Fotoelektr effekti

Fotoelektr effekti yoki fotoelektr effekti yorug'lik yoki boshqa elektromagnit nurlanishning modda bilan o'zaro ta'siri hodisasi bo'lib, bunda foton energiyasi moddaning elektronlariga o'tkaziladi. Kondensatsiyalangan (qattiq va suyuq) moddalarda tashqi (fotonlarning yutilishi moddadan tashqarida elektronlar chiqishi bilan birga keladi) va ichki (moddada qolgan elektronlar, undagi energiya holatini o'zgartiruvchi) fotoelektrik effektlar farqlanadi. Gazlardagi fotoelektr effekti nurlanish ta'sirida atomlar yoki molekulalarning ionlanishidan iborat.

Tashqi fotoelektr effekti 

Tashqi fotoelektr effekti ( fotoelektron emissiya ) - elektromagnit nurlanish ta'sirida moddaning elektronlar chiqishi. Tashqi fotoelektr ta'sirida moddadan chiqib ketgan elektronlar fotoelektronlar deb ataladi va ular tomonidan tashqi elektr maydonida tartibli harakat paytida hosil bo'lgan elektr tokiga fototok deyiladi.

Fotokatod - elektromagnit nurlanishga bevosita ta'sir qiladigan va bu nurlanish ta'sirida elektronlar chiqaradigan vakuumli elektron qurilmaning elektrodi.

To'yinganlik fototoki - bu chiqarilgan elektronlarning maksimal oqimi, fotokatod va anod o'rtasidagi oqim, bunda barcha chiqarilgan elektronlar anodda to'planadi.

Fotokatodning spektral xarakteristikasi - spektral sezgirlikning elektromagnit nurlanish chastotasi yoki to'lqin uzunligiga bog'liqligi.

Kashfiyot tarixi 
Tashqi fotoelektr effekti 1887 yilda Geynrix Gerts tomonidan kashf etilgan. Ochiq rezonator bilan ishlaganda, u sink uchqun bo'shliqlariga ultrabinafsha nurlar sochsangiz, uchqunning o'tishi sezilarli darajada osonlashishini payqadi.

1888-1890 yillarda fotoelektr effekti tizimli ravishda rus fizigi Aleksandr Stoletov tomonidan o'rganilib, 6 ta maqola nashr etdi. U bu sohada bir qancha muhim kashfiyotlar qildi, jumladan, tashqi fotoelektr effektining birinchi qonuni.

Stoletov, shuningdek, "Quyosh spektrida etishmayotgan eng yuqori sinishi nurlari zaryadlovchi ta'sirga ega, agar faqat bo'lmasa, u holda boshqa nurlardan juda katta ustunlik qiladi" degan xulosaga keldi, ya'ni u qizil rangli nurlar degan xulosaga keldi. fotoeffekt chegarasi mavjud. 1891 yilda Elster va Geitel gidroksidi metallarni o'rganishda metallning elektropozitivligi qanchalik yuqori bo'lsa, u fotosensitiv bo'lgan kesish chastotasi shunchalik past bo'ladi, degan xulosaga kelishdi.

Tomson 1898 yilda eksperimental ravishda tashqi fotoelektr effekti paytida metalldan chiqadigan elektr zaryadining oqimi u ilgari kashf etgan (keyinchalik elektronlar deb ataladigan) zarralar oqimi ekanligini aniqladi. Shuning uchun yorug'lik kuchayishi bilan fototokning ortishi yorug'lik kuchayishi bilan chiqariladigan elektronlar sonining ko'payishi deb tushunilishi kerak.

1900-1902 yillarda Filipp Lenard tomonidan o'tkazilgan fotoelektrik effektni o'rganish shuni ko'rsatdiki, klassik elektrodinamikadan farqli o'laroq, chiqarilgan elektronning energiyasi doimo tushayotgan nurlanish chastotasi bilan bog'liq va deyarli nurlanish intensivligiga bog'liq emas.

Fotoelektrik effekt 1905 yilda Maks Plankning yorug'likning kvant tabiati haqidagi gipotezasiga asoslanib , Albert Eynshteyn tomonidan tushuntirilgan (buning uchun u 1921 yilda shved fizigi Karl Vilgelm Oseen nominatsiyasi tufayli Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan). Eynshteynning ishi muhim yangi gipotezani o'z ichiga olgan edi - agar Plank 1900 yilda yorug'lik faqat kvantlangan qismlarda chiqariladi, deb taklif qilgan bo'lsa, Eynshteyn allaqachon yorug'lik faqat energiya bilan kvantlangan qismlar ( fotonlar ) ko'rinishida mavjudligiga ishongan. biri, qaerda - Plank doimiysi.

1906-1915 yillarda fotoelektr effekti Robert Milliken tomonidan qayta ishlandi. U blokirovkalash kuchlanishining chastotaga aniq bog'liqligini aniqlay oldi (bu aslida chiziqli bo'lib chiqdi) va shundan Plank doimiyligini hisoblay oldi. "Men hayotimning o'n yilini 1905 yildagi ushbu Eynshteyn tenglamasini tekshirishga sarfladim, - deb yozadi Millikan, "va barcha kutganlarimdan farqli o'laroq, men 1915 yilda uning bema'niligiga qaramay, eksperimental tasdiqlanganligini so'zsiz tan olishga majbur bo'ldim. yorug'lik aralashuvi haqida biz bilgan hamma narsaga ziddir. 1923 yilda Millikan "elementar elektr zaryadini va fotoelektr effektini aniqlashdagi ishi uchun" fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi.

Fotoelektrik effekt bo'yicha tadqiqotlar eng qadimgi kvant mexanik tadqiqotlaridan biri edi.

Tashqi fotoeffekt qonunlari 
Tashqi fotoeffekt qonunlari :

Fotoeffektning 1-qonuni (Stoletov qonuni) : Toʻyingan fototokning kuchi yorugʻlik nurlanishining intensivligiga toʻgʻridan-toʻgʻri proportsionaldir. Fotokatodga tushadigan elektromagnit nurlanishning doimiy spektral tarkibi bilan to'yingan fototok katodning energiya yoritilishiga mutanosibdir (boshqacha qilib aytganda, vaqt birligida katoddan urilgan fotoelektronlarning soni nurlanish intensivligiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir)

Fotoelektr effektining 2-qonuni : Yorug'lik ta'sirida urilgan elektronlarning maksimal kinetik energiyasi yorug'lik chastotasi bilan ortadi va uning intensivligiga bog'liq emas.

Fotoelektrik effektning 3-qonuni : Har bir moddaning sirtining ma'lum bir holatida yorug'likning kesish chastotasi mavjud bo'lib, undan pastda fotoelektrik effekt kuzatilmaydi. Bu chastota va unga mos keladigan to'lqin uzunligi fotoelektr effektining qizil chegarasi deb ataladi.

Tashqi fotoelektr effekti amalda inersiyasizdir . Fotoelektrik effekt mavjud bo'lishi sharti bilan tananing sirti yoritilganda darhol fototok paydo bo'ladi.

Fotoelektrik effekt bilan tushgan elektromagnit nurlanishning bir qismi metall yuzasidan aks etadi va bir qismi metall, yarimo'tkazgich yoki dielektrikning sirt qatlamiga kirib, u erda so'riladi. Fotonni yutib, elektron undan energiya oladi. 1905 yilgi nazariyaga ko'ra, energiyaning saqlanish qonuniga ko'ra, yorug'lik zarrachalar ( fotonlar ) shaklida tasvirlanganda, Eynshteynning fotoelektr effekti formulasi quyidagicha:

 

 bu yerda  - T. n. ish funksiyasi (moddadan elektronni olib tashlash uchun zarur bo'lgan minimal energiya). A harfi zamonaviy ilmiy adabiyotlarda ish funktsiyasini belgilash uchun ishlatilmaydi ;
  - chiqarilgan elektronning maksimal kinetik energiyasi ;
  - energiya bilan tushgan fotonning chastotasi  ;
 - Plank doimiysi .

Bu formula T = 0 K da fotoeffektning <b id="mwmQ">qizil chegarasi</b> mavjudligini, ya'ni eng past chastotaning mavjudligini bildiradi (  ), uning ostida foton energiyasi metalldan elektronni "uyrib tashlash" uchun etarli emas. Ko'pgina moddalardagi hodisa faqat ultrabinafsha nurlanishda namoyon bo'ladi, ammo ba'zi metallarda (litiy, kaliy, natriy) ko'rinadigan yorug'lik ham yetarli.

Elektrodlarga qo'llaniladigan teskari polarit kuchlanishi fotoelektrik oqimni kamaytiradi, chunki elektronlar elektrostatik kuchlarni engish uchun qo'shimcha ishlarni bajarishlari kerak. Fotooqimni to'liq to'xtatuvchi minimal kuchlanish, kechiktiruvchi yoki blokirovka qiluvchi kuchlanish deb ataladi. Elektronlarning maksimal kinetik energiyasi sekinlashtiruvchi kuchlanish bilan ifodalanadi:

 

Fotoelektron atomlarning sirt qatlamidan uchib chiqqanda fotoelektron sirtga va qattiq jismning hajmidan fotoelektron uchib chiqqanda volumetrikga bo'linadi. Volumetrik fotoelektr effekti uch bosqichda ko'rib chiqiladi:

birinchi bosqichda atom elektroni qo'zg'aluvchan holatga o'tadi, ikkinchi bosqichda tortuvchi elektr maydoni ta'sirida elektron sirtga chiqadi, uchinchi bosqichda elektron energiyasi potentsialni yengish uchun etarli bo'lsa. yuzasida to'siq, keyin u qattiq tashqariga uchib. Umuman olganda, quyidagilarni yozish mumkin:

bu yerda  - Fermi darajasiga nisbatan elektronning bog'lanish energiyasi,  elektronning sirtga chiqish yo'lidagi energiya yo'qolishi, asosan kristall panjarada tarqalishi,  vakuumga chiqarilgan elektronning kinetik energiyasi.

Fauler nazariyasi 
Metallar uchun tashqi fotoelektr effektining asosiy qonuniyatlari Fauler nazariyasida yaxshi tasvirlangan. Unga ko'ra, foton metallga singdirilgandan so'ng, uning energiyasi o'tkazuvchanlik elektronlariga o'tadi, buning natijasida metalldagi elektron gaz Fermi-ning odatdagi taqsimoti bilan gazlar aralashmasidan iborat bo'lib chiqadi. Dirac tarqatish va hayajonli (o'zgartirilgan  ) elektron energiyasining funktsiyalari bo'lgan taqsimot.

Fototokning zichligi Fauler formulasi bilan aniqlanadi:

 

bu yerda , ,  nurlangan metallning xossalariga qarab ba'zi doimiy koeffitsientlardir. Formula metallning ish funktsiyasidan bir necha elektron voltdan ortiq bo'lmagan fotoemissiya qo'zg'alish energiyalarida amal qiladi. Fauler nazariyasi faqat sirtga normal yorug'lik tushgan taqdirdagina tajriba bilan mos keladigan natijalar beradi.

Izoh: "Oddiy taqsimlangan Fermi-Dirak taqsimoti " atamasi "normal taqsimlangan Fermi-Dirak taqsimoti " bilan almashtirildi, chunki bu erda noto'g'ri tushunilishi mumkin bo'lgan matematik atama normal taqsimot mavjud.

Manbalar
 Ландсберг Г.C - Физматлит
 Лукирский П - О фотоэффекте
 Лукьянов С.Ю - Фотоэлементы
 Рывкин С. М - Фотоэлектрические явления в полупроводниках
 The Analysis of Photoelectric Sensitivity Curves for Clean Metals at Various Temperatures

Havolalar 
Ushbu maqola Mirzo Ulug'bek nomidagi O'zbekiston Milliy universiteti Fizika fakulteti tomonidan Wikita'lim loyihasi doirasida yaratildi.