Зертханалық жұмыс №5 Фотоэффект құбылысын зерттеу

Жұмыс мақсаты:

1. Фототок шамасының анод кернеуіне тәуелділігін анықтау (фотоэлементің вольтамперлік сипаттамасын алу) және фотокатодтың әртүрлі жарықталыну мәндері үшін график тұрғызу.

2. Фотоэлементтің сезімталдығы мен фототок арасындағы тәуелділікті анықтау.

Теориялық бөлім

Жарық пен заттың әрекеттесу құбылыстары арасындағы ең маңызды орын алатын фотоэлектрлік эффект, яғни, жарық әсерінен электрондардың бөлініп шығуы. Фотоэффект құбылысын 1987 жылы Герц ашқан, ол разрядниктегі мырыш шарларының біреуіне ультракүлгін сәуле түсіргенде арасындағы ұшқындардың көбейе түсуін байқайды. 1888 – 1889 жылдары Столеьов А. Г. Фотоэффект құбылысын мұқият зерттей келе, мынадай негізгі заңдылықтарды тағайындады:

1. Жарық әсерінен ұшып шығатын бөлшектердің таңбасы теріс.

2. Ультракүлгін сәуле түсіргенде, бұл эффект ұлғая түседі.

3. Денеден бөлініп шығатын бөлшектің шамасы жұтылған жарық энергиясына пропорционал.

Столетов, қатты денелер ғана емес, сонымен қатар, кейбір сұйықтардың да фотоэмиссияға қабілеті бар екендігін анықтады.

1898 ж. Ленард және Томсон, жарық әсерінен бөлініп шығатын бөлшектердің меншікті зарядын өлшей келе, бұл зарядтардың электрон екендігіне көз жеткізді. Шамамен сол уақыттарда Милликен құрал жасап шығарады, кейіннен осы құралды вакуумдық фотоэлемент деп атайды және фотоэффект заңдарын анықтайтын теңдеулер қорытып шығарады. Кейінгі зерттеушілер, фотоэффект құбылысының екі түрі бар екендігін тапты: металдарда байқалатын сыртқы фотоэффект, және шалаөткізгіштер мен диэлектриктерде байқалатын ішкі фотоэффект.

Жарықтың электромагниттік теориясы фотоэффект құбылысының барлық заңдылықтарын түсіндіре алмады. Аталған құбылысты жарық табиғатының жаңа ұғымдарына сүйене отырып, 1905 жылы физикалық түрде түсіндірген Эйнштейн болды. Кванттық теория бойынша, электромагниттік сәуле екі жақты корпускула – толқындық табиғатқа ие: бір жағынан, ол толқындық қасиетке ие болады, яғни, интерференция, дифракция және поляризация құбылыстары, ал, екінші жағынан, жарықтың кванттар ағыны – фотондар.

Алғаш рет, жарық жеке бөлшектер түрінде шығарылады деген гипотезаны абсолют қара денелердің сәулеленуін зерттей келе Планк айтқан. Эйнштейн, фотоэффект құбылысының барлық заңдылықтарын, Планк ұсынған гипотезаға сәйкес, жарық жеке порция түрінде жұтылады деп есептесе ғана түсіндіруге болатынын айтты

Сыртқы фотоэффект.

Сыртқы фотоэффекті зерттеу үшін суретте берілген құрылғыны пайдалану керек.

Сурет 1.

Ауасы сорылып алынған баллонға жарық кварц терезе арқылы жарық түсіріледі де, зерттелемін материалдан жасалған К катодын жарықтандырады. Жарық әсерінен жұлып шығарылған электрондар электр өрісі әсерінен А анодқа орын ауыстырады. Нәтижесінде, құрал тізбегінде гальванометрмен өлшенетін ток жүреді, ал анод пен катод арасындағы кернеуді R потенциометр арқылы өзгертуге болады.

Жүргізілген зерттеулердің нетижесі мынадай талдау жасауға мүкіндік береді:

1. Кернеудің қандай да бір мәнінде қанығу фототогы пайда болады, яғни, катодтан шығарылған барлық электрондар анодқа жетеді, бірақ ток шамасы өспейді.

2. Жарық ағынының шамасы көп болған сайын, қанығу тогының шамасы да көп болады.

3. Кернеу V⁰=0 болса, фототок жоғалып кетпейді. Ол, электрондар катодтан қандай да бір жылдамдықпен ұшып шығап отырғандығын көрсетеді.

4. Фототок нөлге тең болуы үшін, тежеуші потенциал V^з деп аталатын кернеу беру керек.

5. Тежеуші потенциалдың шамасы жарық ағынына тәуелді емес, ол түскен жарық жиілігімен анықталады.

6. Егер К катод пен А анодтың арасындағы полярлықты өзгертетін болса, онда К катодтан шыққан электронның өріске қарсы жүруіне тура келеді. Потенциалды ұлғайтқан сайын А палстинкасына жететін электрондардың саны азая береді. Осы барьерден тек тез электрондар ғана өте алады. Соңынан, тіпті, V^max жылдамдықтағы электрондардың өзі де пластинкаға жете алмай қалады да, ток нөлге айналады, ол өріске қарсы жұмыс кинетикалық энергияға тең болғанда жүзеге асады

(1)

мұндағы: m –электрон массасы, e – электрон заряды.

Сонымен, тежеуші кернеуді өлшеу арқылы, фотоэлектрондардың жылдамдығының максимал мәнін анықтауға болады.

Милликен, катодты монохромат жарықпен жарықтандырғанда тежеуші потенциал V^з сызықты өзгеретінін тұжырымдады:

V^з= а – ¹, (2)

мұндағы: а және ¹ – тұрақтылар, а катод материалына тәуелсіз. (2) теңдеуді e шамасына көбейтіп, eV^з шамасын кинетикалық энергиямен алмастырып, былай жазуға болады.

(3)

7. Әрбір фотокатод үшін жарық толқынының белгілі жиілігі болады (қызыл шекара), ал осы мәннен аз болса, фотоэффект байқалмайды. Осы мәнді тежеуші кернеу нөлге ұмтылғандағы жиілікті табу арқылы анықтауға болады.

8. Фототок, жарық ағыны интенсивтілігінің кез келген өзгерістерімен өзгеріп отырады.

Осы алынған тәжірибелік мәліметтерді жалпылай келе, фотоэффект құбылысының үш заңы тағайындалды (әрі, Столетов заңдары деп аталды):

1. Қанығу фототогы жарық ағынына тура пропорционал

I^ф = кФ¹, (4)

мұндағы: к –фотокатодтың сезімталдығы.

Фотокатод сезімталдығы к - [mA/Вб] өлшенеді және сәулеленудің спектрлік құрамына тәуелді.

2. Ұшып шыққан фотоэлектрондардың максимал кинетикалық энергиясы түскен жарық жиілігіне  тәуелді, жарық ағынынан тәуелсіз.

3. Түскен сәулелену ағынының тұрақты интенсивтілігінде, яғни түскен фотондар саны тұрақты болғанда, бірлік беттен ұшып шыққан фотоэлектрондар саны сәулелену жиілігі өскен сайын өседі.

А. Эйнштейн 1906 ж., егер фотоэффект кезінде электрон алатын энергия толығымен жұтылатын квант =h түрінде болса, фотоэффект құбылысының барлық заңдылықтары оңай түсіндірілетінін көрсетті. Шығу жұмысына тең осы энергияның жартысы толығымен жұмсалады. Ал шығу жұмысына тең, энергияның қалған жартысы денеден электронды шығару үшін жұмсалады. Қалған энергия заттан бөлініп шыққан электронның кинетикалық энергиясын құрайды. Фотонның электронмен әсерлесу кезіндегі энергияның сақталу заңын пайдалана отырып, Эйнштейн мынадай теңдеу алды:

(5)

Бұл формула Эйнштейн формуласы деп аталады.

Осы теңдеуден жұлып шыққан электрондардың жылдамдығы, әрі олардың кинетикалық энергиясы түскен жарық жиілігіне тура пропорционал. Фотоэффект құбылысының екінші заңы негізінде жатқан және кванттық көзқараспен оңай түсіндірілетін бұл тұжырым жарық табиғатының толқындық қасиетіне қарсы. Шындығында, электрондардың толқындық теориясы бойынша, заттар электромагниттік толқынның әсерінен амплитудасы толқын амплитудасына пропорционал еріксіз тербеліс жасау керек. Әрі қажетті тербеліс интенсивтілігінде электронның затпен әсерлесуі бұзылып, электрондар түскен жарық амплитудасына яғни, оның интенсивтілігіне тәуелді жылдамдықпен сыртқа ұшып шығады. Шындығында, біздің білуімізше, мұндай тәуелділік жоқ, электрондардың жылдамдығы түскен жарық жиілігіне тәуелді.

(5) теңдеу Милликеннің эмпирикалық формуласына (3) сәйкес келеді. Осы теңдеулерді салыстыра келіп, е¹ – шамасы шығу жұмысына, ал, коэффициент h\e шамасына тең екенін көруге болады. Егер электрон жұтқан энергия шығу жұмысына тең энергиямен дәл келсе, ұшып шыққан электронның кинетикалық энергиясы нөлге тең және (5) теңдеуді былай жазуға болады:

h⁰ = eU (6)

мұндағы: ⁰ – шекаралық жиілік.

Сөйтіп, фотоэффект құбылысының шекарасын анықтайтын теңдеу шығады.

Сәулеленудің толқын ұзындығы жиілікпен мына теңдеу арқылы байланысты болса,

⁰⁰ = ñ

онда фотоэффект құбылысының шекаралық толқын ұзындығын (қызыл шекара) былай анықтауға болады:

(7)

мұндағы: с – жарық жылдамдығы.

Көптеген металдар үшін фотоэффект құбылысы спектрдің тек ультракүлгін аймағында байқалады. Спектрдің көрінетін бөлігінде фотоэффекті алу үшін сілтілік металдарды (натрий, калий, цезий, барий, рубидий және басқалары) пайдаланады, себебі, басқа металдарға қарағанда олардың шығу жұмысы аз. Бір қызығы, лазерлерден шығатын интенсивті монохромат жарық шоқтары үшін фотоэффект шекарасы жоқ. Ол электрондардың кванттық энергияны жұтуы екі және одан да көп актіден тұратынына немесе электрондар арасында энергияның үлестірілуіне байланысты болуы ықтимал.

Фотоэффект құбылысының, қанығу ток күші - жарық ағынына тура пропорционал деп тұжырымдалатын бірінші заңы да Эйнштейн теориясы арқылы түсіндіріледі. Шындығында, бірлік уақыт ішінде бетке түскен жарық ағынының шамасы жарық квантының санымен анықталады, себебі, бір кванттың энергиясы бір электронға берілетін болса, онда босап шыққан электрондар саны түскен жарық квантының санына тура пропорционал. Тәжірибе бойынша кванттардың аз ғана бөлігі өзінің энергиясын фотоэлектрондарға береді. Ал басқа кванттардың энергиясы жарықты жұтқан затты қыздыруға кетеді.

Егер түскен жарық сәулесінің жиілігі, интенсивтілік өзгермеген жағдайда өсетін болса, онда фотондардың энергиясы да өседі, оны босап шыққан фотоэлектрондардың саны көрсетеді. Сонымен, сыртқы фотоэффектінің үшінші заңы да кванттық теория негізінде түсіндіріледі.