CыртҚы фотоэффект ҚҰбылысын зерттеу

ПЛАНК ТҰРАҚТЫСЫН АНЫҚТАУ

 

ЖҰМЫСТЫҢ МАҚСАТЫ: сыртқы фотоэффект құбылысын және оны

Эйнштейн теңдеуі бойынша түсіндіру.

Фотоэффектінің қызыл шекарасын, ыршып

шыққан фотоэлектрондардың максималь

жылдамдықтарын, Планк тұрақтысын, фотон

массасын, импульсін, энергиясын анықтай алу.

 

5.5. І ҚЫСҚАША ТЕОРИЯЛЫҚ КІРІСПЕ

 

Сыртқы фотоэффект құбылысы дегеніміз метал бетіне жарық түсіргенде одан электрондардың ыршып шығуы. Бұл құбылысты толық зерттеген А.Г. Столетов, ал фотоэффект құбылысын толық түсіндіруші А. Эйнштейн.

А. Эйнштейн Планктің жарықтың үзік-үзік шығарылуы туралы идеясын әрі қарай дамытып, жарық шығарудың әрбір порциясының (үлесінің) энергиясының мынаған тең екендігін көрсетті:

(5.5.1)

мұндағы - Планк тұрақтысы, - электромагниттік толқынның таралу жылдамдығы, - жарық жиілігі, -электромагниттік толқын ұзындығы.

А.Эйнштейн жарық жеке-жеке порциялармен жұтылады деп тұжырымдады. Жарық кванттарының ағынын – фотондар деп атады. Фотон тыныштықта өмір сүре алмайды, ендеше оның тыныштық массасы болмайды.

Жарықтың толқындық қасиетін көрсететін құбылыстар - интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия болса, ал оның корпускулалық табиғатын көрсететін құбылыстар – фотоэффект, Комптон –эффект.

Металл бетіне жарық түскенде ол металдың электрондарымен әсерлеседі, оған өзінің энергиясын береді. Егер берілген энергия шамасы электронды металдан бөліп шығаруға (шығу жұмысына ) жетсе, электрон металдан ыршып шығады

(5.5.2)

мұндағы - шектік жиілік, - максимал толқын ұзындығы. , - фотоэффектінің қызыл шекаралары. Фотон энергиясы болғанда фотоэффект құбылысы болмайды. болғанда энергия айырмасы электрондарға кинетикалық энергия беруге жұмсалады.

Кинетикалық энергия болған жағдайда (релятивистік емес)

(5.5.3)

Ал релятивистік жағдайда

(5.5.4)

- электронның тыныштық массасы, .

Сонымен, сыртқы фотоэффект құбылысы үшін Эйнштейн өрнегін мына түрде жазуға болады (немесе энергияның сақталу заңы):

(5.5.5)

Металға түскен жарық энергиясы электрондардың металдан шығу жұмысына және оларға қандай да бір бастапқы кинетикалық энергия беруге жұмсалады.

Фотоэффект құбылысына негізделіп жасалған құралдарды фотоэлементтер деп аталады. Олардың құрылымдары (конструкциясы) әртүрлі болады, бірақ барлық жағдайда электродтар вакуум ішінде орналастырылады да, ток көзіне қосылады. Бұдан соң электродтардың біреуіне (катодқа) жарық түсіріледі. Ыршып шыққан электронның энергиясы (кинетикалық) анодқа жетуге жеткілікті болғанда электродтар арасына кернеу болмаған күннің өзінде де, анодта аздаған ток болады. Кернеуді арттырғанда ток қанығуға дейін артады. Бұл жағдайда бір өлшем уақыт ішінді катодтан бөлініп шыққан электрондардың барлығы анодқа келіп қонады. Фототоктың анод пен катод арасындағы кернеуге байланыстылығын график түрінде салуға болады. Мұны вольт-амперлік сипаттама деп атайды. Вольт-амперлік сипаттама 5.5.1-суретте көрсетілген.

5.5.1-сурет

 

Сыртқы фотоэффектінің үш заңы бар:

І заңы: Бірлік уақытта катодтан ұшып шығатын фотоэлектрондардың саны түскен жарықтың қарқындылығына байланысты (қанығу тоғының шамасы катодтың энергетикалық жарықтануына тура пропорционал).

ІІ заңы: Фотоэлектрондардың максимал бастапқы жылдамдықтары түскен жарық қарқындылығына байланысты емес, ол оның жиілігіне байланысты (жиілік артқанда бастапқы жылдамдық та сызықты түрде артады).

ІІІ заңы: Әрбір зат үшін фотоэффектінің қызыл шекарасы, яғни минимал жарық жиілігі болады (ол заттың химиялық табиғатына, бетінің күйіне байланысты). Осы жиіліктен төмен жиіліктегі кез келген қарқындылықтағы жарық фотоэффект құбылысын тудырмайды.

Ыршып шыққан электрондардың кинетикалық энергиясын тікелей өлшеуге болады. Ол үшін анод пен катод аралығына кері кернеу беріп, ток жойылғанша арттыра отырып бөгеуші потенциал анықтау керек, сонда

(5.5.6)

мұндағы - электрон заряды (.

Бұл жағдайда (5) өрнекті мына түрде жазуға болады

(5.5.7)

Бұл теңдеуден бөгеуші кернеу түскен жарық жиілігіне пропорционал екендігі көрінеді (2-сурет).

5.5.2-сурет

 

Көптеген металдар үшін фотоэффектінің «қызыл шекарасы» спектрдің көрінбейтін ультракүлгін аймағында жатады. Сондықтан, тәжірибемен спектрдің кернеулік аймағындағы бөгеуші потенциалдарды анықтап, қызыл шекараны анықтаймыз (2-суреттегі үзік сызықтар, ал тәжірибелік нәтижелер дөңгелекшелермен көрсетілген).

(5.5.7) өрнектен

(5.5.9)

(5.5.10)

 

5.5.2 ҚОНДЫРҒЫНЫҢ СИПАТТАМАСЫ

 

Фотоэлементтің вольтамперлік сипаттамасын анықтау үшін мына қондырғыны пайдаланамыз (5.5.3-сурет).

 

5.5.3- сурет

 

Қондырғы кернеуі реттеліп отыратын ток көзінен, фотоэлементтен, жарық көзінен, коректендіру блогынан тұрады.

Ток көзін өлшеу үшін М-95 типті микроамперметр, кернеуді өлшеу үшін Ш4313 типті вольтметр қолданылады. Монохроматты жарық монохроматр МУМ арқылы алынады.

 

5.5. 3 ЖҰМЫСТЫ ОРЫНДАУ ТӘРТІБІ ЖӘНЕ ӨҢДЕУ

1-тапсырма

Фотоэлементтің вольтамперлік сипаттамасын алу және шығу жұмысын анықтау

- Фотоэлементтің катоды ток көзінің плюсіне қосылады.

- Коректендіру көзінің кернеу реттеушісін ең шеткі жағдайына қоямыз.

- Микроамперметрдің өлшеу шегін -ге қоямыз.

- Жарық көзінің коректендіру блогының ауыстырып қосқышын «недонакал» жағдайына қоямыз.

- Құралдарды қосып, жарық толқын ұзындығын 380-480 нм-ге қоямыз. Тізбектегі ток жоғалғанша кернеуді арттырып отырамыз. Токтың, кернеудің көрсетулерінің 4-5 мәндерін жазып аламыз.

- Коректендіру көзін қосып, микроамперметрдің өлшеу шегін -ге қою керек.

- Фотоэлементтің катодын ток көзінің минусына қосып, коректендіру көзін қосу керек.

- Кернеуді 0-ден 4-5 В дейін арттыра отырып, вольтметрдің және микроамперметрдің көрсетулерін (9-10) алыңыз.

- Ток күшінің кернеуге байланыстылық графигін сызыңыз.

- Фотоэффект үшін Эйнштейн өрнегін пайдаланып шығу жұмысын анықтаңыз.

2-тапсырма

Шектік жиілік , Планк тұрақтысын, шығу жұмысын анықтау.

- Фотоэлементтің катодын коректендіру көзінің -не қосу керек. Коректендіру көзінің кернеуді реттеуші құлағын шеткі сол жағына түбіне дейін бұрау керек. Микроамперметрдің өлшеу шегін -ге қойыңыз. Коректендіру блогының ауыстырып қосқышын «недоканал» жағдайына қойыңыз да, құралды қосыңыз.

- 480, 455, 430, 405, 380 толқын ұзындықтарында бөгеуші кернеуді анықтаңыз. Бөгеуші кернеуді анықтау үшін тізбектегі ток жоғалғанша кернеуді баяу арттырыңыз да, көрсеткішін жазыңыз.

- Максимал кинетикалық энергияның фотоэлементке түсетін жарық жиілігіне байланыстылығының графигін салыңыз. График бойынша фотоэффектінің қызыл шекарасын анықтаңыз.

өрнегі бойынша Планк тұрақтысын анықтаңыз.

 

4 БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ

 

1. Фотоэффект құбылысының мәні неде?

2. Фотоэлементтер деген не?

3. Фотоэффект үшін Эйнштейн теңдеуін жазыңыз.

4. Фотоэлементтің бөгеуші потенциалының физикалық мағынасы қандай?

5. Фотоэлектронның максимал жылдамдығы қалай анықталады?

6. Фотоэффектінің қызыл шекарасы деп нені атайды? Оның анықтайтын өрнекті жазу керек.

7. Фотон деген не? Фотонның массасы, энергиясы қалай анықталады?

8. Фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясының жарықтың жиілігіне байланыстылық графигі.