Фотоэффект заңдары

Электромагниттік толқынның (жарықтың) элементар бөлшегі- фотон (грекше phos, photas- жарық). Фотон зарядсыз (нейтрал) бөлшек. Ол вакуумде c=3·10м/с жылдамдықпен тарайды. Оның энергиясы (ε) жиілігімен (ν) анықталады: ε=hν/c, оның тыныштықтағы массасы m=0. Фотон электромагниттік әсерлесуді тасымалдайтын бөлшек. Зарядталған бөлшектердің фотондарды шығаруы немесе сіңіруі барлық электромагниттік процестердің негізі болып табылады. Фотон туралы ұғым кванттық теория мен салыстырмалы теорияның даму барысында пайда болды. 1905 жылы А.Эйнштейн фотоэффект құбылысының заңдылықтарын түсіндіру үшін 1900 жылы неміс физигі М.Планк ашқан жарық кванттары туралы ұғымды пайдаланды. Жарықтың фотондардан (кванттардан) тұратындығы люминесценциялық құбылыстар мен фотохимиялық реакциялар арқылы дәлелденді. “Фотон” терминін ғылымға 1929 жылы америка ғалымы Г.Льюис енгізді. Фотон бозондарға жатады. Оның меншікті импульс моментінің (спинінің) қозғалыс бағытына проекциялары S=±1. Классикалық электродинамикада оның бұл қасиетіне көлденең электромагниттік толқындар сәйкес келеді. Электромагниттік әсерлесуден басқа фотон гравитациялық әсерлесуге де қатысады. Америка физигі А.Комптонның рентген сәулелерінің бос электрондардан шашырауын зерттейтін тәжірибесінде кванттық сәуле (фотон) шығару да зат бөлшектері сияқты кинематикалық заңдарға (энергияның және импульстің сақталу заңдарына) бағынатындығы дәлелденді. Фотонның зарядталған лептондармен әсерлесуін (өзара бір күйден екінші күйге ауысуын) кванттық электрдинамика зерттейді.

Жарықтың кванттық қасиеттері
Жарықтың толқындық теориясы шағылысу, сыну, интерференция, дифракция, үйектелу құбылыстарын түсіндіруде үлкен жетістіктерге ие болғанмен, XIX ғасырдың соңында ол екі маңызды қиындықпен кездесті. Толқындық теория қыздырған денелердің электромагниттік сәулеленуінің энергиялық спектріне және фотоэффект заңдарына түсінік бере алады.
Электромагниттік теория бойынша қыздырылған қатты және сұйық денелердің сәулеленуі атомдар құрамындағы зарядталған бөлшектердің бейберекет жылулық қозғалысы себебінен болу керек.
Олай болғанда толқын ұзындықтары кемігенде, сәулеленудің қуаты шексіз өсуі қажет. Бұл құбылыс тәжірибеде байқалмайды, сондықтан қыздырылған денелердің электромагниттік сәулеленуі классикалық заңдарға бағынбайды.




Жарықтың кванттық табиғатын растайтын
тәжірибелер
Жарық фотондардың ағыны түрінде таралатыны және оның әрекетінің кванттық сипаты бірқатар тәжірибелерде тікелей дәлелденді. Солардың екеуін қарастырайық.
Боте тәжірибесі.Егер жарық тіркегіш құралмен әрекеттесетін фотондар бір-біріне тәуелсіз фотондар ағынынан тұрса, онда өте әлсіз жарық ағындарын тіркегенде интенсивтіктің флуктуациялары (ауытқулары) бақылануы тиіс. Мұндай ауытқулар әр секунд сайын құралға түсетін N фотондар санының орташа мәнінен кездейсоқ ауытқудың нәтижесінде байқалады. N саны өте үлкен болса, ауытқу елеусіз, ал N кіші болғанда, мұндай ауытқуларды өлшеуге болады. Осындай тәжірибелердің алғашқысын 1924 жылы В.Боте жасады. Газ разрядты екі санағыштың арасына жұқа металл фольга Ф орналастырылады. Фольгаға қырынан қысқа толқынды рентген сәулелерінің өте әлсіз жіңішке шоғы түсіріледі. Рентген сәулелерінің әсерінен фольганың өзі интенсивтігі өте аз рентген сәулелерін шығара бастайды (рентгендік флуоресценция), яғни фольга шығаратын фотондардың саны болымсыз аз. Рентген сәулелері санағыштарға С түскенде арнаулы М механизмдер іске қосылады. Бұл механизмдер бірқалыпты жылжып отыратын Т таспаның екі шетіне белгі соғып тұрады. Егер фольгадан шығатын рентген сәулесі толқын түрінде үздіксіз, жан жаққа бірдей таралса, таспаның екі жағына түсетін белгілер симметриялы болып шығар енді. Ал тәжірибеде бұл белгілер ретсіз, қалай болса солай орналасқан болып шықты. Мұны тек фотондар фольгадан бір біріне тәуелсіз, үздікті түрде, барлық бағытта ұшып шығуының нәтижесі деп түсіндіруге болады.
Вавилов тәжірибелері. Бұл тәжірибелерде өте әлсіз, интенсивтігі адам көзінің жарықты сезіну шегімен сәйкес келетін жарық көздерінің бір жанып, бір сөніп жыпылықтап тұруы бақыланды. Егер адам біраз уақыт қараңғыда отырса, ол тек интенсивтігі белгілі бір шектік мәннен жоғары көре алады, одан әлсізді көрмейді. Мысалы, толқын ұзындығы λ=500 нм жарықты сезу үшін адам көзіне секунд сайын кем дегенде 200-400 фотон түсуі керек. Сонда жаңағы қараңғыда жыпылықтап тұрған әлсіз жарқылдың кейбіреулерін бақылаушы адам көріп, кейбіреулерін көре алмаған. Бұдан әр жарқыл кезінде интенсивтік орташа мәнінен ауытқып отырған деген қорытынды жасауға болады, яғни ұшып шыққан фотондор саны кейде көздің көру шегіне жетпей қалып отырған.

Жарық кванттары туралы Планк гипотезасы. Планк формуласы
Жылулық сәулелердің экспериметтік нәтижесін түсіндірудегі тығырықтан шығу жолын немістің ұлы физигі Макс Планк тапты. Ол 1900 жылы сәулелік энергия үздіксіз шығады деген классикалық физика түсінігіне мүлдем қайшы келетін батыл гипотеза ұсынды. Ол гипотеза былай оқылады:
абсолют қара дене жылулық сәулелерді үздіксіз шығара да, жұта да алмайды; оларды тек үздікті (дискретті) үлес квант түрінде ғана шығарады немесе жұтады. Сәуле арқылы тарайтын немесе жұтылатын бір үлес энергия квант деп аталады.
Квант латынша quantum – мөлшер, яғни үлес деген сөздің мағынасын береді.
Макс Планк дененің үздікті шығаратын немесе жұтатын бір үлес энергиясы үшін әсем формула тапты:
E0=hν,
мұндағы E0- ең кіші энергия үлесі, яғни бір квант; ν- сәуленің жиілігі; h- Планк тұрақтысы:
h=6,62·10 Дж·с.
Классикалық теория бойынша, энергия үздіксіз өзгереді және нөлден бастап шексіздікке дейін кез- келген мәнді қабылдай алады. Ал Планк, керісінше, энергияның үздікті өзгеретінін және белгілі бір нақтылы мәндерді қабылдайтынын болжады. Бұл болжам эксперимент жүзінде толық дәлелденді.
Планктың ғылыми болжамы абсолют қара денелердің тәжірибеде байқалған жылулық сәуле шығару құбылысын толық түсіндіріп берді. Планк гипотезасы негізінде салынған Е (λ) 2 қисығы эксперимент жүзінде алынған 1 қисығымен дәлме-дәл келді. Сөйтіп, тәжірибеде дәлелденген Планк гипотезасы қазіргі физика деп аталатын жаңа кванттық физиканың негізін қалауға зор көмегін тигізді.
СӨЖ (СРС)
Тақырыпқа байланысты қорытынды сұрақтар.

1. Фотон дегеніміз не?
2. Кванттың анықтамасы?
3. Кімнің гипотезасы кванттық физиканың негізін қалауға себеп болды?
4. Фотоэффект деп нені атайды?
5. Генрих Герц ашқан жаналық?
6. Неліктен кванттық теория бойынша жарықтың интенсивтігі өте аз болғанда, флуктуация бақылануы тиіс?
7. Боте тәжірибесін сипаттап беріндер.
8. Вавилов тәжірибесін айтып беріндер.
9. Классикалық физика бойынша денелер сәулелерді қалай шығарады немесе жұтады?
10. Планк гипотезасы қалай оқылады?
ТЕСТ

1. Тыныштық массасы нөлге тең элементар бөлшек?
А) квант
Ә) фотон
Б) атом
2. Макс Планк қай жылы сәулелік энергия үздіксіз шығады деген тұжырымға кері гипотеза айтты?
А) 1900 ж.
Ә) 1902 ж.
Б) 1904 ж.
3. В.Боте қай жылы тәжірибе жасады?
А) 1934 ж.
Ә) 1932 ж.
Б) 1924 ж.
4. Фотоэлектрондар дегеніміз не?
5. Планк гипотезасы қазіргі физика деп аталатын жаңа ________________ негізін қалауға зор көмегін тигізді.
6. Квант латыншадан аударғанда ______________ деген сөздің мағынасын береді.
7. Сәуле арқылы тарайтын немесе жұтылатын бір үлес энергия ____________ деп аталады.
8. Генрих Герц жарықтың әсерінен не болатынын айтты?
9. Қандай теория бойынша энергия үздіксіз өзгереді?
10. Адам көзі арқылы жасалған тәжірибе кімдікі?....