1.2.Қысқаша теория

Планктың кванттық гипотезасы фотоэффект қ ұ былысын тү сіндіргенде расталды. Сыртқ ы фотоэффект деп заттың электромагниттік сә уле (жарық ) ә серінен электрондарды шығ аруын айтады. Фотоэффекті 1887ж. Г. Герц ашты, кейіннен орыс ғ алымы А. Г. Столетов, неміс ғ алымдары В. Гальвакс, Ф. Ленард жә не итальян ғ алымы А. Риви тә жірибе жү зінде зерттеген. Фотоэффекті заң дылық тарынсхемасы 1. 1-суретте келтірілген қ ұ рылғ ыда жү ргізеді[1, 2, 5-9].

Сурет 1. 1. Фотоэффектіні зерттеуге арналғ ан эксперименттік қ ондырғ ының схемасы[24]

Вакуумдық тү тіктегі К катод пен А анод арасындағ ы кернеудің шамасын жә не оның таң басын Rпотенциометр жә рдемімен ө згертуге болады. Катодты жарық пен жарық тандырғ анда тізбекте миллиамперметрмен (гальванометрмен) ө лшенетін электрлік ток (фототок) пайда болады.

Сурет 1. 2 Фотоэффектінің вольтамперлік сипаттамасы [25]

I фототоктың катод К мен анод А арасындағ ы берілгенсыртқ ы кернеумен тә уелділік графигі 1. 2 суретте кө рсетілген. Бұ л графикті фотоэффектінің вольтамперлік сипаттамасы (ВАС) деп атайды. Осы тә уелділікте К катод бетінен ұ шып шық қ ан барлық электрондар А анодқ а жететін I_қ қ анығ у тогының бө лігі жә не қ андай да бір тежеуші потенциал нә тижесінде фототоктың нө лге дейін кему бө лігі U₀ (U₀< 0) сипатталады [1].

Катодқ а толқ ын ұ зындығ ы ә р тү рлі жарық тү сіріп, сә улелеу арқ ылы фотоэффектің мынадай негізгі заң дылық тары тағ айындалғ ан:

1. Қ анығ у фототогы тү скен (спектрлік қ ұ рамы бірдей) жарық ағ ынына пропорционал. Ол деген сө з, жарық тың ә рекетінен секунд сайын жұ лынып шығ атын электрондар саны, жарық интенсивтігіне тура пропорционал (А. Г. Столетов заң ы).

2. Ә рбір металл ү шін электрондарды жұ лып шығ арудың ең кішіν _minжиілігі (немесеең ү лкен толқ ын ұ зындығ ыλ _max) болады. Егер фотоэффектінің қ ызыл шекарасы деп аталатын осы λ _maxшекарадан толқ ын ұ зындығ ы асып кетсе, (немесе жиілігі ν _minтолқ ын жиілігінен аз болса), онда жарық тың интенсивтілігі жоғ ары болғ анына қ арамастан фотоэлектрондар бө лініп шық пайды. (Ф. Ленард, 1889).

3. Фотоэлектрондардың ең ү лкен (max) кинетикалық энергиясы тү сетін жарық тың интенсивтігіне тә уелді емес, ол сә уле жиілігі ө скенде сызық ты артады(Ф. Ленард, 1889).

Жарық тың классикалық электрмагниттік теориясы бойынша, металлдан электрондардың ұ шып шығ у қ ұ былысы таң қ алдырмайды, себебі, тү скен электрмагниттік толқ ын металдағ ы электрондарды еріксіз тербеліске тү сіреді. Сонда электрондар металл бетінен жарық толқ ынының электр ө рісінде «тербелуі» нә тижесінде жұ лынып шығ арылады. Бірақ, бұ л жағ дайда, неге электрондардың максимум кинетикалық энергиясы, толқ ынның электр ө рісінің кернеулік векторының тербеліс амплитудасына, демек, жарық тың интенсивтілігіне емес, жиілікке тә уелді екені тү сініксіз. Жә не де фотоффектің қ ызыл шекарасын да тү сіндіруге болмайды. Жарық тың интенсивтілігін арттыра отырып, электронның тербеліс амплитудасын да ұ лғ айтуғ а, ә рі металл бетінен шығ аруғ а қ ажетті энергия беруге болатын сияқ ты. Бірақ, қ ызыл шекара тек жиілікке тә уелді, ә рі оның интенсивтілігіне тә уелді емес.

Сонымен қ атар, классикалық теория мен тә жірибенің айырмасы жарық тың ө те аз интенсивтілігінде байқ алады. Классикалық толқ ындық теория бойынша, фотоэффект бұ л жағ дайда кешігіп байқ алуы керек, себебі, қ ажетті энергия жинақ талу ү шін уақ ыт керек. Бірақ, тә жірибе, фотоэффект қ ұ былысының лезде пайда болатынын кө рсетеді, яғ ни, сә улелендірудің басталуымен бірге жү реді (сә улелендіру уақ ыты мен фототоктың байқ алуы 10^-9 с –тан аспайды).

Егер фотоэффекті Эйнштейннің жарық кванттары туралы гипотезасы негізінде қ арастырса, барлық қ иындық тар жойылады. Осы гипотеза бойынша, тү скен монохромат сә уле, ε энергиясы ν жиілікпен мына қ атынас:

, (1. 1)

арқ ылы байланысқ ан, жарық кванттарының – фотондардың ағ ыны ретінде қ арастырылады.

Фотон жұ тылғ анда оның ε энергиясы толығ ымен бір электронғ а беріледі. Осы энергия электронның металлдан шығ уына, яғ ни, Ашығ у жұ мысына жә не оғ ан кинетикалық энергия беруіне жұ мсалады. Осы процесс ү шін энергияның сақ талу заң ы мына тү рде жазылады

(1. 2)

Бұ л фотоэффект ү шін Эйнштейн тең деуі: Жұ тылғ ан фотонның энергиясы электронның шығ у жұ мысына жә не кинетикалық энергия алуына жұ мсалады.

Эйнштейн тең деуі фотоэффект заң дарын тү сіндіруге кө мектесті. Сонымен, ең ү лкен кинетикалық энергиясы

тең деуімен анық талады.

Берілген металл ү шін шығ у жұ мысы тұ рақ ты болғ андық тан, (А = const), ең ү лкен кинетикалық энергия тү скен жарық тың жиілігіне пропорционал:

(2) тең деуден, фотоэффект қ ұ былысы һ ν фотон энергиясыА шығ у жұ мысынан аз болмағ ан жағ дайда орындалады:

Фотоэффект мү мкін болатын ең кіші жиілік, мына формуламен

, (1. 3)

алең ү лкен толқ ын ұ зындығ ы – мына формуламен

(1. 4)

анық талады.

Бұ л фотоэффекті қ ызыл (ұ зын толқ ынды) шекарасы. (1. 4) тең деуден λ _maxтек шығ у жұ мысына, яғ ни металдың табиғ атына ғ ана тә уелді екені шығ ады.

Uө суімен I фототок біртіндеп ө седі, яғ ни неғ ұ рлым кө бірек фотоэлектрондар анодқ а жетеді, ә рі қ анығ у I_{қ ан}басталады. Ал, U=0 жағ дайында, фототок жоғ алып кетпейді, яғ ни катодтан шық қ ан электрондардың қ андай да бір υ жылдамдығ ы болады, олар анодқ а сыртқ ы ө ріссіз жетуіне мү мкіндік береді. Фототок нө лге тең болуы ү шін тежеуші кернеу беру керек, оны ө лшеу арқ ылы жылдамдық тың максимум мә ні мен фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясын анық тауғ а болады:

(1. 5)

Қ атты денелерде электрондар потенциалдық шұ ң қ ырда қ андай да бір U терең дікте тұ р деп есептеуге болады (1. 3 - сурет). Металдардың кванттық теориясы бойынша, электрондарпотенциалдық шұ ң қ ырда энергияның дискретті қ атарын қ ұ райды.

Сурет 1. 3 Ферми дең гейлері [26]

Тө менгі температурада(Т→ 0)тіпті Ферми дең гейіне дейінгі тө менгі барлық дең гейлер де толтырылғ ан. Электрондар Ферми дең гейі бар металлдан шығ уы ү шін потенциалдық барьерді ө те алатындай энергия берілуі керек. Ферми дең гейіндегі потенциалдық барьерден ө ту ү шін қ ажетті минимал энергияны, шығ у жұ мысы А деп атайды. А шамасы қ атты дененің кристалл торларының қ асиеттеріне жә не металл бетінің кү йіне тә уелді.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒