фотонның тыныштық күйдегі массасы нолге тең. Фотонның массасы мен жылдамдығы бойынша оның импульсін былай анықтаймыз.  
 
Фотонның импульсі жарық сәулесі мен бағыттас болады. Фотонның заряды және магнит моменті болмайды. Неғұрлым жиілігі көп болса , соғұрлым фотонның энергиясы мен импульсі көп болады. Сөйтіп фотоэффект құбылысы жарықтың корпускулалық қасиеті бар екенін көрсетеді. Жалпы алған жарықтың екі жақты толқындық және корпускулалық қасиет болады.  
Фотонда заряд жоқ. Ал жылдамдығы вакуумдағы жарық жылдамдығына тең, импульсі:  
немесе ;  
Мысалы, фотон импульсі энергиясы ұшып келіп электронмен соғыссын. Электрон , -тыныштықтағы электрон массасы. Фотон соғысқаннан кейін электрон фотоннан энергиясы мен импульсінің бөліктерін алып, қозғалысқа келеді. Электрон бағытында қозғалса, фотон бағытында қозғалады.  
 
Фотонның энергиясы да, импульсі де азаяды, олай болса жиілігі де азаяды ; қатыста болғандықтан, көбейе түседі.  
Рентген сәулелерінің жеңіл атомдармен соқтығысқан кезде, оның толқын ұзындығының ұзаруын алғаш рет американ физигі Комптон ашты. (1923 ж). Бұл Комптон эффектісі деп аталады, толқын ұзындығы:  
 
-түскен толқын ұзындығы, -шашыраған толқын ұзындығы.  
-толқындар айырмасы толқын ұзындықтарына , байланысты емес, ол шашырау бұрышымен анықталады. Біздің мысалды , мұндағы п.м. Комптондық толқын ұзындығы деп аталады.  
Фотон мен электрон соғысқан кезде не Комптон эффектісі, не фотоэффекті байқалады.  
Фотон бос электрондарға тап болса, онда ол энергиясының біразы электрондарға береді де, өзінің қозғалыс бағытын өзгертеді, бұл Комптон эффектісі. Егер фотон атоммен байланысқан электронға кездессе, онда ол өз энергиясын түгелімен электронға береді. Энергия көбейген электрон металл бетіне бөлініп шығады, бұл фотэлектрлік эффекті.