Жарыктын кванттык касиеттери. Фотоэлектрдик эффект жана анын закондору.

13-глава

Жарыктын кванттык касиеттери. Фотоэлектрдик эффект жана анын закондору. Фотоэффект үчүн Эйнштейндин тендемеси. Фотоэффекттин кызыл чеги

Жарыктын кванттык касиеттери. Жарыктын кванттык касиеттери оптиканын кванттык оптика деп аталуучу бөлүмүндѳ каралат. Бул бѳлүмдө жарыктын нурдануусунун дискреттүү мүнѳздѳ экендиги жана анын заттар менен ѳз ара аракеттенүүсү изилденет.

Квант оптикасында жарык ѳзгѳчѳ бѳлүкчѳлѳрдүн — фотондордун агымы болуп эсептелет. Фотон тынч абалында массага ээ эмес (т₀ = 0), вакуумда жарык ылдамдыгына с барабар болгон ылдамдык менен кыймылда болот. Фотондун негизги мүнѳздѳмѳлѳрү болуп, анын энергиясы Е, импульсу р жана массасы эсептелет:

E = hv= hс/λ₀, р= hv /с = h/λ₀, m = hv /с². (12.1)

Мында v — электромагниттик жарык толкунунун жыштыгы; , λ₀ - вакуумдагы толкун узундугу; h - Планк турактуулугу.

v жыштыкка ээ болгон монохроматикалык жарыкта бардык фотондор бирдей энергияга, импульска жана массага ээ болушат.

Абсолюттук сынуу кѳрсѳткүчү п болгон каалагандай заттарда фотондор вакуумдагы жарык ылдамдыгындай ылдамдыкта кыймылда болушат. Ал эми заттагы жарык толкунунун ылдамдыгы v, п эсеге кичинелик кылат: v=c/п. Электр-магниттик толкун фронтунун заттарда таралуу ылдамдыгы υ менен фотондордун заттардагы ылдамдыгын адаштырууга болбойт. Фотон­дор заттарда бир бѳлүкчѳдѳн (атомдордон, молекулалардан) экинчисине вакуумдагыдай кыймылдайт, бѳлүкчѳлѳргѳ «урунуу» ме­нен аларга жутулуп кетишет да кайрадан пайда болушат (фотондордун заттардагы мындай татаал кубулуштары элементардык физиканын кѳлѳмүндѳ каралбайт).

Фотондун негизги касиеттерин мүнѳздөѳчү энергиясы, им­пульсу жана массасы (12.1) формулаларын карагыла электр- магниттик толкунду мүнѳздѳѳчү жыштык же вакуумдагы тол­кун узундугу аркылуу туюунтулат. Мына ушуну менен жарык­тын корпускулалык - толкундук экилик касиетке ээ экендиги ачык көрүнүп турат. Бир жагынан жарык интерференция, диф­ракция жана поляризация кубулуштарынан кѳрүнүп тургандай толкундук касиетке ээ болсо, экинчи жагынан жарык фотондордун агымы болуп эсептелет. Жыштык v кичине мааниге ээ болгон учурда жарыкта толкундук касиет кѳбүрѳѳк рол ойносо, v чоң болгон кезде жарыктын кванттык касиети кѳбүрѳѳк байкалат. Жарыктын кванттык жана толкундук касиеттери бири-бирин ѳз ара толуктап турушат. Жарыктын кванттык ка­сиеттери электр-магниттик нурдануунун энергиясы, импульсу жана массасы өзгөчө бөлүкчѳлѳрдѳ - фотондордо топтолгондугунда.

? 1. Кванттык оптикада эмнелер каралат?

2. Фотондун негизги мунѳздөмѳлөрү кайсылар?

3. Жарыктын корпускулярдык-толкунидук экилик касиетке ээ экендигинин далили кайсы?

Фотоэлектрдик эффект жана анын закондору. Жарыктын заттар менен өз ара аракеттенүүлөрүнүн негизинде фотондордун энергиясынын заттардын электрондоруна ѳтүү кубулушу фотоэлектрдик эффект (фотоэффект) деп аталат. Фотоэффект кубулушу 1887-жылы немец физиги Герц тарабы­нан ачылган. Фотоэффект тышкы жана ички болуп экиге бѳлүнѳт. Тышкы фотоэффекте фотондордун жутулушу электрондордун заттардан сыртка учуп чыгышы менен жүрѳт. Ички фотоэффект кезинде атомдордон, молекулалардан же иондордон бѳлүнүп чыккан электрондор, заттардын ичинде эле калышат, бирок электондордун энергиялары ѳзгѳрүүгө дуушар болот. Газдарда фотоэффект фотоионизация кубулушун-жарыктын таасири менен газдын атомдорунан, молекулаларынан электондор­дун бѳлүнүүсүн туюнтат.

Фотоэффект кубулушу орустун улуу окумуштуусу А. Г. Сто­летов тарабынан 1888-жылы изилдене баштаган. Кыска толкундуу жарык менен нурдантылган металлдын бетинен электрондорду бѳлүп чыгуу тажрыйбасы аркылуу тышкы фотоэффектини алууга болот. 1-сүроттѳ А. Столетовдун тажрыйбасынын схемасы берилген. А аноду-жука металл торчосу-электр жаасынан чыккан жарык менен жарыктандырылат.

Жарык агымы К катодуна-туташ цинк пластинкасына келип түшѳт. Чынжырга туташтырылган гальванометр G токтун пайда болгонун көргөзѳт. Демек, цинк плаетинкасынан электрондор бѳлүнүп чыгышып, электр чынжыры туюкталган болот.

Тышкы фотоэффект кезинде заттын бетинен учуп чыккан электрондор фотоэлектрондор деп аталышат. Анод менен катоддун ортолорундагы электр талаасынын таасири менен ылдамданууга ээ болгон фотоэлектрондор фотоэлектрдик тогун (фототогун) түзүшѳт (1-сүрѳт).

Тышкы фотоэффект тѳмѳндѳгүдѳй закондорго ээ:

1. Фотоэлектрондордун баштапкы максимум υ_мах ылдамды­гы жарыктын жыштыгынан жана металлдын бетинин касиетинен кѳз каранды. Ал катоддун жарыктанышынан кѳз каранды змес.

2. Катоддон жарык аркылуу бирдик убакыт ичинде бөлүнүп чыккан фотоэлектрондордун жалпы сапы п жана каныккан фототоктун күчү I_к катоддун жарыктанышына б. а. катодго түшүүчү жарык агымына түз пропорциялаш.

3. Ар бир зат үчүн фотоэффекттинин кызыл чеги болот. Бул чек дагы тышкы фотоэффект боло турган эң кичине жыш­тык v (же эң узун болгон «кызыл» толкун узундугу λ_мах ) болуп эсептелет.

v≤v_мин (λ≥λ_мах) кезинде фотоэффекттин болушу мүмкүн эмес. Заттын бети v≥v_мин жыштыктагы жарык менен жарыктанса фотоэффект кубулушу пайда боло баштайт. 1-сүрѳт.

? 1. Тышкы жана ички фотоэффекттердин айырмачылыктары кандай?

2. Тышкы фотоэффект кандай закондорго ээ?

Фотоэффект үчүн Эйнштейндин тендемеси. Фотоэффекттин кызыл чеги. Металлдардагы тышкы фотоэффект кубулушу кванттык оптиканын негизинде түшүндүрүлөт. Металлдан бѳлүнүп чыгыш үчүн электрон чыгуу жумушун А аткаруусу керек. Ал үчүн электрондун кинетикалык энергиясы анын металлдан бѳлүнүүсүн камсыз кылгандай жетишерлик чоң мааниге ээ болуусу зарыл. Фотон металлга жутулганда фотондун энергиясы hv электронго толугу менен берилиши мүмкүн. Эгер hvA болсо, анда электрон чыгуу жумушун аткара алат да, металлдан бѳлүнүп чыгат. Фотоэффект үчүн Эйнштейндин тендемеси бул процесс үчүн энер­гиянын сакталуу законун туюнтат. Бул законду пайдаланып металлдан учуп чыккан электрондун эң эле чоң кинетикалык энергиясын табууга болот:

тυ²_макс /2=hν-А, же hν=А+ тυ²_макс /2 (12.2)

Эйнштейндин тендемеси (12.2) тышкы фотоэффектинин мурунку темаларда берилген бардык эксперименталдык закондорун түшүндүрѳ алат. Мисалга алсак, элкетрондун баштапкы максималдуу ылдамдыгы υ_макс жарыктын жыштыгынан v жана чыгуу жумушунан А гана кѳз каранды.

hv_мин≥A шарты орун алган учурда гана тышкы фотоэффекттин болушу мүмкүн. Фотоэффектинин кызыл чеги v_мин=A/h же λ_макс=ch/A электрондун чыгуу жумушунун чоңдугунан гана, б.а. металлдын химиялык жаратылышынан жана анын бетинин абалынан көз каранды. Ал эми бирдик убакыт ичинде катоддон учуп чыккан фотоэлектрондордун жалпы саны п, ушул эле убакыт ичинде катоддун бетине түшкѳн фотондордун санына п_ф түз пропорционалдуу. Ошондой эле монохроматикалык жарык менен бир калыпта жарыктануучу катоддун бетине түшкѳн фотондордун саны п жарыктанууга түз пропорциялаш.

? 1. Эйнштейндин теңдежесин түшүндүргүлө.

2. Электрондун максималдуу ылдамдыгы кайсыл чоңдуктардан кѳз каранды болот?

3. Кандай шартта тышкы фотоэффект болушу мүмкүн?

4. Фотоэффектинин кызыл чеги эмнеден кѳз каранды?