Фотоэффект құбылыстарымен танысу

                                        №5-зертханалық жұмыс

Фотоэффект  құбылыстарымен танысу

Қажетті құралдар: оптикалық орындық, жарық көзі, вакуумдық және газ толтырылған фотоэлемент, миллиамперметрлер.

Жұмыстың мақсаты: жарықтың кванттық қасиетін эксперимент арқылы зерттеу

І. Теориялық  бөлім 

Фотоэлектрлік эффект (фотоэффект) деп- жарықтық кванттық қасиеті білінетін құбылыстарыды  айтады. Жарықтың кванттық қасиеттері жарық таралғанда жұтылғанда жекелеген  электромагниттік толқындар түрінде  шығады, яғни оның  көптеген қасиеттері бөлшектер қасиетін көрсетеді. Сондықтан оларды жарық бөлшектері-фотондар деп аталады.

         Фотондар бір құбылыстарда электрондардың  шағылуы заттармен әрекеттесуі  және т.б., өздерін белгілі бір  Е энергиясы, Р импульсы бар  бөлшектер сиақты көрсетеді, ал басқа құбылыстарда (дифракция, интерференөзін белгілі бір толқын және жиілігі бар толқындар сиақты көрсетеді. Де- Бройл ашқан, корпускулиярлық-толқындық диализм деп аталған табиғаттық әр жақты қасиеті осыдан тұрады.

 Де- Бройл корпускулярлық қасиетпен Е және Р толқындық қасиеті және байланыстырып қатынастарды айтадыы. Ол тек қана фотондарға ғана емес, сонымен қатар басқа бөлшектерге де электрондар протондар, нейтрондар және т.б., дұрыс қатынасты ашты. Ол қатынастар мыналар

Е=hv    p=h/v              (9.1)

Мұндағы h=6,62х10^-34Дж.с- планка тұрақтысы. Атомдар, молекулалар, иондар және атом ядролары қозған күйден энергиясы төменгі күйге өткенде фотондар шығарады және басқа да жағдайда.

      Фотондар  энергиясының толықтай заттар  электронына берілуін фотоэффект құбылысы деп аталады. Фотоэффектті сыртқы және ішкі фотоэффектті болып бөлінеді.

   Сыртқы эффектіде  фотондардың құрылуынан электрондар  денеден шығуымен сәйкес келеді.

    Ішкі эффектіде  электрондар зат атомдарынан  шығады, бірақ дененің ішінде қалады және электрлік тоққа қатыса алады (олар, мысалға жартылай өткізгіштер)

    Бұл жұмыста  біз сыртқы эффектіні қарастырамыз.

     Ішкі эффектіде  денеден ұшып шығатын электрондар  фотоэлектрондар деп аталады.  Бұл электрондарэлектрлік тоқты тудыруға қатыса алады, (оны фотокатод деп атайды). Ол үшін электрлік өріс тудыру жетіп жатыр, онда электрондар жылдамдығы артады. Жарық әсерінен электрондар шығаратын өткізгіш фотокатод деп аталады.

      Егер анод  деп аталатын фотокатодқа жақын басқа өткізгіш болса және оларды өткізгішпен тұйықтап қосса, онда сыртқы электрлік өріс болмаса да фотокатод сыртқы электр өрісі болмаса да жүре алады, өйткені фотокатодтан ұшып шығатын электрондардың бөлігі анодқа жетеді және электрлік тоқ шығаруға қатысады.

       Сыртқы  фотоэффект заңын бірінші рет  Эйнштейн жарықтық кванттық қасиеті  және энергияның сақталу заңын  ескере отырып есептеп шығарды.  Металдан, не басқа денеден электрон  шығуы үшін белгілі бір жұмыс  жасалуы керек, ол шығару жұмысы  деп аталады, Ашығ деп белгіленеді. Фототоқ электронды металдан бөліп шығару үшін фототоқ энергиясы шығу  жұмысынан кіші болмауы керек. Олай болмаса жағдайда жұтылу кезінде фотокатодтан алынған электрон энергиясы металдан шығуға жұмыс жасалуына жетпей қалуы мүмкін. Сондықтан берілген шарт hv Ашығ.  Фотоэффект болуы мүмкін, фототоқ энергиясының мәнін анықтайды. Себебі фототоқ энергиясы жарық жиілігіне немесе толққын ұзындығына байланысты.

λ=с/v         (9.2)

 мұндағы  с=3х10⁸ м/с – вакуумдағы жарық жылдамдығы сол фотоэффект болуының ең үлкен толқын ұзындығының шектік мәнін фотоэффектінің қызыл шекарасы деп аталады, және λ_kр деп белгіленеді.  Фотоэффект қана жарық бөлшектерінің толқын ұзындығы λ= λ_kр үшін ғана бақыланады.

   Яғни λ_қыз мәнін hс/λ_қыз=А_шыс қатынасымен анықтауға болады.

λ=А_шығ/hс        (9.3)

   әрбір  зат өзінің шығу жұмысының  мәнімен сипатталады. Мысалға  лити үшін А_шығ =3,8х10^-19Дж цинкке 6,6х10^-19 Дж және тағы басқа калий,литий, цезий, сілтілік металдарында шығу жұмысының кішкентай мәндері бар, сондықтан оларды жарыққа көрінетін сезімтал фотоэлементтерде пайдаланылады.

     1905 жылы Эйнштейннің  кванттық теория шеберінде берген  фотоэффекті заңдылықтарына берген  түсініктемесі Планктың жарық  кванттары шығады деген гипотезасына  негізделген. 

      Электрон квантты жұтқанда белгілі  бір үлесін алады, ол hυ тең.  Онда энергияның сақталу заңынан  электронның алған энергиясы  шығу жұмысына және оның кинетикалық  энергияя алуына 

mυ^mах/2

hυ=А+mυ²_mах/2/      (9.4)

(9.4) теңдік Энштеейннің  фотоэффектіге арналған теңдігі деп аталады. Бұған өткізгіштерінен ұшқан электрондар максималдық энергиясы mυ²_mах – кірреді. Өйткені жарық электрондарды ең үстінен шығарып қоймайды, сонымен қатар одан да терең метал қабаттарынан шығарады. Соңғылары өздерінің энергияларын беттік қабатқа жеткенше метал атомдарымен соқтығысу кезінде жояды.

 

 

ІІІ. Экспериментальдық қондырғы

        Фотоэффектіні зерттеу 9.1-ші суретте  берілген схеманың көмегімен  жүргізіледі.

 

 

9.1-сурет-фотоэффектіні  зерттеудің схемасы Ʋ- вольтмерт,  μА-микроамперметр, К-катод, А-анод.

       Дәнекерленген шыны колбаның  ішіне вакуум жасалған, немесе  инертті газдың ішіне екі анод  екі катод электрод орналасқан. Катод пен анодтың арасында  кернеу Итуырады. Кернеудің шамасын  потенционометр көмегімен және  вольтметрмен өлшеуге болады. Энергия көзі полюстерін ауыстыра отырыып, анод пен катод отырып, арасындағы кернеу таңбасын өзгертуге болады. Катодты арнайы терезе арқылы жарықпен жарықтандырған кезде өзгертуге болады. Яғни одан электрондар шығады. Анодтан жеткенде тізбектен тоқ пайда болады. Оның күші микроамперметрдің көмегімен өлшенеді.

    Мына  суретте 2 –катодтағы тоқ күші  І мен анодтағы кернеу U-дің  арасындағы катодты тұрақты жарықпен  жарықтандырғыштағы қатынас белгіленген.  Егер кернеу оң болса /анодта-плюс/ онда кернеу U артқанда басында тоқ күші артады. Ол кезде U=0, соңынан U-дан қанығу болады да тоқ күші қанғуға жетеді де өзгермейді. Ал теріс кернеу кезінде кернеу мәні U катодқа жеткенде тоқ күші 0- ге дейін түседі. Қанығу тоғының бар болуы катод пен анодтың арасындағы жағдай кернеу кезінде катодтан шығатын  электрондар анод пен катодтың арасында күшті электр өрісі әсерінен анодқа толық жетеді және әрі қарай кернеудің үлкейтуі тоқты үлкейте алмайды. Кішкентай кернеу кезінде катодтан шығатын электрондар анодқа жетпейді және электрлік тоқ шығаруға қатыспайды. Қанығу тоғының шамасы, катод бетінің қаншалықты күшті жарықтандырылғанына байланысты, катод неғұрлым күшті жарықтандырылса, соғұрлым катодтан электрондар көп шығады және соғұрлым қанығу тоғының күші болады. Катодтан шығатын электрондарды ұстап тұратын кернеудің шамасы ұшып шыққаны электрондардың  максимальдық жылдамдықпен анықталады. Энергияның сақталу заңына сәйкес

U=mυ²mах/2                              /4/ 

ІІІ. ЛАБОРАТОРИЯЛЫҚ ЖҰМЫСТЫҢ ОРЫНДАЛУЫ  ЖӘНЕ ӨЛШЕМ ҚОРТЫНДЫСЫН ӨҢДЕУ

    Бұл  жұмыста фотоэлементтер ретінде  вакуумдық /В/ және газ толтырылған  /Г/ фотоэлементтер қолданылады. 3-суретте экспериментальдық қондырғының  схемасы берілген:

 

Лабораториялық  жұмысты орындаған кезде келесі тапсырмаларды орындау керек.

  Тапсырма 1. Вольт амперлік сипаттамасын  тұрғызу. Потенциометрдің көмегімен  фотоэлементке жарықтылық өзгертілмеген  жағдайда әртүрлі кернеу бере  отырып және вакуумдық және  газ толтырылғанфотоэлементтерге  тиісті шамадағы тоқ үшін өлшеп  алып, вольт-ампер сипаттамасын тұрғызыңдар.

  Тапсырма 2. Фотокатодтың жарықтылыққа байланысты  қанығуын анықтау. Фотоэлементтен  әртүрлі қашықтықтағы жарық көзінің  тұрақты жарық күшін вольт-амперлік  сипаттама тұрзылып оған сәйкес  келетін қанығу тоғының І_қан мәнін анықтаңыздар.

    Соныммен  қатар мына формуламен табу  керек: 

Е=Іr²  

Мұндағы, І- жарық  көзінің жарық күші. Е-әрбір жағдайдағы жарық көзінің жарықтанғандағы  мәні.

Графикте І_к=І_к/Е/ байланысын құру.

Қорытындысы міндетті түрде графиктен таблицаға  толтыру керек.

 

Бақылау сұрақтары

1. қандай табиғаттағы құбылыстарда жарықтық кванттық табиғаты бөлінеді?
2. Фотондардың негізгі қасиеттері?
3. Фотоэффект құбылыстары неден тұрады?
4. Ішкі және сыртқы фотоэффект?
5. Шығу жұмысы.
6. Фотоэффектінің қызыл шекарасы.
7. Эйнштейннің фотоэффект үшін жасаған теңдеуі.
8. Эксперименталдық қондырғылар.
9. Фотоэффектінің принципиальдық схемасы.
10. Фотоэффектінің вольт-ампер сипаттамасы және оның негізгі ерекшеліктері.
11. Қанығу фототогы және оның фотокатодтық жарықтануына тәуелділігі.